带你读《6G重塑世界》第一章移动通信发展概述1.2移动通信系统的发展历程(三)-阿里云开发者社区

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带你读《6G重塑世界》第一章移动通信发展概述1.2移动通信系统的发展历程(三)

简介: 带你读《6G重塑世界》第一章移动通信发展概述1.2移动通信系统的发展历程
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1.2.3        4G改变生活[2]

 

随着移动通信在宽带化、高速率等方面的逐步演进,其与互联网之间呈现出相辅相成的发展趋势。特别是智能手机的出现和普及,加速了移动互联网业务与应用的普及与发展,移动互联网已毋庸置疑地成为最具市场潜力的发展领域。随着智能手机的快速普及以及互联网应用的不断革新,3G网络的能力已经不能满足业务发展的需求,面向移动互联网业务应用的新一代移动通信系统(4G)呼之欲出,但 4G的出现和发展相当具有戏剧性。


在 3G发展的初期,3G网络并没有给运营商和用户带来其所期待的能力和业务质量,特别是在初期,3G语音的质量远远达不到 2G的水平,运营商对 3G的发展产生了动摇。直到后期,运营商应用了基于分组交换的数据业务解决方案(HSPA或者 EV-DO),带来数据业务的快速发展和增长,才给运营商带来了新的希望。但由于全球大多数运营商为获得3G的频率而向管制机构支付了巨额的频率许可费用,再加上 3G网络建设的巨额成本,全球主要运营商并没有积极性去研究和部署更新一代的移动通信技术,特别是在 3GPPHSPA的研究和制定中,更是否定了相对于CDMA来说革命性的 OFDM技术。


2004 年下半年,随着移动互联网的发展前景逐渐明朗,以 Intel为首的 IEEEWi-Fi阵营面向移动互联网应用推出了竞争性新技术——全球微波互联接入(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess,WiMAX),并在全球的新兴运营商中得到普遍支持和快速应用,这给 3GPP自身的技术发展和传统蜂窝移动通信运营商的市场发展带来了严峻的挑战。


所以,全球蜂窝移动通信运营商和设备商不得不开始就 3G之后的全新技术演进展开讨论,以应对WiMAX带来的威胁。2004年 11月,3GPP在加拿大举办研讨会,讨论下一代移动通信技术的发展。中国移动、NTTDoCoMo、AT&T、Vodafone、T-Mobile和 Orange等主要运营商和各主要设备商在内的参会各方畅所欲言、各抒己见,提出了对下一代移动通信系统的看法和建议,达成了“3GPP   需要马上开始进行下一代演进技术的研究与标准化、以保证未来竞争力”的共识。此处的下一代移动通信系统被暂定名为“长期演进”(LongTermEvolution,LTE)。


为此,3GPP首先定义了 LTE需要满足的各种条件和指标需求,主要有以下几个方面[1]


·  较之 3G系统,LTE极大提高系统的带宽和峰值速率——最高支持 20MHz

带宽,上行峰值速率达到 50Mbit/s,下行峰值速率达到 100Mbit/s。

·  有效提高频谱的利用效率:单位带宽吞吐量达到 3GPPRelease6版本 HSPA的 24倍,同时保证小区边缘数据速率,降低每比特数据的成本,改善用户实际体验。

·  支持 TDD和 FDD两种双工方式,并尽可能保持这两种双工方式的技术一致性,避免市场分化。

·  支持从 1.4MHz到 20MHz的系统带宽,以支持运营商的各种频谱部署场景,包括对GSM/CDMA等窄带系统占用频谱的再利用。

·  支持从静止到高速移动的全部陆地应用场景:终端移动速度在 015km/h时,系统的性能保持最优;当移动速度在 15120km/h时,系统性能不能有明显下降;当终端以 350km/h 速度移动时,连接不能中断。

·  取消电路交换CircuitSwitchCS)业务,对包交换业务提供端到端服务质量(QualityofServiceQoS)保障。

·  能够与其他系统进行互操作。LTE系统可以与 2G/3G系统进行交互,从而当LTE没有实现完全覆盖时,仍然能够保障用户在使用移动互联网时的业务连续性。

·  通过扁平化的网络架构,极大地降低无线接入网络的时延。无线网空载时的单向传输IP空包所需时间不能超过 5ms,相对 3G的百毫秒量级时延,是一个巨大的改进,有利于提高交互式在线游戏、高清视频会议等众多实时业务的服务质量。


之后,3GPP经过艰苦的可行性研究和详细的规范制定,最终制定了 LTE标准,在 2009年发布了 Release8,并在后续的版本中不断完善和发展,先后推出了LTE-Advanced和 LTE-Advanced-Pro的演进标准。在 3GPP中,无线电接入网技术规范组(TechnicalSpecificationGroupRadioAccessNetwork,TSGRAN)负责无线电接入网络标准制定,系统架构技术规范组(TechnicalSpecificationGroupSystemArchitecture,TSGSA)负责整体架构制定,分别对应于无线电接入网层面的演进(即LTE)和系统架构演进(即 SAE),在后来的标准化过程中改称为“演进的分组核心网/系统(EvolvedPacketCore/System,EPC/EPS)”。


相对于过去几代系统,LTE是真正面向数据业务的全新一代移动通信系统,完全基于分组交换,采用了更大的带宽(单载波最大 20MHz)、全新的多址和复用技术(下行采用正交频分多址(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing/OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDM/OFDMA),上行采用单载波频分多址

(SingleCarrier-FrequencyDivisionMultipleAccess,SC-FDMA))以及 MIMO技术,将系统的传输效率进行了大幅的提升。同时LTE还对其多个 TDD制式进行了融合,仅保留了一个TDD制式(TD-LTE),使得标准归于统一。同时,在全球主流运营商和设备商的共同努力下,全球运营商联盟 NGMN将WiMAX排除在了其 4G候选技术之外,再加上以美国的 Verizon和中国电信为代表的 3GPP2运营商纷纷宣布放弃 cdma2000的后续演进技术 UMB,使得 LTE成为移动通信行业的事实唯一 4G标准,全球移动通信行业第一次实现了标准的统一,如图 1-3所示。

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图 1-34G全球标准的统一[1]

 

2010年,瑞典的运营商率先开始了 4G的商用部署,由此拉开了 LTE商用的序幕。迄今为止,全球共部署 LTE基站超过 672万个,仅中国移动就部署 4G基站 270万个,中国联通和中国电信部署规模总数和中国移动相当,所以中国的 4G发展给全球的 4G发展提供了很好的参考和强劲动力。在整个 4G的发展中,可以看到,TDD的发展异军突起。由于 TDD在大带宽频率、灵活的时隙配比、智能天线技术等方面的天然优势,TDD非常适合于移动互联网业务的非对称数据流量,所以在全球TD-LTE发展联盟(GlobalTD-LTEInitiative,GTI)的推动下,TD-LTE在全球有超过 228个网络。


2013年以来,中国 4G网络一直保持蓬勃发展,云计算、大数据等技术日趋成熟,夯实了移动互联网发展的云、管、端三大基础,助力移动互联网释放活力,开启了移动互联网新时代。目前,移动互联网应用非常丰富,涵盖了社交、支付、出行、直播等方方面面,不论是无形的数字虚拟商品,还是有形的实体商品及服务,都可以通过移动互联网的方式随时随地获取,极大地方便了人们的生活,也深刻地改变了人们的生活方式,具体有以下体现。


一是信息、商品、服务等通过移动互联网的应用和智能硬件的普及实现了数字化和在线化,使人们可以随时随地地自由连接、获取,给生活带来了极大便利。


二是人们可以依靠网络自由连接形成社群,口碑传播影响力大增,加之特有的低搜寻和转移成本,使得人们可以低成本地重新选择产品,带来移动互联网“以用户为中心”的特征,消费者的权益得到极大扩张。


三是移动互联网及智能硬件作为新型生产工具极大地延伸了人的能力。比如现在如火如荼的共享经济,使得人们可以根据需求使用,根据使用付费,变所有权为使用权,极大地降低了生活成本和创新成本。


四是移动互联网带来个体意识的觉醒,人们利用网络平台,可以快速找到认可某种独特价值的共同体,使得该项价值被放大。比如近些年非常火爆的直播应用、网红经济、知识分享应用等。


在 4G发展的后期,智能手机和移动互联网业务的发展也带动了整个社会的信息化和数字化,物联网的应用开始快速增长,于是 3GPP基于 LTE推出了面向低功耗、大连接、低成本、广覆盖应用场景的增强型机器型通信(enhancedMachineTypeCommunication,eMTC)和窄带物联网(NarrowBand-InternetofThings,NB-IoT)标准,希望帮助运营商开拓基于授权频谱的物联网市场。随着 eMTC和 NB-IoT芯片的不断成熟,以及 eMTC和 NB-IoT网络覆盖的不断扩展和改善,物联网的应用正在快速增长,共享单车、市政路灯、烟感、智能抄表等应用快速普及。但由于物联网应用市场的碎片化和差异化,目前的 eMTC和 NB-IoT解决方案并不能完全满足更多应用场景的需求,新连接、新需求的不断涌现推动着移动通信技术演进。

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