移动通信标准演进

移动通信标准演进侯永宏•最早的无线通信•1895年，马可尼(G.M.Marconi)成功地进行了约3公里的无线电通信；1901年，他在英格兰和纽芬兰之间进行了横跨大西洋的莫尔斯电报码发射和接收试验，通信距离超过3000公里；马可尼的贡献贯穿在无线电、电视、移动电话、卫星通信等广泛领域。1909年获得诺贝尔物理学奖。。。。。之前，通信靠吼。。。不受束缚地自由通话只是一个传说、梦想、神话通信技术的发展历史就是：一系列颠覆生活常识的创新过程早期的点对点通信设备1940年，加尔文制造公司工程师研发推出手提式调幅(AM)无线对讲机“SCR536”，这款军用对讲机在二战时成为前沿阵地的标志。1943年，加尔文制造公司设计出全球首个背负式调频步话机SCR300，这款对讲机重35英镑(约16公斤)，通话范围约10-20英里(16-32公里)，供美国陆军通讯兵使用。大区制移动电话系统大区制：在一个服务区域内只有一个或几个基站(BS)。基站作用：负责移动通信的联络和控制特点：天线架设得高；发射机输出功率大（200W)；服务区内所有频道都不能重复；覆盖半径大约为30km至50km。优点：组成简单，投资少，见效快。缺点：服务区内的所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率都不能重复，频率利用率和通信容量都受到了限制。移动台功耗摩托罗拉的车载无线电话1946年10月2日，多用户接入需要解决的问题-用户间干扰多用户接入方案频分多址（FDMA）技术每个用户占用一个频率以频道区分用户地址，一个频道传输一路话音PowerFrequencyTimeFDMA超声波声音次声波频谱可以表示一个讯号是由哪些频率的弦波所组成，也可以看出各频率弦波的大小及相位等信息。大区制的容量同时服务的用户数•可用频谱带宽：20MHz•每个用户占用带宽25Khz•可以同时服务的用户数：800•缺点扩容非常困难，随着移动用户数量的急剧增加，这种覆盖方式显然无法满足实际需要。小区制蜂窝移动电话（1G）小区：把整个服务区域划分为若干个无线小区（cell)，每个小区分别设置一个基站。半径2至20km，小的1至3km、500m.功率：5至20W.西德：C-450MHz，1984。加拿大：MTS-450MHz。瑞典等北欧四国：NMT—450，1980年，1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS)日本：HAMTS-800MHz，1979英国：TACS，900MHz，1985空分复用+频分复用移动通信网络结构GSM/GPRSBSSBTSBSCNodeBRNCPCUUTRANSCPSMSSCEPSTN/PLMNInternet,IntranetHLR/AUC/HSSSGSNCGBGGGSNGPRSbackboneMGWMGWVMSCServerGMSCServerIP/ATMBackboneCSdomainPSdomainIu-CSIu-PSIPbackboneMRFPIMSdomainMGWP-CSCFS-CSCFMGCFMRFCSS7需要解决的问题：无缝覆盖小区间干扰协调第一代移动通信系统的特点•用户的接入方式采用频分多址（FDMA），当一个呼叫建立后，该用户在其呼叫结束以前一直占用一个频段•调制方式：FM•业务的种类单一，主要是话音业务•系统的保密性较差•频谱效率较低，有限频谱资源和无限用户•容量之间的矛盾十分突出第二代移动通信系统•特点：–使用数字传输技术，可提供的业务包括话音和低速率的数据业务。–更高的频谱效率、更好的数据业务以及更先进的漫游。采用时分多址接入（TDMA）：GSM，PDC（PersonalDigitalCellular）,IS-136(D-AMPS)码分多址接入(CDMA)：IS-95时分多址（TDMA）•以频率复用为基础，多用户共享一个载波，以时隙区分用户，每个用户占用一个时隙•每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置•系统要求严格的系统定时同步•对功控的要求不严•是时隙受限和干扰受限系统FrequencyPowerTimeFDMA/TDMA其实、通信可以是不连续的时分多址（TDMA）TDMA帧－每个TDMA帧含8个时隙，整个帧时长约为4.615ms，每个时隙含156.25个码元，时隙时长为0.577ms。更灵活的资源分配可以采用跳频GSM-GlobalSystemforMobileCommunication第一代标准可以说是移动标准的战国时代漫游带来很大的困难•是当前应用最为广泛的移动电话标准。•欧洲国家联合研制泛欧洲的移动通信标准。•1992年，第一个数字蜂窝移动通信系统——欧洲的GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）网络在欧洲开始铺设。•1993年，中国的第一个全数字移动电话GSM系统建成开通，之后中国电信和中国联通都采用了GSM。•之后的移动通信标准竞争中一直占主导2019/8/153G-116GSM的演进10k100k64k1M2M1k9899000102时间速率bps9.6SMS14.4EDGE话音GPRS2.5代IMT-2000WCDMACDMATDD3代HSCSD9703通用分组无线服务(GPRS)•将信包交换模式引入到GSM网络中，从而提高了资源利用率。•GPRS可以使多个用户共享某些固定的信道资源，并将每个时隙的传输速率从9.6kb/s提高到21.4kb/s，使用8个时隙传送数据，在全速移动和大范围覆盖时的数据率可以达171.2kb/s，并能支持Internet的IP协议及X，25协议。GPRS4种信道编码方案（调制方式不变，帧结构和信道编码方案有改进）CS1，传输速率为9.05Kbps，净数据与总信息的比例大约是1:2CS2，传输速率为13.4Kbps，净数据与总信息的比例大约是2:3CS3，传输速率为15.6Kbps，净数据与总信息的比例大约是3:4CS4，传输速率为21.4Kbps，净数据与总信息的比例大约是1:1分组交换和电路交换电路交换：在发送数据之前，首先需要通过一系列的信令过程，为特定的信息传输过程（如通话）分配信道，建立连接。数据传输过程结束以后再释放信道资源。优点：恒定带宽，时延小，稳定。缺点：占用大量的信道资源。分组交换:数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头，数据传送之前并不需要预先分配信道建立连接，而是在每一个数据包到达时，临时寻找一个可用的信道资源。优点：信道资源可以可以看作是由所有的用户共享使用。缺点：突发性的业务特点，不能保证传送数据的稳定性和完整性。((A((((((BCDEDGE:EnhancedDataratesforGSMEvolution•EDGE技术在不改变GSM200kHz带宽载波、TDMA框架结构及通道的情况下，其帧结构与GSM相同，采用8PSK调制，使每时隙可传48kb/s甚至69.2kb/s，如集中8个时隙，使数据率可达到384kb/s，从而提供无线多媒体服务。GPRS/EDGE协议及接口•计算公式：数据块×8/20mS。2019/8/153G-1212G标准日本的PDC•PDC-PersonalDigitalCellular，90年代初产生于日本，且只在日本使用。和美国的IS-54有很多相似之处。PDC采用25kHz载波、3个时间格、pi/4-DQPSK编码及低速率11.2kbit/s及5.6kbit/s(半速率)话音编解码器。PDC最高峰时期曾有接近8000万使用者，2005年12月使用者数字为4585.6万，2007年3月底的使用者为2621万人(约占所有移动电话使用者的27.1%)。逐渐被3G技术如W-CDMA或CDMA2000淘汰。2019/8/153G-1222G标准：USTDMA：D-AMPS1989年，TIA/CTIA选择了兼容FDMA的TDMA技术。IS-54是带有一个模拟控制信道的US-TDMA标准；IS-136是只有数字控制信道的US-TDMA标准。现在，IS-136主要分布在北美、南美和亚洲的一些地方，它的市场占有率仅次于GSM系统。D-AMPS向3G的演进基于D-AMP（IS-136）的演进•第一个阶段为IS-136+，它利用新的频率调制技术，使数据传输速率达到64kbps。•第二阶段为136HS（HighSpeed），采用EDGE技术。使数据传输速率达到384kbps，在室内或低速运动时，提供2Mbps的传输速率，同时，在系统容量、覆盖范围及通信质量方面都有改善。2G标准-CDMA95A/B/C•历史回顾：1995年，美国的高通公司（Qualcomm）提出了一种采用码分多址（CDMA)方式的数字蜂窝系统技术解决方案（IS-95CDMA)，目前已分别在中国香港、韩国、北美等国家和地区投入使用，用户反映良好。•CDMA系统的主要特点：用户的接入方式采用码分多址（CDMA）软容量、软切换，系统容量大抗多径衰落可运用话音激活、分集接收等先进技术码分多址（CDMA）技术•含义：每个用户使用一个码型，频率/时间共享•用户识别：码型•特点：每个基站只需一个射频系统每个码传输一路数字信号每个用户共享时间和频率是一个多址干扰受限系统需要严格的功率控制需要定时同步软容量、软切换，系统容量大抗衰落、抗多径能力强•应用：IS-95CDMA系统、cdma2000系统、WCDMA系统FrequencyCDMAPowerTime码分多址例子用户1信息：x1=0-”1”用户1特征码：s1=1-11-11-11-1用户2信息：x2=1-”-1”用户2特征码：s2:11-1-111-1-1信道波形r=s1*x1+s2*x2=0-2200-220r1=sum(s1*r)=120判决为0r1=sum(s1*r)=-120判决为1相关接收CDMA的演进2019/8/153G-12710k100k64k1M2M1k9899000102时间速率bpsSMS话音9.614.4IS-95AIS-95B115.2/64308/144cdma2000-1x2.4M/3.1M/1XEVWCDMA?cdma2000-3X?98032G向3G演进过程示意图GSMPDCcdmaOneGPRSCDPDCDMA20001XTDMA(IS-136)TD-SCDMAWCDMACDMA20003XEDGEFirstStepinto3G2G3GIMT-2000定义的3G标准IMT-InternationalMobileTelecommunications全球统一频段、统一标准、无缝覆盖、全球漫游……保证一定后向兼容性数据传输速率：高速移动：144Kbps；室外静止或步行：384Kbps；室内：2Mbps；ITU批准的四个种3G标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA,WiMAX。3G的主要特点•支持移动多媒体业务•高频谱效率•FDMA/TDMA/CDMA•从电路交换到分组交换•从媒体(media)到多媒体(Multi-media)•高保密性•全球范围无缝漫游系统•微蜂窝结构手机邮件：手机与邮箱帐号绑定，实时接收邮件，进行回复删除等管理。移动互联网：将Internet内容和数据服务带入移动电话终端。移动炒股移动支付：允许用户通过手机支付商品，进行远程购物。手机广告：针对目标人群，向特定地理区域提供直接的、个性化的广告。手机博客：实时将身边的照片视频等多媒体信息放到互联网，随时随地更新博客。手机视频点播：手机用户可以通过移动通信网络在线收看新闻、影视、体育等电视节目。标准化组织联合体3GPP——第三代伙伴计划----WCDMAARIB(Japan)CWTS(China)ETSI(Europe)ATIS（US）TTA(Korea)TTC(Japan)3GPP2CDMA2000ARIB(Japan)CCSA(China)TIA(US)TTA(Korea)TTC(Japan)主要IMT-2000无线传输方案2019/8/153G-132无线传输系统名称无线传输技术参数WCDMAcdma2000TD-SCDMA双工方式FDD/TDDF