移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展

初廣前，曹　燕，趙　勇

(1. 山東交通學(xué)院 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南　250357；2. 山東奧太電氣有限公司，濟(jì)南　250104；3. 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250002)

移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展

初廣前1，曹燕2，趙勇3

(1. 山東交通學(xué)院 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250357；2. 山東奧太電氣有限公司，濟(jì)南250104；3. 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250002)

移動(dòng)通信的發(fā)展突飛猛進(jìn)，由第一代模擬通信系統(tǒng)發(fā)展到第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，經(jīng)歷第三代多媒體業(yè)務(wù)通信系統(tǒng)，發(fā)展到現(xiàn)在的寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谒拇苿?dòng)通信系統(tǒng)。第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)目前正研究中，商業(yè)運(yùn)營已指日可待。

移動(dòng)通信系統(tǒng)；頻分多址；時(shí)分多址；碼分多址

本文著錄格式：初廣前，曹燕，趙勇. 移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展[J]. 軟件，2016，37（9）：59-61

0　引言

從19世紀(jì)70年代第一代模擬通信系統(tǒng)誕生至今，已發(fā)展到第四代、第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)。為了了解移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程，每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)概述如下。

1　第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1 generation,1G)

第一代以模擬式蜂窩網(wǎng)為主要特征，是20世紀(jì)70年代末80年代初開始商用化的。代表性的系統(tǒng)有北美的AMPS（Advanced Mobile Phone Service）、歐洲的TACS（Total Access Communication System）兩大系統(tǒng)。

第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)是模擬調(diào)頻、頻分多址（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access），它們以模擬方式工作，使用頻段為800 MHz/ 900 MHz。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)是單一模擬語音業(yè)務(wù)。

第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)，已經(jīng)完全淘汰，盡管這樣，第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是移動(dòng)電話從無到有，實(shí)現(xiàn)了零的突破，是人類通信史上的重要里程碑。自第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)開始，開創(chuàng)了數(shù)字移動(dòng)通信的新紀(jì)元。

2　第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2 generation，2 G)和第二點(diǎn)五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2.5 generation, 2.5 G)

第二代以數(shù)字化為主要特征，構(gòu)成數(shù)字式蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，是20世紀(jì)90年代初正式商用的。代表性的系統(tǒng)有歐洲的GSM（Group Special Mobile or Global System for Mobile Communications）系統(tǒng)北美的IS-95兩大系統(tǒng)。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)是數(shù)字式語音業(yè)務(wù)和相同速率電路交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[1]。

GSM系統(tǒng)基于時(shí)分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）按時(shí)序組成信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)。GSM基本思想是小區(qū)中各移動(dòng)臺(tái)占用同一頻帶，但使用不同的時(shí)隙。通常各移動(dòng)臺(tái)只在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)，以突發(fā)的形式發(fā)射它的信號(hào)，這些信號(hào)通過基站的控制在時(shí)間上依次排列、互補(bǔ)重疊；同樣，各移動(dòng)臺(tái)只要在指定時(shí)隙內(nèi)接收信號(hào)，就能從合路信號(hào)中將發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分出來。

GSM系統(tǒng)的特點(diǎn)：①系統(tǒng)靈活；②采用數(shù)字通信方式，提高通信質(zhì)量；③FDMA與TDMA大大高方式相結(jié)合，頻率利用率；④保密性能好；⑤多業(yè)務(wù)與漫游功能。

碼分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）體制具有抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾、抗多徑、抗第三移動(dòng)通信系統(tǒng)延遲擴(kuò)展的能力。同時(shí)具有提高蜂窩系統(tǒng)的通信能力，便于模擬與數(shù)字體制的共存及過度等優(yōu)點(diǎn)。

二代窄帶CDMA系統(tǒng)目前主要采用IS-95標(biāo)準(zhǔn)。CDMA系統(tǒng)采用的擴(kuò)頻技術(shù)不同于直擴(kuò)與跳頻，CDMA是用自關(guān)性很強(qiáng)，而互關(guān)性很弱的碼序列作為地址碼，對(duì)已調(diào)信息進(jìn)行二次調(diào)制。不同用戶信號(hào)采用互成正交（準(zhǔn)正交）的不同的地址碼，信道中所傳輸?shù)母鲗拵盘?hào)在時(shí)間上和空間上可以互相重疊[2-3]。

第二點(diǎn)五代移動(dòng)通信系統(tǒng)GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線業(yè)務(wù)目標(biāo)是提供高達(dá)115.2 kb/s速率的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為實(shí)現(xiàn)GPRS業(yè)務(wù)的功能，在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)主要單元，SGSN（GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）和GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）。SGSN的工作是對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位和跟蹤，并發(fā)送和接收移動(dòng)終端的分組。GGSN將SGSN發(fā)送和接收的GSM分組按照其他分組協(xié)議（如IP）發(fā)送到其他網(wǎng)絡(luò)[4]。

第二點(diǎn)五代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)是數(shù)字化語音業(yè)務(wù)和小于64 kbps的電路交換、小于171.2 kbps的的分組交換的各類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

3　第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3 generation, 3 G)

第三代移動(dòng)通信以多媒體業(yè)務(wù)為主要特征。21世紀(jì)初投入商業(yè)化運(yùn)營。國際電信聯(lián)盟（ITU）批準(zhǔn)的3G主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別為WCDMA、cdma2000和TDSCDMA。

WCDMA（wideband CDMA）是由歐洲和日本提出的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。WCDMA工作于頻分雙工（FDD）方式，其核心網(wǎng)絡(luò)基于GSM-MAP，主要特點(diǎn)是重視從GSM網(wǎng)絡(luò)向WCDMA網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)（以GPRS作為中間銜接）。

李緒琴(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)三維傳感.Email:1158223522@qq.com

WCDMA系統(tǒng)支持寬帶業(yè)務(wù)，可有效支持電路交換業(yè)務(wù)、分組交換業(yè)務(wù)，靈活的無線協(xié)議可在一個(gè)載波內(nèi)對(duì)同一用戶同時(shí)支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)；通過透明和非透明傳輸塊來支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)[5]。

cdma2000是由美國電信工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)組織提出的第三代CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)建議，是IMT2000系統(tǒng)的三大主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。也是IS-95標(biāo)準(zhǔn)向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)的技術(shù)體制方案。cdma2000工作于頻分雙工（FDD）方式，可從IS95-B的CDMA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上平滑過渡到3G系統(tǒng)。

TDSCDMA（time division synchronous CDMA，時(shí)分同步碼分多址）是同時(shí)利用時(shí)間分割和代碼分割的多址技術(shù)，由我國電信科學(xué)技術(shù)研究院提出，是FDMA、TDMA和CDMA三種多址方式的靈活結(jié)合。

TDSCDMA與WCDMA和cdma2000所采用的FDD模式不同，采用的是TDD模式，并且同時(shí)采用了同步CDMA/智能天線、軟件無線電、聯(lián)合檢測(cè)、接力切換、低碼偏速率和多時(shí)隙TDMA等一系列新技術(shù)，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，降低了發(fā)射功率，減少了電磁污染，節(jié)約了制造成本，增加了系統(tǒng)容量[5]。

TD-SCDMA技術(shù)于2000年正式被ITU（International Telecommunication Union）確認(rèn)為第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，是我國第一個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國際通信標(biāo)準(zhǔn)，其出現(xiàn)在我國通信發(fā)展史上具有里程碑是的意義，極大地提高了我國在移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)水平，是整個(gè)中國通信業(yè)的重大突破。

3G的關(guān)鍵技術(shù)：（1）高效信道編譯碼技術(shù)；（2）軟件無線電技術(shù)；（3）智能天線陣技術(shù)；（4）多用戶檢測(cè)和干擾消除技術(shù)；（5）向全I(xiàn)P網(wǎng)過度。

在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，用戶業(yè)務(wù)既可以是單一的語音、數(shù)據(jù)、圖像，也可以是多媒體業(yè)務(wù)，且用戶選擇業(yè)務(wù)是隨機(jī)的。

4　第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4 generation, 4 G)

第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)以寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸為主要特征。代表性的系統(tǒng)有TDD-LTE（Time Division Duplexing-Long Term Evolution）和FDD-LTE（Frequency Division Duplexing-Long Term Evolution）兩種制式。TDD-LTE是TDD版本的LTE技術(shù)，是TD-SCDMA的長期演進(jìn)方向。FDD-LTE是FDD版本的LTE技術(shù)，是cdma2000和WCDMA的長期演進(jìn)方向[6]。

TDD-LTE（Time Division Long Term Evolution，時(shí)分長期演進(jìn)）是基于3GPP長期演進(jìn)技術(shù)（LTE）的一種通訊技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，屬于LTE的一個(gè)分支。該技術(shù)由上海貝爾、諾基亞西門子 通信、大唐電信、華為技術(shù)、中興通訊、中國移動(dòng)、高通、ST-Ericsson等業(yè)者共同開發(fā)。

TDD-LTE也叫LTE-TDD，TDD即指時(shí)分雙工（Time-division duplex）。事實(shí)上其技術(shù)屬于LTE（長期演進(jìn)技術(shù)）。中國政府和企業(yè)是TDD-LTE的主要推動(dòng)者。TDD-LTE的升級(jí)版叫做TDD-LTE Advanced，是真正的4G標(biāo)準(zhǔn)。

FDD（頻分雙工）是該LTE技術(shù)的雙工模式之一，應(yīng)用FDD（頻分雙工）式的LTE即為FDD-LTE。由于無線技術(shù)的差異、使用頻段的不同以及各個(gè) 廠家的利益等因素，F(xiàn)DD-LTE的標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展都領(lǐng)先于TDD-LTE。FDD-LTE已成為當(dāng)前世界上采用的國家及地區(qū)最廣泛的，終端種類最豐富 的一種4G標(biāo)準(zhǔn)。

FDD模式的特點(diǎn)是在分離（上下行頻率間隔190 MHz）的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上，系統(tǒng)進(jìn)行接收和傳送，用保證頻段來分離接收和傳送信道。FDD模式的優(yōu)點(diǎn)是采用包交換等技術(shù)，可突破二代發(fā)展的瓶頸，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并可提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)容量。

頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）是兩種不同的雙工方式。FDD是在分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用保護(hù)頻段來分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對(duì)的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路。FDD在支持對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，頻譜利用率將大大降低。

TDD用時(shí)間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載，其單方向的資源在時(shí)間上是不 連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。某個(gè)時(shí)間段由基站發(fā)送信號(hào)給移動(dòng)臺(tái)，另外時(shí)間由移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)給基站，基站和移動(dòng)臺(tái)之間必須協(xié)同一致才能順利工作。

5　第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5 generation, 5 G)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是4G之后的延伸，目前正在研究中。據(jù)業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)，采用的關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）高頻段傳輸。移動(dòng)通信傳統(tǒng)工作頻段主要集中在3 GHz以下，這使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段（如毫米波、厘米波頻段）可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持5 G容量和傳輸速率等方面的需求。高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來的發(fā)展趨勢(shì)，業(yè)界對(duì)此高度關(guān)注[7]。

（2）新型多天線傳輸:多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無源到有源，從二維到三維，從高階MIMO(Multiple Input Multiple Output)到大規(guī)模陣列的發(fā)展，將有望實(shí)現(xiàn)頻譜效率提升數(shù)十倍甚至更高，是目前5G技術(shù)重要的研究方向之一[7]。

（3）同時(shí)同頻全雙工：同時(shí)同頻全雙工技術(shù)吸引了業(yè)界的注意力。利用該技術(shù)，在相同的頻譜上，通信的收發(fā)雙方同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)，與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比，從理論上可使空口頻譜效率提高1倍。

全雙工技術(shù)能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。然而，全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力，這對(duì)干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問題。在多天線及組網(wǎng)場(chǎng)景下，全雙工技術(shù)的應(yīng)用難度更大。

（4）密集網(wǎng)絡(luò)：在未來的5G通信中，無線通信網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進(jìn)。隨著各種智能終端的普及，數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)井噴式的增長。未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡(luò)成為實(shí)現(xiàn)未來5G的1 000倍流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡(luò)能夠改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用。

（5）新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：目前，LTE接入網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)扁平化架構(gòu)，減小了系統(tǒng)時(shí)延，降低了建網(wǎng)成本和維護(hù)成本。未來5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構(gòu)。C-RAN是基于集中化處理、協(xié)作式無線電和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架的綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架。C-RAN的基本思想是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點(diǎn)間傳送無線信號(hào)，以構(gòu)建覆蓋上百個(gè)基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。

6　結(jié)論

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展日新月異。由第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展到第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)以及即將商業(yè)化運(yùn)營的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)。移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展給人類的生活、生產(chǎn)、娛樂等各方面帶來了深刻的影響。

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Development of Mobile Communication Systems

CHU Guang-qian1, CAO Yan2ZHAO Yong3
(1. School of Information Science Electrical Engeering, Shandong Jiaotong University, Jinan 250357, China; 2. Shandong Aotai Electric Co., Ltd, Jinan 250104, China; 3. Electric Power Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, 250104 China)

Development of mobile communication systems is leaps and bounds, from the first generation analog mobile communication systems to the second generation digital mobile communication system, undergoing the third generation multimedia business mobile communications systems, to the fourth generation mobile communication systems of broadband high-speed data transmission. The fifth generation mobile communication systems are currently being studied. Commercial operation of the fifth generation mobile communication systems has been just around the corner.

Mobile communication systems; FDMA; TDMA; CDMA

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.014