移動通信技術

在過去的10年中，世界電信發生了巨大的變化，移動通信特別是蜂窩小區的迅速發展，使用户徹底擺脱終端設備的束縛、實現完整的個人移動性、可靠的傳輸手段和接續方式。進入21世紀，移動通信將逐漸演變成社會發展和進步的必不可少的工具。

第一代移動通信系統(1G)是在20世紀80年代初提出的，它完成於20世紀90年代初，如NMT和AMPS，NMT於1981年投入運營。第一代移動通信系統是基於模擬傳輸的，其特點是業務量小、質量差、安全性差、沒有加密和速度低。1G主要基於蜂窩結構組網，直接使用模擬語音調製技術，傳輸速率約2．4kbit/s。不同國家採用不同的工作系統。

第二代移動通信系統(2G)起源於90年代初期。歐洲電信標準協會在1996年提出了GSM Phase 2+，目的在於擴展和改進GSM Phase 1及Phase 2中原定的業務和性能。它主要包括CMAEL(客户化應用移動網絡增強邏輯)，S0(支持最佳路由)、立即計費，GSM 900/1800雙頻段工作等內容，也包含了與全速率完全兼容的增強型話音編解碼技術，使得話音質量得到了質的改進；半速率編解碼器可使GSM系統的容量提近一倍。

在GSM Phase2+階段中，採用更密集的頻率複用、多複用、多重複用結構技術，引入智能天線技術、雙頻段等技術，有效地克服了隨着業務量劇增所引發的GSM系統容量不足的缺陷；自適應語音編碼(AMR)技術的應用，極大提高了系統通話質量；GPRs/EDGE技術的引入，使GSM與計算機通信/Internet有機相結合，數據傳送速率可達115/384kbit/s，從而使GSM功能得到不斷增強，初步具備了支持多媒體業務的能力。

儘管2G技術在發展中不斷得到完善，但隨着用户規模和網絡規模的不斷擴大，頻率資源己接近枯竭，語音質量不能達到用户滿意的標準，數據通信速率太低，無法在真正意義上滿足移動多媒體業務的需求。

第三代移動通信系統(3G)，也稱IMT 2000，其最基本的特徵是智能信號處理技術，智能信號處理單元將成為基本功能模塊，支持話音和多媒體數據通信，它可以提供前兩代產品不能提供的各種寬帶信息業務，例如高速數據、慢速圖像與電視圖像等。如WCDMA的傳輸速率在用户靜止時最大為2Mbps，在用户高速移動是最大支持144Kbps，説佔頻帶寬度5MHz左右。

但是，第三代移動通信系統的通信標準共有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三大分支，共同組成一個IMT 2000家庭，成員間存在相互兼容的問題，因此已有的移動通信系統不是真正意義上的個人通信和全球通信；再者，3G的頻譜利用率還比較低，不能充分地利用寶貴的頻譜資源；第三，3G支持的速率還不夠高，如單載波只支持最大2~fDps的業務，等等。這些不足點遠遠不能適應未來移動通信發展的需要，因此尋求一種既能解決現有問題，又能適應未來移動通信的需求的新技術(即新一代移動通信：next generation mobile communication)是必要的。

3G通信技術在中國的發展是日新月異。2009年1月7日，中國同時發放了三張3G牌照，即：TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000，標誌着中國正式進入了3G時代。3G網絡運行的兩年多時間裏，在拉動中國GDP增長的同時，還為國內創造了大量的就業機會。從技術角度來分析，3G移動通信網絡相對於2G網絡的優勢在於更大的系統容量和更好的通信質量，且能夠實現全球範圍的無縫漫遊，為通信用户提供包括語音、數據和多媒體等多種形式的通信服務。 在國際移動通信領域，國際電聯對3G網絡有其最低的要求和標準，即：在高速移動的地面物體上，3G網絡所能提供的數據業務為64~144kb/s，要能夠適應500km/h的移動環境。針對該標準，中國現行的3種3G網絡中，WCDMA和CDMA2000主要採用“軟切換”技術，能夠實現移動終端在時速500km時的正常通信，即能夠實與另一個新基站通信時，首先不中斷跟原基站的聯繫，而是在跟新的基站連接好後，再中斷跟原基站的連接，這也是3G網絡優於2G網絡的一個突出特點；WCDMA技術已經解決了高速運動物體的無縫覆蓋問題；此外，TD-SCDMA也對高鐵通信的覆蓋方案進行了研究。 因此，3G移動通信網絡在技術層面上已經具有為高鐵提供通信保障的基本條件，為中國高鐵發展過程中移動通信問題的完滿解決奠定了堅實基礎。

一般來説，在高速移動的物體上，當速度超過時速150千米時，2G/3G的快速功率控制效果不佳，此時就要看哪種通信制式的抗衰落手段多，且衰落儲備量大。TD-SCDMA對高速移動情況不太適應，主要是因為技術性能先進的智能天線沒有在高鐵上全面普及和覆蓋，且系統的增益又不高，再加上使用終端的功率不大，使得在高鐵上，對於覆蓋邊緣由於衰落儲備不足而掉話；GSM制式在高鐵系統中還沒有啓用功控裝置，不過GSM制式只提供語音通話，信道編碼糾錯技術在這種情況下的作用顯著，在通信基站功率達到40W，終端功率達到2W，且基站距離較短的情況下，衰落儲備量發揮作用，高鐵的應用效果還可以。GSM系統中的EDGE制式在高鐵中的效果不好，主要是由於EDGE在高速數據時的編碼效率為1，沒有編碼冗餘度，對應的信道編碼增益相對較低，此外，高階的數據8PSK調製，會使得解調EDGE數據的信噪比較高，導致EDGE邊緣的覆蓋電壓需要更高，其衰落儲備要更大；但在實際的高鐵系統中，兩個基站覆蓋區之間的衰落儲備一般都不足，使得傳輸的數據率會迅速下降。所以，就要尋求新的技術體系來解決高鐵中的移動通信問題。

第四代移動通信系統(4G)是集3G與WLAN於一體並能夠傳輸高質量視頻圖像以及圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下的技術產品。 4G系統能夠以100Mbps的速度下載，比撥號上網快2000倍，上傳的速度也能達到20Mbps，並能夠滿足幾乎所有用户對於無線服務的要求。而在用户最為關注的價格方面，4G與固定寬帶網絡在價格方面不相上下，而且計費方式更加靈活機動，用户完全可以根據自身的需求確定所需的服務。此外，4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署，然後再擴展到整個地區。 很明顯，4G有着不可比擬的優越性。

4G移動系統網絡結構可分為三層：物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。物理網絡層提供接入和路由選擇功能，它們由無線和核心網的結合格式完成。中間環境層的功能有QoS映射、地址變換和完全性管理等。物理網絡層與中間環境層及其應用環境之間的接口是開放的，它使發展和提供新的應用及服務變得更為容易，提供無縫高數據率的無線服務，並運行於多個頻帶。這一服務能自適應多個無線標準及多模終端能力，跨越多個運營者和服務，提供大範圍服務。第四代移動通信系統的關鍵技術包括信道傳輸；抗干擾性強的高速接入技術、調製和信息傳輸技術；高性能、小型化和低成本的自適應陣列智能天線；大容量、低成本的無線接口和光接口；系統管理資源；軟件無線電、網絡結構協議等。第四代移動通信系統主要是以正交頻分複用（OFDM）為技術核心。OFDM技術的特點是網絡結構高度可擴展，具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，可以提供無線數據技術質量更高（速率高、時延小）的服務和更好的性能價格比，能為4G無線網提供更好的方案。例如無線區域環路（WLL）、數字音訊廣播（DAB）等，預計都採用OFDM技術。4G移動通信對加速增長的廣帶無線連接的要求提供技術上的迴應，對跨越公眾的和專用的、室內和室外的多種無線系統和網絡保證提供無縫的服務。通過對最適合的可用網絡提供用户所需求的最佳服務，能應付基於因特網通信所期望的增長，增添新的頻段，使頻譜資源大擴展，提供不同類型的通信接口，運用路由技術為主的網絡架構，以傅利葉變換來發展硬件架構實現第四代網絡架構。移動通信會向數據化，高速化、寬帶化、頻段更高化方向發展，移動數據、移動IP預計會成為未來移動網的主流業務。

第五代移動通信系統(5G)，通俗講就是第五代移動通信技術，但與4G、3G、2G不同的是，5G並不是獨立的、全新的無線接入技術，而是對現有無線接入技術（包括2G、3G、4G和WiFi）的技術演進，以及一些新增的補充性無線接入技術集成後解決方案的總稱。從某種程度上講，5G將是一個真正意義上的融合網絡。以融合和統一的標準，提供人與人、人與物以及物與物之間高速、安全和自由的聯通。 ^[1] 

5G移動網絡與早期的2G、3G和4G移動網絡一樣，5G網絡是數字蜂窩網絡，在這種網絡中，供應商覆蓋的服務區域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區域。表示聲音和圖像的模擬信號在手機中被數字化，由模數轉換器轉換並作為比特流傳輸。蜂窩中的所有5G無線設備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動收發器（發射機和接收機）進行通信。收發器從公共頻率池分配頻道，這些頻道在地理上分離的蜂窩中可以重複使用。本地天線通過高帶寬光纖或無線回程連接與電話網絡和互聯網連接。與現有的手機一樣，當用户從一個蜂窩穿越到另一個蜂窩時，他們的移動設備將自動“切換”到新蜂窩中的天線。

5G網絡的主要優勢在於，數據傳輸速率遠遠高於以前的蜂窩網絡，最高可達10Gbit/s，比當前的有線互聯網要快，比先前的4G LTE蜂窩網絡快100倍。另一個優點是較低的網絡延遲（更快的響應時間），低於1毫秒，而4G為30-70毫秒。由於數據傳輸更快，5G網絡將不僅僅為手機提供服務，而且還將成為一般性的家庭和辦公網絡提供商，與有線網絡提供商競爭。以前的蜂窩網絡提供了適用於手機的低數據率互聯網接入，但是一個手機發射塔不能經濟地提供足夠的帶寬作為家用計算機的一般互聯網供應商。

2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照，中國正式進入5G商用元年。

2019年9月10日，中國華為公司在布達佩斯舉行的國際電信聯盟2019年世界電信展上發佈《5G應用立場白皮書》，展望了5G在多個領域的應用場景，並呼籲全球行業組織和監管機構積極推進標準協同、頻譜到位，為5G商用部署和應用提供良好的資源保障與商業環境。

2019年10月，5G基站入網正式獲得了工信部的開閘批准。工信部頒發了國內首個5G無線電通信設備進網許可證，標誌着5G基站設備將正式接入公用電信商用網絡。而運營商預計將在10月31日分別公佈其5G套餐價格，並於11月1日起正式執行5G套餐。

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《移動通信技術》是一部全國高等職業教育規劃教材，作者高健。系統、全面地闡述了現代移動通信的基本概念、基本原理、基本技術和當今廣泛使用的典型數字移動通信系統。

《移動通信技術》較充分地反映了當代數字移動通信新技術的發展。全書共七章，主要內容有：移動通信概述、移動信道中的電波傳播及干擾、組網技術、GSM數字移動通信系統、CDMA移動通信系統、第三代移動通信系統(3G)和無線市話通信系統——小靈通。每章均附有練習題與思考題。

《移動通信技術》可作為高職高專院校通信技術、電子信息技術以及其他相關專業的高年級學生的教材，也可供通信行業中的工程技術人員參考。