前4代移动通信的演进

前4代移动通信的演进

移动通信，或者称为蜂窝通信，始于美国电话电报公司( AT&T)贝尔实验室1968年的发明。它类似六边形的蜂窝状小区(Cell)结构：这些小区环环相扣，构成连续覆盖的大范围网络。

由于小区之间可以复用相同的频谱资源，所以，整个网络的容量得到极大的提升。基于这一原理，摩托罗拉公司( Motorola)于1973年在其实验系统中实现了上述移动通信系统，成为业界的先驱。在之后的近40年中，移动通信以其随身、灵活、方便等的特点，得到迅猛发展。移动通信逐渐改变着人们的生活方式，它在全球许多国家中的渗透率已超过90%，其技术已经历了四代的演进，标志性技术特征如下。

• 第一代 频分多址(FDMA) 模拟调制
• 第二代 时分多址(TDMA) 数字调制卷积码
• 第三代 码分多址(CDMA) 数字调制Turbo码
• 第四代 正交频分多址(OFDMA) 空间信道复用(MIMO) 咬尾卷积码和带二次项置换多项式 (QPP)的Turbo码

1G

第一代移动通信系统(1G, 1st Generation Mobile Communication) 的多址技术是频分多址(FDMA)，主要支持语音服务。每个用户的物理层资源是固定的频率划分，采用模拟幅度调制( AM, Amplitude Modulation)，与传统的铜线电话或调幅广播电台(AM)类似。模拟的语音信号没有经过信息压缩，语音信息没有信道编码的纠错保护，发射功率也无有效的控制。这导致资源利用率低、系统容量小、通信质量差(如有串音——一个有时候能听到其他用户的通话)。由于当时的模拟器件难以集成，终端(俗称“大哥大”)的硬件成本高、体积重量大、价格昂贵，从而使得其普及程度很低。

2G

第二代移动通信系统(2G，2nd Generation Mobile Commnicetin)的多址技术以时分多址(TDMA)为主(FDMA+TDMA)，其基本业务是语音。使用得最广泛的2G制式是欧盟主导制定的全球移动通信系统(GSM，Global Systemof Mobile Commnications )。在GSM中，无线资源被划分成若干个200 kHz带宽的窄带(FDMA)，每个窄带中多个用户按照时隙(Time Slot)复用资源(TDMA)。GSM中的模拟语音信号经过信源压缩变成数字信号，数字化语音信号进入信道编码环节进行防错保护。然后，编码之后的请音数据采用数字调制后的信号在发射时使用率控制技术。这些技术使得传输效率大为提系统零量和通信质量也有很大的提升。GSM的信道编码主要采用分组码和卷积码，算法复杂度较低，性能中等。

3G

第三代移动通信系统(3G, 3rd Generation Mobile Communication)广泛采用码分多址技术(CDMA)。这使得信道的抗干扰能力大为增强。  相邻小区可以完全复用相同的领率，从而提升了系统容量。码分多址2000系列(cdma2000、cdma2000EV-DO、cdma2000EV-DV)和**宽带码分多址(WCDMA)**是3G的两大标准。cdma2000系列主要在北美、韩国和中国等地区使用，其载波频带宽度为1.25 MH2，相应的国际标准组织是3GPP2。WCDMA的国际标准组织是3GPP，其中，欧洲的厂商和运营商起着重要作用。WCDMA已经在世界范围广泛使用(如欧洲、韩国、中国等)。其载波频带宽度为5 MHz。为适应更高速率的要求(3G的初期目标为2Mbit/s)，cdma2000和WCDMA各自都有演进版，分别是Evolution Data Optimied(EV-DO)和(HSPA, High Speed Packet Access）。 3G还有一套标准：时分同步码分多址(TD-SCDMA. Time Divsion Synchronous CDMA) ，主要由中国公司和欧洲公司制定， 属于3GPP标准的一部分。

3G容量的提高在很大程度上得益于码分多址系统的软频率复用、功率控制技术和Turbo码的使用。1993年这个信道编码领域的重大突破(Turbo码)使得无线链路性能逼近香农极限容量( Shannon’s Limit )。在短短几年间，Turbo码得到广泛应用，并掀起了对随机编码和迭代译码的研究热潮。

4G

第四代移动通信系统( 4G, 4th Generation Mobile Communication )最标志性的技术是正交频分复用(OFDM) 和正交频分多址(OFDMA)。这也体现了移动通信技术发展的必然趋势。首先，用户期望能有更高的数据速率。根据香农容量公式C=Blog(1 + SNR)。提高带宽可以迅速地提高数据速率(容量)。这迫使4G使用更大的带宽(20 MHz)。相对CDMA系统，OFDM/OFDMA系统能更灵活地使用更大的带宽。

在4G标准制定的初期，世界范围内存在三大标准：超宽带移动通信( UMB，Ultra Mobile Broadband )、全球微波互联接入( WiMAX）和长期演进(LTE)。UMB于2007年年底已基本完成标准制定。但由于运营南缺乏兴趣，UMB目前没有应用。WiMAX早在2007年就形成标准。但由于产业联盟过于检散、 商业模式不够健全，WiMAX的应用较少。

LTE的第一个的版本号是Rlease 8(Rle-8)，于2007年9月完成。由于运营商的广泛兴趣，LTE逐渐成为全球最主流的4G移动通信标准。版本8LTE还不是严格意义的4G标准( 俗称为**“3.9G"； HSDPA俗称为“3.5G"**；4G的目标为100 Mbit/s；Rel-8 的LTE在20 MHz单载波、单天线下的峰值速率为75 Mbit/s)。所以，从2009年起，3GPP开始了对LTE-Advanced的标准化。作为一个重大的技术迈进，LTE- Advanced标准的版本编号是Release 10，其性能指标完全达到IMT- Advanced的要求( Rel-10的LTE在5个20 MHz的带宽、单天线下的峰值速率为375 Mbit/s)。

LTE-Advanced引入了一系列的空口技术，这些技术包括：载波聚合、小区间干扰消除抑制、无线中继、下行控制信道增强、 终端之间的直通通信等。这些技术使得其系统的综合频谱效率、峰值速率、网络吞吐量、覆盖等有了较明显的提升。这些技术不仅适用于以宏站为主的同构网，而且也适用于由宏站和低功率节点所组成的异构网。

LTE/LTE- Advanced在信道编码方面基本上沿用3G所用的Turbo码作为数据信道的前向纠错码。LTE 在Turbo码的结构上有一些优化，一定程度地降低了解码复杂度且提高了性能。控制信道采用咬尾卷积码，相比经典的卷积码，降低了开销。