移动通信系统的发展历程综述.docx

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移动通信系统的发展历程综述

通信概论论文

移动通信系统的发展历程

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摘要：

现如今经济发展迅速，移动通信也得到了很广泛的应用。

自从20世纪90年代以来，很多国家对移动通信的需求量经历了指数级的增长，我国也不例外，而且这种需求量还将持续下去。

为适应经济全球化与信息网络化的发展，移动通信系统不仅需要丰富移动业务，还需要采用新技术，以满足更多移动用户的需求。

关键词：

移动通信；模拟蜂窝；微电子技术；多载波调制；正交频分复用；多模式终端。

一、引言

移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间的通信。

随着电子技术的发展，特别是半导体、集成电路和计算机技术的发展，移动通信得到了迅速的发展。

随着其应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。

20世纪80年代以来，移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一。

移动通信系统由两部分组成：

空间系统和地面系统，其中地面系统主要是卫星移动无线电台和天线，以及关口站、基站等。

移动通信主要有五大特点：

一是移动性，就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合；二是电波传播条件复杂，因移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应；三是噪声和干扰严重，在城市环境中的汽车火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等；四是系统和网络结构复杂，它是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作，此外移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构是很复杂的；五是要求频带利用率高、设备性能好。

二、移动通信技术的发展历程

移动通信可以说从无线电发明之日就产生了。

1897年，马可尼所完成的无线通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的。

而蜂窝移动通信的发展是在二十世纪七十年代中期以后的事。

移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的通讯手段。

由于电子技术，尤其是半导体，集成电路及计算机技术的发展，以及市场的推动，使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。

现代的移动通信发展至今，主要走过了两代，而第三代现在正处于紧张的研制阶段，部分厂家已经推出实验产品。

第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间是上世纪七十年代中期至八十年代中期。

1978年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信系统。

而其它工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信网。

这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。

蜂窝网，即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。

第一代移动通信系统的典型代表是美国的AMPS系统和后来的改进型系统TACS，以及NMT和NTT等。

AMPS（先进的移动电话系统）使用模拟蜂窝传输的800MHz频带，在北美，南美和部分环太平洋国家广泛使用；TACS（总接入通信系统）使用900MHz频带，分ETACS（欧洲）和NTACS（日本）两种版本，英国，日本和部分亚洲国家广泛使用此标准。

第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用，语音信号为模拟调制，每隔30KHz/25KHz一个模拟用户信道。

第一代系统在商业上取得了巨大的成功，但是其弊端也日渐显露出来：

频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、保密性差，易被窃听和盗号、设备成本高、体积大，重量大。

为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而生，并且发展起来，这就是以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统，时间是从八十年代中期开始。

欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。

随后，美国和日本也制订了各自的数字移动通信体制。

数字移动通网相对于模拟移动通信，提高了频谱利用率，支持多种业务服务，并与ISDN等兼容。

第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。

第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的DAMPS系统，IS-95和欧洲的GSM系统。

（1）GSM（全球移动通信系统）发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的DMA标准而设计的，支持64Kbps的数据速率，可与ISDN互连。

GSM使用900MHz频带，使用1800MHz频带的称为DCS1800。

GSM采用FDD双工方式和TDMA多址方式，每载频支持8个信道，信号带宽200KHz。

GSM标准体制较为完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统容量增加不多，仅仅为模拟系统的两倍左右，无法和模拟系统兼容。

（2）DAMPS（先进的数字移动电话系统）也称IS-54（北美数字蜂窝），使用800MHz频带，是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种，指定使用TDMA多址方式。

（3）IS-95是北美的另一种数字蜂窝标准，使用800MHz或1900MHz频带，指定使用CDMA多址方式，已成为美国PCS（个人通信系统）网的首先技术。

由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B。

移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。

由于网络的发展，数据和多媒体通信的发展势头很快，所以，第三代移动通信的目标就是移动宽带多媒体通信。

从发展前景看，由于自有的技术优势，CDMA技术已经成为第三代移动通信的核心技术。

为实现上述目标，对3G无线传输技术（RTT：

RadioTransmissionTechnology）提出了以下要求：

一是高速传输以支持多媒体业务。

室内环境至少2Mbps；室内外步行环境至少384kbps；室外车辆运动中至少144kbps；卫星移动环境至少9.6kbps。

二是传输速率能够按需分配。

三是上下行链路能适应不对称需求。

第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）于1985年提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS，FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystem），1996年更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000），意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000kbps，预期在2000年左右得到商用。

主要体制有WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA。

综观移动通信的发展历程，当代移动通信可分为三个阶段：

（1）第一阶段模拟制式的移动通信系统，得益于70年代的两项关键突破：

微处理器的发明和交换及控制链路的数字化。

AMPS是美国推出的世界上第一个1G移动通信系统，充分利用了FDMA技术实现国内范围的语音通信。

（2）第二阶段是风靡全球十几年的数字蜂窝通信系统，80年代末开发。

2G是包括语音在内的全数字化系统，新技术体现在通话质量和系统容量的提升。

GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）是第一个商业运营的2G系统，GSM采用TDMA技术。

（3）第三阶段是移动多媒体通信系统，提供的业务包括语音，传真，数据，多媒体娱乐和全球无缝漫游等。

NTT和爱立信1996年开始开发3G（ETSI于1998年），1998年国际电联推出WCDMA和CDMA2000两商用标准（中国2000年推出TD-SCDMA标准，2001年3月被3GPP接纳，起源于李世鹤带头搞的SCDMA）第一个3G网络运营于2001年的日本。

3G技术提供2MBPS标准用户速率（高速移动下提供144KBPS速率）。

3、移动通信系统的关键技术

自20世纪70年代末第一代模拟移动通信系统面世以来，移动通信产业一直以惊人的速度迅猛发展，已经成为带动全球经济发展的主要高科技产业之一，并对人类生活及社会发展产生了重大影响。

其中，CDMA码分多址移动通信技术以其容量大、频谱利用率高、保密性强、绿色环保等诸多优点，显示出强大的生命力，引起人们的广泛关注，成为第三代移动通信的核心技术。

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，码分多址）作为一种多址技术早已出现，起初仅在抗干扰和保密性能等方面受到人们的注意，被用在军用抗干扰系统中。

1989年，美国高通（Qualcomm）公司最先推出CDMA蜂窝移动通信系统的设想。

码分多址蜂窝移动通信技术实际上包含两个基本技术，即码分多址技术和扩频通信技术。

所谓扩频，简单地讲就是用某种技术将信号的频谱进行扩展，工程中常用直接序列对信号进行扩频，即用一个高速码序列码去调制低速原始数据信息。

码分多址（CDMA）与频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）一样，是多址技术的一种。

CDMA系统中的每一个信号被分配一个正交序列或PN（PseudoNoise，伪随机噪声）序列用作扩频序列对其进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的正交序列或PN序列里。

在接收机，通过使用相关器只接受选定的正交序列或PN序列并压缩其频谱，凡不符合该用户正交序列的信号就不被压缩带宽，结果只有指定的信号才能被提取出来。

我们将CDMA与FDMA、TDMA三种多址方式进行比较。

FDMA采用调频的多址技术，在不同频段的业务信道被分配给不同的用户；TDMA是采用时分的多址技术，业务信道在不同的时间被分配给不同的用户；CDMA采用扩频的码分多址技术，所有用户在同一时间、同一频段上，但根据不同的编码获得业务信道。

在技术实现上，就是利用码型的不同来调制解调不同的用户。

移动通信系统运用了以下关键技术才得以迅速发展：

1、功率控制技术:

功率控制技术是CDMA系统的核心技术。

CDMA系统是一个自干扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，因此需要某种机制使得各个移动台信号到达基站的功率基本处于同一水平上，否则离基站近的移动台发射的信号很容易盖过其它离基站较远的移动台的信号，造成所谓的“远近效应”。

CDMA功率控制的目的就是克服“远近效应”，使系统既能维护高质量通信，又减轻对其他用户产生的干扰。

功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。

（l）反向开环功率控制。

移动台根据在小区中接收功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。

它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应。

（2）反向闭环功率控制。

闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。

（3）前向功率控制。

在前向功率控制中，基站根据移动台提供的测量结果，调整对每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分配较小的前向链路功率，而对那些远离基站和误码率高的移动台分配较大的前向链路功率。

2、PN码技术：

PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。

CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因而要求PN码自相关性好，互相关性弱，实现和编码方案简单等。

CDMA系统就是采用一种基本的PN序列——m序列作为地址码。

基站识别码采用周期为215-1的m序列（称为短码），用户识别码采用周期为242-1m序列（称为长码）。

3、RAKE接收技术：

移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。

一般地，RAKE接收机有搜索器（Searcher）、解调器（Finger）和合并器（Combiner）三个模块组成。

通常CDMA基站一个RAKE接收机有4个解调器，移动台有3个解调器。

4、软切换技术：

移动台从A基站覆盖区域向B基站覆盖区域行进，在A、B两基站的边缘，移动台先与B基站建立连接后，再将与A基站原来的连接断开，这种技术称之为软切换。

CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易得多。

5、话音编码技术：

CDMA系统使用了确定声码器速率的自适应阈值，从而可以根据背景噪声电平的变化改变声码器的数据速率。

这些阈值的使用压制了背景噪声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。

CDMA2000系统采用的话音编码技术有CELP（CodeExcitedLinearPrediction，代码激励线性预测）、QCEP8K/13K（QualcommCELP）、EVRC（EnhancedVariableRateCoder，增强型可变速率编码器）等。

四、移动通信系统的的发展方向

第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。

它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。

第四代移动通信标准比第三代标准拥有更多的功能。

第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。

此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

目前正在开发和研制中的4G通信将具有以下特征:

（1）通信速度更快:

由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。

专家预估，第四代移动通信系统的速度可达到10-20Mbit/s，最高可以达到100Mbit/s。

（2）网络频谱更宽:

要想使4G通信达到100Mbit/s的传输速度，通信运营商必须在3G通信网络的基础上对其进行大幅度的改造，以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。

据研究，每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA3G网络的20倍。

对于现在的人来说，未来的4G通信的确显得很神秘，不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来最复杂的技术系统。

总的来说，要顺利、全面地实施4G通信，还将可能遇到一些困难。

首先，人们对未来的4G通信的需求是它的通信传输速度将会得到极大提升，从理论上说最高可达到100Mbit/s，但手机的速度将受到通信系统容量的限制。

据有关行家分析，4G手机将很难达到其理论速度。

其次，4G的发展还将面临极大的市场压力。

有专家预测，在10年以后，2G的多媒体服务将进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上的人口使用3G，到那时，整个行业正在消化吸收第三代技术，对于4G技术的接受还需要一个逐步过渡的过程。

因此，在建设4G通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，使移动通信从3G逐步向4G过渡。

参考文献：

[1]通信概论[M]高等教育出版社2008朱志良

[2]基于TDD的第四代移动通信技术[M]电子工业出版社2005谢显忠

[3]现代移动通信系统[M]电子工业出版社1994蒋同泽

[4]宽带CDMA移动通信原理[M]电子工业大学出版社200112王自清

[5]现在数字调制技术[M]人民邮电出版社1987王士林

1选题、观念

10分

2结构、逻辑关系

15分

3综合分析、解决问题的能力

15分

4创新意识、语言文字表达能力

10分