浅析移动通信技术的演进

162007年第6期通信技术No.06,2007总第186期CommunicationsTechnologyNo.186,Totally·移动通信·浅析移动通信技术的演进彭小平（襄樊学院,湖北襄樊441053）【摘要】概述了第一代到第五代移动通信技术的演进过程，比较了第三代移动通信技术和第四代移动通信技术的不同点，重点讨论了第四代移动通信技术的工作原理，对移动通信技术的发展作了展望。【关键词】移动通信；演进；正交频分复用；码分多址【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2007)06-0016-02DiscussionsonEvolutionofMobileCommunicationTechnologyPENGXiao–ping(XiangfanUniversity,XiangfanHubei441053,China)【Abstract】Inthispaper,theevolutionfrom1Gto5Gissummarized,thedifferencesbetween3Gand4Gcompared,theworkingprincipleof4Gisemphaticallystudied,andthefutureofmobilecommunicationtechnologyforecasted.【Keywords】mobilecommunication;evolution;OFDM;CDMA0引言移动用户不断增加，以及移动用户对移动通信业务的追求已从单纯的语音业务扩展到多媒体业务，移动通信技术变得越来越重要。为了满足人们日益增长的需求，这使得人们努力改进和发展一些新的技术。现在移动通信技术的热点是3G、4G和5G技术。然而，人们可能产生疑问，3G还没有完全实现，为什么又急于研究4G甚至5G[1]呢？3G具有增强的漫游功能、宽带数据的视频和多媒体业务、高的服务质量和数据永远在线[2]，4G不仅是对3G的困难和局限的突破和演进，而且增强了服务质量、增加了带宽和降低了成本[3]，而5G则是一种完美的无线通信系统。文中主要讨论第一代到第五代移动通信技术的演进和4G的工作原理。1移动通信技术概述第一代移动通信系统(1G)是在20世纪80年代初提出的，它完成于20世纪90年代初,如NMT和AMPS，其中NMT于1981年投入运营。1G是基于模拟传输的，其特点是业务量小、质量差、安全性差、没有加密和速度低。1G主要基于蜂窝结构组网，直接使用模拟语音调制技术，传输速率约2.4kbit/s，不同国家采用不同的工作系统[4]。第二代移动通信系统(2G)开始于20世纪80年代末，并完成于20世纪90年代末，1992年第一个GSM网络开始商用。2G是基于数字传输的，并且有多种不同的标准(如GSM,CT2,CT3,DECT,DCS1800)，其传输速率可达64kbit/s。GSM(全球移动系统)是目前使用最普遍的一种标准，它使用900MHz和1800MHz两个频带。GSM采用数字传输技术并利用用户识别模块(SIM)技术鉴别用户，通过对数据加密来防止偷听。GSM传输使用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA×1)技术来增加网络中信息的传输量，它不能实现全球无缝漫游。其他的2G系统是IS-95CDMA,PDC和IS-136TDMA等。第2.5代移动通信系统(2.5G)是2G向3G发展过程中的中间过渡，它是2G的扩展和加强，2.5G是2G的增强版。通用无线分组业务（GPRS）可以看作在2G和3G之间移动通信技术发展的过渡阶段，它是GSM的扩展。GPRS于2000年开始运行，是一种数据业务，它能够使移动设备发送和接收电子邮件及图片信息。GPRS的常用速度为115kbit/s，通过使用增强数据率的GSM(EDGE)最大速率可达384kbit/s，而典型的GSM数据传输速率为9.6kbit/s。第三代移动通信系统(3G)开始于20世纪90年代末。3G是目前正在全力开发和实施的移动通信系统，已经在部分国家运营，如2003年在英国投入运营。3G统一不同的移动技术标准，使用高的频带和TDMA技术传输数据来支持多媒体业务。3G不仅提供从125kbit/s到2Mbit/s的传输速率，而且能够提供多种宽带业务，其主要特点是无缝全球漫游、高速率、高频谱利用率、高服务质量、低成本和高保密性等。3G的欧收稿日期：2007-02-13。作者简介：彭小平(1963–)，男，硕士，讲师，主要研究方向为移动通信新技术。17洲标准是通用移动通信系统(UMTS)，UMTS仍然采用数字传输技术并利用SIM鉴别对数据加密。信息传输使用宽带码分多址(WCDMA)并能得到384kbit/s到2048kbit/s的传输速率。第四代移动通信系统(4G)是一个基本概念，仍然处在研究阶段，目前不存在实际的第四代移动通信系统。4G提供高速率、高容量、低成本和基于IP的业务。4G基于Adhoc网络模型，它的操作运行不需要固定的基础结构，Adhoc网络需要全球移动性能(即移动IP)和全球IPv6网络的连通性以支持每个移动设备的IP地址。在不同的IP网络(802.11WLAN,GPRS和UMTS)中，4G能够在更高的数据传输速率下实现无缝漫游，其数据传输速率从2Mbit/s到1Gbit/s,还能够提供低时延的新业务。虽然移动设备不依赖固定的基础结构，但是在Adhoc网络中仍需要自组织的增强型智能并具有在分组交换网络中的路由能力。第五代移动通信系统(5G)还没有清楚的定义，但肯定比4G更先进，性能更完善。5G接入和服务区域没有限制，其传输速率高得令人难以置信。5G被认为是一种完美的无线通信，人们称它为真正的无线世界。5G的概念起源于4G技术，随后的演进也是基于4G的。因此，相比4G而言，5G应该有重大的突破，有更多的业务和更多的智能技术。1G到4G的演进示意图如图1。1990198020002010业务类型语音多媒体1G2.4kbit/s2G64kbit/s4G1Gbit/s3G2Mbit/sNarrowbandEraWidebandEraBroadbandEraBroadbandwirelessIMT-2000IS95IS136GSMPDCAMPSTACSNTT年图11G到4G的演进24G工作原理3G和4G的主要区别是数据速率，业务类型，传输方式，因特网接入技术，与有线骨干网接口的兼容性，服务质量和安全性。在快速运动的大区域范围内，4G应该支持至少100Mbit/s的最大速率，在低速运动的局部区域范围内应该达到1Gbit/s的速率[3]。4G是一个全球标准，它能够提供全球移动性和业务的便携性，即4G应该能够提供低成本的非常平滑的全球漫游。4G基于宽带IP，以无缝接入融合方式，完全利用分组交换方式传输[5]，即4G综合所有的接入技术，业务和应用能够毫无限制地运行在无线骨干网，通过IP地址运行在有线骨干网。换句话说，4G将带给人们几乎完美的真实无线世界。现在的问题是4G应该如何发展，怎样才能使4G变成现实。在4G无线网络中，每个结点分配一个基于IPv6(因特网协议版本6)的4G-IP地址，于是一个永久的本地IP地址和一个代表实际位置的动态转交地址将形成[2]。当因特网中的设备(如计算机)与无线网络中的另一个设备(如蜂窝电话)通信时，计算机首先送一个包到蜂窝电话的4G-IP地址(目标是本地IP地址)，然后蜂窝电话所在网络中的地址目录服务器送这个包到蜂窝电话的转交地址(移动IP)；此外，地址目录服务器将蜂窝电话的转交地址(实际位置)告诉计算机，下一个包同样直接送到蜂窝电话。4G-IP地址(IPv6)比现在使用的IP地址(IPv4)能运送更多的信息，IPv6包括128bits，它是IP地址(IPv4)的4倍。IPv6包括4套IPv4地址，每套IPv4地址分别定义为不同的功能和用法。同时，在4G无线网络中，不仅有IPv6传输协议，而且还要受OFDM,MC-CDMA,LAS-CDMA,UWB和Network-LMDS等的支持。IPv6和IPv4比较如表1。表1IPv6和IPv4比较IPv6IPv4结构128bits32bits安全性较强安全性较差安全性功能广播功能和移动功能、自组织结构寻址OFDM(正交频分复用)通过无线电波发射大量的数字数据。OFDM的工作原理是通过将无线电信号分成许多小的子信号，然后用不同的频率将这些子信号同时发送到接受器。换句话说，OFDM是一种数字调制技术，许多正交子波复用是为了增加信号强度，对于高频带数字信号的发射来说，这是很好的方法。在正交频分复用系统中，通信开始之前，两个无线设备要建立连接通道，所以在某一目标链路连接之前，无线电信号被分成许多小的子信号以准确的方向达到目标。实际上，多载波-码分多址(MS-CDMA)是码分多址覆盖的正交频分复用。用户用正交码的复用是为了辨别它们是处在多载波码分多址还是处在单载波码分多址系统，它允许在蜂窝系统和信号小区系统之间灵活的系统设计。然而，在MS-CDMA中，每个用户分配几个码，这些数据在时间或频率上分开。大区域同步码分多址(LAS-CDMA)是通过空中连接通信发展的。LAS-CDMA能够使数据速率更高并增加语音的容量，码分双工(CDD)融合高频谱效益的LAS-CDMA技术和时分双工(TDD)的高数据传输的性质。这种结合使CDD成为现在最有效的、高容量的双工系统。在4G中，LAS-CDMA是作为一个全球传输协议(世界小区)，即当两个无线设备的距离太远时，它们之间只有通过基于IPv6的LAS-CDMA建立连接。在4G中，超宽带(UWB)无线通信通过使用非常短的电脉冲一次扫描所有的频率，它能够解决多径衰落问题。然而，由于UWB的低功率要求，UWB只能用在室内或地下。于是，UWB必须结合OFDM使用，再通过使用多径算法后能够发射大量的数字数据；OFDM运行在室外，而UWB运行在室内保证信号强度。在第四代无线移动通信技术中，UWB用在建筑物中距离非常短的微微小区。网络-局部多点分布系统(Network-LMDS)是一种宽带无线技术，它用在25GHz和更高频带下运送语音、数据、因特网和视频业务。所以，在4G中，能够用在微小区和宏小区的Network-LMDS是无线设备的主要传输协议。IPv6,OFDM,MC-CDMA,LAS-CDMA,UWB和Network-LMDS分别安排在不同大小的区域上。因为IPv6是基本地址的协议，（下转第35页）35图3高速运行时的网络性能4结语MAC-AODV继承了传统AODV路由协议算法的基本操作，唯一不同的就是在Hello消息的处理上，传统AODV路由协议中，节点可以通过广播本地Hello消息来提供连接性信息，而在MAC-AODV中，路由层不再产生Hello消息，而是在一定时间内没有广播/单播任何控制/数据报文才在MAC层发送MAC-Hello消息；节点MAC层收到任何数据帧时都可将有关信息传给路由层以更新路由表项。通过这种方式减少了Hello消息数且可提供足够的路由更新，从而达到了对AODV路由协议进行改进、提高网络性能的目的。参考文献1IETF.mobileAdhocnetworkcharter[EB/OL]．http//．ietf．org/htm1．charter/manetcharter，2002．2PerkinsC,Belding-RoyerE,DasS.AdhocOn-DemandDistanceVector(AODV)Routing[S].RFC3561,July2003.3XiaoXipeng,NiLM.InternetQoS:abigpicture[J].IEEENetwork,Mar1999,13(2):8～18.4MobileManProject.Architecture,protocolsandServices[DB/OL].[EB/O