移動通信系統的發展

初廣前，曹　燕，趙　勇

(1. 山東交通學院 信息科學與電氣工程學院，濟南　250357；2. 山東奧太電氣有限公司，濟南　250104；3. 國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南　250002)

移動通信系統的發展

初廣前1，曹燕2，趙勇3

(1. 山東交通學院 信息科學與電氣工程學院，濟南250357；2. 山東奧太電氣有限公司，濟南250104；3. 國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250002)

移動通信的發展突飛猛進，由第一代模擬通信系統發展到第二代數字移動通信系統，經歷第三代多媒體業務通信系統，發展到現在的寬帶高速數據傳輸的第四代移動通信系統。第五代移動通信系統目前正研究中，商業運營已指日可待。

移動通信系統；頻分多址；時分多址；碼分多址

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

0　引言

從19世紀70年代第一代模擬通信系統誕生至今，已發展到第四代、第五代移動通信系統。為了了解移動通信系統的發展歷程，每一代移動通信系統概述如下。

1　第一代移動通信系統(1 generation,1G)

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

第一代移動通信系統的主要技術是模擬調頻、頻分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access），它們以模擬方式工作，使用頻段為800 MHz/ 900 MHz。第一代移動通信系統的主要業務是單一模擬語音業務。

第一代移動通信系統是模擬移動通信系統，已經完全淘汰，盡管這樣，第一代移動通信系統是移動電話從無到有，實現了零的突破，是人類通信史上的重要里程碑。自第二代移動通信系統開始，開創了數字移動通信的新紀元。

2　第二代移動通信系統(2 generation，2 G)和第二點五代移動通信系統(2.5 generation, 2.5 G)

第二代以數字化為主要特征，構成數字式蜂窩移動通信系統，是20世紀90年代初正式商用的。代表性的系統有歐洲的GSM（Group Special Mobile or Global System for Mobile Communications）系統北美的IS-95兩大系統。第二代移動通信系統的主要業務是數字式語音業務和相同速率電路交換的數據業務[1]。

GSM系統基于時分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）按時序組成信號的幀結構。GSM基本思想是小區中各移動臺占用同一頻帶，但使用不同的時隙。通常各移動臺只在規定的時隙內，以突發的形式發射它的信號，這些信號通過基站的控制在時間上依次排列、互補重疊；同樣，各移動臺只要在指定時隙內接收信號，就能從合路信號中將發給它的信號區分出來。

GSM系統的特點：①系統靈活；②采用數字通信方式，提高通信質量；③FDMA與TDMA大大高方式相結合，頻率利用率；④保密性能好；⑤多業務與漫游功能。

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、抗第三移動通信系統延遲擴展的能力。同時具有提高蜂窩系統的通信能力，便于模擬與數字體制的共存及過度等優點。

二代窄帶CDMA系統目前主要采用IS-95標準。CDMA系統采用的擴頻技術不同于直擴與跳頻，CDMA是用自關性很強，而互關性很弱的碼序列作為地址碼，對已調信息進行二次調制。不同用戶信號采用互成正交（準正交）的不同的地址碼，信道中所傳輸的各寬帶信號在時間上和空間上可以互相重疊[2-3]。

第二點五代移動通信系統GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線業務目標是提供高達115.2 kb/s速率的分組數據業務。為實現GPRS業務的功能，在GSM網絡的基礎上，增加兩個主要單元，SGSN（GPRS服務支持節點）和GGSN（GPRS網關支持節點）。SGSN的工作是對移動終端進行定位和跟蹤，并發送和接收移動終端的分組。GGSN將SGSN發送和接收的GSM分組按照其他分組協議（如IP）發送到其他網絡[4]。

第二點五代移動通信系統主要業務是數字化語音業務和小于64 kbps的電路交換、小于171.2 kbps的的分組交換的各類數據業務。

3　第三代移動通信系統(3 generation, 3 G)

第三代移動通信以多媒體業務為主要特征。21世紀初投入商業化運營。國際電信聯盟（ITU）批準的3G主流技術標準分別為WCDMA、cdma2000和TDSCDMA。

WCDMA（wideband CDMA）是由歐洲和日本提出的第三代移動通信系統標準。WCDMA工作于頻分雙工（FDD）方式，其核心網絡基于GSM-MAP，主要特點是重視從GSM網絡向WCDMA網絡的演進（以GPRS作為中間銜接）。

李緒琴(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向為光學三維傳感.Email:1158223522@qq.com

WCDMA系統支持寬帶業務，可有效支持電路交換業務、分組交換業務，靈活的無線協議可在一個載波內對同一用戶同時支持語音、數據和多媒體業務；通過透明和非透明傳輸塊來支持實時和非實時業務[5]。

cdma2000是由美國電信工業協會標準組織提出的第三代CDMA移動通信系統的技術建議，是IMT2000系統的三大主流技術標準之一。也是IS-95標準向第三代移動通信系統演進的技術體制方案。cdma2000工作于頻分雙工（FDD）方式，可從IS95-B的CDMA系統的基礎上平滑過渡到3G系統。

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

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

TD-SCDMA技術于2000年正式被ITU（International Telecommunication Union）確認為第三代移動通信標準，是我國第一個具有完全自主知識產權的國際通信標準，其出現在我國通信發展史上具有里程碑是的意義，極大地提高了我國在移動通信領域的技術水平，是整個中國通信業的重大突破。

3G的關鍵技術：（1）高效信道編譯碼技術；（2）軟件無線電技術；（3）智能天線陣技術；（4）多用戶檢測和干擾消除技術；（5）向全IP網過度。

在第三代移動通信系統中，用戶業務既可以是單一的語音、數據、圖像，也可以是多媒體業務，且用戶選擇業務是隨機的。

4　第四代移動通信系統(4 generation, 4 G)

第四代移動通信系統以寬帶高速數據傳輸為主要特征。代表性的系統有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，是TD-SCDMA的長期演進方向。FDD-LTE是FDD版本的LTE技術，是cdma2000和WCDMA的長期演進方向[6]。

TDD-LTE（Time Division Long Term Evolution，時分長期演進）是基于3GPP長期演進技術（LTE）的一種通訊技術與標準，屬于LTE的一個分支。該技術由上海貝爾、諾基亞西門子 通信、大唐電信、華為技術、中興通訊、中國移動、高通、ST-Ericsson等業者共同開發。

TDD-LTE也叫LTE-TDD，TDD即指時分雙工（Time-division duplex）。事實上其技術屬于LTE（長期演進技術）。中國政府和企業是TDD-LTE的主要推動者。TDD-LTE的升級版叫做TDD-LTE Advanced，是真正的4G標準。

FDD（頻分雙工）是該LTE技術的雙工模式之一，應用FDD（頻分雙工）式的LTE即為FDD-LTE。由于無線技術的差異、使用頻段的不同以及各個 廠家的利益等因素，FDD-LTE的標準化與產業發展都領先于TDD-LTE。FDD-LTE已成為當前世界上采用的國家及地區最廣泛的，終端種類最豐富 的一種4G標準。

FDD模式的特點是在分離（上下行頻率間隔190 MHz）的兩個對稱頻率信道上，系統進行接收和傳送，用保證頻段來分離接收和傳送信道。FDD模式的優點是采用包交換等技術，可突破二代發展的瓶頸，實現高速數據業務，并可提高頻譜利用率，增加系統容量。

頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）是兩種不同的雙工方式。FDD是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發送，用保護頻段來分離接收和發送信道。FDD必須采用成對的頻率，依靠頻率來區分上下行鏈路。FDD在支持對稱業務時，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱業務時，頻譜利用率將大大降低。

TDD用時間來分離接收和發送信道。在TDD方式的移動通信系統中，接收和發送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，其單方向的資源在時間上是不 連續的，時間資源在兩個方向上進行了分配。某個時間段由基站發送信號給移動臺，另外時間由移動臺發送信號給基站，基站和移動臺之間必須協同一致才能順利工作。

5　第五代移動通信系統(5 generation, 5 G)

第五代移動通信技術，是4G之后的延伸，目前正在研究中。據業內預測，采用的關鍵技術有：

（1）高頻段傳輸。移動通信傳統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狀，可以實現極高速短距離通信，支持5 G容量和傳輸速率等方面的需求。高頻段在移動通信中的應用是未來的發展趨勢，業界對此高度關注[7]。

（2）新型多天線傳輸:多天線技術經歷了從無源到有源，從二維到三維，從高階MIMO(Multiple Input Multiple Output)到大規模陣列的發展，將有望實現頻譜效率提升數十倍甚至更高，是目前5G技術重要的研究方向之一[7]。

（3）同時同頻全雙工：同時同頻全雙工技術吸引了業界的注意力。利用該技術，在相同的頻譜上，通信的收發雙方同時發射和接收信號，與傳統的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，全雙工技術需要具備極高的干擾消除能力，這對干擾消除技術提出了極大的挑戰，同時還存在相鄰小區同頻干擾問題。在多天線及組網場景下，全雙工技術的應用難度更大。

（4）密集網絡：在未來的5G通信中，無線通信網絡正朝著網絡多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進。隨著各種智能終端的普及，數據流量將出現井噴式的增長。未來數據業務將主要分布在室內和熱點地區，這使得超密集網絡成為實現未來5G的1 000倍流量需求的主要手段之一。超密集網絡能夠改善網絡覆蓋，大幅度提升系統容量，并且對業務進行分流，具有更靈活的網絡部署和更高效的頻率復用。

（5）新型網絡架構：目前，LTE接入網采用網絡扁平化架構，減小了系統時延，降低了建網成本和維護成本。未來5G可能采用C-RAN接入網架構。C-RAN是基于集中化處理、協作式無線電和實時云計算構架的綠色無線接入網構架。C-RAN的基本思想是通過充分利用低成本高速光傳輸網絡，直接在遠端天線和集中化的中心節點間傳送無線信號，以構建覆蓋上百個基站服務區域，甚至上百平方公里的無線接入系統。

6　結論

隨著通信技術的發展，移動通信技術的發展日新月異。由第一代模擬移動通信系統發展到第四代移動通信系統以及即將商業化運營的第五代移動通信系統。移動通信系統的發展給人類的生活、生產、娛樂等各方面帶來了深刻的影響。

[1] 吳偉陵, 牛凱. 移動通信原理[M]. 第二版, 北京: 電子工業出版社, 2009.

[2] 孟文超, 段紅光. GEO多波束衛星移動通信系統多址方式選擇的研究[J]. 新型工業化, 2013, 3(6): 57-60.

[3] 張世紅. 基于地市級移動通信的數據倉庫接口與ETL2設計[J]. 軟件, 2015, 36(12): 216-219.

[4] 李建東, 郭梯云. 移動通信[M]. 第四版, 西安: 西安電子科技大學出版社, 2006.

[5] 嚴曉華. 現代通信技術基礎[M]. 第二版, 北京: 清華大學出版社, 2010.

[6] 戴源, 朱晨鳴. TD-LTE無線網絡規劃與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.

[7] 劉睿智, 孟繁義, 馮昆鵬, 等. 一種用于無線移動通信終端的多頻段可重構天線[J]. 新型工業化, 2011, 1(12): 108-112.

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