1、现代通信新技术现代通信新技术第一章第一章 通信与网络基础通信与网络基础通信，是推动人类社会文明进步与经济发展的巨大动力。人类在从野蛮向文明的进化过程中，一个重要的标志就是通信手段和通信方式的不断进步。20世纪以来，人类社会在物理学、电子技术和信息技术大发展的基础上，不断创新通信手段。今天，通信技术早已不再是当年科学家和工程师养在闺中的高深技术，而是以现代文明的代表和结晶的姿态成为每个现代人的时尚和生活必需品。人们迫切地希望能尽快跟上时代的步伐，从自己身边做起，了解最新的通信技术和原理，学习各种全新的通信手段，理解和适应它对我们生活的影响。1.1 1.1 无线电波无线电波每个学通信的学生都知道，
2、现代通信这座宏伟大厦的奠基石就是麦克斯韦堪称完美的四个偏微分方程，就是用这四个偏微分方程描述的无线电波（电磁波）。本书讨论的通信是指以无线电波（电磁波）为媒介的通信方式，无论是有线还是无线，信息都被装载在电磁波上来进行传递。自从麦克斯韦从理论上预言了、赫兹用实验证实了电磁波的存在，人类就进入了现代通信的时代。1.1.1 1.1.1 电磁波频段的划分电磁波频段的划分频率范围波长/m名称/符号典型用途3Hz30Hz108-107极低频ELF水下通信、远程导航30Hz-300Hz107-106超低频SLF水下通信300Hz-3000Hz106-105特低频ULF音频电话3kHz30kHz105-10
3、4甚低频VLF甚长波水下通信、声呐、导航、30kH300kHz104-103低频LF长波水下通信、导航、信标、电力线通信、RFID300kHz3MHz103-102m中频MF中波调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3MHz30MHz102-10m高频HF短波移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电30MHz-300MHz10-1m甚高频VHF米波电视、调频广播、超短波通信、集群通信、导航300MHz-3GHz100-10cm特高频UHF分米波电视、空间遥测、雷达导航、短距离通信、移动通信3GHz-30GHz10-1cm超高频SHF厘米波微波通信、卫星和空间通信、雷达30GHz-300GH
4、z10-1mm极高频EHF毫米波雷达、微波通信、射电天文学、卫星和移动通信300GHz-3000GHz10-3-10-4m亚毫米波待分配、实验性太赫兹通信105107GHz310-4-310-6m紫外、可见光、红外光通信1.1.2 1.1.2 电磁波的传播特性电磁波的传播特性1.1.无线信道无线信道信道是通信中信息的传递通路，是通信理论中对发射机与接收机之间信息传输媒介的一个概括性的总称，是任何一个通信系统不可缺少的组成部分。根据传输媒介的不同，通信系统的物理信道可分为有线信道和无线信道两种。有线信道包括明线、电缆和光纤；无线信道有中、长波的地波传播信道，短波的电离层反射传播信道，超短波和微波
5、的直射传播以及各种散射传播信道等。2.2.电磁波在无线信道中的传播电磁波在无线信道中的传播特性特性电磁波有多种多样的传播方式。在无线通信中，不外乎直射、反射、绕射和散射四种。在一般情况下，无线电波总是是以直线方式传播的，但在传播的过程中，如果碰到一个几何尺寸比电磁波自身波长大得多的物体时，会发生反射反射。反射可能发生在地球表面，也可能发生在建筑物墙壁或其它大的障碍物表面。如果无线电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时会发生绕绕射射（在物理中也称衍射），由阻挡表面产生的二次波存在于整个空间，甚至于阻挡物的后面，这也就是无线电波能够绕过障碍物传播的原因。无线电波在传播过程中如果遇到尺寸小于波长的障碍物
6、而且障碍物的数目又很多时，电磁波将发生散射散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际环境中，树叶、街道路标和路灯杆，甚至雨点等都会引起散射。1.21.2调制与调制与解调解调无线电波是无线通信的信息载体，通常把它称为载波。就象用车船运输货物一样，无线电波仅仅是运输工具，而我们进行通信的最终目的是要实现信息的快速、准确和方便的传递。在发射端必须将要传递的信息装载到载波上，用通信的专用术语来说，这个过程就叫做调制调制。装载了信息的电磁波称为已调波，在接收端再从收到的已调波上把信息取出来，就叫做解调解调。第二章第二章 数字移动通信数字移动通信2.12.1概述概述2.1.12.1.1移动
7、通信的发展历史移动通信的发展历史移动通信是通信技术发展过程中最重要的应用领域。20世纪20年代美国底特律市警察使用的车载无线电系统，可以算是最早的专用移动通信系统，使用无线电短波频率波段1946年，根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为120 kHz，通信方式为单工。前西德(1950年)、法国(1956年)、英国(1959年)等国研制的公用移动电话系统相继问世2.1.2 2.1.2 移动通信的特点移动通信的特点移动通信是指通信的双方或至少有一方处在运动状态中进行的信息交换。随着社会生产力的发展，人类的活
8、动范围越来越大，活动频率也越来越高，人们需要随时随地进行信息的交流和沟通，由此促进了移动通信的发展。移动通信使一度沉寂的无线电通信技术重新焕发出了新生，使无线通信和光纤通信并驾齐驱，成为现代通信技术的两大重要支柱之一。1.1.电波传播条件恶劣电波传播条件恶劣2.2.环境噪声、干扰和多普勒频移影响严重环境噪声、干扰和多普勒频移影响严重3.3.组网技术比固定通信复杂组网技术比固定通信复杂4.4.频率资源有限和用户增加的矛盾突出频率资源有限和用户增加的矛盾突出2.1.32.1.3移动通信系统的电波传播移动通信系统的电波传播移动通信系统的性能与电波在无线信道中的传播关系十分密切。由于发射机与接收机之间
9、的传播路径复杂，除了视距传播以外，在传播过程中还可能受到建筑物、山脉、树木的遮挡而产生反射、折射、绕射和散射，因此移动通信系统的信道传播特性具有很大的随机性。随着发射机和接收机之间距离的增加，电波的衰减将剧增。另外，移动台相对于发射台移动的方向和速度也对接收信号产生直接影响。自由空间传播自由空间传播尽管地面移动通信的实际电波传播条件比自由空间传播差得多，但当接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时，我们仍可以以自由空间的电波传播模型为参考，估算移动通信中的电波传播损耗，预测接收信号的场强。LdPGGdPtrr2221)4()(平坦表面的传播平坦表面的传播如果传播路径的表面是平坦的，则实际到达
10、接收天线的电波应该是直射波与地面反射波的叠加。精确计算接收点的接收功率，需要求出反射波与直射波之间的路径差，一般情况下，由于路径差很小，因此对电波振幅的影响可以忽略不计，主要影响是造成了反射波与直射波之间的相位差，从而影响接收点的合成电场强度。一般，我们可以用下式估算接收点的接收功率22)(dhhGGPPrtrttr多径效应多径效应地面移动通信中，由于移动终端的天线高度一般很低，电波在传播过程中，总会遇到各种建筑物、树木、起伏的地形等障碍。到达接收点的无线电波除了直射波之外，还有反射波、绕射波和散射波，它们通过不同的途径传播，因此传播环境非常复杂，传播机理多种多样，这就造成了所谓的多径效应。这
11、是地面移动通信不同于一般微波中继通信的一个显著特征。在对移动通信中电波传播进行理论研究和大量的实验数据分析以后，由多径效应造成的信号衰落可分为大尺度衰落和小尺度衰落两种。（1）大尺度衰落大多数传播模型是通过分析和实验相结合而获得的，实验方法依赖于测试数据的曲线或解析式拟合。根据对数距离损耗模型，平均大尺度路径损耗可表示为)lg(10)(00ddndPLPL环境路径损耗指数n环境路径损耗指数n自由空间2建筑物内视距传播 1.61.8市区蜂窝2.63.5被建筑物遮挡46市区蜂窝阴影35被工厂阻挡23(2)小尺度衰落影响小尺度衰落的因素包括多径传播、移动台的移动速度、环境物体的移动速度、信号的传输带
12、宽等。小尺度衰落效应有三个表现：u经过短距离或短时间传播以后信号强度发生急剧变化；u在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制。多普勒频移与移动台运动速度、移动台运动方向以及无线电波入射方向的夹角有关。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收信号的多普勒频谱扩展，因而增加了信号带宽。u多径传播延时引起的扩展2.2 2.2 蜂窝数字移动通信网蜂窝数字移动通信网2.2.1 2.2.1 蜂窝形小区制区域覆盖原理蜂窝形小区制区域覆盖原理移动通信网的服务区体制可分为大区制和小区制两种。早期的公用移动电话系统采用大区制工作方式。所谓大区制，就是用一个基站覆盖整个服务区。它的特点是，基站只有一
13、个天线，架设高、功率大，覆盖半径也大，服务区半径通常为20km到50km。采用这种方式虽然设备较简单，投资少，见效快，但容纳的用户数有限，通常只有几百用户。为了解决有限频率资源与大量用户的矛盾，可以采取小区制的覆盖方式。小区制就是将整个服务区划分为若干个小区，在各小区中分别设置基站(每个基站的覆盖区称为一个小区)，负责本小区移动通信的联络和控制。另外设立移动交换中心，负责与各基站之间的联络和对系统的集中控制管理。多个基站在移动交换中心的统一管理和控制下，实现对整个服务区的无缝覆盖。在甚高频段和超高频段，无线电波在地球表面以直线传播为主，传播损耗随距离增大而增大。在小区制中，可以应用频率复用技术
14、，即在相邻小区中使用不同的载波频率，而在非相邻且距离较远的小区中使用相同的载波频率。由于相距较远，基站功率有限，使用相同的频率不会造成明显的同频干扰，这样就提高了频带利用率。从理论上讲，小区越小，小区数目越多，整个通信系统的容量就越大。1 1 小区形状的选择小区形状的选择小区制的服务区有带状服务区和面状服务区两种，面状服务区是地面移动通信服务区的主要形式。一个全向天线辐射的覆盖区是个圆形，为了不留空隙地覆盖一个面状服务区，一个个圆形辐射区之间一定会有很多的重叠区域。去除重叠之后，每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。ddd 要组成一个面状服务区，究竟采用哪种形状最合适，一般从以下几方面考虑问题：
15、邻接小区中心间距d越大越好，间隔大则干扰小；单位小区的有效面积越大越好，面积大则使一个区域小区个数少，使用频率数少；重叠区域面积小为好，重叠的地方少使得同频干扰减小；重叠距离要小，使移动通信便于跟踪交接；所需无线电频率个数越少越好。采用正六边形小区邻接的形状最接近理想的圆形，用来覆盖整个服务区所需的基站数最少，最经济，是构成面状服务区最好的选择。2 2区群的形成区群的形成为了防止同频干扰，相邻小区显然不能使用相同的频率。为了保证同频率区群的组成小区之间保持足够的距离，附近的若干小区都不能使用相同的频率。这些不同频率的小区组成了一个区群区群，只有不同区群的小区才能进行频率再用。dd123231d
16、14323124ddd12345677231654 3 3同频小区的距离同频小区的距离在区群内小区数不同的情况下，可用下面的方法来确定同频小区的位置和距离。如图2-2-3所示，自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨 个小区，再向左(或向右)转60度，再跨 个小区，这样就到达同频小区A。在正六边形的六个方向上，可以找到六个相邻同信道小区，所有A小区之间的距离都相等。ADAa个b个120orAAAAAAADarb 2.2.2 2.2.2 蜂窝移动通信网的组网技术蜂窝移动通信网的组网技术移动通信用户的移动性和无线信道的开放性，使得移动通信组网比固定的有线通信组网要复杂得多。首先是频率资源的管理与信道分
17、配问题。在一定的时间里、一定的范围内，一定的频率只能分配给某几个用户去使用，并且必须进行严格的管理和合理的分配，否则就会因为相互干扰而使通信无法进行。其次是有关区域覆盖和网络结构方面的问题。随着移动通信服务区域的扩大，需要有一个合理的方法对全服务区进行划分并组成相应的网络，不同的业务需求，应采用不同的网络结构。此外，为了保证全网用户有序地进行通信，还必须对网内的设备实施各种控制，这些控制信号的总体称为信令信令系统系统。1 1频率管理频率管理2 2信道的分配与选取控制信道的分配与选取控制3 3系统组成结构系统组成结构4 4信令系统信令系统2.32.3移动通信的主要关键技术移动通信的主要关键技术2
18、.3.1 2.3.1 多址方式多址方式在蜂窝移动通信系统中，众多用户同时通过一个基站和其他用户进行通信，系统必须对不同的用户和基站发出的信号赋予不同的特征，这样基站才能区分不同用户的信号，而各个用户也能识别出基站发出的信号中哪一个是发给自己的。因此，多址技术或者多址方式是移动通信的基本技术之一。多址技术的基础是信号特征上的差异，这种差异可以表现在信号的不同参数上，比如信号的工作频率、信号的出现时间以及信号所具有的特定波形等。多址方式的选择取决于通信系统的应用环境和要求。1.1.频分多址（频分多址（FDMAFDMA）频分多址方式将通信系统的总频段划分为若干个等间隔的频道分配给不同的用户使用，这些
19、频道互不交叠。移动台发出的信息被调制到不同频率的载频上，基站可以根据载波频率的不同来识别发射地址，从而完成多址连接。通常在两个相邻频道之间还要留有一段保护频带，防止同一部电台的发射机对接收机产生干扰。频分多址(FDMA)是以频率来区分信道的，因此，频道就是信道。现代数字移动通信一般不单独采用这种方式，而更多的是将这种方式与其它多址方式结合在一起运用。频分多址方式具有以下特点：(1)每路一个载频。每个频道只传送一路业务信息，载频间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。(2)连续传输。系统分配一个FDMA频道以后，移动台和基站之间连续不断地传输信息，直到通话结束系统才收回信道。(3)FDMA蜂窝移动通
20、信系统是频道受限和干扰受限的系统，主要干扰有邻道干扰、互调干扰和同频干扰。(4)系统需要周密的频率计划，频率分配工作复杂。(5)由于需要留出保护频带，因此频带利用率较低、系统容量小。2.2.时分多址（时分多址（TDMATDMA）时分多址(TDMA)方式将时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙(帧或时隙都互不交叠)，然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内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各移动台的信号而互不混扰。时分多址以时隙(时间间隔)来区分信道。因此，各移动台信号在频率轴上可以重叠，此时，信道一词的含义为“时隙”。时分多址只能传
21、送数字信息，话音必须先进行模数变换，再送到调制器对载波进行调制，然后以突发信号的形式发送出去。时分多址方式具有以下特点：(1)以每一时隙为一个话路的数字信号传输。(2)各移动台发送的是周期性信号，而基站发送的是时分复用(FDM)信号,发射信号的速率随复用路数的增大而提高。(3)TDMA蜂窝移动通信系统是时隙受限和干扰受限的系统。(4)定时和同步是TDMA系统正常工作的前提，因为通信双方只允许在规定的时隙中收发信号，因而必须在严格的帧同步、时隙同步和比特(位)同步的条件下进行工作。(5)抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。(6)基站设备成本低，N个时分信道共用一个载波，占据相同带宽，只需一部
22、发射机。3.3.码分多址（码分多址（CDMACDMA）码分多址(CDMA)方式基于码型来分割信道。不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时间不同来进行区分，而是用各不相同的编码序列来区分。无论从频域或从时域看，多个CDMA信号都是互相重叠的。信道词的含义为“码型”。CDMA的特征是代表各信源信息的发射信号在波型结构上各不相同，并且各自的地址码具有正交性。要实现码分多址方式数字移动通信必须具备以下3个条件：(1)要有数量足够多、相关性能足够好的地址码，使系统能通过不同的地址码建立足够多的信道。所谓好的相关性，是指有强的自相关性和弱的互相关性。(2)必须用地址码对发射信号进行扩频调制，使发送的
23、已调波频谱极大地展宽(几百倍以上)，使功率谱密度降低。(3)在接收端，必须具有与发送端完全一致的本地地址码。用本地地址码对收到的全部信号进行相关检测，才能从中选出所需要的信号。直扩码分多址方式具有以下特点：(1)抗干扰能力强。这主要得益于扩频通信的扩频增益。从扩频的频谱变换图可以看出，扩频引入了频谱冗余度，降低了发送谱密度。若扩频发送谱在传输过程中受到窄带干扰，接收端的解扩处理使有用信号恢复成窄带谱，而其它地址码信道的扩频信号不能被解扩，窄带干扰经解扩变成宽带谱。在接收端可以借助于解调后的滤波器去除带外无用信号，使带内的信噪比大大提高。(2)系统容量大。CDMA蜂窝移动通信系统是一个干扰受限系
24、统，降低干扰可直接提高系统容量，还可以利用话音激活技术、扇区划分技术等提高系统通信容量。如果用无线容量(信道小区)来比较，CDMA的系统容量大约为FDMA系统容量的20倍左右。(3)可与窄带系统共存。许多码分信道共用一个载波频率，扩频传输的抗干扰能力可使CDMA系统在相邻小区重复使用该频率，这不仅可使频率分配和管理简单，而且甚至可以与窄带FDMA、TDMA系统共享频带，相互影响很小。(4)具有软切换功能。当移动台跨越小区或扇区时，因为两区的工作频率可以相同，这时的切换是先切换后中断(指与原基站中断)。(5)具有软容量和小区呼吸功能。CDMA系统容量决定于系统总干扰量，增加一些通话用户只是使系统
25、背景干扰稍微增加，不会影响正常通话。也就是说，同时进行通话的用户数的变化余地比较大，这称为软容量。小区呼吸功能指的是负荷量动态控制：重负荷小区可以通过降低导频信号功率来缩小覆盖范围；而轻负荷小区可以适当扩大覆盖范围，这样实现动态覆盖，提高系统服务质量。(6)保密性好、设备简单、电池使用寿命长。(7)存在多址干扰和远近效应。由于各用户的地址不可能完全正交，任何一个信道都将受到其它不同地址码的干扰，这种多址干扰直接限制系统容量的扩大。远近效应的原因也是由于地址码之间的不完全正交性，距离远的移动台所发送来的信号有可能被距基站近的移动台所发射的信号完全淹没，需要通过功率控制来减轻其影响。2.3.2 2
26、.3.2 系统容量系统容量对于点对点通信来说，系统的容量由给定频段所能提供的最大信道数目来衡量，数目越大，意味着系统的通信容量也越大。对于蜂窝通信网络而言，信道的分配涉及到频率再用和由此产生的同信道干扰问题，因而可用每小区的可用信道数来度量系统的通信容量，这个值越大，则系统的通信容量越大。移动通信系统的设计必需满足话音质量的要求，要达到此目的，接收信号功率与干扰信号功率的比值必须大于一定的门限值。通常用载干比(信号的载波功率与干扰功率的比值CI)来反映这个门限值。1.TDMA1.TDMA系统的容量系统的容量对于FDMA体制，无论是数字的还是模拟的，其通信容量由下式决定。2233WWMNKBCC
27、BII2.CDMA2.CDMA系统的系统的容量容量CDMA系统不同于FDMA和TDMA系统。FDMA，TDMA系统的容量主要受带宽的限制，而CDMA系统的容量主要受背景干扰的限制。背景干扰包括多址干扰和高斯白噪声，是由系统自身产生的，只要能减小这种背景干扰，就可以提高系统的容量。常见的减少干扰的方法有以下几种。(1)使用定向天线，使用户从空间上加以隔离。定向天线只从一部分用户接收信号，因此减少了干扰。(2)利用话音激活技术，在话音静默期压制或停止传输，可以减小背景干扰。(3)小区扇区化。将一个蜂窝小区分成几个扇区，由于扇区的空间隔离也能减小背景干扰。(4)功率控制。在保证通信质量的前提下，尽可
28、能降低发射功率，以减少对其他用户的干扰。除此以外，还可以通过频率再用技术提高系统的容量。频率再用的距离受所需载干比的限制，现有模拟蜂窝通信系统只能做到17的小区共用相同的频道。数字蜂窝系统采用了语音编码、信道编码等技术，在话音质量相同的条件下，每区群的小区数可以减少到4，即14小区共用相同的频道，因此数字蜂窝系统的容量大于模拟蜂窝系统的容量。理论计算和实际应用证明，CDMA系统的容量可以达到现有FDMA模拟系统的20倍，达到数字TDMA和FDMA系统的4-6倍。第三章第三章 移动互联网时代移动互联网时代蜂窝移动通信系统基本上每十年就会更新换代一次，在上一章，我们已经为你介绍了从模拟移动通信到数
29、字移动通信演变和发展的技术脉络。但是，人类永远不会满足已有的成绩，通信领域同样如此。就在新世纪到来的前夜，移动通信的第三次革命成为了人们最关注的焦点，这就是3G。这不是一次简单的移动通信技术的更新换代，而是一场改变人类生活和生产方式的革命，通信技术和网络联姻，标志着一个新的时代的到来，因此我们把本章的标题命名为移动互联网时代移动互联网时代。3.1 3.1 第三代移动通信技术第三代移动通信技术(3G)(3G)随着信息技术的迅速发展，笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑等便携式计算机大量涌现，移动手机也从单纯的语音终端发展为带有显示屏幕、可以收发数据的语音/数据终端。随着IP业务爆炸式的拓展，使数据业务
30、呈现出指数增长的态势。具有宽带数据通信和多媒体通信能力是第三代移动通信（3G）的主要特征。支持全球漫游特性也是第三代移动通信系统所追求的目标，人类进入了移动互联网时代。3.1.1 3.1.1 全球性的全球性的3G3G无线传输无线传输标准标准早在1985年，国际电信联盟(ITU)就提出了第三代移动通信系统的概念。故1996年更名为国际移动电信系统IMT-2000(International Mobile Telecommunication2000)。其主要特征是：(1)全球化。IMT2000是一个全球性的系统，它包括多种系统，在设计上具有高度的通用性，该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼
31、容，能提供全球漫游等多种业务。(2)综合化。能把现存的各类移动通信系统综合在统一的系统中，以提供多种服务。(3)智能化。主要表现在智能网的引入，移动终端和基站采用软件无线电技术。(4)个人化。用户可用唯一个人电信号码(PTN)在终端上获取所需要的电信业务，超越了传统的终端移动性，真正实现个人移动性。IMT2000应该能够提供各种不同的业务，适应各种不同的营运机制。考虑到目前世界上流行的网络基础设施标准各不相同，而在向第三代系统发展的过程中，为保护运营商同时也是保护用户的利益，应尽量从现有的二代系统逐步向第三代过渡。主要有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三种方案。3.1.2 3.1
32、.2 三种代表性三种代表性3G3G系统制式的主要特点系统制式的主要特点1 WCDMA1 WCDMA又称宽带CDMA或UTRA TDD，主要由欧洲ETSI提出。代表性厂商有爱立信、诺基亚和NTT等。系统的核心网基于GSM-MAP，同时通过网络扩展方式提供在基于ANSI-41的核心网上运行的能力。WCDMA采用DS-CDMA多址方式，码片速率是3.84Mchips，载波带宽为5MHz。系统不采用GPS精确定时，不同基站可选择同步和不同步两种方式，可以不受GPS系统的限制。在反向信道上，采用导频符号相干RAKE接收的方式，解决了CDMA中反向信道容量受限的问题。WCDMA采用不同的长码进行扩频。前向
33、链路专用物理信道(DPCH)的扩频调制采用的是对称QPSK调制，同相(I)和正交(Q)数据用相同的信道标识码(Channelization Code)和扰频码(Scrambing Code)来扩频。同一小区的不同物理信道用不同信道标识码来区分。信道标识码采用的是正交可变扩频参数OYSF码。对WCDMA系统业务信道而言，较低速率的数据采用单码扩频，较高速率的数据采用多码扩频；同一连接的多业务在正常情况下采用时分复用的方式。WCDMA中信道编码采用卷积码和级联码。一般情况下，一帧内部采用块交织。但为了改善长时延的性能，还支持帧间交织。对短的不常用的分组数据，WCDMA一般采用公共信道分组传输的方法
34、，即把分组数据直接填充到随机接入串中发送。对常用的长分组数据则采用专用信道来传输。数据大的分组数据采用单个分组传输方案，此时，一旦传输完将立即释放占有的专用信道。2 CDMA 2 CDMA 20002000由美国TIA TR45.5提出。其核心是由朗讯、摩托罗拉、北方电讯和高通联合提出的宽带CDMA one技术。CDMA 2000的一个主要特点是与现有的TIAEIA-95-B标准后向兼容，并可与IS-95B系统的频段共享或重叠，这样就使CDMA 2000系统可在IS-95B系统的基础上平滑地过渡、发展，并保护已有的投资。CDMA 2000采用MC-CDMA(多载波CDMA)多址方式，可支持话音
35、、分组和数据等业务，并且可实现QoS的协商。CDMA 2000包括1X和3X两个部分。对于射频带宽为1.25MHz的CDMA 2000系统，采用多个载波来充分利用整个频带。由于载波间可以重叠，频谱利用率较高，可以使IS-95窄带CDMA系统平稳过渡到第三代移动通信系统。在CDMA 2000系统下行链路中，I信道和Q信道分别采用M序列来扩频。不同的小区采用同一个M序列但不同的相位偏移。搜索小区时只需搜索这两个码及其不同的相位偏移码。在上行链路中，扩频码采用的是长为的M序列，以不同的相位来区分不同的用户。信道用相互正交、可变扩频参数的Walsh序列来区分。下行链路在不使用自适应天线的情况下，采用公
36、共导频信道作为相干检测的参考信号。使用自适应天线时，采用辅助导频信道作为参考信号。WCDMA和CDMA 2000都具有精确的功率控制功能，功率控制有开环、闭环和外环3种方式。WCDMA和CDMA 2000的主要的不同点在于码片速率、下行链路结构和网络的同步。前者的下行链路采用直接序列扩频，后者的下行链路既可采用直接序列扩频，也可采用多载波CDMA方式。WCDMA系统采用不同的长码进行扩频，而CDMA2000则采用同一长码的不同相位偏移来进行扩频，这主要得益于CDMA 2000是同步网络。3 TD-SCDMA3 TD-SCDMATD-SCMA标准是由我国信息产业部电信科学技术研究院(CATT)和
37、德国西门子公司合作开发的。它的目标是要确立一个具有高频谱效率和高经济效益的先进的移动通信系统。TD-SCDMA被设计为不管是对称还是非对称业务，都能显示出最佳性能的系统。因此，可以采用在TDD模式下，在周期性重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲的工作模式(和GSM相同)。通过周期性地转换传输方向，TDD允许在同一个无线电载波上交替地进行上与下行链路传输。这个方案的优势在于上下行链路间的转换时间点的位置可灵活设置。当进行对称业务时，可选用对称的转换点位置；当进行非对称业务时，可在非对称的转换点位置范围内选择。这样，对于上述两种业务，TDD模式都可提供最佳频谱利用率和最佳业务容量。3.2 3.
38、2 第四代移动通信技术第四代移动通信技术(4G)(4G)3.2.1 3.2.1 概述概述第四代移动通信系统（4G）的特点是宽带（Broadband）接进和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。4G移动通信技术的信息传输等级比3G移动通信技术提高了一个等级，超过3G约50倍。上网速度从2Mb/s提升到100Mb/s，并具有不同速率间的自动切换能力，可实现三维图像高质量传输。4G系统是多功能集成的宽带移动通信系统，在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不同。除了高速信息传输技术外，它还包括高速移动无线信息存取系统、移动平台技术、安全密码技术以及终端间通讯技术等，具有极高的安全性。4G
39、终端还可用作诸如定位、告警等多种用途。4G手机系统下行链路速度为100Mb/s，上行链路速度为30Mb/s。其基站天线可以发送更窄的无线电波波束，在用户行动时也可进行跟踪，可处理数目更多的通话。4G移动电话不仅音质清楚，而且能进行高清晰度的图像传输，用途将十分广泛。在容量方面，可在FDMA、TDMA、CDMA的基础上引进空分多址（SDMA），达到3G的510倍。另外，可以在任何地址宽带接进互联网，包含卫星通信，能提供信息通讯之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。它包括宽带无线固定接进、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操纵的广播网络（基于地面和卫星系统）。能自适应资源分配，处理变化的业务
40、流和信道条件不同的环境，有很强的自组织性和灵活性。4G系统可以自动治理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。用户将使用各种各样的移动设备接进到4G系统中，各种不同的接进系统融合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作以满足不同的业务的要求，使移动网络服务趋于多样化，终将演变为社会上多行业、多部分、多系统与人们沟通的桥梁。4G移动通信系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接进和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性治理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应
41、用及服务变得更为容易，能提供无缝的高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。第四代移动通信系统的关键技术包括：信道传输；抗干扰性强的高速接进技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统治理资源；软件无线电、网络结构协议等。3.3 5G-3.3 5G-属于未来的下一代移动通信属于未来的下一代移动通信3.3.1 概述概述移动通信从1G的模拟语音通信、2G的数字语音通信、3G的数据通信为主、语音通信为辅到4G的全IP数据通信方式，移动通信技术的发展已经使运营商
42、的业务发生了巨大的转变。目前，LTE作为第4代移动通信已在全球规模实现了商用，LTE的无线接口及网络架构面向移动互联网的设计，有效地促进了通信与互联网的融合和发展。虽然现在的移动通信网络已经为我们的信息传输提供了极大的方便，但人们的追求是无止境的，更高速、更安全、更灵活的移动通信需求依然推动着这一领域的不断进步。按照移动通信每10年出现一代新技术的规律，世界各国都在大力投入下一代移动通信（5G）的研发。于5G的研究，全球从2012年就开始了。2013年4月19日，IMT-2020（5G）推进组第一次会议在北京召开。在此次峰会上，IMT-2020(5G)推进组正式发布了5G网络技术架构白皮书。国
43、际移动通信的标准化组织3GPP也于2015年9月召开了5G标准的研讨会，决定于2016年正式启动标准研究。2016年7月15日，美国联邦通信委员会(FCC)针对24 GHz以上频谱用于无线宽带业务宣布了新的规则和法令，从而使美国成为全球首个宣布将这些频谱用于5G无线技术的国家。FCC表示，基于促成4G LTE爆发式发展的成功和灵活的频谱政策，为美国加速下一代5G网络和技术的发展，必须奠定坚实的基础。这些高频段频谱将通过光纤般高速的无线网络速度和超低网络延迟，来支持创新的新应用。虽然5G技术仍在开发阶段，但是FCC这一最新的法令，将为美国5G领域的商业投资提供至关重要的方向指导。我国信息化建设及
44、两化深度融合工作也正在日益推进。在关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议中明确提出要“加快 构建高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施”，要实施网络强国战略和国家大数据战略，这对中国宽带发展提出了新的、更高的要求。2015年，国务院出台“互联网+”行动指导意见以及中国制造2025两个重要文件，以高速宽带网络建设为抓手，提升信息基础设施支撑水平成为了科技部、发改委、工信部等政府部门的重点推进工作。3.3.23.3.2以设备为中心的以设备为中心的结构结构从发展历史角度来说，无线移动通信系统的设计都依赖以小区为中心单元的结构。窝小区在无线接入网络中是一个最基本的单元。在这样的设计条件下
45、，设备手机通过与本地基站建立一个上行链路（uplink）和一个下行链路（downlink）而连接到网络上，从而实现移动通讯。在这些链路上传递着控制和数据信息，基站指挥着这个小区的通信。最近的这些年，有很多技术发展的趋势将要颠覆这种以蜂窝小区为中心的结构。如下图所示的以设备为中心的结构正是一个方向。基站密度增加得越来越快，这主要是由异构网络的增多引起的。网络密度的增加需要5G带来更多的改变。举个例子，很多不同发射功率和覆盖区域基站的部署需要一种在上下行链路之间采用去耦合技术，通过这种技术中让相应的信息顺利经过不同位置的节点。另外，一种称之为集中式基带的概念正在出现，这种概念和云无线接入网的概念有
46、关。在这种概念中，虚拟化导致了节点和硬件之间的去耦合。采用分布式硬件来解决有关节点的数据处理负荷。举个例子：储备的硬件资源依靠运营商规定的度量能够被动态分配到不同的节点。目前的工作使用的结构设计的类别大都从集中化或者局部集中化（例如通过载波聚合）到完全的分散化（例如通过压缩感知或者多跳网络）基于这些趋势，可以想象以蜂窝小区为核心的传统结构将会演变为以设备为核心的结构：某个给定的设备将有能力通过交换多个信息流来与几个可能的异构节点进行通信。换句话说，能够与某个给定设备连接的网络节点集和在通信会话中的这些节点集的功能应当适合于特定的设备和会话。在这种结构下，上行链路和下行链路以及控制信息和数据信息
47、的通道的这些概念都应该重新设计优化。之前的历史表明，结构方面的变化经常驱动着重大的科技进步，相信上面的趋势将会对5G的发展产生重大的影响。3.3.33.3.3毫米波技术毫米波技术应用应用众所周知，微波通信系统的频谱资源特别是较低频率的微波频谱所剩很少且很珍贵。目前来说差不多有600MHz的该频段频谱资源已经用于移动通信中。这些频谱资源分配给各个运营商。想要开发5G必然需要更多的频谱资源，这可以通过对现有频谱资源的重新分配获得，但已经没有多少潜力可挖，我们必须把目标向上看，投向更高的频率，毫米波成了几乎必然的选择。毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波，其频率大约在30GHz300GHz之间。根据通
48、信原理，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右，因此载波频率越高，可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中，28GHz频段和60GHz频段是最有希望使用在5G的两个频段。28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz，而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz（整个9GHz的可用频谱分成了四个信道）。毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大，且绕射能力较弱。换句话说，用毫米波实现信号穿墙基本是不可能的。但是，毫米波在空气中传输衰减大也可以被我们所利用，因为60GHz正好是氧气的共振频率，因此60GHz的电磁波信号在空气中衰减非常快，从而可以完全避免不同终端之间的干扰。当然，毫米波在空
49、气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是：在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。毫米波相比于传统6GHz以下频段还有一个特点就是天线的物理尺寸可以比较小。这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长，而毫米波波段的波长远小于传统6GHz以下频段，相应的天线尺寸也比较小。因此我们可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列，从而实现各种MIMO（Multiple-Input Multiple-Output），从而改善通信质量的技术，包括波束成型技术等
50、。3.3.43.3.4大规模大规模MIMOMIMO由分集技术发展起来的多输入多输出（MIMO）技术经过十多年的理论研究之后已经基本成熟，大规模MIMO从理论到实践已完全可行，有望在5G系统中大规模部署使用。MIMO系统中要求发送和接收端都有若干个天线独立工作。更多的基站天线在基站与移动终端之间建立起了多个相互正交的信道，通过空间复用/解复用算法的优化，MIMO技术将能够极大提升频谱利用率，从而大大提高系统的传输容量。标准MIMO 特点Rel-8发射分集空分复用最多支持4层传输波束赋形只支持单层传输MU-MIMO最多两个rank 1 UERel-9双流波束赋形SU/MU灵活切换最多4个数据流（每
