第二代、第三代移动通信及其演进

第二代、第三代移动通信及其演进
无线通信标准研究组主席  曹淑敏
无线通信标准研究组GSM工作组组长  王志勤
无线通信标准研究组IMT2000工作组副组长  徐京皓
前言
    移动通信从80年代初开始商用，至今不到20年的时间。移动通信技术的发展差不多是
以10年为一个周期。经历了80年代的第一代模拟移动通信技术，90年代初开始商用的，作
为目前移动通信主体技术的第二代数字移动通信技术，主要为GSM和窄带CDMA技术。在新
世纪之初，以支持移动多媒体业务为特征的第三代移动通信即将商用。本文将就第二代、
第三代移动通信的应用和技术特点，第二代如何向第三代过渡等问题进行分析和探讨。
    1、第二代移动通信的应用及技术特点
    与第一代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信系统具有保密性强、频谱利用率高、
能提供丰富的业务、标准化程度高等特点，使得移动通信得到了空前的发展，从过去的补
充地位，已毋容质疑地跃居通信的主导地位。我国目前应用的第二代蜂窝系统为欧洲的GSM
系统以及北美的窄带CDMA系统。
    GSM92年开始在欧洲商用，最初仅为泛欧标准，随着该系统在全球的广泛应用，其含
义已成为全球移动通信系统。GSM系统具有标准化程度高、接口开放的特点，强大的联网
能力推动了国际漫游业务，用户识别卡的应用，真正实现了个人移动性和终端移动性。现
在已有120多个国家，250多个运营者采用GSM系统，全球GSM用户数已超过2.5亿。我国从
1995年开始建设GSM网络，到99年底已覆盖全国31个省会城市、300多个地市，到2000年3
月全国GSM用户数已突破5000万，并实现了与近60个国家的国际漫游业务。
    窄带CDMA，也称cdmaOne、IS-95等，1995年在香港开通第一个商用网。CDMA技术具有
容量大、覆盖好、话音质量好、辐射小等优点，但由于窄带CDMA技术成熟较晚，标准化程
度较低，在全球的市场规模远不如GSM系统。目前窄带CDMA全球用户约4000万，其中约70%
的用户在韩国、日本等亚太地区国家。窄带CDMA技术在我国经历了曲折的发展过程，我国
从1996年开始，原中国电信长城网在4个城市进行800MHz CDMA的商用试验，现在已有商用
用户10多万。
    目前人们所谈论的CDMA有两个含义，一是指一种移动通信多址技术，即码分多址技术。
如窄带CDMA和宽带CDMA技术；也常用来特指窄带CDMA系统，或称cdmaOne 、IS-95 CDMA系
统等，即第二代的移动通信技术。本文用“CDMA技术”和“窄带CDMA”来区分上述两个含
义。
    2、第三代移动通信(IMT-2000)的概念及主要技术第三代移动通信系统最早1985年由
国际电信联盟(ITU)提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)，1996年更名为
IMT-2000(国际移动通信-2000)，意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000
kb/s，预期在2000年左右得到商用。从1997年开始，由于第二代移动通信系统的巨大成功，
用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛盾渐趋明显，第三代移动通信的
标准化工作开始逐渐进入实质阶段。
    与前两代系统相比，第三代的主要特征是可提供移动多媒体业务，其中高速移动环境
支持144kb/s，步行慢速移动环境支持384kb/s，是室内支持2Mb/s的数据传输。其设计目
标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更
好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考
虑与已有第二代系统的良好的兼容性。
    在经过几年的技术评估、研究分析及大量的协调和融合工作之后，在1999年底ITU 
TG8/1最后一次会议上，通过了IMT-2000的无线接口技术规范，这标志着第三代技术的格
局已最终确定，它分为CDMA和TDMA两大类共五种技术，其中主流技术为以下三种CDMA技术：
1)IMT-2000 CDMA-DS(IMT-2000 直接扩频CDMA)，即WCDMA。它是在一个宽达5M的频带内直
接对信号进行扩频；
2)IMT-2000 CDMA-MC(IMT-2000 多载波CDMA)，即cdma2000。这是美国提出的技术，由多
个1.25M的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统；
    以上两种技术都属于频分双工(FDD)模式，此外还有CDMA TDD技术：
    IMT-2000 CDMA TDD(IMT-2000 时分双工CDMA)：目前包括TD-SCDMA和UTRA TDD，其中
TD-SCDMA是我国提出的技术，UTRA。
    总体来讲，第三代的无线技术主要是CDMA技术。
    第三代包括无线和网络在内的第一个版本的标准(99年版本)已在今年3月完成。2000
年版本的标准化工作已经开始。一些主要的设备生产制造厂家正在99年版本的基础上进行
商用产品的设计开发，最早实现商用第三代系统的将是日本的NTT DoCoMo公司，计划在
2001年春天商用WCDMA系统。
    在我国，由信产部领导的中国无线通信标准研究组(CWTS)组织积极参与ITU及两个主
要进行第三代标准化的第三代移动通信伙伴计划，即3GPP(制定基于GSM网络、WCDMA和CDMA
 TDD无线技术的标准)和3GPP2(制定基于窄带CDMA网络和cdma2000无线技术的标准)，并已
经于去年5月加入了两个3GPPs，成为其组织伙伴。并且正在继续完善TD-SCDMA的标准，进
行WCDMA和cdma-2000的标准化研究工作另外由信息产业部和科技部联合领导的第三代移动
通信研究开发项目，正在顺利地进行，预计在今年年底开发出实验系统。预计我国将在20
02至2003年开始第三代系统的商用。
3、第二代向第三代的演进
3.1GSM向第三代的演进
    向移动用户提供高速率的数据业务是推动第二代向第三代发展的重要因素。对于现有
GSM系统，一般仅能够提供9.6kb/s的电路型数据业务。如果将多个时隙复用在一起，则可
以提供n´9.6kb/s的数据业务，目前为n=6，用户最高数据速率为57.6kb/s，该种方
式被称为高速电路交换业务(HSCSD)。此后出现的通用分组数据业务（GPRS），在核心网
络首次引入了分组交换的方式，成为GSM向第三代网络演进的必经之路，通常被称为二代
半的技术。由于在GPRS无线接口采用了新的信道编码方式，对于用户提供的最高速率为
171kb/s,一般为108kb/s。
    考虑到一些第二代的运营者很难获得第三代的运营执照，但又要保证其网络在相当长
的一段时间内能够具有竞争力。HSCSD（或原GSM系统）和GPRS系统都可以采用一种新的高
电平调制方式的EDGE来提高调制的有效性，它使得用户数据速率可达到384kb/s。EDGE技术
可以说是GSM系统的边缘技术，即它能达到的最高能力。
    对于能够获得第三代执照的运营者，其无线接入网络一般基于WCDMA无线技术，与GSM
相比，是革命性(revolution)的变化。在网络部分则会采用演进(evolution)的方式，即
在初期，将针对话音和数据业务分别接入到不同的交换网络。电路型和分组型的交换网络
都是增强的GSM和GPRS核心网络。随着网络的进一步发展，此后会出现全IP网络，即一个
核心网络能够同时承载话音和数据业务，并采用IP技术。
3.2窄带CDMA向第三代的过渡
    与GSM系统相比，窄带CDMA系统无论是无线还是网络部分向第三代移动通信过渡都采
用演进的方式。
    现有的窄带CDMA一般指IS-95A技术，它的数据传输能力一般为14.4kb/s；为了提供较
高速率的数据传输能力，从1999年开始采用了IS-95B技术，理论上IS-95B可支持115.2kb/s
的数据传输，但一般实际的IS-95B系统，采用现有的电路交换设备提供64kb/s的速率。北
美的运营者无意采用IS-95B向第三代过渡。
    cdma2000-1X(cdma2000 单载波方式)是cdma2000的第一阶段。cdma-2000-1X容量是IS
-95系统的两倍，可支持308kb/s的数据传输。网络部分则将引入分组交换方式，以支持移
动IP业务。也就是说在cdma2000-1X商用初期，网络部分在窄带CDMA网络基础上，保持电路
交换、引入分组交换方式，分别支持话音和数据业务。cdma2000的网络也将向全IP方向发
展。
    为了在cdma2000-1X基础上进一步增强能力，以便与WCDMA竞争，最近在3GPP2已开始
制定支持速率高于2Mb/s的cdma2000-1X增强标准，其中高通公司的HDR(高数据速率)、摩
托罗拉和诺基亚公司联合提交的1xtreme，还有中国的LAS-CDMA都作为侯选技术在探讨中，
这类技术目前可以说是cdma2000-1X的边缘技术。
    cdma2000-1X再往后发展，或者沿着cdma2000-3X(cdma2000 三载波系统)及更多载波
方式发展，或者改而采用直接扩频方式，即WCDMA。目前韩国和日本的窄带CDMA的运营者
明显倾向于后者。三载波方式普遍不被看好。当然我国窄带CDMA发展情况，也将直接影响
着世界移动通信发展的格局。
4、我国TD-SCDMA技术及其进展
    1998年，ITU-R面向全世界征集IMT-2000候选无线传输技术，同年6月，我国向ITU-R
提交了TD-SCDMA技术作为候选。之后，在ChEG(中国第三代移动通信评估协调组)内对该技
术进行了评估，并于98年9月向ITU-R提交了评估报告，结论是认为该技术能完全满足国际
电联提出的IMT-2000的最低需求。1999年11月5日，在ITU-R TG8/1最后一次全会上，TD-
SCDMA被ITU正式写入IMT-2000无线接口技术规范IMT.RSPC，在今年5月5日刚刚结束的ITU-
R 2000全会(RA-2000)上，此建议已正式通过，并将很快正式出版、发行。这是我国通信标
准首次被国际电联所采纳。
    CWTS对TD-SCDMA技术进行了更加具体的标准化工作，同时开展了与3GPP的UTRA TDD进
行融合(Harmonization)的工作。经过近一年的艰苦的研究、讨论及大量的协调工作，99年
10月，3GPP接受了TD-SCDMA作为3GPP TDD模式的低码片速率选项，并提出了集成(Integra
tion)的概念，计划将TD-SCDMA技术集成到具体的技术规范当中。目前具体的工作正在进行
之中，并计划于2000年12月完成，如果顺利的话，TD-SCDMA将作为低码片速率选项写入3G
PP的2000年版本的技术规范之中。
    按计划，2000年我国将完成TD-SCDMA的试验样机并开始进行现场试验，2001年完成正
式样机的设计制造，并于2002年左右投入生产和运营。TD-SCDMA技术的特点：
    TD-SCDMA是一种TDD模式技术，比起FDD来说更适用于上下行不对称的业务环境，是多
时隙的TDMA与直扩CDMA、同步CDMA技术合成的新技术，同时采用了先进的智能天线技术，
充分利用了TDD上下行链路在同一频率上工作的优势，这样可大大增加系统容量、降低发射
功率、更好地克服无线传播中遇到的多径衰落问题；另外在TD-SCDMA中还用到了联合检测、
软件无线电、接力切换等技术，这使得系统在性能上有了较大程度的提高，在硬件制造方
面则降低了成本。
    在系统组网方面，由于3GPP在制定第三代标准时已充分考虑了已有的第二代网络的投
资，因此TD-SCDMA系统将尽量与3GPP制定的第三代标准在物理层之上取得一致，以更好地
实现第二代网络向第三代网络的演进与过渡。
5、未来移动通信系统
    近两年来，随着IMT-2000无线接口技术大局已定，日本、欧盟号称已经开始“第四代”
移动通信技术的研究，我国有些高校也声称开始第四代移动通信的研究。事实上，分析它
们所谓的“第四代”，概念和含义相差甚远，甚至难以自圆其说，且难以称为新的“一代”，
如在3月ITU-R的最近一次会议上，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，价格是现在的1/10。而欧洲则主要指2Mb/s～10Mb/s的速率在第三代的后
期是可以实现的。会议多数代表反对“第四代”的叫法，认为一方面不严谨，另外目前第
三代还没有商用，此时开始“第四代”说法对运营公司及其不利。
    ITU-R明确建议不要使用“第四代”的说法，而将采用“IMT-2000的增强(Enhancement
 of IMT-2000)”和“后IMT-2000 系统(Systems beyond IMT-2000)”。对于在现有IMT-
2000基础上的改进和增强，如适合IP应用等，称为IMT-2000的增强；而对于“后IMT-2000
系统”则将在今后两年就其概念、特征、要求等进行定义。