移动通信技术doc

移动通信技术

刘梦龙 [1**********] 通信2班

随着社会、经济的发展，移动通信得到了越来越广泛的应用。在我国，移动通信技术的起步虽然比较晚，但是发展极其迅速。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。如今经济全球化与信息网络化的快速推进，现有的移动网络已经很难满足移动业务发展的需要，为适应发展，对现有的移动通信技术进行改进就越来越迫切，一方面要求尽可能丰富的移动业务满足移动用户不断增长的业务需求；另一方面要求通过采用新技术，不断提高系统的容量，以支持不断增长的移动用户的数量，移动通信技术正是在这两种需求的驱动下不断发展的。下面主要介绍关于移动通信技术的相关知识。

1 简介

1.1 移动通信的历史

第一套蜂窝移动电话系统，取名为先进的移动电话系统，即AMPS（Advanced Mobile Phone Service）系统。第一代无线网络技术的一大成就就在于它去掉了将电话连接到网络的用户线，用户第一次能够在移动的状态下拨打电话。这一代主要有3种窄带模拟系统标准，即北美蜂窝系统AMPS，北欧移动电话系统NMT和全接入通信系统TACS。第二代移动通信数字无线标准主要有：GSM，D-AMPS，PDC和IS-95CDMA等。在我国，现有的移动通信网络主要以第二代移动通信系统的GSM和CDMA为主，网络运营商运用的主要是GSM系统，第三代移动通信技术也就是IMT-2000，简称3G，它是一种真正意义上的宽带移动多媒体通信系统，它能提供高质量的宽带多媒体综合业务，并且实现了全球无缝覆盖全球漫游它的 数据传输速率高达2Mbit/s，其容量是第二代移动通信技术的2-5倍，目前最具代表性的有美国提出的MC-CDMA（cdma2000），欧洲和日本提出的W-CDMA和中国提出的TD-CDMA。

1.2 移动通信的现状

目前我国移动通信的现状可从三个方面来叙述。第一、中国移动通信市场发展状况：近年来，移动通信在全球范围内迅猛发展，数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。我国的移动通信业也改革、重组为动力、改善服务质量，加大市场开发力度，保持了快速健康的发展势头。第二、中国移动通信制造业发展状况：我国移动通信制造业的生产规模比较大，生产技术与管理水平也是比较高的，但产业的主体是以中外合资与外商独资为主，生产形式是

处在散件组装与整机装置阶段（SKD、CKD）。第三、其他移动通信系统发展状况：有寻呼系统、无绳电话、集群通信系统、集群通信系统。

1.3 移动通信的未来趋势

从服务的角度看，虽然移动通信最初是为了在移动环境中打电话而发明的，但是21世纪的移动通信绝不是单单为了打电话，必须要有新的服务增长点。因此，3G——开始就定位于多媒体业务。除了多媒体业务，未来移动通信还要实现两个重要方面，即提供无所不在的服务和全球性的服务。多媒体业务将向用户提供声、像、图、文并茂的多种业务，使网上的业务量大大增加。无所不在的服务意指要把通信服务的对象从人扩展到任何一件东西。因此，如果任何一件移动的东西都成为移动通信的对象的话，移动通信终端的数量将大大增加，网上流量也将剧增。全球性服务即通过全球范围的标准化，实现移动通信的全球化。在具有先进多媒体和无所不在服务的环境中，计算机和通信设备将遍布所有地方，通信方式不仅是人与人之间，而且还包括人－机之间和机－机之间的通信。为了促进在这种环境下的多媒体移动通信，需要给所有移动物体赋予无线通信功能。 将来的移动网必须具有极强的平台功能，能为大量无所不在的终端提供不同的服务。为此，未来的移动通信即将是面向全球化大众化的全球通信。

2 通信系统模型

移动通信系统模型

2.1 通信系统各部分介绍

(1) 信源:把原始信息变换成原始电信号。

(2) 信源编码：实现模拟信号的数字化传输即完成A/D变化。提高信号传输的有效性。即在保证一定传输质量的情况下，用竟可能少的数字脉冲来表示信源产生的信息。信源编码

也称作频带压缩编码或数据压缩编码。

(3) 信源编码： 信道编码主要解决数字通信的可靠性问题。对传输的信息码元按一定的规则加入一些冗余码（监督码），形成新的码字，接收端按照约定好的规律进行检错甚至纠错。

(4) 数字调制技术：把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。提高信号在信道上传输的效率，达到信号远距离传输的目的。基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。

(5) 同步：指通信系统的收、发双方具有统一的时间标准，使它们的工作“步调一致”。对于数字通信时是至关重要的。如果同步存在误差或失去同步，通信过程中就会出现大量的误码，导致整个通信系统失效。

(6) 信道：道是信号传输媒介的总称，传输信道的类型有无线信道（如电缆、光纤）和有线信道（如自由空间）两种。

(7) 噪声源：通信系统中各种设备以及信道中所固有的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。

功能与发送端的方框正好相反，是一一对应的反变换关系。

2.2 GSM系统结构介绍

GSM系统主要由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作支持子系统（OSS）四部分组成,如图所示。

基站子系统（BSS）在移动台（MS）和移动网子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS是整个GSM系统的控制和交换中心，它负责所有与移动用户有关的呼叫接续处理、移动性管理、用户设备及保密性等功能,并提供GSM系统与其他网络之间的连接。MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分，操作支持子系统（OSS）则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。

3 移动通信发展历史总结

主要介绍实现蜂窝移动通信所需的一些关键技术。首先介绍各种多址技术，如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)。接着讲了均衡和分集技术。为了克服移动通信中信号传输的多径效应，提高移动通信系统的性能，分集和均衡技术被用来改进接收信号的质量。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的；均衡技术是用来补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰的。然后讲述了语音编码技术，为了提高系统的抗干扰性能，移动通信还采用了扩频通信技术，扩频通信就是利用PN码对发送信号进行频谱展宽，在接收端用与发送端完全相同的PN码进行解扩。最后讲述了移动通信的组网制式。为了提高频谱利用率，大容量移动通信系统采用正六边形无线小区制结构，并进行多频道共用和同频复用。

3.1 多址技术

移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播信道和大面积覆盖的特点。在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址方式的问题。解决多址方式问题的方法叫做多址技术。它的应用使基站能从众多的移动台发出的信号中区分出是哪个移动台的信号，移动台也能识别基站发出的信号中哪一个是发给自己的。蜂窝移动系统中常用的多址方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)。

3.2 均衡与分集接收技术

由于传输信道特性的不理想，因此在实际的数字通信系统中总是存在码间干扰。为了克服这个干扰，均衡技术就是用来克服信道中码间干扰的一种技术。分集技术就是研究如何利用多径信号来改善系统的性能。它利用多条具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径来传输相同信息，并在接收端对这些信号进行适当的合并，它的应用大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的性能。

3.3 语音编码及信道编码技术

语音编码是为了把模拟语音转变为数字信号以便在信道中传输，语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。在移动通信中，节省频谱是至关重要的，移动通信中对语音编码技术的研究应用实现了一定的语音质量的前提下，尽可能地降低语音编码的比特率。语音编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。

3.4 扩频技术

扩展频谱(Spread Spectrum，SS)通信简称为扩频通信。扩频通信是一种信息传输方式，在发送端采用扩频码调制，使信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，在接收端采用同样的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。它的应用实现可用以实现具有随意选址能力的码分多址通信。

3.5 组网制式

采用小区制最大的优点是有效地解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛盾。其次是由于基站功率减小，也使相互之间的干扰减小了。所以，公用移动电话网均采用这种体制。

4 4G技术

4.1 简介

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。

4.2 关键技术介绍

4G移动通信接入系统的显著特点是，智能化多模式终端（multi-modeterminal）基于公共平台，通过各种接技术，在各种网络系统（平台）之间实现无缝连接和协作。在4G移动通信中，各种专门的接入系统都基于一个公共平台，相互协作，以最优化的方式工作，来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频带、给出最优化路由，以达到最佳通信效果。目前，4G移动通信的主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统（例如2G、3G）；无绳系统（如DECT）；短距离连接系统（如蓝牙）；WLAN系统；固定无线接入系统；卫星系统；平流层通信（STS）；广播电视接入系统（如DAB、DVB-T、CATV）。

(1)OFDM正交频分复用技术

OFDM正交频分复用技术的基本思想是将高速串行的数据码流变换成N（通常取偶数）路并行的低速数据流，再将这N路低速数据流分别调制到等频间隔的一组总数为N的子载波上，并且这组子载波要满足下交的条件。OFDM技术的优点是可以通地添加循环前缀来减小或消除码间干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高，对频偏和相位噪声比较敏感。

(2) MIMO技术

MIMO（多进多出）是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在WiMAX协议中都得到了应用。WiMAX相关协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。支持MIMO是协议中的一种可选方案，结合自适应天线阵（AAS）和MIMO技术，能显著提高系统的容量和频谱利用率，可以大大提高覆盖范围并增强应对快衰落的能力，使得在不同环境下能够获得最佳的传播性能

(3) 软件无线电技术

软件无线电是美国MTLTRE公司于1992年明确提出的，其基本思想是将标准化、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，所有体制和标准的更新，以及不同体制之间的兼营，都可以通过适当的软件来完成。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。

(4)智能天线技术

智能天线（SA）原名自适应天线阵列，由多个天线单元组成，每个天线后面接一个加权器，经过加权器处理以后的信号，最后用相加器进行合并。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

(5) 调制与编码技术

4G移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应

均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级连码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等，从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。

(6) 高性能的接收机

4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mb/s，所需的SNR为l.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。

4.3 应用情况

目前，国际上主流的4G技术主要是LTE-Advanced和802.16m两种技术，TD-LTE技术方案属于LTE-Advanced技术。LTE-Advanced得到国际主要通信运营企业和制造企业的广泛支持。法国电信、德国电信、美国AT&T、日本NTT、韩国KT、中国移动、爱立信、诺基亚、华为、中兴等明确表态支持LTE-Advanced。802.16m也获得部分芯片、网络产品制造企业如英特尔、思科等的联合推荐。国际电信联盟确定LTE-Advanced和802.16m为4G国际标准候选技术。4G通信技术的不断发展让通信信息量得以提升、信息传播速度得以加快、信息服务质量得到不断强化，再加上比如MIMO、OFDM等4G通讯中独有的技术构造，其自身技术不断得以发掘，使用空间和使用路径也得以扩展，从而更好的应用到信息服务功能中去。