开发者学习笔记【阿里云物联网助理工程师认证（ACA）：蜂窝无线网络技术及常用场景（一）】
课程地址：https://edu.aliyun.com/course/3112060/lesson/18974
蜂窝无线网络技术及常用场景（一）
内容介绍
一．课程目标
二．1-5G无线技术
三．本节知识总结
四．随堂思考
一．课程目标
学习完节课程后，你将能够:
1.了解2G通信技术及常用场景
2.了解3G通信技术及常用场景
3.了解4G通信技术及常用场景
4.了解5G通信技术及常用场景
二．1-5G无线技术
G指的是Generation，也就是“代”的意思。1G~5G等的定义，主要是从数据传输速率、支持的业务类型、传输时间等角度给出，具体实现的技术不同。所以1G就是第一代移动通信系统的意思，2G 3G 4G 5G分别指第二、三、四、五代移动通信系统。如果后面出现6G 7G，那就分别表示第六代、第七代移动通信系统。
第一代移动通信系统即1G，采用模拟蜂窝移动通信，缺点是抗干扰性能差，同时简单的使用FDMA技术，使得频率复用度和系统容量都不高。
FDMA技术是平分多址技术，是把总宽带分割成多个正销的信道，每个用户通话时占用一个信道。比如把分配给无线蜂窝电话通信的频段分成30个信道，每一个信道每一次只能分配给一个用户，用户在这个信道上能够传输语音通话、数字服务和数字数据，依据使用这种平分多址的方式，每个短频只能传输一个用户的数据，所以频带占用较窄，移动设备简单，但是移动通信基站设备非常庞大和复杂，有多少个信号都要有多少个收发器，并且不同地区通信切换较为复杂，切换的过程中通信可能会中断十到数百毫秒。在FDMA系统中分配给用户一个信道，即一个频谱，一个频谱用作前向信道及基站向移动台方向的信道，另外一个用作反向信道及移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个用户之间进行通信都必须经过基站的中转，所以必须同时占用两个信道才能实现双方通信。这就是FDMA技术。
1G主要有两种制式，即来自美洲的AMPS和来自欧洲的TACS(中国当时跟随欧洲使用TACS)，其他比如德国和日本也都有自己的通信制式。按照刚才的介绍可以知道，1G采用的是模拟技术，1G系统的容量十分有限，并且每个地区和国家使用的制式也不同，所以1G系统先天不足，没办法真正大规模普及和应用，价格非常昂贵，成为当时的一种奢侈品和财富的象征。简单来说就是“大哥大”时代，大哥大非常贵，普及率并不高。只能打电话「语音时代」，不能发短信;信号不稳定，通话质量差;经常掉线、串号、盗号;不同国家通信系统不兼容，不能打越洋电话;各品牌不能互通。比如摩托罗拉使用的是美洲的AMPS，诺基亚使用的是欧洲的TACS，摩托罗拉的用户就不能打电话给诺基亚，诺基亚的用户也不能打电话给摩托罗拉，=因此这个时代的移动通信又称之为大哥大时代，也称之为语音时代。
第二代移动通信系统即2G，将手机从模拟通信转移到数字通信(采用的是数字的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术)，是以数字技术为主体的移动经营网络。时分多址英文缩写为PDMA，是一种为实现共享传输介质或者网络通用技术，只在一个相同的频率上，多个用户可以在不同的时间片来进行数据传输。比如下面是一个相同的频率段，现在有四个用户要在这个频道上进行通讯，在这个频道上给他划分出不同的时间片，在一号时间片传入用户一的数据，二号时间片传入用户二的数据，到第三个时间片就传入用户三的数据，时间片为四就传入四号用户的数据，这样多个用户就可以在同一个频率上占用不同的时间间隙来共同描述数据。
再举个例子，假如有一条大马路，有四辆车都要往前开，但是只有一个司机，假如这个司机是个闪电侠，他的速度非常快，在1ms之内就可以完成四辆车之间的切换，在0-0.25ms的时候开第一辆车，在0.25-0.5ms时开第二辆车，0.5-0.75ms时第三辆车，0.75-1ms的时候开第四辆车，然后再轮流对这四辆车进行驾驶。
同理，随着时间的推移，将单位时间分成四个间隙:
第一个间隙给用户一传输数据，
第二个间隙给用户二，
第三个间隙给用户三，
第四个间隙给用户四，
这样来进行数据传输，接收数据的时候也是一样的，在间隙一的时间内接收一的用户数据，间隙二的时间内接收用户二的数据，间隙三接收用户三的数据，间隙四接收用户四的数据，这就是时分多址技术。码分多址技术允许不同的用户数据在同一个频率或者同一个信道上进行数据传输.
每一类用户常数的数据都会有一个地址码，它们之间的地址码是不一样的，因此可以用这个地址码来区分他们的数据。这样在不同信道、不同频率上信号干扰也能够正确的识别出哪些数据属于哪个用户。以上就是TDMA和CDMA技术的介绍。
在2G通信时代，用户体验速率为10kbps，峰值速率为100kbps。这个速度对于现在4G、5G来说稍微差一点，但在当时已经非常先进了。技术引入了被叫和文本加密，SMS，EMS和MMS等数据服务。SMS（short message service）是在2G时代移动设备之间可以发送和接收文本信息的一种技术，一条SMS信息最多可以达到160个字节，大约是80个汉字。
但实际上一般的SMS短信对中文的限制是70个字，为什么还要发送一些其他的相关信息，比如文本加密的相关信息等.
SMS短信发送出去之后，是由GSM外部的SMC进行登记，SMC（short message service center）即短消息服务中心，与电子邮件类似，人们比较熟悉的GSM以及后面的网络都是对SMS提供支持；
EMS（enhance message service）即增强短信业务，是SMS的增强版本，是进入21世纪初提出的一个概念。这项业务的功能是除了发送文本外，还可以发送简单的图像、声音、动画等信息，EMS也可以在GSM网络上发送。
对EMS支持改动最大的是运营商的计费系统，因为图像、声音、动画所占用的流量要比发送文本短信更大；MMS是多媒体短信业务（multi message service），这项业务是根据3GPP和wap论坛的标准制定的。
这项多媒体短信业务是需要在GPS网络得CDMA2000EX网络的支持下，以wap无线应用协议为载体，传送视频片段、图片、声音和文字，也就是支持语音、因特网浏览、电子邮件、会话、电视等多种高速数据业务，可以实现及时的端到端、手机终端到互联网或互联网到手机终端的多媒体信息，可以作为明信片的电子版，提供的内容非常丰富。
MMS这项业务的发展最大的障碍是2G时代的网络速度限制，网络速度慢直接导致了资费过高，虽然在后面已经降下了很多，但是大多数用户还是接受不了的。在2G时代它的业务主要还是语音，但是是提供数字化的语音业务及低速数据业务，克服了模拟移动通信系统的弱点，语音质量、保密性得到了很大的提高，并可以实现省内省计的自动漫游。
但是第二代采用的制式仍然没有统一，移动通信标准还是不一样，只能在同一知识覆盖的小范围内进行漫游，还是无法进行全球漫游。虽然ems、mms支持声音、图片、图像、动画等传送服务，但是它的带宽是有限的，牵制了不少数据业务的应用，也无法实现高速率的业务，如移动的多媒体业务。
人们现在走路拿着手机就可以刷视频、看电影，这个在2G时代是完全不可能的，它的主流应用功能就是发短信、浏览网页、玩游戏，网络还是不稳定，网速也比较慢，所以2G时代也被称之为文本时代。以上就是2G无线网络技术的介绍。
3G无线技术
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，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，简称IMT-2000系统，欧洲电信业称之为 UMTS(通用移动通信系统)。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1890-2030MHz2110-2250MHz。
第三代移动通信系统是在第二代移动通信技术基础上进一步演进的以宽带CDMA技术为主，同时提供话音和数据业务的移动通信系统。第三代移动通信系统的目标是提供包括语音、数据、视频等丰富内容的移动多媒体业务。3G时代又被称为「图片时代」，主要提升了传输数据的速度，3G手机能快速处理图像、音乐、视频等媒体，提供电子商务、视频通话等多种信息服务。此时微博兴起，网络大V慢慢产生，微信也是从这个时代开始，流量套餐较贵，网速较2G时代有所提升，但仍然较慢。
世界3G技术的3大标准:欧洲WCDMA，美国CDMA2000，中国TD-SCDMA。
WCDMA
WCDMA(WidebandCDMA)标准由3GPP组织制定，它的主要特点是无线接入网采用WCDMA技术，核心网分为电路域和分组域，分别支持话音业务和数据业务，并提出了开放业务接入(OSA)的概念。
WCDMA的技术优势主要有以下几点:
1. 业务灵活。WCDMA允许每个5MHz载波处理从8kbit/s到2Mbit/s的混合业务。另外也支持在同一信道上即可进行电路交换业务，也可以进行分组交换业务，利用在单一动端上进行多个电路和分组交换连接，实现真正的多媒体业务，也可以支持不同质量要求的业务，如语音和分组数据，他们对质量的要求是不一样的，在支持不同质量要求的业务同时，能够保证高质量和完美的覆盖。
2. 频谱效率高。由于它采用单小区复用，因此不需要频率规划。它利用分层小区结构、四适应天线区阵和相干解调等技术，让网络容量得到大幅度的提高。
3.容量和覆盖范围大。WCDMA射频收发信机能够处理的话音用户是典型窄带收发信机的8倍，WCDMA的容量差不多是窄带 CDMA的两倍。更大的带宽能在上下行链路中使用，相干起标和快速功率控制允许更低的接收。
4.每个连接可提供多种业务。WCDMA符合真正的UMTS/IMT-2000要求，分组和电路交换业务可在不同的带宽内自由地混合，并可同时向同一用户提供。每个WCDMA终端能够同时接入多达六个不同的业务，这些业务可以是语音、传真、电子邮件和视频等数据业务的组合。
5.无缝的GSM/UMTS接入。双模终端在GSM网络和UMTS/IMT-2000网络之间能够提供无缝切换和漫游。
CDMA2000
CDMA2000是国际电信联盟(ITU)规定的第三代移动通信无线传输技术之一，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。
按照使用的带宽来区分，CDMA2000可以分为1x系统和3x系统。其中1x系统使用125MHz的带宽，提供的数据业务速率最高只能达到307kbit/s;在1x系统以后，国际上比较公认的发展方向是1xEV-DO和1xEV-DV系统。其中1xEVDO系统重点提高了数据业务的性能。
将用户的数据业务最大传送速率提高到2.4Mbit/s;而1xEV-DV系统在将数据业务最大速率提高到3.1Mbit/s的同时，又进一步提高了话音业务的容量。
CDMA2000技术特点:
1.具有多种信道带宽。前向链路支持多载波(MC)和直扩(DS)两种方式，反向链路仅支持直扩方式。当采用多载波方式时，能支持多种射频带宽。
2.可实现CDMA One向CDMA2000系统平滑过渡，并且它的建设成本较为低廉。核心网协议可使用IS-41GSM-MAP(很少使用)以及IP骨干网标准。
3.支持前向发送分集，快速前向功率控制。使用Turbo码、辅助导频信道、灵活帧长、反向链路相干解调等技术。
TD-SCDMA
TD-SCDMA是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术标准之一。
它得到了CWTS及3GPP的全面支持，是中国电信行业近百年来第一个完整的通信技术标准，是集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术，采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA 软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系数 自适应功率调整等技术。
TD-SCDMA技术特点:
1. 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力高。TD-SCDMA仅需要1.6MHz的最小带宽。在一个地区组成蜂窝网，支持移动业务。
2. 可通过动态信道分配(DCA)技术提供不对称数据业务。
3. 高频谱利用率。TD-SCDMA为对称话音业务和不对称数据业务提供的频谱利用率高。
4. 设备成本低。在天线基站方面，TD-SCDMA的设备成本低。有三个原因：
第一个原因是由多天线阵相干收发信机和DSP算法组成的智能天线，具有降低多址干扰，提高容量和接收灵敏度，以及降低发射功率和天线基站成本的优点，
第二个是各终端上行链路信号在基站解调器完全同步即扇形同步。它的优点是cdma码道正焦，降低码道间干扰，提高cdma容量，可以简化基站硬件，降低天线基站成本。
第三个原因是通过DSD软件来实现无线电功能，即利用软件无线电技术来实现智能天线和多用户检测等基站数字信号处理，使系统可灵活的使用新技术，降低产品开发周期和成本。
5. 系统兼容。TD-SCDMA同时满足lub、A、Gb、lulur多种接口的要求，所以TD-SCDMA基站子系统既可以作为2G和2.5g GSM基站的扩容，又可以作为3G网中的基站子系统，能同时兼顾现在的需求和未来的发展。
3G基本特征
1. 具有全球范围设计的、与固定网络业务及用户互连、无线接口的类型尽可能少和高度兼容性;
2. 具有与固定通信网络相比拟的高话音质量和高安全性;
3. 具有在本地采用2Mb/s高速率接入和在广域网采用384Kb/s接入速率的数据率分段使用功能;
4. 具有在2GHz左右的高效频谱利用率，且能最大程度地利用有限带宽;
5. 移动终端可连接地面网和卫星网，可移动使用和固定使用，可与卫星业务共存和互连;
6. 能够处理包括国际互联网和视频会议、高数据率通信和非对称数据传输的分组和电路交换业务;
7. 支持分层小区结构，也支持包括用户向不同地点通信时浏览国际互联网的多种同步连接;
8. 语音只占移动通信业务的一部分，大部分业务是非话数据和视频信息，比如微博浏览网页，刷微信等；
9. 一个共用的基础设施，可支持同一地方的多个公共的和专用的运营公司;
10. 手机体积小、重量轻，具有真正的全球漫游能力;
11. 具有根据数据量、服务质量和使用时间为收费参数，而不是以距离为收费参数的新收费机制。
4G无线技术
第四代通信技术集3G与WLAN为一体，可以在一定程度上实现数据、音频、视频的快速传输，比以往我国家用的ADSL家用宽带快25倍，速度可以高达100Mbps。
几乎满足了所有用户对于无线服务的需求，可以使用各种丰富多彩的应用，例如各种视频APP和视频直播「视频时代」，移动支付等。
4G特点
1. 极强的信号传播能力，在满足常规通信功能要求的同时，也能满足某些高图画质量要求的电视业务及视频会议功能要求。
目前，国内的移动通信运营商所采用的是3G与4G混合服务的通信模式，人们在玩手机的时候，有时候信号不好就会显示3G，好就会显示4G，偶尔不好的情况下也会显示2G，在满足基本通信功能的基础上也为用户提供高质量数据信息交换服务，实现多媒体通信。
2. 极快的传输速度，它的网络频宽在2~8GHz，相当于3G网络通信通用频宽的20倍左右。
3. 极高的智能化水平，主要体现在应用功能方面，比如它拥有自主选择和处理能力。例如，4G手机可时刻根据用户需求提供个性化定制服务，比如人们比较常用的地理位置定位。虽然该技术在3G网络上就已经有所体现，但4G技术支持下的地理位置定位则更精确、更快速，可为用户提供导航设备一般的定位系统服务，非常便利。不需要专门买导航，直接用手机导航就可以。
4. 高质量多媒体通信。
5. 保密性及兼容性强，能无缝连接不同类型的移动通信业务和无线网络。
4G核心技术
1.OFDM技术，作为4G移动网络系统的核心-OFDM技术(正交频分复用)，其本质是多载波调制技术的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输，它具有较好的抗多径衰弱的能力，能够支持多用户接入。OFDM技术就有以下优点:(1)频谱利用率高;(2)抗衰落能力强;(3)传输速率高。
2.智能天线技术，4G移动网络是将SDMA技术(空时多址技术)作为其智能天线技术，在区分具有相同的频率、时隙和码道的传输信号时，利用不同信号在传输信道上传输方向的不同这一差异。
如图所示帮助大家理解,假如这是卫星,上面有很多天线，象征性的画四个，每一个天线的触波射向地球表面的不同区域，a区域、B区域、C区域等等，这样地面上不同地区的地球站在同一时间即使使用相同的频率工作，他们之间也不会形成干扰，因为每个天线的区域不同，同一个时间同样的频率，但是由于空间位置不一样，信息传送的时候不会形成干扰，这个就是空时多址技术。利用这个技术，还可以改变传输信号的覆盖范围，比如可以控制这个电线的竖波是向其他区域，或者把它的区域扩大一点，还可以将主波束与用户，零陷与干扰信号方向相对，到达环境变化的自动化监测，为终端用户提供高质量的传输信号，达到真正抑制和清除干扰噪声信号的目的，起到提高数据传输能力的作用。
3. MIMO技术，MIMO技术主要用的是分立式多天线技术，举个例子，当有一个信号发送过来，如果只有一个天线去接收，假如这根天线的数据传输速率是1MB每秒，每秒接收的数据量就是1MB，如果现在用三根同样的天线去接收数据，他的速度会就更快。假如发送过来数据的速据是3MB/s，用一根天线去接收需要三秒才能接收完，使用三根天线去同时接收一秒就可以接受完。
就像干活一样，一堆活只有一个人去干，速度就没有多个人一起快。发送数据是一样的，通过一根天线发送数据只有1MB/s，通过多个天线一起发送的速率就会有所提升，它的核心就是将一个网络通信链路分解成多个并行的因此可以实现空间上的分集，从而使得一个网络通信链路分解为多个并行的通信子通道，最终增加了网络带宽的数据容量。这种技术在电力有限、带宽受限的无线网络传输中，可以获得更高的数据传输速率、更大的传输容量。
4. 软件无线电技术，在4G移动网络环境下，要想实现在任何环境下用户都能够在任何时候的访问无线网络，必须要确保该用户界面的移动通信终端可以兼容所有类型的无线网络接口，它可以实现用户在不同网络环境下切换业务操作，无缝漫游。
因此，在4G移动网络环境中，软件应用程序将变得更加复杂，通信领域的专家提出一种新技术，软件无线电技术，其核心技术是数字信号处理，技术支撑是无线电微电子技术。
5. 多用户检测技术，多用户检测技术可用于4G移动通信系统用户终端和信号基站上。
多用户检测技术的目标是:在同一时间内，将占用传输信道全部用户的信号都认为是有用的信号，而不是将它作为噪声去处理，同时利用各种信息技术进行分析和处理，以实现对多用户信号的联合检测。
4G技术常用场景
1. 电视直播，利用4G网络进行电视信号的传输，一方面可以降低传输的成本，另一方面提高电视信号的质量和速度，甚至实现超长距离的传输。
2. 移动医护，在大中型医院中，医院为了为医护人员与病人之间建立比较完善的沟通系统，所以在医院内部设置了依靠移动医疗服务的综合信息化解决系统，即移动医护。
利用移动医护系统，医护人员可以借助手持的智能终端设备更加准确并有效的开展对病人的诊疗工作，如果病人有需求或者有突发状况，可以直接通过手持设备对医生进行呼叫，这一切都是基于医院内部设立的无线通讯信号和专门的信息传输线路来实现的。
医护人员和病人之间的沟通更加方便，一方面可以提高医护人员的工作效率和质量，另一方面可以避免延误病情。
3. 智能手机。智能手机中大多采用了4G通信技术，通过使用该技术，手机的通话质量能够得到很好的提升。
除了在通话方面有了很大的进步之外，其它数据的传输质量和速度也有了很大的提高。比如，4G智能手机可以进行互联网购票网上购物，天气查询，娱乐休闲等，得到更多的信息化服务。
5G无线技术
其峰值理论传输速度可达20Gbps，合2.5GB每秒，比4G网络的传输速度快10倍以上。举例来说，一部1G的电影可在4秒之内下载完成。下图是4G和5G的对比图：
4G的延迟大概在10ms，而5G是小于1ms，4G峰值传输速度是1GB，而5G是4 GB，4G的可用屏幕是3GHz，而5G的可用屏幕是30GHz。
5G的技术创新，主要来源于无线技术和网络技术两方面。无线技术方面它使用的是广播，广播的特点是传输速度快，数据的容量大，但是它的穿墙能力很弱，不能远距离传输，所以5G的基站就设置了很多个小天线，并且有大规模的天线矩阵，2G、3G、4G的一个基站的天线数量是很少的。
以前通信的一个场景就是大家都连到一个基站上面，而5G电波由于本身的特性不能远距离传输，所以就需要建立大量的5G基站。5G基站不像2G、3G、4G的基站一样大，它的大小可能是一台电脑、一个盒子或者制造成一盆花的形状放在公共场所供大家使用。
形象的表示是以前100个人都连接到同一个基站上面进行通信，5G基站变多之后，这100个人就可以分别连到不同的5G基站，进行更好的上网体验。在数据传输的时候，5G基站采用的是竖波传输，以前是发散进行传输数据，现在是竖波定向的把数据传输到用户终端，这样速度更快。在网络技术领域产生了新型网络架构，这种网络架构基于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)。
5G无线技术应用场景
1. 远程医疗。由于它的速度非常快，以G为单位进行传输，所以远程医疗的时候几乎没有延时的，实施远程操作，这样就可以提供处理紧急医疗的服务。
2. AR虚拟现实，包括全新投影、VR虚拟现实协同工作。
3. 智能制造，包括生产制造、智能物流、分解机器人、无人机、智能农业等，为信息数据的存储、函数共享等提供一个安全、稳定、高效的环境，有助于提升工业互联网的监控、重现、分析能力，便于发现工厂运行中存在的问题，进而解决问题，提高工作效率。
4. 5G技术还可以应用于深度学习、智慧城市、物联网、家用宽带等智慧交通、自动驾驶。
