移动通信的历史、现状和未来

1、1,移动通信的历史、现状和未来,徐国鑫,北京邮电大学无线通信新技术研究室,X,2,第一部分：移动通信发展史第二部分：第三代移动通信第三部分：第三代移动通信的演进,总提纲,3,移动通信系统演进的里程碑；移动通信技术的发展历程；前三代移动通信系统的比较。,回顾移动通信系统的发展,4,移动通信系统演进的里程碑,5,移动通信技术的发展历程,Circuitswitched,CSvoice/packetdata,IPcore,GSM,UMTS,UWC-136,CDMA,2GHSCSD,endtoendIP,GPRSEDGE,WLAN,HiperLAN/802.11a,IMT-2000CDMAMulti-C

2、arrier,OptimallyConnectedAnywhere,Anytime,MBSat60GHz?,AdhocNetworks,NewRadioInterface?,Bluetooth,2G,3Gandbeyond,evolved2G,3GPPRel0 xIMT-2000CDMADirectSpread+TDD,3GPPRel99,D-AMPS,IS95,GPRS/EDGEIMT-2000TDMASingle-Carrier,GPRSEDGE,CDMA2000,IncludesVerticalHandoverbetweenTechnologies,6,移动通信各代典型系统特点,7,各代

3、移动通信系统的比较,第一代移动通信系统是模拟话音通信，制式多，互不兼容，安全性差，容量有限，不能提供数据业务；第二代移动通信系统是数字话音通信，频率利用率和安全性有了很大的提高，但带宽限制了高速数据业务的应用，不能实现移动多媒体业务，同时由于标准不统一，无法进行全球漫游；第三代移动通信则试图建立一个全球的移动综合业务数字网，提供与固定电信网的业务兼容、质量相当的多种语音和非话业务，但目前IMT-2000在无线传输技术和核心网都没有统一的制式，其建议和主流技术并不适应因特网的发展要求。,8,频率因素比较频率利用率,从信息论的角度说，TDMA和CDMA的频率利用率一样CDMA多址接入方式具有更大的

4、灵活性，在一定条件下有更高的频率利用率,9,频率因素比较频率适用性,10,向3G网络演进的策略,11,第一部分：移动通信发展史第二部分：第三代移动通信第三部分：第三代移动通信的演进,总提纲,12,IMT-2000的由来,1985年提出FPLMTS即FuturePublicLandMobileTelecommunicationsSystem1996年正式更名为IMT2000IMT-2000即InternationalMobileTelecommunications-工作在2000MHz频段-在2000年左右商用1992年世界无线电大会在2GHz频段上分配了230MHz频段给当时FPLMTS和卫星

5、业务,即1885-2025MHz和2110-2200MHz其中：1980-2010MHz和2170-2200MHz仅供卫星使用,13,IMT-2000目标与基本要求,全球同一频段、统一标准、无缝隙覆盖、全球漫游提供多媒体业务车速环境：144KbS步行环境：384KbS室内环境：2Mbs高服务质量高频谱利用效率易于从第二代过渡、演变袖珍手机，价格低高保密性能,14,Spectrum:WRC2000频谱,15,第三代移动通信系统的特点,全球范围无缝漫游系统支持移动多媒体业务系统平滑过渡、演进高频谱效率高服务质量低成本高保密性,真正实现：任何人在任何时间、任何地点与任何人进行通信,16,主要的第三代

6、移动通信标准,目前，经国际电信联盟(ITU)认可的3G无线传输技术共有三种标准，分别是：W-CDMAcdma2000TD-SCDMA（中国提出）,17,今后发展比较技术成熟性,WCDMA无线技术来源于IS-95CDMA技术，核心网以GSM核心网为依托，成熟性是经过验证的关键参数早在1998已定，R99今年3月冻结，目前在进行改进和完善及R00的制定有运营商和厂商早在1997年开始试验，日本NTTDoCoMo于今年将率先商用，欧洲西班牙、英国等于明年开始商用，并在全球有多个预商用试验网CDMA2000来源于IS-95CDMA技术，成熟性是经过验证的1X标准今年完成，3X？CDMA20001X从I

7、S-95平滑升级而来，技术成熟性最高在国外有已有预商用试验网,18,今后发展比较频率利用率,WCDMA、CDMA2000的技术来源是一致的，不会有频率利用率上的本质差别，且不同的技术间相互借鉴，差异将越来越小CDMA2000的后续改进将使CDMA系统的性能提升至极限，后续的发展情景尚未明朗，而WCDMA有较高的扩频增益，发展空间仍然很大,19,今后发展比较全球漫游能力,全球漫游能力WCDMA主要由欧洲、日本提出，二代GSM运营商的普遍选择GSM用户约占全球移动通信总用户的56.3%CDMA2000主要由北美提出，二代IS-95运营商的普遍选择IS-95用户约占全球移动通信总用户的11.4%,2

8、0,今后发展比较世界范围内采用程度,WCDMA绝大多数GSM运营者倾向采用目前获得三代执照的欧洲运营者、日本和韩国的部分运营者已宣布采用WCDMA技术，DAMPS许多运营者也将采用WCDMACDMA2000绝大部分IS-95运营者将首先考虑采用,21,今后发展比较多厂家供货环境,WCDMA网络设备：Lucent、Nortel、Motorola、NOKIA、Ericsson、Simens、Alctel、NEC、富士通、华为、中兴等众多厂家2001年或2002年提供终端：众多厂家WCDMA/GSM双模手机2002年投入市场CDMA2000网络设备：三星、LG今年年底，Lucent、Nortel明年

9、上半年提供商用设备终端设备：Qualcomm、三星、Motorola、富士通今年年底提供,22,今后发展比较IPR,不是单纯的技术问题，也是法律问题包含专利、许可证和秘诀，任何进行CDMA产品开发的厂商，都需从Qualcomm购买专利，在产品生产和销售还需生产许可证费和相应的生产提成费WCDMA的IPR较分散，回旋余地较大（国产厂家如华为也申请了技术专利85项）CDMA2000的IPR主要掌握在Qualcomm手中，要价较高,23,今后发展比较网络演进,GSMWCDMA，无线网是革命的，核心网是演进的，GSM可作为WCDMA的依托网IS-95CDMA2000，无线网是演进的，核心网是演进的，I

10、S-95可作为CDMA2000的依托网，在GSM基础上，再发展IS-95，无线网和核心网都将发生革命性的变化,24,3G的历程发展与应用,3G在欧洲的发展状况韩、日3G的经验之谈中国3G的发展现状与前景,25,终端对3G的挑战,未来的3G手机是一个可移动的多媒体通信器,26,99年9月，诺基亚和电信传输研究院共同开发第三代移动通信技术WCDMA技术，建立并试运行了一个以诺基亚WCDMA移动通信系统为基础的现场实验系统；2000年6月，发布全套TDMA-EDGE数据解决方案，将三代技术推向大众市场；2000年7月，与StarHub签定亚洲第一个商用三代WCDMA系统供货协议；2001年8月，实现

11、了全球第一个基于商用3GPP系统的3GWCDMA话音呼叫；2001年10月，推出用于M2M业务的全新GPRS终端和支持工具；2002年5月，诺基亚宣布与中国运营商成功完成了亚洲第一个基于GPRS网络的MMS的漫游和互联。,27,2001年，爱立信与中国信息产业部电信科学研究院联合建立了一个3G研发中心，致力于WCDMA技术的研发工作。2001年4月，爱立信在英国同Vodafone协作现场演示了全球首次基于完整3G商用系统的端到端呼叫。2001年12月，爱立信在日本与J-Phone公司及沃达丰西班牙公司之间进行了世界上首次WCDMA国际漫游呼叫测试。2002年4月，爱立信与中国联通一起进行CDM

12、A1X的试运行，为中国联通等运营商提供面向爱立信CDMA1xEV-DO和1xEV-DV解决方案的演进路径。2002年5月，爱立信与Sun公司推出“爱立信Sun移动应用开发商计划”，为移动应用开发商提供包含MMS多媒体信息技术以及Java技术的统一开发平台。,28,西门子是全球唯一同时拥有两项第三代移动通信技术WCDMA和TDSCDMA的公司。从1998年开始，中国电信科学研究院与德国西门子公司西门子合作开发第三代（3G）移动网络通信标准之一TDSCDMA。CATT和西门子在TDSCDMA研发上的进一步合作:在中国成功起动第一个3G试验网。2001年12月，西门子分别在英国曼岛和摩纳公国投入实验

13、全球首先两个3G网络。西门子将在2002年年底完成TD-SCDMA的终端以及商用的试验网络，明年可以推出正式产品。,29,韩国信息化及IT产业发展经验,加强通信基础设施建设通过国内融资、维持低廉通信自费扩大通信需求，大大增加了通信公司的收益，从而形成了一个良性循环优先发展无线通信产业委托韩国电子通信研究所开展CDMA移动通信系统的开发项目在产业结构方面采取了先国内竞争，后国际竞争的基本策略电子政务中央先行以政策推动全民信息化大力推广宽带网络应用,Pagenumber,韩国SK电讯3G发展历程,31,NTTDoCoMo公司开创发明的i-mode网络已经将超过几百万多的用户带入了移动互联的世界,日

14、本3G发展成功之道,32,中国政府发展国内第三代移动通信的政策是：,33,目前还没有相应的政策与方法,3G在中国的发展预测,34,运营商3G标准选择预测,中国移动,35,中国移动的3G发展过程预测,36,2002年3月,中国移动通信集团公司与韩国KTF公司在京正式签署了GSM-CDMA自动漫游双边协议,率先实现GSM-CDMA自动漫游；中国移动7月12日宣布，GPRS业务已开始在全国16个省（市）的25个城市投入试商用。此举标志着中国进入了2.5代移动通信；近日召开的中国国际第三代移动通信应用大会上，移动通讯集团与西门子信息首次在中国演示了以m.traction为主题的3G应用解决方案；中国移

15、动通信集团和美国摩托罗拉针对在中国研究开发3G(第3代)手机服务业务建立了合作体系。上述两家公司于当地时间18日在法国戛纳举行的3GSMWorldCongress上宣布签署了合作协定。,37,联通目前的CDMA网络为IS-95A增强型联通在7个城市同期开通CDMA1X实验网络联通与韩国SK电讯、美国SPRINT、日本KDDI、澳洲电讯等国外知名CDMA运营商在网络优化及建设上开展合作联通与中兴通讯合作CDMA开通WVPN业务中国联通与爱立信一起进行CDMA1X的试运行，为中国联通等运营商提供面向爱立信CDMA1xEV-DO和1xEV-DV解决方案的演进路径。,38,第一部分：移动通信发展史第二

16、部分：第三代移动通信第三部分：第三代移动通信的演进,总提纲,39,第三代移动通信演进提纲,3G标准化现状和演进方向3G标准的演进HSDPA:WCDMA下行数据传输增强模式1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式3G上行链路的演进3G技术的演进MIMO智能天线阵列信号处理多用户检测软件无线电未来蜂窝移动通信系统的空中接口,40,3GPP和3GPP2的3G标准化已经在2000年完成，研究人员的目光开始转向未来移动通信系统Beyond3G或4G的关键技术研究上由于3G的若干指标和关键技术早在若干年甚至十年之前确定下来，在有些方面已经不能满足现在人们的需求，所以3G的标准和技术在继续的演进

17、在2002年5月份，3GPP的第一个演进方案，HSDPA，被3GPPRelease5所采纳演进的3G标准被要求提供更大的系统容量更高的数据传输速率(=10Mbps)更小的空中接口信号处理时延在3G的演进中，以下新技术将发挥重要的作用更短的帧长，基于信道信息的调度算法，链路自适应，多天线，高阶调制，复合ARQ等因此，在Beyond3G或4G投入商用之前，3G的标准和技术将继续的向前演进,3G标准化现状和演进方向1/2,41,系统性能的进一步提高容量和覆盖(上行和下行)更好的提供多种无线多媒体业务更高的传输速率(上行和下行)更短的信号处理时延(上行、下行和发射机、接收机内部的信号处理)其它性能的改

18、善，比如更小的发射功率，接收机特别是移动台更小的功率消耗（移动台将因此变得更加便宜，待机时间更长）然而，3G的演进也要收到一些条件的制约实现复杂度不能太大与其它3GReleases在频谱上的共存,3G标准化现状和演进方向2/2,42,第三代移动通信演进提纲,3G标准化现状和演进方向3G标准的演进HSDPA:WCDMA下行数据传输增强模式1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式3G上行链路的演进3G技术的演进MIMO智能天线阵列信号处理多用户检测软件无线电未来蜂窝移动通信系统的空中接口,43,HSDPA:WCDMA下行数据传输增强模式1/5,3GPP的空中接口，如Release99的

19、定义,能够为对称、实时和电路交换的语音业务提供很好的支持然而，WCDMA是一个多媒体系统，为了更好的支持上下行数据量严重不对称的无线多媒体业务，3GPP引入了一个所谓下行共享信道（DownlinkSharedCHannel，DSCH）的概念不久，欧洲和日本的研究人员发现，可以基于这个下行共享信道采用更多的新技术来进一步提高系统性能为了实现这个目的，一些工业巨头，包括设备制造商和运营商（诺基亚，爱立信，不列颠电讯，德意志电讯，等等）开始在3GPP的框架内对所谓的HSDPA（HighSpeedDown-linkPacketAccess）展开研究对HSDPA的研究目的是不仅仅局限于将其作为一个数据传

20、输解决方案，而且要将其和其它3GPP标准一样，作成一个可以不断演进的标准,44,HSDPA的设计目标显著地增强WCDMA的下行数据链路传输能力，使“Best-effort”形式的无线分组业务的峰值数据速率能够达到10Mbps显著地缩短WCDMA的下行链路信号处理时延，这主要是针对那些实时业务,HSDPA:WCDMA下行数据传输增强模式2/5,45,HSDPA中主要采用的关键技术（未完待续）1.下行共享信道（DSCH）下行共享信道被所有的用户所共享，以类似“呼叫服务”的方式进行调度2.链路自适应（Linkadaptation）调制方式和信道编码速率可以根据移动台测量到的信道质量（比如信号干扰噪声

21、比），以提高下行链路的频谱利用率3.高阶调制（High-ordermodulation）当信道条件足够好的时候，HSDPA也可以采用高阶的固定调制方式如16QAM或64QAM提高数据传输速率4.MIMO由于都市中高大建筑物密集，因此无线通信的信号在空间的分量非常多，HSDPA利用MIMO（多天线）技术来提高下行链路性能,HSDPA:WCDMA下行数据传输增强模式3/5,46,HSDPA中主要采用的关键技术5.快速选址（Fastsiteselection）在快速衰落的情况下，移动台可以根据所测量到的下行信号的信号干扰噪声比选择信道条件最好的小区来进行数据传输6.新型分组调度（Packetsche

22、duling）由于下行共享信道，链路自适应以及复合ARQ技术的应用，如何更高效的使用下行共享信道需要设计新型的分组调度算法7.复合ARQ（HybridARQ）由于ARQ机制可以实现理论上实现无错传输，因此它和信道编码的结合被采用到HSDPA中，称为复合ARQ8.缩短的帧长度为了降低下行链路信号处理时延，提高复合ARQ的性能（更短的帧具有更小的误帧率）以及进行快速链路自适应，HSDPA系统对于WCDMA中10ms的帧长进行了缩短处理,HSDPA:WCDMA下行数据传输增强模式4/5,47,HSDPA的链路自适应由于下行链路中不存在“远近效应”，HSDPA放弃了WCDMA中的功率控制，而采用链路自

23、适应技术（不同的调制和编码组合方式）来提高下行频谱利用率在HSDPA中，不同的调制方式（最高为64QAM）和不同的编码方式被用于链路自适应中应用链路自适应之后，HSDPA可以提供高达10Mbps的下行链路传输速率，而标准WCDMA中的最高下行数据速率只有2MbpsHSDPA正在3GPPRelease5和Release6中进行标准化，并不断演进,HSDPA:WCDMA下行数据传输增强模式5/5,48,1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式1/6,在3GPP2的cdma2000中，针对于实时和非实时业务，也定义了一个类似于HSDPA的下行数据传输增强解决方案（1XThiRd-gene

24、rationEnhancedModulationandEncoding，1XTREME）在cdma2000的一个载波上实现近5Mbps的数据传输1XTREME是cdma2000EV-DO的前身，它采用了诸如发射分集、链路自适应、复合ARQ、高阶调制以及快速选址来提高下行数据速率1XTREME具有灵活的网络结构，它可以根据业务量的大小进行设备配置的优化1XTREME对于语音业务赋予更高的服务优先级，业务量增加的时候，有时通过降低数据业务的传输来保证语音业务,49,前向共享信道（ForwardSharedChannel,FSCH）被用来提高1XTREME的下行数据传输能力为了提高时隙分配效率，1X

25、TREME采用较短的固定16位长度的Walsh码作为扩频序列，而在cdma2000中的扩频因子不固定1XTREME可以依靠灵活的时隙分配、不同的调制方式和编码方式来满足多种数据业务的需求,1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式2/6,50,1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式3/6,1XTREME的发射机和接收机结构,51,1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式4/6,1XTREME中主要采用的关键技术（未完待续）1.下行共享信道（DSCH）下行共享信道被所有的用户所共享，以类似“呼叫服务”的多址方式进行调度2.链路自适应（Linkadaptatio

26、n）调制方式和信道编码速率可以根据移动台测量到的信道质量（比如信号干扰噪声比），以提高下行链路的频谱利用率3.高阶调制（High-ordermodulation）当信道条件足够好的时候，HSDPA也可以采用高阶的固定调制方式如16QAM或64QAM提高数据传输速率4.MIMO由于都市中高大建筑物密集，因此无线通信的信号在空间的分量非常多，1XTREME利用MIMO（多天线）技术来提高下行链路性能,52,1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式5/6,1XTREME中主要采用的关键技术5.快速选址（Fastsiteselection）在快速衰落的情况下，移动台可以根据所测量到的下行信

27、号的信号干扰噪声比选择信道条件最好的小区来进行数据传输6.新型分组调度（Packetscheduling）由于前向共享信道，链路自适应以及复合ARQ技术的应用，如何更高效的使用前向共享信道需要设计新型的分组调度算法7.复合ARQ（HybridARQ）由于ARQ机制可以实现理论上实现无错传输，因此它和信道编码的结合被采用到1XTREME中，称为复合ARQ8.缩短的帧长度为了降低下行链路信号处理时延，提高复合ARQ的性能（更短的帧具有更小的误帧率）以及进行快速链路自适应，1XTREME系统对于cdma2000中10ms的帧长进行了缩短处理,53,1XTREME的链路自适应8种调制方式和编码速率的结

28、合方式被采用到链路自适应中1XTREME可以支持高达5Mbps下行数据传输，而cdma2000的一个载波只能支持460Kbps,1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式6/6,54,目前3GPP和3GPP2在这方面的进展都不大，但以下趋势值得关注提高上行系统容量和数据传输速率集中式的分组调度链路自适应复合ARQ降低上行信号处理时延采用更短的时隙快速包重传随机传输的进一步增强,3G上行链路的演进,55,3G标准化现状和演进方向3G标准的演进HSDPA:WCDMA下行数据传输增强模式1XTREME:cdma2000下行数据传输增强模式3G上行链路的演进3G技术的演进MIMO智能天线阵列

29、信号处理多用户检测软件无线电未来蜂窝移动通信系统的空中接口,第三代移动通信演进提纲,56,HSDPA中的MIMO技术需要得到进一步的增强支持更高的下行传输速率（20Mbps）进一步提高系统容量HSDPA的研究者希望将增强的MIMO技术写进3GPP(WCDMA)Release6或7的标准中3GPP和3GPP2之间的协调部分硬件兼容（天线个数等）性能仿真时的MIMO信道建模考虑其它先进的多天线技术自适应波束成形更准确的发射分集，需接收机提供更为详细的信道信息,MIMO,57,智能天线1/2,TD-SCDMA中的智能天线技术智能天线包括天线阵列和基带信号处理可为每一个移动台提供跟踪波束可为高速移动的

30、移动台提供快速波束跟踪特点较低的发射功率较高的灵敏度较强的干扰抑制较大的系统容量,信息来源：CATT,MinistryofInformationIndustry,China,58,Omni-directionalpattern:withoutsmartantenna,Directionalpattern:Withsmartantenna,智能天线应用于WCDMA系统的一个实例WCDMANodeB扩频因子:256编码速率:1/3理想功率控制相邻小区干扰:3dB原系统上行容量:60（最高）无智能天线对基站的干扰来自于各个方向有智能天线对基站的干扰来自于黄色（波束覆盖）区域例1：波束宽度BW=60o6dB的干扰抑制容量：240（最高）例2：波束宽度BW=45o8dB的干扰抑制容量：256（最高，受限于扩频因子长度）信息来源:CATT,MinistryofInformationIn