1.3 移动通信的发展与应用

自19世纪80年代赫兹发现电磁波后，意大利的马可尼和俄国的波波夫于1894年发明了无线电，1897年马可尼第一次成功演示海上航行船舶间的无线通信，开创了无线移动通信的先河。而现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代，是20世纪的重大成就之一。在不到100年的时间里，随着计算机和通信技术的发展，移动通信得到了举世瞩目的发展，其发展速度令人惊叹。当前，移动通信已成为人们生活中不可缺少的一部分。第二代移动通信系统（2G）向第三代移动通信系统（3G）的演进，促进了技术融合，促进了全球统一标准的形成。随着3G服务的提供，移动电话的普及率将进一步扩大，各项新技术的应用也必将推动下一代宽带移动通信系统不断向前迈进。

1.3.1 移动通信发展历程及未来发展方向

1.移动通信的几个发展阶段

现代移动通信系统的发展大致经历了以下几个阶段。

20世纪20年代到40年代，为移动通信发展的早期阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国多个城市警察使用的调幅（AM）制式的车载移动通信系统。该阶段可以认为是现代移动通信的起步阶段。

20世纪40年代中期到60年代初期，公用移动通信业务开始问世。美国、德国、法国、英国相继研制成功了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。香农在其“通信的数学理论”一文中预言了信号通过信道传输的最佳方式是数字通信，为数字通信的产生与发展奠定了理论基础。

20世纪60年代中期到70年代中期，美国推出了大区制的IMTS系统（改进型移动电话系统），能够实现自动选频和自动接续，缺点是容量太小。德国也推出了类似系统。

20世纪70年代到80年代中期是移动通信大发展的时期。20世纪70年代末，美国研制成功了AMPS系统（先进的移动电话系统），并建成了世界上第一个蜂窝移动通信系统，AMPS系统于1983年投入商用。日本的NTT系统、英国的TACS系统、北欧四国的NMT系统也相继研制成功并投入商用。蜂窝移动通信系统成为实用系统并在世界各地迅速发展，形成了第一代移动通信系统。

20世纪80年代中期到20世纪末，是数字移动通信系统发展和成熟的时期。以AMPS系统和TACS系统为代表的第一代模拟移动通信系统虽然得到迅猛发展，并取得了很大成功，但也暴露了很多问题。例如，频谱利用率低，设备复杂，成本较高，其安全性差，易被窃听，业务种类受限制，通信容量小等，不能满足日益增长的移动用户的需求。由此产生了第二代移动通信系统（2G）。它以数字化为主要特征，其中最具代表性的是欧洲的时分多址（TDMA）GSM系统、美国的码分多址（CDMA）IS-95系统和双模D-AMPS系统，还有日本的PDC系统等，这些系统均于20世纪90年代初投入商用。

2.3G、4G移动通信系统

自2000年开始，伴随着第三代移动通信系统（3G）的大量论述，以及2.5G产品GPRS系统的过渡，3G走上了移动通信舞台的前沿，于21世纪初期投入商用。当前，移动通信技术的发展呈现加快趋势，当第三代移动通信系统方兴未艾之时，第四代移动通信系统（4G）的讨论已经如火如荼地展开，国际上通信技术发达的国家已着手制定4G的标准和产品，部分国家的标准已提交国际电信联盟（ITU），目前正在标准化。从技术上看，4G系统在3G业务多媒体化的基础上，以无缝灵活支持高速宽带无线互联网业务为主要目标，打破蜂窝网结构，引入网络动态特性，并能做到在任何地方宽带接入互联网，实现多网融合。

1.3.2 3G移动通信标准特点

第三代移动通信系统（3G）最早于1985年由国际电信联盟（ITU）提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS），1996年更名为IM-2000（国际移动通信-2000），其含义是在2000年左右投入商用并工作在2000MHz频段上的国际移动通信系统。它以多媒体业务为主要特征，把语音通信与多媒体通信结合起来，能够提供图像、音乐、网页浏览、视频会议等信息服务。3G不同于采用TDMA技术和电路交换技术的2G，它以CDMA技术和分组交换技术为基础，能支持更多的用户，提供更高的传输速率。1999年11月5日在芬兰赫尔辛基召开的ITU（国际电信联盟）TG8/1第18次会议上最终确定了3类（TDMA、CDMA-FDD、CDMA-TDD）共5种技术标准，作为第三代移动通信的基础。其中WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA是3G的三大主流标准。ITU在2000年5月批准了针对3G网络的IMT-2000无线接口的5种技术标准，如表1-3所示。

1.WCDMA标准

IMT-2000 CDMA-DS又称宽带码分多址（WCDMA），其核心网基于演进的GSM/GPRS网络技术，空中接口采用直接序列扩频（DS），此标准同时支持GSM MAP（GSM移动应用部分）和ANSI-41两个核心网络。欧洲的爱立信公司作为主要厂家，最先对WCDMA技术进行技术研发，日本于1994年开始IMT-2000无线传输技术的研究，最后确定将NTT公司的CDMA综合FDD/TDD方式作为日本的方案，最终爱立信和NTT达成一致协议，进行技术融合，形成了现在的IMT-2000 CDMA-DS。目前这种方式得到了欧洲、北美、亚太地区各GSM运营商和日本、韩国多数运营商的广泛支持，是第三代移动通信三大主流标准之一。

WCDMA技术有如下特点：可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务；基站收/发信机（BTS）之间可以不用全球定位系统（GPS）同步；优化的分组数据传输方式；支持不同载频之间的切换；上、下行快速功率控制；反向采用导频辅助的相干检测；充分考虑了信号设计对电磁兼容的影响。

2.CDMA2000标准

IMT-2000 CDMA-MC又称CDMA2000，它是北美的朗讯、摩托罗拉、北电及韩国三星等公司联合提出来的基于CDMAOne的系统方案。CDMAOne是基于IS-95标准的各种CDMA制造厂家的产品和不同运营商的网络构成的一个家族概念，也是国际CDMA发展组织的一个品牌名称。从CDMAOne演进的CDMA2000标准是一个体系结构，称为CDMA2000 Family，它包含一系列子标准，经过融合后只含多载波（MC）方式，即单载波（1X）、三载波（3X）等。此标准同时支持GSM MAP和ANSI-41两个核心网络。

CDMA2000沿用了IS-95的主要技术和基本技术思路，可以后向兼容。由CDMAOne向3G演进的途径为：CDMAOne（IS-95、IS-95A、IS-95B）、CDMA2000-1X（3X）、CDMA2000-1X-EV。其中，从CDMA2000-1X之后属于3G技术。

3.TD-SCDMA标准

TD-SCDMA（Time Division Synchronous CDMA）时分-同步码分多址，是我国提出的国际标准。UTRA-TDD是通用陆地无线接入时分双工，该标准的制定目前陷入停顿状态，所以IMT-2000 CDMA-TDD常指TD-SCDMA。

TD-SCDMA系统的关键技术包括智能天线技术、联合检测技术、同步CDMA技术、接力切换技术、动态信道分配技术。

TD-SCDMA有如下优势。

（1）频谱灵活性和支持蜂窝网的能力。采用TDD方式，仅需要1.6MHz（单载波）的最小带宽，频谱安排灵活，不需要成对的频率，能较好解决当前频率资源紧张的矛盾。若带宽为5MHz，则可支持3个载波，在一个地区可组成蜂窝网，支持移动业务。

（2）大容量和广覆盖。TD-SCDMA采用了联合检测、智能天线、快速功率控制等技术，可降低多径衰落，并使发射机的发射功率总是处于最小水平，采用接力切换，降低了网络资源消耗，提高了全网容量，覆盖范围广。

（3）高的频谱利用率。采用TDD方式，不需要分配成对的上、下行频谱，可有效利用频率资源，比其他3G多了一种多址方式，且采用智能天线技术，相同的频带内基本信道数更多，频谱利用率更高，在3个主流标准中具有最高的频谱效率。

（4）适合上、下行不对称业务的开展。TD-SCDMA采用了TDD技术，可以通过灵活配置上、下行时隙转换点，改变上、下行时隙数，尤其适合目前互联网、视频点播等不对称业务的实现。

（5）适用于多种使用环境，设备成本低。TD-SCDMA系统性价比高。它具有我国自主知识产权，在网络规划、系统设计、工程建设、长期技术支持等方面带来方便，大大节省建设投资和运营成本。3G三大主流技术标准比较如表1-4所示。

第三代移动通信系统要求最大限度地利用频带，在提供大容量传统业务的同时，支持高质量和多速率的多媒体业务，能运行在多种通信环境和多种通信网络中，关于3G的具体内容将在本书后续章节中详细介绍。