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移动通信概述论文
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移动通信
2010年5月20日
移动通信技术发展历程与趋势
伍明铭
(华南理工大学电子与信息学院,广东广州510641)
摘要:
本文介绍移动通信技术的发展历程,重点讨论了1G到4G各代移动通信技术的主要性能指标和关键技术,展望移动通信技术的发展趋势.关键词:
移动通信;GSM技术;CDMA;MIMO-OFDM中图分类号:
TN92文献标识码:
A文章编号:
0372-2112
HistoryandTrendofMobileCommunicationTechnology
WUMing-ming
(SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510641,China)
Abstract:
Thisarticledescribesthedevelopmentprocessofmobilecommunicationtechnology,focusedon
thegenerationof1Gto4Gmobilecommunicationtechnology,thekeyperformanceindicatorsandkeytechnology.Atlast,itlooksforwardtothedevelopmenttrendofmobilecommunicationtechnology.Keywords:
mobilecommunication;GSMtechnology;CDMA;MIMO-OFDM
1
引言
2
移动通信技术发展概述
随着科学技术发展,通信技术也得到迅猛的发展和应用,在推动社会经济的同时改变了人们的生活方式.移动通信特别是蜂窝小区的发展,使用户实现完全的个人移动性、可靠的传输手段和接续方式,逐渐演变成社会进步必不可少的工具.近年来,移动通信业务的迅猛增加使移动通信技术受到来自容量和带宽两方面的巨大挑战,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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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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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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kb/s.GPRS将信包交换模式引入到GSM网络中,提高了资源利用率,能支持INTERNET的IP协议和X.25协议.GPRS基本原理是使多个用户共享某些固定的信道资源,将每个时隙的传输速率从9.6kbit/s提高到14.4kbit/s.EDGE也称2.75G,主要是在GSM系统中采用了新的调制方法,即最先进的多时隙操作和8PSK调制技术,8PSK可将现有GSM网络采用的GMSK调制技术信号空间从2扩展到8,使每个符号包含信息为原来的八倍.EDGE不同于GSM的优势有:
(1)8PSK空中接口模式,
(2)增强型的AMR编码方式,(3)MCS1-9九种信道编码方式,(4)链路自适应,(5)递增冗余传递,(6)RLC窗口大小自动调整.IS-95B同样采用分组交换方式,可提供的理论最大比特速率为115kbit/s,实际只能实现64kbit/s.3.4第三代移动通信系统(3G)3G主要基于宽带CDMA技术,优点在于频率规划简单,系统容量大,频率复用系数高,抗多径能力强,通信质量好,软容量,软切换.总体而言,3G的具有四项关键技术[12]:
(1)智能天线技术.智能天线基于自适应天线原理,利用天线阵的波束赋形产生多个独立波束,并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户,达到提高信号干扰信噪比,增加系统容量的目的.在3G三个标准中,TD-SCDMA使用了智能天线.
(2)软件无线电技术.软件无线电的基本思路是研制一种基本的可编程硬件平台,在这个硬件平台上改变软件即可形成不同标准的通信设施(如终端和基站),关键思想是尽可能在靠近天线的部位进行宽带A/D和D/A变换,再用高速数字信号处理器(DSP)进行软件处理,以实现尽可能多的无线通信功能.(3)高速下行分组交换数据传输技术.3G的上下行将会呈现很大的不对称性,对FDD来说,非常需要能有效支持不对称业务的一种技术.3GPP技术规范中的高速下行
[11]
分组接入(HSPA)技术可以实现10.8M的高速下行数据,HSDPA技术是一种对多用户提供高速下行数据业务的技术,特别适合于多媒体、Internet等大量下载信息的业务.在传输较高速率的业务数据时,通过在特定时隙中使用较高调制方式(8PSK、16QAM、甚至64QAM)来进行传输.大量研究表明,采用若干新技术可使空中下行速率达到40Mbit/s以上.目前国际上对HSDPA技术的研究正在进行中,它是3GPPWGl组的一个研究热点.(4)联合检测技术.多用户检测面临的问题有远近效应、异步问题、多径效应等.在此基础上提出联合检测,即多用户检测,同时使用均衡技术,以消除符号间干扰和码问干扰.传统的均衡技术需要用户发送训练序列,GSM系统中,在大约有20%的发送序列用于训练,训练序列的频繁发送,增加了大量的信道开销.在信道的盲均衡中,用户不用发送训练序列,接收端通常只知道输出信号及输入信号的一些统计信息.另外联合接收、天线分集技术和Turbo码技术结合起来,可以得到更好的接收性能.使用联合检测技术可以有效地克服传播路径损耗、阴影效应和快衰落现象.[13,14,15,16]三种3G国际标准性能参数比较如表1.3.5第四代移动通信系统(4G)目前业界和学术界对于4G的看法基本一致:
4G系统基于IP、具有超过2Mb/s的非对称数据传输能力、在移动环境下速率将达到100Mb/s、在静止环境下速率达到1Gb/s以上的、能够支持下一代网络的各种应用(如移动高清电视)、并且能在固定和移动之间方便切换的技术.[17,18,19]4G的关键技术有:
(1)OFDM(正交频分复用)OFDM是4G的核心技术,实际上是MCM(Multi—carrierModulation,多载波调制)技术的一种,其主要思想是在频域内将给定信道分成许多窄的正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输,因此可以大大消除信道和符号间的干扰.OFDM具有很多独特的优点:
频谱利用率高,抗衰落能力强,适合高
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速数据传输,抗码间干扰能力强.缺点是对频偏和相位噪声敏感,功率峰值和均值比制式继承基础双工方式信号带宽码片速率帧长调制方式解调方式语音编码基站运营模式功率控制编码方式切换方式WCDMA中国联通GSMFDD5MHz3.84Mchip/s10ms上行BPSK下行QPSK导频辅助相干解调AMR同步/异步闭环功控外环功控卷积吗/Turbo码支持软切换和更软切换
大,负载算法和自适应调制技术增加系统复杂度.CDMA2000中国电信窄带CDMAFDDN*1.25MHzN*1.22288Mchip/s20ms上行BPSK下行QPSK导频辅助相干解调8K/13KQCELP或8KEVRC同步闭环功控外环功控卷积吗/Turbo码支持软切换和更软切换TD-SCDMA中国移动GSMTDD1.6MHz1.28Mchip/s10msQPSK8PSK联合检测方式AMR网络同步或GPS闭环功控外环功控卷积吗/Turbo码支持接力切换提高了切换效率
表1三种3G技术对比
(2)多输入多输出(MIMO)技术MIMO(Multiple—InputMultiple—Out—put)系统,该技术属于智能天线技术的一种,利用多天线来抑制信道衰落.可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高.利用MIMO技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率.前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益,后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益.MIMO系统有以下优点:
降低了码间干扰(ISI),提高了空间分集增益;提高了无线信道容量和频谱利用率.(3)基于IPv6的核心网4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络,即基于IP的承载机制、网络维护管理、网络资源控制、应用服务.目前IPv4的地址长度仅有32bit,地址资源即将耗尽,而IPv6具有128bit的地址空间,能解决IP地址资源不足的问题,因此IPv6会成为下一代网络的核心协议.
同3G网络相比,4G系统具有根本性的优点:
采用IP协议的核心网可以实现不同的网络间的无缝互联,独立于各种具体的无线接入方案,能提供端到端的IP业务,能同已有的核心网和PSTN兼容.核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网;同时,核心网能把业务、控制、传输等分开.采用IP后,所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的.IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议.此外,的关键技术还包括前几代系统4G所具有但经过改进的功率控制技术和多用户检测技术,以及在3G基础上改进的软件无线电技术和智能天线技术.
4
总结和展望
回顾1G到3G的发展,移动通信系统在每个十年内都会发生革命性的变化.在2010
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