移动通信(第五版)(章坚武)第1章.ppt

移动网络技术实验课安排6个实验分三组进行 单周第一 二组 双周第三组请班长安排 用班费复印实验资料 第1章概述第2章移动通信网第3章移动通信的电波传播第4章数字调制技术第5章GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统第7章第三代移动通信系统 3G 第8章第四代移动通信系统 4G 目录 第1章概述 1 1移动通信及其特点1 2移动通信的工作方式1 3移动通信系统的组成1 4移动通信系统的频段使用1 5多址方式1 6其他常用技术1 7移动通信系统的发展1 8第五代移动通信 5G 标准及现状 1 1移动通信及其特点 移动通信是指移动用户之间或移动用户与固定用户之间进行的通信 与其他通信方式相比 移动通信具有以下基本特点 1 电波传播条件恶劣 2 具有多普勒效应 由于移动台在运动中 所以产生多普勒频移效应 频移值fd与移动台运动速度v 工作频率f 或波长 及电波到达角 有关 即 1 1 多普勒频移导致附加调频噪声 多普勒频移效应 3 干扰严重 4 接收设备动态范围大 5 需要采用位置登记 过境切换等移动性管理技术 6 综合了各种技术 7 对设备要求苛刻 1 2移动通信的工作方式 移动通信按照用户的通话状态和频率使用的方法分 有三种工作方式 单工制 半双工制和双工制 单工制分单频 同频 单工和双频 异频 单工两种 见图1 1 图1 1单工通信方式 1 同频单工同频是指通信双方使用相同的工作频率 f1 单工是指通信双方的操作采用 按 讲 PTT PushToTalk 方式 平时 双方的接收机均处于守听状态 如果A方需要发话 可按下PTT开关 发射机工作 并使A方接收机关闭 这时 由于B方接收机处于守听状态 因此可实现由A至B的通话 同理 也可实现B至A的通话 在该方式中 电台的收发信机是交替工作的 故收发信机不需要使用天线共用器 而是使用同一副天线 这种工作方式的优点是 设备简单 移动台之间可直接通话 不需基站转接 不按键时发射机不工作 因此功耗小 其缺点是 只适用于组建简单和甚小容量的通信网 当有两个以上移动台同时发射时就会出现同频干扰 当附近有邻近频率的电台发射时 容易造成强干扰 通常为了避免干扰 要求相邻频率的间隔大于4MHz 因而频谱利用率低 按键发话 松键受话 使用者不习惯 2 异频单工异频是指通信双方使用两个不同频率f1和f2 这种方式中通信双方的操作仍采用 按 讲 方式 由于收发使用不同的频率 因此同一部电台的收发信机可以交替工作 也可以收常开 只控制发 即按下PTT发射 其优缺点与同频单工基本相同 在无中心转信台转发的情况下 电台需配对使用 否则通信双方无法通话 故异频单工方式主要用于有中心转信台转发 单工转发或双工转发 的情况 所谓单工转发 即中心转信台使用一组频率 如收用f1 发用f2 一旦接收到载波信号即转去发送 所谓双工转发 即中心转信台使用两组频率 一组收用f1 发用f2 另一组收用f3 发用f4 任一路一旦接收到载波信号即转去发送 由于收发频率有一定保护间隔 提高了抗干扰能力 中心转信台的加入使通信区域得到了有效扩大 因此 这种方式常用于组建有几个频道同时工作的专用网 专网 2 半双工制图1 2中 通信一端 A 采用双工制 而移动台 B 采用单工制 这种方式称为半双工制 半双工制的优点是 移动台设备简单 价格低 耗电少 收发采用不同频率 提高了频谱利用率 移动台受邻近电台干扰小 其缺点是移动台仍需按键发话 松键受话 使用不方便 由于收发使用不同的频率 因此移动台 B 的收发信机可以交替工作 也可以收常开 只控制发 即按下PTT发射 半双工制主要用于移动台接入有线网 如市话网 A作为有线网接入点 图1 2半双工通信方式 3 双工制双工制有频分双工 FDD 也称异频双工 和时分双工 TDD 也称同频双工 两种方式 频分双工制如图1 3所示 是指通信的双方 即收发信机均同时工作 任一方在发话的同时 也能收听到对方的话音 无需按PTT开关 类同于平时打市话 使用自然 操作方便 频分双工制的优点是 收发频率分开 可大大减小干扰 用户使用方便 其缺点是 移动台在通话过程中总是处于发射状态 因此功耗大 移动台之间通话需占用两个信道 需双工器 体积较大 价格较贵 在无中心转信台转发的情况下 采用频分双工制的电台需配对使用 否则通信双方无法通话 图1 3双工通信方式 1 3移动通信系统的组成 移动通信系统按其经营方式或用户性质可分为专用移动通信系统 专网 和公共移动通信系统 公网 专网的最大功能要求是调度 专网的发展经历了一对一的单机对讲系统 单信道一呼百应系统和选呼系统 后来又发展到多信道多用户共享的专用调度系统 集群 Trunking 移动通信是传统的专用无线调度系统的高级发展阶段 是专用移动通信的发展方向 随着电子技术 集成电路技术 计算机技术和交换技术的飞速发展 专用移动通信的网络结构与公共移动通信系统越来越相像 如Motorola的iDEN IntegnatedDigitalEnhancedNetwork 集群数字高效网络 数字集群移动通信系统 其本身就是在数字蜂窝移动通信系统上加上了调度功能 所以 我们将重点介绍公共移动通信系统的网络结构 公共移动通信系统 即蜂窝移动通信系统的基本系统结构如图1 4所示 一个交换区由一个移动交换中心MSC MobileServiceSwitchingCentre 一个或若干个归属位置寄存器HLR HomeLocationRegister 和访问者位置寄存器VLR VisitorLocationRegister 有时几个MSC合用一个VLR 设备识别寄存器EIR EquipmentIdentityRegister 鉴权中心AuC AuthenticationCentre 操作维护中心OMC OperationandMaintenanceCentre 基站BS BaseStation 和移动台MS MobileStation 等功能实体组成 图1 4蜂窝移动通信系统的基本结构 MSC对位于其服务区内的MS进行交换和控制 同时提供移动网与固定公众电信网的接口 MSC是移动网的核心 作为交换设备 MSC具有完成呼叫接续与控制的功能 这点与固定网交换中心相同 作为移动交换中心 MSC又具有无线资源管理和移动性管理等功能 例如移动台位置登记与更新 越区切换等 为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由 固定网就近进入关口MSC GMSC 由该GMSC查询有关的HLR 并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由 HLR是用于移动用户管理的数据库 每个移动用户必须在某个HLR中登记注册 HLR所存储的用户信息分为两类 一类是有关用户参数的信息 例如用户类别 向用户所提供的服务 用户的各种号码 识别码以及用户的保密参数等 另一类是有关用户当前位置的信息 例如移动台漫游号码 VLR地址等 用于建立至移动台的呼叫路由 VLR是存储用户位置信息的动态数据库 当漫游用户进入某个MSC区域时 必须向该MSC相关的VLR登记 并被分配一个移动用户漫游号 MSRN 在VLR中建立该用户的有关信息 其中包括移动用户识别码 MSI 移动用户漫游号 MSRN 所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数 这些信息是从相应的HLR中传递过来的 MSC在处理入网 出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息 一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域 EIR是存储有关移动台设备参数的数据库 EIR实现对移动设备的识别 监视 闭锁等功能 1 4移动通信系统的频段使用 早期的移动通信主要使用VHF和UHF频段 其主要原因有以下三点 1 VHF UHF频段较适合移动通信 2 天线较短 便于携带和移动 3 抗干扰能力强 目前 大容量移动通信系统均使用800MHz频段 CDMA 900MHz频段 AMPS TACS GSM 并开始使用1800MHz频段 GSM1800 DCS1800 该频段用于微蜂窝 Microcell 系统 作业 1 P26奇数题做在作业本上 偶数题做在书上 2 设计一个GSM网络 并简要说明各部分的作用 1 5多址方式 1 5 1移动通信系统中的多址方式 1 FDMA 当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的AMPS和英国的TACS 在我国AMPS和TACS这两种制式都有应用 但TACS占绝大多数 所谓FDMA 就是在频域中一个相对窄带信道里 信号功率被集中起来传输 不同信号被分配到不同频率的信道里 发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制 这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量 而任何其他频率的信号被排斥在外 模拟的FM蜂窝系统都采用了 2 TDMA 当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的DAMPS和欧洲的GSM 在我国这两种制式也都有应用 但GSM占绝大多数 所谓TDMA 就是一个信道由一连串周期性的时隙构成 不同信号的能量被分配到不同的时隙里 利用定时选通来限制邻近信道的干扰 从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过 实际上 现在使用的TDMA蜂窝系统都是FDMA和TDMA的组合 如美国TIA建议的DAMPS数字蜂窝系统就是先使用了30kHz的频分信道 再把它分成6个时隙进行TDMA传输 3 CDMA 当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的IS 95CDMA系统 所谓CDMA 就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频 不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里 在接收机里 信号用相关器加以分离 这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱 凡不符合该用户二进制序列的信号 其带宽就不被压缩 结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来 4 SDMA 它是一种较新的多址技术 在由中国提出的第三代移动通信 3G 标准TD SCDMA中就应用了SDMA技术 空分多址的原理如图1 5 d 所示 SDMA实现的核心技术是智能天线的应用 理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束 这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号 换句话说 处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型 而不会相互干扰 实际上 SDMA通常都不是独立使用的 而是与其他多址方式 如FDMA TDMA和CDMA等 结合使用 也就是说 对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分 SDMA的优势是明显的 它可以提高天线增益 使得功率控制更加合理有效 显著地提升了系统容量 此外 一方面可以削弱来自外界的干扰 另一方面还可以降低对其他电子系统的干扰 SDMA实现的关键是智能天线技术 这也正是当前应用SDMA的难点 特别是对于移动用户 由于移动无线信道的复杂性 使得智能天线中关于多用户信号的动态捕获 识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂 从而对DSP 数字信号处理 提出了极高的要求 对于当前的技术水平是个严峻的挑战 所以 虽然人们对于智能天线的研究已经取得了不少鼓舞人心的进展 但由于存在上述一些目前难以克服的问题而未得到广泛应用 但可以预见 由于SDMA的诸多优点 SDMA的推广是必然的 图1 5多址方式示意图 a FDMA的频段划分方法 b TDMA示意图 c FH CDMA和DS CDMA示意图 d SDMA示意图 1 5 2移动通信系统中不同多址方式的频谱效率 在FDMA蜂窝系统中 频谱效率取决于每赫兹带宽信息比特率和频率复用系数 美国模拟蜂窝系统AMPS将分配的频谱分成30kHz带宽的许多信道 并使用窄带FM调制 调制效率为每30kHz一条话路 由于干扰 同一频率不能在每一小区中重复作用 为提供可靠的通话质量 载干比 C I 需要18dB或更高 根据推算和经验表明 在大多数情况下 这个C I值需要在频率复用系数为1 7时才能达到 频率复用系数是表示相同频率是如何被复用的数目 因此 得到的结论是 每个小区中必须占用210kHz的频谱才有一条话路 通过减小小区面积增加小区数 虽然从理论上能取得任意高的话路容量 但需要增加设备费用 此外 由于小区覆盖范围减小 也增加了基站间的切换次数 切换次数的增加将导致两个坏处 一是容易掉话 二是加重了交换机的负担 TDMA频谱效率的计算基本上和FDMA相同 由于目前被认可的频率复用准则和模拟系统相似 我们可以算出对于DAMPS 每个小区必须占用70kHz的频谱才有一条话路 换句话说 它的容量是模拟AMPS的三倍 同样可以算出 GSM的系统容量约是模拟TACS的两倍 CDMA频谱效率的算法和上面两种制式不大相同 因为上面两种制式每条话路占用的频谱宽度是一定的 只要频率复用系数一定 每个小区的话路容量就确定下来 而CDMA是通过不同的地址码来区分用户的 所有用户都共用一个频率 决定CDMA系统容量的主要参数有处理增益 所需的Eb N0值 话音激活系数 频率复用效率和扇区数目等 而且即使上述参数都确定 容量还要受具体的地理环境 背景噪声和外部干扰等条件的影响 所以 在CDMA中 每条话路所需占用的频谱宽度是不确定的 通过试验和理论计算 IS 95CDMA的容量可达到AMPS的8至10倍 即每个小区中只占用20kHz的频谱就可有一条话路 目前的CDMA蜂窝系统实际上也都是FDMA和CDMA的组合 因为处在同一载频的CDMA用户共用同一频率 所以它的频率复用系数可以被看作是1 但由于受邻近小区中用户的干扰的影响 CDMA实际的频率复用系数应为2 3 CDMA系统的高容量很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其他制式的蜂窝系统 另外一个主要因素是它使用了话音激活技术 1 6其他常用技术 移动通信系统需要利用信号处理技术来改进恶劣无线电传播环境中的链路性能 均衡 分集和信道编码这三种技术 可以用来改进小尺度时间 空间中接收信号的质量和链路性能 它们既可以单独使用 又可以组合使用 均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应产生的符号间干扰 ISI 如果调制带宽超过了无线信道的相干带宽 将会产生符号间干扰 并且调制脉冲将会产生时域扩展 从而进入相邻符号 而接收机的均衡器可对信道中的幅度和延迟进行补偿 由于无线信道的未知性和时变性 因此均衡器需要是自适应的 分集技术是另外一种用来补偿信道衰落的技术 它通常使用两个或多个接收天线来实现 演进中的3G通用空中接口也利用了发射分集技术 基站通过空间分开的天线或频率发送多份信号的副本 同均衡器一样 分集技术改善了无线通信链路的质量 而且不用改变通用空中接口或者增加发射功率或者带宽 1 6 1均衡技术在带宽受限 频率选择性的 且时间扩散的信道中 由于多径影响而导致的符号间干扰会使被传输的信号产生失真 因而在接收机中产生误码 符号间干扰被认为是在无线信道中传输高速率数据时的主要障碍 而均衡正是克服符号间干扰的一种技术 从广义上讲 均衡可以指任何用来削弱符号间干扰的信号处理操作 在无线信道中 可以使用各种各样的均衡器来消除干扰 并同时提供分集 由于移动衰落信道具有随机性和时变性 这就要求均衡器必须能够实时地跟踪移动通信信道的时变特性 因此这种均衡器又称为自适应均衡器 自适应均衡器一般包括两种工作模式 即训练模式和跟踪模式 其工作过程如下 发射机发射一个已知的 定长的训练序列 以便接收机中的均衡器可以调整到恰当的设计 使误码率BER最小 典型的训练序列是一个二进制的伪随机信号或是一串预先指定的数据比特 而紧跟在训练序列之后被传送的是用户数据 接收机中的自适应均衡器将通过递归算法来评估信道特性 并且修正滤波器系数 以对多径造成的失真做出补偿 在设计训练序列时 要求做到即使在最差的信道条件下 均衡器也能通过这个序列获得恰当的滤波系数 这样就可以在训练序列执行完之后 使得均衡器的滤波系数已经接近最佳值 而在接收用户数据时 均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道 这样处理的结果就是 自适应滤波器将不断改变其滤波特性 当均衡器得到很好的训练后 就说它已经收敛 均衡器从调整系数至形成收敛 整个过程的时间跨度是均衡器算法 结构和多径无线信道变化率的函数 为了保证能有效地消除符号间干扰 均衡器需要周期性地做重复训练 均衡器通常用于数字通信系统中 因为在数字通信系统中用户数据被分为若干段 并被放入小的时间段或时隙中传送 时分多址 TDMA 无线通信系统特别适合于使用均衡器 TDMA系统在长度固定的时间段中传送数据 并且训练序列通常在一个分组的开始被传送 每次收到一个新的数据分组时 均衡器将用同样的训练序列进行修正 1 6 2分集技术分集技术是通信中的一种用相对低廉的投资就可以大幅度改进无线链路性能的接收技术 与均衡技术不同 分集技术不需要训练序列 因此发射机不需要发送训练序列 从而节省了开销 分集技术的使用范围很广 分集的概念是 如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落 那么另一条相对独立的路径中可能包含着较强的信号 因此 接收机可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号进行合并 这样做的好处是它在接收机中的瞬时信噪比和平均信噪比都有所提高 并且通常可以提高20 30dB 分集技术是通过寻找无线传播环境中的独立 或至少是高度不相关的 多径信号来实现的 分集方案分为两种 一种称为 宏观分集方案 另一种称为 微观分集方案 宏观分集方案用于合并两个或多个长时限对数正态信号 这些信号是经独立的衰落路径接收来自不同基站站址上的两个或多个不同天线发射的信号 显然 只要在各方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形地貌的影响 这种方法能有效保持通信不会中断 微观分集方案用于合并两个或多个短时限瑞利信号 这些信号都是在同一个接收基站上经独立的衰落路径接收来自两个或多个不同天线发射的信号 常用的分集包括 空间分集 频率分集 时间分集 极化分集 空间分集 也称为天线分集 是无线通信中使用最多的分集形式之一 要想从不同的天线上获得非相关的接收信号 就要求天线间的间隔距离等于或大于半个波长 在基站的设计中 为了进行分集接收 在每个小区的中心 都装备了多个基站接收天线 但是由于移动台接近地面 容易产生严重的信号散射现象 因此基站处的分集天线之间必须相隔很远 通常是波长的几十倍 才能实现信号的非相关 空间分集既可用于基站 也可用于移动台 还可同时用于两者 目前 已有双天线手机面世 频率分集在多于一个的载频上传送信号 其工作原理是 在信道相干带宽之外的频率是不相关的 并且不会出现同样的衰落 在理论上 不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生衰落概率的乘积 时间分集是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号 以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境 从而产生分集效果 目前 时间分集技术已经大量地用于扩频CDMA的RAKE接收机中 由多径信道提供传输冗余信息 极化分集利用了空中的水平极化和垂直极化路径不相关的这一特性 由于在传输中进行了多次反射 使得信号在不同的极化方向上是不相关的 将极化天线用于多径环境中 当传输路径中有障碍物时 极化分集可以惊人地减少多径时延扩展 而不会明显地降低功率 在移动无线通信中 分集合并的方案是在几个信道上同时传输或者选择分集合并传输 以降低在接收端上过量的深衰落概率 在宏观分集中 选用选择分集合并是有效的 这样 可以减少长时限衰落 选择性分集合并是在两个或者多个信号中进行选择 而不是对信号进行合并 对于短时限衰落的微观分集 原则是通过分集方案获得相等平均功率的大量信号 其相应的分集合并方法包括选择性合并 最大比值合并和等增益合并 这些线性分集合并方法包含了多个接收信号简单的加权线性和 1 6 3信道编码技术信道编码通过在传输数据中引入冗余来避免数字数据在传输过程中出现差错 用于检测差错的信道编码称为检错编码 而既可检错又可纠错的信道编码称为纠错编码 纠错和检错技术的基本目的是通过在无线链路的数据传输中引入冗余来改进信道的质量 冗余比特的引入增加了原始信号的传输速率 因此 在源数据速率固定的情况下 这增加了带宽要求 结果降低了高SNR情况下的带宽效率 却大大降低了低SNR情况下的BER 根据香农定理可知 只要SNR足够大 就可以用很宽的带宽来实现无差错通信 这就是3G应用宽带CDMA的部分原因 另一方面 差错控制编码的宽度是随编码长度的增加而增加的 因此 纠错编码在带宽受限的环境中是有一定优势的 并且在功率受限的环境中提供一定的链路保护 信道编码器把源信息变成编码序列 使其可用于信道传输 这就是它处理数字信息源的方法 检错码和纠错码有三种基本类型 分组码 卷积码和Turbo码 分组码是一种前向纠错 FEC 编码 它是一种不需要重复发送就可以检出并纠正有限个错误的编码 在分组码中 校验位被加到信息位之后 以形成新的码字 或码组 在一个分组编码器中 k个信息位被编为n个比特 而n k个校验位的作用就是检错和纠错 分组码以 n k 表示 其编码速率定义为Rc k n 这也是原始信息速率与信道信息速率的比值 卷积码与分组码有根本的区别 它不是把信息序列分组后再进行单独编码 而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列 已经证明 在同样的复杂度下 卷积码可以比分组码获得更大的编码增益 卷积码是在信息序列通过有限状态移位寄存器的过程中产生的 1 7移动通信系统的发展史 1 7 1全球移动通信的发展历程移动通信的发展大致经历了以下几个发展阶段 20世纪20 30年代 警车无线电调度电话 AM调幅 使用频率为2MHz 20世纪40 50年代 人工接续的移动电话 FM调频 单工工作方式 使用频段为150MHz及450MHz 特别值得一提的是1947年Bell实验室提出了蜂窝的概念 20世纪60年代 自动拨号移动电话 全双工工作方式 使用频段为150MHz及450MHz 1964年美国开始研究更先进的移动电话系统 IMTS 20世纪70 80年代 AMPS TACS分别在美国 英国投入使用 使用频段为800 900MHz 早期曾使用450MHz 全自动拨号 全双工工作 具有越区频道转换 自动漫游通信功能 频谱利用率 系统容量和话音质量都有明显的提高 20世纪90年代 GSM数字移动通信系统和窄带CDMA IS 95A 数字移动通信系统及卫星移动通信投入使用 21世纪初 基于窄带IS 95CDMA技术的宽带CDMA技术的cdma2000 基于日本无线工业广播协会 ARIB 支持的纯W CDMA和欧洲电信标准协会 ETSI 制定的UTRA两个独立建议的W CDMA 由我国提出的时分同步CDMA TD SCDMA 等第三代 3G 系统 IMT 2000 陆续开始投入使用或建立试验网 其中 第三代 3G 系统使用频段为1885 2025MHz 2110 2200MHz 全球统一标准 在使用的150MHz 450MHz 900MHz三个频段的具体收发频率间隔分别为 150MHz的收发频率间隔为5 7MHz 450MHz的收发频率间隔为10MHz 900MHz的收发频率间隔为45MHz 20世纪80年代发展起来的模拟蜂窝移动电话系统 人们把它称为第一代移动通信系统 其主要技术是模拟调频 频分多址 主要业务是电话 代表这一系统的有美国的AMPS 英国的TACS 北欧的NMT 900及日本HCNTS等 模拟系统的主要缺点是 频谱利用率低 不能与ISDN兼容 保密性差 以及移动终端要进一步实现小型化 低功耗 低价格的难度都较大 美国的AMPS最早是由美国于1971年开始研制并投入军用的 1973年 美国Motorola公司向美国联邦通信委员会 FCC 提出申请AMPS AdvancedMobilePhoneService 系统 经批准于1983年投入使用 表1 1AMPS与TACS的主要差别 使用的150MHz 450MHz 900MHz三个频段的具体收发频率间隔分别为 150MHz的收发频率间隔为5 7MHz 450MHz的收发频率间隔为10MHz 900MHz的收发频率间隔为45MHz AMPS系统和TACS系统均为采用FDMA方式的模拟蜂窝移动通信系统 属第一代 1G 移动通信系统 其缺点是容量小 不能满足飞速发展的移动通信业务量和业务种类的需要 第二代 2G 移动通信系统采用TDMA或CDMA数字蜂窝系统 如GSM DCS 1800 D AMPS IS 54 IS 136 CDMA IS 95 等 其容量和功能都比模拟系统有了很大的提高 但其业务种类主要限于话音和低速数据 9 6kb s 表1 2列出了全球目前投入运营或曾经投入过运营的低功率系统的主要参数 表1 3列出了全球目前投入运营的第二代 2G 数字蜂窝系统的主要参数 值得一提的是 采用码分多址 CDMA 技术的IS 95数字蜂窝移动通信系统与其他蜂窝系统相比具有以下优点 1 系统容量大 为GSM的5 6倍 为TACS的11 2倍 2 抗衰落能力及抗干扰性能强 3 话音质量高 4 保密性及安全性优于GSM系统 5 移动台发射功率低 约10mW 6 具有软切换和软容量特性 7 频率复用模式可达到1 本区和邻区可共用同一频道 因而不需要频率动态分配 8 可实现宽带数据传输 1 7 2从2G向3G发展1 移动用户数发展的必然趋势随着移动用户数量的急剧增加 世界上一些发达地区已经出现了频率资源紧张 系统容量饱和的局面 移动通信所赖以生存的无线电频率是一种宝贵的资源 频谱资源是有限的 但随着移动通信的飞速发展 用户数量的急剧增加 有限的资源被 无限 地利用 矛盾越来越尖锐 由于采用了CDMA技术 相对于 来说可以提供更大的系统容量 能有效缓解急剧增长的用户数量和有限的频率资源之间的矛盾 从这个角度分析 的无线技术必将被 所取代 2 移动业务发展的必然趋势随着社会生产力的发展 人类已经逐渐步入信息化社会 人们对于移动通信也提出了越来越高的要求 在这种潮流下 分组交换 ATM IP等技术与移动通信技术的融合已经成为移动通信的发展趋势 而且移动通信和互联网络的结合也越来越紧密 同时 信息技术的发展和用户的多样化 个性化需求要求移动通信系统提供更丰富 更个性化的业务 如图像 话音与数据相结合的多媒体业务和高速数据业务 但2G系统主要为用户提供话音业务和低速数据业务 QoS能力有限 无法满足用户多媒体 电子商务 移动上网等多种新兴通信的要求 3G能够达到高速车载环境下384kb s 低速或静止状态下2Mb s及以上的速率 因此可提供多样化 个性化业务 并向多媒体化 智能化 IP化方向发展 3 运营商发展的必然趋势从更深层次来说 随着终端价格和话费的下调 预付费业务的开展 手机消费已从奢侈品走向普及 大量低端用户的加入导致运营商的 逐渐下降 一直是投资者衡量运营商核心竞争力的一个重要指标 因此如何有效提高 就成为亟待解决的问题 由于话音业务的利润空间日益缩小 因此要提高 还需要开展丰富的差异化竞争业务 因为 直接将业务本身标准化 所以同一种业务就只有一种标准实现方式 不利于第三方的快速引入和业务生成 生成新业务比较困难 无法充分满足用户多样化 个性化的业务需求 在 中 某个特定业务可以抽象为多个业务能力特征的集合 每个业务能力特征可以根据承载网络的不同而由不同的业务能力具体实现 这表现了 业务生成的多样化和灵活性 运营商只有充分利用 平台来开展差异化竞争 才能在未来的激烈竞争中生存和发展 与第一 第二代移动通信系统相比 第三代移动通信系统的主要特征是可以提供移动多媒体业务 具体包括高速移动环境 FDD 500km h TDD 120km h 中支持速率为144kb s的业务 步行慢速移动环境 30km h 中支持速率为384kb s的业务 室内环境 3km h 中支持速率为2Mb s的业务 IMT 2000的目标是建立一个具有全球性 综合性的个人通信网 包括寻呼 无绳电话 蜂窝系统和移动卫星通信系统等的功能 为全球用户提供多媒体通信业务 其第一阶段目标是实现2Mb s的无线多媒体通信 第二阶段目标是实现10Mb s的无线多媒体通信 1999年6月 国际电联TG8 1第17次会议在北京召开 此次会议全面完成了IMT 2000无线接口技术规范建议 RSPC建议 框架的制定 并进一步推动了宽带码分多址 CDMA 技术和CDMA时分双工 TDD 技术的融合 IMT 2000的系统特性如下 1 采用 1 8 2 2 GHz频带的数字系统 2 在多种无线环境 蜂窝系统 无绳系统 卫星系统和固定的无线系统 下工作 3 使用多模式终端 提供漫游能力 4 提供广泛的电信业务 5 具有与固定网络业务可比的高质量和完整性 6 具有国际漫游和系统内部越区切换的能力 7 使用智能网 IN 技术进行移动性管理和业务控制 8 具有高水平的安全和保密能力 9 具有灵活开放的网络结构 无线传输技术 RTT 是第三代移动通信系统的重要组成部分 无线传输技术主要包括多址技术 调制技术 信道编码与交织 双工技术 物理信道结构和复用 帧结构 RF信道参数等 1998年6月30日为ITU规定的提交RTT建议的最后期限 共有10个组织向ITU提交了候选RTT方案 如表1 4所示 1 7 3WiMAX 全球微波互联接入 WiMAX 全球微波互联接入 以IEEE802 16的系列宽频无线标准为基础 故称为802 16无线城域网 MAN 是又一种为企业和家庭用户提供 最后一英里 的宽带无线连接方案 作为电缆和DSL之外的选择 由WiMAX论坛 WiMAXForum 提出并于2001年6月成形 在802 16物理层的三个变体中 WiMAX选择了802 16 2004版的256个载波的OFDM 具有较宽的频带以及较远的传输距离 与主要以短距离区域传输为目的的IEEE802 11通信协议有着相当大的不同 可以覆盖 40 48 km的范围 WiMAX在北美 欧洲发展迅猛 而且这股热浪已经推进到了亚洲 为了分享ITU分配给3G的频谱资源 WiMAX从一开始就积极试图加入3G家族 实现全球漫游的目标 成为真正意义上的移动通信技术 但遭到了分别代表WCDMA cdma2000和TD SCDMA阵营的爱立信 高通和TD三方的强力反对 然而美国政府给予了强力支持 其他国家和企业也都一边倒地支持WiMAX 2007年10月 WiMAX被正式批准为国际电信联盟标准 ITU 成为3G标准中IMT 2000家族的一名正式成员 由于WiMAX同TD SCDMA一样均使用了TDD技术 因此如果WiMAX成为3G技术 在频谱资源方面就会对TD SCDMA构成冲击 所以中国方面也持反对意见 目前WiMAX未被我国列入3G标准 WiMAX目前定义了固定 游牧 便携 简单移动及自由移动五种应用场景 其在各场景下的性能指标如表1 5所示 固定接入业务是802 16运营网络中最基本的业务模型 包括 用户因特网接入 传输承载业务传输及Wi Fi热点回传等 游牧场景下 终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中 在每次会话连接中 用户终端只能进行站点式的接入 在两次不同的网络接入中 传输的数据将不被保留 便携场景下 除了进行小区切换外 连接不会发生中断 从这个阶段开始 终端可以在不同的基站之间进行切换 当进行切换过程时 用户将经历短时间 最大2s 的业务中断或者感到一些延迟 切换过程结束后 TCP IP应用对当前IP地址进行刷新或者重建IP地址 简单移动场景是能够在相邻基站之间切换的第一个场景 在切换过程中 数据包的丢失将控制在一定范围内 最差的情况下 TCP IP会话不中断 但应用层业务可能有一定的中断 切换完成后 QoS将重建到初始级别 在自由移动场景下 用户可以在移动速度为120km h甚至更高的情况下 无中断地使用宽带无线接入业务 当没有网络连接时 用户终端模块将处于低功耗模式 简单移动和自由移动网络需要支持休眠模式 空闲模式和寻呼模式 1 7 4从3G向4G发展3G在全球布局后 4G的路如何走一直是行业关注的热点问题 2012年1月18日 国际电信联盟在2012年无线电通信全会上 正式审议通过将LTE和WirelessMAN技术规范确立为 4G 国际标准 中国主导制定的TD LTE和FDD LTE同时并列成为4G国际标准 TD LTE被确定为4G国际标准 标志着中国在移动通信标准制定领域再次走到了世界前列 为TD LTE产业的后续发展及国际化提供了重要基础 1 7 5我国的移动通信发展历程我国移动通信是从军事移动通信 即战术通信 起步的 民用移动通信发展较晚 最初阶段大致可分为早期 74系列 80系列三个阶段 20世纪50年代末到70年代中主要在公安 邮电 交通 渔业等少数部门用作专网 1974年才开放了四个民用波段 制定了通用技术条件 开始研制频道间隔为50kHz和100kHz的74系列产品 1980年制定了频道间隔为25kHz的性能指标 测试方法和环境要求等部颁标准 开展了80系列设备的研制 我国公众移动通信起步于20世纪80年代 1987年在广州 上海率先采用900MHzTACS标准的模拟蜂窝移动通信系统 开通了蜂窝移动通信业务 它一经面世 就受到广大用户的欢迎 并迅速发展到全国各省 移动电话用户数每年翻番 发展速度之快 令世人瞩目 至1996年已基本建成一个覆盖全国 除台湾省以外 31个省 直辖市 自治区大部分地市县和部分重要县镇的全国移动通信网 该网采用的设备主要由摩托罗拉系统 称A网 和爱立信系统 称B网 组成 1995年1月1日实现了A网和B网两系统内的分别联网自动漫游 1996年1月1日实现了A网 B网两系统的互联自动漫游 从而真正实现了 一机在手 信步神州 随着数字移动通信系统的发展与普及 模拟蜂窝移动通信系统于2000年起开始封网 并逐步退出中国电信发展的历史舞台 将频段让给数字蜂窝移动通信系统 1994年4月 中国联合通信有限公司 简称 中国联通 的成立打破了邮电 一统天下 的局面 中国联通决定采用技术先进 设备成熟 具有国际自动漫游功能的GSM数字移动通信技术 组建全国第二个公众移动通信网 1994年9月 中国电信也采用GSM数字移动通信技术 组建了中国电信全国公众数字移动通信网 从1994年9月至1995年年底短短一年多时间 中国就有15个省 直辖市 自治区开通了GSM数字移动电话业务 并采用中国七号信令完成联网自动漫游 在发展GSM的同时 我国积极跟踪CDMA技术的发展 CDMA数字蜂窝试验网率先由长城电信在北京 上海 广州 西安四大城市建成并开通 使用效果不错 美国TIA的IS 95的双模式CDMA标准以Qualcomm的方案为基础 系统带宽为1 25MHz 随着中国电信改革的深入 1999年4月 信息产业部确定由中国联通在全国范围经营CDMA数字蜂窝系统 2000年4月20日 从中国电信分离的移动业务由新成立的中国移动通信集团公司 简称 中国移动 运行 中国移动的成立积极地推动了我国移动通信的发展 使我国成为世界上移动用户数最多的国家 2008年 电信业进行重组 中国铁通 中国网通等并入其他大型运营商 形成目前的中国移动 中国联通和中国电信三强并行的局面 为了改变我国以往在制定技术标准方面跟着国外标准跑的局面 我国政府主管部门高度重视第三代移动通信 3G 的发展 积极制定具有我国自己知识产权的3G标准 1999年6月 中国无线通信标准研究组 CWTS 在韩国正式签字 同时加入3GPP和3GPP2 成为这两个当前主要负责第三代合作伙伴计划的组织伙伴 在此之前 我国是以观察员的身份参与该计划的标准化活动的 1999年11月 芬兰赫尔辛基ITU第18次会议上 TD SCDMA进入ITUTG8 1文件IMT RSPC的最终稿 成为ITU 3G候选方案 2000年5月5日 土耳其伊斯坦布尔无线电大会上 TD SCDMA正式被ITU接纳成为IMT2000标准之一 这是百年来中国电信发展史上的重大突破 为推动中国 产业的发展 年 月 信息产业部组织国内运营企业 设备制造企业和科研支撑单位的专家成立了 第三代移动通信技术试验专家组 正式启动 技术试验 对 cdma 三种技术的系统设备 接口 网络性能 终端 互操作 业务 无线干扰 网管和计费等进行了全面测试 在开展技术试验的同时 中国通信标准化协会按照 以企业为主体 以市场为导向 公平 公正 公开和协商一致 的标准制定原则 引导国内外通信制造企业 通信运营企业 科研机构 高等院校 在充分借鉴国际标准化组织的最新研究成果的基础上 经过由国内外企业广泛参与和充分讨论 共同开展 CDMA 通信行业标准的研究制定工作 年 月 日 我国信息产业部将第三代移动通信 中国标准 公布为中国通信行业标准 年 月 日 信息产业部又将欧洲提出的 和美国提出的cdma 颁布为中国通信行业标准 在 cdma 系列通信行业标准发布后 国内外积极参与 cdma 产品开发生产和运营的企业 在产品需求定义 设备合作开发 系统集成应用等方面有了一致的认识 技术和市场分工进一步明确 同类设备的性能和指标越来越具有可比性 从而形成更加成熟的产业环境 2008年9月28日 中国联通与中国电信联合发布公告 CDMA业务的经营主体将由中国联通变更为中国电信 2009年1月7日下午14点30分 工业和信息化部对中国移动发放自主研发的TD SCDMA牌照 对中国联通发放WCDMA牌照 对中国电信发放cdma2000牌照 这标志着中国进入3G时代 至此 经过电信重组和3G牌照发放 中国电信 中国联通和中国移动三大电信运营商均获得移动和固网牌照 形成全业务经营格局 目前 中国电信 中国联通和中国移动三大电信运营商采用的无线接入技术及业务运营定位见表1 6 1 8第五代移动通信 5G 标准及现状 5G fifth Generation 是第五代移动通信技术的简称 5G弥补了4G技术的不足 在吞吐率 时延 连接数量 能耗等方面进一步提升系统性能 它采取数字全IP技术 支持分组交换 它既不是单一的技术演进 也不是几个全新的无线接入技术 而是整合了新型无线接入技术和现有无线接入技术 WLAN 4G 3G 2G等 通过集成多种技术来满足不同的需求 是一个真正意义上的融合网络 并且由于合 5G可以延续使用4G 3G的基础设施资源 并实现与4G 3G 2G的共存 1 8第五代移动通信 5G 标准及现状 1 8 1第五代移动通信系统中的关键技术1 大规模天线阵列多天线技术经历了从无源到有源 从2D 二维 到3D 三维 从高阶MIMO到大规模阵列的发展 将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高 是5G技术重要的研究方向之一 由于引入了有源天线阵列 基站侧可支持的协作天线数量将达到128根 此外 原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列 形成新颖的3DMIMO技术 支持多用户波束智能赋型 减少用户间干扰 结合高频段毫米波技术 将进一步改善无线信号覆盖性能 2 超密集组网超密集网络能够改善网络覆盖 大幅度提升系统容量 并且对业务进行分流 具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用 未来 面向高频段大带宽 将采用更加密集的网络方案 部署小小区 扇区将高达100个以上 与此同时 愈发密集的网络部署也使得网络拓扑更加复杂 小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素 极大地降低了网络能效 干扰消除 小区快速发现 密集小区间协作 基于终端能力提升的移动性增强方案等 都是目前密集网络方面的研究热点 3 新型网络架构新型网络架构基于软件定义网络 SDN 网络功能虚拟化 NFV 移动边缘计算 MEC 和雾计算 FogComputing 等技术可实现以用户为中心的更灵活 智能 高效和开放的5G新型网络 4 新型多址技术新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力 可有效支撑5G网络千亿设备连接需求 5 全频谱接入技术全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源 可有效缓解5G网络对频谱资源的巨大需求 在进行5G的设计时 要考虑不同使用场景的很多因素 从窄频段到宽频带 从授权频谱到非授权频谱 从机器间通信到从移动宽带高可靠性服务等 1 8 2第五代移动通信标准的进展情况5G标准正在进入全球统一加速的阶段 2015年6月 国际电信联盟明确了5G的名称等关键内容 并定义了5G的主要应用场景 国际标准组织3GPP也明确从2016年开始制定5G标准 2018年完成标准冻结 2015年10月12日 世界电信展在匈牙利布达佩斯举行 在TDLTE技术和频谱发展研讨会上 国际电联 ITU 秘书长赵厚麟表示 2019年ITU将推出5G标准 不论是5G的标准或是相关系统 都将在2020年出炉 1 8 3第五代移动通信的研发状况目前全球都已开展5G的研究工作 我国 十三五 规划纲要 草案 中明确提出 将积极推进第五代移动通信 5G 和超宽带关键技术研究 启动5G商用 我国5G技术研发试验将在2016 2018年进行 分为5G关键技术试验 5G技术方案 验证和5G系统验证三个阶段实施 1 8 3第五代移动通信的研发状况2016年5月 工业和信息化部部长苗圩在 首届全球5G大会 上表示 5G推动了移动通信技术与产品的重大飞跃 并且催生了工业互联网 车联网等新业态 他建议可以通过加快创新 强化频率统筹 深化务实合作和促进融合发展四方面深入推进5G创新 5G将大幅提升移动互联网用户业务体验 特别契合了物联网应用的海量需求 将引领人类进入物物相连 泛在感知的大互联网时代 5G发展需求 移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大驱动力 103 59 5G发展需求 中国IMT 2020 5G 推进组关键技术指标要求 5Gvs4G规模和场景十倍用户数密度增长百倍数据流量密度增长两倍移动速率增加数据率千倍单位面积容量增长百倍用户体验速率增长几十倍峰值传输速率增长时延十倍端到端延时降低能耗和成本百倍能效增加十倍谱效增加百倍成本效率增加 104 59 关键传输技术 总览 频谱拓展技术 频效提升技术 能效提升技术 覆盖增强技术 多址技术 用户调度 资源分配 用户 网络协作 超密异构组网D2D M2M 大规模天线 FBMC 空间调制 认知无线电 毫米波 可见光 绿色通信干扰管理 增加覆盖 增加信道 增加带宽 增加SINR 105 59 移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下 这使得频谱资源十分拥挤 而在高频段 如毫米波 厘米波频段 可用频谱资源丰富 能够有效缓解频谱资源紧张的现状 可以实现极高速短距离通信 支持5G容量和传输速率等方面的需求 高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势 业界对此高度关注 足够量的可用带宽 小型化的天线和设备 较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点 但也存在传输距离短 穿透和绕射能力差 容易受气候环境影响等缺点 射频器件 系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决 监测中心目前正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作 高频段资源虽然目前较为丰富 但是仍需要进行科学规划 统筹兼顾 从而使宝贵的频谱资源得到最优配置 多天线技术经历了从无源到有源 从二维 2D 到三维 3D 从高阶MIMO到大规模阵列的发展 将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高 是目前5G技术重要的研究方向之一 由于引入了有源天线阵列 基站侧可支持的协作天线数量将达到128根 此外 原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列 形成新颖的3D MIMO技术 支持多用户波束智能赋型 减少用户间干扰 结合高频段毫米波技术 将进一步改善无线信号覆盖性能 目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模 阵列设计与校准 导频信道 码本及反馈机制等问题进行研究 未来将支持更多的用户空分多址 SDMA 显著降低发射功率 实现绿色节能 提升覆盖能力 5G的关键技术 5G有以下六大关键技术 高频段传输 新型多天线传输技术 同时同频全双工技术 D2D技术 密集组网和超密集组网技术 新型网络架构 现有的无线通信系统中 由于技术条件的限制 不能实现同时同频的双向通信 双向链路都是通过时间或频率进行区分的 对应于TDD和FDD方式 由于不能进行同时 同频双向通信 理论上浪费了一半的无线资源 频率和时间 最近几年 同时同频全双工技术吸引了业界的注意力 利用该技术 在相同的频谱上 通信的收发双方同时发射和接收信号 与传统的TDD和FDD双工方式相比 从理论上可使空口频谱效率提高1倍 由于接收和发送信号之间的功率差异非常大 导致严重的自干扰 因此实现全双工技术应用的首要问题是自干扰的抵消 目前为止 全双工技术已被证明可行 但暂时不适用于MIMO系统 Device to Device D2D 通信是一种在系统的控制下 允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术 它能够增加蜂窝通信系统频谱效率 降低终端发射功率 在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题 由于短距离直接通信 信道质量高 D2D能够实现较高的数据速率 较低的时延和较低的功耗 通过广泛分布的终端 能够改善覆盖 实现频谱资源的高效利用 支持更灵活的网络架构和连接方法 提升链路灵活性和网络可靠性 目前 D2D采用广播 组播和单播技术方案 未来将发展其增强技术 包括基于D2D的中继技术 多天线技术和联合编码技术等 在未来的5G通信中 无线通信网络正朝着网络多元化 宽带化 综合化 智能化的方向演进 随着各种智能终端的普及 数据流量将出现井喷式的增长 未来数据业务将主要分布在室内和热点地区 这使得超密集网络成为实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一 超密集网络能够改善网络覆盖 大幅度提升系统容量 并且对业务进行分流 具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用 未来 面向高频段大带宽 将采用更加密集的网络方案 部署小小区 扇区将高达100个以上 其中 干扰消除 小区快速发现 密集小区间协作 基于终端能力提升的移动性增强方案等 都是目前密集网络方面的研究热点 目前 LTE接入网采用网络扁平化架构 减小了系统时延 降低了建网成本和维护成本 未来5G可能采用C RAN接入网架构 C RAN是基于集中化处理 协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架 C RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络 直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号 以构建覆盖上百个基站服务区域 甚至上百平方公里的无线接入系统 C RAN架构适于采用协同技术 能够减小干扰 降低功耗 提升频谱效率 同时便于实现动态使用的智能化组网 集中处理有利于降低成本 便于维护 减少运营支出 目前的研究内容包括C RAN的架构和功能 如集中控制 基带池RRU接口定义 基于C RAN的更紧密协作 如基站簇 虚拟小区等 5G与4G的对比 总的来说 5G相比4G有着很大的优势 在容量方面 5G通信技术将比4G实现单位面积移动数据流量增长1000倍 在传输速率方面 典型用户数据速率提升10到100倍 峰值传输速率可达10Gbps 4G为100Mbps 端到端时延缩短5倍 在可接入性方面 可联网设备的数量增加10到100倍 在可靠性方面 低功率MMC 机器型设备 的电池续航时间增加10倍 由此可见 5G将在方方面面全面超越4G 实现真正意义的融合性网络