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1、第一部分首页图灵社区doc第1章 背景1引言移动通信技术如今已经普及到人们的日常生活中。在过去的几十年里，它已经从只为少数精英服务的昂贵技术演变成今天为大多数人所使用的无处不在的系统。从19世纪90年代马可尼第一个无线电通信实验开始，通往真正移动无线通信的道路已经走了很久.要了解当今复杂的移动通信系统,重要的是要了解其出处以及蜂窝系统如何演变.发展移动通信技术的任务也发生了变化，从只为一个国家或地区所关注，到变成一项日益复杂的任务，由全球标准开发组织如第三代合作伙伴计划（)来承担，并有成千上万的人参与其中。移动通信技术通常按照代来划分。第一代(G）指2世纪0年代的模拟移动无线电系统,第二代（2

2、)指首批数字移动通信系统，第三代（3G)指首批用于处理宽带数据的移动系统.长期演进（）通常被称为，但也有许多人声称第10版本（)才是真正的G演进步骤，而第一个版本(第8版）被标记为。9G.移动系统朝代序号的增加仿佛一场持续的接力，而这其实只是一个标签问题。最重要的是实际系统的能力,以及它们是如何演变的，这正是本章的主题。在这个背景下，必须首先指出,和为相同技术，标签的添加主要是为了突出的第10版（)与之间的关系,这一点将在稍后讨论。这并没有使成为与不同的系统，并且无论如何也不会是的最终进化步骤。另一个重要方面是,和的开发工作是3的一项持续工作，最早的3G系统（）就是该组织开发出来的。本章介绍系

3、统的发展背景，展现一些扮演了重要角色的事件、活动、组织和其他因素.首先需要讨论的是那些导致3G移动通信系统启动的技术和移动通信系统.下一步将讨论内部的一些国际活动,这是塑造3G、3G演进及的市场与技术驱动力的一部分。本章的最后一部分介绍标准化进程，这为今天已部署、正在运转的系统提供了详细的规范工作。2 之前的移动通信系统演进146年,美国联邦通信委员会（）批准了首个商用车载电话业务，由运营。47年,还引入了无线频率复用的蜂窝概念,这一概念成为了所有后继移动通信系统的基础。20世纪50年代和60年代,类似系统由几个垄断电话行政部门和有线运营商负责运维,使用的设备笨重而且耗电,并且只能为数量非常有

4、限的用户提供车载服务。最初关注移动通信的主要是运营商，后来才有利益相关方参与进来，移动通信技术得到了国际社会关注，大量用户和使用也由此成为现实。第一个国际移动通信系统始于20世纪80年代初，最知名的是出现于北欧国家的系统、美国的系统、欧洲的系统以及日本的制式。这些系统的设备依旧笨重,主要靠车载,语音质量通常不稳定,用户间的“串话”也成为常见的难题。系统引入“漫游”概念后，“主”运营商领域外的移动用户也能享受服务.这也为移动终端提供了更大的市场，吸引越来越多的企业进入移动通信行业中来.模拟的第一代蜂窝系统支持“普通的老式电话服务”()，即带有一些相关配套服务的语音.随着0世纪80年代数字通信的到

5、来，开发基于数字技术的第二代移动通信标准和系统的机遇开始显露。随着数字技术的到来,增加系统容量、提供更稳定的服务质量、开发更具吸引力的真正移动设备都成了可能。在欧洲，从0世纪0年代中期开始，的电信管理部门启动了(全球移动通信系统）项目，旨在开发一个泛欧洲移动通信系统，之后继续在新的欧洲电信标准协会（)中运作。标准基于时分多址(），在同一时间段内推出的标准以及日本的标准也是如此.稍后一些时候，一个被称为95的码分多址（）标准于993年在美国完成开发。这些标准提供的目标业务都是如语音之类的“低带宽业务,从这种意义上说,所有这些标准都是“窄带”的。随着第二代数字移动通信的出现,通过移动通信网络提供数

6、据服务也成为可能。G网络提供的数据业务主要为短信（)以及支持和其他数据应用的电路交换数据业务，最初采用温和的峰值数据速率(仅96 )。演进后的2系统通过将多个时隙分给一个用户并采用改进的编码方案,可达到更高的数据速率。世纪90年代后期,蜂窝系统承载分组数据变成了现实,引入了通用分组无线业务(),其他蜂窝技术比如日本的标准也于同期引入了分组数据。这些技术通常被称作2.5 G。无线数据业务在日本获得了成功，其中包括一个由业务提供、计费等构成的完整“生态系统”，清楚地表明了无线系统中的分组数据应用的潜力，尽管当时所支持的数据速率还相对较低。随着G和（通用陆地无线接入)更高带宽无线接口的出现,那些只在

7、G和2.中崭露头角的新的分组数据业务有了充分展示的机会。如今3掌控着G无线接入的发展.然而，3G的起步阶段始于2世纪0年代初，比3的成立要早得多。蜂窝技术标准的国际化也为3的发展创造了条件。是个泛欧洲项目，但当许多非欧洲国家部署标准时，迅速引发了世界范围内的关注。由于产品市场变得更大，全球标准带来了规模经济效益,这使得围绕G蜂窝技术的国际合作与前几代技术相比更为紧密.最初的G标准化第三代移动通信的相关工作于20世纪80年代由（国际电信联盟)开展，先是命名为未来公共陆地移动电信系统（）,后改为200 。世界无线电行政大会在全球范围内为2000确定了230 的频谱。这20之中，60 被指定为成对频

8、谱,用于（频分双工）系统,5 被分配为非成对频谱，用于（时分双工）;这两类均用于陆地通信。同时,也预留部分频谱用于卫星通信业务.就这样，开始了20的规范细化阶段。20世纪年代，与2移动通信系统的广泛部署和演进并行,人们在全球范围内的G研究活动中投入了大量努力。在欧洲,有一些欧盟参与资助的项目提出了一个包括宽带组件的多路接入概念，它在1996年被提交到.在同一时期的日本，无线电产业协会(）正着手定义基于宽带的3G无线通信技术.而在美国，T11委员会提出了称为的宽带概念。与此同时，韩国也开始了宽带的研究工作。当1996年在启动3G的标准化活动时,存在由欧洲研究项目(）和日本标准化机构提交的多个概念

9、。在1998年年初,来自欧洲和日本的宽带建议被合并，形成了在欧洲开展的有关通用移动电信服务(）工作的共赢概念的一部分，这是欧洲的3名称。的标准化继续在几个标准组织中并行开展，直到199年年底，由来自世界各地的标准制定组织成立了第三代合作伙伴项目（3)。这就解决了试图保持在多个地区并行开发统一规范的问题.目前3的组织伙伴包括（日本）、（中国）、(欧洲）、(美国）、（韩国）和（日本)。此时所有标准化机构正准备投入规范细化阶段，而3移动通信系统的相关工作已经在的国际竞技场内持续多时.这项工作既为3的标准化工作所影响，同时也为提供了更广阔的国际框架。13活动1.3。200和的5D工作组(D）负责系统,

10、这是3(200)和G（)的统称.5D不负责的技术规范撰写，但其一直保持着与各区域性标准化机构的合作中定义以及维护2和建议书的角色。主要的2000的建议书是 .1457 2,它确定了20无线接口规范（）.该建议包含了一个无线接口“家族”,所有成员具有平等地位。图1所示为这个带有6个地面无线接口的“家族”的示意图，还同时展示了制定规范的标准制定组织(）或者伙伴关系项目。此外,还定义了几个000卫星无线接口,这些未在图1-1中显示出来。图1- 2在中的定义对于每个无线接口，M.4中都会包含一个无线接口的概述,后面跟随一个详细规格的参考列表。实际的规格由各个来维护，并且M。1457提供每个所维护规范的

11、参考文献。随着2000无线接口的不断发展，包括到改进型的演进，国际电联的建议还需要不断更新。 5不断修改建议书457，在本书撰写时它已处于第9个版本。所输入的更新内容由负责标准撰写的和伙伴关系项目提供。在.157的最新版本中，(或）通过和的3家庭成员已经统一包含在该家族之中,如下图所示.图12000和的功能示意图，基于建议M。164中描述的框架除了维持200规范之外， D的一个主要活动是后2000系统的相关工作，现在被称为。这个称呼用在那些包含了支持后200系统新功能的新无线接口的系统上，如图2中“框图所示。向的功能发展的这一步被视为向4G迈进的一步，4是3G之后的下一代移动通信技术.定义的过

12、程由 5D 3负责,与开发000建议所用到的过程颇为相似.首先总结了技术在服务和技术、市场预测、标准化原则、频谱需求估计以及确定候选频段方面的研究4.评价标准获得通过,被提议的技术将根据设置的最低技术要求进行评估.之后，008年3月所有国际电联成员和其他组织以通函的形式被邀请加入到这个进程中。2年个候选技术提交后，评估是在与外部机构的合作中执行的,如一些标准制订组织、行业合作论坛和国家群体。由3开发的演进方案被提交作为评价的一个候选方案.而实际上作为系统的一个新版本(第0版)，并由此作为持续的发展进程的一个组成部分，候选方案被命名为为的是便于向提交。3还建立了一套自己的技术要求,以要求作为基础

13、。的具体内容将在本书后续描述部分进行详细介绍.以提交为目的的性能评估将在第1章中进一步说明。这一进程的目标是通过建立共识来始终确保候选方案的统一。于21年0月决定,两种技术将包含在的首次发布之中,分别是第0版（）以及基于0规范的 。二者可以被视为如图1-所示的技术“家族”的成员。确定了无线接口规范的主要建议被命名为 7,并已于201年完成。与相应200规范一样,它包含所有无线接口的概览,之后是一个详细规格的引用列表。图1-3的无线接口技术1.2系统的频谱内关于的另一个主要活动是确定适用于系统的全球可用频谱。频谱工作已经涉及在这些频段上与其他技术之间共享的研究.确定足够的频谱可用性和全球统一的频

14、谱被认为对于来说至关重要。3G频谱最初在世界无线电行政大会92上制定，当时确定20 由国家行政部门为实现2000而使用.位于2的所谓00“核心频段”就在这个频率范围之内，并且是3G系统部署的第一个频段。之后的世界无线电通信会议上为200确定了其他的频谱。200确定了位于00/900和800190 的现有G频段，外加位于.6 的90 频段都分配给2000。作为2000的附加频谱，7确定了位于50 的频谱、位于69886 的所谓“数字红利”，以及位于更高频率上300 的附加频谱。这些新频段的适用性随区域和国家的不同而有所差异。针对200的全球范围频率安排在建议M.036中进行了概述，目前正随着为0

15、中补充的最新频率安排而进行更新。该建议概述了这些频带如何实现区域差异,并且还确定了哪些为成对频谱，哪些不成对。对于成对频谱，为频分双工（）操作确定了上行（手机发射)频段和下行(基站发射)频段。例如,不成对频谱可用于时分双工（）的操作。请注意，全球为3G系统部署最多的频谱仍然是2 。14驱动力3系统向4G的演进是由移动设备新服务的创新和发展所驱动的，并通过可用于移动通信系统的技术进步来实现。此外，移动通信系统部署和经营环境的演变也起着一定的推动作用,具体表现为移动运营商之间的竞争、来自其他移动通信技术的挑战以及移动通信系统在频谱使用和市场方面的新条款。电信系统、消费类电子产品尤其是移动设备中所用

16、技术的快速演变在过去的0年里非常显著。摩尔定律说明了这一点,并指示了处理器性能和增大的内存容量的不断演变，往往还结合了体积、功耗和设备成本的减小。高分辨率彩色显示器和百万像素的摄像头传感器也正用于所有类型的移动设备。结合通常基于光纤网络的高速互联网骨干网，我们看到技术背后的一系列推动因素正随着移动通信技术（如）的进步而一同前进.自0世纪90年代以来，2G和3G移动通信系统开始广泛使用，同时人们开始更多地使用互联网提供的各种服务.下一步自然是将这些基于互联网的服务也转移到移动设备上，创造今天人们所知的移动宽带业务。能够将这些基于互联网协议(）的服务用到人们在有上网条件的家里使用的移动设备上，这是

17、一个重大挑战,也是演进的主要驱动力。少量服务已经为演进的。5系统所支持，但只有当这些系统主要为基于的服务而设计，又能在实际的移动变革中被替换时，那些服务才被支持.宽带服务向移动设备迁移的一个有趣方面是，增加了移动的“风味”.事实上，位置、移动和漫游功能创建了一个为移动环境定制的全新服务范围.固定电话（)和早期移动通信技术是为电路交换服务而建立的，主要用于语音业务。上的最早数据服务是电路交换的，后来又加入了基于分组的。这也影响了3G的最初发展，因为3G基于电路交换数据，分组交换业务只作为附加项。直到3G系统演进到和之后的，分组交换业务和才成为主要设计目标。旧的电路交换服务予以保留,但将提供基于的

18、实现，就是一个例子.本身是业务不相关的，从而可以支持具有不同需求的一系列服务.对于支持不同业务的无线接口来说,其主要业务相关设计参数有下面这些。数据速率。像语音服务这样较低数据速率的服务很重要，并且仍然占据着移动网络整体容量中的很大一部分，但是更高数据速率的服务驱动着这些无线接口的设计.网页浏览、流媒体和文件传输等对更高数据传输速率日益增长的需求,推动移动通信系统的峰值数据速率从的到G的并接近4G的.延迟.实时游戏、网页浏览和交互文件传输等交互式服务都要求非常低的延迟，并以此作为一个主要的设计目标。然而,也有许多应用程序（如电子邮件和电视等)对时延要求不严格.数据包从服务器发送到客户端并返回的

19、延迟被称为传输时延。容量。从移动系统运营商的角度来看，不但为终端用户提供的峰值数据速率非常重要，而且每个部署基站以及授权频谱上每赫兹所平均提供的总数据速率也是非常重要的.容量的这一度量被称为频谱效率。移动系统容量短缺的情况下,个体终端用户的服务质量（)可能会下降。这3个主要设计参数如何影响的发展将在第7章中详细介绍，针对上述设计参数所能获得的系统性能的评估将包含在第1章的内容中。新的业务、更高的峰值比特率和系统容量方面的需求不仅要通过向4G的技术演进来满足,还需要更多频谱资源来扩展系统,该需求还将导致提供移动宽带服务的越来越多的运营商之间的竞争以及可选技术之间的竞争。第19章将提供之外的其他技

20、术的概述.随着更多频谱用于移动宽带,就需要在多个不同频段、不同频谱分配大小，甚至有时还在零散的频谱上运营移动通信系统.这就要求提供高频谱灵活性来适应不同信道带宽的可能性，这也是的驱动力之一,并作为一个重要的设计参数.移动新业务的需求以及向的无线接口演进已经成为核心网络发展的驱动力.在20世纪年代为开发的核心网络已扩展以用来支持2世纪90年代的、和，但仍然是围绕电路交换域而搭建。在的发展初期,系统架构演进（）同时启动并产生了演进的分组核心()，以支持和。集中在分组交换域，有关的更多细节请参阅文献9。 的标准化随着为系统建立了框架，随着制定了可用频谱，并且随着获得更好性能的需求不断增加，为系统制定

21、规范以满足设计目标的任务就落到了3身上.3为2、G和G移动通信系统撰写了规范，3技术也是世界范围内部署最为广泛的,200年已拥有超过45亿的连接。要了解如何工作，重要的是要理解标准的撰写过程。1.5标准化进程移动通信标准的设定不是一次性工作，它是一个持续的过程。标准化论坛在不断发展其标准，试图满足新的业务和功能方面的需求.不同论坛的标准化过程是不同的，但通常包括图4所示的个阶段。需求,确定通过标准要实现什么。架构，确定主要功能模块和接口。详细规格，详细指定每一个接口。测试和验证,验证接口规范是否能与现实中的设备协调工作。图4 标准化的阶段与交互过程这些阶段是重叠的和反复的。例如，如果技术解决方

22、案需要,可以在稍后阶段对需求进行添加、更改或丢弃。同样，在测试和验证阶段发现的问题也可以改变详细规范中的技术解决方案。标准化工作始于需求阶段，其中标准组织决定这些标准应该获得什么结果。这个阶段通常比较短。在架构阶段，标准机构确定有关架构的内容也就是说,如何满足需求的原则。架构阶段包括有关标准化参考点和接口的决定。这个阶段通常很长，可能会有需求的修改。架构阶段之后,进入细化规范的阶段。在这个阶段中,每个指定接口的细节都需要进行规范。在接口的详细规范制定过程中,标准组织可能会发现之前在架构阶段甚至需求阶段的一些决定需要重新修正。最后,测试和验证阶段启动.它通常不是标准制定机构中实际标准化工作的组成

23、部分，但通过供应商测试以及不同厂商间的互操作测试与标准化工作并行发生。这个阶段是标准的最终验证。在测试和验证阶段中,仍然可能发现标准中的错误,并且这些错误可能会改变细化标准中的一些决定。虽然这种情况并不常见，但有时依然需要对架构或需求进行一些改动。为了验证标准，产品是必要的。因此，在详细制定规范阶段之后(或在此期间）就要启动产品的实现。当存在稳定的测试规范，可用于验证该设备符合规范标准时,测试和验证阶段结束。通常情况下，从标准制定完成到商品推向市场需要一到两年的时间.然而,如果该标准是从头开始创建，由于没有稳定的组件可用，该过程可能需要更长的时间。1。5.2 流程第三代合作伙伴项目（3）是制定

24、、3G 和2G的系统的标准开发机构.是一个由、和等标准化组织形成的合作伙伴项目，它由4个技术规范组()组成，参见图1。图15 组织机构一个称为32的平行伙伴关系项目于199年成立。它还开发G规范,但只针对200,从基于的标准5开发得到的技术。这也是一个全球性项目,合作伙伴有、和等组织。3 (无线接入网）是一个技术规范组,它开发了及其演进，以及，并且位于技术的最前沿。 由下列5个工作组（）组成。 1,处理物理层规范.2，处理层2和层3的无线接口规范。，处理固定的接口例如,无线接入网内节点之间的接口-还有无线接入网和核心网之间的接口。 4，处理射频()和无线资源管理（）的性能需求。 5，处理终端的

25、一致性测试。在198年成立时的工作范围是在演进核心网络的基础上产生3G移动通信系统的全球规范，包括基于的 无线接入和基于的模式的无线接入.在稍后的阶段,保持和开发规范的任务也添加到中，现在还包括()相关的工作.已经开发、维护和批准了、和的规范。批准后，组织架构内的合作伙伴将其转化为适合交付的版本，作为各地区的标准.最初工作的同时,中国开发了一个基于的3G系统。最终被合并进3规范的第4版，作为一个额外的模式.3工作的实施考虑了相关的建议，并且其工作结果也提交给。该组织的合作伙伴必须认同标准中那些可能引出可选项的区域性需求。例如区域的频段以及对于一个区域的本地化的特殊保护要求。规范的制定还需要考虑

26、终端的全球漫游和移动.这意味着，许多地区需求实质上会成为对所有终端的全球性要求,这是因为漫游的终端必须满足所有区域性要求中最严格的那一个.因此，规范中的区域性选项更常针对基站，而非针对终端。所有版本的规范都可在每次会议后进行更新，会议每年举行4次。3的文件被分为不同版本，每个版本相比之前版本都会添加一些功能，这些功能在批准和负责的一些工作项目中定义。第8版及以后版本中带有为列举的一些主要功能，如图16所示。每个版本中显示的日期是版本内容冻结的日期.的第1版是被批准作为一项技术的版本，因此也被命名为。图1针对的3规范.5.3 3G向4G的演进 开发的无线接入的第一个版本称为9,包含了为满足所定义

27、的2000需求所需要的所有功能.这包含了电路交换的语音和视频业务,以及分组交换和电路交换的数据服务。向中增加的第一个无线接入功能主要是，也就是在第5版中增加的高速下行分组接入(）和第6版中增加的增强上行链路.这两个版本统称为，本书第19章将提供的概述。借助，不仅超越了3G移动通信系统的定义，还包含了宽带移动数据。2004年继续3G的演进，当时举办了一个研讨会,以启动有关3长期演进（）无线接口的相关工作。这个研讨会的结果是,204年1月在3 创建了一项研究项目。前6个月的时间花在为定义需求或设计目标上。这些工作被记录在的技术报告中,并于2年月获得批准。其中最值得注意的是，除了正常的容量和峰值数据

28、速率要求外,还确定了小区边缘的高数据传输速率要求以及低延时的重要性。此外，还强调了频谱灵活性以及和解决方案之间的最大共性化要求。200年秋天,3 广泛研究了不同的基本物理层技术，并在205年12月的全体会议上决定:无线接入在下行链路应基于技术，在上行链路应基于预编码的技术。之后 及其工作组开始启动规范工作，这些规范于207年2月获得批准.自那时起，的相关工作一直持续开展,每个版本中都添加了新功能，如图1-6所示。第7章将逐一介绍无线接口的诸多细节.008年 5D内有关的工作进入一个新阶段，通过通函5宣布了该阶段的详细要求和过程。除其他事项外,这还引发了一些活动，启动了的研究项目。该任务定义的需

29、求、调研并提出作为组成部分的技术要素.这项工作于009年转为一个工作项以便制定详细的规范.3内将视为演进的重要一步。因此,不是一种新技术,而是持续发展进程中的一个步骤。如图16所示，那些构成的功能正是规范第10版的部分内容。在上行和下行链路上通过聚合多个载波来使用更宽频带及使用更先进的天线技术，是为达到目标而在第10版中添加的主要功能。3内的工作计划考虑了的时限,如图1所示。在209年,作为一个候选方案被提交到，现在已经包含在0年10月公布的无线接口技术集合中6,并作为无线接口规范的一部分。这与从一开始为设定的目标是非常一致的,即应提供向G（）无线接入平滑过渡的起点.图7 时间表与 时间表的关系由于是3 第1版中不可分割的一部分，我们将在本书第717章中对它和的其他相关部分一起进行详细描述。