移动数据通信技术基础概述
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一、什么是移动数据通信
1. 移动通信网与移动数据网
近十多年来，我国移动通信快速发展，移动通信网已实现从模拟网向数字网的转换。移动通信网与固定通信网一样，不论从用户对业务的需求，还是从网络运营商提供的服务以及通信设备研发生产商来看，都可以分为三个层次：语音；数据；视频和多媒体。可以将后两个层次的业务通称为移动数据业务，例如，短消息，传真、电子邮件、文件、图像、浏览网页等。能为用户提供移动数据业务的移动通信网，又可称为移动数据网。也有专门提供移动数据业务而不提供语音业务的，称为专用移动数据网（或简称为移动数据网，或无线分组数据网）。随着技术的发展，语音和视频等实时业务将完全以分组数据的形式传送，那时，移动通信网也就完全变成了移动数据网。
2. 移动数据通信与无线数据通信
这两个术语的含义比较相近，但有一定的区别。它们共同点在于数据通信都是通过无线信道和网络进行的，而主要区别就在于“移动”与“无线”二词。“移动”一词表示通信终端的三种运动状态：归属区静止、运动和漫游（访问区静止），实际上“移动”主要是指“运动和漫游”这两种状态。因此，“移动数据通信”就是指终端在三种运动状态下都能进行数据通信。而“无线数据通信”一词主要含义是指在静止状态进行数据通信，但如果无线网络能提供漫游服务，那么这种情况下的“无线数据通信”也是“移动数据通信”。能提供无线数据通信最典型的例子是无线局域网（WLAN）。随着网络技术的发展以及移动、无线网络与互联网的逐步演进和相互融合，传统的无线数据网也能支持终端在运动状态下进行数据通信。那时，无线数据通信与移动数据通信也就没有什么区别了。目前，如果分析和讨论的问题不涉及终端是否在运动中，只要不影响问题的实质，人们也常将这两种术语混用。
二、移动通信网的组成
移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。从通信技术层面看，移动通信网的基本技术可分为传输技术和交换技术两大类。
从传输技术来看，在核心网和骨干网中由于通信媒质是有线的，对信号传输的损伤相对较小，传输技术的难度相对较低。但在无线接入网中由于通信媒质是无线的，而且终端是移动的，这样的信道可称为移动（无线）信道，它具有多径衰落的特征，并且是开放的信道，容易受到外界干扰，这样的信道对信号传输的损伤是比较严重的，因此，信号在这样信道传输时可靠性较低。同时，无线信道的频率资源有限，因此有效地利用频率资源是非常重要的。也就是说，在无线接入网中，提高传输的可靠性和有效性的难度比较高。
从网络技术来看，交换技术包括电路交换和分组交换两种方式。目前移动通信网和移动数据网通常都有这两种交换方式。在核心网中，分组交换实质上是为分组选择路由，这是一种类似于移动IP选路机制（或称为路由技术），它是通过网络的移动性管理（MM）功能来实现的。
三、移动数据通信的发展
数字通信技术大大推动了移动数据通信技术的发展，它主要由两个特征来描述：数据速率（Data Rate）和移动性（Mobility）。移动数据速率正由窄带低速率（几kbps）向宽带高速率(几十Mbps以上)发展，移动性在静止、慢速、快速范围内。移动数据的业务将很快超过话音，并向移动多媒体通信发展。各种移动数据网和无线数据网都将成为互联网的无线扩展，形成全IP网络。各种移动和无线终端都可以在不同地点和各种运动状态下实现无线IP接入互联网，获得互联网的各种信息服务。
2. 移动数据网分类
按照覆盖范围可以分为两种：
a. 广域网：如基于各代（1G，2G，2.5G，3G）蜂窝网的移动数据网（如：AMPS/CDPD，GSM/GPRS WCDMA等），专用的公众移动分组数据网（Mobitex，Adis）。其主要特点是窄带低速、覆盖广、可快速运动。
b. 局域网：如WLAN，HIPELAN、WATM等。其主要特点是宽带高速率、覆盖窄、慢速运动，由室内向室外发展。
此外，数字集群系统（Tetra）和数字无绳电话系统（DECT、PHS）也可以提供移动数据业务。
3. 移动数据发展面临的挑战
a. 有限的频率资源与提高数据速率的矛盾，要求提高系统的有效性。
b. 开放式无线信道特性与传输的可靠性的矛盾，要求提高系统的可靠性。
c. 传统的IP网络选路与寻址方式与终端移动性的矛盾，要求解决移动性管理问题。移动IP是解决该问题的有效方案。
d. 实时业务（如话音、视频、多媒体）质量（QoS）要求与传统分组数据传输机制性能的矛盾。要求移动数据网引入新的机制，提高QoS保障能力。
e. 移动终端小型化、便携性要求（硬、软件资源有限）与功能多性能好要求的矛盾。当前利用无线应用协议（WAP）实现手机上网是解决该矛盾的一项新技术。
以上几方面（矛盾）构成了移动数据网基本的核心课题，其中a和b是网络空中接口要解决的基本核心课题，c和d是网络层要解决的基本核心课题，e是移动终端和应用要解决的基本核心课题。
四、移动数据网的基本核心技术
1. 空中接口的核心技术
空中接口主要涉及协议栈的物理层、MAC(媒质接入控制)层、数据链路层等。对移动无线网络来说，提高系统的可靠性和有效性关键在于物理层。随着移动通信技术的发展，物理层在多址、数字调制、功率控制、接收和检测等方面不断采用新的技术。在MAC层优化接入算法，提高接入效率。从而不断改善无线链路的性能。
2. 网络层的核心技术
在基于分组交换方式的移动数据网中，各种数据业务是以分组形式传送的，分组传送的基本要求一是选择正确的传送路径，二是按业务质量要求传送（如吞吐量、差错率、时延和时延抖动等）。这就构成了网络层的两个基本核心技术：选路（路由）技术和服务质量（QoS）。
（1）选路技术
各种移动数据网普遍采用类似于移动IP选路机制（或称为路由技术），它是通过网络的移动性管理（MM）功能来实现的。
移动IP是IETF提出的移动主机（MH）在互联网（IP网络）中的选路协议，该协议能对IP网络中的MH的动态路由进行管理。该协议是网络层的协议，与其底层的物理网络无关。移动IP采用代理技术和隧道技术来支持MH的移动性-即MH使用一个固定的IP地址在漫游过程中始终能保持它与网络中其他主机的IP路由不中断。
移动数据网中MM的选路机制虽类似于移动IP，但并不是同一个协议。因此，在移动网向全IP网络的发展演进过程中，MM的选路机制将逐步由移动IP来取代。
（2）服务质量（QoS）
移动数据网可以提供各种类型的业务，如语音、传真、短消息、文件、图像、视频、多媒体等。不同业务对质量（QoS）要求不同。评价QoS的主要指标有：吞吐量、差错率、传输时延、时延抖动等。不同业务的QoS指标是不同的。实时性强的业务（如语音、视频、多媒体业务）对各项指标要求都比较严（高吞吐量、低差错率、时延及其抖动小）。
QoS问题实质上是网络为业务提供资源保障的问题，这对基于电路交换的各种业务比较容易解决，但对基于分组交换的各种业务比较困难和复杂，尤其是无线链路的复杂性和移动终端的移动性给解决QoS问题增加了难度。在这种情况下，要由移动数据网的物理层、MAC层、链路层、IP层、TCP层和应用层共同来保障，各层要根据无线移动环境的特点和应用业务的要求采用相应的措施，进行优化、改进和适配。
五、移动数据业务和应用
1. 移动数据的业务
近些年来，移动通信迅猛发展，运营商把移动通信业务逐步从话音业务拓展到数据业务上来。移动数据业务是从短消息业务（SMS）发展起来的，很快形成一场短消息的热潮。
2.5G移动网和移动智能网技术的应用、移动互联网提供丰富多彩的内容以及灵活多样的商业模式，给移动数据业务的发展注入了强大的动力。移动数据网支持TCP/IP，因此目前种类丰富的互联网应用协议均可在此之上使用。随着WAP（无线应用协议）的采用，将会向用户提供更为丰富的增值业务，从而使得用户可以象固定用户一样方便地使用互联网上的各种服务，这将极大地促进移动数据业务的使用。
随着技术和市场的发展，运营商正在进一步提供多媒体消息业务（MMS）、视频电话、视频点播、无线高速上网以及其他移动数据业务。由此可见，运营商已经把目标从过去的单纯地提供语音业务迅速转变为提供以移动互联网为基础的数据业务。
在未来3G系统中，移动多媒体业务将占有重要地位。因此3G系统除传统电信业务外，还能有效地支持移动多媒体业务。多媒体业务在一个呼叫中集合了两种或两种以上的媒体组件，例如语音、数据、图像、影像。多媒体业务可以包括多个呼叫方和连接不同的呼叫方，可以提供不同的媒体组件，因此要求多媒体业务应该具有足够的灵活性，以便增加和删除多媒体组件和呼叫方。
下面简单介绍一下目前使用比较多的三种短消息业务：SMS（普通短消息业务）、EMS（增强型短消息业务）和MMS（多媒体短消息业务）。
SMS是最早使用的、目前普及率最高的一种短消息业务。目前SMS只是在手机内（或其他移动终端）输入一段文字（在140字节之内）后发送，由网络SMS中心储存转发给接收终端，使用简便，受到用户的欢迎，但在内容和应用方面受到限制较多。
EMS是SMS的增强版本，除了可以像SMS那样发送文本短信息之外，还可发简单的图像、声音和动画等信息，也可集成几种信息在EMS手机上显示。一条EMS短消息的容量可能是SMS的好几倍，因此对SMS和EMS采用不同的计费方式。
MMS最大的特色就是支持多媒体，对于信息内容的大小或复杂性几乎没有任何限制。MMS既可收发多媒体短消息，包括文本、声音、图像、视频等；还可以收发包含附件的邮件等。MMS支持手机贺卡、手机图片、手机屏保、手机地图、商业卡片、卡通、交互式视频等多媒体业务。因此，MMS使运营商可为用户提供多元化的移动数据服务，对用户很有吸引力。
2. 移动数据的应用
按应用领域主要有以下三种：
a. 社会应用领域：现场交易（销售、采购、股市、电子商务、电子银行）、公用事业（水、电、气）、公共服务（为公众提供信息服务）、交通娱乐服务业（班次、票务）、交通监控调度（车船队）、紧急公务（公安、消防、速递、救灾、急救）、现场工作人员（记者、医生、维护人员）、固定应用（POS机、无人售货机、水文气象遥测）等。
b. 私人应用领域：电子邮件、浏览web页、在线聊天、移动可视电话、视频新闻等。
c. 办公应用领域：移动办公室、现场电视会议等。
六、移动互联网
1. 移动互联网的形成
十多年来，互联网快速发展已遍及世界各个角落，互联网正在以强劲技术和市场动力发展成为世界公共统一的通信大平台。互联网不仅为人们提供丰富多彩的信息服务，而且将为人们提供电信级质量的语音、视频和多媒体通信服务。
与此同时，移动数据网也随着移动通信网快速发展。移动数据网有电路交换和分组交换两种交换方式，其核心网具有相应的外部接口分别与PSTN、ISDN、PDN和互联网相连，可以提供基于电路交换和分组交换的数据业务。同时，各种无线网络（如无线局域网WLAN和HIPERLAN, 无线个域网WPAN、无线Ad Hoc网络等）都采用IP技术与互联网相连。因此，各种类型的移动网和无线网成为互联网的无线扩展，或互联网的无线接入网，使得它们的各种移动和无线终端可以通过无线方式接入互联网，从而可以获得互联网的各种信息服务，并能在互联网平台上进行通信。这种扩展了的互联网称为移动互联网或无线互联网。
2. 移动互联网的发展
目前，人们根据移动网和无线网现状，一般认为“移动互联网”是指移动终端通过移动网接入互联网，支持终端的移动性（漫游和运动状态）；而“无线互联网”主要是指无线终端通过无线网接入互联网，不支持终端的移动性（实际上有的可支持漫游）。在实际应用中，前者主要是指手机可以在移动状态下接入互联网，后者主要是指笔记本和其他无线终端在静止状态下接入互联网。随着网络技术和建设以及终端技术的发展，上述两个术语在技术概念上的差异将会逐步缩小。有时，如果我们不关心网络是否支持终端的移动性，将两个术语混用也无妨。
在移动互联网中，移动网可看着固定互联网的无线扩展。这种“扩展”包含两层含义：形式上的扩展和内容上的扩展。前者是指移动网的网络结构和基础设施与固定互联网互联互通，互联网信息服务的范围扩展到移动网无线覆盖的区域；而后者是指固定互联网信息服务类型、内容和质量扩展到无线覆盖的区域。由于移动网是无线网络，与固定互联网相比是异质异构网络，网络技术发展具有渐进性和阶段性，因此，固定互联网的无线扩展（形式和内容两方面）也是逐步演进的，移动网的手机用户不可能很快得到与固定互联网完全相同类型、内容和质量的信息服务。
在现阶段的无线扩展中，移动网的三个组成部分都存在着技术上的障碍和限制：核心网的协议体系与互联网存在差异，无线接入网中无线链路速率的限制，移动终端资源和处理能力的限制。因此，我们必须在移动网和互联网之间引入一种“适配”机制，才能使手机可以获得互联网的信息服务。例如，WAP（无线应用协议）就是用来解决这个问题。WAP协议支持底层各种类型电路交换和分组交换的移动网和无线网，但网络须增加一个WAP网关，用来进行协议变换和面向手机的代码变换。这样人们使用WAP手机就可以获得互联网某种程度的信息服务。
随着核心网的技术发展和向全IP网络演进、无线通信技术的发展和无线链路速率的提高、采用新技术手机的功能增强并向电脑化发展，上述的障碍和限制将逐步缩小和消失，原有的适配功能将弱化或提出新的适配要求。手机通过移动互联网可以获得越来越多的固定互联网上丰富多彩的的信息服务，在信息服务的类型、内容和质量上逐步接近固定互联网。
近一年来，制造商陆续推出的功能强大的智能手机支持并可获得网络彩信（MMS）和视频流媒体服务，反映了移动互联网新的技术发展趋势。智能手机将使整个手机产业发生全新的变化，智能手机向电脑化方向发展的同时，将整合进PDA、数码相机、游戏机、MP3音乐播放机及其它消费类电子产品的功能。根据用户个性化需求，智能手机将向智能电脑手机、智能商务手机和智能娱乐手机三个主要方向发展。
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Abstract：In December 2013, our industry and issuing 4G licenses in China, 4G officially into the commercial formally to the three operators Ministry of Information. 4G technology is only in business, construction rising global deployment of 4G, 5G research work has been in full swing, in February 2013, the EU announced 50 million euros in funding to accelerate the development of 5G mobile technology, plans to launch a mature standard 2020 . Samsung said it has successfully issued 5G network to 1Gbps 28000 MHz band (GHz), compared to the current fourth-generation Long Term Evolution (4GLTE) transfer rate of service is only just 75Mbps. Boao Forum for Asia, April 8, 2013 were, director Wang China Mobile said the strategic decision of the Advisory Committee, from a global perspective, the rapid development of 4G has become a reality, 5G research is still in the rapid expansion and maturation. Key Words: 5G, performance characteristics, the development of dynamic evolution, wireless transmission, wireless network1、简要介绍二十一世纪以来，智能终端的普及以及移动业务应用的蓬勃发展，促使移动互联网呈现出爆炸式发展趋势，统计数据表明，无线业务流量以每年接近100%的速度增长，这意味着未来十年，无线数据流量将增长1000倍。数据表明，2020年后，现阶段正在部署的4G技术已经无法满足日益增长的移动互联网和物联网业务的发展需求。这正是5G发展的主要驱动力，未来的5G将服务于人们日常学习工作生活的方方面面，如：无线支付、移动办公、智能家居、位置服务、远程医疗等等。同时，也将与电网、交通、医疗、家居等传统行业深度融合，衍生出大量以物为主体的终端。这些都对未来的5G的性能指标提出了更多，更高的要求，与4G相比，除了速率、时延等传统的空口性能指标需要进一步提升外，还需要考虑用户体验速率、连接数密度、频谱效率、能效以及成本等进一步体现5G系统的先进性的指标。1.1 频带利用率高在 5G 移动通信技术中，高频段的频谱资源将被应用的更为广泛，但是在目前科技水平条件下，由于会受到高频段无线电波的穿透能力影响，高频段频谱资源的利用效率还是会受到某种程度的限制，但这不会影响光载无线组网、有线与无线宽带技术的融合等技术的普遍应用。1.2. 通信系统性能有很大提高传统的通信系统理念，是将信息编译码、点点之间的物理层面传输等技术作为核心目标，而 5G 移动通信技术的不同之处在于，它将更加广泛的多点、多天线、多用户、多小区的相互协作、相互组网作为重点的研究突破点，以大幅度提高通信系统的性能。1.3. 设计理念先进在通信业务中，占据主导地位的是室内通信业务的应用，5G 移动通信系统的优先设计目标定位在室内无线网络的覆盖性能及其业务支撑能力上，这将改变传统移动通信系统的设计理念。1.4. 能耗和运营成本降低5G 无线网络的“软”配置设计，将是未来该技术的重要研究、探索方向，网络资源可以由运营商根据动态的业务流量变化而实时调整，这样，可以有效降低能耗和网络资源运营成本。1.5 主要的考量指标5G 通信网络技术的研究，将更为注重用户体验，交互式游戏、3D、虚拟实现、传输延时、网络的平均吞吐速度和效率等指标将成为考量 5G 网络系统性能的关键指标。1.6 5G 移动通信技术的优点5G 移动通信技术，作为最新一代的移动通信技术，其应用必将大大提高频谱利用效率及其能效，在资源利用和传输速度效率方面较 4G 移动通信技术能提高至少一个等级，在系统安全、传输时延、用户体验、无线覆盖的性能等各个方面也将得到显著的提升。5G 移动通信技术结合其他无线通信技术后，将构成新一代高效、完美的移动信息网络，可以满足未来十年的移动信息网络的发展需求。不久的将来，5G 移动通信系统一定程度上还将具备较大的灵活性，实现自我调整、网络自感知等智能化功能，可以有充分的准备应对未来移动网络信息社会的不可预测的飞速发展。2、主要推动力2.1互联网的快速发展移动互联网的快速发展是推动5G移动通信技术发展的主要动力，移动互联网技术是各种新兴业务的基础平台，目前现有的固定互联网络的各种服务业务将通过无线网络的方式提供给用户，后台服务及云计算的广泛应用势必会对5G移动通信技术系统提出较高的要求，尤其是在系统容量要求与传输质量要求上。5G移动通信技术的发展目标主要定位在要密切衔接其他各种无线移动通信技术上，为快速发展的网络通信技术提供全方位和基础性的业务服务。就世界各国的初步估计，包括5G移动通信技术在内的无线移动网络，其在网络业务能力上的提升势必会在三个维度上同步进行：第一，引进先进的无线传输技术之后，网络资源的利用率将在4G移动通信技术的基础上提高至少10倍以上；第二，新的体系结构（如高密集型的小区结构等）的引入，智能化能力在深度上的扩展，有望推进整个无线网络系统的吞吐率提升大概25倍左右；第三，深入挖掘更为先进的频率资源，频谱资源是推动移动通信与信息产业发展的核心资源，4G时代频谱资源已经很紧缺，未来的5G不得不考虑这个严峻的问题，故需要深入挖掘更为先进的频率资源，比如可见光、毫米波、高频段等，使得未来的无线移动通信资源较4G时代扩展4倍左右。为了提升5G移动通信技术的业务支撑能力，其在网络技术方面和无线传输技术方面势必会有新的突破。在网络技术方面，将采用更智能、更灵活的组网结构和网络架构，比如采用控制与转发相互分离的软件来定义网络架构、异构超密集的部署等。在无线传输技术方面，将会着重于提升频谱资源利用效率和挖掘频谱资源使用潜能，比如多天线技术、编码调制技术、多址接入技术等等。2.2商业发展技术与商业发展是相辅相成的关系有时候是技术推动商业发展，有时候是商业竞争推动技术进步。在韩国，引入5G的一个主要原因就是助推经济发展，通过5G，韩国政府希望能够加大韩国运营商与制造商的投资和合作，实现国家基础设施设备业的发展。而在国内，运营企业和知名设备制造商对此也是摩拳擦掌，以期取得市场先机。据了解，华为早在2009年就启动了5G研究，并表示将在2013年~2018年间至少投资6亿美元进行5G研发。 3、5G的演进路线目前，4G已经进入规模商用阶段，5G是继4G后新一代的移动通信技术，从移动通信发展现状以及技术、标准与产业的演进趋势来看，未来5G移动通信技术的演进存在三条重要的演进路线，分别为以LTE/LTE-Advanced为代表的蜂窝演进路线、WLAN演进路线和革命性演进路线。 3.1 LTE/LTE-AdvancedLTE/LTE-Advanced已经是事实上的全球统一的4G标准，由于LTE的大规模技术革新已经大量使用了近20年来学术界积累的先进信号处理技术，如OFDM，MIMO，自适应技术等，在继续完善技术应用的同时，LTE-Advanced的技术发展将更多地集中在RRM（无线资源管理）技术和网络层的优化方面。并将会在5G阶段继续演进。在产业化方面，LTE在全球范围内的商用化进程在不断加快。标准化方面，虽然由于LTE与现有3Gpp版本存在版本兼容性差，导致4G商用在LTE方面需要投入较大的部署成本和较长的普及时间，但是3GPP R12版本的标准化工作正在对小小区增强技术、新型多天线技术、终端直通技术、机器间通信等新技术开展研究和标准化工作，新技术的投入带来的是更快，更好的LTE版本完善。随着更多的先进技术融入到LTE/LTE-Advanced技术标准中，给蜂窝移动通信带来了强大的生命力和发展潜力。3.2 WLAN无线局域网（WLAN）是当今全球应用最为普及的宽带无线接入技术之一，拥有良好的产业和用户基础，巨大的市场需求推动了WLAN技术的发展，大量的非授权频段也给WLAN技术提供了巨大的发展空间。在强大的市场需求推动下，WLAN与移动通信系统逐渐走向全方位的融合，在终端方面，WLAN已成为智能手机的必备功能，智能手机支持手机流量和WLAN之间的自动切换。在网络方面，越来越多地厂商开始提供完整地“蜂窝+WLAN”解决方案，实现了WLAN和蜂窝资源共享，不仅方便网络部署、运营、管理和维护、也可节约大量开支。由此可见，在移动数据业务快速增长的有力推动下，WLAN与移动通信走向广泛深入地融合已是未来的趋势，也许会在5G发展中出现根本性的变化。目前，IEEE已经启动了下一代WLAN标准“High-efficiency WLAN”的研究，将进一步提升运营商业务能力，推动WLAN技术与蜂窝网络的融合。3.3革命性技术此外，我们还应当特别关注可能出现的革命性5G技术。从蜂窝移动通信的演进路线来看，每一代演进都有革命性技术出现，从2G的GSM到3G的CDMA，再到4G的OFDM，那么，5G是否会出现新一代的革命性技术，而这种革命性技术是否需要与LTE演进采用不同的技术路线，进而产生新一代的空中接口技术，将成为我们重点关注的内容。4、5G关键性技术为提升其业务支撑能力, 5G 在无线传输技术和网络技术方面将有新突破。在无线传输技术方面, 将引入能进一步挖掘频谱效率提升潜力的技术，如先进的多址接入技术、多天线技术、编码调制技术、新的波形设计技术等; 在无线网络方面, 将采用更灵活、更智能的网络架构和组网技术, 如采用控制与转发分离的软件定义无线网络的架构、统一的自组织网络 (SON)、异构超密集部署等。5G移动通信标志性的关键技术主要体现在超高效能的无线传输技术和高密度无线网络 (high den-sity wireless network)技术。 其中基于大规模包含各类专业文献、应用写作文书、幼儿教育、小学教育、生活休闲娱乐、各类资格考试、中学教育、70移动通信技术论文等内容。　
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