【正文】 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院通信技術(shù)教研室 移動通信原理與系統(tǒng) 李湘文 普通高等教育 “十一五”國家級規(guī)劃教材 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 第 1章 概 述 移動通信發(fā)展簡述 移動通信的特點 移動通信的工作方式 移動通信的分類及應(yīng)用系統(tǒng) 移動通信的主要技術(shù)及其發(fā)展趨勢 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 移動通信發(fā)展簡述 移動通信的概念 移動通信是通信領(lǐng)域中最有活力、最具發(fā)展前途的一種通信方式，是當(dāng)今信息社會中最具個性化特征的通信手段。移動通信的發(fā)展與普及改變了整個社會的面貌和人們的生活方式，它已成為現(xiàn)代通信領(lǐng)域中的一大支柱產(chǎn)業(yè)。移動通信是通向人類的通信夢想 —— 個人通信的必經(jīng)階段。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 移動通信是指通信的一方或雙方在移動狀態(tài)中或臨時停留在某一非預(yù)定位置上進(jìn)行信息傳遞和交換的方式。這里所說的“信息傳遞和交換”，不僅指語音，還包括數(shù)據(jù)、傳真和圖像等通信業(yè)務(wù)。移動通信不受時間和空間的限制，其信息交流機(jī)動、靈活、迅速、可靠，是實現(xiàn)通信理想目標(biāo)的重要手段。 移動通信技術(shù)是一門融合了當(dāng)代微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)、有線通信技術(shù)以及交換和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合性技術(shù)。近年來，大規(guī)模集成電路、微處理器、聲表面波器件以及數(shù)字信號處理、程控交換技術(shù)的進(jìn)步，使移動通信技術(shù)越來越完善。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 移動通信按使用環(huán)境、多址方式、服務(wù)范圍、工作方式及信號形式等的不同，有不同的分類方法。按使用環(huán)境可分為陸上、海上和空中移動通信；按多址方式可分為頻分多址（ FDMA）、時分多址（ TDMA）、碼分多址（ CDMA）；按服務(wù)范圍可分為專用網(wǎng)和公眾網(wǎng)；按工作方式可分為同頻單工、異頻單工、半雙工和全雙工；按信號形式可分為模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)；等等。 移動通信涉及的范圍很廣，凡是固定體與移動體，或移動體之間通過無線電波進(jìn)行的通信，都屬于移動通信的范疇。移動通信系統(tǒng)形式多樣，如無線尋呼系統(tǒng)、無繩電話系統(tǒng)、蜂窩移動通信系統(tǒng)、集群系統(tǒng)、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)等。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 移動通信的發(fā)展歷程 （ 1G） 第一代移動通信系統(tǒng)（ 1G）是以模擬蜂窩為主要特征的模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)。 20世紀(jì) 70年代至 80年代，隨著集成電路技術(shù)、微型計算機(jī)和微處理器的發(fā)展，以及由美國貝爾實驗室推出的蜂窩系統(tǒng)的概念和理論的應(yīng)用，美國和日本等國家紛紛研制出陸地移動電話系統(tǒng)，具有代表性的有美國的 AMPS系統(tǒng)、英國的 TACS系統(tǒng)、北歐的 NMT系統(tǒng)、德國的 C系統(tǒng)以及日本的 HCMTS和 NTT系統(tǒng)等。這個時期系統(tǒng)的主要技術(shù)是模擬調(diào)頻（ FM）和頻分多址 (FDMA)，使用的頻段為 800／ 900MHz（早期曾使用 450MHz），稱為第一代移動通信系統(tǒng)。這一階段是使移動通信系統(tǒng)不斷完善和成熟的階段，進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代后，許多無線系統(tǒng)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來，尋呼系統(tǒng)和無繩電話系統(tǒng)不斷擴(kuò)大服務(wù)范圍，很多相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 1G系統(tǒng)的主要缺點是頻譜利用率低，系統(tǒng)容量有限，抗干擾能力差，業(yè)務(wù)質(zhì)量比有線電話差，而且當(dāng)時國際標(biāo)準(zhǔn)化落后，有多種系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，跨國漫游很難，不能發(fā)送數(shù)字信息，不能與綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ ISDN）兼容等。目前 1G已逐步被各國淘汰。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 （ 2G） 第二代移動通信系統(tǒng)（ 2G）是以數(shù)字化為特征的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。 20世紀(jì) 80年代至 90年代，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，通信、信息領(lǐng)域的很多方面都面臨著向數(shù)字化、綜合化、寬帶化方向發(fā)展的問題。第二代移動通信系統(tǒng)以數(shù)字傳輸 (低比特率語音編碼，采用 GMSK/QPSK數(shù)字調(diào)制技術(shù)以及自適應(yīng)均衡技術(shù) )、時分多址和碼分多址為主體技術(shù)，主要業(yè)務(wù)包括電話和數(shù)據(jù)等窄帶綜合數(shù)字業(yè)務(wù)，可與窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ NISDN）相兼容。 時分多址（ TDMA）體制主要有三種：歐洲的全球移動通信系統(tǒng)（ GSM）、美國的數(shù)模兼容系統(tǒng)（ DAMPS，又稱 ADC）和日本的PDC(或稱 JDC)。碼分多址（ CDMA）體制主要指美國的 CDMA標(biāo)準(zhǔn) IS95，又稱 CDMAOne。 2G系統(tǒng)的主要缺點是系統(tǒng)帶寬有限，限制了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，也無法實現(xiàn)移動多媒體業(yè)務(wù)，而且由于各國的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)各種體制之間的全球漫游。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 隨著移動用戶數(shù)量的急劇增加 ， 在世界一些發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了頻率資源緊張 、 系統(tǒng)容量飽和的局面 。 移動通信所賴以生存的無線電頻率是一種寶貴的資源 ， 頻譜資源是有限的 ， 但隨著移動通信的飛速發(fā)展 ， 用戶數(shù)量的急劇增加 ， 有限的資源被 “ 無限 ” 地利用 ， 矛盾越來越尖銳 。 而３Ｇ由于采用了 CDMA技術(shù) ， 相對于２Ｇ來說可以提供更大的系統(tǒng)容量 ，有效緩解急劇增長的用戶數(shù)量和有限的頻率資源之間的矛盾 。從這個角度分析 ， ２Ｇ的無線技術(shù)必將被３Ｇ所取代 。 從 2G向 3G發(fā)展 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展 ， 人類已經(jīng)逐漸步入信息化社會 ， 人們對于移動通信也提出了越來越高的要求 。 在這種潮流下 ， 分組交換 、 ATM、 IP等各種技術(shù)的融合已經(jīng)成為移動通信的發(fā)展趨勢 ， 而且移動通信和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也越來越緊密 。 同時 ， 信息技術(shù)的發(fā)展和用戶的多樣化 、 個性化需求要求移動通信系統(tǒng)提供更豐富 、 更個性化的業(yè)務(wù) ，如圖像 、 話音與數(shù)據(jù)相結(jié)合的多媒體業(yè)務(wù)和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) ，但 2G系統(tǒng)主要為用戶提供話音業(yè)務(wù)和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) ， QoS能力有限 ， 無法滿足用戶多媒體 、 電子商務(wù) 、 移動上網(wǎng)等多種新興通信的要求 。 而 3G能夠達(dá)到高速車載環(huán)境下 384kb/s、低速或靜止?fàn)顟B(tài)下 2Mb/s及以上的速率 ， 因此可提供多樣化 、個性化業(yè)務(wù) ， 并向多媒體化 、 智能化 、 分組化方向發(fā)展 。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 由于話音業(yè)務(wù)的利潤空間日益縮小 ， 要提高ＡＲＰＵ ，還需要開展豐富的差異化競爭業(yè)務(wù) 。 因為２Ｇ直接將業(yè)務(wù)本身標(biāo)準(zhǔn)化 ， 所以同一種業(yè)務(wù)就只有一種標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)方式 ， 不利于第三方的快速引入和業(yè)務(wù)生成 ， 生成新業(yè)務(wù)比較困難 ， 無法充分滿足用戶多樣化 、 個性化的業(yè)務(wù)需求 。 而在３Ｇ中 ，某個特定業(yè)務(wù)可以抽象為多個業(yè)務(wù)能力特征的集合 ， 每個業(yè)務(wù)能力特征可以根據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)的不同而由不同的業(yè)務(wù)能力具體實現(xiàn) ， 這表現(xiàn)了３Ｇ業(yè)務(wù)生成的多樣化和靈活性 。 運(yùn)營商只有充分利用３Ｇ平臺來開展差異化競爭 ， 才能在未來的激烈競爭中生存發(fā)展 。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 （ 3G） 第三代移動通信系統(tǒng)（ 3G）以多媒體業(yè)務(wù)為主要特征。 20世紀(jì) 90年代中期，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及信息的個人化、業(yè)務(wù)的多樣化和綜合化，移動通信的第三代系統(tǒng)進(jìn)入了研制階段。國際電聯(lián)（ ITU）提出第三代移動通信系統(tǒng) IMT[CD*2]2022的目的是克服第二代系統(tǒng)因技術(shù)局限而無法提供寬帶移動通信業(yè)務(wù)的缺陷。IMT2022的目標(biāo)是全球統(tǒng)一頻段，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，全球無縫覆蓋；實現(xiàn)高服務(wù)質(zhì)量、高保密性能、高頻譜效率；提供從低速率的語音到高達(dá) 2Mb/s的多媒體業(yè)務(wù)。世界各地在開發(fā)第三代移動通信的進(jìn)程中形成了北美、歐洲和日本三大區(qū)域性集團(tuán)，它們分別推出了 WCDMA、 UTRATDD和寬帶 CDMAOne的技術(shù)方案。 3G系統(tǒng)于本世紀(jì)初投入商業(yè)運(yùn)營。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 我國積極參與了 3G標(biāo)準(zhǔn)化工作，并于 1998年 6月向國際電聯(lián)（ ITU）提出了中國的 RTT建議，即 TDSCDMA方案，并被國際電聯(lián)吸納，成為目前國際上的三個 RTT建議之一。2022年 10月， ITU批準(zhǔn) WiMAX無線寬帶接入技術(shù)以O(shè)FDMAWMANTDD的名義成為繼 WCDMA、 CDMA202TDSCDMA后的第四個 3G標(biāo)準(zhǔn)。 WiMAX全稱為WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess(全球微波接入互操作性 )。 WiMAX的另一個名字是 ，是一項無線城域網(wǎng)(WMAN)技術(shù)，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。它用于將 ，也可將公司、家庭等環(huán)境連至有線骨干線路。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 它可作為線纜和 DSL的無線擴(kuò)展技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)大體可以分為兩種：一種是 ，支持固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口；另外一種是 ，支持固定和移 WiMAX是一項新興的功能強(qiáng)大的無線接入技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。 WiMAX用戶可以在 50km以內(nèi)的范圍以非?？斓乃俣冗M(jìn)行數(shù)據(jù)通信。盡管 3G網(wǎng)絡(luò)的速度已經(jīng)有了大幅的提高，但是比起 WiMAX來，仍然較低，大概為 WiMAX的 1/30，3G發(fā)射塔的覆蓋面積也僅為 WiMAX的 1/10。盡管如此，與3G其他系統(tǒng)相比，目前 WiMAX在自身技術(shù)、實時業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)支持能力、標(biāo)準(zhǔn)成熟度、產(chǎn)業(yè)規(guī)模以及技術(shù)和設(shè)備成熟性等方面還難以與 3G抗衡。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 3G標(biāo)準(zhǔn)的局限性主要是 IMT2022中最關(guān)鍵的無線傳輸技術(shù)（ RTT）以及核心網(wǎng)制式均未統(tǒng)一，因此很難達(dá)到原IMT2022全球通用的標(biāo)準(zhǔn)。此外， 3G系統(tǒng)帶寬對寬帶多媒體業(yè)務(wù)的傳輸而言仍然不夠?qū)挘贿m應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求，因此世界各國已經(jīng)開始了后 3G（ 4G）的研究計劃。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 第四代移動通信（ 4G）標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)狀 1. 1） 第四代移動通信的要求數(shù)據(jù)速率從 2Mb/s提高到 100Mb/s，能夠提供 150Mb/s的高質(zhì)量的影像服務(wù) 。 在無線信道下 ， 要如此大幅度地提高傳輸速率 ,如何突破頻率選擇性衰落的影響是關(guān)鍵 。 被 4G看好的高速調(diào)制技術(shù)為多載波正交頻分復(fù)用（ OFDM） 調(diào)制技術(shù) 。 OFDM技術(shù)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù) 。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 它的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定的信道分成許多正交子信道 ， 在每個子信道上使用一個載波進(jìn)行調(diào)制 ， 各子載波并行傳輸 ， 以獲得高速 。 雖然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 ， 并且在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸 ， 即信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬 ， 因此就可以大大消除信號波形間的干擾 。OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾 ，并由于子信道的頻譜是可以相互交疊的 ， 因而頻率利用率高 。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 2） 3G中也采用了該技術(shù) 。 通過 3G的開發(fā) ， 軟件無線電技術(shù)將進(jìn)一步向前發(fā)展 ， 也將更為成熟 。 它可使移動終端和基站從 3G到 4G的發(fā)展速度大大加快 ， 系統(tǒng)升級變得十分便捷 。 3） 3G也采用了該技術(shù) 。 智能天線具有抑制干擾 、 信號自動跟蹤以及數(shù)字波束形成等智能功能 ， 用于移動通信 ， 既可改善信號質(zhì)量 ， 又能增加傳輸容量 。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 4） 4G系統(tǒng)要滿足 3G不能達(dá)到的高速數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體服務(wù)的需要 ， 應(yīng)能與寬帶 IP網(wǎng)絡(luò) 、 寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（ BISDN） 和異步傳送模式 （ ATM） 兼容 ， 實現(xiàn)寬帶多媒體通信 ， 形成綜合寬帶通信網(wǎng) 。 在處理多媒體業(yè)務(wù)時 ， 智能無線資源管理和路由選擇是關(guān)鍵技術(shù) ， 無線資源管理需根據(jù)用戶的應(yīng)用類別以及 QoS要求 ， 安排與分配可用資源 、前 /后向鏈路的傳輸速率 ， 并完成選路 、 全程質(zhì)量管理 、無縫切換等 。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 1. 3G在全球布局后 ， 4G的路如何走一直是行業(yè)關(guān)注的熱點問題 ， 從 2022年開始 ， 國際上 3GPP和 3GPP2兩個 3G標(biāo)準(zhǔn)化組織就開始制訂新一輪的 3G演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn) 。 2022年 ， ITU將開始向全世界征求 “ 后 3G”候選標(biāo)準(zhǔn) 。 目前 ， 已經(jīng)有許多公司宣布自己的技術(shù)是 4G。 世界范圍內(nèi)面向 4G的說法大部分還是在速度上的提升 ， 是通過各種技術(shù)提高傳輸?shù)乃俣?，在這方面有兩支不同的隊伍 。 第一章 概 述 電子信息工程系通信技術(shù)教研室 傳統(tǒng)的 WCDMA陣營的運(yùn)營商和制造商都把 HSDPA、HSUPA當(dāng)作自己的發(fā)展方向 ， 在這些技術(shù)進(jìn)一步演進(jìn)之后 ，LTE技術(shù)著重考慮的方面主要包括降低時延 、 提高用戶的數(shù)據(jù)速率 、 增大系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍以及降低運(yùn)營成本等 。 為了滿足這些要求 ， 需要對無