11-论第一代到第四代移动通信技术特点及前景

电 子 科 技 大 学

毕 业 设 计（论 文）

论文题目： 论第一代到第四代移动通信技术特点及前景

教学中心： 电子科技大学网络教育重庆学习中心

指导老师： 职 称： 讲 师

学生姓名： 学 号:

专 业：

电 子 科 技 大 学

毕业设计（论文）任务书

题目： 论述移动通信的应用及发展前景

第一代到第四代移动通信技术特点及前景 任务与要求:论述第一代到第四代通信移动的特点及前景 时间： 2010 年 3月10 日 至 2010年 5 月 13 日 共 9 周 办学单位： 学生姓名： 学 号： 专业： 通信工程 指导单位或教研室： 指导教师：

职 称：

2010年3月5日

毕业设计(论文)进度计划表

电子科技大学毕业设计(论文)中期检查记录表

摘要

近年来，移动通信技术发展非常迅速，全球出现了多个移动通信的技术标准。第一代移动通信模拟调制方式，其主要代表有美国的AMIS、英国的TACS、北欧的NMT等。这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代蜂窝系统采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。TDMA的两个典型代表是北美的IS—54系统和欧洲的GSM系统。

这种技术称为Rake多径分集接收技术。 为实现相干形式的Rake接收，需发送未经调制的导频(Pilot)信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。WCDMA系统采用用户专用的导频信号，而CDMA2000下行链路采用公用的导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。 Rake多径分集接收技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。

关键词： CDMA系统 TD—SCDMA移动通信系统 GSM系统

Abstract

In recent years, the rapid development of mobile communication technology, the global emergence of a number of technical standards for mobile communications. The first generation of mobile communications analog modulation, the main representative of the United States of AMIS, the British TACS, NMT, etc. Nordic. The main disadvantage of this system is the use of low frequency spectrum, signaling interference voice services. Second-generation cellular system uses time division multiple access (TDMA) and Code Division Multiple Access (CDMA) digital modulation to improve the system capacity and use of independent transmission channel signaling, the system performance greatly improved. TDMA is a typical representative of the two North American IS-54 system and the European GSM system.

This technique is called Rake multipath diversity reception technology. To achieve coherent form of Rake receiver, be sent without modulation of the pilot (Pilot) signal, so the receiver can ascertain the data has been issued under the estimated phase multipath signals, and in this way based on the coherent maximum signal to noise ratio combined. WCDMA system uses the user-specific pilot signal, and use of CDMA2000 downlink common pilot signal, the user-specific pilot signal is used only as an option to use smart antenna systems, uplink channel is using the user-specific pilot channel. Rake multipath diversity reception technology, another important embodiment of the form diversity and the more macro and soft switching technique.

KEY WORDS: CDMA system TD - td-scdma system of mobile communication system (GSM)

目 录

第一章 绪言..................................................................................................................................1 第二章 第一代到第四代移动通信技术特点 ....................................................................................2

第一节 增速放缓 增长点仍存在 .......................................................................................2 第二节 用户分布存在地区差异 ...........................................................................................2

一、从区域分布看....................................................................................................2

二、从用户使用技术看 .......................................................................................................2 第三节 普及范围更大发达国家和地区达到饱和.................................................................3 第四节 移动服务总收入增长但ARPU继续下滑 ....................................................................3 第五节 移动娱乐业务将成增长亮点 ....................................................................................3 一、移动游戏业务发展分析 ................................................................................................3 二、移动音乐业务发展分析 ................................................................................................4 第六节 消息类业务保持增长但内涵发生变化 ......................................................................4 一 、SMS：娱乐化、休闲化、年轻化 ..................................................................................4 二、MMS：循着SMS的成功之路发展 ....................................................................................4 第七节 全球3G发展的不均衡现象有望改善........................................................................5 第八节 手机市场群雄并立亚洲制造商有望提高地位 ...........................................................5

第三章 第一代到第四代移动发展状况及概念.................................................................................6

第一节 第一代——模拟移动通信系统 ................................................................................6 第二节 第四代移动通信系统的概念 ....................................................................................6 第三节4G的关键技术 .........................................................................................................7

第四章 论述 第一代到第四代移动通信技术 ...................................................................................9

第一节 第一代移动通信技术 ..............................................................................................9 第二节 第二代移动通信技术 ..............................................................................................9 第三节 第三代移动通信技术 ............................................................................................ 11 第四节 第四代移动通信技术 ............................................................................................ 15

一、正交频分复用(OFDM)技术 ................................................................................ 15 二、智能天线(SA).................................................................................................. 16 三、软件无线电技术 .............................................................................................. 17 四、切换技术......................................................................................................... 17 五、网络协议......................................................................................................... 17 六、移动定位技术.................................................................................................. 17

结束语 ........................................................................................................................................ 18 谢 辞 ........................................................................................................................................ 19

参考文献 ..................................................................................................................................... 20

第一章 绪 言

3G制式主要代表有美国的AMIS、英国的TACS、北欧的NMT等。这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代蜂窝系统采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。TDMA的两个典型代表是北美的IS—54系统和欧洲的GSM系统。

这种技术称为Rake多径分集接收技术。 为实现相干形式的Rake接收，需发送未经调制的导频(Pilot)信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。WCDMA系统采用用户专用的导频信号，而CDMA2000下行链路采用公用的导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。 Rake多径分集接收技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。

第二章 第一代到第四代移动通信技术特点

第一节 增速放缓 增长点仍存在

随着各国电信市场的开放步伐加快，移动通信领域的竞争越来越激烈，服务价格也迅速下降。由于一些国家的市场趋向饱和，新发展的用户将趋向低端化，例如欧洲预付费用户增多，中国、印度也有类似情况发生。2008年，全球移动通信市场将继续保持增长，但增速将放慢。IDC认为，增长放缓的主要原因是缺乏发展的催化剂。据战略分析机构的估计，2009年，全球移动通信市场年增长率为17％，其中西欧和北美的增长将出现下降，增长动力主要来自东南亚、非洲和拉美，普遍看好的发展亮点是中国、印度和俄罗斯。

第二节 用户分布存在地区差异

根据2008年的发展势头，2010年的全球移动通信用户数预计将达到17亿左右，2009年将突破20亿。

一、从区域分布看

从用户区域分布分析，按所占比例由多到少排列，亚洲列第一，紧随其后的是欧洲、北美

二、从用户使用技术看

从用户使用技术分析，2008年，GSD用户仍占主导地位，随后是CDMA.TDMA和3G。 据美林的研究数据，GSM保持着较高的市场占有率，目前全球有179个国家采用了GSM技术，部署GSM的国家的移动业务市场收益相对较高。在北美，GSM是主要的技术，用户数在2008年增长了85％，增长率是其它技术的4倍。拉美国家从GSM服务中获得的收益在增加，在拉美，最初选择的CDMA由于发展不好，运营商现在纷纷转向了GSM。由于以上原因，2007年，在全球新增移动通信用户中，使用GSM技术的新用户占82％，而TDMA及CDMA的用户比例在下降。可以预计，2009年GSM还会继续保持这一增长势头。

CDMA技术由于只在几个国家使用，规模上无法与GSM形成对峙。2009年，全球CDMA用户总数将达到4亿左右，主要分布在美国和加拿大，中国联通对全球CDMA发展的贡献也不小。

3G市场尽管基础设施优势很明显，但价格方面的劣势限制了发展。虽然3G在日本和韩国的发展比较突出，但真正取得成功的只有韩国，日本的盈利仍是问题。欧洲至今

还未完全走出3G的阴影。

第三节 普及范围更大发达国家和地区达到饱和

根据2008年的数据，发达国家的移动普及率已相当高，一些国家的市场接近饱和。由此可断定，北欧、西欧、北美、日本等地区和国家2009年的移动普及率不会有太大变化。

2005年，移动通信业务将在全球更广泛地普及，但要达到全面普及还有很长的路要走。有预测显示，欧洲、日本及北美的全面普及要到2010年，在非洲、亚洲及拉美的普及需要的时间要长得多。东欧等国（罗马尼亚、俄罗斯、乌克兰）目前的移动通信普及率在10％～25％之间，发展空间很大；亚洲的中国、印度，特别是印度将成为新的亮点；拉美及非洲的普及速度也会加快。

第四节 移动服务总收入增长但ARPU继续下滑

2008年，全球移动通信服务的收入将达到7000亿美元。由于全球电信市场的开放，竞争越来越激烈，传统的移动通信业务日趋饱和，特别是在发达国家。未来几年中，移动通信运营商的平均每位用户的账单额（ARPU）将继续呈现下降趋势。根据美国扬基公司的报告，2007年全年世界移动通信市场的平均ARPU为49.37美元，2008年将下降到47.64美元。

第五节 移动娱乐业务将成增长亮点

根据英国咨询机构Ovum的估计，2009年全球移动娱乐市场价值将达30亿美元。最引人注目的业务是移动游戏和移动音乐业务。

一、移动游戏业务发展分析

根据英国Arc研究公司和信息媒体研究公司的研究，2009年全球移动游戏市场的规模将在20亿美元左右，年均增长率为34.5％。Screen Digest的估计也证实了这一点。

从不同的区域看，日本、韩国的移动游戏市场规模领先于北美和欧洲。根据IDC的分析，2009年亚太地区（不包括日本）的移动游戏市场规模为3.33亿美元，比2008年增长40.5％。由于3G市场的成熟性高，韩国将成为该地区最大的移动游戏市场，其次是中国和澳大利亚，这一格局可能会保持到2010年。亚洲另一个不可小视的国家是

印度，它已成为移动游戏增长和应用普及最快的国家，但目前仍处于发展初期。

二、移动音乐业务发展分析

移动音乐业务为移动通信运营商、内容提供商创造了巨大的收入，这种态势在2009年还会继续。在移动音乐业务中，铃声下载取得了巨大的成功，但随着手机个性化趋势的发展，目前的铃声下载业务已不能满足不同的用户需求，市场还会有发展，前景广大，音乐样本等业务将创造新的收入来源。

第六节 消息类业务保持增长但内涵发生变化

一 、SMS：娱乐化、休闲化、年轻化

2005年，世界上许多国家的短消息（SMS）业务发展还会保持在一个较高的水平，但增长速度逐渐会降下来，例如西欧的SMS用户数在2004年达到最高点，2005年的此类业务将继续沿着SMS—增强型短信（EMS）—智能信息—多媒体信息（MMS）的路径前进，估计在这些业务中，SMS仍占主导地位，但其他类消息业务将发展更快，特别是MMS。有研究显示，2008年，SMS、高级的SMS及MMS三种业务的比例将分别达到34％、38％和28％。

SMS业务的发展虽然令人高兴，但随之而生的信息安全问题却困扰着各国，特别是对青少年。有研究显示，有害的SMS对16％的11～19岁的青少年会产生威胁或不良影响。日本最大的移动通信运营商NTT DoCoMo公司平均每天过滤的垃圾信息达9.6亿条，占信息量的80％。Gartner的调查显示，近90％的移动装置缺乏对黑客的防范。2010年，如果这些问题不能得到解决，将对短信的发展产生负面影响。

二、MMS：循着SMS的成功之路发展

2005年，亚太地区的MMS用户将增长50％以上，使用MMS业务的用户比例会上升到4.3％，但市场份额依旧很小。在欧洲移动通信市场，MMS是目前最激动人心、投资回报潜力最大的业务之一，到2006年，该业务占运营商总收入的比重会达到24％，但高速增长的现象到2007年才出现。MMS的各种应用包括娱乐、移动广告等。

由于SMS的发展模式比较成功，预计MMS将沿用SMS的发展模式。诺基亚与HPI研究公司在英国、日本、美国、德国、新加坡、芬兰等地进行的调查也已证实，MMS将循着SMS的成功之路发展。照此来看，SMS发展中的很多经验可为MMS所借鉴。

MMS要想在2010年取得突破性发展就必须解决如下问题：首先，移动通信运营商间要实现互操作并签订漫游协议；其次，要有足够可选择的MMS手机；第三，网络拥有者与内容提供商间的收入分成；第四，缩小各个国家和地区间的普及率水平差距；第五，

形成产业链。MMS的发展依赖于好的经营模式，运营商孤掌难鸣，整个价值链中的各环节，包括处于核心地位的运营商，还有终端制造商、内容及服务提供商、底层的支撑平台及信令平台，都是多赢互利的增值业务生态圈中必不可少的环节。

第七节 全球3G发展的不均衡现象有望改善

目前，3G在日本与韩国的发展比较成功，但在欧洲和美洲却不如人意。根据无线世界论坛的统计，欧洲的3G发展可能将超过日本。中国发放3G牌照，成为3G发展的最大亮点。

有报告显示，英国、法国、德国、西班牙、意大利及比利时的移动通信用户中49％的人对3G业务不感兴趣，因此，在欧美市场，如何激发用户需求成为3G发展的关键。此外，欧美的3G商业模式、政策、无缝过渡等问题如果不能解决，3G市场的发展仍不乐观。中国的3G要有所作为，市场需求至关重要。

第八节 手机市场群雄并立亚洲制造商有望提高地位

调查分析机构Stat/MDR估计，2008年全球手机市场的生产规模为6.53亿部，比2007年增长22％，但2009年的增长率将下降到7％～9％，生产量为7.05亿部。在未来5年中，手机生产规模的增长率将缓慢下降。

第三章 第一代到第四代移动发展状况及概念

第一节 第一代——模拟移动通信系统

第一代(即1G，是the first generation的缩写)移动通信系统的主要特征是采用模拟技术和频分多址(FDMA)技术、有多种制式。我国主要采用TACS，其传输速率为

2．4kbps，由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信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，如频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、制式太多且互不兼容、保密性差、易被盗听和盗号、设备成本高、体积大、重量大。所以，第一代移动通信技术作为2O世纪80年代到90年代初的产物已经完成了任务退出了历史舞台。

第二代(即2G，是the second generation的缩写)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，采用的技术主要有时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种技术，它能够提供9．6-28．8kbps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，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。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。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。

随着通信业务的迅猛发展和通信量的激增，未来的移动通信系统不仅要有大的系统容量，还要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输。第二代移动通信技术根本不能满足这样的通信要求，在这种情况下出现了第三代

(即3c，是the third generation的缩写)多媒体移动通信系统。第三代移动通信系统在国际上统称为IMT一2000，是国际电信联盟(1TU)在1985年提出的工作在2000MHz频段的系统。与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信系统相比，第三代的最主要特征是可提供移动多媒体业务。

第二节 第四代移动通信系统的概念

4G也称为广带接入和分布网络．具有超过2Mb／s的非对称数据传输能力．对高速移动用户能提供1 50M b／s的高质量的影像服务．并首次实现三维图像的高质量传

输 它包括广带无线固定接入、广带无线局域网．移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统) ． 是集多种无线技术和无线LAN 系统为一体的综合系统．也是宽带lP接入系统．在这个系统上．移动用户可以实现全球无缝漫游．为了进一步提高其利用率．满足高速率、大容量的业务需求． 同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落和多径干扰等众多优势。

第三节4G的关键技术

OFDM技术。它实际上是多载波调制MCM的一种．其主要原理是：将待传输的高速串行数据经串／并变换，变成在N个子信道上并行传输的低速数据流，再用N 个相互正交的载波进行调制，然后叠加一起发送。接收端用相干载波进行相干接收，再经并／串变换恢复为原高速数据。

多输入多输出(MIMO)技术。多输入多输出(MIMO)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是下一代移动通信系统的核心技术之一。MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理，在丰富的散射环境下，空分复用MIMO系统(如BLAST结构)可以获得与天线数成正比的容量增长，从而极大地提高频谱效率，增加系统的数据传输速率。但是当散射程度欠佳时，会引起信道间的空间相关，尤其在室外环境下，由于基站的天线较高，从而角度扩展较小，其空间相关难以避免，在这种情况下MIMO不可能获得所期望的数据传输速率

切换技术。切换技术能够实现移动终端在不同小区之间跨越和在不同频率之间通信以及在信号质量降低时如何选择信道。它是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠通信的基础。主要划分为硬切换、软切换和更软切换．硬切换发生在不同频率的基站或不同系统之间。第4代移动通信中的切换技术正朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。

软件无线电技术。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可实现不同功能，用以实现在不同系统中利用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电技术主要涉及数字信号处理。

IPv6协议技术。3G网络采用的主要是蜂窝组网，而4G系统将是一个基于全lP的移动通信网络，可以实现不同类型的接入系统和通信网络之间的无缝连。为了给用户提供更为广泛的业务，使运营商管理更加方便、灵活，4G中将取代现有的IPv4协议，采

用全分组方式传送数据的IPv6协议。

目前，4G移动通信还只处于实验室研究开发阶段。具体的设备和技术还没有完全成型，后续的软件开发还没有启动。这都会给4G的发展带来很多难题，有待人们深入研究。但未来移动通信必将具有文中描述的这些基本特征：高速率、高质量的数据传输，完全集中的服务。无所不在的移动接入，高智能的多样化的用户设备。随着新问题、新要求的不断出现。第四代移动通信技术将会相应地调整、完善和进一步发展。我们相信，不远的将来，人们将会不受时间、地点限制，可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息，从而使人们的学习、工作、生活发生更深刻的变化。

第四章 论述 第一代到第四代移动通信技术

第一节 第一代移动通信技术

模拟移动通信系统是蜂窝移动通信系统发展的早期阶段，在1946年，第一种公众移动电话服务被引进到美国的25个主要城市，每个系统使用单个大功率的发射机和高塔，覆盖地区超过50公里，但仅能以半双工模式提供语音服务，却使用120kHz带宽。虽然经过了后来技术的进步而提高了频谱使用效率，提供了全双工、自动拨号等功能，但提供的服务由于频道的数量很少以及呼叫阻塞等原理不能满足使用。在50和60年代，AT&T的贝尔实验室和全世界其他的通信公司发展了蜂窝无线电话的原理和技术。利用在地域上将覆盖范围划分成小单元，每个单元复用频带的一部分以提高频带的利用率，即利用在干扰受限的环境下，依赖于适当的频率复用规划（特定地区的传播特性）和频分复用（FDMA）来提高容量。从而实现了真正意义上的蜂窝移动通信。

一个典型的模拟蜂窝电话系统是在美国使用的高级移动电话系统（AMPS），AMPS系统采用7小区复用模式，并可在需要时采用扇区化和小区分裂来提高容量。与其他第一代蜂窝系统一样，AMPS在无线传输中采用了频率调制，在美国，从移动台到基站的传输使用824MHz到849MHz的频段，而基站到移动台使用869MHz到894MHz的频段。每个无线信道实际上由一对单工信道组成，他们彼此有45MHz分隔。每个基站通常有一个控制信道发射器（用来在前向控制信道上进行广播），一个控制信道接收器（用来在反向控制信道上监听蜂窝电话呼叫建立请求），以及8个或更多频分复用双工语音信道。

在一个典型的呼叫中，随着用户在业务区内移动，移动交换中心发出多个空白-突发指令，使该用户在不同基站的不同语音信道间进行切换。在AMPS中，当正在进行服务的基站的反向语音信道（RVC）上的信号强度低于一个预定的阀值，则由移动交换中心产生切换决定。预定的阀值由业务提供商在移动交换中心中进行调制，它必须不断进行测量和改变，以适应用户的增长、系统扩容，以及业务流量模式的变化。移动交换中心在相邻的基站中利用扫描接收机，即所谓定位接收机来确定需要切换的特定用户的信号水平。这样，移动交换中心就能找出接受切换的最佳邻近基站，从而完成交换的工作。

第二节 第二代移动通信技术

第二代移动通信技术GSM全名为:Global System for Mobile Communications,中文为全球移动通讯系统,起源于欧洲的移动通信技术标准,是第二代移动通信技术,其开

发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准,让用户使用一部手机就能行遍全球。下面我们就来了解第二代移动通信技术相关介绍。

我国于20世纪90年代初引进采用此项技术标准,此前一直是采用蜂窝模拟移动技术,即第一代GSM技术(2001年12月31日我国关闭了模拟移动网络)。目前,中国移动,中国联通各拥有一个GSM网,为世界最大的移动通信网络。GSM系统包括 GSM 900:900MHz,GSM1800:1800MHz 及 GSM-1900:1900MHz等几个频段 。

GSM系列主要有GSM900,DCS1800和PCS1900三部分,三者之间的主要区别是工作频段的差异。

目前我国主要的两大GSM系统为GSM 900及GSM1800,由于采用了不同频率,因此适用的手机也不尽相同。不过目前大多数手机基本是双频手机,可以自由在这两个频段间切换。欧洲国家普遍采用的系统除GSM900和GSM1800另外加入了GSM1900,手机为三频手机。在我国随着手机市场的进一步发展,现也已出现了三频手机,即可在 GSM900GSM1800GSM1900三种频段内自由切换的手机,真正做到了一部手机可以畅游全世界。

GSM系统的技术规范及其主要性能

GSM标准共有12章规范系列,即:

01系列:概述

02系列:业务方面

03系列:网络方面

04系列:MS－BS接口和规约(空中接口第2,3层)

05系列:无线路径上的物理层(空中接口第1层)

06系列:话音编码规范

07系列:对移动台的终端适配

08系列:BS到MSC接口(A和Abis接口)

09系列:网络互连

10系列:暂缺

11系列:设备和型号批准规范

第二代移动通信技术基本可被切为两种，一种是基于TDMA所发展出来的以GSM为代表，另一种则是CDMA规格，复用﹙Multiplexing﹚形式的一种。

主要的第二代手机通讯技术规格标准有：

GSM：基于TDMA所发展、源于欧洲、目前已全球化。

IDEN：基于TDMA所发展、美国独有的系统。被美国电信系统商Nextell使用。

IS-136﹙也叫做D-AMPS﹚：基于TDMA所发展，是美国最简单的TDMA系统，用于美洲。 IS-95﹙也叫做cdmaOne﹚：基于CDMA所发展、是美国最简单的CDMA系统、用于美洲

和亚洲一些国家。

PDC﹙Personal Digital Cellular﹚：基于TDMA所发展，仅在日本普及。

与第一代模拟蜂窝移动通信相比,第二代移动通信技术系统采用了数字化,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,使得移动通信得到了空前的发展,从过去的补充地位跃居通信的主导地位.我国目前应用的第二代蜂窝系统为欧洲的GSM系统以及北美的窄带CDMA系统。欢迎补充第二代移动通信技术相关知识

第三节 第三代移动通信技术

近年来，移动通信技术发展非常迅速，全球出现了多个移动通信的技术标准。第一代移动通信模拟调制方式，其主要代表有美国的AMIS、英国的TACS、北欧的NMT等。这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代蜂窝系统采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。TDMA的两个典型代表是北美的IS—54系统和欧洲的GSM系统。TDMA方式的主要缺点是：(1)系统容量仍不理想；(2)和采用频分多址(FDMA)FDMA方式一样，TDMA方式的越区切换性能仍不完善。为克服FDMA和TDMA两种多址方式的缺点，北美推出了IS—95／CDMA数字移动通信系统。IS—95／CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量等特点。 目前，我国移动通信系统已经从第一代模拟通信过渡到了第二代数字通信，从低速传输向高速传输发展，用户数增长速度非常迅猛，频率资源日益紧张。而在未来的“信息社会”，图像、话音；数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务量将超过传统的业务量。另外，随着“信息高速公路”的建成，公共陆地网传输的许多业务，也将与移动通信系统卡口。在这种背景下，提出了第三代移动通信。在2000年5月5日，国际电联最后确认了IMT—2000的无线传输技术，其中，主流为CDMA技术。可以说，IMT—2000基本上集中了国际上90年代的技术进展，即在2000年，在2000MHz频段上，利用第三代移动通信提供从基本语音服务到高速数据服务，能够接人Internet。第三代移动通信系统同时提供电路交换和分组交换业务，数据速率从最低的8kbps到384kbps，直至最高的2Mbps。它能提供对称和非对称业务，支持Internet浏览和视频会议。TD—SCDMA移动通信系统概述 TD—SCDMA标准是由中国信息产业部电信科学技术研究院(CATT)和德国西门子公司合作开发的。 2000年5月5日，在国际电信联盟(ITU)会议上，由信息产业部代表我国向ITU提交的TD—SCDMA标准，被ITU正式采纳，成为国际承认的3C系列标准之一。TD—SCDMA是中国提出的第三代移动通信技术标准，其目标是要建议一个具有我国自主知识产权的“三高”即高技术、高灵活性和高经济效率的最先进的移动通信

系统。TD—SCDMA无线传输技术标准，是唯一明确将智能天线和高速数字调制技术设计在标准中，明确用软件无线电技术来实施的标准。可以说，TD—SCDMA技术在一定程度上代表了国际上移动通信无线传输技术的发展方向。 TD—SCDMA移动通信系统主要特点 第三代移动通信系统的性能和特点 在第三代移动通信系统所要实现的目标与系统的特点中，核心的问题是提供不同环境下的多媒体业务及实现包含水、陆、空的全球覆盖。因而它要求实现多种网络的综合：无线网与有线网的综合，移动网与固定网的综合，陆地网与卫星网的综合。这样可以提供全球无缝覆盖，为用户提供在无线与有线环境下统一的业务使用方式，又适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，便于平滑升级。对于通信终端而言，它面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端(手机)。在第三代移动通信系统中，则要求移动通信系统能够达到的数据传输能力为：高速移动(对FDD：500km／h ，对TDD：120km／h)：144kbit／s；室外至室内(手持机环境 速度30km／h)：384kbit／s；室内环境(速度3km／h)：2Mbit／s。 从提供的业务来说，在初期，仍然是以话音为主。但很快，将会以IP型数据业务为主。显然，第三代移动通信比第二代有质的变化。因此，它也不得不工作于较宽的频带宽度，其典型带宽为5MHz：其窄带选项为其1／3，即1.6MHz。据一般认识，在10年后，即三代后移动通信系统每载波将可能占用20MHz的带宽，对高速移动应能传输2Mbit／s，而在室内(无线本地网)则应向每个用户传输100Mbit／s的数据速率。每隔10年，移动通信系统将提供高达数10倍的数据传输速率，这要求一系列的新技术，主要是空间接口的物理层新技术来支持。 TD—SCDMA移动通信系统的性能和带宽 。采用TDD模式 TD—SCDMA系统的最大特点是采用了TDD模式。与FDD模式需要成对频谱相比，TDD上下行信道工作在同一频率上，通过不同的时间段来分割和区分上下行业务，其灵活的上行下行切换点可实现非对称业务，取大限度地利用频谱资源，这是FDD技术所无法做到的。因此在数据业务上有很大的优越性，如对称业务(语音和多媒体)和不对称业务(包交换和因特网)等。因此，在同样的频率上，TD—SCDMA可支持更多用户，将为运营商带来更丰厚的经济效益。 所需频宽较窄 由于TD—SCDMA系统采用了低码片速率，其频宽仅为1.6MHz，是其它两种技术所需频宽的1／3。从第一、二代移动技术频谱逐渐向第三代过渡后，第

一、二代频谱会逐渐空出来，TD—SCDMA可重新利用原来的频带，只要满足一个载波的频段1.6MHz就可使用。TD—SCDMA因其频宽较窄的优势，加之可以“见缝插针”，灵活有效地利用现有的频率资源，更易被采纳。 采用多项尖端技术 一批尖端技术(如：联合检测、智能天线、同步CDMA、软件无线电等)在TD—SCDMA中得到了充分的体现，而这些技术在W—CDMA和CDMA—2000中是没有的。目前，其它两种技术正在向这些方面发展。由此可见，TD—SCDMA是极有前景的技术。 TD—SCDMA移动通信系统关键技术 TD—SCDMA提案之所以被国际电信联盟接受，除了TD—SCDMA具备CDMATDD的所有特点外，还采用了以下关键技术。 初始同步与Rake多径分集接收技术 移动通信是在复杂的电

波环境下进行的，如何克服电波传输所造成的多径衰落现象是移动通信的另一基本问题。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。这种技术称为Rake多径分集接收技术。 为实现相干形式的Rake接收，需发送未经调制的导频(Pilot)信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。WCDMA系统采用用户专用的导频信号，而CDMA2000下行链路采用公用的导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。 Rake多径分集接收技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏分集及越区软切换。WCDMA系统和CDMA2000系统均支持宏分集和越区软切换功能。为了让用户能够共享同一个资源，在公众移动通信系统中，都设法利用各方面的资源，设计出高效率的多址技术来满足要求。目前能考虑的资源是频率、时间和波形(码)。而TD—SCDMA是FDMA、TDMA和CDMA这三种技术的综合。 高效信道编译码技术 TD—SCDMA扩频技术在克服多径衰落以提供高质量的传输信道方面有很好的作用，但却存在频谱效率非常低的缺点。因此3G系统必须采用另一个核心技术即信道编译码技术以进一步改善通信质量。现在用于克服衰落效率采用的主要技术是前向信道纠错码和交织技术。编码和交织都极大地依赖于信道的特征和业务需求。不仅对业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术，而且对于同一信道的不同业务也采用不同的编码和交织技术。即根据传输内容及信道条件自适应。 功率控制技术 在CDMA系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为CDMA系统中最为重要的核心技术之一。CDMA系统一套精确的功率控制方法，即开环、闭环和外环三种功率控制技术。开环功率控制用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。闭环功率控制可较好地解决因上、下行信道电波功率的不对称性；而精确性难以保证的问题，通过对接收功率测量值与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术是通过对接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制技术通常需要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。 正是由于这些精确的功率控制，才使CDMA手机能保持适当的发射功率。 智能天线技术 从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。智能天线系统由一个多天线阵、相干接收机和高级数字信号处理算法组成。与仅有一个固定波束的传统天线比较，

智能天线能有效地形成多束赋型，每一个波束指向一个特定的用户且能自适应地跟踪任何移动用户。如此特点使得在接收侧实现空间选择性分集，提高了接收灵敏度，减少了不同位置的同道用户的同道干扰，抵消了多径衰落和增加了上行容量。在发送侧，智能的空间选择波否成形传送降低了输出功率要求，减少了同道于扰和提高了下行容量，从而提高系统容量。接力切换技术 TD—SCDMA系统提出了接力切换的概念，它不同于硬切换和软切换，是一种崭新的切换技术，是基于同步码分多址技术和智能天线的结合技术。在移动系统中，对于移动用户的准确定位一直是人们追求的目标。TD—SCDMA系统可以利用天线阵列和同步码分多址技术中码片周期的精巧测定，得出用户的大体位置；在手机辅助之下，伺服的基站根据周围空中传播条件和信号质量，命令手机切换到信号更为优良的基站。它可以对整个基站网络的容量进行动态地优化分配，也可以实现不同系统之间的切换，大大提高了系统容量。软件无线电技术 软件无线电体系结构为了适应第三代移动通信系统的要求，出现了一些新的发展趋势，主要表现在体系结构分层化、软件模块化、结构数学分析化、面向对象化、认知化、计算机化。 软件无线电台是一种波形可编程、多频段、多模式的无线电的优点是基于同样的硬件环境，针对不同功能采用不同的软件来实施，其系统升级、多种模式的运行可以自适应地完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地址使用A／D和D／A转换器，在通用的硬件平台上，尽可能通过软件来定义无线电的功能，以软件方式替代硬件实施信号处理，实时配置信号波形。软件无线电可以解决多种通信标准及频谱拥挤的问题，以达到多种通信频段、多种信道调制及多种数据格式的互操作性。联合检测技术 联合检测技术也就是“多用户干扰”抑制技术，是一项消除和减轻多用户于扰的主要技术，是TD—SCDMA系统中关键技术之一。在传统的CD-MA接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高，这就需要使用多用户检测技术。多用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号而不是干扰信号来处理，这样可以充分利用每个用户信号的用户码、幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。 TD—SCDMA系统面临的挑战 TD—SCDMA作为第三代的一个标准，其市场份额有多大，主要取决于以下几点： (1)TD—SCDMA具有中国的知识产权，并已被ITU及3GPP所采纳人。如果在全世界商用，最大的受益者当属中国的通信产业。国内的制造商不仅可以用自己的技术和产业占领因内的市场，而且还能将其推向世界，使其成为中国的又一出口工业。当然，TD—SCDMA在国际上的成功首先应取决于在中国的成功，这一点是至关重要的。 (2)TD—SCDMA是否成功，取决于其产品是否较之其它标准的产品更具有竞争力。这不仅体现在技术上，同时也取决于产品的价位和业务功能。产品必须具有竞争力才会被大众所接受，因此虽然TD—SCDMA具有许多优势，但最终还需要经过商用试验予以证实。 (3)众多厂商的参与是TD—SCDMA成功的另一关键。多家参与必然会减少研发和生产的投资，

降台，其最大低风险，引入竞争，使最终用户收益。 TD—SCDMA系统的发展前景 (1)TD—SCDMA之所以能够被ITU接纳并受到世界的瞩目，其主要原因在于它采用了许多独有的先进技术，如联合检测、智能天线、同步CD-MA、软件无线电等，而这些技术在W—CDMA和CDMA—2000中是没有的。由于这些技术在未来第四代移动通信中是必须考虑的，目前，其它两种技术正在向这些方面发展。 (2)上述新技术的综合使用，不仅可以高效率地满足对称业务需要，简化硬件设备，降低产品成本和价格，而且可以充分利用不对称的频谱资源，大大提高了频谱利用率。 (3)在如何利用好我国现有的GSM系统资源、降低营运商的技术网险和商业风险方面，TD—SCDMA系统是最好的选择。在向第三代移动通信网络过渡时，原有的GSM无线基站完全可以继续使用，其总的投资也低于其它的3C标准。这为及早地开展3C业务，早日产生经济效益创造了条件。 当TD—SCDMA被国际电联批准为国际3G即第三代移动通信标准之时，中国移动通信界兴奋地称之为“百年来中国电信技术史上的重大突破”。对于中国移动通信产业来说，TD—SCDMA成为国际标准是一个历史性的转折点。目前，TD—SCDMA系统的软硬件开发工作已基本完成。随着系统中软硬件的逐步加载，TD—SCDMA系统将陆实现数据、多媒体图像等高速数据传输功能。期待TD—SCDMA系统的早日商用及亚洲3G产，业飞速发展，必将带领人类通信走向新时代。

第四节 第四代移动通信技术

一、正交频分复用(OFDM)技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是第四代移动通信中的在无线环境下的一种高速传输核心技术，属于多载波调制，通过多路并行来传输信息。原理就是将需要传输的串行数据流分解为若干个较低速率并行子数据流，使得OFDM符号周期显著增加，再将它们各自调制到相互正交的子载波上，通过设计合适的参数，使系统的每一个子载波都处于平坦衰落中，然后再将其合成输出，输出的数据速率与串行数据流分解前的速率相同，降低了接收机均衡器的复杂程度。由于可在相继的OFDM信号之间插入足够长的保护间距，几乎完全消除了信号间的干扰。（二）OFDM的各种类型。

1、V-OFDM。V-OFDM(vector orthogonal frequency division multiplexing)矢量正交频分复用，它使用空间分集技术，利用多重信号发射以提高带宽，通过使用特殊天线和信号处理来实现，天线接收信号再进行信号处理，使延迟信号合并变为更高的数据流，大多用于固定无线城域网(MAN)。2、W-OFDM。W-OFDM(Wideband orthogonal frequency division multiplexing)宽频带正交频分复用，标准的物理层调制技术。W-OFDM使用的是在正交信道之间引入额外频率空间，通过在W-OFDM数据的每一帧插入一些已知数据

计算出传输信道的估计(传输函数)，并利用这个估计来纠正选频衰落的影响，更好地减少干扰，并且对OFDM传输中存在的一些问题有了更高的兼容度。3、F-OFDM。F-OFDM(Flash OFDM)能在移动环境下工作，是一种移动宽带接入Internet解决方案。F-OFDM在OFDM中引入快速跳频扩频技术，根据跳频图样来选择每个用户所用的子载波频率。这种系统在比OFDM所需频带更宽的频带上传输信号，将信号能量扩展到更宽频谱上，提高了信号的抗干扰能力。由于高速切换子载波，因而相邻节点可以使用相同频率的子载波，可提高频率利用效率。4、MIMO-OFDM。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道，信号通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送。接收端同时采用多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的各信号重新组合，并且快速正确地还原出原来信号。

MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)-OFDM是一种将OFDM和MIMO相结合的技术，MIMO是该项技术的核心。在收发两端使用多个天线，每个收发天线对之间形成一个MIMO子信道，若各发射接收天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信息使得数据传输率得以提高。通过结合MIMO和OFDM技术的优点，利用时间、频率和空间三种分集技术，使无

线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加，大大提高频谱利用率和业务覆盖范围，在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO和OFDM的结合成为第四代移动通信系统中有效对抗频率选择性衰落、提高数据传输速率、增大系统容量的关键技术。

图3-1 MIMO-OFDM系统结构图

二、智能天线(SA)

智能天线又各自适应天线阵列(adaptive antenna array)，具有抑制信号干扰、自动追踪以及数字波束调节等智能功能。通信技术的发展使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可行，促使智能天线技术开始在无线通信中广泛应用。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质量又能增加传输容量，

其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的

接收和发射，通过基带数字信号处理器对各个天线链路上接收到的信号按一定的算法合并，实现上行波束赋形。智能天线可以提高频谱利用率，迅速解决稠密市区容量瓶颈，抑制干扰信号抗衰落和实现移动台定位。

三、软件无线电技术

软件无线电(software defined radio)是将标准化模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载的方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。应用软件无线电技术，一个移动终端，就可以实现在不同系统和平台之间，畅通无阻的使用。

四、切换技术

切换技术是指移动用户终端在通话过程中从一个基站覆盖区内移动到另一个基站覆盖区内，或者脱离一个移动交换中心(MSC)的服务区进入另一个MSC服务区内，维持移动用户通话不中断。有效的切换算法可以提高蜂窝移动通信系统的容量和QoS。在4G通信系统中，切换技术的适用范围更广。切换技术一般分为硬切换、软切换、更软切换、频率间切换和系统间切换，适用于移动终端在不同移动小区之间和不同频率之间通信，或者信号降低信道选择等情况。

五、网络协议

4G选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据,IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于两点的考虑：足够的地址空间；支持移动性管理。4G将会是一个全IP的网络，其核心网独立于各种具体的接入方案，能提供端到端的IP业务。IPv6的主要优势体现在以下几方面：提高网络的整体吞吐量、改善服务质量(QoS)、更好实现多播功能。由于承载网是IP网，安全性有更好的保证、未来的移动终端必然需要拥有唯一的一个IP地址作为身份标识的网。

六、移动定位技术

定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法，主要分为基于移动终端定位、基于移动网络定位以及混合定位三种方式。在第四代移动移动通信系统中,移动终端可能在不同系统间进行移动通信，对移动终端的定位和跟踪是实现移动终端在不同系统间无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和保障。

结束语

4G移动技术还处于实验室研究阶段，具体设备和技术还没有成型，有待深入探讨。4G的带宽是3G的10倍，频谱利用率大约也是10倍，吞吐量就是100倍，并且在各方面相对于3G来说都有所提高，第四代移动通信技术也会相应的自我调整完善。可以预见，第四代移动通信必将是未来无限和移动通信的发展方向。

谢 辞

四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！

最后再一次感谢所有在毕业论文中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

参考文献

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