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3G

3G是第三代移动通信技术,是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息。3G是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的一代移动通信系统。

所谓第三代移动通信技术,即3G网络技术,与第一代移动通信技术(即 1G)与第二代数字手机通信技术(即 2G)相比,3G 手机主要是将无线通信和国际互联网等通信技术全面结合,以此形成一种全新的移动通信系统。这种移动技术可以处理图像、音乐等媒体形式,除此之外,也包含了电话会议等一些商务功能。为了支持以上所述功能,无线网络可以对不同数据传输的速度进行充分的支持,即无论是在室内、外,还是在行车的环境下,都可以提供最少为2Mbps、384kbps与144kbps的数据传输速度。 

第三代移动通信技术(3G),3G网络技术是该领域发展的必然。3G对移动通信技术标准做出了定义,使用较高的频带和CDMA技术传输数据进行相关技术支持,工作频段高,主要特征是速度快、效率高、信号稳定、成本低廉和安全性能好等,和前两代的通信技术相比最明显的特征是3G网络技术全面支持更加多样化的多媒体技术。 

1940年,美国女演员海蒂·拉玛和她的作曲家丈夫乔治·安塞尔提出一个Spectrum(频谱)的技术概念,这个被称为“展布频谱技术”(也称码分扩频技术)的技术理论在此后带给了这个世界变化,正是这个技术理论最终演变成我们今天的3G技术,展布频谱技术就是3G技术的根本基础原理。展布频谱是将传输信号的频谱打散到较其原始带宽更宽的一种通讯技术,常用于无线通讯领域。

1938年3月纳粹正式侵入奥地利,随后,她也逃到伦敦,以远离她失败的婚姻和众多的纳粹“朋友”。顺便也把纳粹无线通信方面的“军事机密”带到了盟国。这些机密主要是基于无线电保密通信的“指令式制导”系统,用于自动控制武器,精确打击目标,但为了防止无线电指令被敌军窃取,需要开发一系列的无线电通信的保密技术――受过良好教育的她偷偷地吸收了许多极具价值的前瞻性概念。

但最终1942年8月她还是得到了美国的专利,在美国的专利局,曾经尘封着这样一份专利:专利号为2,292,387的“保密通信系统”专利,这个专利的通过时间是1942年8月11日,申请时间是1941年6月10日,展布频谱技术(扩频技术)Spread Spectrum。美国国家专利局网站上的存档 这个技术专利最初是用于军事用途的。

海蒂·拉玛最初研究这个技术是为帮助美国军方制造出能够对付纳粹德国的电波干扰或防窃听的军事通讯系统,因此这个技术最初的作用是用于军事。二战结束后因为暂时失去了价值,美国军方封存了这项技术,但它的概念已使很多国家对此产生了兴趣,多国在60年代都对此技术展开了研究,但进展不大。

直到1985年,在美国的圣迭戈成立了一个名为“高通”的小公司(现成为世界五百强),这个公司利用美国军方解禁的“展布频谱技术”开发出一个被名为“CDMA”的新技术,CDMA技术直接导致了3G的诞生。世界3G技术的3大标准:美国CDMA2000,欧洲WCDMA,中国TD-SCDMA,都是在CDMA的技术基础上开发出来的,CDMA就是3G的根本基础原理,而展布频谱技术就是CDMA的基础。

2008年5月,国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准,中国提交的TD-SCDMA正式成为国际标准,与欧洲WCDMA、美国CDMA2000成为3G时代最主流的三大技术之一。

随着移动通信网络技术的发展壮大,各个领域对该类技术的应用都不可或缺,但是各个通信企业对相关技术手段制定的标准都不相同,这大大遏制了该技术的发展,后来3G业务的出现改变了这一混乱的局面,此外3G业务拥有更高速、更智能、更稳定、更多样化等诸多优良特质,逐渐过渡到全IP网络。未来的网络与今天的IP最大区别是可经济有效地提供多种业务 并支持端到端的服务质量。MPLS是一个逐渐明朗的发展趋向。 

3G技术是三大关键技术的集成:无线、数据(IP和ATM)和电话(电路交换和分组交换)。保证3G网络成功的要素涵盖相关网络在国际标准组织里所提倡的开放接口标准和统一的管理,和用户终端的及时商用。GPRS终端的多次推迟发布让人们有些担心,实际上这种担心不无道理,纵观整个3G终端的各个手机制造厂 商各自为政,并没有像3G业务平台那样形成一个统一的标准,此外,对于这种全新的多媒体终端设备的研究也遭受一定的挫折,其相关技术还需要进行大量的更换和跌代。但其实对于3G业务来说最重要的还是开发商能否获得应有的收益,毕竟这是一个商用的用途,没有利益也就意味着过程的失败。 

第一代移动通信技术是模拟移动通信技术,其代表有美国的AMPS、英国的TACS、北欧的NMT450/900。以模拟调频(FM),频分多址(FDMA)为主要特征第一代移动通信系统仅限于语音传输,它以模拟电路单元为基本模块实现话音通信,并采用了蜂窝结构,频带可重复利用,实现了大区域覆盖和移动环境的不间断通信。 

第二代移动通信系统是以时分多址(TDMA)以及码分多址(CDMA)为特征的移动通信系统,除提供话音业务外也提供低速的数据业务。目前采用TDMA体制的主要有三种:欧洲的GSM、美国的D一AMPS和日本的PDC。采用CDMA技术体制的主要为美国CDMA(IS95)。直接扩频和抗干扰性是CDMA移动通信技术突出的特点。第二代通信系统的核心网仍然以电路交换为基础。 

GPRS(General Packet Radio Service)可认为是介于第二代和第三代之间的2.5代移动通信系统,是在现有的第二代GSM话音通信系统上开发的一项新的承载业务,通过软件升级和增加必要的硬件模块,利用GSM现有的无线话音通信系统的信令通道实现分组数据传输,所以它可以与GSM共存,并能平滑过渡。GPRS无线分组数据通信与现有的GSM话音通信最根本的区别是:GSM是电路交换系统,而GPRS的短信业务等采用的是分组交换系统。CDMA-2000-1x是CDMA-2000的第一阶段,也是2.5G,它的网络部分也引入分组交换方式。 

第三代移动通信系统是国际电讯联盟(ITU)为2000年国际移动通信而提出的具有全球移动、综合业务、数据传输蜂窝、无绳、寻呼、集群等多种功能,并能满足频谱利用率、运行环境、业务能力和质量、网络灵活及无缝覆盖、兼容等多项要求的全球移动通信系统,简称IMT-2000系统。系统工作于2000MHz频段,可同时提供电路交换和分组交换业务,上下行频段为1890-2030MHz, 2110-2250MHz。 

第三代移动通信采用码分多址技术,现已基本形成了三大主流技术,包括有:W-CDMA.CDMA-2000和TD-SCDMA。这三种技术都属于宽带CDMA技术,都能在静止状态下提供2Mbius的数据传输速率。但这三种技术在工作模式、区城切换等方面又有各自不同的特点。 

W-CDMA,全称为Wideband CDMA,也称为CDMA Direct Spread,意为宽频分码多重存取,这是基于GSM网发展出来的3G技术规范,是欧洲提出的宽带CDMA技术,它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同,目前正在进一步融合。WCDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商,日本公司也或多或少参与其中,包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电,以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM网络上,对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。预计在GSM系统相当普及的亚洲,对这套新技术的接受度会相当高。因此WCDMA具有先天的市场优势。WCDMA已是当前世界上采用的国家及地区最广泛的,终端种类最丰富的一种3G标准,占据全球80%以上市场份额。

CDMA-2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术,也称为CDMA Multi-Carrier,它是由美国高通北美公司为主导提出,摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与,韩国成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的,可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G,建设成本低廉。但使用CDMA的地区只有日、韩和北美,所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的,许多3G手机已经率先面世。该标准提出了从CDMAIS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术,通过采用三载波使带宽提高。中国电信正在采用这一方案向3G过渡,并已建成了CDMAIS95网络。

TD-SCDMA全称为Time Division-Synchronous CDMA(时分同步CDMA),该标准是由中国独自制定的3G标准,1999年6月29日,中国原邮电部电信科学技术研究院(大唐电信)向ITU提出,但技术发明始于西门子公司,TD-SCDMA具有辐射低的特点,被誉为绿色3G。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中,在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外,由于中国内地庞大的市场,该标准受到各大主要电信设备厂商的重视,全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。该标准提出不经过2.5代的中间环节,直接向3G过渡,非常适用于GSM系统向3G升级。军用通信网也是TD-SCDMA的核心任务。相对于另两个主要3G标准CDMA2000和WCDMA它的起步较晚,技术不够成熟。

W-CDMA能够工作在FDD和TDD两种方式下,和GSM系统使用同一时钟,实现CDMA与GSM系统手机的双模工作,是一种兼容的系统。FDD是使用分离的两个对称频带实现上行和下行传输的双工模式。它需要成对的频率通过频率来区分上、下行。W-CDMA能够支持移动终端在时速500公里左右时的正常通信。在TDD方式中,W-CDMA的扩频增益不变,可使用多码传输,实现高速数据通信。它的最大特点是具有上行链路多用户检测技术,多用户检测技术可通过测量各用户扩频码之间的非正交性,用矩阵求逆法或迭代法来消除多用户间的相互干扰。而CDMA-2000只支持FDD工作模式。 

TD-SCDMA是我国提出的IMT-2000系统设计方案,采用TDD模式。TDD是将上行和下行的传输使用同一频带的双工模式,根据时间来区分上.下行并进行切换,物理层的时隙被分为上、下行两部分,不需要成对的频率,上下行链路业务共享同一信道,可以不平均分配,特别适用于非对称的分组交换数据业务。TDD的频谱利用率高而且成本低廉,但由于采用多时隙的不连续传输方式,基站发射峰值功率与平均功率的比值较高,造成基站功耗较大,基站覆盖半径较小,同时也造成抗衰落和抗多普勒频移的性能较差,当手机处于高速移动的状态下通信能力较差。TD-SCDMA只能支持移动终端在时速120公里左右时的正常通信。TD-SCDMA在高速公路及铁路等高速移动的环境中处于劣势。 

W-CDMA在扇区间及小区间采用了 “软切换”技术,即当手机发生移动或目前与手机通信的基站业务繁忙使手机需要与一新基站通信时,先与新基 站连接后再中断与原基站的联系,W-CDMA的越区 切换是采用异步软切换方式进行的,W-CDMA的基站之间不需同步,也不需特别的同步参考源。载频间的切换采用的硬切换,也就是说,先中断与原基站的 联系再与新基站连接。 

CDMA-2000也采用了越区“软切换”技术 ,CDMA-2000需要基站间的严格同步,因面必须借助GPS等设备来确定手机的位置并计算出到达两个基站的距离。载频间采用的是硬切换。 

TD-SCDMS采用了越区“接力切换“技术,智能天线可大致定位用户的方位和距离,基站和基站控制器可根据用户的方位和距离信息,判断用户是否移动到应切换给另一基站的临近区域。如果进入切换区,便由基站控制器通知另一基站做好切换准备,移动台在越区切换前与认定的基站同步,并报告网络,由网络控制移动台完成越区切换。该方法即适用于同频切换也适用于异频切换。接力切换是一种改进的硬切换技术,降低了掉话率,提高切换成功率,与软切换相比所用的信令和资源都很少。TD-SCDMA需要基站间的严格同步,采用GPS或者网络同步的方法,降低基站间的干扰。 

W-CDMA采用直接序列扩频方式,其码片速率为3.84Mchip/s码片速率高能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集,可以有效地解决多径问题和衰落问题。W-CDMA的每个载波仅占5MHz带宽载波带宽越高,支持的用户数就越多,在通信时发生网塞的可能性就越小。 

CDMA-2000在F行链路中存在两种主要的信道结构:多载波和直接扩频。多载波的下行链路传输一般是在5MHz带宽内使用3个连续的载波,每个载波的码片速率为122288Mchip/s;对于直接扩频方式的下行链路传输通常采用3.6864Mchip/s的码片速率。当采用多载波方式时,能支持多种射频带宽采用的是不同射频信道带宽,它可以,1.2kbps-2Mbps甚至更高的速率来传送数据。CD-MA-2000系统还可增加为使用6个、9个、12个基本信道,其信号带宽也会相应地提高,数据传输速率将会更高。 

TD-SCDMA的码片速率为1.28Mchip/s。TD-SCDMA采用三载波设计,每载波具有1.6M的带宽。由于采用TDD双工模式,因此只需占用单一的1.6M带宽,就可传送2Mbps的数据业务。而W-CDMA与CDMA-2000要传送2Mbps的数据业务,均需委两个对称的带宽,分别作为上、下行频段,因而TD-SCDMA对频率资源的利用率是最高的。 

W-CDMA的信号调制上行采用的是BPSK,下行采用的是QPSK方式。扩频编码上行采用walsh(信道化)+Gold序列241-1(区分用户),下行采用walsh(信道化)+Gold序列218-1(区分小区)。信道编码为卷积码及RS级连码,分集采用RAKE接收加天线分集。功率控制采用开环K慢速闭环(1.6K)。联合检测时导频符号辅助相干检测RAKE,上行采用专用导频符号,下行采用perch信道+专用导频符号。 

CDMA-2000的信号调制上行采用的是BPSK调制方式,下行采用的是QPSK调制方式。扩频编码上行采用walsh(信道化)+Gold序列241-1(区分用户),下行采用walsh(信道化)+Gold序列215-1(区分小区).在联合检测时,上行采用公共导频信道,下行采用专用导频信道。TD-SCDMA的信号调制方式采用的是QPSK/BPSK调制方式。扩频编码上行采用Walsh(信道化)+时隙号(区分用户),下行采用walsh(信道化)+Gold序列(区分小区).功率控制采用开环+快速闭环(0-200Hz).联合检测时,上/下行同步信号Gold码+训练序列。 

TD-SCDMA中采用的关键技术是智能天线技术。智能天线是在基站采用阵列天线自适应地形成多个波束,分别跟踪多个共享同一信道的用户。接收时通过空域滤波抑制同信道干扰,并将各用户分离;发射时,通过多波束形成使期望用户接收的信号功率最大,对其它位置上非期望用户的干扰最小。这样,即可降低信号的发送功率,又可减少来自其他用户的干扰,从而提高了系统的容量和通信质量。TD-SCDMA智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性(无线环境和传输条件相同)而获得的。智能天线还可以减少小区间及小区内的干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。 

TD-SCDMA系统采用了智能天线和低码片速率信号传输,信号的频谱利用率很高,它能够解决高人口密度地区频率资源紧张的问题,它在互联网浏览、非对称移动数据传输、视频点播多媒体业务等方面具有突出的优势。 

TD-SCDMA采用了软件无线电技术,在运营部门增加业务时它能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号,通过加载不同的软件来实现不同的业务性能。 

当采用同步CDMA通信方式时,下行到达每个移动台的信号是同步的,上行到达每个基站的信号也是同步的,通过对基站到移动台信号的精确传播时延的测定可获得移动台信号的准确发送时间。TD-SCDMA采用了上行同步CDMA技术,使上行信号与基站解调器完全同步,既降低了上行用户间的干扰和保护时隙的宽度,又提高了系统容量,使硬件得到了简化,成本明显降低。 

用户主要是通过手机使用移动3G技术获取通信服务,部分用户也会使用收音设备等获取信号源,最主流的为手机端口的通信服务请求,而痛心过程中最关键的就在于信号传输的稳定性以及信号强度,3G技术可以有效的实现高强度、稳定的通话信息服务,实现数据的稳定、快速传输,同时在这个过程中实现数据的加密。 

当前所运用的身份验证服务有两类,一类是以Kerberos技术来实现密码密钥的使用者身份证实;另一类是采用公共密钥来实现对系统的加密,并以X.509服务协议来实现对双方身份与服务请求的验证。必须要确保两个验证都具备可靠的加密功能和防恶意攻击功能,才能充分地保证用户的个人隐私不被窃取。 

服务端是接收用户服务申请内容的接收器,它包含了各种特殊的服务信号与口令,并依照用户的个性化请求,传输到相应的服务资源。可以说,服务端就是对用户端提出的请求与命令进行回复与应答的系统。 

现阶段在无线通信中已经对高速电路交换数据进行了广泛的运用,将单个业务信道中数据的速率由9.6kb/s提升至14.4kb/s,并且将四条信道同时复用在相同的时隙内,进而将数据经营人员传送可达57.6kb/s的传输速率,同时这也是现阶段运行数据传输速率的6倍以上。但是诺基亚所研发的GPRS,能够在1载频或是8个信道中进行捆绑,将各个信道数据的传输速率提升至到14.4kb/s,为此,GPRS的最大传输效率最高可达115.2kb/s。这种数据传输方式主要运用了TDMA的语音传输方式,分组的形式主要为数据传输,同时,这也代表用户一直是在线按流量计费,将服务成本迅速降低。该技术介于2G与3G之间,一般会被称作势2.5G无线通信 技术,以上所属三种技术均是基于第三代移动通信技术不断过渡的通信技术。 

早在1999年芬兰已经开会通过了第三代移动通信系统中所囊括的无线接口技术标准。以此也可以得知,第三代移动通信技术主要是将宽带CDMA系统作为主要系统,CDMA也就是码分多址技术,而移动通信的主要特色便是运用多址技术,多址技术即基站四周移动台所运用的基站进入与接收信号相关技术,只有移动台占领了一个信道,以此才能够进行移动通信。在第三代移动通信技术的基础上的互联网技术目标主要是实现全球性的移动综合业务数字网络,该网络中不仅综合了无绳、移动数据以及移动卫星等一些移动通信技术的基本功能,同时也能够提供固定电信网络的兼容服务,同时提供话音与非话音服务。 

第三代移动通信技术中主要包含了四个功能子系统,为核心网、无线接入网、移动台以及用户识别模块四种。在这其中无线接入网主要应用了ITU基础上的五种接入标准,但是核心网则应用了将2G电路交换行水升级为高速电路交换与分组交换的基本形式。第三代核心网中涵盖了移动交换网与业务服务网两种网络形式,移动交换网主要负责进行无线网与固定网之间的连接与终端移动性能功能的管理,而业务服务网则主要为移动用户提供和固定用户相同的业务与服务,例如用户可以享受到电子商务、计费以及呼叫等一系列服务。 

第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统 ,尽管其传输速率在成熟的WCDMA标准下, 静止时理论值为7.2Mb/ s ,而实际在商用网络中由资源及无线环境种种限止远远达不到该值。仍无法满足诸多多 媒体通信的要求,支持不了对速率要求较高的通信。对动态范围的多速率业务提供不足。而且目前商用的三大标准空中接口所支持的核心网未能有统一的标准,难以提供具有多种QoS及性能的多速率业务。不能真正实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。对于采用不同频段的相异业务环境 ,需要移动终端配置有相关不同的软、硬件模块,且3G移动终端并不能实现这业务环境的不同配置。正是3G系统存在这些局限性,所以各种公司和机构 早就着手了LTE的研究。 



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