第1章 移動通信技術(shù)的發(fā)展和挑戰(zhàn)

1.1 移動通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程

先介紹幾個概念。有線通信是指將電線或者光纜作為通信介質(zhì)的通信形式。無線通信是指節(jié)點間不經(jīng)由線纜進(jìn)行信號傳輸?shù)耐ㄐ判问健０磦鬏斣O(shè)施類型，無線通信可分為無線移動通信和無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）通信。無線移動通信需要公共基礎(chǔ)通信設(shè)施，使用分組無線電、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星站等來傳輸信號。WLAN通信則采用所有權(quán)歸屬于某家庭或單位的發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備來傳輸信號。

無線通信與有線通信相輔相成，共同推動通信技術(shù)的發(fā)展，二者關(guān)聯(lián)如圖1-1所示。

異步轉(zhuǎn)移模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）是一種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在采用此技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，首先將傳輸數(shù)據(jù)分為固定長度的數(shù)據(jù)，然后建立虛電路（虛信道和虛通道），實現(xiàn)高速信息交換，主要用于有線通信。ATM技術(shù)適用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。IP是一種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IP技術(shù)可以用于保證不同網(wǎng)絡(luò)的互通。IP網(wǎng)絡(luò)是基于傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的分組網(wǎng)。E1是指歐洲的30路脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）標(biāo)準(zhǔn)，速率為2.048 Mbit/s，采用E1標(biāo)準(zhǔn)的線路簡稱2M線。快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet，F(xiàn)E）是通常所說的百兆網(wǎng)，即100 Mbit/s網(wǎng)絡(luò)。IP化指話音、數(shù)據(jù)等各種業(yè)務(wù)均承載在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。軟件定義帶寬是指通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)實現(xiàn)帶寬的靈活配置。

第二代移動通信技術(shù)（2nd Generation Mobile Communication Technology，2G）、第三代移動通信技術(shù)（3rd Generation Mobile Communication Technology，3G）等是無線移動通信技術(shù)，簡稱移動通信技術(shù)。

1968年，在消費電子展上，摩托羅拉公司推出了第一代商用移動電話的原型，之后美國貝爾實驗室發(fā)明了高級移動電話系統(tǒng)（Advanced Mobile Phone System，AMPS），接著提出了改進(jìn)技術(shù)，即全接入網(wǎng)通信系統(tǒng)（Total Access Communication System，TACS），之后全球相繼研發(fā)蜂窩式移動通信網(wǎng)并實現(xiàn)應(yīng)用。早期的移動通信技術(shù)稱為1G，屬于模擬通信方式，采用頻分多址（Frequency-Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）方式、30 kHz帶寬，以及頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）、調(diào)頻（Frequency Modulation，F(xiàn)M）的調(diào)制方式，實現(xiàn)語音應(yīng)用。這是通信歷史上的重大突破，從此移動通信開始飛速發(fā)展。

2G采用數(shù)字信號傳輸，它采用時分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA）和碼分多址（Code-Division Multiple Access，CDMA）、200 kHz帶寬，以及高斯最小頻移鍵控（Gaussian Minimum frequency-Shift Keying，GMSK）調(diào)制方式，實現(xiàn)語音、短信和少量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用。2G主要提供話音和低速數(shù)據(jù)的傳輸業(yè)務(wù)，它包括全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications，GSM）等。相對于1G，2G頻譜利用率得到提高。2G支持多種業(yè)務(wù)服務(wù)，可以與綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（Integrated Services Digital Network，ISDN）等兼容，其標(biāo)準(zhǔn)體制較為完善、技術(shù)相對成熟。但2G較1G的不足在于相對于模擬系統(tǒng)，其容量增加不多，無法和模擬系統(tǒng)兼容，而且2G在有效性與可靠性方面存在不足，對數(shù)據(jù)的加密程度較弱，對通信信息的保密能力不強(qiáng)，信息容易被攻擊者監(jiān)聽。2G中的GSM發(fā)源于歐洲，支持64 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可與ISDN互連。采用GSM標(biāo)準(zhǔn)的有GSM900和DCS1800等系統(tǒng)。以DCS1800為例，它指的是使用1800 MHz頻帶的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)（Digital Cellular System），采用頻分雙工（Frequency-Division Duplex，F(xiàn)DD）方式，每載頻支持8個信道，信號帶寬為200 kHz。

1985年，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）提出了3G標(biāo)準(zhǔn)，它以CDMA為核心技術(shù)，以移動寬帶多媒體通信為目標(biāo)，工作頻帶為2000 MHz，最高業(yè)務(wù)速率可達(dá)2000 kbit/s。CDMA從技術(shù)上主要分為CDMA2000、寬帶碼分多址（Wideband CDMA，WCDMA）和時分同步碼分多址（Time-Division Synchronous CDMA，TD-SCDMA）技術(shù)。CDMA2000采用直接序列擴(kuò)頻CDMA和FDD方式，在EV-DO Rev A版本中，可以在1.25 MHz的頻帶內(nèi)提供高達(dá)3.1 Mbit/s的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。WCDMA也采用直接序列擴(kuò)頻CDMA和FDD方式，以R99/R4為基礎(chǔ)版本，在擴(kuò)展版本R5、R6中，可以5 MHz的頻帶提供高達(dá)21 Mbit/s的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。TD-SCDMA采用時分雙工（Time-Division Duplex，TDD）與FDMA、TDMA、CDMA、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）相結(jié)合的技術(shù)，以R4為基礎(chǔ)版本，可以1.6 MHz的頻帶提供高達(dá)384 kbit/s的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。3G采用CDMA、TDMA、FDMA等方式，最大支持5 MHz頻帶，支持更高階的、包含16種符號的正交調(diào)幅（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）方式，采用自適應(yīng)調(diào)制編碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）、混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）等技術(shù)，可以傳輸較多的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。3G傳輸速率高，支持多媒體業(yè)務(wù)，對于如室內(nèi)、室外等不同的通信環(huán)境，傳輸速率能夠?qū)崿F(xiàn)按需分配。在有效性與可靠性方面，3G的加密保護(hù)和抗干擾能力表現(xiàn)優(yōu)異，與2G相比有了顯著的提升。

長期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）是3G到第四代移動通信技術(shù)（4th Generation Mobile Communication Technology，4G）的過渡。2012年1月，ITU確立了LTE、LTE-Advanced、WiMAX及Wireless MAN-Advanced（IEEE 802.16m）這4種4G（IMT-Advanced）標(biāo)準(zhǔn)。4G采用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM）結(jié)合多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）的多址方式，最大支持20 MHz帶寬，支持更高階的64QAM的方式，采用載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、三維MIMO（3D MIMO）、包含256種符號的QAM（256QAM）等技術(shù)，進(jìn)行更多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，取消了電路交換（Circuit Switching，CS）域應(yīng)用。LTE通信方式靈活多變，采用軟件無線電技術(shù)，通過軟件應(yīng)用和更新，即可實現(xiàn)多種終端通信。

隨著數(shù)字化、全球化趨勢越發(fā)明顯，對移動通信的需求也不斷提高，移動通信需要更高的通信速率和可靠的通信能力，因此出現(xiàn)了第五代移動通信技術(shù)（5th Generation Mobile Communication Technology，5G），5G新空口（New Radio，NR）采用濾波正交頻分復(fù)用（Filtered-Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，F(xiàn)-OFDM），最大支持400 MHz帶寬，支持更高階的256QAM的方式，使用自包含幀、大規(guī)模多輸入多輸出無線陣列（Massive MIMO）等技術(shù)，支持大規(guī)模機(jī)器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC，也稱大連接物聯(lián)網(wǎng)）、增強(qiáng)型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，URLLC）三大場景應(yīng)用。5G帶來更好的用戶體驗、更高的網(wǎng)絡(luò)平均傳輸速率和更低的傳輸時延，并且使用更高頻段的頻譜。

綜上所述，移動通信系統(tǒng)的典型特征演進(jìn)歷程如圖1-2所示，其中R99、R7、R8、R14、R15、R17指不同技術(shù)對應(yīng)的第三代合作伙伴計劃（3rdGeneration Partnership Project，3GPP）協(xié)議版本號。1G發(fā)展到2G，實現(xiàn)了從模擬電路到數(shù)字電路的變遷；2G發(fā)展到3G，實現(xiàn)了從語音通信到數(shù)據(jù)通信的飛躍；4G將互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)用于移動通信，大大提高了帶寬的使用率；4G發(fā)展到5G，實現(xiàn)了固定網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)的融合。移動通信技術(shù)從1G到5G，不斷發(fā)展，多址方式越來越多，調(diào)制方式逐步演進(jìn)，信道帶寬不斷增長，采用的技術(shù)“百花齊放”，主要應(yīng)用豐富多彩，網(wǎng)絡(luò)融合不斷發(fā)展，第六代移動通信技術(shù)（6th Generation Mobile Communication Technology，6G）的到來更是讓人充滿期待。