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通信的发展历程

通信的发展历程
一、通信的起源
人类进行通信的历史已很悠久。早在远古时期,人们就通过简单 的语言、 壁画等方式交换信息。 千百年来, 人们一直在用语言、 图符、 钟鼓、 烟火、 竹简、 纸书等传递信息, 古代人的烽火狼烟、 飞鸽传信、 驿马邮递就是这方面的例子。现在还有一些国家的个别原始部落,仍 然保留着诸如击鼓鸣号这样古老的通信方式。在现代社会中,交通警 的指挥手语、 航海中的旗语等不过是古老通信方式进一步发展的结果。 这些信息传递的基本方都是依靠人的视觉与听觉。 随着人类社会的发展,人们的生活范围,交际圈子的不断扩展。 相互之间的交流就显得越发重要。在 19 世纪中叶以后,随着电报、 电话的发有, 电磁波的发现, 人类通信领域产生了根本性的巨大变革, 实现了利用金属导线来传递信息,甚至通过电磁波来进行无线通信, 使神话中的“顺风耳”、“千里眼”变成了现实。从此,人类的信息传递 可以脱离常规的视听觉方式,用电信号作为新的载体,与此同时也进 行了一系列技术革新,开始了人类通信的新时代。

二、通信的技术革新
1837 年,美国人塞缪乐.莫乐斯(Samuel Morse)成功地研制出 世界上第一台电磁式电报机,实现了长途电报通信。 1864 年,英国物理学家麦克斯韦(J.c.Maxwel)建立了一套电磁

理论,预言了电磁波的存在,说明了电磁波与光具有相同的性质,两 者都是以光速传播的。 1875 年,苏格兰青年亚历山大.贝尔(A.G.Bell)发明了世界上第 一台电话机。 1888 年,德国青年物理学家海因里斯.赫兹(H.R.Hertz)用电波 环进行了一系列实验,发现了电磁波的存在,他用实验证明了麦克斯 韦的电磁理论,导致了无线电的诞生和电子技术的发展。电磁波的发 现产生了巨大影响。不到 6 年的时间,俄国的波波夫、意大利的马可 尼分别发明了无线电报,实现了信息的无线电传播,其他的无线电技 术也如雨后春笋般涌现出来。 1904 年英国电气工程师弗莱明发明了二极管。1906 年美国物理 学家费森登成功地研究出无线电广播。1907 年美国物理学家德福莱 斯特发明了真空三极管, 美国电气工程师阿姆斯特朗应用电子器件发 明了超外差式接收装置。 1920 年美国无线电专家康拉德在匹兹堡建立了世界上第一家商 业无线电广播电台,从此广播事业在世界各地蓬勃发展,收音机成为 人们了解时事新闻的方便途径。1924 年第一条短波通信线路在瑙恩 和布宜诺斯艾利斯之间建立。1933 年法国人克拉维尔建立了英法之 间和第一第商用微波无线电线路,推动了无线电技术的进一步发展。 电磁波的发现也促使图像传播技术迅速发展起来。1922 年 16 岁 的美国中学生菲罗.法恩斯沃斯设计出第一幅电视传真原理图,1929 年申请了发明专利,被裁定为发明电视机的第一人。1928 年美国西

屋电器公司的兹沃尔金发明了光电显像管,并同工程师范瓦斯合作, 实现了电子扫描方式的电视发送和传输。1935 年美国纽约帝国大厦 设立了一座电视台,次年就成功地把电视节目发送到 70 公里以外的 地方。 1938 年兹沃尔金又制造出第一台符合实用要求的电视摄像机。 经过人们的不断探索和改进,1945 年在三基色工作原理的基础上美 国无线电公司制成了世界上第一台全电子管彩色电视机。直到 1946 年,美国人罗斯.威玛发明了高灵敏度摄像管,同年日本人八本教授 解决了家用电视机接收天线问题, 从此一些国家相继建立了超短波转 播站,电视迅速普及开来。 图像传真也是一项重要的通信。自从 1925 年美国无线电公司研 制出第一部实用的传真机以后,传真技术不断革新。1972 年以前, 该技术主要用于新闻、 出版、 气象和广播行业; 1972 年至 1980 年间, 传真技术已完成从模拟向数字、从机械扫描向电子扫描、从低速向高 速的转变,除代替电报和用于传送气象图、新闻稿、照片、卫星云图 外,还在医疗、图书馆管理、情报咨询、金融数据、电子邮政等方面 得到应用;1980 年后,传真技术向综合处理终端设备过渡,除承担 通信任务外,它还具备图像处理和数据处理的能力,成为综合性处理 终端。静电复印机、磁性录音机、雷达、激光器等等都是信息技术史 上的重要发明。 此外,作为信息超远控制的遥控、遥测和遥感技术也是非常重要 的技术。遥控是利用通信线路对远处被控对象进行控制的一种技术, 用于电气事业、输油管道、化学工业、军事和航天事业;遥测是将远

处需要测量的物理量如电压、 电流、 气压、 温度、 流量等变换成电量, 利用通信线路传送到观察点的一种测量技术,用于气象、军事和航空 航天业;遥感是一门综合性的测量技术,在高空或远处利用传感器接 收物体辐射的电磁波信息, 经过加工处理或能够识别的图像或电子计 算机用的记录磁带,提示被测物体一性质、形状和变化动态,主要用 于气象、军事和航空航天事业。 随着电子技术的高速发展,军事、科研迫切需要解决的计算工具 也大大改进。1946 年美国宾夕法尼亚大学的埃克特和莫希里研制出 世界上第一台电子计算机。 电子元器件材料的革新进一步促使电子计 算机朝小型化、高精度、高可靠性方向发展。20 世纪 40 年代,科学 家们发现了半导体材料,用它制成晶体管,替代了电子管。1948 年 美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉坦发明了晶体三极管,于是晶 体管收音机、晶体管电视、晶体管计算机很快代替了各式各样的真空 电子管产品。 1959 年美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路,从此微电子技 术诞生了。1967 年大规模集成电路诞生了,一块米粒般大小的硅晶 片上可以集成 1 千多个晶体管的线路。1977 年美国、日本科学家制 成超大规模集成电路, 平方毫米的硅晶片上集成了 13 万个晶体管。 30 微电子技术极大地推动了电子计算机的更新换代, 使电子计算机显示 了前所未有的信息处理功能,成为现代高新科技的重要标志。 为了解决资源共享问题,单一计算机很快发展成计算机联网,实 现了计算机之间的数据通信、数据共享。通信介质从普通导线、同轴

电缆发展到双绞线、光纤导线、光缆;电子计算机的输入输出设备也 飞速发展起来,扫描仪、绘图仪、音频视频设备等,使计算机如虎添 翼, 可以处理更多的复杂问题。 世纪 80 年代末多媒体技术的兴起, 20 使计算机具备了综合处理文字、声音、图像、影视等各种形式信息的 能力,日益成为信息处理最重要和必不可少的工具。 至此,我们可以初步认为:信息技术(Information Technology, 简称 IT) 是以微电子和光电技术为基础, 以计算机和通信技术为支撑, 以信息处理技术为主题的技术系统的总称,是一门综合性的技术。电 子计算机和通信技术的紧密结合,标志着数字化信息时代的到来

三、通信的演进过程
早在 1897 年,马可尼在陆地和一只拖船之间用无线电进行了消 息传输,成为了移动通信的开端。至今,移动通信已有 100 多年的历 史,在这期间移动通信技术日新月异,从 1978 年的第一代模拟蜂窝 网电网系统的诞生到第二代全数字蜂窝网电话系统的问世, 将无线通 信与国际互联网等多媒体通信结合的第三代移动通信系统, 现如今正 在兴起的 LTE(Long Term Evolution,长期演进)及将要进入的集 3G 与 WLAN 于一体的第四代移动通信。

1、

第一代移动通信

1.1 概念
第一代移动通信技术(1G)是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝

电话标准,制定于上世纪 80 年代。第一代移动通信系统的典型代表 是美国的 AMPS(Advanced Mobile Phone Service)系统(先进移动 电话系统)和后来的改进型系统 TACS(Total Access Communications System) 系 统 ( 全 入 网 通 信 系 统 ) 以 及 瑞 典 , 挪 威 和 丹 麦 的 , NMT(Nordic Mobile Telephony 北 欧 移 动 电 话 ) 和 NTT(Nippon Telegraph And Telephone Corporation 日本电信电话株式会社)等。

1.2、利用技术及特点
第一代移动通信 主 要采用的是模 拟技术和频分多 址 FDMA (frequency division multiple access)技术。FDMA 是数据通信中 的一种技术,即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上。按 照这种技术, 把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配 给用户。同固定分配系统相比,频分多址使通道容量可根据要求动态 地进行交换。此系统是使用单个大功率的发射机和高塔,覆盖地区超 过 50km,仅能以半双工模式提供语音服务,使用 120kHz 带宽。 由于模拟系统的系统容量小, 还有 FDMA 技术在信道之间必须 有警界波段来使站点之间相互分开, 这样在警界波段就会成很大的带 宽浪费。而且,模拟系统的安全性能很差,任何有全波段无线电接收 机的人都可以收听到一个单元里的所有通话。另外,此技术对天线和 基站的破坏也很严重。因此模拟系统主要以语音业务为主,基本上很 难开展数据业务。

1.3、缺点
众所周知,传输和处理模拟信号的系统称为模拟通信系统,?而传 输和处理数字信号的系统称为数字通信系统。目前,实际中应用的移 动通信,?大多属于数字通信。因为模拟移动通信系统投入运行以来, 其用户虽迅速增长,但对经济发达国家和地区,存在很多不足之处,这 主要表现在以下几点: (1) 模拟移动通信系统制式复杂,不易实现国际漫游。 (2) 模拟移动通信系统不能提供综合业务数字网(ISDN)业务,?而 通信网的发展趋势最终将向 ISDN 过渡。因此随着非话业务的发展,? 综合业务数字网逐步投入使用,对移动通信领域数字化要求越来越迫 切。 (3) 模拟移动通信系统设备价钱高,手机体积大,电池充电后有效 工作时间短,目前只能持续工作 8 小时,给用户带来不便。 (4) 模拟移动通信系统用户容量受限制,在人口密度很大的城市, 系统扩容困难.

2、第二代移动通信
2.1、概念
由于模拟移动通信所带来的局限性,到 20 世纪 80 年代中期到 21 世纪初,数字移动通信系统得到了大规模应用,其代表技术是欧 洲的 GSM,也就是通常所说的第二代移动通信技术(2G) 。 GSM 是由欧洲电信标准组织 ETSI 制订的一个数字移动通信标准。

GSM 是全球移动通信系统(Global System of Mobile communication) 的 简称。 它的空中接口采用时分多址技术. 自 90 年代中期投入商用以 来,被全球超过 100 个国家采用。GSM 标准的设备占据当前全球蜂 窝移动通信设备市场 80%以上。

2.2、技术及特点
(1)频谱效率 由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和

语音编码技术,使系统具有高频谱效率。 (2)容量 由于每个信道传输带宽增加,使同频复用栽干比要求降

低至 9dB, GSM 系统的同频 复用模式可以缩小到 4/12 或 3/9 甚至 故 更小(模拟系统为 7/21) ;加上半速率话音编码的引入和自动话务分 配以减少越区切换的次数,使 GSM 系统的容量 效率(每兆赫每小区 的信道数)比 TACS 系统高 3~5 倍。 (3) 话音质量 鉴于数字传输技术的特点以及 GSM 规范中有关空中 接口和话音编码的定义,在门限值以上时,话音质量总是达到相同的 水平而与无线传输质量无关。 (4)开放的接口 GSM 标准所提供的开放性接口,不仅限于空中接 口,而且报刊网络直接以及网络中各设备实体之间,例如 A 接口和 Abis 接口。 (5)安全性 通过鉴权、加密和 TMSI 号码的使用,达到安全的目

的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口,由 SIM 卡和 网络 AUC 的密钥决定。TMSI 是一个由业务网络给用户指定的临时识

别号,以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。

2.3、系统组成
GSM 被分成三个子系统:网络交换子系统(Network Switching Subsystem NSS);基站子系统(Base Station Subsystem BSS);网络 管理子系统(Network Management Subsystem NMS),网络管理子系 统(NMS)又叫操作与维护中心(OMC--Operation & Maintenance Center)。 网络子系统 NSS 是整个 GSM 系统的核心。 它对 GSM 移动用户之 间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换连接与管理的功 能。基站子系统 BSS 是 GSM 系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基 本组成部分, 它通过无线接口直接与移动台相连负责无线信息的发送 接收, 无线资源管理及功率控制等, 同时它与 NSS 相连实现移动用户 间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接, 传送系统信息和用户 信息等。 网络管理子系统 NMS 负责 NSS 和 BSS 系统的维护管理工作。

2.4、GPRS
GPRS 是在第二代无线通信系统 GSM 基础上发展起来的,将 GSM 网络为数据流的传输增加了支持分组交换的网络系统设备,第 三代无线通信系统将会在 GPRS 的基础上进行更进一步的技术进步 与发展,为网络全面支持高速、宽带的多媒体数据传输。也就是说,

GPRS 是介于第二代和第三代之间的一种网络技术, 也就是一般称为 的 2.5 代。 GPRS---General Packet Radio Service,通用无线分组业务, 是一种基于 GSM 系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的 无线 IP 连接。通俗地讲,GPRS 是一项高速数据处理的技术,方法 是以"分组"的形式传送资料到用户手上 由于使用了"分组"的技术, 用户上网可以免受断线的痛苦。 此外, 使用 GPRS 上网的方法与 WAP 并不同, WAP 上网就如在家中上 用 网,先"拨号连接",而上网后便不能同时使用该电话线,但 GPRS 就 较为优越,下载资料和通话是可以同时进行的。从技术上来说,声音 的传送(即通话)继续使用 GSM,而数据的传送便可使用 GPRS,这 样的话,就把移动电话的应用提升到一个更高的层次。而且发展 GPRS 技术也十分"经济",因为只须沿用现有的 GSM 网络来发展即 可。GPRS 的用途十分广泛,包括通过手机发送及接收电子邮件,在 互联网上浏览等。

3、 第三代移动通信
3.1、概念
第三代移动通信技术,简称 3G,全称为 3rd Generation,中文含 义就是指第三代数字通信。 1995 年问世的第一代模拟制式手机 (1G) 只能进行语音通话;1996 到 1997 年出现的第二代 GSM、TDMA 等数 字制式手机 (2G) 便增加了接收数据的功能, 如接受电子邮件或网页;

第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升, 它 能够要能在全球范围内更好地实现无缝漫游,并处理图像、音乐、视 频流等多种媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多 种信息服务,同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。

3.2 技术及特点
目前国际电联接受的 3G 标准主要有 WCDMA(日本和欧洲) 、 CDMA2000 (美国) TD-SCDMA 与 (中国) WiMAX 四种。 CDMA 是 Code Division Multiple Access(码分多址)的缩写,是第三代移动通信系统 的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调 制方式,这种系统的主要缺点是频谱利用率低,信令干扰话音业务。 第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式, 提高了系统容量,并采用独立信道传送信令,使系统性能大为改善, 但 TDMA 的系统容量仍然有限,越区切换性能仍不完善。CDMA 系统 以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、 通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。 第三代移动通信的基本特征 (1)具有全球范围设计的,与固定网络业务及用户互连,无线接口 的类型尽可能少和高度兼容性; (2)具有与固定通信网络相比拟的高话音质量和高安全性; (3)具有在本地采用 2Mb/s 高速率接入和在广域网采用 384kb/s 接 入速率的数据率分段使用功能;

(4)具有在 2GHz 左右的高效频谱利用率,且能最大程度地利用有 限带宽; (5)移动终端可连接地面网和卫星网,可移动使用和固定使用,可 与卫星业务共存和互连; (6)能够处理包括国际互联网和视频会议、高数据率通信和非对称 数据传输的分组和电路交换业务; (7)支持分层小区结构,也支持包括用户向不同地点通信时浏览国 际互联网的多种同步连接; (8)语音只占移动通信业务的一部分,大部分业务是非话数据和视 频信息; (9)一个共用的基础设施,可支持同一地方的多个公共的和专用的 运营公司; (10)手机体积小、重量轻,具有真正的全球漫游能力; (11)具有根据数据量、服务质量和使用时间为收费参数,而不是以 距离为收费参数的新收费机制。

3.3、四个国际标准
3.3.1、 W-CDMA 全称为 Wideband CDMA,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。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。目前中国移动正在采用这一方案向 3G 过渡,并已将原有的 GSM 网络升级为 GPRS 网络。 3.3.2、CDMA2000 CDMA2000 是由窄带 CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽 带 CDMA 技术,由美国主推,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。 3.3.3、 TD-SCDMA TD-SCDMA 全称为 Time Division-Synchronous CDMA(时分同步 CDMA) ,是由我国大唐电信公司提出的 3G 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。 但目前大唐电信公司还没有基于这一标准的可供商用的产品推出。

3.3.4、WiMAX
WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波 互联接入。WiMAX 也叫 802· 无线城域网或 802.16。WiMAX 是一项 16 新兴的宽带无线接入技术,能提供面向互联网的高速连接,数据传输

距离最远可达 50km。WiMAX 还具有 QoS 保障、传输速率高、业务丰 富多样等优点。WiMAX 的技术起点较高,采用了代表未来通信技术 发展方向的 OFDM/OFDMA、AAS、MIMO 等先进技术,随着技术标准 的发展,WiMAX 逐步实现宽带业务的移动化,而 3G 则实现移动业务 的宽带化,两种网络的融合程度会越来越高。 WiMAX1 被认为当前最好的一种 access 蜂窝网络,允许便捷地 连接到任何地方服务提供者的宽覆盖区域和采取最高的一 Wi-Fiexperience—the fast 速度和熟悉宽带互联网体验。 然后结合在 一起到一个新无线标准。 能够获得 WiMAX 作为 WiMAX 是一种城域网(MAN)技术。 服务供应商部署一个网络的 塔,就能启用超过许多英里的访问。 覆盖区域内的任何地方可立即 启用互联网连接。和 Wi-Fi 一样 WiMAX 也是一个基于开放标准的技 术,它可以提供消费者希望的设备和服务,它会在全球经济范围内创 造一个开放而具有竞争优势的市场 。 3.3.5、WCDMA、CDMA2000 与 TD—SCDMA 的对比 WCDMA、CDMA2000 与 TD—SCDMA 都属于宽带 CDMA 技术。 宽带 CDMA 进一步拓展了标准的 CDMA 概念, 在一个相对更宽的频带 上扩展信号,从而减少由多径和衰减带来的传播问题,具有更大的容 量,可以根据不同的需要使用不同的带宽,具有较强的抗衰落能力与 抗干扰能力,支持多路同步通话或数据传输,且兼容现有设备。 WCDMA、 CDMA2000 与 TD-SCDMA 都能在静止状态下提供 2Mbit/s 的

数据传输速率,但三者的一些关键技术仍存在着较大的差别,性能上 也有所不同。 1) 双工模式 WCDMA 与 CDMA2000 都是采用 FDD(频分数字双工)模式, TD-SCDMA 采用 TDD(时分数字双工)模式。 FDD 是将上行(发送)和下行(接收)的传输使用分离的两个 对称频带的双工模式, 需要成对的频率, 通过频率来区分上、 下行, 对于对称业务(如语音)能充分利用上下行的频谱,但对于非对称 的分组交换数据业务(如互联网)时,由于上行负载低,频谱利用 率则大大降低。 TDD 是将上行和下行的传输使用同一频带的双工模式,根据时 间来区分上、下行并进行切换,物理层的时隙被分为上、下行两部 分,不需要成对的频率,上下行链路业务共享同一信道,可以不平 均分配,特别适用于非对称的分组交换数据业务(如互联网) 。 TDD 的频谱利用率高,而且成本低廉,但由于采用多时隙的不 连续传输方式,基站发射峰值功率与平均功率的比值较高,造成基 站功耗较大,基站覆盖半径较小,同时也造成抗衰落和抗多普勒频 移的性能较差,当手机处于高速移动的状态下时通信能力较差。 WCDMA 与 CDMA2000 能够支持移动终端在时速 500 公里左右 时的正常通信,而 TD-SCDMA 只能支持移动终端在时速 120 公里左 右时的正常通信。TD-SCDMA 在高速公路及铁路等高速移动的环境 中处于劣势。

2) 码片速率与载波带宽 WCDMA(FDD-DS) 采 用 直 接 序 列 扩 频 方 式 , 其 码 片 速 率 为 3.84Mchip/s。 CDMA20001x 与 CDMA20003x 的区别在于载波数量不同, CDMA20001x 为单载波,码片速率为 1.2288Mchip/s,CDMA20003x 为 三载波,其码片速率为 1.2288×3=3.6864Mchip/s。TD-SCDMA 的码 片速率为 1.28Mchip/s。码片速率高能有效地利用频率选择性分集以 及空间的接收和发射分集,可以有效地解决多径问题和衰落问题, WCDMA 在这方面最具优势。 载波带宽方面,WCDMA 采用了直接序列扩谱技术,具有 5MHz 的载波带宽。 CDMA20001x 采用了 1.25MHz 的载波带宽, CDMA20003x 利用三个 1.25MHz 载波的合并形成 3.75MHz 的载波带宽。TD-SCDMA 采用三载波设计,每载波具有 1.6M 的带宽。载波带宽越高,支持的 用户数就越多, 在通信时发生网塞的可能性就越小。 在这方面 WCDMA 具有比较明显的优势。 TD-SCDMA 系统仅采用 1.28Mchip/s 的码片速率,采用 TDD 双 工模式,因此只需占用单一的 1.6M 带宽,就可传送 2Mbit/s 的数据 业务。而 WCDMA 与 CDMA2000 要传送 2Mbit/s 的数据业务,均需要 两个对称的带宽,分别作为上、下行频段,因而 TD-SCDMA 对频率资 源的利用率是最高的。 3) 智能天线技术 智能天线技术是 TD-SCDMA 采用的关键技术,已由大唐电信 申请了专利, 目前 WCDMA 与 CDMA2000 都还没有采用这项技术。

智能天线是一种安装在基站现场的双向天线,通过一组带有可编 程电子相位关系的固定天线单元获取方向性,并可以同时获取基 站和移动台之间各个链路的方向特性。TD-SCDMA 智能天线的高 效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性(无线环境 和传输条件相同)而获得的。智能天线还可以减少小区间及小区 内的干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱 效率。 4) 越区切换技术 WCDMA 与 CDMA2000 都采用了越区“软切换”技术,即当手 机发生移动或是目前与手机通信的基站话务繁忙使手机需要与一个 新的基站通信时,并不先中断与原基站的联系,而是先与新的基站连 接后,再中断与原基站的联系,这是经典的 CDMA 技术。“软切换” 是相对于“硬切换”而言的。 FDMA 和 TDMA 系统都采用“硬切换”技术, 先中断与原基站的联系, 再与新的基站进行连接, 因而容易产生掉话。 由于软切换在瞬间同时连接两个基站,对信道资源占用较大。而 TD-SCDMA 则是采用了越区“接力切换”技术,智能天线可大致定位用 户的方位和距离,基站和基站控制器可根据用户的方位和距离信息, 判断用户是否移动到应切换给另一基站的临近区域, 如果进入切换区, 便由基站控制器通知另一基站做好切换准备,达到接力切换目的。接 力切换是一种改进的硬切换技术,可提高切换成功率,与软切换相比 可以减少切换时对邻近基站信道资源的占用时间。 在切换的过程中,需要两个基站间的协调操作。WCDMA 无需基

站 间 的 同步 ,通过 两 个 基站 间的定 时 差 别报 告来完 成 软 切换 。 CDMA2000 与 TD-SCDMA 都需要基站间的严格同步,因而必须借助 GPS(Global Positioning System,全球定位系统)等设备来确定手机的 位置并计算出到达两个基站的距离。 由于 GPS 依赖于卫星, CDMA2000 与 TD-SCDMA 的网络布署将会受到一些限制, WCDMA 的网络在许 而 多环境下更易于部署, 即使在地铁等 GPS 信号无法到达的地方也能安 装基站,实现真正的无缝覆盖。而且 GPS 是美国的系统,若将移动通 信系统建立在 GPS 可靠工作的基础上, 将会受制于美国的 GPS 政策, 有一定的风险。 5)与第二代系统的兼容性 WCDMA 由 GSM 网络过渡而来,虽然可以保留 GSM 核心网络, 但必须重新建立 WCDMA 的接入网,并且不可能重用 GSM 基站。 CDMA20003x 从 CDMA IS95、CDMA20001x 过渡而来,可以保留原有 的 CDMA IS95 设备。TD-SCDMA 系统的的建设只需在已有的 GSM 网 络上增加 TD-SCDMA 设备即可。三种技术标准中,WCDMA 在升级的 过程中耗资最大。

4、LTE
4.1 概念
LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是 3G 的演进, 始于 2004 年 3GPP 的多伦多会议。LTE 并非人们普遍误解的 4G 技术,而是 3G 与 4G 技术之间的一个过渡,是 3.9G 的全球标准,它改进并增强了 3G

的空中接入技术,采用 OFDM 和 MIMO 作为其无线网络演进的唯一 标准。 20MHz 频谱带宽下能够提供下行 326Mbit/s 与上行 86Mbit/s 在 的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量和降低系统 延迟。 LTE 也被通俗的称为 3.9G,具有 100Mbps 的数据下载能力,被 视作从 3G 向 4G 演进的主流技术。LTE 的研究,包含了一些普遍认为 很重要的部分,如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量 和覆盖的改善以及运营成本的降低。 3GPP(The 3rd Generation Partnership Project 第三代合作伙伴计 划)长期演进(LTE)项目是近两年来 3GPP 启动的最大的新技术研发项 目, 这种 OFDM/FDMA 为核心的技术可以被看作“准 4G”技术。 3GPP LTE 项目的主要性能目标包括: 20MHz 频谱带宽能够提供下行 100Mbps、 在 上行 50Mbps 的峰值速率; 改善小区边缘用户的性能; 提高小区容量; 降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于 5ms,控制平面从睡 眠状态到激活状态迁移时间低于 50ms,从驻留状态到激活状态的迁 移时间小于 100ms;支持 100Km 半径的小区覆盖;能够为 350Km/h 高速移动用户提供>100kbps 的接入服务; 支持成对或非成对频谱, 并 可灵活配置 1.25 MHz 到 20MHz 多种带宽。

4.2

特点
与 3G 相比,LTE 具有如下技术特征:

(1)通信速率有了提高,下行峰值速率为 100Mbps、上行为 50Mbps。

(2)提高了频谱效率, 下行链路 5(bit/s)/Hz, (3--4 倍于 R6 版本的 HSDPA); 上行链路 2.5(bit/s)/Hz,是 R6 版本 HSU-PA 的 2--3 倍。 (3)以分组域业务为主要目标,系统在整体架构上将基于分组交换。 (4)QoS 保证, 通过系统设计和严格的 QoS 机制, 保证实时业务(如 VoIP) 的服务质量。 (5)系统部署灵活,能够支持 1.25MHz-20MHz 间的多种系统带宽,并 支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。 保证了将来在系统部署上的灵 活性。 (6)降低无线网络时延:子帧长度 0.5ms 和 0.675ms,解决了向下兼容 的问题并降低了网络时延,时延可达 U-plan<5ms,C-plan<100ms。 (7)增加了小区边界比特速率, 在保持目前基站位置不变的情况下增加 小区边界比特速率。如 MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可 提供 1bit/s/Hz 的数据速率。 (8)强调向下兼容,支持已有的 3G 系统和非 3GPP 规范系统的协同运 作。 与 3G 相比,LTE 更具技术优势,具体体现在:高数据速率、分 组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。

5、4G
5.1 概念
4G 是第四代移动通信及其技术的简称, 是集 3G 与 WLAN 于一体 并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相

上下的技术产品。 4G 系统能够以 100Mbps 的速度下载,比拨号上 网快 2000 倍, 上传的速度也能达到 20Mbps, 并能够满足几乎所有用 户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面,4G 与固定 宽带网络在价格方面不相上下,而且计费方式更加灵活机动,用户完 全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外,4G 可以在 DSL 和有 线电视调制解调器没有覆盖的地方部署, 然后再扩展到整个地区。 很 明显,4G 有着不可比拟的优越性。

5、2 特点
4G 最大的数据传输速率超过 100Mbit/s,这个速率是移动电话 数据传输速率的 1 万倍,也是 3G 移动电话速率的 50 倍。4G 手机可 以提供高性能的汇流媒体内容,并通过 ID 应用程序成为个人身份鉴 定设备。它也可以接受高分辨率的电影和电视节目,从而成为合并广 播和通信的新基础设施中的一个纽带。此外,4G 的无线即时连接等 某些服务费用会比 3G 便宜。还有,4G 有望集成不同模式的无线通信 ——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通 信,移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。 4G 通信技术并没有脱离以前的通信技术,而是以传统通信技术 为基础,并利用了一些新的通信技术,来不断提高无线通信的网络效 率和功能的。如果说 3G 能为人们提供一个高速传输的无线通信环境 的话,那么 4G 通信会是一种超高速无线网络,一种不需要电缆的信

息超级高速公路, 这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实 境连线。 与传统的通信技术相比,4G 通信技术最明显的优势在于通话质 量及数据通信速度。然而,在通话品质方面,移动电话消费者还是能 接受的。随着技术的发展与应用,现有移动电话网中手机的通话质量 还在进一步提高。数据通信速度的高速化的确是一个很大优点,它的 最大数据传输速率达到 100Mbit/s,简直是不可思议的事情。另外由 于技术的先进性确保了成本投资的大大减少,未来的 4G 通信费用也 要比 2009 年通信费用低。 4G 通信技术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,3G 的多媒体服务在 10 年后进 入第三个发展阶段, 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。 为了充分利用 4G 通信给人们带来的先进服务,人们还必须借助 各种各样的 4G 终端才能实现,而不少通信营运商正是看到了未来通 信的巨大市场潜力,他们已经开始把眼光瞄准到生产 4G 通信终端产 品上,例如生产具有高速分组通信功能的小型终端、生产对应配备摄 像机的可视电话以及电影电视的影像发送服务的终端, 或者是生产与

计算机相匹配的卡式数据通信专用终端。有了这些通信终端后,人们 手机用户就可以随心所欲的漫游了, 随时随地的享受高质量的通信了。

5.3

发展

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。 5.兼容性能更平滑

要使 4G 通信尽快地被人们接受,不但考虑的它的功能强大外, 还应该考虑到现有通信的基础, 以便让更多的现有通信用户在投资最 少的情况下就能很轻易地过渡到 4G 通信。因此,从这个角度来看, 未来的第四代移动通信系统应当具备全球漫游,接口开放,能跟多种 网络互联,终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。 6.提供各种增值服务 4G 通信并不是从 3G 通信的基础上经过简单的升级而演变过来的, 它们的核心建设技术根本就是不同的,3G 移动通信系统主要是以 CDMA 为核心技术,而 4G 移动通信系统技术则以正交多任务分频技 术(OFDM)最受瞩目,利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路 (WLL)、数字音讯广播(DAB)等方面的无线通信增殖服务;不过考虑到 与 3G 通信的过渡性,第四代移动通信系统不会在未来仅仅只采用 OFDM 一种技术, CDMA 技术将会在第四代移动通信系统中, OFDM 与 技术相互配合以便发挥出更大的作用, 甚至未来的第四代移动通信系 统也会有新的整合技术如 OFDM/CDMA 产生, 前文所提到的数字音讯 广播,其实它真正运用的技术是 OFDM/FDMA 的整合技术,同样是利 用两种技术的结合。 因此未来以 OFDM 为核心技术的第四代移动通信 系统, 也将会结合两项技术的优点, 一部份将是以 CDMA 的延伸技术。 7.实现更高质量的多媒体通信 尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信,但未来的 4G 通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖范围、 通信质量、 造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要, 第四代移动通

信系统提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等大量信 息透过宽频的信道传送出去, 为此未来的第四代移动通信系统也称为 “多媒体移动通信”。第四代移动通信不仅仅是为了因应用户数的增加, 更重要的是,必须要因应多媒体的传输需求,当然还包括通信品质的 要求。总结来说,首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通 信品质不良,以及达到高速数据传输的要求。 8.频率使用效率更高 相比第三代移动通信技术来说, 第四代移动通信技术在开发研制 过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术, 例如一些光纤通信产 品公司为了进一步提高无线因特网的主干带宽宽度, 引入了交换层级 技术,这种技术能同时涵盖不同类型的通信接口,也就是说第四代主 要是运用路由技术(Routing)为主的网络架构。由于利用了几项不同的 技术,所以无线频率的使用比第二代和第三代系统有效得多。按照最 乐观的情况估计, 这种有效性可以让更多的人使用与以前相同数量的 无线频谱做更多的事情,而且做这些事情的时候速度相当快。研究人 员说,下载速率有可能达到 5Mbps 到 10Mbps。 9.通信费用更加便宜 由于 4G 通信不仅解决了与 3G 通信的兼容性问题,让更多的现 有通信用户能轻易地升级到 4G 通信,而且 4G 通信引入了许多尖端 的通信技术,这些技术保证了 4G 通信能提供一种灵活性非常高的系 统操作方式,因此相对其他技术来说,4G 通信部署起来就容易迅速 得多;同时在建设 4G 通信网络系统时,通信营运商们将考虑直接在

3G 通信网络的基础设施之上,采用逐步引入的方法,这样就能够有 效地降低运行者和用户的费用。据研究人员宣称,4G 通信的无线即 时连接等某些服务费用将比 3G 通信更加便宜。


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