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精品无线通信系统的发展历程与趋势汪涛（华南理工大学电子与信息学院2005级1班，广州510641）摘要：本文以多址接入和双工技术这两项现代无线通信的基础技术为主干，回顾1G和2G系统使用的主要技术、性能指标和关键技术，比较正在发展中的几种3G系统的标准，还简要介绍了4G系统和未来的无线通信系统的特点及其关键技术。关键词：无线通信系统；频分多址；时分多址；码分多址；双工中图分类号：TN924.2文献标识码：A文章编号：1000-436X(2008)05-xxxx-xxHistoryandDevelopmentofWirelessCommunicationSystemsWANGTao(Class05(1),SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)Abstract:Thispaperreviewsthe1Gand2Gsystemsbyintroducingtwocoretechnologiesofmodernwirelesscommunications,MultipleAccessandMultiplexing.Then,severaldeveloping3Gstandardsarepresentedandcompared.Finally,newfeaturesandcoretechnologiesof4Gandfuturewirelesscommunicationsystemsarebrieflyintroduced.Keywords:wirelesscommunicationsystem;FDMA;TDMA;CDMA;Multiplexing1引言现代无线通信系统中最重要的两项基础是多址接入（MultipleAccess）和双工（Multiplexing）。从1G到4G的无线通信系统演进史基本上就是在这两项技术上进行不断改进。多址接入技术为不同的用户同时接入无线通信网提供了可能性。图1给出了三种最典型的多址接入技术：FDMA、TDMA和CDMA的比较。收稿日期：2008-05-13；修订日期：2008-xx-xx作者简介：汪涛（1987-），男，华南理工大学2005级1班本科生，专业为信息工程（通信工程），学号200530214150。精品图1三种最典型的多址接入技术双工技术为用户同时接收和发送数据提供了可能性。图2给出了两种最典型的双工技术：FDD模式和TDD模式的比较。图2两种最典型的双工技术表1给出了历代蜂窝系统所采用的多址接入和双工技术。[1](p450)蜂窝系统多址接入和双工技术AdvancedMobilePhoneSystem（AMPS）FDMA/FDDGlobalSystemforMobile（GSM）TDMA/FDDUSDigitalCellular（USDC）TDMA/FDDPacificDigitalCellular（PDC）TDMA/FDDCT2CordlessTelephone（无绳电话）FDMA/TDDDigitalEuropeanCordlessTelephone（DECT，无绳电话）FDMA/TDDUSNarrowbandSpreadSpectrum（IS-95）CDMA/FDDW-CDMA（3GPP）CDMA/FDDCDMA/TDDcdma2000（3GPP2）CDMA/FDDCDMA/TDD表1历代蜂窝系统所采用的多址接入和双工技术2第一代无线通信系统2.1第一代无线通信系统简介采用频分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess）技术组建的模拟蜂窝网也被称为第一代（FirstGeneration，下称1G）无线通信系统。这些系统中，话务是主要的通信方式。由于采用模拟调制，这些系统容易被第三方窃听。1G的主精品要蜂窝系统包括AMPS、NMT、Hicap、CDPD、Mobitex、DataTac、TACS和ETACS。20世纪70年代末，AT&T的贝尔实验室发明了美国的第一个蜂窝电话系统，即AMPS（AdvancedMobilePhoneService）。Ameritech公司的AMPS在1983年首次在芝加哥的城区和郊区部署。当年，FCC（FederalCommunicationsCommission）分配了位于800MHz频段的40MHz频谱给AMPS，到了1989年，由于业务量激增，FCC又额外分配了10MHz（称为扩展频谱）给AMPS。最初的AMPS蜂窝系统的特点是：蜂窝较大，基站采用全向天线以减少成本。在芝加哥部署的AMPS覆盖了大约2100平方英里。时至今日，AMPS仍然在世界上的许多地方（尤其是农村）使用，包括美国、南美、澳大利亚和中国。虽然在每个国家AMPS所使用的频带不同，但其无线接口标准是一致的。到了80年代中期，ETACS（TheEuropeanTotalAccessCommunicationSystem）在欧洲发展了起来，ETACS和AMPS基本一致，但其每个信道的带宽为25KHz（AMPS为30KHz）。ETACS和AMPS的另一个不同在于电话号码（MobileIdentificationNumber）的划分，因为欧洲的电话号码要划分为国家区号，而美国的电话号码要划分的是州区号（AreaCode）。[1](p533)中国于1983年规定蜂窝式移动电话系统频段为870-889.975MHz与915-935.975MHz，频道间隔为25KHz。1990年8月确定采用TACS制式，即频段为890-915MHz与935-960MHz，双工间隔频率为45MHz，并且规定即日起停止引进非该频段的模拟蜂窝系统，原来已引进的各种系统可以沿用到2005年。[2](p221)表2给出了AMPS、ETACS和NTT（日本采用的1G系统）系统的性能指标比较。系统名称AMPSTACSNTT使用地区美国欧洲、中国日本频段/MHz基站发射移动台发射870-890825-845935-960890-915915-940860-885频道间隔Bc/KHz302525收发频率间隔/MHz454555基站发射功率/W10010025移动台发射功率/W375小区半径/km2-202-202-20区群小区数/N7/127/129/12话音调制方式FMFMFM频偏/KHz+12+9.5+5信令调制方式FSKFSKFSK频偏/KHz+8.0+6.4+4.5速率/(KB/s)1080.3纠错编码基站BCH(40,28)BCH(40,28)BCH(43,31)移动台BCH(48,36)BCH(48,36)BCH(15,11)表2第一代无线通信系统的性能指标比较所有1G系统都有两类逻辑信道：业务信道和控制信道。业务信道传输模拟精品FM电话，同时还传输必要的模拟信令。控制信道分为下行的寻呼信道和上行的接入信道，均传输数字信令。2.2频分多址接入技术FDMA技术是1G系统广泛采用的多址接入技术，每个用户被分配了一个独一无二的频带或信道。这些信道按需分配，且不能被其他用户共享。在采用了频分双工（FrequencyDivisionDuplexing，下称FDD）模式的系统中，用户被同时分配了一对频率，一个用于前向信道，一个用于反向信道。较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道，较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道。FDD模式要求同时占用2个信道（2对频谱）才能实现双工通信。所以，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。此外还要设置频道间隔，以免因系统的频率漂移造成频道间重叠。前向信道与反向信道之间设有保护频带，用户频道之间也设有保护频隙。如图3所示。图3频分双工的前向与反向信道FDMA遇到的主要干扰如表3所示。干扰方式起因解决方法互调干扰系统内非线性器件产生的各种组合频率成份落入本频道接收机通带内选用无互调的频率集邻道干扰相邻波道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内加大频道间的隔离度同频干扰相邻区群中同信道小区的信号造成的干扰适当选择频道干扰因子Q表3频分多址的主要干扰下面是消除互调干扰（亦称“非线性作用”）的一个例子。假设一个基站传输的两个载波频率为1930和1932MHz，并由一个可以产生非线性作用的放大器放大。该基站使用的频段为1920MHz到1940MHz，则由《高频电子线路》课程的知识可知，则带内和带外互调干扰产生的频率为mf1+nf2，其中m、n为任意整数，而f1、f2为载波频率。一些典型的频率包括：1930，1928，1932，1934，1926，1924，1936，1938（单位：MHz）。在AMPS中，当一个用户与基站通信时，将占用一对双工信道，它们间距45MHz。如果多个用户要同时使用AMPS，则需要占用多对信道。因此，不难想到一个FDMA系统能同时支持的最多用户数由式(1)给出：N=(Bt-2Bguard)/Bc式中Bt是总的频谱宽度，Bguard是在频谱宽度边沿的保护频带，Bc是频道间(1)精品隔（参见表2）。此处的Bt和Bc可以理解为双工信道中的一个，所以需要为前向和反向信道同时分配一对对称的频带（通常相隔45MHz或55MHz）。对于美国的AMPS蜂窝运营商，如果它分配到了每个单工频带12.5MHz的宽度，即Bt为12.5MHz，Bguard为10KHz，且Bc为30KHz，那么按照式(1)可得N=(12.5×106-2(10×103))/30×103=416，即每个蜂窝载波可分配最多416个信道。[1](p452)FDMA的优点在于其符号时间远大于平均延迟扩展，所以码间干扰较少，无需自适应均衡。但每信道占用一个载频，信道的相对带宽较窄，即通常在窄带系统中实现；且基站复杂庞大，易产生信道间的互调干扰，必须使用带通滤波器来限制邻道干扰。最后，FDMA的越区切换较为复杂，必须瞬时中断传输，对于数据传输将带来数据的丢失。[3]3第二代无线通信系统3.1第二代无线通信系统简介从2G开始，无线通信步入了纯数字时代。2G的另一个显著特点是，所有的标准都以商业利益为宗旨。目前，世界上大多数运营中的无线通信系统都是2G系统，其中60%的市场被欧洲标准占据。2G标准包括GSM、iDEN、USDC（D-AMPS）、IS-95、PDC、CSD、PHS、GPRS、HSCSD和WiDEN。第一代AMPS系统并不能满足当今大城市的通信容量需求。数字蜂窝（DigitalCellular），亦即采用数字调制技术的蜂窝系统，可以极大地提供系统的容量和性能。经过主要蜂窝产商的大量研究和比较，在20世纪80年代晚期，USDC（TheUnitedStatesDigitalCellularSystem）实现了可以在固定频带内支持更多用户的时分多址（TimeDivisionMultipleAccess）系统。在每个AMPS信道上，USDC可以支持3个全速率（Full-rate）用户或6个半速率（Half-rate）用户。在FDD模式上，USDC沿用了AMPS的45MHz间隔。1990年，USDC/AMPS双模式系统由EIA/TIA（ElectronicIndustriesAssociationandTelecommunicationIndustryAssociation）在InterimStandard54（IS-54）中标准化，随后被升级到IS-136。由于USDC保持了和AMPS的兼容性，有时也被称为D-AMPS（DigitalAMPS）。USDC（IS-136）系统的性能指标如表4所示。参数USDCIS-54标准多址接入/双工模式TDMA/FDD数字调制方式∏/4DPSK频道间隔Bc30KHz反向信道频带824-849MHz前向信道频带860-894MHz前向和反向信道数据速率48.6Kbps频带利用率1.62bps/Hz均衡器未指定信道编码7比特CRC和码率为1/2、约束