蜂窝移动通信技术演进历程回顾及未来发展趋势

专题:改革开放三十周年电信业回顾与展望

蜂窝移动通信技术演进历程回顾及未来发展趋势

雷震洲 工业和信息化部电信研究院

【摘 要】文章回顾了蜂窝移动通信技术从1G到2G、再到3G的发展历程,总结了各个发展阶段中国移动和联通各自的技术路线选择、网络发展及业务应用情况,论述了我国自主创新3G技术TD-SCDMA的发展现状及其向4G演进的方向,最后指

出了其他需关注的技术动向。

【关键词】蜂窝移动通信 模拟系统 数字系统 GSM CDMA WCDMA TD-SCDMA

蜂窝移动通信的概念是美国著名贝尔实验室在1947年提出的,真正研制是在70年代随着微电子、计算机等基本技术的发展才开始的。1978年贝尔实验室的科学家们在芝加哥终于试验成功世界上第一个蜂窝移动通信系统,并于1983年正式投入商用,为解决“汽车王国”居民开车时无法通信的烦恼奠定了坚实的技术基础。从此,蜂窝移动通信走入了越来越多的国家,像一匹脱缰的野马在全球迅速奔跑,迄今全球移动用户数已经超过33亿。蜂窝移动通信深深地介入了人们的生活。

我国于1987年正式引入蜂窝移动通信,经过20年的风风雨雨,造就了世界最大的移动通信网,如今我们的移动用户数已经超过了6亿,占全球移动用户的1/6强。中国的移动通信网随同世界潮流(见图1),从第一代(1G)模拟系统起步,跨入了大发展时期的第二代(2G)数字系统,现在正处在进入第三代(3G)的前夕,并且开始向第四代(4G)迈步。

收稿日期:2008年11月5日

1G的主要贡献是引入了蜂窝的概念,通过采用频率再用技术使容量大大提高。话音业务是第一代的唯一业务。2G虽然仍定位于话音业务,但开始引入数据业务。更重要的是引入了数字技术,并在欧洲形成了统一标准,国际漫游的范围大大扩大。3G定位于移动多媒体IP业务,传输容量更大,灵活性更高,形成了家族式的世界单一标准,并将引入新的商业模式。4G将定位于宽带多媒体业务,使用更

图1 移动通信网的演进

责任编辑:周霞 zhouxia2006@

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信的进一步发展。因此,欧洲在1982年设立移动通信特别小组着手研究泛欧数字蜂窝移动通信系统,即GSM系统,于1992年正式投入商用。现在该系统已发展成为占全球市场份额最大的系统。截至2007年6月底,全球共有25.4亿GSM用户,占全球移动用户的85%。美国自1987年开始研

高的频带,使传输容量再上一个台阶。在不同网络间可无缝提供服务,网络可以自行组织,终端可以重新配置和随身携带,是一个包括卫星通信在内的端到端IP系统,与其它技术共享一个IP核心网。

1 广东打响第一炮

80年代中期,世界上存在着多种标准的移动通信系统,如北美AMPS、欧洲的TACS与NMT450/NMT900等,没有统一的国际标准。当时,我国的通信基础还比较薄弱,更没有自己的移动通信技术,要发展移动通信只有走引进、消化、吸收的路。1984年,原邮电部开始组织队伍对蜂窝移动通信技术进行研究,基于频段(使用450MHz还是900MHz?)、号码(使用网号还是局号?)、跟固网关系(要不要漫游?)等方面的考虑,在众多的技术标准中,最终选择了欧洲的TACS标准。1987年,我国从瑞典引入TACS标准的第一代模拟蜂窝移动通信系统,率先在广东省建成并投入商用,以首批700个用户实现了“零”的突破。不久,我们从摩托罗拉和爱立信分别引进TACS系统在不同频段上建成了全国模拟A网和B网。

1988年,我国移动电话用户增至3000户,1990年达到1.8万户,1994年激增到了157万户。由于TACS系统没有统一联网的标准,随着用户规模的发展,网络逐渐暴露出覆盖差、稳定性差、不能实现网间漫游与互联互通、没有实时计费系统等问题。后来在各邮电部门、科研单位与设备厂商的共同努力下,实现了网络漫游和互联互通,并建立了模拟移动网的运营支撑系统,为我国模拟移动网的建设、维护和运营创造了条件,为我国今后移动通信的迅猛发展建立了全程、全网的网络维护体制,积累了宝贵的经验。]

究能够满足其要求的数字移动通信系统,后来推出了IS-54 TDMA和IS-95 CDMA两种标准,分别于1993年和1995年投入商用。GSM和CDMA基本上把全球移动通信市场划分成两大阵营,但依然没有形成统一的国际标准。

我国在模拟网起步后不久就开始关注2G数字系统的技术进展,并把关于2G的研究列入了“八五”攻关项目。但面临市场的压力和自身开发能力的不足,我们还是采取以引进为主的政策,并倾向于选择技术相对成熟的GSM。1992年,原邮电部批准建设了浙江嘉兴地区GSM试验网。1993年9月,嘉兴GSM网正式向公众开放使用,成为我国第一个数字移动通信网,迈出了数字时代的第一步。1994年,在我国电信改革中诞生的中国联通公司考虑到产品的成熟性(当时全球已有50个GSM网在运营,而技术优势更强的CDMA没有商用)和市场的迫切性,正式选用GSM建网,并在广东开通我国第一个省级GSM移动通信网。一年后,联通的GSM网在北京、天津、上海、广州建成开通。中国移动也毅然决策采用GSM在全国15个省市相继建网。2001年5月,中国移动在全国启动了模拟网转网工作,并于12月31日正式关闭了模拟移动电话网。

中国联通的GSM网到2003年覆盖全国328个地市,成为世界第三大网。鉴于各种原因,中国联通又决定引进1995年开始商用的CDMA技术,并于2002年1月8日开通一期CDMA网络,成为全球唯一的同时拥有GSM和CDMA网的运营商。

2 数字系统覆盖中国大地

模拟系统为移动通信的发展奠定了扎实的基础。但是模拟系统固有的缺点带来了发展的局限性。系统制式多,各系统间没有公共接口,难以实现漫游;频谱利用率低、容量小,无法适应未来需求;不适合开展数据业务;安全保密性差,容易被窃听;设备复杂昂贵。这些都不利于移动通

21世纪,中国的移动通信进入了全数字的大发展时期。2001年3月我国移动用户数突破1亿,2002年11月突破2亿,2004年5月突破3亿,2006年2月突破4亿,2007年10月突破5亿,现在已经突破6亿。如图2所示,我国移动电话用户数于2003年10月开始超过固定电话用户。2006年全国移动电话用户新增8622.8万户,固定电话用户减少233.7万

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户,自1968年以来首次出现年度负增长。移动电话用户在电话用户总数中所占的比重达到60.0%,移动电话用户与固定电话用户的差距拉大到18183.8万户。

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线协议规范。它针对无线网络带宽受限、时延长等弱点,以及无线终端设备屏幕小、处理器性能弱、内存不足等诸多限制,在现代互联网标准的基础上,经过改造、优化,使它们适应无线环境的限制和使用要求。WAP可以应用在多种无线网络,包括GSM、CDMA或GPRS和3G网络。

2001年5月17日(世界电信日),广东移动实施“先行者计划”,GPRS业务开始面向社会试商用。2002年5月17日,中国移动GPRS业务在全国正式投入商用,迈入2.5G时代。提供的业务包括互联网接入、短消息、电子邮件、手机银行、手机支付等。2005年,中国移动开始在原有GSM网络上建设后向兼容GPRS技术的EDGE网络。在广州、深圳、东莞、北京、上海、南京、南宁、昆明、济南、

图2 2003~2007年移动电话用户所占比重苏州等城市都建成EDGE网络,其中广东移动的EDGE服务已经规模商用。 中国联通则在2003年3月28日正式宣布,

3 2.5G迎头赶上

在20世纪后10年,特别是1995年以来移动通信和互联网成为当今世界发展最快、市场潜力最大、前景最诱人的两大领域。它们的增长速度都是任何预测家未曾预料到的。迄今,全球移动用户已超过33亿,互联网用户接近13亿。这一历史上从来没有过的高速增长现象反映了随着时代与技术的进步,人类对移动性和信息的需求急剧上升。越来越多的人希望在移动的过程中高速接入互联网,获取急需的信息,完成所想做的事情。所以,移动与互联网相结合的趋势是历史的必然。

移动互联网要解决的第一个问题是提高接入速率。GSM和CDMA都满足不了高速接入互联网的需要。于是在3G之前,介于在2G与3G之间2.5G技术应运而生。对应于GSM的是GPRS/EDGE,对应于CDMA的是CDMA2000 1X(Rev.0)。GPRS是一种基于GSM的新型移动分组数据业务,可以把接入速率提高到115kb/s~171kb/s,在GPRS之后的EDGE技术可把速率进一步提到384kb/s。CDMA2000 1X(Rev.0)同样采用分组交换方式,接入速率可达153.6kb/s。当然,除了提高接入速率之外,移动互联网还要解决手机上网浏览的问题。作为一种解决方案,WAP(无线应用协议)浮出水面。它是基于互联网标准的全球无

CDMA2000 1X网络在全国建成开通,并发布“联通无限”的业务品牌。此外,还在全国70个城市开通了三项GPRS业务。中国联通成为我国移动数据通信的另一生力军。

4 我们有了自己的3G知识产权

由于第一代和第二代移动通信网没有形成统一的国际标准,而且无论是GSM还是CDMA在服务质量、网络成本、频谱效率与系统容量方面都不能满足未来的需要,因此国际电联(ITU)早在1985年就启动了3G的研究工作,当时把3G命名为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)。1996年易名为IMT-2000。

我国移动通信经过1G到2G的网络演进虽然取得了举世瞩目的成就,但是发展过程中的教训使我们清醒地认识到,中国企业必须从引进、消化、吸收走向自主创新,在3G上必须有所作为。在政府的引导之下,2000年5月我国提出的TD-SCDMA,与欧洲提出的WCDMA和北美提出的CDMA2000一起被ITU正式批准为3G的国际标准。凝聚我国科技人员心血的TD-SCDMA是我国第一个拥有自主知识产权的移动通信系统国际标准,开创了我国在国际标准化工

作中的先河,是中国人的骄傲。它的出现打破了欧日美通过标准来分割世界市场的历史格局。

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播、多媒体彩铃、手机对讲等业务。通过奥运这样的实战,表明TD网络正在加速成熟。包括28个城市的TD二期网络即将建设即将启动,预计到明年6月将有38个城市开通TD网络服务。相信届时TD的服务水平将有新的提升。

在开发TD的同时,中国联通的CDMA网络于2003年全面向CDMA2000升级,仅用了2年时间即实现了全国覆盖。截止到2007年底,中国联通的CDMA用户发展到4300万户,成为全球第二大CDMA运营商。其中CDMA2000无线数据业务用户将近2200万户,占CDMA用户总数的51%。在某种意义上可以说,中国联通提前进入了3G的初级阶段。

为了加快产业化进程,2002年10月30日,大唐、华为、中兴、普天、中国电子、联想、华立、南方高科8家企业发起成立了以知识产权为连接纽带的TD-SCDMA产业联盟,联盟覆盖了从系统设备到终端的完整产业链,吸引了几十家国内外著名通信公司先后加入TD-SCDMA阵营。国家除了为TD-SCDMA规划了155MHz的可用频率,在频率资源方面为它创造发展空间之外,还在资金和政策上不断支持TD-SCDMA的产业化进程。实际上TD-SCDMA对我国的意义已经超出了其本身,它在一定程度上代表着我们国家自主创新的能力与信心,而且是系统性的,从标准、核心技术、专利一直到产业链、产业群。

TD-SCDMA在产业化的过程中,与WCDMA和CDMA2000另外两个标准一起,经历了原信息产业部统一组织的3G系统技术试验与网络技术现场试验。还经历了在北京、上海、天津、广州、深圳、沈阳、厦门、保定、青岛、秦皇岛十城市进行的网络技术应用全面试验。

2004年7月21日,中国移动成为北京2008年奥运会合作伙伴。不负众望的是,TD-SCDMA在2008北京奥运成功亮相,经历了全面的实战。尤其是面对挑战最大的北京TD网络,在北京移动与设备商的精心准备和全面配合下,圆满完成奥运通信保障的任务,创下了重大赛事“零硬件故障损坏、零重大故障发生”的良好记录。我们兑现了在北京奥运期间提供3G服务的承诺,推出了无线宽带上网、手机电视、视频点

5 与世界一起走向4G

从技术性能上讲,3G并不十分理想,它实际的速率只有384kb/s,远没达到它原先承诺的2Mb/s。由于速率问题,在3G网络上已经作了大量投资的运营商没有看到新的数据业务带来滚滚的财源。3G不得不通过技术演进来提供

更好的服务,以适应市场需要和保持竞争力。现在3G家族标准中的几个成员都沿着自己的既定路线在不停演进,最终

图3 移动通信技术的演进路线

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走向4G。中国提出的TD-SCDMA也形成了已被3GPP接纳的演进路线,不同移动通信技术的演进路线如图3所示。

ITU已把未来的4G命名为IMT-Advanced,并提出了要在高速移动环境下支持高达100Mb/s的下行数据速率,在室内和静止环境下支持高达1Gb/s的下行数据速率的基本目标。2007年10月的世界无线电大会(WRC)为IMT-Advanced划分了频段。ITU计划在2008~2010年左右完成标准的制定,2010~2015年左右商用。我国相关部门和企业现正全力以赴,为推出拥有自主知识产权的4G候选标准在拼搏。我们已经下定决心,在 2020 年之前使我国成为无线移动通信技术和服务与应用领先,产业实力雄厚,自主发展能力强的国家之一。

图4从技术、频谱、速率与时间等几个维度表示了从1G到4G的演进轨迹与相互关系。实际上,演进的目的是让移动通信网更好地适应未来宽带多媒体、全球性、个性化和无所不在的服务定位。

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才可能做到这一点。IP技术为实现FMC提供了技术基础。FMC已经成为当前的热点。融合将从核心网开始,逐渐扩展到边缘。移动交换中心(MSC)将被路由器取代,它的许多网络控制功能和智能网功能将被转移到基于IP的智能平台上。基站也会改换角色,用作接入节点,具有智能网关的功能,把各种数据流(包括话音)变为IP分组,直接通过路由器进入IP网。

此外,在安全与认证、结算与计费、人机界面、终端设备、QoS的控制、定位导航、高质量多媒体、遥感与遥控、代理服务器、数据库和远端服务器等方面都有很大的发展空间。例如,基于生物度量(指印、声纹波、面孔、视网膜、虹膜)的认证技术、能检测图像、气味、触觉、微粒、浓度、温度和生物度量等各种信息的拟人化人机界面、能像电脑一样连接各种外部设备的终端设备、具有用户基本信息收集功能的代理服务器将来都有可能成为新的研究热点。

随着移动通信技术的不断演进,使我们的生活变得越来越丰富多样、个性方便和舒适安全。1999年ITU世界电信发展报告的结束语是:“前途是光明的,未来属于移动通信”。2001年ITU世界电信发展报告的结束语指出:20世纪的目标是实现“任何地方、任何时候、任何人”(anywhere,anytime,anyone)的通信。21世纪的目标是实现“处处、时时、人人” (everywhere,all-the-time,everyone)的通信。蜂窝移动通信技术正在把我们引向更高的目标! ★

【作者简介】

图4 1G到4G的演进关系

雷震洲:教授级高工,工业和信息化部电信研究院科技委副主任委员,中国通信学会会士、全国科学技术名词审定委员会委员、中国互联网协会理事兼互联网政策与资源工作委员会副主任委员、工业和信息化部通信科技委委员兼无线电频率规划专家咨询委员会副主任、IEEE高级会员。多次获部级科技进步奖,出版四本译著和四本专著,

曾在国内外发表论文300余篇。

6 其它需关注的技术动向

移动通信在从1G走向4G的过程中,除了空中接口之外,还有许多其他需要关注的技术动向。首先是固定网和移动网融合(FMC)的趋势。传统上,固定网和移动网都是独立分开的,各用各的技术,包括使用不同的交换机、不同的编译码器、不同的协议、不同的运行支撑系统(OSS)等

等,显然用户在固定环境和移动环境中不可能享受到相同的服务,获得相同的应用,只有把固定网与移动网融合在一起

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