移动通信技术发展史

原创 老徐的技术专栏 2023-10-16 23:06

随着移动通信技术的发展,手机很早就渗入了人们生活的各个维度,人们从利用手机打电话、发短信、拍照,到如今利用手机进行导航、玩游戏、看高清视频,手机已经占用了大多数人日常生活的绝大部分时间,也带动了移动互联网的蓬勃发展,如果说选择一件产品来作为人类21世纪的前30年科技消费品的代表,手机当之无愧,而追溯手机的发展历程,更是人类波澜壮阔的通信发展史。

                              20世纪最伟大的工程师——香农

从香农提出信息论开始,二十世纪六十年代由美国贝尔实验室等单位提出了蜂窝的概念和理论,但是由于受到硬件的限制,七十年代才开始正式向产业化发展,而在1978年贝尔实验室的科学家在芝加哥实验成功了AMPS系统(1G制式),正式拉开了人类通信变革轰轰烈烈的征程。

手机在1G时代实现了移动通话,2G时代实现了短信、数字语音和手机上网,3G时代带来了图文并茂的移动互联网,4G时代推动了移动视频的发展,5G时代支持虚拟现实、增强现实以及高清视频传输,有望实现真正的万物互联,而6G则将会把天地一体化通信网络推到民用市场。从1G到6G,通信技术更新换代越来越快,技术的快速发展有效的促进了通信产业的多元化发展,为通信设备商、芯片商、通信运营商、软件制造商、终端厂商等产业上下游带来的良好的发展机遇。

1、1G时代

第一代移动通信采用模拟调制的方式,它有个更加广为流传的名字,叫“大哥大”,该系统采用FDMA频分多址接入方式,每个信道25KHZ,我国在1987年引进该系统,不过模拟通信网络先天不足,通信容量小、多媒体业务少,在2001年被正式淘汰。

所谓的FDMA,即频分多址。我们知道无线电通信时划分频段的,不同的通信系统占用不同的频段,比如我国的FM调频广播,其频段为88MHZ~108MHZ,而不同的广播可以使用该频段内的不同频点,用户想要收听不同的广播电台,只需要把收音机调谐到该电台所对应的频点就可以了,这就是FDMA。

但是这种接入方式非常有限,我们知道,每个电台都有一定的带宽需求,而为了保证不同电台之间不会相互干扰,电台和电台之间的最小频率间隔必须大于电台的带宽,我国规定,FM广播电台的带宽是200KHZ,换言之,FM广播电台之间的最小频率间隔也必须大于200KHZ,那么对于一个城市或者地区而言,可以同时存在的最大电台数不能超过100个:

(108MHZ-88MHZ)÷200K=100

对FDMA的移动通信用户来说,存在同样的问题。

2、2G时代

第二代移动通信系统泛指各种数字通信系统,我国采用GSM制式,基于FDMA+TDMA的混合多址接入方式,俗称“全球通”,GSM系统在20世纪90年代在欧洲研制成功,并在1993年,我国正式引进。

此后,中国联通上马了CDMA网络,并从第一代的CDMA95系统快速演进到2.5G的CDMA2000,相比较于CDMA95,CDMA2000主要在数据业务上有所增强,需要说明一点,CDMA2000有时也被称为第三代移动通信系统,不过主流的看法还是认为其是介于2G和3G之间的系统,不过后来联通又停运了CDMA2000,全面专向WCDMA。

2G技术的主要代表是TDMA,前面我们已经知道FDMA所能容纳的用户数量是有限的,那么如何改进呢?假设一个小区有1000个注册用户,系统采用FDMA接入方式,最多可以支持100个用户同时通信,可以想象,一般情况下,1000个注册用户同时通信的可能性是很小的,平均下来,同时通信的用户数量可能也就20~30个。

但是,对于这1000个用户来说,他们随时可以通话,于是在他们看来,系统所能支持的最大用户数量就是1000,而不是100,于是大家选择在不同的时间通信,系统的等效容量就可以从100上升到1000。进一步演化这个概念,就产生了所谓的TDMA多址接入技术,即采用时分技术实现多址接入。假定现在有两个人在通信,并让他们占据同一个频点,我们可以把时间切片,划分为一个个短小的时隙片段,并设定第一个人在时间片slot1进行通信,而第二个人在slot2上进行通信,并让slot1和slot2反复切换,只要时间片足够短,同时通信的两个人就感觉不到时间片存在切换现象,好像自己独占了信道一样。

3、 3G时代

3G时代有多种制式,但是基本核心都是基于CDMA的多址接入技术,CDMA的技术基本都掌握在高通手中。

目前,我国的3G有三种制式,分别是中国移动的TD-SCDMA、中国联通的W-CDMA,以及中国电信的CDMA2000-EVDO,3G相比较于2G,主要区别是3G可以提供更多的数据业务、更高的小区容量等等。

CDMA(码分多址)是一种更加高级的接入方式,在CDMA系统中,不同用户传输信息靠的不是频率不同,也不是靠时隙,而是靠不同的编码序列,如果从频率域和时域同时观察,多个CDMA用户的信号是重叠的,用户所发射的载波既受到基带数字调制,也受到地址码调制,接收时,只有明确配置地址码的接收机,才能解调出相应的基带信号,而其他的接收机,因为地址码不同,无法解调出信号。

4、4G时代

和3G类似,4G时代也包含多个标准,包括LTE、wimax、HSPA+,以及在LTE和wimax基础上升级的LTE-Advanced和wirelessMAN-Advanced,实际上,获得广泛商用的是LTE标准,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的唯一标准。

OFDM为正交频分复用,该技术是把一个总信道划分为若干个子信道,然后将高速数据信息分组在这些子信道上调制并进行低速并行传输,为了让接收端可以从这些子信道上正确解调出原始信号,要求各个子信道的载波频率相互正交,因此OFDM的本质是多载波传输,数学上可以用FFT(快速傅里叶变换)实现,相比于3G技术普遍使用的CDMA扩频通信方式,OFDM具有码间干扰小(子信道相干带宽大于信号带宽)、频带利用率高(子信道载波频率相互正交)、功率控制简单的优点,缺点是OFDM对发射机的线性度的要求更高。

MIMO即多输入多输出技术,该技术在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使得信号同时通过发射端和接收端的天线传送和接收。移动通信信道有两个显著的特点:一是衰落,即接收信号强度忽强忽弱,变化迅速;第二个是多径,即信号可能由建筑物、地面、山丘等物体多次反射,通过不同的路径到达接收端。而MIMO技术利用空间资源,在发送端通过多根天线发射、接收端通过多根天线接收,然后利用软件算法将接收到的信号进行合并,通信质量就大为改善。

进一步,LTE标准又分为FDD(频分双工)和TDD(时分双工)两种模式。

FDD的上下行链路分别占用不同的频率(上下行间隔190MHZ),用来保护频段来分离发送和接收信道,因此,FDD的带宽比较大,在支持对称业务时能够充分利用上下行的频谱资源;但是在支持非对称业务时,频谱利用率大为降低。

TDD上下行链路则工作在同一个载波上,用时间来分离发送和接收信道,因此,相对于FDD模式,TDD的带宽稍小,传输速率会慢一点,但是对于非堆成业务时(比如下载时下行数据量会远远大于上行),可以动态的分配信道资源,并且灵活的使用那些不适合FDD模式的零散信道,对于信道的利用率会更高。

目前,中国移动采用TDD模式,又称为TD-LTE,而联通和电信在3G时代采用的WCDMA和CDMA2000技术的基础上,演进到了LTE-FDD标准。在全球范围而言,FDD占据了90%的市场份额。

5、5G时代

在1G时代有FDMA,2G时代有TDMA,3G时代有CDMA,4G时代有OFDMA,而在5G时代,面对多样化的性能场景需求,很难还像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案,其技术创新主要来源于无线技术和网络技术两个方面:

在无线技术领域,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点;在网络技术领域,基于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的新型网络架构已取得广泛共识。

此外,基于滤波的正交频分复用(F-OFDM)、滤波器组多载波(FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通(D2D)、多元低密度奇偶检验(Q-ary LDPC)码、网络编码、极化码等也是5G重要的无线关键技术。

老徐的技术专栏 专注于手机、IOT等领域的高速PCB电路、基带、RF以及BSP领域的开发知识的分享。
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