移动通信关键技术四发展史.doc

第1章 移动通信现状问题与基本解决办法1.1 移动通信1G4G简述当前，人们普遍以为1897年是人类移动通信元年。这一年意大利人M.G.马可尼在相距18海里固定站与拖船之间完毕了一项无线电通信实验，实现了在英吉利海峡行驶船只之间保持持续通信，从而标志着移动通信诞生，也由此揭开了世界移动通信辉煌发展序幕Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。当代意义上移动通信系统来源于20世纪代，距今已有90余年历史。本文重要简述移动通信技术从1G到4G发展。移动通信大发展因素，除了顾客需求迅猛增长这一重要推动力外，尚有技术进展所提供条件，如微电子技术发展、移动通信社区制形成、大规模集成电路发展、计算机技术发展、通信网络技术发展、通信调制编码技术发展等。1.1.1 第一代移动通信系统（1G）20世纪70年代中期至80年代中期是第一代蜂窝网络移动通信系统发展阶段。第一代蜂窝网络移动通信系统（1G）是基于模仿传播，其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。1G重要基于蜂窝构造组网，直接使用模仿语音调制技术，传播速率约2.4kbit/sError! Reference source not found.。1978年终，美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，这是第一种真正意义上具备随时随处通信大容量蜂窝状移动通信系统。蜂窝状移动通信系统是基于带宽或干扰受限，它通过社区别裂，有效地控制干扰，在相隔一定距离基站，重复使用相似频率，从而实现频率复用，大大提高了频谱运用率，有效地提高了系统容量Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。1983年，AMPS初次在芝加哥投入商用，1985年，已经扩展到47个地区。其她国家也相继开发出各自蜂窝状移动通信网。日本于1979年推出800MHz 汽车移动电话系统（HAMTS），在东京、大阪等地投入商用，成为全球首个商用蜂窝移动通信系统。前联邦德国于1984年完毕C 网，频段450MHz。英国在1985年开发出全球接入通信系统（Total Access Communications System，TACS），频段900MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450MHz移动电话系统（Mobile Telephone System，MTS）。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450（Nordic Mobile Telephone，NMT）移动通信网，频段450MHz。这些系统都是双工基于频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）模仿制式系统，被称为第一代蜂窝网络移动通信系统Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。第一代蜂窝网络移动通信系统由于受到传播带宽限制，不能进行移动通信长途漫游，只能是一种区域性移动通信系统。第一代移动通信有各种制式，国内于1987年11月引入，重要采用是英国TACS系统，在广东省建成并投入商用。第一代移动通信有诸多局限性之处，例如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。1.1.2 第二代移动通信系统（2G）20世纪80年代中期至20世纪末，是2G这样数字蜂窝移动通信系统逐渐成熟和发展时期。由于第一代移动通信系统（1G）模仿蜂窝移动通信系统存在频谱运用率低、费用高、通话易被窃听（不保密）、业务种类受限、系统容量低等问题，重要还是系统容量已不能满足日益增长移动顾客需求。为理解决这些问题，推出了新一代数字蜂窝移动通信系统（2G）。数字蜂窝移动通信系统（2G）重要采用是数字时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。全球重要有GSM和CDMA两种体制。CDMA原则是美国提出。GSM技术原则是欧洲提出，当前全球绝大多数国家使用这一原则。1982年，欧洲成立泛欧移动通信组织（Group Special Mobile，GSM，之后改称为全球移动通信系统，Global Standard for Mobile Communications，GSM），于1983年开始开发GSM。欧洲1992年提出了第一种数字蜂窝网络原则GSM（Global Standard for Mobile Communications ），它基于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式。1991年7月，GSM系统在德国初次布置，它是世界上第一种数字蜂窝移动通信系统Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。美国提出了两个数字原则，IS-54与IS-95原则。1988年，美国提出基于TDMAIS-54（也称为DAMPS，数字AMPS）在美国作为数字原则得到表决通过。1989年，美国高通（Qualcomm）公司开始开发窄带CDMA（DS-CDMA）。1995年美国电信产业协会（TIA）正式颁布了基于窄带DS-CDMAIS-95原则。CDMA原本是为军事通信而开发抗干扰通信技术，日后美国高通公司进一步设计出商用数字蜂窝移动通信技术。1995年，第一种CDMA商用系统运营之后，CDMA技术理论上诸多优势在实践中得到体现，从而在北美、南美和亚洲等地得到迅速推广和应用。在美国和日本，CDMA成为重要移动通信技术。日本第一种数字蜂窝系统是个人数字蜂窝（PDC）系统，于1994年投入运营Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。国内移动通信也重要是GSM体制，例如中华人民共和国移动135到139手机，中华人民共和国联通130到132都是GSM手机。，中华人民共和国联通开始在中华人民共和国布置CDMA网络（简称C网）。5月中华人民共和国电信收购中华人民共和国联通CDMA网络，并将C网规划为中华人民共和国电信将来重要发展方向。第二代移动通信重要业务是语音，其主特性是提供数字化话音业务及低速数据业务。它克服了模仿移动通信系统弱点，话音质量、保密性能得到大提高，并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信代替第一代移动通信系统完毕模仿技术向数字技术转变，但由于第二代采用不同制式，移动通信原则不统一，顾客只能在同一制式覆盖范畴内进行漫游，因而无法进行全球漫游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务应用，也无法实现高速率业务，如移动多媒体业务。2G与1G相比较重要特点是提高了原则化限度及频谱运用率、不再是数模结合而是数字化、保密性增长、容量增大，干扰减小，能传播低速数据业务。在增长了分组网络某些后可以加入窄带分组数据业务，2G移动网络突出弱点就是业务范畴有限，无法实现移动多媒体业务，各国原则不统一，无法实现全球漫游。GPRS GPRS：1997年欧洲提出GSM系统演进版2.5G通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）技术。/EDGE EDGE：1999年提出2.75GGSM演进增强数据速率（Enhanced Data rate for GSM Evolution，EDGE）技术，让使用900MHz、1800MHz、1900MHz频段网络提供第三代移动通信网络某些功能。技术引入，2G网络就改造升级成为了所谓2.5G（GPRS）、2.75G （EDGE）网络，使GSM与计算机通信/Internet有机相结合，数据传送速率可达115/384kbit/s，从而使GSM 功能得到不断增强，初步具备了支持多媒体业务能力，实际应用基本可以达到拨号上网速度，因而可以发送图片、收发电子邮件等。尽管2G技术在发展中不断得到完善，但随着顾客规模和网络规模不断扩大，频率资源己接近枯竭，语音质量不能达到顾客满意原则，数据通信速率太低，无法在真正意义上满足移动多媒体业务需求Error! Reference source not found.。1.1.3 第三代移动通信系统（3G）20世纪90年代末开始是第三代移动通信技术（3G）发展和应用阶段，同步4G移动通信也进入了研究阶段Error! Reference source not found.。自左右开始，随着着对第三代移动通信大量阐述，以及2.5G（B2G）产品GPRS（通用无线分组业务）系统过渡，3G走上了通信舞台前沿Error! Reference source not found.。3G也称为IMT-（International Mobile Telecommunication ）。早在1985年，国际电信联盟 国际电信联盟：联合国于1865年成立制定国际电信原则专门机构。简称“国际电联”，“电联”或“ITU”。（International Telecommunications Union，ITU）就提出了第三代移动通信系统概念，当时称为“将来公众陆地移动通信系统（FPLMTS）”。1996年ITU将3G命名为IMT-，其含义为该系统将在左右投入使用，工作于MHz频段，最高传播速率为KbpsError! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。1999年11月5日，在芬兰赫尔辛基召开ITU TG8/1第18次会议上最后通过了IMT-无线接口技术规范建议，基本确立了第三代移动通信3种主流原则，即欧洲和日本提出宽带码分多址（WCDMA），美国提出多载波码分复用扩频调制（CDMA），中华人民共和国提出时分同步码分多址接入（TD-SCDMA）Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。5月国际电信联盟正式确立了针对3G网络IMT-无线接口5种技术原则。对比以模仿技术为代表1G和当前正在使用2G、2.5G，3G 将有更宽带宽，更高传播速率。如WCDMA其传播速率在室外车载环境下最大支持144Kbps，在室内环境下最大支持2Mbps，所占频带宽度可达 5MHz 左右。在技术上，3G系统采用CDMA技术和分组互换技术，而不是2G系统普通采用TDMA技术和电路互换技术。在业务和性能方面，3G不但能传播话音，还能传播数据，提供高质量多媒体业务，如可变速率数据、移动视频和高清晰图像等各种业务，实现各种信息一体化，从而提供快捷、以便无线应用，如无线接入Internet。3G目的是在全球采用统一原则、统一频段、统一大市场。各国3G系统在设计上具备良好通用性，3G顾客能在全球实现无缝漫游5。3G还具备低成本、优质服务质量、高保密性及良好安全性能等特点。但是，第三代移动通信系统通信原则共有WCDMA ，CDMA 和TD-SCDMA 三大分支，共同构成一种IMT- 家庭，成员间存在互相兼容问题，因而已有移动通信系统不是真正意义上个人通信和全球通信；再者，3G 频谱运用率还比较低，不能充分地运用宝贵频谱资源；第三，3G支持速率还不够高，如单载波只支持最大2Mbps 业务，等等。这些局限性点远远不能适应将来移动通信发展需要，因而谋求一种既能解决既有问题，又能适应将来移动通信需求新技术（即新一代移动通信：next generation mobile communicat ion）是必要Error! Reference source not found.。1.1.4 第四代移动通信系统（4G）20世纪90年代末，4G研究就已经开始了，到当前已过去十几年。当前4G在之前被称为B3G（Beyond 3G，超3G）技术。拟定了3G国际原则之后，ITU就启动了4G有关工作。ITU对4G核心性指标进行定义，拟定了4G传播速率为1Gbit/s。在10月18日结束ITU-R WP8F第17次会议上，ITU给B3G技术一种正式名称IMT-Advanced，将将来新空中接口技术叫做IMT-Advanced技术。，ITU给4G分派了新频谱资源。各个大国（如中华人民共和国、欧洲、美国、日本等）、通信技术规范机构（如3GPP 3GPP：The 3rd Generation Partnership Project缩写，是领先3G技术规范机构，由欧洲ETSI，日本ARIB和TTC，韩国TTA以及美国T1在1998年12月发起成立，旨在研究制定并推广基于演进GSM核心网络3G原则，即WCDMA，TD-SCDMA，EDGE等。中华人民共和国于1999年6月加入3GPP。、3GPP2 3GPP2： 3rd Generation Partnership Project 2 缩写，1999年1月成立，由北美TIA、日本ARIB、日本TTC、韩国TTA四个原则化组织发起，重要是制定以ANSI-41核心网为基本，CDMA为无线接口第三代技术规范。中华人民共和国于1999年6月加入3GPP2。、IEEE等）互相之间在移动通信技术之间竞争也越来越激烈了。在老式蜂窝移动通信技术迅速发展同步，宽带无线技术（如WiMAX）也开始提供移动性能，试图抢占移动通信某些市场。为了保证3G移动通信持续竞争力，满足市场对高数据业务、多媒体业务等新需求，同步让3G技术具备与其她技术竞争实力。因而，3GPP和3GPP2相应启动了3G技术长期演进（Long Term Evolution，LTE）。3G技术因而不断演进、不断完善、不断创新。当前WCDMA已经演进到WCDMA HSPA（HSDPA/HSUPA），CDMA已经演进到CDMA1x EV-DO/EV-DV，中华人民共和国拥有自主知识产权TD-SCDMA原则，也演进到TDD HSDPA/HSUPA技术原则方案。ITU开始公开征集4G原则，有三种方案成为4G原则备选方案，分别是3GPPLTE、3GPP2UMB以及IEEE移动WiMAX，其中最被产业界看好是LTE。LTE、UMB、和移动WiMAX虽然各有差别，但是它们也有某些相似之处，3个系统都采用OFDM和MIMO技术以提供更高频谱运用率。移动通信技术演进路线可见下图。图 2-Error! No text of specified style in document.1：移动通信技术演进路线简介4G同步，咱们不得不提到LTE技术。LTE是Long Term Evolution缩写，LTE并不是4G技术，而是3G向4G技术发展过程中一种过渡技术，是被称为3.9G全球化原则，它通过采用OFDM和MIMO作为无线网络演进原则，改进并且增强了3G空中接人技术。这些技术运用，使得其在20MH频谱带宽状况下可以提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s峰值速率。这种具备革命性改革，使得LTE技术改进了社区边沿位置顾客性能，提高社区容量值并且减少了系统延迟Error! Reference source not found.。1月18日，LTE-Advanced 和Wireless MAN-Advanced（802.16m）技术规范通过了ITU-R 审议，正式被确立为IMT-Advanced（也称4G ）国际原则，国内主导制定TD-LTE-Advanced同步成为IMT-Advanced 国际原则。LTE涉及TD-LTE（时分双工）和LTE FDD（频分双工）两种制式，其中华人民共和国内引领TD-LTE发展。TD-LTE继承和拓展了 TD-SCDMA 在智能天线、系统设计等方面核心技术和自主知识产权，系统能力与LTE FDD相称。TD-LTE-Advanced正式成为4G 国际原则，标志着国内在移动通信原则制定领域再次走到了世界前列，为TD-LTE产业后续发展及国际化奠定了重要基本Error! Reference source not found.。4月15日，中华人民共和国移动香港有线公司正式推出4G服务，为客户提供高速移动数据业务，普通通信速率可达1020Mbit/s，最高下载速率可达100Mbit/s。4G是集3G与WLAN与一体、可以传播高质量视频图像且图像传播质量与高清晰度电视不相上下技术。4G可以以高达100Mbit/s速度下载，比拨号上网快倍，上传速度可达20Mbit/s，并能满足几乎所有顾客对无线服务规定。同步，在价格方面，4G收费与固定宽带网络差不多，计费方式还会更加灵活。通信也更加灵活，人们不但可以随时随处通信，还可以双向下载传递资料、照片、视频，还可以与陌生人联网打游戏。用4G，你可以感受到到比10M宽带更好体验和便捷。4G与3G相比，它频谱运用率更高，通信费用更加便宜，传播速率更高，语言、数据、影像等多媒体通信服务质量更高。当前，4G已经进入商用时代，咱们期待一种更好移动通信系统建成。下一代移动通信技术B4G（超4G）也已经进入研究当中了。5G原则将会在4G演进中经历B4G之后诞生，在此过程中必要想法设法不断提高频谱运用率，克服频谱资源稀缺大难题。1.2 频谱资源稀缺与动态频谱管理无线通信中频谱资源是有限，移动通信迅速发展使得无线频谱资源越发显得稀缺而宝贵。由ITU发布频谱分派表Error! Reference source not found.显示无线资源划分非常紧缺。当前频谱分派模式大都是静态管理模式（固定分派模式），通过发放牌照等方式将一段频谱固定地授权给特定顾客或特定服务使用，并禁止其她顾客或者服务接入已被划分频谱。事实上，适合陆地移动通信3GHz一下频段频谱已经基本分派完毕。这种静态、固定频谱分派管理模式在一定限度上避免了无线电使用过程干扰。在几十年内对无线通信行业发展起到了积极作用。但随着无线技术迅速发展，越来越多服务需要接入频谱，本来静态分派管理模式使得频谱资源无法得到充分运用，从而使频谱资源越发显得短缺。美国联邦通信委员会（FCC）一份频谱使用调查报告Error! Reference source not found.及美国伯克利大学无线研究中心对频谱运用状况调查成果（如下图所示）均表白，固定分派给授权顾客频谱运用率在不同步间不同地区波动很大，从15%85%不等Error! Reference source not found.，一方面新无线电技术和业务没有可用频谱，另一方面授权频谱在时间和空间上存在大量空闲，可分派频谱资源短缺和已分派频谱运用率局限性之间矛盾越来越严重，全球频谱资源使用极不平衡。频谱资源匮乏在很大限度上是由于不合理分派引起。因而，咱们必要采用合理而高效频谱管理模式，通过提高频谱运用率来解决此矛盾。动态频谱管理（DSM）方略是解决次矛盾有效手段。DSM技术内涵涉及动态频谱接入（Dynamic Spectrum Access，DSA）、动态频谱共享（Dynamic Spectrum Share，DSS）方略、动态频谱切换（Dynamic Spectrum Handoff，DSH）、动态频谱感知（Dynamic Spectrum Sensing）技术等各种层面，既有设备级、链路级微观领域算法实现问题，又有系统级、网络级宏观领域政策调控问题Error! Reference source not found.。图 2-2：频谱使用状况记录Error! Reference source not found.（幅度越大，运用率越高）增长实例阐明，频谱稀缺性，通过TDD频谱分派来阐明。后续增长。参照论文（刘红杰. 基于认知无线电动态频谱管理理论及有关核心技术研究D. 北京邮电大学博士学位论文，:1-2.）继续阐明。1.3 移动数据流量爆炸性增长1.3.1 国内网民规模达5.64亿，互联网普及率为42.1%1月15日，中华人民共和国互联网络信息中心（CNNIC）在京发布第31次中华人民共和国互联网络发展状况记录报告（如下简称报告1）。4月发布中华人民共和国移动互联网发展状况报告（如下简称报告2）。报告1显示，截至12月底，国内网民规模达到5.64亿，全年共计新增网民5090万人。互联网普及率为42.1%，较底提高3.8%。增速趋于平缓。与此同步，国内手机网民数量迅速增长。 图 2-Error! No text of specified style in document.2：中华人民共和国网民规模和互联网普及率Error! Reference source not found.1.3.2 国内手机网民达4.2亿，智能手机网民达3.3亿，占比79.0%报告1数据显示，国内手机网民数量为4.2亿，年增长率达18.1%，远超网民整体增幅。此外，网民中使用手机上网比例也继续提高，由69.3%上升至74.5%，其第一大上网终端地位更加稳固。报告2数据显示，智能手机网民规模达3.3亿，在手机网民中占比达79.0%，成为国内移动互联网发展重要载体。，国内手机网民规模增长较多，重要是由于大量低端智能手机推向市场，减少了移动智能终端使用门槛，使更多普通手机顾客向手机上网顾客转化，特别是偏远农村地区居民、农村进城务工人员、低学历低收入群体，满足了这些人员相对初级上网需求。此外，手机应用不断创新，渗入至网民购物、社交、娱乐、阅读等寻常生活各方面，吸引了越来越多网民开始使用移动互联网Error! Reference source not found.。图 2-Error! No text of specified style in document.3：中华人民共和国手机网民规模及其网民比率Error! Reference source not found.图 2-Error! No text of specified style in document.4：中华人民共和国手机网民规模及其增长率Error! Reference source not found.1.3.3 平均每天手机上网时长为124分钟国内手机网民手机上网黏性较大，手机上网不但挤占了手机网民碎片化时间，也逐渐开始占据手机网民其她时间，成为国内手机网民一种生活方式。依照调查，国内手机网民平均每天合计手机上网时长为124分钟，其中，每天上网4小时以上重度手机网民比例达22.0%。 智能手机浮现极大地增长了手机网民花在手机网络上时间。依照调查，智能手机网民平均每天上网时长为131分钟，比非智能手机网民103分钟高出近30分钟，其中，智能手机网民平均每天上网时长为2小时以上顾客比例也更高。智能手机提高了手机网民上网体验，充分挤占了手机网民碎片化时间。此外，智能手机上良好视频、阅读体验，使得越来越多顾客从PC端向手机端转移，挤占电脑上网时间和老式媒体时间。 图 2-Error! No text of specified style in document.5：中华人民共和国手机网民上网时长Error! Reference source not found.1.3.4 移动互联网行业蓬勃发展，数据流量爆炸性增长报告2显示，是中华人民共和国移动互联网爆发式增长一年，移动网络从3G向4G升级，移动设备顾客数超越台式电脑数，移动应用数量成倍增长，整个移动互联网行业呈现蓬勃发展态势。手机网民规模迅速增长，网民依赖度加大，应用深度加深。随着智能手机性能提高及移动互联网发展，越来越多网民开始使用手机接入互联网。从网民行为来看，国内手机网民对手机上网依赖性较大，布满于寻常生活中各个方面。依照调查，手机网民平均每天合计手机上网时长124分钟，每天上网4小时以上重度手机网民比例达22.0%。从应用层面来看，国内手机应用逐渐从碎片化阅读、通讯等相对简朴应用向粘度较大、时长较长视频、商务类应用发展，成为网民购物、社交、娱乐、媒体综合性平台，呈现出较大经济效益。当前，国内网民数量已经处在高位，网民增长和普及率进入了相对平稳时期。而智能手机等终端设备普及，无线网络升级等因素，则进一步增进了手机网民数量迅速提高。手机网民数量迅速增长使得移动互联网更具商业潜力，移动数据流量爆炸性增长。移动数据流量爆炸性增长，移动通信蜂窝网络亟需获取更多频谱资源以提高其系统容量和能量效率。