移动网络通信技术

移动通信技术是以无线电波为通信用户提供实时信息传输的技术，以实现在保障覆盖区或服务区内的顺畅的个体移动通信。该技术领域主要包括无线数字传输技术、路由器技术、网络管理以及终端业务服务等方面的技术。

7.2.1移动网络通信技术的发展

移动网络通信技术是一种综合技术的应用，它是由有线通信技术和无线通信技术融合而成，具体是指通过移动网络信号系统，作为主体的人或设备可在不受位置约束的条件下，与固定位置或正在发生位移的另一方主体人或设备进行通信的方式。移动网络通信技术系统主要由空间系统（如卫星等）、地面系统（如地面基站、交换中心等）两大部分组成，如图7-7所示。

图7-7 移动网络通信技术系统的组成

到目前为止，移动网络通信在技术上已经历经了5次更新换代，见表7-1。

表7-1 移动网络通信技术

第一代移动通信系统是在20世纪80年代初提出的，它完成于20世纪90年代初。第一代移动通信技术是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。

第二代移动通信系统(2G)起源于90年代初期。使GSM功能得到不断增强，初步具备了支持多媒体业务的能力。

第三代移动通信系统(3G)起源于2000年，其最基本的特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒体数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。

第四代移动通信系统（4G）出来在2010年，4G的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。

第五代移动通信技术开始月2020年，是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。

1.1G网络

1G 网络是第一代移动网络通信技术，它采用了模拟信号技术，在蜂窝基站的作用下可将网络信号在邻近的各个基站之间进行相互传递。最终实现了移动电话的语音通话功能，最为典型的应用案例就是“大哥大”。1G 网络技术的诞生不仅为人类的生活、工作提供了诸多便利，与此同时也意味着拉开了移动网络新技术的序幕。

第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制 式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。

2.2G网络

2G 网络是第二代移动网络通信技术，它舍弃了1G 网络时代的模拟信号传输技术，转而采用数字信号进行网络通信，这样大大提高了通话质量和通信系统的存储容量，最为典型的应用案例就是短信和手机铃声。2G 数字网络不仅使得手机得到了广泛应用，而且推动了移动网络技术的高速发展。

欧洲电信标准协会在1996年提出了GSM Phase 2+，目的在于扩展和改进GSM Phase 1及Phase 2中原定的业务和性能。它主要包括CMAEL(客户化应用移动网络增强逻辑)，SO(支持最佳路由)、立即计费，GSM 900/1800双频段工作等内容，也包含了与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术，使得话音质量得到了质的改进；半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。在GSM Phase2+阶段中，采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术，引入智能天线技术、双频段等技术，有效地克服了随着业务量剧增所引发的GSM系统容量不足的缺陷；自适应语音编码(AMR)技术的应用，极大提高了系统通话质量；GPRS/EDGE技术的引入，使GSM与计算机通信/Internet有机相结合，数据传送速率可达115/384kbit/s，从而使GSM功能得到不断增强，初步具备了支持多媒体业务的能力。尽管2G技术在发展中不断得到完善，但随着用户规模和网络规模的不断扩大，频率资源己接近枯竭，语音质量不能达到用户满意的标准，数据通信速率太低，无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。

3.3G 网络

为规范化移动网络技术的发展，国际电信联盟（International Telecommunication Union ITU）针对第三代移动网络技术，颁发了《国际移动通信2000标准》。在2000年5月，国际电信联盟最终确定了四大标准，分别为 CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、WIMAX 的无线接口标准。在我国国内仅支持3 个标准∶中国联通的 WCDMA、中国电信的CDMA2000、中国移动的 TD-SCDMA。3G 网络时代最典型的应用是可通过互联网技术实现语音、图片、视频等内容的数据传输。

其最基本的特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒体数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2Mbps，在用户高速移动时最大支持144Kbps，所占频带宽度5MHz左右。但是，第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三大分支，共同组成一个IMT 2000家庭，成员间存在相互兼容的问题，因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信；再者，3G的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；3G支持的速率还不够高，如单载波只支持最大2Mbps的业务等等。这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要，因此寻求一种既能解决现有问题，又能适应未来移动通信的需求的新技术是必要的。

 4.4G网络

第四代移动通信系统（4G）的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网，能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

WLAN是英文Wireless Local Area Networks 的缩写，即无线局域网络。WLAN遵循由国际电气和电子工程学会（Institute of Electricaland Electronic Engineers，IEEE）所定义的无线网络通信IEE 802.11标准。WLAN 利用射频技术，将原有的有线局域网升级为无线局域网，并被广泛应用到家庭与企业当中。

4G 网络将3G 网络技术和WLAN技术有效地融合在一起，使网络传输速率和传输质量较之前相比，得到了大幅度的提高。目前4G 网络制式共有两种∶LTE-FDD和 LTE-TDD。

（1）LTE-FDD

LTE是Long Term Evolution的英文缩写，即长期演进（指3G技术的演进）；FDD是FrequencyDivision Duplex 的英文缩写，即分频双工。LTE-FDD是全球通用的4G标准，被广泛应用。LTE-FDD上行传输速率为150Mbit/s，下行传输速率为50Mbi/s。

（2）LTE-TDD TDD是Time Division Duplex 的英文缩写，即分时双工。LTE-TDD是我国自主研发并实行的4G 通信标准。LTE-TDD上行传输速率为100Mbi/s，下行传输速率为50Mi/s。

5.5G网络

5G 网络即为第五代移动通信网络，其传输速率可达4G 网络的百倍之多。5C 网络的出现使得物联网能够获得更加广泛地应用，包括了诸如智能网联汽车、机器人、智慧城市、智慧农场等应用，如图7-8所示。

图7-8 5G网络的应用举例

5G作为一种新型移动通信网络，不仅要解决人与人通信，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频等更加身临其境的极致业务体验，更要解决人与物、物与物通信问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。最终，5G将渗透到经济社会的各行业各领域，成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。

5G的网络架构包含有独立的独立组网模式 SA 和与4G 网络相结合的非独立组网模式NSA两种。

3GPP是 the 3rd Generation PartnershipProject的英文缩写，即第三代合作伙伴计划。据2018年6月3GPP公布的规划内容来看，5G网络标准分为独立组网模式（SA）和非独立组网模式（NSA）两大类。独立组网模式是指需要全新打造5G 网络环境，如5G基站、5G核心网等。非独立组网模式是指在现有的4G 硬件设施基础上，实施5G 网络的部署工作。

3GPP 还定义了5G 网络的三大应用场景，如图7-9 所示。

图7-9 5G网络的三大应用场景

 （1）eMBB

eMBB 是enhanced Mobile Broadband的英文缩写，即增强移动带宽。eMB所追求的是用户或用户与用户之间的高质量的通信体验。连接到5G 网络的每个用户的带宽需达到1Gbit/s，满足用户观看超高清视频或进行虚拟现实和增强现实的需求。

（2）mMTC

mMTC是 massive Machine Type of Communications的英文缩写，即海量机器类通信。mMTC所追求的是用户与物体之间的交互通信体验，它为那些低成本、低消耗的硬件设备提供了海量的连接方式。mMTC 可应用于大规模的物联网和智能网联技术上，使用较为常见的网络通信技术大致分为两种类型；短距离通信技术和低功耗广域网通信技术。

（3）URLLC

URLLC是 Ultra Reliable Low LatencyCommunications的英文缩写，即极可靠低延迟通信。URLLC 所追求的是对机器机械类远程控制的可靠性、安全性和低延迟性。

7.2.2 5G网络的关键技术及在 V2X中的应用

1. 5G 网络的关键技术

（1）设备到设备的通信 D2D是 Device to Device 的英文缩写，即设备到设备的通信。D2D 通信是指在一定距离范围内，设备之间的直接通信，如图7-10 所示。

图7-10 D2D通信

 5G 网络环境下使用 D2D通信所具有的优势如下∶

1）提高频谱使用效率。

在D2D通信条件下，设备之间直接进行通信，一方面是可以节省数据通过蜂窝基站进行中转所需的频率资源；另一方面，所有通过 D2D进行连接的设备之间可以共享数据信息。

2）增强用户体验。

在一定距离范围内，用户资源可以通过相互连接的设备进行资源共享。

3）拓展网络应用。

可通过 D2D通信技术，对传统网络进行业务拓展。5G网络环境下使用 D2D通信，主要应用场景如下∶

①本地业务，如用户资源的共享。

②应急通信，如自然灾害导致通信基础设施遭到破坏后，用户通过 D2D技术仍可进行通信。

③物联网增强，如智能网联汽车的V2X功能。

（2）大规模输入输出技术

 5G网络环境下的大规模输入输出技术是指通过大规模天线阵列进行信号的发射和接收。

（3）高频段传输

由于2G、3G、4G 网络通信频率都在3GHz 以下，导致低频率的可用频段资源极为有限。所以5G 网络的建设分为两大频谱，分别为低频段和高频段。低频段是指在3GHz以上且小于6GHz的频段，而高频段是指大于30GHz频段的毫米波移动通信技术。

（4）高密集组网

由于高频段导致网络覆盖面积减少，所以为了增加网络的覆盖范围，需要采用高密集度的组网建设方式。

2. 5G网络在V2X中的应用

5G支持大数据传输带宽、支持本地点对点通信，提高信息传输可靠性、极低延迟和容错性，这为智能网联汽车的生态系统带来一系列优势。利用增加的数据传输能力，可以提高车辆运输的安全性，这包括在智能网联汽车之间共享传感器数据，使用宽带支持改善定位，以及为自动驾驶共享高精三维地图等。

基于 D2D技术的5G网络将实现车辆与车辆之间、车辆与道路、车辆与行人、车辆与公共设施之间的多通道通信。5G通信技术在智能网联汽车上的应用上将解决目前网络资源有限的问题。

针对V2X的应用需求，5G大容量传输可用于采集海量的道路环境数据或车辆与云端之间的环境感知数据传输。低延迟直接连接可以实现V2X；车辆与车辆、车辆与道路、车辆与人、人与道路的协同通信，解决通信数据安全和用户隐私信息保护问题，提高 V2X 通信的利用率。

在车辆组网应用场景中，车辆终端通过感知无线通信环境获取当前的频谱信息，快速接入空闲频谱，并与其他终端进行有效通信。动态频谱接入提高了频谱资源的利用率。5G 通信网络预计将具有超庞大的网络容量，为每个用户提供每秒千兆数据的速率。5G 网络下 V2V通信的最大距离约为1000m，为V2X通信提供高速下行和上行数据传输速率，以便提高车辆之间数据传输的及时性和准确性。

为了扩大通信的覆盖范围，需要进行超高密5G组网建设工作的同时，还可利用5G 基站进行信号的中转。即使暂时没有5G 网络信号，也可利用短距离通信技术进行 V2X的通信工作，如在隧道内或偏远地段进行驾驶时。

智能网联汽车结合了大数据和通信技术，通过5G 网络可实现车辆本身与外界物体的通信功能。车辆本身在实现智能化的前提下，可自动激活识别和被识别功能，主要包括自动开启环境感知功能、自动开启数据处理的决策功能、自动开启车辆的控制功能。

例如，转弯后，有一辆车停在路上。通过摄像头和雷达等传感器可能会出现无法感知的情况，转弯后，即使立即做出决定和行动，也很难避免事故的发生。V2X技术可以通过D2D通信网络的信息共享，当前车辆停放时，在一定范围内被其他车辆感知，从而提前采取更安全的决策控制行为。V2X技术应用场景如图7-11所示。

图7-11 V2X技术应用场景

智能网联汽车技术真正的难点是安全问题，5G 技术应用的真正目的其实就是解决车辆安全驾驶问题，以达到最大限度地减少或减免交通事故的发生，保护车辆数据安全，收集数据，集成数据，实现最大化的安全策略。