第二代、第三代移動通信及其演進

2019-11-03 09:48:20

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第二代、第三代移動通信及其演進無線通信標準研究組主席曹淑敏無線通信標準研究組GSM工作組組長王志勤無線通信標準研究組IMT2000工作組副組長徐京皓前言移動通信從80年代初開始商用，至今不到20年的時間。移動通信技術的發展差不多是以10年為一個周期。經歷了80年代的第一代模擬移動通信技術，90年代初開始商用的，作為目前移動通信主體技術的第二代數字移動通信技術，主要為GSM和窄帶CDMA技術。在新世紀之初，以支持移動多媒體業務為特征的第三代移動通信即將商用。本文將就第二代、第三代移動通信的應用和技術特點，第二代如何向第三代過渡等問題進行分析和探討。 1、第二代移動通信的應用及技術特點與第一代模擬蜂窩移動通信相比，第二代移動通信系統具有保密性強、頻譜利用率高、能提供豐富的業務、標準化程度高等特點，使得移動通信得到了空前的發展，從過去的補充地位，已毋容質疑地躍居通信的主導地位。我國目前應用的第二代蜂窩系統為歐洲的GSM系統以及北美的窄帶CDMA系統。 GSM92年開始在歐洲商用，最初僅為泛歐標準，隨著該系統在全球的廣泛應用，其含義已成為全球移動通信系統。GSM系統具有標準化程度高、接口開放的特點，強大的聯網能力推動了國際漫游業務，用戶識別卡的應用，真正實現了個人移動性和終端移動性。現在已有120多個國家，250多個運營者采用GSM系統，全球GSM用戶數已超過2.5億。我國從1995年開始建設GSM網絡，到99年底已覆蓋全國31個省會城市、300多個地市，到2000年3月全國GSM用戶數已突破5000萬，并實現了與近60個國家的國際漫游業務。窄帶CDMA，也稱cdmaOne、IS-95等，1995年在香港開通第一個商用網。CDMA技術具有容量大、覆蓋好、話音質量好、輻射小等優點，但由于窄帶CDMA技術成熟較晚，標準化程度較低，在全球的市場規模遠不如GSM系統。目前窄帶CDMA全球用戶約4000萬，其中約70%的用戶在韓國、日本等亞太地區國家。窄帶CDMA技術在我國經歷了曲折的發展過程，我國從1996年開始，原中國電信長城網在4個城市進行800MHz CDMA的商用試驗，現在已有商用用戶10多萬。目前人們所談論的CDMA有兩個含義，一是指一種移動通信多址技術，即碼分多址技術。如窄帶CDMA和寬帶CDMA技術；也常用來特指窄帶CDMA系統，或稱cdmaOne 、IS-95 CDMA系統等，即第二代的移動通信技術。本文用“CDMA技術”和“窄帶CDMA”來區分上述兩個含義。 2、第三代移動通信(IMT-2000)的概念及主要技術第三代移動通信系統最早1985年由國際電信聯盟(ITU)提出，當時稱為未來公眾陸地移動通信系統(FPLMTS)，1996年更名為IMT-2000(國際移動通信-2000)，意即該系統工作在2000MHz頻段，最高業務速率可達2000kb/s，預期在2000年左右得到商用。從1997年開始，由于第二代移動通信系統的巨大成功，用戶的高速增長與有限的系統容量和有限的業務之間的矛盾漸趨明顯，第三代移動通信的標準化工作開始逐漸進入實質階段。與前兩代系統相比，第三代的主要特征是可提供移動多媒體業務，其中高速移動環境支持144kb/s，步行慢速移動環境支持384kb/s，是室內支持2Mb/s的數據傳輸。其設計目標是為了提供比第二代系統更大的系統容量、更好的通信質量，而且要能在全球范圍內更好地實現無縫漫游及為用戶提供包括話音、數據及多媒體等在內的多種業務，同時也要考慮與已有第二代系統的良好的兼容性。在經過幾年的技術評估、研究分析及大量的協調和融合工作之后，在1999年底ITU TG8/1最后一次會議上，通過了IMT-2000的無線接口技術規范，這標志著第三代技術的格局已最終確定，它分為CDMA和TDMA兩大類共五種技術，其中主流技術為以下三種CDMA技術：1)IMT-2000 CDMA-DS(IMT-2000 直接擴頻CDMA)，即WCDMA。它是在一個寬達5M的頻帶內直接對信號進行擴頻；2)IMT-2000 CDMA-MC(IMT-2000 多載波CDMA)，即cdma2000。這是美國提出的技術，由多個1.25M的窄帶直接擴頻系統組成的一個寬帶系統；以上兩種技術都屬于頻分雙工(FDD)模式，此外還有CDMA TDD技術： IMT-2000 CDMA TDD(IMT-2000 時分雙工CDMA)：目前包括TD-SCDMA和UTRA TDD，其中TD-SCDMA是我國提出的技術，UTRA。總體來講，第三代的無線技術主要是CDMA技術。第三代包括無線和網絡在內的第一個版本的標準(99年版本)已在今年3月完成。2000年版本的標準化工作已經開始。一些主要的設備生產制造廠家正在99年版本的基礎上進行商用產品的設計開發，最早實現商用第三代系統的將是日本的NTT DoCoMo公司，計劃在2001年春天商用WCDMA系統。在我國，由信產部領導的中國無線通信標準研究組(CWTS)組織積極參與ITU及兩個主要進行第三代標準化的第三代移動通信伙伴計劃，即3GPP(制定基于GSM網絡、WCDMA和CDMA TDD無線技術的標準)和3GPP2(制定基于窄帶CDMA網絡和cdma2000無線技術的標準)，并已經于去年5月加入了兩個3GPPs，成為其組織伙伴。并且正在繼續完善TD-SCDMA的標準，進行WCDMA和cdma-2000的標準化研究工作另外由信息產業部和科技部聯合領導的第三代移動通信研究開發項目，正在順利地進行，預計在今年年底開發出實驗系統。預計我國將在2002至2003年開始第三代系統的商用。3、第二代向第三代的演進3.1GSM向第三代的演進向移動用戶提供高速率的數據業務是推動第二代向第三代發展的重要因素。對于現有GSM系統，一般僅能夠提供9.6kb/s的電路型數據業務。如果將多個時隙復用在一起，則可以提供n´9.6kb/s的數據業務，目前為n=6，用戶最高數據速率為57.6kb/s，該種方式被稱為高速電路交換業務(HSCSD)。此后出現的通用分組數據業務（GPRS），在核心網絡首次引入了分組交換的方式，成為GSM向第三代網絡演進的必經之路，通常被稱為二代半的技術。由于在GPRS無線接口采用了新的信道編碼方式，對于用戶提供的最高速率為171kb/s,一般為108kb/s。考慮到一些第二代的運營者很難獲得第三代的運營執照，但又要保證其網絡在相當長的一段時間內能夠具有競爭力。HSCSD（或原GSM系統）和GPRS系統都可以采用一種新的高電平調制方式的EDGE來提高調制的有效性，它使得用戶數據速率可達到384kb/s。EDGE技術可以說是GSM系統的邊緣技術，即它能達到的最高能力。對于能夠獲得第三代執照的運營者，其無線接入網絡一般基于WCDMA無線技術，與GSM相比，是革命性(revolution)的變化。在網絡部分則會采用演進(evolution)的方式，即在初期，將針對話音和數據業務分別接入到不同的交換網絡。電路型和分組型的交換網絡都是增強的GSM和GPRS核心網絡。隨著網絡的進一步發展，此后會出現全ip網絡，即一個核心網絡能夠同時承載話音和數據業務，并采用IP技術。3.2窄帶CDMA向第三代的過渡與GSM系統相比，窄帶CDMA系統無論是無線還是網絡部分向第三代移動通信過渡都采用演進的方式。現有的窄帶CDMA一般指IS-95A技術，它的數據傳輸能力一般為14.4kb/s；為了提供較高速率的數據傳輸能力，從1999年開始采用了IS-95B技術，理論上IS-95B可支持115.2kb/s的數據傳輸，但一般實際的IS-95B系統，采用現有的電路交換設備提供64kb/s的速率。北美的運營者無意采用IS-95B向第三代過渡。 cdma2000-1X(cdma2000 單載波方式)是cdma2000的第一階段。cdma-2000-1X容量是IS-95系統的兩倍，可支持308kb/s的數據傳輸。網絡部分則將引入分組交換方式，以支持移動IP業務。也就是說在cdma2000-1X商用初期，網絡部分在窄帶CDMA網絡基礎上，保持電路交換、引入分組交換方式，分別支持話音和數據業務。cdma2000的網絡也將向全IP方向發展。為了在cdma2000-1X基礎上進一步增強能力，以便與WCDMA競爭，最近在3GPP2已開始制定支持速率高于2Mb/s的cdma2000-1X增強標準，其中高通公司的HDR(高數據速率)、摩托羅拉和諾基亞公司聯合提交的1xtreme，還有中國的LAS-CDMA都作為侯選技術在探討中，這類技術目前可以說是cdma2000-1X的邊緣技術。 cdma2000-1X再往后發展，或者沿著cdma2000-3X(cdma2000 三載波系統)及更多載波方式發展，或者改而采用直接擴頻方式，即WCDMA。目前韓國和日本的窄帶CDMA的運營者明顯傾向于后者。三載波方式普遍不被看好。當然我國窄帶CDMA發展情況，也將直接影響著世界移動通信發展的格局。4、我國TD-SCDMA技術及其進展 1998年，ITU-R面向全世界征集IMT-2000候選無線傳輸技術，同年6月，我國向ITU-R提交了TD-SCDMA技術作為候選。之后，在ChEG(中國第三代移動通信評估協調組)內對該技術進行了評估，并于98年9月向ITU-R提交了評估報告，結論是認為該技術能完全滿足國際電聯提出的IMT-2000的最低需求。1999年11月5日，在ITU-R TG8/1最后一次全會上，TD-SCDMA被ITU正式寫入IMT-2000無線接口技術規范IMT.RSPC，在今年5月5日剛剛結束的ITU-R 2000全會(RA-2000)上，此建議已正式通過，并將很快正式出版、發行。這是我國通信標準首次被國際電聯所采納。 CWTS對TD-SCDMA技術進行了更加具體的標準化工作，同時開展了與3GPP的UTRA TDD進行融合(Harmonization)的工作。經過近一年的艱苦的研究、討論及大量的協調工作，99年10月，3GPP接受了TD-SCDMA作為3GPP TDD模式的低碼片速率選項，并提出了集成(Integration)的概念，計劃將TD-SCDMA技術集成到具體的技術規范當中。目前具體的工作正在進行之中，并計劃于2000年12月完成，如果順利的話，TD-SCDMA將作為低碼片速率選項寫入3GPP的2000年版本的技術規范之中。按計劃，2000年我國將完成TD-SCDMA的試驗樣機并開始進行現場試驗，2001年完成正式樣機的設計制造，并于2002年左右投入生產和運營。TD-SCDMA技術的特點： TD-SCDMA是一種TDD模式技術，比起FDD來說更適用于上下行不對稱的業務環境，是多時隙的TDMA與直擴CDMA、同步CDMA技術合成的新技術，同時采用了先進的智能天線技術，充分利用了TDD上下行鏈路在同一頻率上工作的優勢，這樣可大大增加系統容量、降低發射功率、更好地克服無線傳播中遇到的多徑衰落問題；另外在TD-SCDMA中還用到了聯合檢測、軟件無線電、接力切換等技術，這使得系統在性能上有了較大程度的提高，在硬件制造方面則降低了成本。在系統組網方面，由于3GPP在制定第三代標準時已充分考慮了已有的第二代網絡的投資，因此TD-SCDMA系統將盡量與3GPP制定的第三代標準在物理層之上取得一致，以更好地實現第二代網絡向第三代網絡的演進與過渡。5、未來移動通信系統近兩年來，隨著IMT-2000無線接口技術大局已定，日本、歐盟號稱已經開始“第四代”移動通信技術的研究，我國有些高校也聲稱開始第四代移動通信的研究。事實上，分析它們所謂的“第四代”，概念和含義相差甚遠，甚至難以自圓其說，且難以稱為新的“一代”，如在3月ITU-R的最近一次會議上，日本提出的第四代的特征是可支持2Mb/s～10Mb/s，容量是第三代的10倍，價格是現在的1/10。而歐洲則主要指2Mb/s～10Mb/s的速率在第三代的后期是可以實現的。會議多數代表反對“第四代”的叫法，認為一方面不嚴謹，另外目前第三代還沒有商用，此時開始“第四代”說法對運營公司及其不利。 ITU-R明確建議不要使用“第四代”的說法，而將采用“IMT-2000的增強(Enhancement of IMT-2000)”和“后IMT-2000 系統(Systems beyond IMT-2000)”。對于在現有IMT-2000基礎上的改進和增強，如適合IP應用等，稱為IMT-2000的增強；而對于“后IMT-2000系統”則將在今后兩年就其概念、特征、要求等進行定義。

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