移动通信发展历程与趋势摘要:摘要:本文简单讲述了移动通信的发展历程,将其分成五个阶段.详述了 1 到4G 通信技术的特点,主要技术,性能指标和关键技术及相应的优缺点,并对各个阶段的技术进行了比较; 然后分析了世界移动通信的整体发展趋势. 最后给出我国的移动通信方面的发展历程,我国移动通信网络的规模和用户总量均居世界第一.关键词:移动通信发展历程趋势GSM CDMAHistory and Trend of Mobile Communication(Information Engineering, South China University of Technology, Guangdong, Guangzhou, 510641, China)Abstract: This paper briefly introduces the development of mobile communication.And put it into five periods. It also tells us the special parts of mobile communication from the first to fourth generation and the difference between them. Then the trend of its development is predicted .Last, the mobile communication development of China is expressed,the scale and the Amount of which is the first in the world.Key words: mobile communication system;development course;trend;GSM; CDMA1.引言在过去的10年中, 世界电信发生了巨大的变化, 移动通信特别是蜂窝小区的迅速发展,使用户彻底摆脱终端设备的束缚,实现完整的个人移动性, 可靠的传输手段和接续方式.进入21世纪,移动通信将逐渐演变成社会发展和进步的必不可少的工具. 移动通信技术越来越受到人们的关注, 移动通信技术的发展过程也是有其可比性的, 因此在关注移动通信技术发展的同时, 了解一些其过去的发展历史和过程对我们研究和展望未来移动通信技术的发展是很有益处的. 车,轮船,收音机等在移动状态中的物体. 移动通信系统由两部分组成:(1) 空间系统;(2) 地面系统:①卫星移动无线电台和天线; ②关口站,基站.2.2 移动通信的分类移动通信的种类繁多. 按使用要求和工作场合不同可以分为:(1)集群移动通信, 也称大区制移动通信. 它的特点是只有一个基站, 天线高度为几十米至百余米,覆盖半径为30 公里,发射机功率可高达200 瓦. 用户数约为几十至几百, 可以是车载台,也可是以手持台.它们可以与基站通信, 也可通过基站与其它移动台及市话用户通信,基站与市站有线网连接.(2)蜂窝移动通信, 也称小区制移动通信. 它的特点是把整个大范围的服务区划分成许多小区,每个小区设置一个基站,负责本小区各个移动台的联络与控制, 各个基站通过移动交换中心相互联系, 并与市话局连接. 利用超短波电波传播距离有限的特点, 离开 2.移动通信基础知识 2.移动通信基础知识 2.1 移动通信简介移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了.1897 年,MG马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的,距离为18 海里. 移动通信是移动体之间的通信, 或移动体与固定体之间的通信.移动体可以是人,也可以是汽车,火一定距离的小区可以重复使用频率, 使频率资源可以充分利用.每个小区的用户在1000 以上, 全部覆盖区最终的容量可达100 万用户.(3)卫星移动通信.利用卫星转发信号也可实现移动通信, 对于车载移动通信可采用赤道固定卫星,而对手持终端,采用中低轨道的多颗星座卫星较为有利.(4)无绳电话.对于室内外慢速移动的手持终端的通信,则采用小功率,通信距离近的,轻便的无绳电话机.它们可以经过通信点与市话用户进行单向或双方向的通信.3.移动通信发展历史3.1 移动通信的五个阶段第一阶段从20 世纪20 年代至40 年代, 为早期发展阶段.在这期间,首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统, 其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统.该系统工作频率为2MHz,到40 年代提高到30～40MHz,可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段, 特点是专用系统开发,工作频率较低. 第二阶段从40 年代中期至60 年代初期. 在此期间内,公用移动通信业务开始问世. 1946 年,根据美国联邦通信委员会(FCC) 的计划, 贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网, 称为"城市系统". 当时使用三个频道,间隔为120kHz,通信方式为单工,随后,西德(1950 年),法国(1956 年),英国(1959 年)等国相继研制了公用移动电话系统. 美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题. 这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡, 接续方式为人工,网的容量较小. 下图为移动通信技术演进路线: 第三阶段从60 年代中期至70 年代中期.在此期间,美国推出了改进型移动电话系统(IMTS),使用150MHz 和450MHz 频段,采用大区制,中小容量,实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网. 德国也推出了具有相同技术水平的 B 网. 可以说, 这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段,其特点是采用大区制,中小容量, 使用450MHz 频段, 实现了自动选频与自动接续. 第四阶段从70 年代中期至80 年代中期.这是移动通信蓬勃发展时期.1978 年底,美国贝尔试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网, 大大提高了系统容量. 这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统, 并在世界各地迅速发展.移动通信大发展的原因,除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外, 还有几方面技术进展所提供的条件. 第五阶段从80 年代中期开始.这是数字移动通信系统发展和成熟时期. 以AMPS 和TACS 为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统. 模拟蜂窝网虽然取得了很大成功,但也暴露了一些问题.例如,频谱利用率低,移动设备复杂,费用较贵,业务种类受限制以及通话易被窃听等, 最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求. 解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统. 数字无线传输的频谱利用率高,可大大提高系统容量.另外, 数字网能提供语音, 数据多种业务服务, 并与ISDN等兼容.到80 年代中期,欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系.随后,美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制.4 移动通信1—4G简介4.1 1G简介早在80年代在北欧,北美,日本等地区的国家的第一代移动通信系统(1G)开始启用, 1G时代既没有全球统一的移动通信标准, 也没有Ⅸ域性的移动通信标准, 移动通信的标准, 系统的服务范围都是以国家或区域为单位的, 并没有形成大众认可及普遍适用的规范和标准.lG为模拟加数字型的,移动通信网络使用的技术主要采用频分双工, 频分多址制式. 并利用蜂窝组网技术以提高频率资源利用率,克服了大区制容量密度低,活动范嗣受限的问题. FDMA是将通信系统的总频段划分为若干个等间隔的频道(有时称为信道), 将频道再分配给不同的用户使用, 这些频道互不交叠, 其宽度应该满足传输一路数字话音的需要,整个频道划分为两组,一组用于发射机发送,另一组用于接收机接收,两组之间留有一段隔离频带, 起到防止同一部发射机对接收机产生干扰的保护作用. 频分多址的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号, 任意两个用户之的通信都必须经过基站的转发. 虽然采用频分多址. 但并未提高信道利用率,因此不足之处是频谱利用率低,通信系统中同时存在多个频率信号容易形成干扰,容量有限,不能提供自动漫游,很难实现保密,通话质量一般,业务单一,设备复杂,价格高,现在已经无法承担目前要求的大容量,高质量话音,高速数字业务等要求4.2 2G简介由于以上lG移动通信系统存在的问题. 使得国际相关组织开始了第二代移动通信系统(2G)的研究, 主要有两支国际普遍采用的标准(区域化的标准): 美国高通公司推出的CDMA 1S一95,欧洲的GSM,在2G标准里最先推出和应用最广泛的GSM,采用TDMA+FDMA多址技术,在2G时代还有一支全球应用的标准就是CDMA.即码分多址. TDMA 时分多址,即一个信道由一连串周期性的时隙构成, 不同的信号能量被分配到不同的时隙中, 利用定时选通来限制邻近信道的干扰, 从而只允许在规定时隙中有用的信号能量通过.DAMPS数字蜂窝通信系统将30KHz的频分信道划分为6个时隙进行TDMA传输, 而GSM 系统是将间隔200KHz的无线信道划分为8个时隙进行传输,根据不同的双工方式,TDMA系统的帧结构也不同.在不同的通信系统中, 帧结构中包含的时隙结构也各不相同,没有同一的格式时隙由比特组成,一般包含同步信息,信令信息和数据信息TDMA系统必须在严格的帧同步,时隙同步和比特(位)同步的条件下工作, 若接收机采用相干解调, 则还必须获得载波同步. 系统定时是TDMA 系统中的关键问题. 2G与lG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,容最增大,干扰减小,能传输低速的数据业务,全球可以漫游. 在增加了分组网络部分后可以加入窄带分组数据业务, 2G网络就改造升级成为了所渭的2.5G(GPRS),2.75G(EDGE)网络,从而为将来系统演进到宽带系统打下了良好基础. 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.4.3 第一代和第二代移动通信的主要区别第一代和第二代移动通信网络, 除了空中无线信号采用模拟和数字调制方式的不同外, 还有下列的主要区别: (1) 网络单元的构成不同模拟移动通信系统基本上均由基站和交换机组成,所有和无线子系统相关的功能,例如无线信道资源管理, 无线部分的移动性管理等均由基站完成,而用户数据管理,呼叫处理, 业务控制和漫游数据等功能均在交换机内部完成.GSM数字移动通信系统则是由BTS和BSC组成的无线子系统以及由MSC/ VLR和HLR组成的交换子系统构成, 上述的功能分散在各个相关网络单元, 这样便优化了系统处理资源. (2 )组网方式不同模拟移动通信系统的A网基本上是以省为单位建立的本地网, 省内交换机与当地的市话交换机采用中国一号随路或七号共路信令, 移动交换机间互通和漫游采用厂家内部信令,互通话路仅作为M.M 呼叫使用.省间漫游信令采用美国Is一41协议, 话路利用市话长途网的通路.B网在移动交换机间互联时采用了七号信令的方式, 漫游也是采用了Is.41的协议.A/B网漫游则通过在北京, 上海和广东设立信令关口局进行处理.而GSM 网络的信令网采用全备份双平面的两级STP转接,内部话路采用大区汇接制,建立了完整的移动长途网. (3) 路由方式不同模拟移动电话采用类似市话的区号+手机号码的编号方式,在市话呼叫手机时,话路将通过长途局进入被叫当地的移动交换机(所谓就远接人),再根据当时手机的具体位置直接寻呼或做漫游处理, 最后将话路送达被叫手机的服务交换机.而GSM移动电话采用了网号+手机号码的编码方式,并引入网关交换机的概念.在市话呼叫手机时,主叫市话交换机判定移动网号后直接将呼叫话路转接至当地网关移动交换机(所谓就近入网), 再由它建立信令链路至归属HLR并获得HLR从被叫手机服务交换机得到的漫游号码(MRN),这样话路将直接由市话主叫所在地的移动网关交换机连接至被叫手机的服务交换机.4.4 3G简介1. 3G是将无线通信与多媒体通信结合的新一代移动通信系统. 与前两代的区别在于传输声音和数据速率上的提升, 它能够比较快速处理声音,音乐,图像,视频流等多种形式,并提供与互联网连接的网页浏览, 自行组织的电话会议, 电子商务等多种信息服务,同时也考虑到与第二代的兼容性,第三代移动通信系统(3G), 是正在全力开发的系统, 其最基本的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, 支持话音和多媒体数据通信, 它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务, 例如高速数据,慢速图像与电视图像等.2. CDMA 系统采用一组彼此正交(或准正交)的伪随机噪声(PN)序列用作扩频序列码对传输信号进行扩频调制, 在接收端用相应的PN 码通过相关处理解扩来实现多用户共享频率资源的功能. 即每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频, 不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里在接收机里,信号用相关器加以分离,这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱, 凡是不符合该用户的信号就不被压缩带宽, 只有有用信号的信息才能被识别和提取出来. 由于目前以地区为主开发的第二代移动通信系统彼此互不兼容, 给用户造成很多不便,早在1985年,国际电联(ITU)就有意规划在2000年左右使用工作于2GHz频段上的第三代移动通信系统, "IMT-2000" 称为, 意为"国际移动通信一2000".在第三代移动通信中CDMA是主流技术. 当前应用CDMA方式的主要蜂窝系统有北美的QCDMA,欧洲爱立信的BCDMA以及我国倍威公司用于无线接入系统的SCDMA,这些码分多址系统给通信领域带来巨大的变化, 其显著优点为频谱利用率,抗干扰性大大提高,系统容量增加, 可实现全球漫游,同时设备简单,价格低于GSM 和模拟系统.9O年代以来,CDMA多址技术以其不可比拟的卓越性能受到全世界范围的关注, 并认为CDMA技术将是21世纪第三代蜂窝移动通信系统的无线接人技术.3. 3G 的标准(1) W-CDMA 也称为WCDMA,全称为Wideband CDMA, 也称为CDMA Direct Spread, 意为宽频分码多重存取, 这是基于GSM 网发展出来的3G 技术规范,是欧洲提出的宽带CDMA 技术,它与日本提出的宽带CDMA 技术基本相同,目前正在进一步融合.其支持者主要是以GSM 系统为主的欧洲厂商, 日本公司也或多或少参与其中, 包括欧美的爱立信, 阿尔卡特,诺基亚,朗讯,北电,以及日本的NTT,富士通,夏普等厂商.这套系统能够架设在现有的GSM 网络上, 对于系统提供商而言可以较轻易地过渡, GSM 系统相当而普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高. 因此W-CDMA 具有先天的市场优势. 该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略. GPRS 是General Packet Radio Service (通用分组无线业务)的简称, EDGE 是Enhanced Data rate for GSM Evolution (增强数据速率的GSM 演进)的简称,这两种技术被称为 2.5 代移动通信技术. (2)CDMA2000 CDMA2000 是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA 技术,也称为CDMA Multi-Carrier,由美国高通北美公司为主导提出, 摩托罗拉, Lucent 和后来加入的韩国三星都有参与, 韩国现在成为该标准的主导者. 这套系统是从窄频CDMAOne 数字标准衍生出来的, 可以从原有的CDMAOne 结构直接升级到3G,建设成本低廉.但目前使用CDMA 的地区只有日,韩和北美,所以CDMA2000 的支持者不如W-CDMA 多.不过CDMA2000 的研发技术却是目前各标准中进度最快的,许多3G 手机已经率先面世.该标准提出了从CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略. CDMA20001x 被称为 2.5 代移动通信技术.CDMA20003x 与CDMA20001x 的主要区别在于应用了多路载波技术, 通过采用三载波使带宽提高. 目前中国联通正在采用这一方案向3G 过渡,并已建成了CDMA IS95 网络. (3)TD-SCDMA 全称为Time Division - Synchronous CDMA(时分同步CDMA), 该标准是由中国大陆独自制定的3G 标准, 1999 年6 月29 日, 中国原邮电部电信科学技术研究院(大唐电信) 向ITU 提出. 该标准将智能无线, 同步CDMA 和软件无线电等当今国际领先技术融于其中, 在频谱利用率, 对业务支持具有灵活性, 频率灵活性及成本等方面的独特优势. 另外, 由于中国内的庞大的市场, 该标准受到各大主要电信设备厂商的重视, 全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD—SCDMA 标准. 该标准提出不经过2.5 代的中间环节, 直接向3G 过渡, 非常适用于GSM 系统向3G 升级. (4)WiMAX WiMAX 的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access),又称为80216 无线城域网,是又一种为企业和家庭用户提供"最后一英里"的宽带无线连接方案. 将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后,由于成本较低,将扩大宽带无线市场,改善企业与服务供应商的认知度.2007 年10 月19 日, 在国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上, 经过多数国家投票通过,WiMAX 正式被批准成为继WCDMA, CDMA2000 和TD-SCDMA 之后的第四个全球3G 标准.4.5 4G简介4G 通信技术将是继第三代以后的又一次无线通信技术演进, 其开发更加具有明确的目标性: 提高移动装置无线访问互联网的速度--据3G 市场分三个阶段走的的发展计划, 的多媒体服务在10 年后将进入第三3G 个发展阶段,此时覆盖全球的3G 网络已经基本建成, 全球25%以上人口使用第三代移动通信系统.在发达国家,3G 服务的普及率更将超过60%, 那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量.4.5.1 4G 系统网络结构及其关键技术4G 移动系统网络结构可分为三层:物理网络层,中间环境层,应用网络层.物理网络层提供接入和路由选择功能, 它们由无线和核心网的结合格式完成. 中间环境层的功能有QoS 映射,地址变换和完全性管理等. 物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的, 它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易, 提供无缝高数据率的无线服务,并运行于多个频带.这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力, 跨越多个运营者和服务,提供大范围服务. 第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输;抗干扰性强的高速接入技术,调制和信息传输技术;高性能,小型化和低成本的自适应阵列智能天线;大容量,低成本的无线接口和光接口;系统管理资源;软件无线电,网络结构协议等.第四代移动通信系统主要是以正交频分复用(OFDM)为技术核心. OFDM 技术的特点是网络结构高度可扩展, 具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力, 可以提供比目前无线数据技术质量更高(速率高,时延小)的服务和更好的性能价格比,能为4G 无线网提供更好的方案. 例如无线区域环路(WLL),数字音讯广播(DAB)等,都将采用OFDM 技术.4G 移动通信对加速增长的广带无线连接的要求提供技术上的回应, 对跨越公众的和专用的, 室内和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务. 通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务, 能应付基于因特网通信所期望的增长,增添新的频段,使频谱资源大扩展,提供不同类型的通信接口, 运用路由技术为主的网络架构, 以傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构. 移动通信将向数据化,高速化,宽带化,频段更高化方向发展,移动数据,移动IP 将成为未来移动网的主流业务.4.5.2 第四代通信技术的主要优势如果说2G,3G 通信对于人类信息化的发展是微不足道的话,那么未来的4G 通信却给了我们真正的沟通自由, 并将彻底改变我们的生活方式甚至社会形态. 目前正在构思中的4G 通信具有下面的特征: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 通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度. 从移动通信系统数据传输速率作比较, 第一代模拟式仅提供语音服务; 第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps, 最高可达32Kbps,如PHS;而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps; 专家则预估,第四代移动通信系统可以达到10Mbps 至20Mbps,甚至最高可以达到每秒高达100Mbps 速度传输无线信息,这种速度将相当于目前手机的传输速度的1 万倍左右.2网络频谱更宽要想使4G 通信达到100Mbps 的传输, 通信营运商必须在3G 通信网络的基础上, 进行大幅度的改造和研究,以便使4G 网络在通信带宽上比3G 网络的蜂窝系统的带宽高出许多.据研究4G 通信的AT&T 的执行官们说,估计每个4G 信道将占有100MHz 的频谱, 相当于W-CDMA 3G 网路的20 倍.3通信更加灵活从严格意义上说,4G 手机的功能,已不能简单划归"电话机"的范畴,毕竟语音资料的传输只是4G 移动电话的功能之一而已, 因此未来4G 手机更应该算得上是一只小型电脑了,而且4G 手机从外观和式样上,将有更惊人的突破, 我们可以想象的是, 眼镜, 手表,化妆盒,旅游鞋,以方便和个性为前提, 任何一件你能看到的物品都有可能成为4G 终端,只是目前我们还不知应该怎么称呼它.未来的4G 通信将使我们不仅可以随时随地通信,更可以双向下载传递资料,图画,影像,当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏. 也许你将有被网上定位系统永远锁定无处遁形的苦恼, 但是与它据此提供的地图带来的便利和安全相比, 这简直可以忽略不计.4智能性能更高第四代移动通信的智能性更高, 不仅表现在4G 通信的终端设备的设计和操作具有智能化, 例如对菜单和滚动操作的依赖程度将大大降低,更重要的4G 手机可以实现许多难以想象的功能.例如4G 手机将能根据环境, 时间以及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么事, 或者不该做什么事,4G 手机可以将电影院票房资料, 直接下载到PDA 之上,这些资料能够把目前的售票情况,座位情况显示得清清楚楚, 大家可以根据这些信息来进行在线购买自己满意的电影票;4G 手机可以被看作是一台手提电视, 用来看体育比赛之类的各种现场直播.4.5.3 第四代通信技术存在的缺陷对于现在的人来说,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发明的最复杂的技术系统, 的确第四代无线通信网络在具体实施的过程中出现大量令人头痛的技术问题, 大概一点也不会使人们感到意外和奇怪, 第四代无线通信网络存在的技术问题多和互联网有关, 并且需要花费好几年的时间才能解决.总的来说,要顺利,全面地实施4G 通信,将可能遇到下面的一些困难:1标准难以统一虽然从理论上讲,3G 手机用户在全球范围都可以进行移动通信, 但是由于没有统一的国际标准, 各种移动通信系统彼此互不兼容,给手机用户带来诸多不便.因此,开发第四代移动通信系统必须首先解决通信制式等需要全球统一的标准化问题, 而世界各大通信厂商将会对此一直在争论不休.2技术难以实现尽管未来的4G 通信能够给人带来美好的明天,但是别指望立刻就能用上这种技术, 大约还需要 5 年左右的时间这项技术才能发布.据研究这项技术的开发人员而言,要实现4G 通信的下载速度还面临着一系列技术问题.例如,如何保证楼区,山区,及其它有障碍物等易受影响地区的信号强度等问题.日本DoCoMo 公司表示,为了解决这一问题, 公司将对不同编码技术和传输技术进行测试. 另外在移交方面存在的技术问题, 使手机很容易在从一个基站的覆盖区域进入另一个基站的覆盖区域时和网络失去联系. 由于第四代无线通信网络的架构相当复杂,这一问题显得格外突出.不过,行业专家们表示, 他们相信这一问题可以得到解决,但需要一定的时间.3容量受到限制人们对未来的4G 通信的印象最深的莫过于它的通信传输速度将会得到极大提升, 从理论上说其所谓的每秒100MB。