1講授：張衛鋼通信原理與通信技術2024.8TEXTBOOK選用教材23微信公眾號15移動通信技術4問題：隨著經濟和技術的發展，人們對交流方式提出了更高的要求，需要任何人、在任何地方、任何時間與任何人進行任何業務的交流。那么，如何實現呢？CONTENT目錄5移動通信系統發展歷程結語移動通信概述15.115.215.36

電話的應用和普及極大地改變了人們的生活方式，為人際間的溝通與交流架起了方便快捷之橋。隨著科學技術的進步和社會的發展，人類進入了信息時代，生活節奏不斷加快，生活領域不斷擴大，人們熱切希望能夠實現任何人（whoever）在任何地方（wherever）、任何時間（whenever）與任何人（whomever）進行任何業務（whatever）的通信或交流，即“5W目標”。顯然，只有移動通信系統才能滿足這樣的高標準需求。

移動通信系統幾乎集中了有線和無線通信領域中所有的最新科技成果，不僅可以傳送話音還能夠傳送數據、圖片甚至影像，在很大程度上滿足了人們的5W目標，成為一種全時空通信技術。移動通信是人們追求通信便利性的直接產物，是通信技術發展的主流和方向。引子15.07移動通信概述15.115.1.1移動通信的概念及特點移動通信：通信雙方或至少一方是在運動狀態下的雙工通信過程或方法。由于采用無線方式并且是在運動中進行通信，移動通信系統就具有如下主要特點：（1）傳輸信道是無線信道。（2）具有復雜的電波傳播環境。因為電波受到城市高大建筑物的阻擋而產生折射和反射現象，所以，移動臺接收到的是多徑信號，這種信號的幅度會發生快速和劇烈衰落現象，若移動臺又在高速運動時，更會加快衰落現象；另外，因為移動通信是在運動過程中進行的，移動臺之間會出現近處移動臺干擾遠處移動臺的“遠近效應”，所以，一般要求移動臺的發射功率具有自動調整能力，同時移動臺的接收機需要具有自動增益控制能力。8移動通信概述15.115.1.1移動通信的概念及特點（3）在強干擾下工作。移動臺的通信環境變化很大，經常處于強干擾區，例如，附近的發射機可能對正在通信的移動臺形成強干擾；又如，行駛中的自己開的車和其他車輛的噪聲所形成的干擾也相當嚴重。因此，要求移動通信系統具備很強的抗干擾能力。（4）具有多普勒效應。運動中的移動臺所接收的信號頻率會隨運動速度而變化并產生不同的頻移，從而造成接收點信號強度的不斷變化，其變化范圍可達20～30dB。（5）應用環境條件差，對設備要求高。移動臺長期處于運動中，時常遇到塵土、震動、日曬雨淋等情況，這就要求它必須有防震、防塵、防潮、抗沖擊等能力。另外，因為移動臺由用戶直接操作，所以，要求它體積小、重量輕、成本低、操作使用簡便安全。（6）用戶數量大，頻率有限。有限的頻率資源決定了有限的信道數目，這與日益增長的用戶數量形成一對矛盾。為了解決這個矛盾，除了開辟新頻段，縮小頻道間隔之外，還需研究各種有效利用頻率的技術和新的通信體制。9移動通信概述15.115.1.2移動通信系統的分類

移動通信系統的主要分類有：

（1）按服務對象分類，有公用移動通信和專用移動通信系統兩種類型。在公用移動通信領域，我國有中國移動、中國聯通和中國電信三家企業經營移動電話業務，形成“三大”公用網。專用移動通信是為保證某些特殊部門的通信所建立的通信系統，例如公安、消防、急救、防汛、交通管理、機場調度等。（2）按傳輸信號分類，可分為模擬移動通信系統和數字移動通信系統。（3）按系統組成結構分類有：①蜂窩移動通信系統。是移動通信系統的主體和規模最大的移動電話網，具有全球性。②集群移動通信系統。集群（trunking）意指無線信道不為某一用戶群專用，而是供若干個用戶群共同使用。集群移動通信系統是傳統專用無線調度網的高級版，主要用于調度和指揮，具有應急性、群體性、可控性、專用性的特點。10移動通信概述15.115.1.2移動通信系統的分類③無繩電話系統。無繩電話系統是指用無線信道代替電話線，在限定業務區內給用戶提供移動或固定公共電話網業務的通信系統。通常，在商場、機場、火車站等公共場所使用，通過無繩電話可以呼入市話網，也可以實現雙向呼叫。其特點是不適用乘車，只適用于步行。我國于1998年由中國電信開通無繩電話系統，俗稱“小靈通”（2011年1月1日退市）。④移動衛星通信系統。把衛星作為中心轉發臺，各移動臺通過衛星轉發進行通信。⑤分組無線網。它是一種利用無線信道進行分組交換的通信網絡。典型的分組無線網有無線自適應移動信息系統WAMIS、本地多點分配業務LMDS、藍牙和無線接入網WAN。11移動通信概述15.115.1.3移動通信系統的組成

移動通信系統一般由移動臺MS（MobileSet）、基站BS（BaseStation）、移動業務交換中心MSC（MobileSwitchCenter）等組成，如圖15-1所示。12移動通信概述15.115.1.3移動通信系統的組成

移動臺：移動臺是移動通信系統用戶使用的入網設備，主要有車載臺、便捷臺和手持臺，都有收發信機和天線。每個移動臺分為終端設備和用戶身份卡兩部分。終端設備由一個獨特的國際移動設備識別碼IMEI來區別。當一個移動臺被一用戶使用時，它還有一個被植入用戶識別身份卡SIM中的國際用戶識別碼IMSI。

基站：基站是無線小區組織管理的核心，由收、發信機和天線等設備組成，能與小區內所有移動臺進行通信。每個基站都有一個被稱為無線小區的可靠通信服務范圍，無線小區的大小主要由基站天線高度和發射功率決定，通?？煞譃榇髤^制、中區制和小區制三種。13移動通信概述15.115.1.3移動通信系統的組成

大區制是指一個通信服務區（比如一個城市）由一個無線區負責?；景l射功率很大（50W或100W以上，手機一般為5W以下），覆蓋半徑可達25km以上。主要優點是基站數少，覆蓋面積大。主要缺點是容量不大，信道數有限，一般只能容納數百到數千個用戶。

小區制一般是指覆蓋半徑為2～10km的多個天線區鏈接合成而形成一個大服務區的制式?；景l射功率很小（8W～20W）。因為通常將小區繪制成六角形（實際小區覆蓋地域并非六角形），多個小區結合后看起來很像蜂窩，所以稱這種網絡結構為蜂窩網。用這種組網方式可以構成大區域大容量的移動通信系統，進而形成全省、全國或更大區域的系統。14移動通信概述15.115.1.3移動通信系統的組成小區制有以下四個特點：（1）基站只提供信道，交換、控制功能都集中在移動電話交換中心（MSC）。而大區制的信道傳輸、交換、控制等功能都集中在基站完成。（2）具有越區切換功能，即一個移動臺從一個小區進入另一個小區時，要從原基站的信道切換到新基站的信道上來，而且不影響正在進行的通話。（3）具有漫游功能。即一個移動臺從本管理區進入到另一個管理區時，其電話號碼不能變，仍然像在原管理區一樣能夠被呼叫到。（4）具有頻率再用功能。所謂頻率再用是指一個頻率可以在不同的小區重復使用。因為同頻信道可以重復使用，再用的信道越多，用戶數也就越多，所以，小區制可以提供比大區制更大的通信容量。幾種頻率的組網方式見圖15-2。15移動通信概述15.115.1.3移動通信系統的組成

中區制是介于大區制和小區制之間的一種過渡制式，很少采用。

移動交換中心：移動交換中心是連接各個基站與市話網的紐帶，主要用來處理信息的交換和整個移動通信系統的集中控制和管理。16移動通信概述15.115.1.4移動通信的多址技術

與衛星通信類似，在蜂窩式移動通信系統中，也需要通過一個基站為多用戶提供獨立信道，實現多用戶通信服務或多址服務。無線多址通信：在一個通信網內各個通信臺、站共用一個指定的射頻信道，進行

相互間的多邊通信，即通信網為各用戶提供的多元連接服務。

有差別才能鑒別，能鑒別才可選擇。多址技術的基礎是信號特征上的差異，如信號工作頻率、出現時間以及波形的不同等，并要求各信號的特征彼此獨立或正交，即任意兩個信號波形之間的互相關函數等于零或接近零。17移動通信概述15.115.1.4移動通信的多址技術FDMA可傳輸模擬信號和數字信號，而TDMA和CDMA只能傳送數字信號。如第一代移動通信系統TACS采用FDMA方式，第二代移動通信系統GSM采用TDMA/FDMA混合方式，窄帶CDMA系統采用CDMA/FDMA混合方式。第三代移動通信系統采用TDMA及CDMA方式。第四代移動通信系統主要采用正交頻分多址OFDMA方式。無線多址技術也主要有頻分多址、時分多址和碼分多址以及它們的混合形式。18移動通信系統發展歷程15.215.2.1第一代移動通信系統

第一代移動通信系統的主要特征為模擬技術，可分為蜂窩、無繩、尋呼和集群等多類系統，每類系統又有互不兼容的技術體制，其發展可分為三個主要階段：（1）初級階段：1946年到60年代中期，這一階段移動通信的主要特點是容量小，用戶少，人工切換，設備都采用電子管，體積大、耗電多。（2）中級階段：60年代中期到70年代中期，模擬移動通信系統在這一階段有了較大的發展，實現了用戶全自動撥號；采用了晶體管使設備體積變小、功耗降低；頻段由原來的30MHz、80MHz發展到150MHz和450MHz；公安、消防、列車、新聞等行業出現了大量的專用移動通信系統。19移動通信系統發展歷程15.215.2.1第一代移動通信系統（3）大規模發展階段：70年代中期到80年代末出現了“蜂窩”系統，提高了系統容量和頻率利用率。大規模集成電路和微計算機、微處理器的大量應用使系統功能更強，移動臺更加小型化，功耗更低，話音質量大幅度提高；頻段從450MHz發展到900MHz，頻帶間隔減小，提高了信道利用率。20世紀70年代末，電子工業協會EIA建立了美國AMPS協議。1985年英國推出了TACS系統，同時還推出了其他幾個蜂窩系統，如北歐的NMT、西德的C450和日本的NTT等。因為1G系統存在系統體制混雜，不能實現國際漫游，話音不保密，不安全，號碼容易被盜，業務種類單一，不能提供ISDN業務，系統設備價格高，手機體積大，電池工作時間短，系統容量有限，擴容困難等缺點，所以北美、歐洲和日本等國自80年代起相繼開發出了數字移動電話系統，即2G系統，主要目的是實現高容量、低功耗、全球漫游和切換功能。簡言之，1G是模擬機時代。20移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統

第二代數字移動通信系統主要包括數字蜂窩移動系統（由GSM、DAMPS、CDMA三種系統構成）、數字無繩電話系統（由DECT、PHS等系統構成）和高速尋呼系統（由FLEX、APCO、ERMES三種系統構成）。主要特征是采用了數字技術，提供了比第一代移動通信系統更高的頻譜效率、更好的數據業務以及更先進的漫游功能。21移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統1.GSM移動通信系統20世紀80年代初期，當模擬移動通信系統剛投放市場時，歐洲的電信運營部門就發覺他們的汽車電話遠不如高速公路那樣暢通。五、六種系統將整個歐洲的蜂窩網分割得四分五裂，根本不能形成規模效益。因此，歐洲電信運營部門于1982年成立了一個移動特別小組GSM，開始制定一種泛歐洲數字移動通信系統的技術規范。經過6年的研究、實驗和比較，于1988年確定了包括采用TDMA技術在內的主要技術規范并且制定出實施計劃。從1991年開始，該規范在德國、英國和北歐許多國家投入試運行，吸引了全世界的注意，使GSM技術向著全球移動通信系統的宏偉目標邁出了一大步。

注意：“GSM”還有另一種解釋，即全球移動通信系統。22移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統GSM系統既采用了TDMA技術，也采用了FDMA技術。具體地說，在GSM的25MHz帶寬內，總共分為125個頻道，一個頻道（即一個載波）可同時傳送8個話路，而一個頻道占用200kHz帶寬，即頻道間隔為200kHz。這樣，總共可容納1000個用戶。

我國參照GSM標準制定了自己的技術要求，主要內容有：使用900MHz頻段，即890～9l5MHz（移動臺―基站）和935～960MHz（基站、移動臺），收發間隔45MHz；載頻間隔200KHz，每載波信道數8個，基站最大功率300W，小區半徑0.5～35km，調制類型GM－SK，傳輸速率270Kbps，手機的發射功率約為0.6W。GSM系統由若干個功能實體組成，見圖15-3。23移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統24移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統GSM是一種多業務系統，通?？煞譃樵捯魳I務和數據業務兩類。在話音業務中，信息是話音，而數據業務傳送包括電文、圖像、傳真及計算機文件等在內的其他信息。除了這些傳統業務外，GSM還提供一些非傳統業務，如短消息。GSM網絡提供的業務還可劃分為基本業務和補充業務兩部分。基本業務主要涉及傳輸媒介和建立呼叫的方式；補充業務則使用戶能夠更好地接受基本業務或是簡化電信的日常使用，為用戶提供方便，如呼叫前轉、來電顯示等。一項補充業務可以適用于幾個基本業務，補充業務不能單獨向用戶提供，必須附加在基本業務之上。25移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統2.GPRS

通用無線分組業務GPRS是一種基于GSM系統的無線分組交換技術。GPRS主要是在移動用戶和遠端的數據網絡之間提供一種連接，從而給移動用戶提供高速的、端到端的、廣域的無線IP和無線X.25業務。GPRS突破了GSM只能提供電路交換的局限，通過增加相應的功能實體和對現有基站系統進行部分改造實現了分組交換。GPRS手機的傳輸速度一般可達115kbit/s；支持計算機和移動用戶的持續連接；給GSM用戶提供移動環境下的高速數據業務；提供收發E-mail、Internet瀏覽等功能；GSM系統是按連接時間計費的，而GPRS按數據流量計費；GPRS對于網絡資源的利用率遠遠高于GSM。26移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統GPRS系統有以下主要特點：（1）資源利用率高。在GSM網絡中，GPRS引入分組交換傳輸模式，使得原來用電路交換模式的傳輸數據方式發生了根本性變化，這在無線資源稀缺的情況下顯得尤為重要。在電路交換模式下，整個連接期內用戶無論是否傳送數據都將獨自占有無線信道，會浪費不少空閑時段。而在分組交換模式下，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源利用率。GPRS用戶的計費以通信的數據量為主要依據，體現了“得到多少、支付多少”的原則。

要實現GPRS網絡，需要在傳統的GSM網絡中引入新的網絡接口和通信協議，需要在已有的GSM網絡中增加一些節點，如網關GPRS支持節點GGSN和服務GPRS支持節點SGSN。移動臺則必須是GPRS移動臺或GPRS/GSM雙模移動臺（雙模手機）。27移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統（2）傳輸速率高。GPRS一般可提供115kbit/s的傳輸速率（最高值為171.2kbit/s）。（3）接入時間短。分組交換接入時間縮短為少于1s，能提供快速即時的連接，可大幅度提高一些工作（如信用卡核對、遠程監控等）的效率，并可使已有的Internet應用（如E-mail、網頁瀏覽等）操作更加便捷、流暢。（4）支持IP協議和X.25協議。GPRS支持Internet上應用最廣泛的IP協議和X.25協議。GPRS核心網絡采用IP技術，可以方便地實現與Internet網的無縫連接，可使已有的X.25終端能夠在GSM網絡上繼續使用。另外，因為GSM網絡覆蓋面廣，所以也使得GPRS能夠提供Internet與其他分組網絡的全球性無線接入。28移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統3.CDMA移動通信系統1995年香港和記電訊公司開通了全球第一個碼分多址CDMA數字移動通信網絡。在經過1996～1997兩年的商用化之后，CDMA技術在全球范圍得到廣泛應用。

因CDMA與GSM在系統組成、系統接口、接續流程和業務方面與GSM都比較相似，所以，這里主要介紹一下CDMA與GSM的不同之處。

（1）CDMA系統工作原理。CDMA是一種基于擴頻技術的調制和多址連接技術。其原理是將欲傳輸的具有一定帶寬的數據信號（信碼），用一個帶寬遠遠大于該信號帶寬的高速偽隨機碼（擴頻碼）進行調制（模二加），使原數據信號的帶寬被擴展（擴頻），再經載波調制發射出去；在收信端，用相同的偽隨機碼（解擴碼）與接收信號模二加，進行相關運算，將擴頻信號解擴，即還原成原始的窄帶數據信號，從而完成通信任務。擴頻通信具有隱蔽性、保密性、抗干擾等優點。CDMA系統的直接序列擴頻碼分多址（DS/CDMA）原理如圖15-4所示。29移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統

擴頻通信中的偽隨機碼常采用m序列，這是因為它容易產生和具有優良的自相關特性，即收發端只有在偽隨機序列相位相同時才能恢復發送信號。碼分多址技術就是利用了這一特點，采用不同相位的m序列作為多址通信的地址碼。顯然，擴頻技術與調制技術在概念及方法上均類似，也可認為是一種調制技術。30移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統

我們知道，頻率資源有限，在現代通信用戶量激增的情況下，通常希望盡量壓縮信號帶寬以保證系統能傳輸更多的信號路數，為更多的用戶服務。但擴頻技術不是壓縮信號帶寬，反而要擴大，這是因為根據香農公式，增加信號帶寬可以降低對系統信噪比的要求?？梢姡捎谛枨蠛蛻脠龊系牟煌?，對信號帶寬的要求也不同，“具體問題具體分析”“一分為二”“矛盾可以轉化”等哲學思想閃亮其中。（2）CDMA系統中的關鍵技術。CDMA系統主要包含以下關鍵技術：

①PN碼技術。擴頻通信要求找到足夠多的有自相關特性和處處為0互相關特性的地址碼，還要求這些碼有盡可能大的復雜度，以免被竊取。而同時滿足這些要求的碼是難以實現的，但用偽噪聲PN碼序列可較好地兼顧這些要求。IS-95ACDMA系統使用的是m序列。31移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統

②功率控制技術。信道地址碼的互相關性會產生兩方面的影響：一是任何一個信道都會受到其他不同地址碼信道的干擾，即多址干擾；二是距離接收機近的信道將嚴重干擾距離接收機遠的信道，即近端強信號掩蓋遠端弱信號，這就是遠近效應。功率控制的目的是使系統既能維持高質量通信，又不對其他碼分信道產生干擾。

功率控制分為反向功率控制和正向功率控制兩種。反向功率控制又分為反向開環功率控制和反向閉環功率控制。在正向功率控制中，基站根據移動臺的正向誤幀率報告，決定是增加發射功率還是減少發射功率。反向開環功率控制是移動臺根據接收功率的變化，估計由基站到移動臺的傳輸損耗，迅速調節移動臺發射功率。

反向閉環功率控制與開環功率控制有所不同，它是根據基站接收信噪比或誤碼率迅速調整移動臺發送功率，以保證基站收到的信號足夠強，同時對其他信道干擾最小。32移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統

③RAKE接收技術。移動通信系統存在容易引起多徑衰落和時延擴展、嚴重影響接收信號質量的多徑傳播問題。RAKE技術是一種針對寬帶系統的較為完善的多徑接收方法。它不是把多徑信號看作干擾信號，而是利用多徑信號分辨出幾路最強的信號，合并接收，從而改善系統性能。RAKE接收機使用多個并行相關器跟蹤和接收多徑信號。

④軟切換技術。因相鄰小區的工作頻率相同，故用戶越區切換時不需要更換頻道，只需要改變地址碼。因此，移動臺可以先與新基站建立起連接，再斷開與原基站的連接。

⑤話音編碼技術。Q-CDMA系統的話音編碼采用的是QCELP（Qualcomm碼激勵線性預測）話音編碼技術。它是一種改進的混合編碼方式，因此既具有波形編碼的高質量、高保真度和高自然度，又具有參量編碼的低速率性。QCELP能實現可變速率話音編碼，編碼速率有8kb/s和13kb/s兩種。其中，13kb/s的話音質量已經達到固定長途電話的話音效果。33移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統（3）CDMA系統的主要優點：

①大容量。CDMA系統的信道容量是模擬系統的10～20倍，是TDMA系統的4倍。具有高容量的一個主要原因是系統的頻率復用系數遠遠超過其他制式的蜂窩系統；另外一個主要原因是它使用了話音激活和扇區化等技術。②軟容量。在FDMA、TDMA系統中，當小區服務的用戶數達到最大信道數時，滿載的系統絕對無法再增添一個信號。此時若有新的呼叫，該用戶只能聽到忙音。而在CDMA系統中，用戶數目和服務質量之間可以相互折中，靈活確定。例如系統經營者可在話務量高峰期將誤幀率稍微提高，從而增加可用信道數。

體現軟容量的另一個亮點是小區呼吸功能，即各小區的覆蓋面大小是動態的。當相鄰兩個小區負荷一輕一重時，負荷重的小區通過減小導頻發射功率，使本小區的邊緣用戶由于導頻強度不夠而切換到相鄰小區分擔負荷，相當于增加了容量。這項功能對切換也特別有用，避免信道緊缺而導致呼叫中斷。34移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統

③軟切換。所謂軟切換是指當移動臺需要切換時，先與新的基站連通，再與原基站切斷聯系，而不是相反的操作過程。軟切換只能在同一頻率的信道間進行，因此，模擬系統、TDMA系統不具有這種功能。軟切換可以有效地提高切換可靠性，大大減少切換造成的掉話現象。同時，軟切換可以提供分集，從而保證通信質量。

④高話音質量和低發射功率。從第1章的香農公式可知，在信道容量一定的情況下，信道帶寬和信噪比可以互換。CDMA所采用的擴頻通信原理正是基于這一點，將信號帶寬擴展（信道帶寬當然也要加大）從而降低了對信號功率的要求。GSM手機的功率一般可以控制在600mW以下，而CDMA手機的發射功率最高只有200mW，正常通話功率可控制在零點幾毫瓦。另外，因CDMA系統中采用有效的功率控制技術、強糾錯能力的信道編碼以及多種形式的分集技術，故可使基站和移動臺以非常低的功率發射信號，延長手機電池使用時間，同時獲得優良的話音質量，也使手機享有“綠色”手機的美譽。35移動通信系統發展歷程15.215.2.2第二代移動通信系統

⑤話音激活。統計表明，人們在通話過程中，只有35%的時間在講話，其余時間處于聽對方講話、停頓或其他等待狀態。在CDMA系統中，所有用戶共享同一個無線頻道，當某個用戶不講話時，該用戶發射機就停發或減小發射功率，其他用戶所受到的干擾就相應減少。同時，由于采用相應的編碼技術，可使用戶發射機所發射的功率隨著用戶話音編碼的需求進行調整，這就是話音激活技術。采用該技術可使各用戶間的干擾平均減少65%。⑥保密性好。CDMA系統的體制本身就決定了它有良好的保密性能。首先，采用擴頻技術使發射信號的頻譜被擴展，發射信號完全隱蔽在噪聲、干擾之中，不易被發現和接收；其次，由于各移動用戶所使用的地址碼各不相同，在接收時，只有與之完全相同（包括碼型和相位）的用戶才能接收到相應數據，而對非相關用戶來說就是一種噪聲。同時CDMA的數字話音信道還可以將數據加密標準或其他標準的加密技術直接引入使用。簡言之，2G是GSM機時代。36移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統1.第三代移動通信系統的要求2G系統主要提供話音業務和短消息、傳真等數據業務。但隨著信息技術的迅猛發展，特別是通信技術與計算機技術的相互融合，人們對移動通信技術提出了更高要求，比如：（1）要求提供綜合化的信息業務，如話音、圖像、數據等具有多媒體特征的通信業務。（2）要求移動通信系統與互聯網結合起來，實現無線寬帶化，使用戶可隨時隨地接入Internet網，如手機上網。（3）解決系統容量飛速膨脹與頻率資源有限的矛盾。（4）要求移動通信系統必須實現全球無縫覆蓋和全球漫游。為滿足上述要求，第三代移動通信系統應運而生。3G系統是指國際電信聯盟ITU在1985年提出的未來公用陸地移動通信系統FPLMTS，1996年更名為IMT-2000，意為工作在2000MHz頻段，在2000年之后投入商用的全球移動通信系統。37移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統世界各國提出了多種第三代移動通信標準的方案，當時比較成熟的有三個。（1）TD-SCDMA系統是我國向國際電信聯盟提交并被接納的標準。采用時分雙工（TDD）、時分多址／碼分多址方式工作，并基于同步CDMA、智能天線、多用戶檢測（JD）、正交可變擴頻系數、Turbo編碼技術等新技術。該系統基于GSM系統，并可以由GSM系統平滑過渡到TD-SCDMA系統。（2）W-CDMA系統是日本與歐洲方案融合而成的標準。其技術特點是頻分雙工（FDD），采用直接序列碼分多址（DS-CDMA）方式，碼片速率為3.84Mb/s，載波帶寬為5MHz。該系統也是基于GSM系統。GSM系統可通過引入GPRS系統平滑過渡到W-CDMA系統。（3）CDMA2000是由美國提出的基于窄帶CDMA（IS-95N-CDMA）的第三代移動通信系統。主要可以保護窄帶CDMA的投資，最大限度地利用成熟的CDMA技術。相對來說，技術復雜程度較低、風險小，系統平滑過渡升級的成本較小。中國移動通信公司采用的是TD-SCDMA系統；中國聯通通信公司采用的是W-CDMA系統；中國電信通信公司則采用的是CDMA2000系統。38移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統2.第三代移動通信系統的優點3G系統是結合了多種業務的寬帶移動通信系統，與1G和2G系統相比，其主要優點為：（1）具有支持多媒體業務的能力。3G的業務能力將比2G有明顯改進，能支持從話音到分組數據再到多媒體的多種業務，并能提供更高的帶寬：快速移動環境下，最高速率達144kbit/s；室外到室內或步行環境下，最高速率達384kbit/s；室內環境下，最高速率達2Mbit/s。傳輸速率能按需分配，并且上下行鏈路傳輸速率適合于對稱及不對稱業務的需求。（2）全球普及和全球無縫漫游。3G系統是一個在全球范圍內使用的系統，具有共同的頻段（包括1885～2025MHz和2110～2200MHz。在WRC-2000會議上，ITU又擴展為806～960MHz、1710～1885MHz和2500MHz～2690MHz）。其網絡靈活性及無縫覆蓋能力為具有全球漫游功能的袖珍終端隨時接入系統并得到所需的服務提供了質量保證。39移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統（3）便于過渡和演進。因3G系統引入時，2G網絡已具有相當規模并已實現全球覆蓋和漫游，所以3G網絡一定要在2G網絡基礎上逐漸靈活演進而成，并應與固定網絡兼容。（4）高頻譜效率。3G系統頻譜效率是指在30MHz帶寬內的話音業務容量及信息容量。對于具有多種業務功能的系統而言，頻率資源非常寶貴。因此，要求3G系統必須具有較高的頻譜利用率和網絡效率，以支持今后用戶量的增加和提供各種業務。（5）高服務質量。服務質量是衡量系統性能的重要指標。一般用傳輸時延、誤碼率或誤幀率進行評價。在傳輸誤碼率（BER）方面，移動話音和視頻圖像業務要求BER<10-3；數據業務要求無線接入系統的BER<10-6。通常，要求移動系統的話音編碼器和數據適配器應能適應高誤碼率要求，以保證必要的服務質量。40移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統（6）適應各種無線運營環境。無線運營環境主要包括自然環境和移動環境。自然環境主要包括通信容量極高的室內微微蜂窩小區、城市中心人口密集地帶的微蜂窩小區以及農村和邊遠地區的宏蜂窩小區，以后還能直接與衛星連接，實現全球覆蓋的更大范圍通信。移動環境是指通信終端處于靜止、步行和在汽車、火車、飛機等移動載體上。對一個適應性良好的移動通信系統，要求其在所有可能存在的環境中都保持較高的頻譜利用率、網絡效率、通信質量和業務容量。413.第三代移動通信系統的業務移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統根據ITU建議，IMT-2000提供的業務類型分為5種業務類型：

（1）話音業務。典型的對稱業務，上/下行數據速率均為16kbit/s，屬電路交換業務。

（2）簡單消息。對應于短消息SMS的業務，其速率為14kbit/s，屬于分組交換。

（3）交換數據。屬于電路交換業務，其上/下行鏈路的數據速率均為64kbit/s。

（4）非對稱多媒體業務。屬于分組交換業務，特點是下行鏈路業務量較大，上行鏈路業務量較小。具體業務包括文件下載、網頁瀏覽和非交互式電子醫療等。按傳輸速率又可分為中速多媒體業務（下、上行鏈路分別為384kbit/s和64kbit/s）和高速多媒體業務（下、上行鏈路分別為2Mbit/s和128kbit/s）。（5）交互式多媒體業務。屬于電路交換業務，是一種對稱的多媒體業務，即上、下行鏈路的業務量相等。應用于高保真音響、可視會議和雙向圖像傳輸等場合。42移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統另外，手機還可提供PoC（PushtotalkoverCellular）服務，即“移動一鍵通”或“手機對講”，是一種類似集群通話的業務。使用PoC時，用戶只需像使用對講機一樣按一個鍵而無需進行撥號就可以快速、直接地與多個用戶進行“點對多點”的即時話音通信。4.第三代移動通信系統的關鍵技術（1）高效信道編譯碼技術。3G系統中采用了卷積碼和Turbo碼兩種糾錯編碼，在高速率和對譯碼時延要求不高的數據鏈路中，使用Turbo碼有利于提高糾錯性能，在話音、低速率及對時延要求比較苛刻的數據鏈路中多使用卷積碼。43

（2）軟件無線電技術?；舅枷胧悄?數和數/模轉換模塊盡可能靠近天線，所有基帶信號處理都用軟件方式替代硬件實施。因3G系統具有多模、多頻段、多用戶的特點，故軟件無線電技術可在移動通信網絡上實現多模、多頻率和不間斷服務等方面發揮重大作用，如基站可以承載不同的軟件來適應不同標準，而不用對硬件平臺改動；基站間可以由軟件算法協調，動態分配信道；移動臺可以自動檢測接入的信號，以接入不同的網絡。（3）智能天線技術。該技術基于自適應天線陣列原理，利用天線陣列的波束合成和指向，產生多個獨立的波束，自適應地調整其方向圖以跟蹤信號的變化。其特點在于以較低的代價換得無線覆蓋范圍、系統容量、業務質量和掉話率等性能的顯著提高。移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統44（4）多用戶檢測技術。把所有用戶信號都當作有用信號，而不是干擾。在小區通信中，每個移動用戶與一個基站通信且只須接收自己所需信號，而基站必須檢測所有用戶信號。圖15-5給出三個時代的手機代表機型。簡言之，3G是WAP網絡機時代。移動通信系統發展歷程15.215.2.3第三代移動通信系統45移動通信系統發展歷程15.215.2.4第四代移動通信系統1.4G的概念

4G技術又稱IMT-Advanced技術，其標準依賴于3G標準組織已發展的多項新定標準及其延伸，如IP核心網、開放業務架構及IPv6。2012年1月18日，國際電信聯盟在無線電通信大會上，正式審議通過將LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced（802.16m）技術規范確立為IMT-Advanced國際標準（俗稱4G）。我國主導制定的TD-LTE-Advanced也同時成為IMT-Advanced國際標準。

4G技術集3G和WLAN技術于一體，能夠傳輸與高清電視不相上下的高質量圖像。4G系統具有100Mbps的下載速率，比ADSL快200倍，比普通3G快50倍；上傳速率也可達20Mbps，能夠滿足幾乎所有用戶對無線數據服務的要求。46移動通信系統發展歷程15.215.2.4第四代移動通信系統2.4G的核心技術

（1）正交頻分復用/多址（OFDM/OFDMA）技術。其主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，各子載波并行傳輸。盡管總的信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬。OFDM/OFDMA的優點是可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，可提高頻譜利用率，實現低成本的單波段接收機。

（2）軟件無線電。其基本思想是把盡可能多的無線及個人通信功能通過軟件編程實現，使其成為一種多工作頻段、多工作模式、多信號傳輸與處理的無線電系統。也可以說，是一種用軟件來實現物理層連接的無線通信方式。47

（3）智能天線技術。智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能，是未來移動通信的關鍵技術。智能天線應用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的。該技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量。

（4）多輸入多輸出（MIMO）技術。是指利用多發射、多接收天線進行空間分集的技術。它采用分立式多天線，能夠有效地將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高通信容量。信息論已經證明，當不同的接收天線和不同的發射天線之間互不相關時，MIMO系統能夠有效地提高系統的抗衰落和抗噪聲性能，從而獲得巨大的容量。在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術可實現高速率、高容量、高質量的通信業務。移動通信系統發展歷程15.215.2.4第四代移動通信系統48移動通信系統發展歷程15.215.2.4第四代移動通信系統

（5）基于IP的核心網。4G移動通信系統的核心網CN（centernetwork）是一個基于全IP的網絡，可以實現不同網絡間的無縫互連。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，能同已有的核心網和PSTN兼容。核心網具有開放結構，能允許各種空中接口接入核心網，同時還能把業務、控制和傳輸等功能分開。采用IP后，無線接入方式和協議與核心網絡協議、鏈路層是分離的。IP與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。簡言之，4G是智能機時代。49移動通信系統發展歷程15.215.2.5第五代移動通信系統第五代移動通信技術是具有高速率、低時延和大連接等特點的寬帶移動通信技術。1.5G的應用場景國際電信聯盟ITU定義了5G的三大類應用場景（見圖15-6）：（1）增強移動寬帶（eMBB）。主要應對移動互聯網流量爆炸式增長，為移動互聯網用戶提供更加極致的應用體驗。（2）超高可靠低時延通信(uRLLC)。主要滿足工業控制、遠程醫療、自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業應用需求。（3）海量機器類通信(mMTC)。主要滿足智慧城市、智能家居、環境監測等以傳感和數據采集為目標的應用需求。50移動通信系統發展歷程15.215.2.5第五代移動通信系統51移動通信系統發展歷程15.215.2.5第五代移動通信系統2.5G的技術指標5G的主要技術指標如下：（1）峰值速率達到10-20Gbit/s，可滿足高清視頻、虛擬現實等大數據量傳輸。（2）空中接口時延低至1ms，滿足自動駕駛、遠程醫療等實時應用。（3）具備百萬連接/平方公里的設備連接能力，滿足物聯網通信。（4）頻譜效率要比LTE提升3倍以上。（5）連續廣域覆蓋和高移動性下，用戶體驗速率達到100Mbit/s。（6）流量密度達到10Mbps/m2以上。（7）移動性支持500km/h的高速移動。其中高速率、低時延、大連接成為5G最突出的特征，用戶體驗速率達1Gbps，時延低至1ms，用戶連接能力達100萬連接/平方公里。52移動通信系統發展歷程15.215.2.5第五代移動通信系統3.5G的無線關鍵技術5G國際技術標準重點滿足靈活多樣的物聯網需要，采用了靈活的全新系統設計。在頻段方面，與4G支持中低頻不同，考慮到中低頻資源有限，5G同時支持中低頻和高頻頻段，其中，中低頻滿足覆蓋和容量需求，高頻滿足在熱點區域提升容量的需求，5G針對中低頻和高頻設計了統一的技術方案，并支持百兆基礎帶寬。為了支持高速率傳輸和更大覆蓋，5G采用LDPC、Polar新型信道編碼方案和性能更強的大規模天線等技術。為了支持低時延、高可靠，5G采用短幀、快速反饋、多層/多站數據重傳等技術。5G的多址技術主要有華為公司的稀疏碼分多址接入SCMA（SparseCodeMultipleAccess）、中興公司的多用戶共享接入MUSA（Multi-UserSharedAccess）、大唐公司的圖樣分隔多址接入PDMA（PatternDivisionMultipleAccess）、美國高通公司的資源擴展多址接入RSMA和日本NTTDOCOMO公司的非正交多址接入NOMA等新型多址技術。534.5G網絡關鍵技術移動通信系統發展歷程15.215.2.5第五代移動通信系統5G采用全新服務化架構，支持靈活部署和各種差異化業務場景；采用全服務化設計，模塊化網絡功能，支持按需調用，實現功能重構；采用服務化描述，易于實現能力開放，有利于引入IT開發實力，發揮網絡潛力；基于NFV/SDN，實現硬件和軟件解耦，實現控制與轉發分離；采用通用數據中心的云化組網，網絡功能部署靈活，資源調度高效；支持邊緣計算，云計算平臺下沉到網絡邊緣；支持基于應用的網關靈活選擇和邊緣分流；通過網絡切片滿足差異化需求，網絡切片是指從一個網絡中選取特定特性和功能，定制出的一個邏輯上獨立的網絡，使得運營商可以部署功能、特性服務各不相同的多個邏輯網絡，分別為各自的目標用戶服務，已定義了增強移動寬帶、低時延高可靠、大連接物聯網3種網絡切片類型。54移動通信系統發展歷程15.215.2.5第五代移動通信系統5.5G技術的價值5G在工業領域的應用涵蓋研發設計、生產制造、運營管理及產品服務4大工業環節，主要包括如下16類應用場景：AR/VR研發實驗協同、AR/VR遠程協同設計、遠程控制、AR輔助裝配、機器視覺、AGV物流、自動駕駛、超高清視頻、設備感知、物料信息采集、環境信息采集、AR產品需求導入、遠程售后、產品狀態監測、設備預測性維護、AR/VR遠程培訓等。當前，機器視覺