蜂窝移动通信是当今通信领域发展最为迅速的领域之一，它对人类生活及社会发展产生了重大影响。本节将简要回顾蜂窝移动通信的发展历史，由此引出蜂窝移动通信的提出背景、技术特点、标准发展及其面临的问题等。 1.1.1 蜂窝移动通信概念的提出
移动通信的发展历史可以追溯到19世纪。1864年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在；1876年赫兹用实验证实了电磁波的存在；1900年马可尼等人利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功，从此世界进入了无线电通信的新时代。
现代意义上的移动通信开始于20世纪20年代初期。1928年，美国Purdue大学学生发明了工作于2MHz的超外差式无线电接收机，并很快在底特律的警察局投入使用，这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统；20世纪30年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用；20世纪30年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，试验表明调频制式的移动通信系统比调幅制式的移动通信系统更加有效。在20世纪40年代，调频制式的移动通信系统逐渐占据主流地位，这个时期主要完微透析
成通信实验和电磁波传输的实验工作，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。这种移动通信系统的工作频率较低、话音质量差、自动化程度低，难以与公众网络互通。
缘毛鸟足兰在第二次世界大战期间，军事上的需求促使技术快速进步，同时导致移动通信的巨大发展。战后，军事移动通信技术逐渐被应用于民用领域，到20世纪50年代，美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话系统与公众电话网络的互通，并得到了广泛的使用。遗憾的是这种公用移动电话系统仍然采用人工接入方式，系统容量小。
从20世纪60年代中期至70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统，它使用150MHz 和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择及自动接入公用电话网。
20世纪70年代中期，随着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的小区制、蜂窝组网的理论，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路。 1.1.2 第一代蜂窝移动通信系统
1978年，美国贝尔实验室开发了先进移动电话业务（AMPS）系统，这是第一种真正意义上的具有随
时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。AMPS采用频率复用技术，可以保证移动终端在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和更好的语音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。20世纪70年代末，美国开始大规模部署AMPS系统。AMPS以优异的网络性能和服务质量获得了广大用户的一致好评。AMPS在美国的迅速发展促进了在全球范围内对蜂窝移动通信技术的研究。到20世纪80年代中期，欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络，主要包括
英国的ETACS 系统、北欧的NMT-450系统、日本的NTT/JTACS/NTACS 系统等。这些系统都是模拟制式的频分双工（Frequency Division Duplex ，FDD ）系统，亦被称为第一代蜂窝移动通信系统或1G 系统。1G 系统的主要特征及使用地区见表1-1。
表1-1 第一代蜂窝移动通信系统的主要特征及其使用地区 系统名称 （上行/下行频率）/MHz 信道带宽/kHz 信道数 地区 AMPS 824~849/869~894
30 832 美国 TACS 890~915/935~960
25 1000 欧洲 ETACS 872~905/935~960
25 1240 英国 NMT-450 453~457.5/463~467.5
25 180 欧洲 NMT-900 890~915/935~960
12.5 1999 欧洲 C-450 450~455.74/460~465.74
10 573 西德、葡萄牙 RTMS 450~455/460~465
25 200 意大利 NTT 925~940/870~885
915~918.5/860~863.5
922~925/867~870
25/6.25 6.25 6.25 600/2400 560 480 日本
JTACS
NTACS 915~925/860~870 898~901/843~846
918.5~922/863.5~867 25/12.5 25/12.5 12.5 400/800 120/240 280 日本
1G 系统采用蜂窝组网和频率复用等关键技术，有效地解决了当时的常规移动通信系统所面临的频谱利用率低、容量小及业务的服务质量差等问题，在商业上取得了巨大的成功。
日剧恋人啊
不过，1G 系统在技术和体制上也存在诸多局限。一方面，尽管不同制式的1G 系统具有很多相似的特征，但是并没有发展成一个全球的共同标准，各个国家和地区都自行选择与其国情相适应的系统制式和通信频段，无法实现全球漫游；另一方面，随着用户数的增长，对蜂窝系统的容量要求越来越高，系统容量与频谱资源之间的矛盾也日益尖锐。理论上，蜂窝可以无限分割，频率复用距离也可以做到越来越小，但是蜂窝变小后，来自多方面的干扰也将变得难以排除，实际上限制了蜂窝无限缩小对系统容量的改善作用。此外，模拟系统还存在同频干扰和互调干扰、系统保密性差及提供的业务种类比较单一等局限。
1.1.3 第二代蜂窝移动通信系统
为了解决第一代蜂窝移动通信系统中存在的上述根本性技术缺陷，采用数字调制技术的第二代蜂窝移动通信系统或2G 系统从20世纪90年代开始逐渐发展起来。1992年，欧洲开始铺设全球第一个数字蜂窝移动通信网络——GSM （Global System Mobile ），由于其优良的性能，GSM 在全球范围内迅速扩张，GSM 用户数一度超过全球蜂窝系统用户总数的70%。此后，美国的DAMPS 和日本的JDC 等2
G 系统也相继投入使用。这些系统的空中接口都采用了时分多址（Time Division Multiplex Access ，TDMA ）接入方式。1993年，美国推出了基于码分多址（Code Division Multiplex Access ，CDMA ）接入技术的IS-95系统。
2G 系统以传送语音和低速数据业务为目的，与采用频分多址（Frequency Division Multiplex Access ，FDMA ）接入方式的1G 系统相比具有很多优点，如频谱效率高、系统容量大、保密性能好等。2G 系统的基本特性见表1-2。
整形归来2
表1-2 第二代蜂窝移动通信系统的基本特征 系统名称
GSM IS-54 PDC IS-95 引入年代
1990 1991 1993 1993 多址方式
TDMA TDMA TDMA CDMA （上行/下行频率）
/MHz
890~915 935~960 824~849 869~894 810~830、1429~1453 940~960、1477~1501 824~849 869~894 调制方式
GMSK DQPSK DQPSK OQPSK/QPSK 载波带宽
200kHz 30kHz 25kHz 1250kHz 信道速率/（kbit/s ）
270.8 48.6 42 1228.8 编码方式/码率 RELP-LTP/13 VSELP/8 VSELP/6.7 QCELP/8
下面就其中具有典型特点的GSM 和CDMA 系统作简要说明。
GSM 可以工作在900MHz 或1800MHz 频段，使用900MHz 频段的GSM 称为GSM900；使用1800MHz 频段的GSM 称为DCS1800。GSM 采用FDD 方式和TDMA 方式，利用200kHz 载波带宽提供语音和低速数据业务。GSM 标准体制较为完善，技术相对成熟，其不足之处是相对于模拟系统容量增加不多，无法和模拟系统兼容，不能提供分组数据业务等。为了弥补GSM 提供分组数据业务能力的不足，基于GSM 开发了GPRS （Generic Packet Radio Service ）系统，GPRS 是架构于GSM 上的无线网络，能提供较高速率的分组数据业务。
IS-95可以工作在800MHz 或1900MHz 频段，使用800MHz 频段的CDMA 系统称为蜂窝系统；使用1900MHz 频段的CDMA 系统称为PCS 系统。IS-95采用FDD 方式和CDMA 方式，利用1.25MHz 载波
带宽提供语音和低速数据业务。IS-95系统中采用了扩频、RAKE 接收及功率控制等关键技术，具有良好的抗干扰特性，极大地提高了系统容量。由于CDMA 系统在提高系统容量和抗干扰及无线衰落等方面的明显优势，使得CDMA 技术成为第三代移动通信的核心技术。
总之，2G 系统主要采用TDMA 或CDMA 方式，具有频谱利用率高、保密性好和语音质量好的特点，既可以支持语音业务，也可以支持低速数据业务。无论是采用TDMA 技术的GSM ，还是采用CDMA 技术的IS-95，其体制标准均较为完善，技术相对成熟。不过，随着数据业务（尤其是多媒体业务）需求的不断增长，2G 系统在系统容量、频谱效率等方面的局限性也日益显现。
1.1.4 第三代蜂窝移动通信系统
在20世纪80年代模拟蜂窝系统开始大规模商用时，多种制式的模拟蜂窝系统之间无法实现漫游。为了实行全球统一标准并能全球漫游，1985年国际电信联盟（ITU ）提出了未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS ）的概念。FPLMTS 是第三代移动通信系统的前身，其目的是实现任何人在任何时间、任何地点，能向任何人传送任何信息。1992年世界无线电大会（WARC ）为FPLMTS 确定了2GHz 附近共230MHz 的频谱。1994年，ITU-R 和ITU-T 开始合作研究FPLMTS ，其中ITU-R 负责无线接入技术的标准化；ITU-T 负责网络的标准化。为了解决2G 系统所面临的主要问题，同时满足对分组数据传输及频谱利用率更高的要求，1995年ITU 将FPLMTS 更名为国际移动电信2000（IMT-2000），即第三代移动通信系统或3G 系
统。
1.1.4.1 系统特点
与1G和2G系统相比，3G系统的主要特点可以概括为：
（1）全球普及和全球无缝漫游的能力：3G系统提供全球覆盖，全球统一分配频段，全球统一标准。
灰铸铁牌号（2）支持语音、数据、图像及多媒体等业务，根据需要提供带宽，要求无线接口能满足以下要求：快速移动环境中最高速率可达144kbit/s；室外到室内或步行环境中最高速率可达384kbit/s；室内环境中最高速率可达2Mbit/s。
（3）具有良好的设计一致性、前后向兼容性及与固网的兼容性：不同厂家产品的设计具有良好的一致性和设备互通性；方便从现有蜂窝系统进行平滑演进及其进一步发展；可以综合现有的公众电话交换网、综合业务数字网、无绳电话系统、地面移动通信系统、卫星通信系统等，以提供无缝覆盖。
（4）提供充足的带宽、较高的频谱效率及良好的业务服务质量（Quality of Service，QoS）。随着数据业务的增长，尤其是新型多媒体业务的不断涌现，用户对数据带宽及服务体验的要求也不断提高。针对目标业务，在保证业务质量的前提下，如何尽量改善频谱效率、提高系统容量，是3G系统设计的关键。
（5）提供良好的系统安全机制：移动通信业务已经渗透到社会生活的方方面面，移动通信系统的安全性除了牵涉到用户的个人隐私外，还可能与国家的政治、经济、金融等领域的安全性密切相关，3G系统应该适应这些安全性的要求。
1.1.4.2 技术建议
从1996年开始，3G系统逐渐成为移动通信领域的研究热点，各国对3G系统逐渐进入实质性的研究阶段。1997年4月，ITU向全世界发出了IMT-2000无线传输技术（RTT）建议的征求函，并公布了IMT-2000 RTT的制订步骤和时间表。为了在未来的全球标准中占据一席之地，各国、各地区组织、各大公司等纷纷提出了自己的建议。截止到1998年6月，提交到ITU的IMT-2000地面无线传输技术建议共有10种之多，见表1-3所示。
表1-3 IMT-2000地面无线传输技术建议
序号技术建议双工方式提交者
1 J：W-CDMA FDD、TDD 日本：ARIB
2 UTRA-UMTS FDD、TDD 欧洲：ETSI
3 W-CDMA FDD 美国：TIA
4 WCDMA/NA FDD 美国：T1P1
5 Global CDMA II FDD 韩国：TTA
6 TD-SCDMA TDD 中国：CWTS
7 CDMA2000 FDD、TDD 美国：TIA
8 Global CDMA I FDD 韩国：TTA
9 UWC-136 FDD 美国：TIA
10 DECT TDD 欧洲：ETSI
后来经过多次讨论，将上述技术建议融合为两大类，即CDMA和TDD技术：CDMA技术又分为FDD直接序列扩频（DS）、FDD多载波（MC）及TDD传输三种；TDMA技术也
被分为类似的三种。这些技术在1999年11月的ITU-R会议上以“第三代移动通信系统无线接口技术规范”建议的形式获得通过，其中的地面部分建议包括以下5种无线传输技术：（1）IMT-2000 CDMA DS：UTRA/WCDMA和CDMA2000 DS
（2）IMT-2000 CDMA MC：CDMA2000 MC
（3）IMT-2000 CDMA TDD：TD-SCDMA和UTRA/TDD
（4）IMT-2000 TDMA SC：UWC136
（5）IMT-2000 TDMA MC：DECT
1.1.4.3 体制比较
在上述无线传输技术建议中，欧洲与日本提出的WCDMA和北美提出的CDMA2000最为瞩目；TD-SCDMA由于得到了中国政府和产业界的支持，加之中国巨大的市场潜力，因此也倍受重视。
时代经贸
WCDMA是欧洲ETSI提出的宽带CDMA技术，它与日本ARIB提出的宽带CDMA技术基本一致，两者融合后形成了第三代移动通信无线传输技术WCDMA。WCDMA系统是一种异步系统，码片速率为3.84Mchip/s。它采用了快速功率控制技术，支持多种切换方式，可以适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务。
CDMA2000是由美国TIA提出的宽带CDMA技术，采用直接序列扩频或多载波方式，码片速率可以是1.2288Mchip/s的1倍或3倍（最高可达9倍或11倍），分别对应于CDMA2000 1x或CDMA2000 3x系统。CDMA2000系统与IS-95系统后向兼容，采用GPS授时同步，并在IS-95系统软切换、功率控制及RAKE接收分集技术的基础上，增加了快速寻呼、反向信道相干解调、前向快速功率控制、Turbo码及较高速率的分组数据传送等功能。
TD-SCDMA是由中国CWTS提出的宽带CDMA技术，采用直接序列扩频，码片速率为1.28Mchip/s。TD-SCDMA系统基于TDD方式，前反向信道工作在相同的频段上，在不同的时隙进行传送。TD-SCDMA系统采用智能天线、联合检测、接力切换等关键技术。
在这三种无线传输技术体制中，CDMA2000和WCDMA均采用FDD方式；TD-SCDMA 采用TDD方式。TDD系统采用多时隙非连续传送方式，其抗快衰落和多普勒效应能力比连续传送的FDD方式差；TDD系统的峰平比（Peak to Average Rate，PAR）随着时隙数的增加而降低，考虑到耗能和成本因
素，终端的发射功率不可能很大，故通信距离（小区半径）较小，而FDD系统的小区半径则相对较大。
1.1.4.4 频谱划分
IMT-2000频谱由核心频段与附加频段组成。核心频段包括上行1885~2025MHz和下行2110~2200MHz总共230MHz频率；附加频段包括806~960MHz、1710~1885MHz及2500~ 2690MHz等三个子频段。
ITU将上述IMT-2000频谱划分为A、B和C三个频段，见表1-4所示。
IMT-2000频谱划分及各国使用情况如图1-1所示。其中，核心频段的上行1885~2025MHz 共140MHz频率；下行2110~2200MHz共90MHz频率。其中，1980~2010MHz（地对空）和2170~2200MHz（空对地）用于移动卫星业务。核心频段的上下行不对称，主要考虑可使用双频FDD方式和单频TDD方式。
欧洲为3G地面系统分配1900~1980MHz、2010~2025MHz和2110~2170MHz共计155MHz 频率。
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