第二节　2G/3G/4G/5G通信技术

一、2G通信技术

第二代移动通信系统（2G）起源于20世纪90年代初期。欧洲电信标准协会在1996年提出了GSM Phase 2＋，目的在于扩展和改进GSM Phase 1及Phase 2中原定的业务和性能。它主要包括CAMEL（客户化应用移动网络增强逻辑）、SO（支持最佳路由）、立即计费、GSM 900/1800双频段工作等内容，也包含了与全速率完全兼容的增强型语音编解码技术，使得语音质量得到了质的改进；半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。在GSM Phase2＋阶段中，采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术，引入智能天线、双频段等技术，有效地克服了随着业务量剧增所引发的GSM系统容量不足的缺陷；自适应语音编码（AMR）技术的应用，极大地提高了系统通话质量；GPRS/EDGE技术的引入，使GSM与计算机通信/Internet有机相结合，数据传送速率可达115/384kbit/s，从而使GSM功能得到不断增强，初步具备了支持多媒体业务的能力。尽管2G技术在发展中不断得到完善，但随着用户规模和网络规模的不断扩大，频率资源已接近枯竭，语音质量不能达到用户满意的标准，数据通信速率太低，无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。

二、3G通信技术

第三代移动通信最早由国际电信联盟于1985年提出，系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000kbps，当时预期在2000年左右得到商用，目标是移动宽带多媒体通信。第三代移动通信标准以CDMA为核心技术。3G无线传输技术的特点有：

1.传输速率高、支持多媒体业务。

2.对于不同的通信环境，室内环境至少2Mbps，室内外步行环境至少384kbps，室外车辆运动中至少144kbps，卫星移动环境至少9.6kbps。

3.传输速率能够按需分配，上下行链路能适应不对称的需求。

第三代移动通信的核心技术是CDMA，其主要分为WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，它们各自的特点是：

1.WCDMA　采用直接序列扩频码分多址和频分双工方式，以R99/R4为基础版本，在扩展版本R5、R6中，可以以5MHz的带宽提供高达21Mbps的用户数据传输速率。

2.CDMA2000　采用直接序列扩频码分多址和频分双工方式，在EV-DORelA版本中可以在1.25MHz的带宽内提供高达3.1Mbps的下行数据传输速率。

3.TD-SCDMA　采用时分双工TDD与FDMA/TDMA/CDMA相结合的技术，其基础版本为R4，可以在1.6MHz的带宽内，提供高达384kbps的用户数据传输速率。

第三代移动通信最大特点是移动终端智能化，其有效性与可靠性相比第二代得到显著提升，在通信的加密保护和抗干扰能力方面表现优秀，有效性与可靠性高。

三、4G通信技术

在3G技术之后，人们发明了名为长期演进（longtermevolution，LTE）的通信技术，但LTE并不是4G，是3G技术和4G技术的过渡，可以称它为3.9G。真正的4G始于2012年。2012年1月20号，国际电信联盟通过了4G标准，共有4种，分别是LTE、LTE-Advanced、WiMAX以及WirelessMAN-Advanced。我国自主研发的TD-LTE则是LTE-Advanced技术的标准分支之一，在4G领域的发展中占有重要地位。4G移动通信的主要特点有：

1.采用OFDM正交频分复用技术　通信速度是3G通信速度的数十倍乃至数百倍，通信方式非常灵活多变。

2.采用软件无线电技术　可以使用软件编程取代相应的硬件功能，通过软件应用和更新，即可实现多种终端通信的无线通信。

3.使用智能天线技术和MIMO技术，在发送端和接收端都可以同时利用多个天线传输和接收信息。

对于现行多种多样的4G技术标准，它们在演化和标准化的过程中也将不断产生对抗与融合，使4G通信成为更加稳定、效率更高的主流通信技术。目前移动通信已经进入了4G通信普及的时代，4G通信的高传输率和高安全性以及较低的误码率让移动通信有了更大的发展空间，4G移动通信支撑起了现在的高度发达的手机和软件产业，成为智能时代的重要基石。

目前4G移动通信技术国际标准主要有FDD-LTE、FDD-LTE-Advance、TD-LTE以及TD-LTE-Advanced。

（一）4G标准

LTE项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进技术，LTE移动通信网络系统在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbps（TD-LTE）或150Mbps（FDD-LTE）、上行50Mbps（TD-LTE）或40Mbps（FDD-LTE）的峰值速率。国际上大多数国家采用FDD-LTE制式，FDD-LTE是主流的4G标准，也是终端种类最丰富的一种4G标准。中国移动采用的是TD-LTE标准，也是在国内使用最为普遍的标准。

（二）4G关键技术

1.OFDM技术

第三代移动通信是基于CDMA发展起来的，而第四代移动通信则是在OFDM这一关键技术上形成的。OFDM属于多载波调制中的一部分，它对信道进行分类，分成多个正交子信道，实现数据信号传输从高速转向低速。在接收端，通过相应技术对各种正交信号进行有效分类，避免两个或多个子信道间产生干扰。对单个子信道而言，其信号带宽比信道带宽窄，这些子信道相对来说是平坦且趋于衰落的，多个符号间也不易出现干扰。另外，子信道的带宽在原信道带宽中只占少部分，信道很容易保持均衡。

2.智能天线技术

应用空分复用接入（SDMA）技术，传输方向不同，信号也会有所不同，智能天线技术正是利用了这点，将频率或时隙、码道相同的信号分离，从而改变信号的变化区域，将主波束瞄准某个方向，旁边或有一定缺陷的波束向着信号容易产生干扰的方向，以便实时监控用户及环境的动态情况，使用户能把握正确的信号方向，不受其他因素的干扰。

3.MIMO技术

MIMO技术基于多天线技术，它主要通过设立分立式多天线，把通信路段分为多个平行的子信道，以便更好地增加其容量。在无线信道受限的情况下，运用MIMO技术可进行有效、高速的数据传输，且系统容量会有所增加，信号传输质量及空间分集效率都会得到很大提升。

4.软件无线电技术

近几年，微电子技术得到了长足的发展，软件无线电应运而生，它以当代通信理论为指导，以处理数据和信号为主要目标，辅之以微电子技术而存在和发挥作用。软件无线电技术是4G的核心技术，是实现4G的助推力，它综合应用各项技术，能有效减少开发中的风险。未来4G技术如果要满足各类产品的实际需求，就必须充分发挥软件无线电技术的作用，既可以帮助降低风险，还能实现研发产品的多样化发展。

5.多用户检测技术

不管是在4G系统的终端还是基站，多用户检测技术都得到了广泛应用，其目的是要提高系统容量。其基本理念为：将在同一时间点上占据同一信道的用户信号视为有用信号，并对其进行噪声处理，通过不同用户的码元、信号幅度及空间等情况，查看某一用户所处区域的信号。也就是通过各种信息、信号处理技术，有序处理接收到的信号，对多个用户进行联合检测。

6.IPv6技术

4G通信系统主要是通过以IP为中心的全分组方式来实现数据流的传输，鉴于此，IPv6技术势必要成为第四代通信网络中的重点。IPv6协议有以下特点：

（1）地址空间大：

在某一特定的时间内，它可以给所有网络设备一个绝无仅有的地址。

（2）自动化控制：

IPv6可自动配置地址，一种是无状态，一种是有状态，该地址不受人工干预。

（3）服务质量（QoS）：

从协议上分析，IPv6与IPv4有一样的QoS，但IPv6所给予的服务更全面。这主要是由于IPv6报头中出现了“流标志”这一字段，使其在传输信息流时，各节点能自主识别和处置各种IP地址流。

（4）移动性：

不同的移动设备有不同的本地地址，当设备不在其所在地使用时，运用转交地址就能将其所在位置的详细信息了解清楚。

四、5G通信技术

（一）5G特点

2013年年初，欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的项目，从此5G技术开始进入研究阶段。在数字化、全球化的背景下，对移动通信的需求也随之提高，4G通信需要发展更高的通信速率和可靠的通信能力，5G时代即将来临。随之而来的便是要对5G的实现作出可行的想象和具体的研究。在新的信息时代，5G通信会具有以下的特点：

1.5G移动通信技术将拥有更高的用户体验、网络平均吞吐速率和传输效率。

2.5G移动通信技术使用更高频段的频谱。

3.5G移动通信的核心技术主要是高密度无线网络技术与大规模MIMO的无线传输技术等。

4.移动速度的提升并非简单的速度提升，5G时代会给人类的生活带来颠覆式的影响，或许AR、VR技术会伴随5G的到来融入人们的日常生活。

（二）5G关键技术

1.高频段传输技术

目前，移动通信系统主要工作在低频段，而在高频3GHz以上利用较少，未来无线通信需要利用高频段传输技术来提高系统容量。

2.MIMO技术

MIMO信道容量具备随收发天线数中的最小值呈类似线性增加的特征。通过添加多个天线，可以为无线信道带来更大的自由度，以容纳更多的信息数据。MIMO可以大幅增加系统的吞吐量及传送距离，运用大规模多天线技术，MIMO已成为提高系统频谱利用率和传输可靠性的有效手段，为大幅度提高网络系统的容量提供了一个有效的途径。

3.同时同频全双工

现有的无线通信系统中，由于技术条件的限制，不能实现同时、同频以及双向通信的全双工通信，双向链路都是通过时间或频率进行区分的，对应于TDD和FDD方式。由于现有网络不能进行同时、同频双向通信，浪费了一半的无线资源，全双工技术理论上可将频谱利用率提高一倍。

4.D2D通信技术

D2D能够实现短距离设备间直接通信，具有信道质量高、低时延、较高数据速率和较低功耗等优点；利用广泛分布的终端设备，能够改善覆盖和提高频谱资源利用；未来5G网络中，D2D直接通信技术能够在没有基站的中转下，实现通信设备之间的直接通信，拓展了网络连接和接入方式。

5.超密集网络部署

5G应该是一个多元化、宽带化、智能化的网络，将部署更多的密集网络来满足室内和室外场景的数据需求。密集网络提升的信噪比增益比大规模天线带来的信噪比增益更大，提升了终端用户的体验，并且大幅度提高了系统容量，具有更灵活的网络部署和更高效的频谱效率的特征。

6.新型网络架构技术

5G网络架构将具有低时延、低成本、扁平化、易维护等优点。新型无线接入网架构具有基于协作式无线电技术、集中化处理技术、实时云计算构架技术的优点。其本质是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方千米的无线接入系统。

7.网络智能化技术

未来，网络智能化技术将是5G网络的一个重要技术，应具有智能配置、智能识别、自动模式切换等优点，实现网络智能自组织的功能。自组织网络主要是让网络中具有自组织能力，即自配置、自优化、自愈合等，实现网络智能地进行规划、部署、维护、优化和排障等优点。

8.多载波技术

在5G系统中，为了达到高数据速率，将可能需要高达1GHz的带宽，但在低频段难以获得连续的宽带频谱资源。在这些频段中，有的无线传输系统，比如电视网络系统中存在白频谱资源，这些白频谱的位置可能是不连续的，希望在5G中能够采用新型的多载波技术实现对这些频谱的使用。

9.软件定义无线网络

在传统的Internet网络架构中，控制和转发是集成在一起的，网络互联节点（如路由器、交换机）是封闭的，其转发控制必须在本地完成，使得它们的控制功能非常复杂，网络技术创新复杂度高。软件定义网络的基本思路将路由器中的路由决策等控制功能从设备中分离出来，统一由中心控制器通过软件进行控制，实现转发和控制的分离，从而使得控制更为灵活，设备更为简单。