第4章 移动通信网络

内容回顾 第3章对常见的自动识别方法和技术做了介绍，包括： 光学符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、 IC卡技术、条形码技术和RFID射频技术 第3章重点讲述了RFID技术，包括RFID历史和现状、 RFID技术剖析和RFID在物联网中的应用。

本章内容 8.1 移动通信发展历史 8.2 3G通信技术和标准 8.3 移动互联网 8.4 4G：下一代移动网络

概论：移动通信的时代 2013年5月，全国移动电话用户达11.65亿户，其中3G 移动电话用户达3.04亿户。 完整的物联网系统由前端信息生成、中间传输网络以及 后端的应用平台构成。移动通信网络，将成为物联网终 端“全面、随时、随地”传输信息的有效平台。

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第一代移动通信：模拟语音 20世纪20年代到40年代为模拟语音的早期发展阶段。 1928年，美国普度大学（Purdue University）的学生发明了超外 差式无线电接收机，建立了世界上第一个移动通信系统（车载无线 电系统）。工作频率为2MHz，在40年代才被提高到了30-40MHz。 1946年，贝尔系统在圣路易斯建立起了第一个可用于汽车的电话系 统。 西德、法国和英国分别于1950年、1956年和1959年完成了公用移 动电话系统的研制。

第一代移动通信：模拟语音 20世纪60年代，美国开始使用中小容量的改进移动电话 系统IMTS。 IMTS支持23个信道，频率范围为150～450MHz。 在一个大区域中只用一个基站覆盖的设计被成为大区制。 大区制有以下特点： 基站覆盖面积大 发射功率大 可用频率带宽有限，系统容量小 适用于专业网，不适合商用

第一代移动通信：模拟语音 1982年，为了解决大区制容量饱和的问题，美国贝尔实验室发明了高级移动电话系统AMPS。 AMPS提出了“小区制”，“蜂窝单元”的概念，是第一种真正意义上的“蜂窝移动通信系统”，同时采用频分复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）技术，解决了公用移动通信系统所需要的大容量要求和频谱资源限制的矛盾。 100千米范围之内，IMTS每个频率上只允许一个电话呼叫；AMPS以允许100个10千米的蜂窝单元，从而可以保证每个频率上有10～15个电话呼叫。

蜂窝系统：系统结构 每一个蜂窝单元有一个基 站负责接收该单元中电话 的信息。 基站连接到移动电话交换 局（Mobile Telephone Switching Office, MTSO）。 MTSO采用分层机制，一 级MTSO负责与基站之间 的直接通信；高级MTSO 则负责低级MTSO之间的 业务处理。

蜂窝系统：移交 当电话在蜂窝单元之间移动的时候，基站之间会通信， 从而交换控制权，避免信道分配不错导致信号冲突。 基站对于电话用户控制权的转换也称为“移交”。 “软移交”：用户通话保持连贯。 “硬移交”：老的基站需要停止用户通话。

第二代移动通信：数字语音 第二代移动通信技术：数字制式 900/1800MHz GSM移动通信 800MHz CDMA系统 支持传统语音通信、文字和多媒体短信 支持一些无线应用协议 目前服务用户最多的移动通信技术 900/1800MHz GSM移动通信 工作在900/1800MHz频段，124对单工信道，每对单工信道有 200kHz的频宽 无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协 议 800MHz CDMA系统 无线接口采用窄带码分多址（CDMA）技术 第三代移动通信系统的基础

第二代移动通信技术 中国移动:GSM 2G:890MHz-909MHz 935MHz-954MHz 中国 联通:GSM 中国电信: (CDMAIS-95) PHS PHS:1900 MHz -1920 MHz

第三代移动通信技术 中国移动:TD-SCDMA 1880-1900MHz 2010-2025MHz 中国联通:WCDMA

GSM系统 GSM是一种蜂窝网络系统，蜂窝单元按照半径可以分为： GSM后台网络系统包括以下模块系统： 宏蜂窝：覆盖面积最广，基站通常在较高的位置，例如山峰 微蜂窝：基站高度普遍低于平均建筑高度，适用于市区内 微微蜂窝：室内，影响范围在几十米以内 伞蜂窝：填补蜂窝间的信号空白区域 GSM后台网络系统包括以下模块系统： 基站系统，包括基站和相关控制器 网络和交换系统，也称为核心网，负责衔接各个部分 GPRS核心网，可用于基于报文的互联网连接，为可选部分 身份识别模块，也称为SIM卡，主要用于保存手机用户数据

CDMA系统 CDMA移动通信网是由蜂窝组网、扩频、多址接入以及 频率复用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域 等三维信号处理的一种协作。因此它具有 抗干扰性好 抗多径衰落 保密安全性高 容量和质量之间可做权衡取舍 同频率可在多个小区内重复使用等属性 CDMA最明显的优势在于，它利用编码技术可以区分并 分离多个同时传输的信号。它允许用户可以任何时刻在 任何频段发送信号，对于冲突的信号，可以从混合信号 中提取出期望的数据信号，同时拒绝所有其他的噪音信 号。

第三代移动通信： 数字语音与数据 第三代移动通信（3G）可以提供所有2G的信息业务， 同时保证更快的速度，以及更全面的业务内容，如移动 办公，视频流服务等。 3G的主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，包括高速 移动环境下支持144Kbps速率，步行和慢速移动环境下 支持384Kbps速率，室内环境则应达到2Mbps的数据传 输速率，同时保证高可靠服务质量。 人们发现从2G直接跳跃到3G存在较大的难度，于是出 现了一个2.5G（也有人称后期2.5G为2.75G）的过渡阶 段。

3G发展历程 3G 2.75G W-CDMA 2.5G 2G GPRS GSM EDGE 1G TD-SCDMA AMPS TDMA GSM/GPRS CDMA 1xRTT CDMA CDMA 2000 PHS TACS PHS iDEN NMT iDEN

2G到3G的过渡 HSCSD GPRS EDGE GSM网络的升级版本 透过多重时分并行传输，速率比GSM网络快5倍 动态提供不同的纠错方式 改造现有基站系统，利用GSM网络中未使用的TDMA信道，速 率可以达到114Kbps 立即联机 EDGE 俗称2.75G，是GPRS到3G之间的过渡产业 传输速率可以达到384Kbps 主张利用现有的GSM资源

IMT-2000 第三代移动通信系统最早于1985年由ITU TG8/1提出， 最初的名字为FPLMTS（Future Public Land Mobile Telecommunication System），后在1996年更改为 “IMT-2000”。 数字2000蕴含了三层含义： 希望该系统能在2000年全面应用到市场； 希望3G能在2000MHz的频率上运行； 希望可以3G保证2000KHz的带宽。 可惜的是，3G并没有能够在2000年之前投入市场，只有中国 保留了2000MHz的频段。 1999年，IMT-2000无线接口技术规范建议被通过。

IMT-2000无线接口标准 IMT-2000无线接口技术规 范建议将无线接口的标准明 确为5个标准。 传统的窄带TDMA技术远远 不能满足3G系统的高带宽 要求，而CDMA的编码方式 才是现行3G通信标准的基 础。图中关于CDMA技术的 3个标准分别是： IMT-DS，对应于W-CDMA IMT-MC，对应于 CDMA2000 IMT-TD，对应于TD- SCDMA和UTRA-TDD IMT-2000无线接口的5个标准

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3G通信技术和标准： 历程回顾 1985年FPLTMS概念被提出。 1991年ITU正式成立TG8/1任务组，专门负责FPLTMS的标准定制 工作。 1996年FPLTMS更名为IMT-2000。 1997年ITU向各国发出通函，要求各国在1998年6月之前提交关于 IMT-2000无线接口技术的候选方案，一共收到15份有关3G接口的 技术方案，其中包括我国自主研究制定的TD-SCDMA标准。 2000年5月， ITU 正式公布了第三代移动通信标准，CDMA技术以 其特有的优势为众多标准的基础。 2009年1月7日，我国工业和信息化部向中国移动、中国电信、中 国联通分别发放了3G牌照。其中，中国移动获得TD-SCDMA牌照， 中国联通和中国电信分别获得WCDMA和CDMA2000牌照。

TD-SCDMA TD─SCDMA（ Time Division – Synchronous Code Division Multiple Access ）相比于W-CDMA和CDMA2000起步较晚， 1998年6月由原邮电部电信科学技术研究院向ITU提出。 TD-SCDMA融合众多先进技术，具有抗干扰能力强，系 统容量大的特点： SDMA（Space Division Multiple Access） 同步CDMA和软件无线电 TDMA，FDMA TD分类 TD-SCDMA：提供话音和视频电话等最高下行频率为384Kb/s 的数据业务 TD-HSDPA：数据业务增强技术，可提供2.8Mb/s的下行速率

TD－CDMA解决的移动通信问题 呼吸效应：在CDMA系统中，基站的实际有效覆盖面积 会随着用户增多（干扰增强）而缩小，反之则会增大。 CDMA2000和W-CDMA属于同频自干扰系统，邻近用户之间 自干扰现象明显，从而降低了实际传输速率。 TD-SCDMA的解决方案 利用低带宽的FDMA和TDMA限制了系统的最大干扰； 在单时隙中应用CDMA技术提高系统容量； 利用联合检测和SDMA技术对客户终端的信号跟踪； 充分利用下行信号能量，最大程度上抑制了客户之间的干扰。 可以说，TD-SCDMA系统不再是一个自干扰系统，“呼吸效应” 基本被消除。

TD－CDMA解决的移动通信问题 远近效应： TD-SCDMA的解决方案 手机用户到基站的距离是在不断变化中的， 固定的通信功率不仅会造成严重的功率过剩（离基站很近的地 方依然用大功率来传输数据），且可能形成有害的电磁辐射。 TD-SCDMA的解决方案 TD-SCDMA通过动态调控功率改善“远近效应”：手机终端依 据自己到基站的通信距离动态的调整自己的传输功率，从而尽 可能的减少过剩，且依然保证可连通性。 采用动态信道分配的方式，即根据用户的需求进行实时的动态 资源分配，包括频率，时隙和码字等。 动态信道分配不仅提高了信道资源的利用率，且增强了对于网 络中负载和干扰变化的适应能力。

W-CDMA W-CDMA（ Wideband Code Division Multiple Access ）是由爱立信公司提出，3GPP具体制定的基 于GSM MAP核心网，UTRAN为无线接口的3G系统。 第一个商用W-CDMA网络由日本NTT DoCoMo于 2001年推出，也是世界上第一个3G移动电话服务。 中国联通于2009年在中国大陆提供W-CDMA服务， 并开始提供HSDPA服务（在部分地区还提供HSUPA 服务）。 中国香港移动运营商SUNDAY等也都已经架构了W- CDMA商用网络。 中国台湾地区3G服务从2005年开始，其中中华电信、 台湾大哥大、远传电信等都使用W-CDMA系统。

W-CDMA W-CDMA = Wideband Code Division Multiple Access W-CDMA技术主要是将信息扩展成3.84MHz的宽带后， 在5MHz带宽内进行传输。 上行技术参数主要基于欧洲FMA2方案。 下行技术参数主要基于日本ARIB W-CDMA方案。 W-CDMA技术主要包括FDD和TDD： FDD：工作在覆盖面积较大的范围内，可以在两个对称频率信 道上进行接收和传送工作 TDD：侧重于业务繁重的小范围内

W-CDMA W-CDMA定义了3条可利用的公共控制信道及2条专用 信道： 广播公共控制信道（BCCH）：携带系统和小区特定的信息 寻呼信道（PCH）：把消息送到寻呼区的移动台 前向接入信道（FACH）：把消息从基站送到一个小区内的移动 台 专用控制信道（DCCH） 专用业务信道（DTCH）：用作上下行中点到点的数据传输 TD-SCDMA只支持同步基站，W-CDMA可以同时支持 异步和同步的基站运行方式。

CDMA2000 CDMA2000也称为CDMA Multi-Carrier,由美国高通北 美公司为主导提出。 W-CDMA和TD-SCDMA是由标准组织3GPP制定， CDMA2000则是由标准组织3GPP2制定。 CDMA2000标准推进路线：

CDMA2000 CDMA2000 1x： CDMA2000 1xRTT： CDMA2000 1xEV： 即1x 或者 1xRTT， 是3G CDMA2000技术的核心。 标志1x 指使用一对1.25MHz无线电信道的CDMA2000无线技术。 CDMA2000 1xRTT： CDMA2000 1xRTT（RTT 无线电传输技术）是CDMA2000一个基础 层。 通常被认为是2.5G技术，因其传输速率不及其他3G技术。 支持最高144kbps数据速率。 CDMA2000 1xEV： CDMA2000 1x 附加高数据速率（HDR）能力。 CDMA2000 1xEV 第一阶段（CDMA2000 1xEV-DO）支持下行数据 速率最高3.1Mbps，上行速率最高1.8Mbps。 CDMA2000 1xEV 第二阶段（CDMA2000 1xEV-DV）还能支持1x语 音用户，1xRTT数据用户和高速1xEV-DV数据用户使用同一信道。

三种3G标准的主要技术差别 TD-SCDMA W-CDMA CDMA2000 标准 内容 信道带宽/MHz 码片速率/(Mc/s) 基站间同步 帧长 /ms 双工技术 多址方式 语音编码 多速率 功率控制 交织 1.6 1.28 异步/同步 10 TDD 固定速率 可变扩频因子，多码RI检测 开环+慢速闭环（20b/s） 卷积码；帧内交织；RS码：帧间交织 5/10/20 3.84 FDD/TDD DS-CDMA 可变扩频因子和多码RI检测；高速率业务盲检测；低速率业务 FDD：开环+快速闭环（1600b/s）;TDD：开环+慢速闭环 卷积玛：帧内交织；RS码：帧间交织 1.25/10/20 3.6864 同步 20 FDD DS-CDMA和MC-CDMA 可变速率 可变扩频因子和多码RI检测；低速率业务，事先预定好，需高层信令参与 开环+慢速闭环(800b/s) 块交织

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移动互联网 3G网络中的数据传输 移动互联网将移动通信和互联网二者结合，提供网页浏 览、视频会议、电子商务、电视直播等互联网应用服务。 多元化：视频信息、流数据、音乐电视… 即时性：室内固定环境下2Mb/s，室外快速移动环境下144Kb/s 地域性：手机信号可以覆盖wifi等无线信号难以遍及的地方 移动互联网将移动通信和互联网二者结合，提供网页浏 览、视频会议、电子商务、电视直播等互联网应用服务。

视频电话 作为2G移动通讯不能支持的新业务，视频电话迎合了人 们面对面交谈的习惯，成为引领2G用户奔向3G的主要 手段之一。 视频电话技术也是众多其他综合服务业务的基础，如视 频会议、多人网络游戏、远距离医护和可视安全系统等 等。 两种视频编解码器： H.263编解码器 基于64Kb/s速率， 用于视频呼叫 H.264编解码器 应用于视频流 广泛应用于电影电视中

手机电视 从技术上手机电视分为两大类： 以地面广播网络为基础 以移动通信网络为基础 欧洲的DVB-H 韩国的T-DMB 日本的ISDB-T 中国的CMMB … 以移动通信网络为基础 MBMS，BCMCS…

手机电视：CMMB CMMB （中国移动多媒体广播）：我国自主研发的利 用无线数字广播电视网向移动终端提供电视节目的移动 多媒体广播系统。 便携终端只要加装上一个专门的芯片，就会变成了一部可移动 收看的手持电视。 频段范围：470～798MHz；传播衰耗小；覆盖范围：40千米 “天体一体、星网组合、统一标准、全国漫游”。 相较于基于3G的手机电视技术，优势是覆盖广、相对低成本、 多用户同时观看。但难以支持点播和双向互动。 与3G视频技术互补。

GeoReminder：在用户进入特定区域时给用户提醒； 基于用户情境的服务 当前的智能手机上添加了各种各样的传感器，如加速度传感器、重 力传感器、光照传感器、GPS、摄像头等等。 利用这些传感器采集的数据结合模式识别、机器学习等技术，手机 应用能够识别出用户当前所处的情境（什么时间，在什么地点，在 做什么或者即将做什么，和什么人在一起）等。 基于这些情境，服务提供者便能根据用户当前具体的情境为用户提 供个性化的服务。 SocialGroupon:可以在用户和好友在一起时，向好友发送推荐和优惠券 GeoReminder：在用户进入特定区域时给用户提醒； JogBuddy:可以自动为用户记录每天的运动量；

移动社交网络 截止2011年10月，美国有超过98%的互 联网用户在使用社交网络，全世界的社交 网络用户平均每个月会花约6个小时在社 交网络应用上，占去了他们16.9%的在线 时间。 各大传统在线社交网站，如Facebook， MySpace, 人人网，开心网等都提供了相 应的智能移动终端应用程序，让用户可以 通过移动终端随时进行访问。 移动社交网络相较传统社交网络能为用户 提供无所不在的，更全面更便捷的服务， 同时严重的隐私问题也引起了用户的关注。

其他应用 WAP：将Internet内容和数据服务带入移动电话终端。 移动即时通信：互联网即时通信在移动通信网络上的扩 展 手机广告：针对目标人群，向特定地理区域提供直接的、 个性化的广告。 手机游戏：移动网络将大量手机用户通过高速的数据链 路连接在一起，使用户可以进行更多有趣的交互式游戏

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4G：下一代移动网络 第四代移动通信系统IMT-Advanced（International Mobile Telecommunications-Advanced），俗称4G。 2013年国庆长假期间深圳推出全国首个4G即摄即传行业应用。 深圳卫视新闻直播节目利用4G技术实现日常新闻的无线高清直播。与现场直播延迟小于1s。 9月28年日，杭州、宁波、温州三地移动公司实现4G手机全国首发。 达到主流3G网络网速的10多倍，延迟为3G的1/10. 41

4G：下一代移动网络 4G被称为“多媒体移动通信”，在通信速度和智能性上 是远超过3G： 4G的数据传输速率可以达到10Mbps至20Mbps,最高甚至可以 超过100Mbps，这个速率是目前移动电话数据传输速率的1万 倍，也是3G移动电话速率的50倍。 利用高带宽的优势，4G手机可以提供高性能的流媒体内容，也 可以实现高分辨率的电影和电视节目。 技术上，4G将引入许多功能强大的突破性技术，使得对无线频 率的使用更加有效。这种有效性可以让更多的人使用与以前相 同数量的无线频谱做更多的事情。

4G：下一代移动网络 2004年11月， 3GPP在魁北克会议上决定开展3G系统的长期演进 （Long Term Evolution）研究项目。形成对LTE系统的初步需求： 提高峰值数据速率，改善小区边缘速率，提高小区容量，提高频谱 利用率，降低系统延迟，并着眼于降低运营和建网成本。另外，该 系统必须能够和现有系统（2G/2.5G/3G）共存。LTE作为3G向4G 演进的主流技术，通常也被人们称为3.9G。 LTE按照双工方式可以分为两种模式LTE TDD （TD-LET）和LTE FDD。 TDD采用时分复用进行双工,FDD采用频分复用进行双工。 OFDMA（正交频分多址)相对于CDMA技术， 具有抗多径干扰、实现简单、 灵活支持不同带宽、频谱利用率高、支持高效自适应调度等优点，它成为了公 认的未来4G储备技术。 MIMO(多输入/多输出)技术利用多天线系统的空间信道特性，能同 时传输多个数据流，从而有效提高数据速率和频谱效率，也成为 LTE的必选技术。

4G：下一代移动网络 4G国际标准工作从2009年初开始，ITU在全世界范围内征集4G（IMT-Advanced） 候选技术。 2009年10月，ITU共计征集到了六个候选技术。这六个技术基本上可以分为两大类， 一是基于3GPP的LTE的技术；另外一类是基于IEEE 802.16m的技术。 2012年1月18日，ITU正式审议通过将LTE-Advanced和WirelessMAN- Advanced(802.16m)技术规范确立为IMT-Advanced的国际标准。 我国工业和信息化部率先规划2570MHz~2620MHz(共50MHz)频段用于TDD方式 的IMT系统。 2010年4月15日，上海世博园区内建设的全球首个TD-LTE规模演示网络正式运行， 通过TD-LTE网络提供包括移动高清视频监控、移动高清会议、移动高清实况转播、 移动高清视频点播和高速上网卡在内的多项特色业务应用演示。 2011年初广州、上海、杭州、南京、深圳、厦门六城市进行了TD-LTE规模技术试验。 2011年底北京启动了TD-LTE规模技术试验演示网建设。 2013年4G手机全国首发。

本章小结 内容回顾 本章介绍了移动通信技术的发展，重点介绍了我国使用 的第三代移动通信技术和标准（TD-SCDMA，W- CDMA，CDMA2000），并讨论了移动互联网的典型 应用。 重点掌握 了解三代移动通信技术的发展历程。 了解我国使用的三种3G技术标准的特点以及相互之间的 区别。 举例说明移动互联网的典型应用，讨论4G的发展方向。

通信车

车载天线

莫尔斯电码 摩尔斯电码(Morse alphabet)是美国人摩尔斯(Samuel Finley Breese Morse)于1837年发明的， 由点dot（.）、 划dash（-）两种符号组成。 1、一点为一基本信号单位，一划的长度=3点的时间长度。 2、在一个字母或数字内，各点、划之间的间隔应为一点 的时间长度。 3、字符（字母及数字）之间的间隔为3点的时间长度。 4、单词与单词之间的间隔为7点的时间长度。

Morse表