基本介紹
- 中文名：第三代移動通信技術
- 外文名：3rd-Generation
- 外語縮寫：3G
- 提供服務：數字語音和數據
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簡介,技術起源,3G發展成功的重要因素,技術特點對比,三大標準對比,工作模式,區域切換,資源利用率,信號調製編碼,安全體系結構,用戶端,安全管理伺服器,服務端,基於3G的網際網路,基於3G的數據傳輸,3G無線接口標準與特點,3G基礎結構,進展,
簡介
所謂第三代移動通信技術，即3G網路技術，與第一代移動通信技術（即 1G）與第二代數字手機通信技術（即 2G）相比，3G 手機主要是將無線通信和國際網際網路等通信技術全面結合，以此形成一種全新的移動通信系統。這種移動技術可以處理圖像、音樂等媒體形式，除此之外，也包含了電話會議等一些商務功能。為了支持以上所述功能，無線網路可以對不同數據傳輸的速度進行充分的支持，即無論是在室外、內還是在行車的環境下，都可以提供最少為2Mbps、384kbps與144kbps的數據傳輸速度。
第三代移動通信技術(3G)，3G網路技術是該領域發展的必然。3G對移動通信技術標準做出了定義，使用較高的頻帶和CDMA技術傳輸數據進行相關技術支持，工作頻段高，主要特徵是速度快、效率高、信號穩定、成本低廉和安全性能好等，和前兩代的通信技術相比最明顯的特徵是3G網路技術全面支持更加多樣化的多媒體技術。
技術起源
1940年，美國女演員海蒂·拉瑪和她的作曲家丈夫喬治·安塞爾提出一個Spectrum（頻譜）的技術概念，這個被稱為“展布頻譜技術”（也稱碼分擴頻技術）的技術理論在此後帶給了這個世界變化，正是這個技術理論最終演變成我們今天的3G技術，展布頻譜技術就是3G技術的根本基礎原理。展布頻譜是將傳輸信號的頻譜打散到較其原始頻寬更寬的一種通訊技術，常用於無線通訊領域。
1938年3月納粹正式侵入奧地利，隨後，她也逃到倫敦，以遠離她失敗的婚姻和眾多的納粹“朋友”。順便也把納粹無線通信方面的“軍事機密”帶到了盟國。這些機密主要是基於無線電保密通信的“指令式制導”系統，用於自動控制武器，精確打擊目標，但為了防止無線電指令被敵軍竊取，需要開發一系列的無線電通信的保密技術――受過良好教育的她偷偷地吸收了許多極具價值的前瞻性概念。
但最終1942年8月她還是得到了美國的專利，在美國的專利局，曾經塵封著這樣一份專利：專利號為2，292，387的“保密通信系統”專利，這個專利的通過時間是1942年8月11日，申請時間是1941年6月10日，展布頻譜技術（擴頻技術）Spread Spectrum。美國國家專利局網站上的存檔 這個技術專利最初是用於軍事用途的。
海蒂·拉瑪最初研究這個技術是為幫助美國軍方製造出能夠對付納粹德國的電波干擾或防竊聽的軍事通訊系統，因此這個技術最初的作用是用於軍事。二戰結束後因為暫時失去了價值，美國軍方封存了這項技術，但它的概念已使很多國家對此產生了興趣，多國在60年代都對此技術展開了研究，但進展不大。
直到1985年，在美國的聖迭戈成立了一個名為“高通”的小公司（現成為世界五百強），這個公司利用美國軍方解禁的“展布頻譜技術”開發出一個被名為“CDMA”的新技術，CDMA技術直接導致了3G的誕生。世界3G技術的3大標準：美國CDMA2000，歐洲WCDMA，中國TD-SCDMA，都是在CDMA的技術基礎上開發出來的，CDMA就是3G的根本基礎原理，而展布頻譜技術就是CDMA的基礎。
2008年5月，國際電信聯盟正式公布第三代移動通信標準，中國提交的TD-SCDMA正式成為國際標準，與歐洲WCDMA、美國CDMA2000成為3G時代最主流的三大技術之一。
3G發展成功的重要因素
隨著移動通信網路技術的發展壯大，各個領域對該類技術的套用都不可或缺，但是各個通信企業對相關技術手段制定的標準都不相同，這大大遏制了該技術的發展，後來3G業務的出現改變了這一混亂的局面，此外3G業務擁有更高速、更智慧型、更穩定、更多樣化等諸多優良特質，逐漸過渡到全IP網路。未來的網路與今天的IP最大區別是可經濟有效地提供多種業務 並支持端到端的服務質量。MPLS是一個逐漸明朗的發展趨向。
3G技術是三大關鍵技術的集成：無線、數據(IP和ATM)和電話(電路交換和分組交換)。保證3G網路成功的要素涵蓋相關網路在國際標準組織里所提倡的開放接口標準和統一的管理，和用戶終端的及時商用。GPRS終端的多次推遲發布讓人們有些擔心，實際上這種擔心不無道理，縱觀整個3G終端的各個手機製造廠 商各自為政，並沒有像3G業務平台那樣形成一個統一的標準，此外，對於這種全新的多媒體終端設備的研究也遭受一定的挫折，其相關技術還需要進行大量的更換和跌代。但其實對於3G業務來說最重要的還是開發商能否獲得應有的收益，畢竟這是一個商用的用途，沒有利益也就意味著過程的失敗。
技術特點對比
第一代移動通信技術是模擬移動通信技術，其代表有美國的AMPS、英國的TACS、北歐的NMT450/900。以模擬調頻(FM)，頻分多址(FDMA)為主要特徵第一代移動通信系統僅限於語音傳輸，它以模擬電路單元為基本模組實現話音通信，並採用了蜂窩結構，頻帶可重複利用，實現了大區域覆蓋和移動環境的不間斷通信。
第二代移動通信系統是以時分多址(TDMA)以及碼分多址(CDMA)為特徵的移動通信系統，除提供話音業務外也提供低速的數據業務。目前採用TDMA體制的主要有三種：歐洲的GSM、美國的D一AMPS和日本的PDC。採用CDMA技術體制的主要為美國CDMA(IS95)。直接擴頻和抗干擾性是CDMA移動通信技術突出的特點。第二代通信系統的核心網仍然以電路交換為基礎。
GPRS(General Packet Radio Service)可認為是介於第二代和第三代之間的2.5代移動通信系統，是在現有的第二代GSM話音通信系統上開發的一項新的承載業務，通過軟體升級和增加必要的硬體模組，利用GSM現有的無線話音通信系統的信令通道實現分組數據傳輸，所以它可以與GSM共存，並能平滑過渡。GPRS無線分組數據通信與現有的GSM話音通信最根本的區別是：GSM是電路交換系統，而GPRS的簡訊業務等採用的是分組交換系統。CDMA-2000-1x是CDMA-2000的第一階段，也是2.5G，它的網路部分也引人分組交換方式。
第三代移動通信系統是國際電訊聯盟(ITU)為2000年國際移動通信而提出的具有全球移動、綜合業務、數據傳輸蜂窩、無繩、尋呼、集群等多種功能，並能滿足頻譜利用率、運行環境、業務能力和質量、網路靈活及無縫覆蓋、兼容等多項要求的全球移動通信系統，簡稱IMT-2000系統。系統工作於2000MHz頻段，可同時提供電路交換和分組交換業務，上下行頻段為1890-2030MHz, 2110-2250MHz。
三大標準對比
第三代移動通信採用碼分多址技術，現已基本形成了三大主流技術，包括有：W-CDMA.CDMA-2000和TD-SCDMA。這三種技術都屬於寬頻CDMA技術，都能在靜止狀態下提供2Mbius的數據傳輸速率。但這三種技術在工作模式、區城切換等方面又有各自不同的特點。
W-CDMA，全稱為Wideband CDMA，也稱為CDMA Direct Spread，意為寬頻分碼多重存取，這是基於GSM網發展出來的3G技術規範，是歐洲提出的寬頻CDMA技術，它與日本提出的寬頻CDMA技術基本相同，目前正在進一步融合。WCDMA的支持者主要是以GSM系統為主的歐洲廠商，日本公司也或多或少參與其中，包括歐美的愛立信、阿爾卡特、諾基亞、朗訊、北電，以及日本的NTT、富士通、夏普等廠商。該標準提出了GSM（2G）-GPRS-EDGE-WCDMA（3G）的演進策略。這套系統能夠架設在現有的GSM網路上，對於系統提供商而言可以較輕易地過渡。預計在GSM系統相當普及的亞洲，對這套新技術的接受度會相當高。因此WCDMA具有先天的市場優勢。WCDMA已是當前世界上採用的國家及地區最廣泛的，終端種類最豐富的一種3G標準，占據全球80%以上市場份額。
CDMA-2000是由窄帶CDMA（CDMA IS95）技術發展而來的寬頻CDMA技術，也稱為CDMA Multi-Carrier，它是由美國高通北美公司為主導提出，摩托羅拉、Lucent和後來加入的韓國三星都有參與，韓國成為該標準的主導者。這套系統是從窄頻CDMAOne數字標準衍生出來的，可以從原有的CDMAOne結構直接升級到3G，建設成本低廉。但使用CDMA的地區只有日、韓和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不過CDMA2000的研發技術卻是目前各標準中進度最快的，許多3G手機已經率先面世。該標準提出了從CDMAIS95（2G）-CDMA20001x-CDMA20003x（3G）的演進策略。CDMA20001x被稱為2.5代移動通信技術。CDMA20003x與CDMA20001x的主要區別在於套用了多路載波技術，通過採用三載波使頻寬提高。中國電信正在採用這一方案向3G過渡，並已建成了CDMAIS95網路。
TD-SCDMA全稱為Time Division-Synchronous CDMA（時分同步CDMA），該標準是由中國獨自製定的3G標準，1999年6月29日，中國原郵電部電信科學技術研究院（大唐電信）向ITU提出，但技術發明始於西門子公司，TD-SCDMA具有輻射低的特點，被譽為綠色3G。該標準將智慧型無線、同步CDMA和軟體無線電等當今國際領先技術融於其中，在頻譜利用率、對業務支持具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面的獨特優勢。另外，由於中國內地龐大的市場，該標準受到各大主要電信設備廠商的重視，全球一半以上的設備廠商都宣布可以支持TD-SCDMA標準。該標準提出不經過2.5代的中間環節，直接向3G過渡，非常適用於GSM系統向3G升級。軍用通信網也是TD-SCDMA的核心任務。相對於另兩個主要3G標準CDMA2000和WCDMA它的起步較晚，技術不夠成熟。
工作模式
TD-SCDMA是我國提出的IMT-2000系統設計方案，採用TDD模式。TDD是將上行和下行的傳輸使用同一頻帶的雙工模式，根據時間來區分上.下行並進行切換，物理層的時隙被分為上、下行兩部分，不需要成對的頻率，上下行鏈路業務共享同一信道，可以不平均分配，特別適用於非對稱的分組交換數據業務。TDD的頻譜利用率高而且成本低廉，但由於採用多時隙的不連續傳輸方式，基站發射峰值功率與平均功率的比值較高，造成基站功耗較大，基站覆蓋半徑較小，同時也造成抗衰落和抗都卜勒頻移的性能較差，當手機處於高速移動的狀態下通信能力較差。TD-SCDMA只能支持移動終端在時速120公里左右時的正常通信。TD-SCDMA在高速公路及鐵路等高速移動的環境中處於劣勢。
區域切換
W-CDMA在扇區間及小區間採用了 “軟切換”技術，即當手機發生移動或目前與手機通信的基站業務繁忙使手機需要與一新基站通信時，先與新基 站連線後再中斷與原基站的聯繫，W-CDMA的越區 切換是採用異步軟切換方式進行的，W-CDMA的基站之間不需同步，也不需特別的同步參考源。載頻間的切換採用的硬切換，也就是說，先中斷與原基站的 聯繫再與新基站連線。
CDMA-2000也採用了越區“軟切換”技術 ，CDMA-2000需要基站間的嚴格同步，因面必須藉助GPS等設備來確定手機的位置並計算出到達兩個基站的距離。載頻間採用的是硬切換。
TD-SCDMS採用了越區“接力切換“技術，智慧型天線可大致定位用戶的方位和距離，基站和基站控制器可根據用戶的方位和距離信息，判斷用戶是否移動到應切換給另一基站的臨近區域。如果進人切換區，便由基站控制器通知另一基站做好切換準備，移動台在越區切換前與認定的基站同步，並報告網路，由網路控制移動台完成越區切換。該方法即適用於同頻切換也適用於異頻切換。接力切換是一種改進的硬切換技術，降低了掉話率，提高切換成功率，與軟切換相比所用的信令和資源都很少。TD-SCDMA需要基站間的嚴格同步，採用GPS或者網路同步的方法，降低基站間的干擾。
資源利用率
W-CDMA採用直接序列擴頻方式，其碼片速率為3.84Mchip/s碼片速率高能有效地利用頻率選擇性分集以及空間的接收和發射分集，可以有效地解決多徑問題和衰落問題。W-CDMA的每個載波僅占5MHz頻寬載波頻寬越高，支持的用戶數就越多，在通信時發生網塞的可能性就越小。
CDMA-2000在F行鏈路中存在兩種主要的信道結構:多載波和直接擴頻。多載波的下行鏈路傳輸一般是在5MHz頻寬內使用3個連續的載波，每個載波的碼片速率為122288Mchip/s；對於直接擴頻方式的下行鏈路傳輸通常採用3.6864Mchip/s的碼片速率。當採用多載波方式時，能支持多種射頻頻寬採用的是不同射頻信道頻寬，它可以，1.2kbps-2Mbps甚至更高的速率來傳送數據。CD-MA-2000系統還可增加為使用6個、9個、12個基本信道，其信號頻寬也會相應地提高，數據傳輸速率將會更高。
TD-SCDMA的碼片速率為1.28Mchip/s。TD-SCDMA採用三載波設計，每載波具有1.6M的頻寬。由於採用TDD雙工模式，因此只需占用單一的1.6M頻寬，就可傳送2Mbps的數據業務。而W-CDMA與CDMA-2000要傳送2Mbps的數據業務，均需委兩個對稱的頻寬，分別作為上、下行頻段，因而TD-SCDMA對頻率資源的利用率是最高的。
信號調製編碼
W-CDMA的信號調製上行採用的是BPSK，下行採用的是QPSK方式。擴頻編碼上行採用walsh(信道化)+Gold序列241-1(區分用戶)，下行採用walsh(信道化)+Gold序列218-1(區分小區)。信道編碼為卷積碼及RS級連碼，分集採用RAKE接收加天線分集。功率控制採用開環K慢速閉環(1.6K)。聯合檢測時導頻符號輔助相干檢測RAKE，上行採用專用導頻符號，下行採用perch信道+專用導頻符號。
CDMA-2000的信號調製上行採用的是BPSK調製方式，下行採用的是QPSK調製方式。擴頻編碼上行採用walsh(信道化)+Gold序列241-1(區分用戶)，下行採用walsh(信道化)+Gold序列215-1(區分小區).在聯合檢測時，上行採用公共導頻信道，下行採用專用導頻信道。TD-SCDMA的信號調製方式採用的是QPSK/BPSK調製方式。擴頻編碼上行採用Walsh(信道化)+時隙號(區分用戶)，下行採用walsh(信道化)+Gold序列(區分小區).功率控制採用開環+快速閉環(0-200Hz).聯合檢測時，上/下行同步信號Gold碼+訓練序列。
TD-SCDMA中採用的關鍵技術是智慧型天線技術。智慧型天線是在基站採用陣列天線自適應地形成多個波束，分別跟蹤多個共享同一信道的用戶。接收時通過空域濾波抑制同信道干擾，並將各用戶分離；發射時，通過多波束形成使期望用戶接收的信號功率最大，對其它位置上非期望用戶的干擾最小。這樣，即可降低信號的傳送功率，又可減少來自其他用戶的干擾，從而提高了系統的容量和通信質量。TD-SCDMA智慧型天線的高效率是基於上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性（無線環境和傳輸條件相同）而獲得的。智慧型天線還可以減少小區間及小區內的干擾。智慧型天線的這些特性可顯著提高移動通信系統的頻譜效率。
TD-SCDMA系統採用了智慧型天線和低碼片速率信號傳輸，信號的頻譜利用率很高，它能夠解決高人口密度地區頻率資源緊張的問題，它在網際網路瀏覽、非對稱移動數據傳輸、視頻點播多媒體業務等方面具有突出的優勢。
當採用同步CDMA通信方式時，下行到達每個移動台的信號是同步的，上行到達每個基站的信號也是同步的，通過對基站到移動台信號的精確傳播時延的測定可獲得移動台信號的準確傳送時間。TD-SCDMA採用了上行同步CDMA技術，使上行信號與基站解調器完全同步，既降低了上行用戶間的干擾和保護時隙的寬度，又提高了系統容量，使硬體得到了簡化，成本明顯降低。
安全體系結構
用戶端
用戶主要是通過手機使用移動3G技術獲取通信服務，部分用戶也會使用收音設備等獲取信號源，最主流的為手機連線埠的通信服務請求，而痛心過程中最關鍵的就在於信號傳輸的穩定性以及信號強度，3G技術可以有效的實現高強度、穩定的通話信息服務，實現數據的穩定、快速傳輸，同時在這個過程中實現數據的加密。
安全管理伺服器
服務端
服務端是接收用戶服務申請內容的接收器，它包含了各種特殊的服務信號與口令，並依照用戶的個性化請求，傳輸到相應的服務資源。可以說，服務端就是對用戶端提出的請求與命令進行回復與應答的系統。
基於3G的網際網路
基於3G的數據傳輸
現階段在無線通信中已經對高速電路交換數據進行了廣泛的運用，將單個業務信道中數據的速率由9.6kb/s提升至14.4kb/s，並且將四條信道同時復用在相同的時隙內，進而將數據經營人員傳送可達57.6kb/s的傳輸速率，同時這也是現階段運行數據傳輸速率的6倍以上。但是諾基亞所研發的GPRS，能夠在1載頻或是8個信道中進行捆綁，將各個信道數據的傳輸速率提升至到14.4kb/s，為此，GPRS的最大傳輸效率最高可達115.2kb/s。這種數據傳輸方式主要運用了TDMA的語音傳輸方式，分組的形式主要為數據傳輸，同時，這也代表用戶一直是線上按流量計費，將服務成本迅速降低。該技術介於2G與3G之間，一般會被稱作勢2.5G無線通信 技術，以上所屬三種技術均是基於第三代移動通信技術不斷過渡的通信技術。
3G無線接口標準與特點
早在1999年芬蘭已經開會通過了第三代移動通信系統中所囊括的無線接口技術標準。以此也可以得知，第三代移動通信技術主要是將寬頻CDMA系統作為主要系統，CDMA也就是碼分多址技術，而移動通信的主要特色便是運用多址技術，多址技術即基站四周移動台所運用的基站進入與接收信號相關技術，只有移動台占領了一個信道，以此才能夠進行移動通信。在第三代移動通信技術的基礎上的網際網路技術目標主要是實現全球性的移動綜合業務數字網路，該網路中不僅綜合了無繩、移動數據以及移動衛星等一些移動通信技術的基本功能，同時也能夠提供固定電信網路的兼容服務，同時提供話音與非話音服務。
3G基礎結構
第三代移動通信技術中主要包含了四個功能子系統，為核心網、無線接入網、移動台以及用戶識別模組四種。在這其中無線接入網主要套用了ITU基礎上的五種接入標準，但是核心網則套用了將2G電路交換行水升級為高速電路交換與分組交換的基本形式。第三代核心網中涵蓋了移動交換網與業務服務網兩種網路形式，移動交換網主要負責進行無線網與固定網之間的連線與終端移動性能功能的管理，而業務服務網則主要為移動用戶提供和固定用戶相同的業務與服務，例如用戶可以享受到電子商務、計費以及呼叫等一系列服務。
進展
第三代移動通信系統仍是基於地面標準不一的區域性通信系統 ，儘管其傳輸速率在成熟的WCDMA標準下， 靜止時理論值為7.2Mb/ s ，而實際在商用網路中由資源及無線環境種種限止遠遠達不到該值。仍無法滿足諸多多 媒體通信的要求，支持不了對速率要求較高的通信。對動態範圍的多速率業務提供不足。而且目前商用的三大標準空中接口所支持的核心網未能有統一的標準，難以提供具有多種QoS及性能的多速率業務。不能真正實現不同頻段的不同業務環境間的無縫漫遊。對於採用不同頻段的相異業務環境 ，需要移動終端配置有相關不同的軟、硬體模組，且3G移動終端並不能實現這業務環境的不同配置。正是3G系統存在這些局限性，所以各種公司和機構 早就著手了LTE的研究。
