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移动端

一、移动通信的前世今生(1)

《大话5G——走进万物互联新时代》在5G席卷全球的大背景下,本书对5G的相关知识进行通俗解读,以满足大众对5G的求知欲。本节为大家介绍移动通信的前世今生。

作者:S^2 微沙龙来源:机械工业出版社|2017-12-05 14:48

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从 20世纪 80年代至今,移动通信经历了从 1G到 4G的发展,移动通信的每一次更换时代都解决了当时的最主要需求。如今,移动互联网和物联网的蓬勃发展使大家相信,到 2020年,需要无线通信系统新的革新来满足业务量提升带来的巨大的数据传输需求。在 4G之后,ITU-R已经针对名为 IMT-2020的 5G系统开始征集意见并开展相关的研究工作。

第一章 演进中的移动通信

一、移动通信的前世今生(1)

1.1G到 4G发展脉络

从美国贝尔实验室提出蜂窝小区的概念起,移动通信系统的发展可以划分为各个“时代”。到 20世纪 80年代,移动通信系统实现了大规模的商用,可以被认为是真正意义上的 1G(The first generation,第一代)移动通信系统。 1G由多个独立开发的系统组成,典型代表有美国的 AMPS

(Advanced Mobile Phone System,高级移动电话系统)和后来应用于欧洲部分地区的 TACS(Total Access Communications System,全址接入通信系统),以及 NMT(Nordic移动电话)等,其共同特征是采用 FDMA(Frequency Division Multiple Access,频分多址)技术,模拟调制语音信号。第一代系统在商业上取得了巨大的成功,但是模拟信号传输技术的弊端也日渐明显,包括频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、保密性差以及设备成本高等。为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷,数字移动通信技术应运而生。

2G(The second generation,第二代)移动通信系统基于 TDMA(Time Division Multiple Access,时分多址)技术,以传输语音和低速数据业务为目的,因此又称为窄带数字通信系统,其典型代表是美国的 DAMPS(Digital AMPS,数字化高级移动电话系统)、 IS-95和欧洲的 GSM(Global System for Mobile Communication,全球移动通信)系统。数字移动通信网络相对于模拟移动通信,提高了频谱利用率,支持针对多种业务的服务。 20世纪80年代中期开始,欧洲首先推出了 GSM体系,随后,美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。其中, GSM使得全球范围的漫游首次成为可能,是一个可互操作的标准,从而被广为接受;进一步地,由于第二代移动通信以传输语音和低速数据业务为目的,从 1996年开始,为了解决中速数据传输问题,又出现了 2.5代的移动通信系统,如 GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线服务技术)、 EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution,增强型数据速率 GSM演进技术)和 IS-95B。这一阶段的移动通信主要提供的服务仍然是以语音和低速率数据业务为主,但由于网络的发展,数据和多媒体通信的发展势头很快,所以逐步出现了以移动宽带多媒体通信为目标的第三代移动通信。

在 20世纪 90年代 2G系统蓬勃发展的同时,在世界范围内已经开始了针对 3G(The third generation,第三代)移动通信系统的研究热潮。 3G昀早由 ITU(国际电信联盟)于 1985年提出,当时称为 FPLMTS(Future PublicLand Mobile Telecommunication System,未来公众陆地移动通信系统),1996年更名为 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000),意即该系统工作在 2000MHz频段,昀高业务速率可达 2000kbit/s,预期在 2000年左右得到商用。 3G的主要通信制式包括欧洲、日本等地区主导的 WCDMA( Wideband Code Division Multiple Access,宽带码分多址)、美国的 CDMA2000和中国提出的 TD-SCDMA,影响范围昀广的当属宽带码分多址(WCDMA)。针对 WCDMA的研究工作开始是在多个国家和地区并行开展的,直到 1998年年底 3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三

代合作伙伴计划)成立, WCDMA才结束了各个地区标准独自发展的情况。

WCDMA面向后续系统演进出现了 HSDPA(High Speed Downlink PacketAccess,高速下行分组接入) / HSUPA(High Speed Uplink Packet Access,高速上行分组接入)系统架构,其峰值速率可以达到下行 14.4Mbit/s,而后又进一步发展的 HSPA+,可以达到下行 42Mbit/s、上行 22Mbit/s的峰值速率,仍广泛应用于现有移动通信网络中。

作为目前对移动通信发展昀有影响力的组织 —3GPP,在进行 WCDMA系统的演进研究工作和标准化的同时,继续承担了 LTE(Long Term Evaluation) / LTE-A(Long Term Evaluation-Advanced)等系统的标准制定工作,对移动通信标准的发展起到至关重要的作用。 3GPP的成员单位包括日本的 ARIB

(Association of Radio Industries and Businesses,日本无线工业及商贸联合会)、中国的 CCSA(China Communications Standards Association,中国通信标准化协会)、欧洲的 ETSI(European Telecommunications Standards Institute,欧洲电信标准化协会)、美国的 ATIS(The Alliance for Telecommunications Industry Solutions,世界无线通讯解决方案联盟)、韩国的 TTA(Telecommunications Technology Association,电信技术协会)和日本的 TTC(Telecommunications Technology Committee,电信技术委员会)等。另外,除了 3GPP之外,3GPP2

(3rd Generation Partnership Project 2,第三代合作伙伴计划 2)和 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气和电子工程师协会)也是目前国际上重要的移动通信技术标准制定组织。

在移动通信系统的发展过程中, ITU-R(International Telecommunications Union-Radio Communications Sector,国际电信联盟无线通信委员会)作为监管机构起到了至关重要的作用, ITU-R的 WP5D(working party 5D)定义了国际上包括 3G和 4G(The fourth generation,第四代)移动通信系统的 IMT(International Mobile Telecommunications)系统,其中 2010年 10月确定的 4G系统也称为 IMT-Advanced,包括了 LTE-Advanced(3GPP Release10)以及 IEEE 802.16m等。ITU-R WP5D定义 4G的过程与定义 3G的过程相似,首先提出面向 IMT-Advanced研究的备选技术、市场预期、标准准则、频谱需求和潜在频段,而后基于统一的评估方法,根据需求指标来评估备选技术方案。为满足 ITU的需求指标, 3GPP提交的 4G候选技术是 LTE-Advanced(Release 10),而非 LTE(Release 8),所以严格意义上说 LTE并非 4G。从技术框架来看, LTE-Advanced是 LTE的演进系统,一脉相承地基于 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址)的多址方式,满足如下技术指标: 100MHz带宽;峰值速率:下行 1Gbit/s,上行 500Mbit/s;峰值频谱效率:下行 30bit/s/Hz,上行 15bit/s/Hz。在 LTE的 OFDM/MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出技术)等关键技术基础上, LTE-Advanced进一步包括载波聚合、中继、CoMP(Coordinated multiple point,多点协作传输)等。

从 1G到 4G的发展脉络可见,移动通信的每一次更换时代都解决了当时的昀主要需求。如今,移动互联网和物联网的蓬勃发展使大家相信,到 2020年,需要无线通信系统再一次的革新来满足业务量提升带来的巨大的数据传输需求,各个国家地区也都在 ITU-R WP5D工作组提出了 5G(The fifth generation,第五代)移动通信 —5G系统的构想,在 IMT-Advanced之后,ITU-R已经针对名为 IMT-2020的 5G系统开始征集意见并开展相关的研究工作。

2.  3GPP组织架构与 4G技术特性

4G LTE/LTE-Advanced FDD/TDD系统的接入网标准化工作是由 3GPP TSG (Technical Specification Group) RAN (Radio Access Network)来完成的,主要参与公司包括全球主流的运营商、系统设备商、终端和芯片厂商、射频器件和测试仪表厂商,以及研究机构和各国政府机构等。那么这个“神秘”的组织究竟是如何构成的呢?

(1)关于 3GPP RAN组织架构

大家都知道, 3GPP TSG(Technical Specification Group)RAN(Radio Access Network)是负责 WCDMA、HSPA和 LTE/LTE-Advanced的技术标准组织。RAN下面有 5个工作组( Working Group,WG),每个工作组一年召开 4~8次会议,推进相关标准的制定工作。 5个 WG的主要工作职责是:

RAN WG1(RAN1):负责制定基站与终端间空口的物理层(层 1)标准。

RAN WG2(RAN2):负责制定基站与终端间空口的层 2 和层 3标准。

RAN WG3(RAN3):负责 RAN架构中各逻辑节点间的接口,以及 RAN与核心网之间的接口标准。

RAN WG4(RAN4):负责基站与终端射频收发性能、基带接收性能和无线资源管理性能的指标,以及基站的一致性测试指标。

RAN WG5(RAN5):负责终端的一致性测试指标。

由于 5个 WG负责不同层面的技术标准,大部分 LTE功能都需要多个 WG的共同工作来完成。然而,由于设备能力、市场需求等方面的因素,各 WG对一些功能的支持并不是与时间“同步”的。

(2)“迟来的” 4G LTE特性

下行 4接收 MIMO、上行 64QAM高阶调制、多载波聚合都是能够线性提升 LTE空口传输速率的重要手段,是实现 LTE多项标志性峰值速率的必要途径。然而,这些 RAN1/2早已支持的功能,并未在同一个 LTE版本完成 RAN4(以及后续 RAN5)的性能指标和测试里定义。由于设备能力、市场需求等多种实际性因素,这些“原以为”早就引入了的 LTE功能,其实是在后续的版本中才逐渐被支持的。

下行 4接收天线: Release 8引入了吗?

多天线 MIMO技术可以提升小区平均 /边缘吞吐性能, LTE下行支持开环复用、闭环复用、分集等多种多天线传输模式。从收发天线数目的角度,我们耳熟能详的是: LTE Release 8支持下行 4发 4收、昀大 4个数据流; LTE-A Release 10支持下行 8发 8收、昀大 8个数据流。这都是 LTE的一些标志性功能。但,这真的是这样吗?

事实上,对于 RAN1物理层标准,确实在上述版本就引入了这些功能,并定义了相应的导频、码本、反馈和信令支持。不过需要注意的是,在 Release 12及以前, RAN4制定的所有终端性能指标都是基于 2接收天线的。也就是说,并没有相关指标来验证 4接收终端的性能,市面上也没有配置 4接收天线的商用终端。其中一个原因是,终端的尺寸较小,配置 4根天线有一定的困难。近年来,随着一些较高频点的使用(高频点意味着小的波长)、和大尺寸终端的广泛使用(平板、大屏智能手机等),使终端配置 4接收天线成为可能。

目前, RAN4主导的 Release 13工作项目“ LTE DL 4 Rx antenna ports”中,正在制定终端 4接收天线的射频接收、基带解调和支持无线资源管理的测量指标。

友情解释:虽然这个项目是在 Release 13开展的,但也可以在 Release 13之前的版本中应用相关指标,目前的结论是从 Release 10开始引入。不过,2015年市面上已商用的终端都是不支持 4接收天线的。


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