移动通信发展史及原理学习

一、 移动通信发展史
移动通信技术在四十多年间经历了从1G到5G的飞速发展。其各个阶段的简介如下：
1.1 1G
盛行年代： 1980年后
代表： 美国的AMPS 英国的TACS
发展：
第一套移动通讯系统在美国芝加哥诞生，采用的是模拟讯号传输，模拟式是代表在无线传输采用模拟式的FM调制，将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率上。
此外，1G只能应用在一般语音传输上，且语音品质低、讯号不稳定、涵盖范围也不够全面。1G主要系统为AMPS，另外还有NMT及TACS，该制式在加拿大、南美、澳洲以及亚太地区广泛采用。国内在80年代初期移动通信产业还属于一片空白，直到1987年的广东第六届全运会上，蜂窝移动通信系统正式启动。
1.2 2G
盛行年代：1995年后
代表： 美国的CDMA 欧洲的GSM
发展：
2G时代由GSM脱颖而出成为最广泛使用的移动通信制式，此时新的通讯技术成熟，逐渐挥别1G时代。从1G跨入2G是从模拟调制进入到数字调制，相较而言，2G声音质量较佳，比1G多了数据传输服务，传输速度为每秒9.6一14.4Kbit，且第二代移动通信具备高度的保密性，系统的容量增加许多，同时从2G时代开始，手机除了打电话也可以发短信了。
1.3 3G
盛行年代： 2009年后
代表： 美国高通的CDMA2000 日本与欧洲的WCDMA 中国TD-SCDMA
发展：
目前世界上的3G三大标准为CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，其中WCDMA是国际使用范围最广的3G网络制式，满足业务丰富、价格低廉、全球漫游、高频谱利用率4个基本要求。
而中国自主研发的第三代移动通信标准TD-SCDMA，相较其他2个标准起步较晚，但是国内电信史上重要的里程碑。
1.4 4G
盛行年代： 2013年后
代表： TD-LTE（中国自主研发） FDD-LTE（国际上主流）
发展：
4G技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，其中FDD-LTE国际上采用较多，从技术标准来看，静态传输速率达到1Gbps，用户在高速移动状态下可以达到100Mbps，就可做为4G技术之一其传输的速率更快，能使手机实现的功能变的更丰富。
中国移动4G采用了国内自主研发的TD-LTE网络制式，2016年6月，基站超过132万个，覆盖人口超过12亿，与126个国家和地区开通了4G漫游服务，客户近4.3亿，已是全球规模最大的4G网络系统。
1.5 5G
盛行年代：预计2020年后
代表：
发展：
2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式冻结并发布。
2018年2月27日，华为在MWC2018大展上发布了首款3GPP标准5G商用芯片巴龙5G01和5G商用终端，支持全球主流5G频段，包括Sub6GHz(低频)、mmWave(高频)，理论上可实现最高2.3Gbps的数据下载速率。
2018年6月13日，3GPP 5G NR标准 SA（Standalone，独立组网）方案在3GPP第80次TSG RAN全会正式完成并发布，这标志着首个真正完整意义的国际5G标准正式出炉。
2018年12月10日，工信部正式对外公布，已向中国电信、中国移动、中国联通发放了5G系统中低频段试验频率使用许可。这意味着各基础电信运营企业开展5G系统试验所必须使用的频率资源得到保障，向产业界发出了明确信号，进一步推动我国5G产业链的成熟与发展。
2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。

二、 四种不同技术的概念及原理
2.1 GSM
全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications) ，缩写为GSM，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准。它的空中接口采用时分多址技术。在2G系统中得到了最广泛的应用。
GSM网络是一个蜂窝网络，运行在多个不同的无线电频率上。GSM系统自身是由若干个子系统组成的。子系统主要分为移动台（MS）、基站子系统（BSS）、网络子系统（NSS）以及操作支持子系统（OSS）。
其中移动台（MS）是用户使用的能够接入GSM网络的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。
基站子系统（BSS）通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。它还包括了基站收发信台（BTS），负责BSC与无线信道之间的转换，以及基站控制器（BSC），它承担了无线资源和无线参数的管理。
网路子系统（NSS）主要对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。它包括了移动业务交换中心（MSC）、访问用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）以及移动设备识别寄存器（EIR）五个部分。
操作支持子系统（OSS）主要负责移动用户的管理、移动设备管理以及网路操作和维护的工作。

2.2 CDMA
CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，它是在数字技术的分支–扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA是指一种扩频多址数字式通信技术，通过独特的代码序列建立信道，可用于二代和三代无线通信中的任何一种协议。CDMA是一种多路方式，多路信号只占用一条信道，极大提高带宽使用率，应用于800MHz和1.9GHz的特高频(UHF)移动电话系统。

CDMA和GSM都是2G通信的主流制式，从技术上来说，它们之间的区别就在于无线发送接收的制式不同，调制解调的方法不同。
2.3 WCDMA
宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access）是一种3G蜂窝网络，使用的部分协议与2G GSM标准一致。具体一点来说，W-CDMA是一种利用码分多址复用方法的宽带扩频3G移动通信空中接口。WCDMA(宽带码分多址)是一个ITU(国际电信联盟)标准，它是从码分多址(CDMA)演变来的，采用直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)、频分双工(FDD)方式，码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz.基于Release 99/ Release 4版本，可在5MHz的带宽内，提供最高384kbps的用户数据传输速率。WCDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图象、数据以及视频通信，速率可达2Mb/s(室内静止)或者384Kb/s(户外移动)。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。窄带CDMA使用的是200KHz宽度的载频，而WCDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。

2.4 LTE
LTE（Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进。LTE系统引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20M带宽2X2MIMO在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbps，除去信令开销后大概为150Mbps，但根据实际组网以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbps，上行为50Mbps）。LTE技术主要存在TDD和FDD两种主流模式，两种模式各具特色。其中，FDD-LTE在国际中应用广泛，而TD-LTE在我国较为常见。频分双工(FDD)在频域内两个对称频率的两端，分别进行发送和接收。所以其在时间上是连续的，但在工作时必须采用成对的频率，在非对称业务中会造成频谱的利用率不足的情况。时分双工（TDD）在时域上利用不同的时隙来分离接收和发送信道。所以其单方向发送或接收的资源在时间上是不连续的，但并不会像FDD一样造成频谱利用率不足的情况。

三、 多址技术的分类及比较
3.1 频分多址
频分多址(FDMA)是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道（或称信道）分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。频分多址的频道被划分成高低两个频段，在高低两个频段之间留有一段保护频带，其作用是防止同一部电台的发射机对接收机产生干扰。如果基站的发射在高频段的某一频道中工作时，其接收机必须在低频段的某一频道中工作；与此对应，移动台的接收机要在高频段相应的频道中接收来自基站的信号，而其发射机要在低频段相应的频道中发射送往基站的信号。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用４个频道才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的，它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，这些频道又可以重新给别的用户使用。
在数字蜂窝通信系统中，采用FDMA制式的优点是技术比较成熟和易于与现有模拟系统兼容，缺点是系统中同时存在多个频率的信号容易形成互调干扰，尤其是在基站集中发送多个频率的信号时，这种互调干扰更容易产生。
3.2 时分多址
时分多址(TDMA)是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。TDMA通信系统的信号传输分正向和反向传输，其中基站向移动台传输，常称正向传输或下行传输，移动台向基站传输，常称反向传输或上行传输。
3.3 码分多址
码分多址(CDMA)通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。
在CMDA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。 类似的信道属于逻辑信道，这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。
码分多址蜂窝通信系统有如下特点：
1.CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA模拟蜂窝通信系统或TDMA数字蜂窝通信系统相比具有更大的通信量。
2.CDMA蜂窝通信系统的全部用户共享无线信道，用户信号的区分只是所用码型的不同。因此,CDMA蜂窝通信系统具有软容量，或者说软过载特性。
3.CDMA蜂窝通信系统具有软切换能力。
4.CDMA蜂窝通信系统可以充分利用人类对话的不连续特性，实现话音激活技术以提高系统的通信容量。
5.CDMA蜂窝通信系统以扩频技术为基础，因而它有抗干扰、抗多径衰落和具有保密性等优点 。

四、 各网络的速率、语音和数据业务的差异