第1章 第三代移动通信系统概述

1.1 移动通信技术发展概述

1.1.1 移动通信技术的发展历程

通信是衡量一个国家或地区经济文化发展水平的重要标志，对推动社会进步和人类文明的发展有着重大的影响。随着社会经济的发展，人类交往活动范围的不断扩大，人们迫切需要交往中的各种信息。这就需要移动通信系统来提供这种服务。移动通信系统由于综合利用了有线和无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上的对象进行通信联系的要求，使其成为20世纪70年代以来发展最快的通信领域之一。目前，我国无论是从网络规模还是从用户总数上来说，都已跃居世界首位。

无线通信的发展历史可以追溯到19世纪80年代赫兹（Heinrich Hertz）所做的基础性实验，以及马可尼（Guglielmo Marconi）所做的研究工作。移动通信的始祖马可尼首先证明了在海上轮船之间进行通信的可行性。自从1897 年马可尼实验室证明了运动中无线通信的可应用性以来，人类就开始了对移动通信的兴趣和追求。也正是20世纪20年代末，奈奎斯特（Harry Nyquist）提出了著名的采样定理，成为我们迈向数字化时代的金钥匙。

移动通信是指通信双方或至少有一方处于运动中，在运动中进行信息交换的通信方式。移动通信的主要应用系统有无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信、海事卫星移动通信等。陆地蜂窝移动通信是当今移动通信发展的主流和热点。

现代移动通信技术始于20世纪20年代，发展到现在，大约经历了六个发展阶段。

第一阶段的标志是早期专用移动通信系统的应用，从20世纪20年代到40年代，是移动通信的早期发展阶段。

第二阶段是从20世纪40年代中期到60年代初期，早期的公用移动通信系统开始应用。这个阶段移动通信技术逐渐应用到大众通信，系统采用人工接续方式，网络容量较小。

第三阶段是从20世纪60年代中期到70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），德国推出了B网。这个阶段的系统采用大区制，容量有较大的提高。

第四阶段是从20世纪70年代中期到80年代中期，这个阶段小区制的蜂窝移动通信系统得到了大规模应用，采用的是模拟技术，代表是美国的AMPS系统和欧洲的TACS系统。

第五阶段是从20世纪80年代中期到21世纪初，这个阶段的特点是数字移动通信系统得到了大规模应用，代表技术是欧洲的GSM和美国的CDMA，也就是通常所说的第二代移动通信技术（2G）。数字蜂窝网络相对模拟蜂窝网，频谱利用率和系统容量得到了很大的提高。这个阶段的移动通信系统已经可以提供数据业务，业务类型大大丰富。

第六个阶段是从20世纪90年代末开始，标志是第三代移动通信通信技术的发展和应用。1999年11月5日在芬兰赫尔辛基召开的ITU TG8/1第18次会议上，最终确定了3类（TDMA、CDMA-FDD、CDMA-TDD）共5种技术作为第三代移动通信的基础，其中WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA是3G的3个主流标准。这个阶段的特征是系统容量和载频利用率得到了较大的提高。第三代移动通信系统可以提供高速数据业务，承载的业务类型得到了极大的丰富。

1.第一代（1G）移动通信系统

D.H.Ring在1947年提出蜂窝通信的概念，在20世纪60年代对此进行了系统的实验。60年代末、70年代初开始出现了第一个蜂窝（Cellular）电话系统，蜂窝的意思是将一个大区域划分为几个小区（Cell），相邻的蜂窝区域使用不同的频率进行传输，以免产生相互干扰。

随着大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，解决了困扰移动通信的终端小型化和系统设计等关键问题，移动通信系统进入了蓬勃发展阶段。随着用户数量的急剧增加，传统的大区制移动通信系统很快就达到饱和状态，无法满足服务要求。针对这种情况，贝尔实验室提出了小区制的蜂窝式移动通信系统的解决方案，1978年开发了AMPS（Advance Mobile Phone Service）系统，这是第一个真正意义上的具有随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。它结合频率复用技术，可以在整个服务覆盖区域内实现自动接入公用电话网络，与以前的系统相比具有更大的容量和更好的语音质量。因此，蜂窝化的系统设计方案解决了公用移动通信系统的大容量要求和频谱资源受限的矛盾。欧洲也推出了可向用户提供商业服务的通信系统TACS（Total Access Communication System）。其他的通信系统还有法国的450系统，北欧国家的NMT-450（Nordic Mobile Telephone-450）系统。这些系统都是双工的FDMA模拟制式系统，称为第一代蜂窝移动通信系统。这些系统提供相当好的质量和容量，在某些地区，它们取得了非常大的成功。

已经得到建立并提供业务服务的一些常见的第一代移动通信系统的种类见表1-1，在世界范围内使用范围最广的第一代移动通信系统是AMPS系统和TACS系统。

表中所有系统都采用FDMA（Frequency Division Multiple Access）方式来实现无线系统接入，而采用的频谱范围以及信道带宽则各不相同。第一代系统所提供的基本业务是语音通信业务，其中的一些系统直到目前还仍在为用户提供第一代通信服务。

2.第二代（2G）移动通信系统

随着移动通信市场的迅速发展，对移动通信技术提出了更高的要求。由于模拟系统本身的缺陷，如频谱效率低、网络容量有限、保密性差、体制混杂、不能国际漫游、不能提供ISDN业务、设备成本高、手机体积大等，已使得模拟系统无法满足人们的需求。为此广大移动通信领域里的有识之士在20世纪90年代初开发出了基于数字通信的移动通信系统，即数字蜂窝移动通信系统——第二代移动通信系统（2G）。

数字技术最吸引人的优点之一是它的抗干扰能力和潜在的大容量，也就是说，它可以在环境更为恶劣、需求量更大的地区使用。数字信号处理和数字通信技术的发展，使一些新的无线应用开始出现，如移动计算、移动传真、电子邮件、金融管理、移动商务等。在一定的带宽内，数字系统良好的抗干扰能力使得第二代蜂窝系统具有比第一代蜂窝移动通信系统更大的通信容量，更高的服务质量。采用数字技术的系统具有下述特点：

● 系统灵活性：由于各种功能模块，特别是数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）、现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）等可编程数字单元的出现和成熟，使系统的编程控制能力和增加新功能的能力与模拟系统相比大大提高。

● 高效的数字调制技术和低功耗系统：利用数字调制技术的系统，频谱利用率和灵活性等都超过了同类的模拟系统。另一方面，数字调制技术的采用，使得系统的功率消耗降低，从而延长了电池的使用寿命。

● 系统的大容量：在配置给AMPS的333个信道中，大约有21个用于呼叫接通控制，而通过数字技术，用于同步、导频、传输控制、质量控制、路由等的附加比特大大降低。

● 信源和信道编码技术：相比于有线通信，无线通信的频率资源是极其有限的。新一代的信源和信道编码技术不仅实现了数字语音和数据通信的综合，降低了单用户的带宽需要，使多个用户的语音信号复用到同一个载波上，并且改善了移动环境中信号传送的可靠性。如速率为13.2 kb/s、应用于GSM系统的RPE-LTP（Regular Pulse Excited Long Term Prediction）的语音压缩技术，速率为8 kb/s、应用于IS-54系统的VSELP（Vector Sum Excited Linear Predictions）的语音压缩技术，以及目前受到广泛重视的Turbo信道编码技术等，它们不仅提高了频谱效率，也增强了系统的抗干扰能力。

● 抗干扰能力：数字系统不仅有更好的抗同信道干扰（CCI）和抗邻信道干扰（ACI）的能力，而且有更好的对抗外来干扰的能力。同时，采用数字技术的系统得以利用比特交织、信道编码、编码调制等技术进一步提高系统的可靠性和抗干扰能力。这也是第二代、第三代以及第四代蜂窝移动通信系统采用数字技术的重要原因之一。由于数字系统有可能在很高CCI和ACI的环境中工作，设计者可利用这个特征降低蜂窝尺寸，减少信道组的复用距离，减少复用组的数量，大大提高系统的通信容量。

● 灵活的带宽配置：由于模拟系统不允许用户改变带宽以满足对通信的特殊要求，因而对于一个预先固定了带宽的通信系统，频谱的利用率可能不是最有效的。从原理上讲，数字系统有能力比较容易灵活地配置带宽，从而提高利用率。灵活的带宽配置虽未在第二代系统中得以充分体现，但它是采用数字技术的又一大优点。

● 新的服务项目：数字系统可以实现模拟系统不能实现的新服务项目，比如鉴权、短消息、WWW浏览、数据服务、语音和数据的保密编码以及增加综合业务（ISDN）、宽带综合业务（B-ISDN）等新业务（这些应用在第二代移动通信系统中未能全部直接实现）。

● 接入和切换的能力和效率：对于固定数量的频谱资源，蜂窝系统通信容量的增加意味着相应蜂窝尺寸的减小，这同时意味着更为频繁的切换和信令交互。基站将处理更多的接入请求和漫游注册。

由于数字系统具有上述的优点，所以第二代移动通信系统采用数字方式，因此也称为第二代数字移动通信系统。

在第一代移动通信系统中，欧洲国家使用的制式各不相同，技术上也没有很大优势，并且不能互相漫游。因此在开发第二代数字蜂窝通信系统中，欧洲联合起来研制泛欧洲的移动通信标准，提高竞争优势。为了建立一个全欧洲统一的数字蜂窝移动通信系统，1982年欧洲有关主管部门会议（CEPT）设立了移动通信特别小组（GSM，Group Special Mobile）协调推动第二代数字蜂窝通信系统的研发。1988 年提出了主要建议和标准，1991 年7 月双工TDMA制式的GSM数字蜂窝通信系统开始投入商用。它拥有更大的容量和良好的服务质量。美国也制定了基于TDMA的DAMPS、IS-54、IS-136标准的数字网络。

美国的Qualcomm公司提出了一种采用码分多址（CDMA）方式的数字蜂窝通信系统的技术方案，成为IS-95标准，它在技术上有许多独特之处和优势。

日本也开发了个人数字系统（PDC）和个人手持电话系统（PHS）技术。第二代移动通信系统使用数字技术，提供语音业务、低比特率数据业务以及其他补充业务。GSM是当今世界范围内普及最广的移动无线标准。

我国第一个全数字移动电话系统（GSM）于1993年建成开通。现在我国主要使用的移动通信网络有GSM和CDMA两种系统。表1-2列出了主要的第二代移动通信系统。

表中所列的第二代蜂窝移动通信系统，均采用频分双工模式（FDD），相互之间基本上是不兼容的。在市场方面，主要有三种技术标准获得较为广泛的应用，即主要应用于欧洲和世界各地的GSM、北美的IS-136和日本的JDC（Japanese Digital Cellular）或PDC（Pacific Digital Cellular）。第二代无绳电话标准则有CT-2和DECT（Digital European Cordless Telecommunications）。

3.第三代（3G）移动通信系统

由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现最初的目标，比如统一的全球标准。同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求愈来愈高，几千比特每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传输的需要，一些新的技术如IP等不能有效地实现，这些需要是高速率移动通信系统发展的市场动力。在此情况下，具有9～150 kb/s传输能力的通用分组无线业务（GPRS：General Packet Radio Services）系统和其他系统开始出现，并成为向第三代移动通信系统过渡的中间技术。

第二代系统没有达到的主要目标包括以下几个方面：

● 没有形成全球统一的标准系统：在第二代移动通信系统发展的过程中，欧洲建立了以TDMA为基础的GSM系统；日本建立了以TDMA为基础的JDC系统；美国建立了以模拟FDMA和数字TDMA为基础的IS-136混合系统，以及以N-CDMA为基础的IS-95系统。

● 业务单一：第二代移动通信系统主要是语音服务，只能传送简短的消息。

● 无法实现全球漫游：由于标准分散和经济保护，全球统一和全球漫游无法实现，因此也无法通过规模效应降低系统的运营成本。

● 通信容量不足：在900 MHz频段，包括后来扩充到1800 MHz频段以后，系统的通信容量依然不能满足市场的需要。随着用户数量的上升，网络未接通率和通话中断率开始增加。

第二代移动通信系统是主要针对传统的语音和低速率数据业务的系统。而未来的“信息社会”，图像、语音、数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务将成为必不可少的服务内容，它们的业务量将有可能超过传统的语音业务的业务量。根据UMTS论坛的估计，在2010年，欧洲大约60%的通信业务将由移动多媒体应用所创建。预计在世界范围内移动数据业务也有类似的增长速度。所以目前的第一代、第二代移动通信系统不仅远远不能满足未来用户对数据的业务需求，而且随着用户数量迅猛增加，现有的系统也将远远不能满足用户容量的发展需要。另外，随着“信息高速公路”的建成，公共陆地网传输的许多业务，也必将与移动通信系统接口。宽带分组数据将成为陆地公共网络的骨干网的重要业务方式，成为“信息高速公路”的重要载体。进入新世纪，人类社会将全面进入信息时代，移动因特网又将成为新的热点和亮点。

因此新一代的移动和个人通信系统的研究和发展已经成为通信领域的一个新的热点。由于市场对先进的无线通信有巨大的需求，第三代移动通信系统将是一种关键的通信技术，并且已成为国际标准。

第三代移动通信系统需要有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输的能力，除了语音和数据传输外，还能传送高达2 Mb/s的高质量的活动图像，真正实现“任何人，在任何地点，任何时间，与任何人”都能便利通信这个目标。

在第三代移动通信系统中，CDMA是主流的多址接入技术，CDMA通信系统使用扩频通信技术，扩频通信技术在军用通信中已有半个多世纪的历史，主要用于两个目的：对抗外来强干扰和保密。因此，CDMA通信技术具有许多技术上的优点：抗多径衰减、软容量、软切换、其系统容量比GSM系统大，采用语音激活、分集接收和智能天线技术可以进一步提高系统容量。

由于CDMA通信技术有上述的技术优势，第三代移动通信系统主要采用宽带CDMA技术。第三移动通信系统的无线传输技术主要有三种：欧洲和日本提出的WCDMA技术、北美提出的基于IS-95 CDMA系统的cdma2000技术以及我国提出的具有自己知识产权的TD-SCDMA系统，它们的性能见表1-3。

1.1.2 IMT-2000的目标

第三代移动通信系统是国际电信联盟（ITU）在1985年提出的，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS-Future Public Land Mobile Telecommunication System）。它的目标是5个W，即实现任何人（Whoever）在任何时间（Whenever）、任何地点（Wherever），能够实现与任何其他人（Whomever）进行任何形式（Whatever）的通信。在这个网络中，每个人都有一个个人识别号码（PIN），可以通过多个网络建立自己所需业务的通信连接，把“服务到终端”推向“服务到个人”，在任何位置、网络和终端上均能发起和接受呼叫，也将其称为“个人通信”。

众所周知，个人通信（Personal Communications）是人类通信的最高目标，个人通信的主要特点是每一个用户有一个属于他个人的唯一的通信号码，它取代了以设备为基础的传统通信号码。电信网能够随时跟踪用户并为他服务，不论被呼叫的用户是在车上、船上、飞机上，还是在办公室里、家里、公园里，电信网都能根据呼叫人所拨的个人号码找到他，然后接通电路提供通信，用户通信完全不受地理位置的限制。实现个人通信，必须要把以各种技术为基础的通信网组合到一起，把移动通信网和固定通信网结合在一起，把有线接入和无线接入结合到一起，才能综合成一个容量极大、无处不通的个人通信网，称为“无缝网“，形成所谓万能个人通信网（UPT）。这是21世纪电信技术发展的重要目标之一。

个人通信发展的前提为

● 大容量：可以为全球任何人和智能设备提供通信；

● 全覆盖：实现任何地方的通信；

● 移动性：保证在移动环境下实现通信；

● 智能化：对个人、终端和业务实现智能管理，满足个性化的需求；

● 低费用：可让所有想进行通信的人们都有能力支付通信费用，实现大众化消费。

移动通信是实现个人通信的必由之路，而只有第三代移动通信才能实现个人通信的愿望。

1996年ITU将FPLMTS正式更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication 2000）。据说2000有三个含义：预计3G通信系统将在2000年左右商用；工作于2000 MHz频段；提供的最高传输速率为2000 kb/s。

随着第三代移动通信技术标准的发展，1999年ITU也认为可以将IMT重新定义为Internet Mobile/Multimedia Telecommunication，即因特网/多媒体通信。

第三代移动通信IMT-2000主要特性有：

● 全球化：IMT-2000是一个全球性的系统，它包含多种系统，在设计上具有高度的通用性，该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容，能提供全球漫游；

● 多媒体化：提供高质量的多媒体业务，如语音、可变速率数据、活动视频和高清晰的图像等多种业务，实现多种信息一体化；

● 综合化：能把现存的寻呼系统、蜂窝无线通信系统、卫星移动通信系统综合在统一的系统中，以提供多种业务；

● 智能化：主要表现在优化网络结构方面（引入智能网概念）和收/发信机的软件无线电化；

● 个人化：用户可用唯一个人电信号码（PTN）在任何终端上获取所需要的电信业务，这就超越了传统的终端移动性，实现个人移动性。

IMT-2000主要解决了以下几个问题：

● 无线频率：由于电磁波频谱是有限资源，因此作为信号承载的频率必须统筹安排。IMT-2000的目标之一就是统一频率，满足系统的无线兼容问题。IMT-2000的核心频带是在世界无线大会WAR'92上规定的1885～2025 MHz/2110～2200 MHz（其中1980～2010 MHz/2170～2200 MHz为卫星通信频段），以满足全球互连互通的需要。

● 无线传输方案（RTT）：RTT是充分利用频谱效率的关键所在，也是各种无线电技术的主要区别之处。国际电联对各候选方案进行了评估和协调融合工作，希望形成一个统一的技术标准，或易于在终端上实现的不同技术标准。

● 网络的拓展性：网络技术在不断发展，因此保持网络的后向兼容是明智之举。由于现存的网络已耗巨资，人们确保IMT-2000网络和现行的网络互连互通，才能保护广大的用户、运营商以及制造商的利益，并获得广泛的支持。IMT-2000在网络构造上充分考虑了现有网络的发展和今后的拓展性能。

IMT-2000的目标包括：

● 支持全球漫游：IMT-2000是一个全球性的系统，能同时容纳不同系统，具有世界统一的频段和基于终端移动性的全球漫游特性，用户能够以低成本的多模式终端在整个系统和全球实现漫游。

● 支持多网络互连：IMT-2000能够与第二代移动通信网、PSTN/ISDN及因特网等互连，在统一的通信系统中，以提供多种业务服务，如高质量语音、可变速率的数据、高分辨率的图像和多媒体业务等。

● 频谱利用率高、系统容量大：IMT-2000系统需要拥有强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。

● 支持多种环境：IMT-2000应该适应于多层小区结构，如微微小区、微小区、宏小区等，同时将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起。

● 具有较好的经济性能：即IMT-2000网络投资费用，包括网络建设费、系统设备费和用户终端费要尽可能低，并且终端设备应体积小、耗电省，满足通信个人化的要求。

● 提供新业务灵活：IMT-2000必须能够做到方便地调整网络以增加新的业务，即要求网络体系可以灵活地引入新业务，最小程度地影响网络各单元；具备QoS保证；支持分组数据业务。

● 兼容各种用户设备：可以使用各种用户设备接入网络，包括个人便携终端、特殊移动终端、标准PSTN/ISDN终端等。

● 将无线接入和网络独立出来，建立IMT-2000大家族的概念，即家族成员可以实施按需分配功能模块。

为了实现上述目标，IMT-2000无线传输技术要求如下：

● 为支持高速率数据和多媒体业务，在各种条件下应提供如下业务速率：室内环境至少2 Mb/s；室外步行环境至少384 kb/s；室外车载运动中至少144 kb/s。

● 传输速率能够按需分配。

● 上、下行链路适应于传输不对称业务的需要。

同时，第三代移动通信系统应能够后向兼容第二代移动通信系统，实现第二代移动通信到第三代移动通信的平滑过渡。

IMT-2000是自从20世纪90年代初期数字通信系统出现以来，移动通信取得的最令人鼓舞的发展，它也代表了在20世纪过去的十年，ITU所取得的最重要的成就之一。