第二代、第三代移動通信及其演進

第二代、第三代移動通信及其演進
無線通信標準研究組主席  曹淑敏
無線通信標準研究組GSM工作組組長  王志勤
無線通信標準研究組IMT2000工作組副組長  徐京皓
前言
    移動通信從80年代初開始商用，至今不到20年的時間。移動通信技術(shù)的發(fā)展差不多是
以10年為一個周期。經(jīng)歷了80年代的第一代模擬移動通信技術(shù)，90年代初開始商用的，作
為目前移動通信主體技術(shù)的第二代數(shù)字移動通信技術(shù)，主要為GSM和窄帶CDMA技術(shù)。在新
世紀之初，以支持移動多媒體業(yè)務(wù)為特征的第三代移動通信即將商用。本文將就第二代、
第三代移動通信的應(yīng)用和技術(shù)特點，第二代如何向第三代過渡等問題進行分析和探討。
    1、第二代移動通信的應(yīng)用及技術(shù)特點
    與第一代模擬蜂窩移動通信相比，第二代移動通信系統(tǒng)具有保密性強、頻譜利用率高、
能提供豐富的業(yè)務(wù)、標準化程度高等特點，使得移動通信得到了空前的發(fā)展，從過去的補
充地位，已毋容質(zhì)疑地躍居通信的主導(dǎo)地位。我國目前應(yīng)用的第二代蜂窩系統(tǒng)為歐洲的GSM
系統(tǒng)以及北美的窄帶CDMA系統(tǒng)。
    GSM92年開始在歐洲商用，最初僅為泛歐標準，隨著該系統(tǒng)在全球的廣泛應(yīng)用，其含
義已成為全球移動通信系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)具有標準化程度高、接口開放的特點，強大的聯(lián)網(wǎng)
能力推動了國際漫游業(yè)務(wù)，用戶識別卡的應(yīng)用，真正實現(xiàn)了個人移動性和終端移動性�，F(xiàn)
在已有120多個國家，250多個運營者采用GSM系統(tǒng)，全球GSM用戶數(shù)已超過2.5億。我國從
1995年開始建設(shè)GSM網(wǎng)絡(luò)，到99年底已覆蓋全國31個省會城市、300多個地市，到2000年3
月全國GSM用戶數(shù)已突破5000萬，并實現(xiàn)了與近60個國家的國際漫游業(yè)務(wù)。
    窄帶CDMA，也稱cdmaOne、IS-95等，1995年在香港開通第一個商用網(wǎng)。CDMA技術(shù)具有
容量大、覆蓋好、話音質(zhì)量好、輻射小等優(yōu)點，但由于窄帶CDMA技術(shù)成熟較晚，標準化程
度較低，在全球的市場規(guī)模遠不如GSM系統(tǒng)。目前窄帶CDMA全球用戶約4000萬，其中約70%
的用戶在韓國、日本等亞太地區(qū)國家。窄帶CDMA技術(shù)在我國經(jīng)歷了曲折的發(fā)展過程，我國
從1996年開始，原中國電信長城網(wǎng)在4個城市進行800MHz CDMA的商用試驗，現(xiàn)在已有商用
用戶10多萬。
    目前人們所談?wù)摰腃DMA有兩個含義，一是指一種移動通信多址技術(shù)，即碼分多址技術(shù)。
如窄帶CDMA和寬帶CDMA技術(shù)；也常用來特指窄帶CDMA系統(tǒng)，或稱cdmaOne 、IS-95 CDMA系
統(tǒng)等，即第二代的移動通信技術(shù)。本文用“CDMA技術(shù)”和“窄帶CDMA”來區(qū)分上述兩個含
義。
    2、第三代移動通信(IMT-2000)的概念及主要技術(shù)第三代移動通信系統(tǒng)最早1985年由
國際電信聯(lián)盟(ITU)提出，當時稱為未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)(FPLMTS)，1996年更名為
IMT-2000(國際移動通信-2000)，意即該系統(tǒng)工作在2000MHz頻段，最高業(yè)務(wù)速率可達2000
kb/s，預(yù)期在2000年左右得到商用。從1997年開始，由于第二代移動通信系統(tǒng)的巨大成功，
用戶的高速增長與有限的系統(tǒng)容量和有限的業(yè)務(wù)之間的矛盾漸趨明顯，第三代移動通信的
標準化工作開始逐漸進入實質(zhì)階段。
    與前兩代系統(tǒng)相比，第三代的主要特征是可提供移動多媒體業(yè)務(wù)，其中高速移動環(huán)境
支持144kb/s，步行慢速移動環(huán)境支持384kb/s，是室內(nèi)支持2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸。其設(shè)計目
標是為了提供比第二代系統(tǒng)更大的系統(tǒng)容量、更好的通信質(zhì)量，而且要能在全球范圍內(nèi)更
好地實現(xiàn)無縫漫游及為用戶提供包括話音、數(shù)據(jù)及多媒體等在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)，同時也要考
慮與已有第二代系統(tǒng)的良好的兼容性。
    在經(jīng)過幾年的技術(shù)評估、研究分析及大量的協(xié)調(diào)和融合工作之后，在1999年底ITU 
TG8/1最后一次會議上，通過了IMT-2000的無線接口技術(shù)規(guī)范，這標志著第三代技術(shù)的格
局已最終確定，它分為CDMA和TDMA兩大類共五種技術(shù)，其中主流技術(shù)為以下三種CDMA技術(shù)：
1)IMT-2000 CDMA-DS(IMT-2000 直接擴頻CDMA)，即WCDMA。它是在一個寬達5M的頻帶內(nèi)直
接對信號進行擴頻；
2)IMT-2000 CDMA-MC(IMT-2000 多載波CDMA)，即cdma2000。這是美國提出的技術(shù)，由多
個1.25M的窄帶直接擴頻系統(tǒng)組成的一個寬帶系統(tǒng)；
    以上兩種技術(shù)都屬于頻分雙工(FDD)模式，此外還有CDMA TDD技術(shù)：
    IMT-2000 CDMA TDD(IMT-2000 時分雙工CDMA)：目前包括TD-SCDMA和UTRA TDD，其中
TD-SCDMA是我國提出的技術(shù)，UTRA。
    總體來講，第三代的無線技術(shù)主要是CDMA技術(shù)。
    第三代包括無線和網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的第一個版本的標準(99年版本)已在今年3月完成。2000
年版本的標準化工作已經(jīng)開始。一些主要的設(shè)備生產(chǎn)制造廠家正在99年版本的基礎(chǔ)上進行
商用產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，最早實現(xiàn)商用第三代系統(tǒng)的將是日本的NTT DoCoMo公司，計劃在
2001年春天商用WCDMA系統(tǒng)。
    在我國，由信產(chǎn)部領(lǐng)導(dǎo)的中國無線通信標準研究組(CWTS)組織積極參與ITU及兩個主
要進行第三代標準化的第三代移動通信伙伴計劃，即3GPP(制定基于GSM網(wǎng)絡(luò)、WCDMA和CDMA
 TDD無線技術(shù)的標準)和3GPP2(制定基于窄帶CDMA網(wǎng)絡(luò)和cdma2000無線技術(shù)的標準)，并已
經(jīng)于去年5月加入了兩個3GPPs，成為其組織伙伴。并且正在繼續(xù)完善TD-SCDMA的標準，進
行WCDMA和cdma-2000的標準化研究工作另外由信息產(chǎn)業(yè)部和科技部聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的第三代移動
通信研究開發(fā)項目，正在順利地進行，預(yù)計在今年年底開發(fā)出實驗系統(tǒng)。預(yù)計我國將在20
02至2003年開始第三代系統(tǒng)的商用。
3、第二代向第三代的演進
3.1GSM向第三代的演進
    向移動用戶提供高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是推動第二代向第三代發(fā)展的重要因素。對于現(xiàn)有
GSM系統(tǒng)，一般僅能夠提供9.6kb/s的電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。如果將多個時隙復(fù)用在一起，則可
以提供n´9.6kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，目前為n=6，用戶最高數(shù)據(jù)速率為57.6kb/s，該種方
式被稱為高速電路交換業(yè)務(wù)(HSCSD)。此后出現(xiàn)的通用分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（GPRS），在核心網(wǎng)
絡(luò)首次引入了分組交換的方式，成為GSM向第三代網(wǎng)絡(luò)演進的必經(jīng)之路，通常被稱為二代
半的技術(shù)。由于在GPRS無線接口采用了新的信道編碼方式，對于用戶提供的最高速率為
171kb/s,一般為108kb/s。
    考慮到一些第二代的運營者很難獲得第三代的運營執(zhí)照，但又要保證其網(wǎng)絡(luò)在相當長
的一段時間內(nèi)能夠具有競爭力。HSCSD（或原GSM系統(tǒng)）和GPRS系統(tǒng)都可以采用一種新的高
電平調(diào)制方式的EDGE來提高調(diào)制的有效性，它使得用戶數(shù)據(jù)速率可達到384kb/s。EDGE技術(shù)
可以說是GSM系統(tǒng)的邊緣技術(shù)，即它能達到的最高能力。
    對于能夠獲得第三代執(zhí)照的運營者，其無線接入網(wǎng)絡(luò)一般基于WCDMA無線技術(shù)，與GSM
相比，是革命性(revolution)的變化。在網(wǎng)絡(luò)部分則會采用演進(evolution)的方式，即
在初期，將針對話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分別接入到不同的交換網(wǎng)絡(luò)。電路型和分組型的交換網(wǎng)絡(luò)
都是增強的GSM和GPRS核心網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展，此后會出現(xiàn)全IP網(wǎng)絡(luò)，即一個
核心網(wǎng)絡(luò)能夠同時承載話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并采用IP技術(shù)。
3.2窄帶CDMA向第三代的過渡
    與GSM系統(tǒng)相比，窄帶CDMA系統(tǒng)無論是無線還是網(wǎng)絡(luò)部分向第三代移動通信過渡都采
用演進的方式。
    現(xiàn)有的窄帶CDMA一般指IS-95A技術(shù)，它的數(shù)據(jù)傳輸能力一般為14.4kb/s；為了提供較
高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力，從1999年開始采用了IS-95B技術(shù)，理論上IS-95B可支持115.2kb/s
的數(shù)據(jù)傳輸，但一般實際的IS-95B系統(tǒng)，采用現(xiàn)有的電路交換設(shè)備提供64kb/s的速率。北
美的運營者無意采用IS-95B向第三代過渡。
    cdma2000-1X(cdma2000 單載波方式)是cdma2000的第一階段。cdma-2000-1X容量是IS
-95系統(tǒng)的兩倍，可支持308kb/s的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)部分則將引入分組交換方式，以支持移
動IP業(yè)務(wù)。也就是說在cdma2000-1X商用初期，網(wǎng)絡(luò)部分在窄帶CDMA網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，保持電路
交換、引入分組交換方式，分別支持話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。cdma2000的網(wǎng)絡(luò)也將向全IP方向發(fā)
展。
    為了在cdma2000-1X基礎(chǔ)上進一步增強能力，以便與WCDMA競爭，最近在3GPP2已開始
制定支持速率高于2Mb/s的cdma2000-1X增強標準，其中高通公司的HDR(高數(shù)據(jù)速率)、摩
托羅拉和諾基亞公司聯(lián)合提交的1xtreme，還有中國的LAS-CDMA都作為侯選技術(shù)在探討中，
這類技術(shù)目前可以說是cdma2000-1X的邊緣技術(shù)。
    cdma2000-1X再往后發(fā)展，或者沿著cdma2000-3X(cdma2000 三載波系統(tǒng))及更多載波
方式發(fā)展，或者改而采用直接擴頻方式，即WCDMA。目前韓國和日本的窄帶CDMA的運營者
明顯傾向于后者。三載波方式普遍不被看好。當然我國窄帶CDMA發(fā)展情況，也將直接影響
著世界移動通信發(fā)展的格局。
4、我國TD-SCDMA技術(shù)及其進展
    1998年，ITU-R面向全世界征集IMT-2000候選無線傳輸技術(shù)，同年6月，我國向ITU-R
提交了TD-SCDMA技術(shù)作為候選。之后，在ChEG(中國第三代移動通信評估協(xié)調(diào)組)內(nèi)對該技
術(shù)進行了評估，并于98年9月向ITU-R提交了評估報告，結(jié)論是認為該技術(shù)能完全滿足國際
電聯(lián)提出的IMT-2000的最低需求。1999年11月5日，在ITU-R TG8/1最后一次全會上，TD-
SCDMA被ITU正式寫入IMT-2000無線接口技術(shù)規(guī)范IMT.RSPC，在今年5月5日剛剛結(jié)束的ITU-
R 2000全會(RA-2000)上，此建議已正式通過，并將很快正式出版、發(fā)行。這是我國通信標
準首次被國際電聯(lián)所采納。
    CWTS對TD-SCDMA技術(shù)進行了更加具體的標準化工作，同時開展了與3GPP的UTRA TDD進
行融合(Harmonization)的工作。經(jīng)過近一年的艱苦的研究、討論及大量的協(xié)調(diào)工作，99年
10月，3GPP接受了TD-SCDMA作為3GPP TDD模式的低碼片速率選項，并提出了集成(Integra
tion)的概念，計劃將TD-SCDMA技術(shù)集成到具體的技術(shù)規(guī)范當中。目前具體的工作正在進行
之中，并計劃于2000年12月完成，如果順利的話，TD-SCDMA將作為低碼片速率選項寫入3G
PP的2000年版本的技術(shù)規(guī)范之中。
    按計劃，2000年我國將完成TD-SCDMA的試驗樣機并開始進行現(xiàn)場試驗，2001年完成正
式樣機的設(shè)計制造，并于2002年左右投入生產(chǎn)和運營。TD-SCDMA技術(shù)的特點：
    TD-SCDMA是一種TDD模式技術(shù)，比起FDD來說更適用于上下行不對稱的業(yè)務(wù)環(huán)境，是多
時隙的TDMA與直擴CDMA、同步CDMA技術(shù)合成的新技術(shù)，同時采用了先進的智能天線技術(shù)，
充分利用了TDD上下行鏈路在同一頻率上工作的優(yōu)勢，這樣可大大增加系統(tǒng)容量、降低發(fā)射
功率、更好地克服無線傳播中遇到的多徑衰落問題；另外在TD-SCDMA中還用到了聯(lián)合檢測、
軟件無線電、接力切換等技術(shù)，這使得系統(tǒng)在性能上有了較大程度的提高，在硬件制造方
面則降低了成本。
    在系統(tǒng)組網(wǎng)方面，由于3GPP在制定第三代標準時已充分考慮了已有的第二代網(wǎng)絡(luò)的投
資，因此TD-SCDMA系統(tǒng)將盡量與3GPP制定的第三代標準在物理層之上取得一致，以更好地
實現(xiàn)第二代網(wǎng)絡(luò)向第三代網(wǎng)絡(luò)的演進與過渡。
5、未來移動通信系統(tǒng)
    近兩年來，隨著IMT-2000無線接口技術(shù)大局已定，日本、歐盟號稱已經(jīng)開始“第四代”
移動通信技術(shù)的研究，我國有些高校也聲稱開始第四代移動通信的研究。事實上，分析它
們所謂的“第四代”，概念和含義相差甚遠，甚至難以自圓其說，且難以稱為新的“一代”，
如在3月ITU-R的最近一次會議上，日本提出的第四代的特征是可支持2Mb/s～10Mb/s，容量
是第三代的10倍，價格是現(xiàn)在的1/10。而歐洲則主要指2Mb/s～10Mb/s的速率在第三代的后
期是可以實現(xiàn)的。會議多數(shù)代表反對“第四代”的叫法，認為一方面不嚴謹，另外目前第
三代還沒有商用，此時開始“第四代”說法對運營公司及其不利。
    ITU-R明確建議不要使用“第四代”的說法，而將采用“IMT-2000的增強(Enhancement
 of IMT-2000)”和“后IMT-2000 系統(tǒng)(Systems beyond IMT-2000)”。對于在現(xiàn)有IMT-
2000基礎(chǔ)上的改進和增強，如適合IP應(yīng)用等，稱為IMT-2000的增強；而對于“后IMT-2000
系統(tǒng)”則將在今后兩年就其概念、特征、要求等進行定義。