移动通信技术1G~4G发展史

厦门大学(XMU)09级通信工程(本科)特别制作版权所有仅供学习参考 第1章移动通信现状问题与基本解决方法 1.1移动通信1G—4G简述 现在,人们普遍认为1897年是人类移动通信的元年。这一年意大利人M.G.马可尼在相距18海里的固定站与拖船之间完成了一项无线电通信实验,实现了在英吉利海峡行驶的船只之间保持持续的通信,从而标志着移动通信的诞生,也由此揭开了世界移动通信辉煌发展的序幕错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。 现代意义上的移动通信系统起源于20世纪20年代,距今已有90余年的历史。本文主要简述移动通信技术从1G到4G的发展。移动通信大发展的原因,除了用户需求的迅猛增加这一主要推动力外,还有技术进展所提供的条件,如微电子技术的发展、移动通信小区制的形成、大规模集成电路的发展、计算机技术的发展、通信网络技术的发展、通信调制编码技术的发展等。 1.1.1第一代移动通信系统(1G) 20世纪70年代中期至80年代中期是第一代蜂窝网络移动通信系统发展阶段。第一代蜂窝网络移动通信系统(1G)是基于模拟传输的,其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。1G主要基于蜂窝结构组网,直接使用模拟语音调制技术,传输速率约2.4kbit/s错误!未找到引用源。。 1978年底,美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone System, AMPS),建成了蜂窝状移动通信网,这是第一种真正意义上的具有随时随地通信的大容量的蜂窝状移动通信系统。蜂窝状移动通信系统是基于带宽或干扰受限,它通过小区分裂,有效地控制干扰,在相隔一定距离的基站,重复使用相同的频率,从而实现频率复用,大大提高了频谱的利用率,有效地提高了系统的容量错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。 1983年,AMPS首次在芝加哥投入商用,1985年,已经扩展到47个地区。其他国家也相继开发出各自的蜂窝状移动通信网。日本于1979年推出800MHz 汽车移动电话系统(HAMTS),在东京、大阪等地投入商用,成为全球首个商用蜂窝移动通信系统。前联邦德国于1984年完成C 网,频段450MHz。英国在1985年开发出全球接入通信系统(Total Access Communications System, TACS),频段900MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450MHz移动电话系统(Mobile Telephone System,MTS)。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450(Nordic Mobile Telephone, NMT)移动通信网,频段450MHz。这些系统都是双工的基于频分多址(Frequency Division 1 Multiple Access, FDMA)的模拟制式系统,被称为第一代蜂窝网络移动通信系统错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。 第一代蜂窝网络移动通信系统由于受到传输带宽的限制,不能进行移动通信的长途漫游,只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式,我国于1987年11月引入,主要采用的是英国的TACS系统,在广东省建成并投入商用。第一代移动通信有很多不足之处,比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。 1.1.2第二代移动通信系统(2G) 20世纪80年代中期至20世纪末,是2G这样的数字蜂窝移动通信系统 逐渐成熟和发展的时期。由于第一代移动通信系统(1G)——模拟蜂窝移动通信系统存在频谱利用率低、费用高、通话易被窃听(不保密)、业务种类 受限、系统容量低等问题,主要还是系统容量已不能满足日益增长的移动用户需求。为了解决这些问题,推出了新一代数字蜂窝移动通信系统(2G)。 数字蜂窝移动通信系统(2G)主要采用的是数字的时分多址(TDMA) 技术和码分多址(CDMA)技术。全球主要有GSM 和 CDMA 两种体制。CDMA 是美国提出的。GSM 技术标准是欧洲提出的,目前全球绝大多数国家使用这一标准。 1982年,欧洲成立泛欧移动通信组织(Group Special Mobile, GSM,之后改称为全球移动通信系统,Global Standard for Mobile Communications, GSM),于1983年开始开发GSM。欧洲1992年提出了第一个数字蜂窝网络标准GSM (Global Standard for Mobile Communications ),它基于时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)方式。1991年7月,GSM系统在德国首次部署,它是世界上第一个数字蜂窝移动通信系统错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。 美国提出了两个数字标准,IS-54与IS-95标准。1988年,美国提出的基于TDMA的IS-54(也称为DAMPS,数字AMPS)在美国作为数字标准得到表决通过。1989年,美国高通(Qualcomm)公司开始开发窄带CDMA(DS-CDMA)。1995年美国电信产业协会(TIA)正式颁布了基于窄带DS-CDMA的IS-95标准。CDMA原本是为军事通信而开发的抗干扰通信技术,后来美国高通公司进一步设计出商用数字蜂窝移动通信技术。1995年,第一个CDMA商用系 统运行之后,CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到体现,从而在北美、南美和亚洲等地得到迅速推广和应用。在美国和日本,CDMA成为主要的移动通信技术。日本第一个数字蜂窝系统是个人数字蜂窝(PDC)系统,于1994年投入运行错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。 我国移动通信也主要是 GSM 体制,比如中国移动的 135 到 139 手机,中国联通的 130 到 132 都是 GSM 手机。2001年,中国联通开始在中国部署CDMA网络(简称C网)。2008年5月中国电信收购中国联通CDMA网络,并将C网规划为中国电信未来主要发展方向。 第二代移动通信主要业务是语音,其主特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点,话音质量、保密性能得到大的提高,并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变,但由于第二代采用不同的制式,移动通信标准不统一,用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游,因而无法进行全球漫游,由于第二代数字移动通信系统带宽有限,限制了数据业务的应用,也无法实现高速率的业务,如移动的多媒体业务。 2G与1G相比较主要的特点是提高了标准化程度及频谱利用率、不再是数模结合而是数字化、保密性增加、容量增大,干扰减小,能传输低速的数据业务。在增加了分组网络部分后可以加入窄带分组数据业务,2G移动网 络的突出弱点就是业务范围有限,无法实现移动的多媒体业务,各国标准不统一,无法实现全球漫游。 GPRS1/EDGE2技术的引入,2G网络就改造升级成为了所谓的2.5G(GPRS)、2.75G (EDGE)网络,使GSM与计算机通信/Internet有机相结合,数据传 送速率可达115/384kbit/s,从而使GSM 功能得到不断增强,初步具备了支 持多媒体业务的能力,实际应用基本可以达到拨号上网的速度,因此可以发送图片、收发电子邮件等。 尽管2G技术在发展中不断得到完善,但随着用户规模和网络规模的不 断扩大,频率资源己接近枯竭,语音质量不能达到用户满意的标准,数据通信速率太低,无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求错误!未找到引用源。。 1.1.3第三代移动通信系统(3G) 20世纪90年代末开始是第三代移动通信技术(3G)发展和应用阶段, 同时4G移动通信也进入了研究阶段错误!未找到引用源。。自2000年左右开始,伴随着对第三代移动通信的大量论述,以及2.5G(B2G)产品GPRS(通用无线分组业务)系统的过渡,3G走上了通信舞台的前沿错误!未找到引用源。。 1GPRS:1997年欧洲提出GSM系统的演进版——2.5G的通用分组无线业务(General Packet Radio Service, GPRS)技术。 2EDGE:1999年提出2.75G的GSM演进的增强数据速率(Enhanced Data rate for GSM Evolution, EDGE)技术,让使用900MHz、1800MHz、1900MHz频段的网络提供第三代移动通信网络的部分功能。 3G也称为IMT-2000(International Mobile Telecommunication 2000)。早在1985年,国际电信联盟3(International Telecommunications Union, ITU)就提出了第三代移动通信系统的概念,当时称为“未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)”。1996年ITU将3G命名为IMT-2000,其含义为该系统将在2000年左右投入使用,工作于2000MHz频段,最高传输速率为2000Kbps错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。 1999年11月5日,在芬兰赫尔辛基召开的ITU TG8/1第18次会议上最终通过了IMT-2000无线接口技术建议,基本确立了第三代移动通信的3种主流标准,即欧洲和日本提出的宽带码分多址(WCDMA),美国提出的多载波码分复用扩频调制(CDMA2000),中国提出的时分同步码分多址接入(TD-SCDMA)错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。2000年5月国际电信联盟正式确立了针对3G网络的IMT-2000无线接口的5种技术标准。 对比以模拟技术为代表的1G和目前正在使用的2G、2.5G,3G 将有更宽的带宽,更高的传输速率。如WCDMA其传输速率在室外车载环境下最大支持144Kbps,在室内环境下最大支持2Mbps,所占频带宽度可达5MHz 左右。在技术上,3G系统采用CDMA技术和分组交换技术,而不是2G系统通常采用的TDMA技术和电路交换技术。在业务和性能方面,3G不仅能传输话音,还能传输数据,提供高质量的多媒体业务,如可变速率数据、移动视频和高清晰图像等多种业务,实现多种信息一体化,从而提供快捷、方便的无线应用,如无线接入Internet。3G的目标是在全球采用统一的标准、统一频段、统一大市场。各国的3G系统在设计上具有良好的通用性,3G用户能在全球实现无缝漫游[5]。3G还具有低成本、优质服务质量、高保密性及良好的安全性能等特点。 但是,第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA ,CDMA2000 和TD-SCDMA 三大分支,共同组成一个IMT-2000 家庭,成员间存在相互兼容的问题,因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信;再者,3G 的频谱利用率还比较低,不能充分地利用宝贵的频谱资源;第三, 3G支持的速率还不够高,如单载波只支持最大2Mbps 的业务,等等。这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要,因此寻求一种既能解决现有问题,又能适应未来移动通信的需求的新技术(即新一代移动通信: next generation mobile communicat ion)是必要的错误!未找到引用源。。 1.1.4第四代移动通信系统(4G) 3国际电信联盟:联合国于1865年成立的制定国际电信标准的专门机构。简称“国际电联”,“电联”或“ITU”。 20世纪90年代末,4G的研究就已经开始了,到现在已过去十几年。现在的4G在之前被称为B3G(Beyond 3G,超3G)技术。2000年确定了3G国际标准之后,ITU就启动了4G的相关工作。2003年ITU对4G的关键性指标进行定义,确定了4G的传输速率为1Gbit/s。在2005年10月18日结束的ITU-R WP8F第17次会议上,ITU给B3G技术一个正式的名称IMT-Advanced,将未来新的空中接口技术叫做IMT-Advanced技术。2007年,ITU给4G分配了新的频谱资源。 各个大国(如中国、欧洲、美国、日本等)、通信技术规范机构(如3GPP4、3GPP25、IEEE等)相互之间在移动通信技术之间的竞争也越来越激烈了。在传统蜂窝移动通信技术快速发展的同时,宽带无线技术(如WiMAX)也开始提供移动性能,试图抢占移动通信的部分市场。为了保证3G移动通信的持续竞争力,满足市场对高数据业务、多媒体业务等新需求,同时让3G技术具有与其他技术竞争的实力。因此,3GPP和3GPP2相应启动了3G技术长期演进(Long Term Evolution,LTE)。3G技术因此不断演进、不断完善、不断 创新。目前WCDMA已经演进到WCDMA HSPA(HSDPA/HSUPA),CDMA2000已经演进到CDMA20001x EV-DO/EV-DV,中国拥有自主知识产权的TD-SCDMA 标准,也演进到TDD HSDPA/HSUPA的技术标准。2008年ITU开始公开 征集4G标准,有三种方案成为4G的标准备选方案,分别是3GPP的LTE、 3GPP2的UMB以及IEEE的移动WiMAX,其中最被产业界看好的是LTE。LTE、UMB、和移动WiMAX虽然各有差别,但是它们也有一些相同之处,3个系 统都采用OFDM和MIMO技术以提供更高的频谱利用率。移动通信技术演进路线可见下图。 43GPP:The 3rd Generation Partnership Project的缩写,是领先的3G技术规范机构,由欧洲的ETSI,日本的ARIB和TTC,韩国的TTA以及美国的T1在1998年12月发起成立的,旨在研究制定并推广基于演进的GSM 核心网络的3G标准,即WCDMA,TD-SCDMA,EDGE等。中国于1999年6月加入3GPP。 53GPP2:3rd Generation Partnership Project 2 的缩写,1999年1月成立,由北美TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起,主要是制订以ANSI-41核心网为基础,CDMA2000为无线接口的第三代技术规范。中国于1999年6月加入3GPP2。 图2-错误!文档中没有指定样式的文字。-1:移动通信技术演进路线 介绍4G的同时,我们不得不提到LTE技术。LTE是Long Term Evolution 的缩写,LTE并不是4G技术,而是3G向4G技术发展过程中的一个过渡技术,是被称为3.9G的全球化标准,它通过采用OFDM和MIMO作为无线网络演进的标准,改进并且增强了3G的空中接人技术。这些技术的运用,使得其在20MH频谱带宽的情况下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。这种具有革命性的改革,使得LTE技术改善了小区边缘位置的用户的性能,提高小区容量值并且降低了系统的延迟错误!未找到引用源。。 2012年1月18日,LTE-Advanced 和Wireless MAN-Advanced(802.16m)技术规范通过了ITU-R 的审议,正式被确立为IMT-Advanced(也称4G )国际标准,我国主导制定的TD-LTE-Advanced同时成为IMT-Advanced 国际标准。LTE包括TD-LTE(时分双工)和LTE FDD(频分双工)两种制式,其中我国引领TD-LTE的发展。TD-LTE继承和拓展了TD-SCDMA 在智能天线、系统设计等方面的关键技术和自主知识产权,系统能力与LTE FDD相当。 TD-LTE-Advanced正式成为4G 国际标准,标志着我国在移动通信标准制定领域再次走到了世界前列,为TD-LTE产业的后续发展及国际化奠定了重要基础错误!未找到引用源。。 2012年4月15日,中国移动香港有线公司正式推出4G服务,为客户提供高速移动数据业务,一般通信速率可达10~20Mbit/s,最高下载速率可达100Mbit/s。 4G是集3G与WLAN与一体、能够传输高质量视频图像且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术。4G能够以高达100Mbit/s的速度下载,比拨号上网快2000倍,上传速度可达20Mbit/s,并能满足几乎所有用户对无线服务的要求。同时,在价格方面,4G收费与固定宽带网络差不多,计费 方式还会更加灵活。通信也更加灵活,人们不仅可以随时随地通信,还可以双向下载传递资料、照片、视频,还可以与陌生人联网打游戏。用4G,你 可以感受到到比10M宽带更好的体验和便捷。4G与3G相比,它的频谱利 用率更高,通信费用更加便宜,传输速率更高,语言、数据、影像等多媒体通信服务质量更高。 目前,4G已经进入商用时代,我们期待一个更好的移动通信系统的建成。下一代移动通信技术B4G(超4G)也已经进入研究当中了。5G标准将会在 4G的演进中经历B4G之后诞生,在此过程中必须想法设法不断提高频谱利 用率,克服频谱资源稀缺的大难题。 1.2频谱资源稀缺与动态频谱管理 无线通信中的频谱资源是有限的,移动通信的快速发展使得无线频谱资源越发显得稀缺而宝贵。由ITU发布的频谱分配表错误!未找到引用源。显示无线资源的划分非常紧缺。目前频谱分配模式大都是静态管理模式(固定分配模式),通过发放牌照等方式将一段频谱固定地授权给特定的用户或特定的服务使用,并禁止其他用户或者服务接入已被划分的频谱。事实上,适合陆地移动通信的3GHz一下频段的频谱已经基本分配完毕。 这种静态、固定的频谱分配管理模式在一定程度上避免了无线电使用过程的干扰。在几十年内对无线通信行业的发展起到了积极作用。但随着无线技术的快速发展,越来越多的服务需要接入频谱,原来的静态分配管理模式使得频谱资源无法得到充分利用,从而使频谱资源越发显得短缺。 美国联邦通信委员会(FCC)的一份频谱使用调查报告错误!未找到引用源。及美国伯克利大学无线研究中心对频谱利用情况的调查结果(如下图所示)均表明,固定分配给授权用户频谱的利用率在不同时间不同地区的波动很大,从 15%~85%不等错误!未找到引用源。,一方面新的无线电技术和业务没有可用频谱,另 一方面授权频谱在时间和空间上存在大量空闲,可分配频谱资源的短缺和已分配频谱的利用率不足之间的矛盾越来越严重,全球频谱资源使用极不平衡。频谱资源的匮乏在很大程度上是由于不合理的分配引起的。因此,我们必须采用合理而高效的频谱管理模式,通过提高频谱利用率来解决此矛盾。动态频谱管理(DSM)策略是解决次矛盾的有效手段。 DSM技术的内涵包括动态频谱接入(Dynamic Spectrum Access, DSA)、动态频谱共享(Dynamic Spectrum Share, DSS)策略、动态频谱切换(Dynamic Spectrum Handoff, DSH)、动态频谱感知(Dynamic Spectrum Sensing)技术等多个层面,既有设备级、链路级的微观领域的算法实现问题,又有系统级、网络级的宏观领域的政策调控问题错误!未找到引用源。。 图2-2:频谱使用情况统计错误!未找到引用源。(幅度越大,利用率越高) 增加实例,频谱的稀缺性,通过TDD频谱分配来说明。后续增加。参考(刘红杰. 基于认知无线电的动态频谱管理理论及相关关键技术研究[D]. 北京邮电大学博士学位论文,2009:1-2.)继续说明。 1.3移动数据流量爆炸性增长 1.3.1我国网民规模达5.64亿,互联网普及率为4 2.1% 2013年1月15日,中国互联网络信息中心(CNNIC)在京发布第31次《中国互联网络发展状况统计报告》(以下简称《报告1》)。2013年4月发布2012年《中国移动互联网发展状况报告》(以下简称《报告2》)。 《报告1》显示,截至2012年12月底,我国网民规模达到5.64亿,全年共计新增网民5090万人。互联网普及率为42.1%,较2011年底提升3.8%。增速趋于平缓。与此同时,我国手机网民数量快速增长。 图2-错误!文档中没有指定样式的文字。-2:中国网民规模和互联网普及率错误!未找到引用源。1.3.2我国手机网民达4.2亿,智能手机网民达3.3亿,占比79.0% 《报告1》数据显示,2012年我国手机网民数量为4.2亿,年增长率达18.1%,远超网民整体增幅。此外,网民中使用手机上网的比例也继续提升,由69.3%上升至74.5%,其第一大上网终端的地位更加稳固。 《报告2》数据显示,智能手机网民规模达3.3亿,在手机网民中占比达79.0%,成为我国移动互联网发展的重要载体。 2012年,我国手机网民规模增长较多,主要是因为大量低端智能手机推向市场,降低了移动智能终端的使用门槛,使更多的普通手机用户向手机上网用户转化,尤其是偏远农村地区居民、农村进城务工人员、低学历低收入群体,满足了这些人员相对初级的上网需求。此外,手机应用的不断创新,渗透至网民购物、社交、娱乐、阅读等日常生活各方面,吸引了越来越多的网民开始使用移动互联网错误!未找到引用源。。 图2-错误!文档中没有指定样式的文字。-3:中国手机网民规模及其网民比率错误!未找到引用源。 图2-错误!文档中没有指定样式的文字。-4:中国手机网民规模及其增长率错误!未找到引用源。 1.3.3平均每天手机上网时长为124分钟 我国手机网民手机上网的黏性较大,手机上网不仅挤占了手机网民的碎片化时间,也逐渐开始占据手机网民的其他时间,成为我国手机网民的一种生活方式。根据调查,我国手机网民平均每天累计手机上网时长为124分钟,其中,每天上网4小时以上的重度手机网民比例达22.0%。 智能手机的出现极大地增加了手机网民花在手机网络上的时间。根据调查,智能手机网民平均每天上网时长为131分钟,比非智能手机网民的103分钟高出近30分钟,其中,智能手机网民平均每天上网时长为2小时以上的用户比例也更高。智能手机提升了手机网民的上网体验,充分挤占了手机网民的碎片化时间。此外,智能手机上良好的视频、阅读体验,使得越来越多用户从PC端向手机端转移,挤占电脑上网时间和传统媒体时间。 图2-错误!文档中没有指定样式的文字。-5:中国手机网民上网时长错误!未找到引用源。 1.3.4移动互联网行业蓬勃发展,数据流量爆炸性增长 《报告2》显示,2012年是中国移动互联网爆发式增长的一年,移动网络从3G向4G升级,移动设备用户数超越台式电脑数,移动应用数量成倍增长,整个移动互联网行业呈现蓬勃发展态势。手机网民规模快速增长,网民依赖度加大,应用深度加深。 随着智能手机性能提升及移动互联网发展,越来越多网民开始使用手机接入互联网。 从网民行为来看,我国手机网民对手机上网依赖性较大,充满于日常生活中的各个方面。根据调查,手机网民平均每天累计手机上网时长124分钟,每天上网4小时以上的重度手机网民比例达22.0%。 从应用层面来看,我国手机应用逐渐从碎片化的阅读、通讯等相对简单的应用向粘度较大、时长较长的视频、商务类应用发展,成为网民购物、社交、娱乐、媒体的综合性平台,呈现出较大经济效益。 当前,我国网民数量已经处于高位,网民增长和普及率进入了相对平稳的时期。而智能手机等终端设备的普及,无线网络升级等因素,则进一步促进了手机网民数量的快速提升。手机网民数量的快速增加使得移动互联网更具商业潜力,移动数据流量爆炸性增长。 移动数据流量的爆炸性增长,移动通信蜂窝网络亟需获取更多的频谱资源以提高其系统容量和能量效率。