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的巨大挑战,频谱资源匮乏的矛盾十分突出.同时,移动计算、高速互联网和图像等多样化需求要求移动通信网能够综合语音、数据等不同业务进行动态带宽分配,并有提供宽带无线信道的能力.目前在中国,移动通信技术经历了第一代模拟移动通信技术以及第二代数字的、以语音为主的窄带移动通信技术后,第三代以高速互联网业务和多媒体业务为目的的宽带移动通信技术已经投入商用,同时,LTE、UWB(超宽带无线通信)、WiMax等下一代移动通信技术正在大力的研究和试验中.
移动通信诞生于20世纪初,20世纪在40年代以前,初步进行一些传播性测试并在短波的几个频段上进行通信应用,如20年代初的2MHz频段的警车无线调度系统.其工作于单工或半双工方式.40年代至60年代后期,发展了一些具有拨号、半双工功能的移动通信系统,但这些停留在专用系统的水平上.这些系统基于噪声受限原理,采用与无线广播和广播电视相同的方式.这种系统实现较容易,但同频系统必须距离足够远,使同频干扰电平远低于接收机的接收门限.而且整个系统没有频率复用,支持的同时工作的用户数量有限,因此,系统存在容量受限、系统功能薄弱、频率利用率低和质量差[1]等局限性.1971年贝尔实验室论证了蜂窝系统的可行性后,各国对蜂窝移动通信系统进行了深入研究,从而进入蜂窝移动通信系统的发展阶段.
(1)第一代——模拟移动通信系统(1G).于20世纪80年代初提出,完成于20
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移动通信
2010年5月20日
世纪90年代初,如NMT和AMPS.1G基于模拟传输,特点是业务量小、质量差、安全性差、没有加密和速度低.1G主要基于蜂窝结[2]构组网,不同国家采用不同的工作系统.其具有代表性的终端设备就是“大哥大”.
(2)第二代——数字移动通信系统(2G).从1G到2G是数字技术的革命.2G移动通信系统是从20世纪90年代初期到目前广泛使用的数字移动通信系统,它具有多种不同的系统标准,如GSM,IS-95CDMA,PDC和IS-136TDMA等,GSM(全球移动系统)移动通信系统由欧洲于80年代中后期率先提出,是目前使用最普遍的一种标准,它使用900MHz和1800MHz两个频带,采用用户识别模块(SIM)技术鉴别用户,传输时使用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA×
1)技术增加网络中信息的传输量,但它不能实现全球无缝漫游.(3)第2.5代移动通信系统(2.5G)是2G向3G发展过程的中间过渡,它是2G的扩展和增强版,通用无线分组业务(GPRS)可以看做在2G和3G之间移动通信技术发展的过渡阶段,能够使移动设备发送和接收电子邮件及图片信息.其常用速度为115kbit/s,通过使用增强数据率的GSM(EDGE)最大速率可达384kbit/s,而典型的GSM数据传输率[3]为9.6kbit/s.(4)第三代——多媒体移动通信系统(3G),也称IMT2000,开始于20世纪90年代末.3G统一不同的移动技术标准,使用高的频带和CDMA技术传输数据来支持多媒体业务,它工作在2000MHz频段,主要特点是无缝全球漫游、高速率、高频谱利用率、高服务质量、低成本和高保密性等,其最基本特征是智能信号处理技术,智能信号处理单元将成为基本功能模块,支持语音和多媒体数据通信,可以提供前三代产品不能提供的各种宽带信息业务,如高速数据、慢速图像与电视图像等.3G的三种国际标准分别是:
WCDMA(WidebandCDMA,欧洲标准),CDMA2000(也称CDMAMulti—Carrier,美国标准)和TD-SCDMA(TimeDivisionSynchronousCodeDivisionMultipleAccess,中国标准).
(5)第四代——宽带接入和分布网络系统(4G).它包括宽带无线固定接入,宽带无线局域网(WLAN),移动宽带系统和互操作的广播网络.可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带网络中提供无线服务,可以在任何地方宽带接入互联网包括卫星通信和平流层通信,能够提供定时定位、数据采集、远程控制等综合功能.此外,4G基于宽带IP,以无缝接入融合方式,完全利[4]用分组交换方式传输,集3G网络技术和无线LAN系统为一体,是多种无线技术的综合系统.目前国际主要4G国际标准候选技术为LTE-Advanced(LongTermEvolutionAdvanced)和802.16m两种,其中TD-LTE-Advanced(LTE-AdvancedTDD制式)是中国提出的具有自主知识产权的新一代移动通信技术,成功入围国际电信联盟的4G候选标准.
3
3.1
移动通信技术性能及关键技术
第一代移动过通信系统(1G)第一代模拟蜂窝网移动通信系统采用频率再用技术,实现小区制大容量公用移动[5]电话系统,多址方式为频分多址(FDMA),双工方式为频分双工(FDD),其代表性系统是美国的AMPS、英国的TACS和北欧的NMT-450,工作频段有450MHz、800MHz和900MHz,其中,NMT-450为450MHz,AMPS为800MHz,TACS等为900MHz.它们的频道间隔多数为25kHz,AMPS的频道间隔为30kHz.1G直接使用模拟语音调制技术,传输速率约为2.4kbit/s.由于受到传输带宽限制,它不能进行移动通信的长途漫游,只是一种区域性的移动通信系统.蜂窝移动通信的问世,将陆地公众移动通信网推向了发展的高潮但模拟系统存在以下弊端:
(1)频带利用率低,使有限的频率资源与无限的用户容量之间的矛盾难以解决;
(2)无法承担非话业务和数字通信业务,难以与ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork,综合业务数字网)直接连接;
(3)存在保密性差、成本高等不可避免的缺点.随着业务的发展,模拟技术已不能[1]满足发展的需要了.
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3.2
第二代移动通信系统(2G)2G是基于数字传输的,采用的技术主要有时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种技术,提供9.6至28.8kbps的传输速率.全球主要采用GSM和CDMA两种制式,我国采用主要是GSM这一标准.和第一代模拟移动蜂窝移动系统相比,第二代移动通信系统具有保密性强,频谱利用率高,能提供丰富的业务,标准化程度高等特点,可以进行省内外漫游.主要提供数字化的语音业务级低速数据化业务,克服了模拟系统的弱点,可以进行省内外漫游.但因为采用的制式不同,移动标准还不统一,用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游,还无法进行全球漫游,虽然第二代比第一代有更大的带宽,但带宽还是很有限,限制了数据的应用,还无法实现高速率的业务,如移动的多媒体业务.3.2.1GSM移动通信系统GSM(GlobalSystemforMobileCommunications,全球移动通讯系统)是欧洲制定的数字蜂窝网标准,它包括两个并行的系统:
GSM900和DCS1800,两个系统功能[7]相同,差别是频段不同.GSM900的上行频带890-915MHz,下行频带935-960MHz,双工间隔45MHz,工作带宽25MHz,载频间隔200KHz.DCS1800的上行频带1710-1785MHz,下行频带1805-1880MHz,双工间隔95MHz,工作带宽75MHz,载频[8]间隔200KHz.由于DCS1800的载频在1800MHz高频,电波传播衰耗较900MHz快得多,所以,DCS1800的覆盖半径较GSM900要小得多.因此,DCS1800通常采用叠加网的形式,用以补充业务密集区GSM900容量不足.GSM在FDMA(频分复用)的基础上采用TDMA(时分复用)复用方式,每个载频上以4.615ms构成一帧,每帧分为8个时隙.每个时隙156.25bits,构成一个物理信道.为了保证可靠性,业务和控制信道的信道编码均采用了块编码和1/2速率的卷积编码,控制信道采用块矩形交织(BlockrectangularInterleaver);
业务信道采用块对角交纵(BlockDiagonalInterlcavcr),话音编码速率为13Kbps,数
据业务速率最高为9.6Kbps.为了在效率、复杂胜和抗干扰方面达到一个较好的平衡.GSM采用GMSK(GaussianMininlunl[9]ShiftKeying)凋制.3.2.2IS-95CDMA移动通信系统IS-95CDMA(IS-95A)系统是北美数字蜂窝标准,也是2G的代表性系统之一.IS-95的载波频带宽度为1.25MHz,信道承载能力有限,仅能支持声码器语音和话带内的数据传输,称为窄带码分多址蜂窝通信系统.IS-95工作的上行频带为869-894MHz,下行频带为824-869MHz.CDMA蜂窝系统具有“软切换”功能,它以扩频技术为基础,因而具有扩频通信系统固有的优点,如抗干扰、抗多径衰落和保密性等.IS-95采用TDMA/FDMA技术相结合,使用FDD双工方式,射频信道间隔为1.25MHz,调制方式使用QPSK.其声码器采用码激励线性预测编码算法(QCELP算法)基本速率是,8kb/s.CDMA和TDMA系统的重要差异在于无线信道的构成及有关的无线接口和设备,CDMA的全部用户共享一个无线信道,用户信号的区分靠所用码型的不同;
TDMA和FDMA系统则是每个用户占用一个信道.功率控制是CDMA蜂窝系统提高通信容[10]量的关键技术,也是其主要技术难题之一.功率控制是解决CDMA系统远近效应的的有效措施,需要在反向链路和正向链路上都进行功率控制.功率控制的原则是:
当信道的传播条件突然改善时,功率控制应作出快速响应(例如几毫秒内),以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰;
相反,当信道条件突然变坏时,功率调整的速度可以慢一些,也就是说,宁可单个用户的信号质量短时间恶化,也要防止许多用户的背景干扰都增大.CDMA系统具有全网统一的时间标准,它利用全球定位系统(GPS)时标,各基站配有GPS接收机.3.3第2.5代移动通信系统(2.5G)2.5G系统中,对应于GSM的是GPRS/EDGE,对应于IS-95A的是CDMA20001×
(IS-95B).GPRS基于GSM可以把接入速率提高到115kb/s-171kb/s,在GPRS之后的EDGE技术可以把速率进一步提到384
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