移动通信系统的发展

初广前，曹　燕，赵　勇

(1. 山东交通学院 信息科学与电气工程学院，济南　250357；2. 山东奥太电气有限公司，济南　250104；3. 国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250002)

移动通信系统的发展

初广前1，曹燕2，赵勇3

(1. 山东交通学院 信息科学与电气工程学院，济南250357；2. 山东奥太电气有限公司，济南250104；3. 国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250002)

移动通信的发展突飞猛进，由第一代模拟通信系统发展到第二代数字移动通信系统，经历第三代多媒体业务通信系统，发展到现在的宽带高速数据传输的第四代移动通信系统。第五代移动通信系统目前正研究中，商业运营已指日可待。

移动通信系统；频分多址；时分多址；码分多址

本文著录格式：初广前，曹燕，赵勇. 移动通信系统的发展[J]. 软件，2016，37（9）：59-61

0　引言

从19世纪70年代第一代模拟通信系统诞生至今，已发展到第四代、第五代移动通信系统。为了了解移动通信系统的发展历程，每一代移动通信系统概述如下。

1　第一代移动通信系统(1 generation,1G)

第一代以模拟式蜂窝网为主要特征，是20世纪70年代末80年代初开始商用化的。代表性的系统有北美的AMPS（Advanced Mobile Phone Service）、欧洲的TACS（Total Access Communication System）两大系统。

第一代移动通信系统的主要技术是模拟调频、频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access），它们以模拟方式工作，使用频段为800 MHz/ 900 MHz。第一代移动通信系统的主要业务是单一模拟语音业务。

第一代移动通信系统是模拟移动通信系统，已经完全淘汰，尽管这样，第一代移动通信系统是移动电话从无到有，实现了零的突破，是人类通信史上的重要里程碑。自第二代移动通信系统开始，开创了数字移动通信的新纪元。

2　第二代移动通信系统(2 generation，2 G)和第二点五代移动通信系统(2.5 generation, 2.5 G)

第二代以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，是20世纪90年代初正式商用的。代表性的系统有欧洲的GSM（Group Special Mobile or Global System for Mobile Communications）系统北美的IS-95两大系统。第二代移动通信系统的主要业务是数字式语音业务和相同速率电路交换的数据业务[1]。

GSM系统基于时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）按时序组成信号的帧结构。GSM基本思想是小区中各移动台占用同一频带，但使用不同的时隙。通常各移动台只在规定的时隙内，以突发的形式发射它的信号，这些信号通过基站的控制在时间上依次排列、互补重叠；同样，各移动台只要在指定时隙内接收信号，就能从合路信号中将发给它的信号区分出来。

GSM系统的特点：①系统灵活；②采用数字通信方式，提高通信质量；③FDMA与TDMA大大高方式相结合，频率利用率；④保密性能好；⑤多业务与漫游功能。

码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）体制具有抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰、抗多径、抗第三移动通信系统延迟扩展的能力。同时具有提高蜂窝系统的通信能力，便于模拟与数字体制的共存及过度等优点。

二代窄带CDMA系统目前主要采用IS-95标准。CDMA系统采用的扩频技术不同于直扩与跳频，CDMA是用自关性很强，而互关性很弱的码序列作为地址码，对已调信息进行二次调制。不同用户信号采用互成正交（准正交）的不同的地址码，信道中所传输的各宽带信号在时间上和空间上可以互相重叠[2-3]。

第二点五代移动通信系统GPRS（General Packet Radio Service）通用分组无线业务目标是提供高达115.2 kb/s速率的分组数据业务。为实现GPRS业务的功能，在GSM网络的基础上，增加两个主要单元，SGSN（GPRS服务支持节点）和GGSN（GPRS网关支持节点）。SGSN的工作是对移动终端进行定位和跟踪，并发送和接收移动终端的分组。GGSN将SGSN发送和接收的GSM分组按照其他分组协议（如IP）发送到其他网络[4]。

第二点五代移动通信系统主要业务是数字化语音业务和小于64 kbps的电路交换、小于171.2 kbps的的分组交换的各类数据业务。

3　第三代移动通信系统(3 generation, 3 G)

第三代移动通信以多媒体业务为主要特征。21世纪初投入商业化运营。国际电信联盟（ITU）批准的3G主流技术标准分别为WCDMA、cdma2000和TDSCDMA。

WCDMA（wideband CDMA）是由欧洲和日本提出的第三代移动通信系统标准。WCDMA工作于频分双工（FDD）方式，其核心网络基于GSM-MAP，主要特点是重视从GSM网络向WCDMA网络的演进（以GPRS作为中间衔接）。

李绪琴(1992-)，女，硕士研究生，主要研究方向为光学三维传感.Email:1158223522@qq.com

WCDMA系统支持宽带业务，可有效支持电路交换业务、分组交换业务，灵活的无线协议可在一个载波内对同一用户同时支持语音、数据和多媒体业务；通过透明和非透明传输块来支持实时和非实时业务[5]。

cdma2000是由美国电信工业协会标准组织提出的第三代CDMA移动通信系统的技术建议，是IMT2000系统的三大主流技术标准之一。也是IS-95标准向第三代移动通信系统演进的技术体制方案。cdma2000工作于频分双工（FDD）方式，可从IS95-B的CDMA系统的基础上平滑过渡到3G系统。

TDSCDMA（time division synchronous CDMA，时分同步码分多址）是同时利用时间分割和代码分割的多址技术，由我国电信科学技术研究院提出，是FDMA、TDMA和CDMA三种多址方式的灵活结合。

TDSCDMA与WCDMA和cdma2000所采用的FDD模式不同，采用的是TDD模式，并且同时采用了同步CDMA/智能天线、软件无线电、联合检测、接力切换、低码偏速率和多时隙TDMA等一系列新技术，从而提高了系统的抗干扰能力，降低了发射功率，减少了电磁污染，节约了制造成本，增加了系统容量[5]。

TD-SCDMA技术于2000年正式被ITU（International Telecommunication Union）确认为第三代移动通信标准，是我国第一个具有完全自主知识产权的国际通信标准，其出现在我国通信发展史上具有里程碑是的意义，极大地提高了我国在移动通信领域的技术水平，是整个中国通信业的重大突破。

3G的关键技术：（1）高效信道编译码技术；（2）软件无线电技术；（3）智能天线阵技术；（4）多用户检测和干扰消除技术；（5）向全IP网过度。

在第三代移动通信系统中，用户业务既可以是单一的语音、数据、图像，也可以是多媒体业务，且用户选择业务是随机的。

4　第四代移动通信系统(4 generation, 4 G)

第四代移动通信系统以宽带高速数据传输为主要特征。代表性的系统有TDD-LTE（Time Division Duplexing-Long Term Evolution）和FDD-LTE（Frequency Division Duplexing-Long Term Evolution）两种制式。TDD-LTE是TDD版本的LTE技术，是TD-SCDMA的长期演进方向。FDD-LTE是FDD版本的LTE技术，是cdma2000和WCDMA的长期演进方向[6]。

TDD-LTE（Time Division Long Term Evolution，时分长期演进）是基于3GPP长期演进技术（LTE）的一种通讯技术与标准，属于LTE的一个分支。该技术由上海贝尔、诺基亚西门子 通信、大唐电信、华为技术、中兴通讯、中国移动、高通、ST-Ericsson等业者共同开发。

TDD-LTE也叫LTE-TDD，TDD即指时分双工（Time-division duplex）。事实上其技术属于LTE（长期演进技术）。中国政府和企业是TDD-LTE的主要推动者。TDD-LTE的升级版叫做TDD-LTE Advanced，是真正的4G标准。

FDD（频分双工）是该LTE技术的双工模式之一，应用FDD（频分双工）式的LTE即为FDD-LTE。由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个 厂家的利益等因素，FDD-LTE的标准化与产业发展都领先于TDD-LTE。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富 的一种4G标准。

FDD模式的特点是在分离（上下行频率间隔190 MHz）的两个对称频率信道上，系统进行接收和传送，用保证频段来分离接收和传送信道。FDD模式的优点是采用包交换等技术，可突破二代发展的瓶颈，实现高速数据业务，并可提高频谱利用率，增加系统容量。

频分双工（FDD）和时分双工（TDD）是两种不同的双工方式。FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路。FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。

TDD用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不 连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。

5　第五代移动通信系统(5 generation, 5 G)

第五代移动通信技术，是4G之后的延伸，目前正在研究中。据业内预测，采用的关键技术有：

（1）高频段传输。移动通信传统工作频段主要集中在3 GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波频段）可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，支持5 G容量和传输速率等方面的需求。高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注[7]。

（2）新型多天线传输:多天线技术经历了从无源到有源，从二维到三维，从高阶MIMO(Multiple Input Multiple Output)到大规模阵列的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一[7]。

（3）同时同频全双工：同时同频全双工技术吸引了业界的注意力。利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。然而，全双工技术需要具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时还存在相邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。

（4）密集网络：在未来的5G通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，数据流量将出现井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集网络成为实现未来5G的1 000倍流量需求的主要手段之一。超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。

（5）新型网络架构：目前，LTE接入网采用网络扁平化架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用C-RAN接入网架构。C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。

6　结论

随着通信技术的发展，移动通信技术的发展日新月异。由第一代模拟移动通信系统发展到第四代移动通信系统以及即将商业化运营的第五代移动通信系统。移动通信系统的发展给人类的生活、生产、娱乐等各方面带来了深刻的影响。

[1] 吴伟陵, 牛凯. 移动通信原理[M]. 第二版, 北京: 电子工业出版社, 2009.

[2] 孟文超, 段红光. GEO多波束卫星移动通信系统多址方式选择的研究[J]. 新型工业化, 2013, 3(6): 57-60.

[3] 张世红. 基于地市级移动通信的数据仓库接口与ETL2设计[J]. 软件, 2015, 36(12): 216-219.

[4] 李建东, 郭梯云. 移动通信[M]. 第四版, 西安: 西安电子科技大学出版社, 2006.

[5] 严晓华. 现代通信技术基础[M]. 第二版, 北京: 清华大学出版社, 2010.

[6] 戴源, 朱晨鸣. TD-LTE无线网络规划与设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.

[7] 刘睿智, 孟繁义, 冯昆鹏, 等. 一种用于无线移动通信终端的多频段可重构天线[J]. 新型工业化, 2011, 1(12): 108-112.

Development of Mobile Communication Systems

CHU Guang-qian1, CAO Yan2ZHAO Yong3
(1. School of Information Science Electrical Engeering, Shandong Jiaotong University, Jinan 250357, China; 2. Shandong Aotai Electric Co., Ltd, Jinan 250104, China; 3. Electric Power Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, 250104 China)

Development of mobile communication systems is leaps and bounds, from the first generation analog mobile communication systems to the second generation digital mobile communication system, undergoing the third generation multimedia business mobile communications systems, to the fourth generation mobile communication systems of broadband high-speed data transmission. The fifth generation mobile communication systems are currently being studied. Commercial operation of the fifth generation mobile communication systems has been just around the corner.

Mobile communication systems; FDMA; TDMA; CDMA

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.014