早期的无线通信系统在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个半径可达几万米的覆盖地区。这种系统的主要缺陷是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远不能满足用户的需要。

20世纪70年代由美国贝尔实验室提出的蜂窝概念解决了这个问题。蜂窝系统把整个服务区域划分成若干个六角形的小区，形成了形状酷似“蜂窝”的结构，如图4-12所示。许多小区像蜂窝一样能布满任意形状的服务地区。蜂窝移动通信系统在每个小区设一个基站，各小区均用小功率的基站发射机进行覆盖，每个基站只管理本小区范围内的移动台。各个基站通过核心网的移动交换中心进行通信。

图4-12 蜂窝网络坐标表示

蜂窝移动通信系统具有以下两个特点。

1）频率复用。蜂窝移动通信系统利用超短波电波传播的传输信号的功率随着距离的增大而减小的特点，把两个用户在空间上分隔足够远的距离，就能使它们之间的干扰非常小，于是这两个用户就可以使用相同的频率进行各自的通信，从而使频率重复利用，系统所能承载的用户数也因此而大量增加。

2）小区分裂。当容量不够的时候，可以减小蜂窝的范围，划分出更多的蜂窝，进一步提高频率的利用效率。当然，小区的分裂也使得网络设计变得更加复杂，移动台在微小区滞留的时间较短，因此，需要快速处理切换。微小区也使位置管理变得更复杂，因为用户所在地可能被多个微小区覆盖。

蜂窝的概念大大提高了系统容量，解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。如果没有“蜂窝”概念，即使解决了无线电话的容量问题，手机也仅能为少数人服务，不会像现在这样“飞入寻常百姓家”。

蜂窝无线通信网络通常由三部分组成。

1）移动终端（MS），即用户设备。

2）基站（BS），与移动终端、移动交换中心通信，完成移动终端的接入功能。

3）移动交换中心（MSC），完成交换功能，与有线网络连接，负责呼叫控制、移动性管理等功能。

统一的管理功能一般由移动交换中心和基站分担实现，基站与移动终端之间是无线链路；移动交换中心与基站之间是有线传输链路，以上三部分即组成了一个最小化的移动通信网络，如图4-13所示。

图4-13 无线通信网络的结构

蜂窝移动通信的关键技术包括由于频谱受限而必需的话音编码技术和无线资源管理技术、由于共享信道而必需的多址技术，以及由于终端移动而必需的移动性管理技术。

1.全球移动通信系统（GSM）

GSM属于第二代移动通信系统（2G），采用数字语音调制技术，数字无线传输的频谱利用率高。GSM采用时分多址/频分多址相结合的多址方式：频分多址用于跨小区之间分享频段，时分多址用于同区不同用户的频段共享。GSM采用数字化语音和数字化调制技术，使用基本速率为13kbit/s的RPE-LTP编码。在保证话音质量的前提下，有效地改善了误码率。GSM采用高斯最小频移键控（GMSK）的调制方式，具有包络恒定、带外辐射少、抗噪声性能较好等优点。GSM以话音业务为主，也支持最高传输速率为9.6kbit/s的低速率的数据业务。

GSM的时分多址帧结构有五个层次，即时隙、TDMA帧、复帧、超帧和超高帧。

1）时隙是物理信道的基本单元。

2）TDMA帧是由八个时隙组成的，是占据载频带宽的基本单元，即每个载频有八个时隙；

3）复帧有以下两种类型：

①由26个TDMA帧组成的复帧。这种复帧用于业务信道（TCH）、慢速随路控制信道（SACCH）和快速随路控制信道（FACCH）。

②由51个TDMA帧组成的复帧。这种复帧用于广播控制信道（BCCH）和公共控制信道（CCCH）。

4）超帧是一个连贯的51×26的TDMA帧，由51个26帧的复帧或26个51帧的复帧构成。

5）超高帧由2048个超帧组成。在GSM系统中，超高帧的周期是与加密和跳频有关的。每经过一个超高帧的周期，循环长度为2715648，相当于每3h28min53s760ms，到达下一个超高帧系统将重新启动密码和跳频算法。

在GSM中一个时隙即是一个物理信道。逻辑信道在物理信道之上，根据传输消息种类的不同而划分使用物理信道，并最终映射到物理信道。逻辑信道又可分为控制信道与业务信道。业务信道传送编码后的话音或数据。控制信道用于传递信令和同步信息。控制信道又包括广播信道、专用控制信道和公共控制信道。

2.通用分组无线服务技术（GPRS）

GPRS是基于GSM系统的数据业务增强技术。它在GSM技术的基础之上，叠加了一个新的网络，同时在网络上增加一些硬件设备并进行了软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无线IP连接，把分组交换技术引入到了现有GSM系统，通过对GSM原有时隙的动态分配使用，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，增强了GSM系统的数据通信能力。

GPRS支持中、高速率数据传输，在同时捆绑同一频率的八个时隙时，可提供最高达160kbit/s的传输速率。GPRS的核心网络层采用IP技术，底层则可使用多种传输技术，可以方便地实现与主干网的IP网络的无缝连接。GPRS推动了移动数据业务的初次飞跃发展，实现了移动通信技术和数据通信技术的完美结合。

GPRS是介于2G和3G之间的技术，也被称为2.5G。GPRS目前仍常常被应用于中等速率的数据传输场合。

3.3G码分多址技术（CDMA）

CDMA用唯一的地址码来标识用户的多址通信方式。CDMA为每一用户分配一个唯一的码序列，并用它对所承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据，这是因为该用户码序列与其他用户码序列的互相关性远小于码本身的自相关性。由于码序列的带宽远大于所承载信息信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱，因此也称其为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。CDMA也被称为扩频多址，因为其对所传信号频谱的扩展给予了CDMA以多址能力，在提供多址接入的同时还获得了频谱的扩展。从扩频通信的角度来看，CDMA由于采用直接序列扩频的方式扩展了信号的频谱，获得了系统性能的提高；而从多址方式的角度来看，又是通过不同的扩频码来标识不同的用户和信道的。

CDMA具有抗干扰性强、抗多径衰落、保密性好、系统容量大、系统配置灵活等优点。(www.daowen.com)

CDMA是由美国高通公司利用美国军方解禁的“展布频谱”技术开发的。世界3G技术的三大标准：美国的CDMA2000、欧洲的WCDMA、中国的TD-SCDMA，都是在CDMA的技术基础上开发出来的。

第三代移动通信技术具有以下两个主要特点。

1）可实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能。也就是说，每个用户都有一个个人通信号码，带着手机，走到世界任何一个国家，人们都可以找到你，而反过来，你走到世界任何一个地方，都可以很方便地与任何用户通信。

2）能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务，3G下行速度峰值理论可达3.6Mbit/s，上行速度峰值可达384kbit/s。由于带宽的提高，第三代移动通信系统可以正常上网、下载文件和图片、传输图像，提供可视电话等多媒体业务。

4.4G长期演进技术（LTE）

LTE是由第三代合作伙伴计划组织3GPP制定的通用移动通信系统（UMTS）技术标准的长期演进。LTE系统引入了正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率。基于LTE的移动通信系统通常被称为第四代（4G）移动通信技术。

影响通信系统性能的因素包括信号传输速度和传输带宽。提高网络速率的方法是增加带宽和频带利用率。为了提高网络速度，LTE应用了OFDM和MIMO两项关键技术。

OFDM技术是多载波调制技术的一种。OFDM将大的频谱分为若干小的子载波，各相邻子载波相互重叠，相邻子载波通过傅里叶变换实现相互正交，从而使其重叠但不干扰。常规频分复用与OFDM的信道分配情况如图4-14所示。在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为N个相互不重叠的频率子信道。每个子信道之间要有保护间隔。而OFDM则是重叠在一起的，从而可以大大节省移动通信中宝贵的频谱资源。OFDM通过对高速数据流进行串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰（ISI），这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法即可消除ISI的不利影响。

图4-14 常规频分复用与OFDM的信道分配情况

MIMO在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高系统信道容量。

MIMO发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端对各根天线接收到的信号进行空时译码，从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同，MIMO大致可以分为三类：空间分集、空间复用和波束成行。

（1）空间分集（发射分集、传输分集）

空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。

空间分集技术其实就是多根天线传输同一个数据，但是多根天线上的数据护卫共轭，一个数据传了多遍，有分集增益，增加了传输可靠性，保证数据能够准确传输。

（2）空间复用（空分复用）

空间复用技术利用较大间距的天线阵元之间的赋行波束之间的不相关性，向一个终端/基站并行发射多个数据流，以提高链路容量（峰值速率）。

空间复用技术将要传送的数据分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。例如，两根天线传输两个不同的数据流，相当于速率增加了一倍。

（3）波束成形

波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效地提高天线增益。为了能够最大化指向用户的波束的信号强度，通常波束成形技术需要计算各根发射天线上发送数据的相位和功率，也称为波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。

4G LTE的实施使得无线通信速度得到了大幅提高。使用4G LTE，理论下行最大传输速率可以达到201Mbit/s，除去信令开销后约为150Mbit/s。根据实际组网以及终端能力限制，一般情况下用户下行峰值速率为100Mbit/s，上行为50Mbit/s。

5.第五代移动通信技术

第五代（5G）移动通信技术将在2020年左右全面启用。目前5G的技术标准还在制定之中。5G技术将具有高速度、低时延、低功耗的特点。预计5G技术在传输速度上会得到大幅度提高，理论峰值将达到20Gbit/s，实际实施中，在低速移动下传输速率会达到10Gbit/s，在高速移动下传输速率会达到1Gbit/s。

5G移动技术的全面推广将实现智能物体与互联网的全面连接。大幅度提高的传输速率使得大量的通过物体感知技术获取的数据可以迅速地被传输到工业互联网平台。大幅度降低的时延使得许多需要快速反应的应用，如无人汽车、智慧交通等可以通过无线通信网络实现。

6.窄带物联网（NB-IoT）技术

2016年6月，3GPP组织（移动通信标准化团体）将窄带物联网（NB-IoT）标准协议确定为物联网通信的全球统一标准。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被称为低功耗广域网（LPWA）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高的设备的高效连接。

作为一项应用于低速率业务中的技术，窄带物联网具有以下特点。

1）强链接。在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提高50～100倍的接入数，一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。举例来说，受限于带宽，运营商给家庭中每个路由器仅开放8～16个接入口，而一个家庭中往往有手机、笔记本式计算机、平板电脑、电视机、电冰箱、热水器、空调等众多家用智能设备，未来要想实现全屋智能，上百种传感设备需要联网就成了一个棘手的难题。而NB-IoT足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网的需求。

2）高覆盖。NB-IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力，不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。

3）低功耗。低功耗特性是无线应用的一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野偏远地区或海水下的各类传感监测设备，它们不可能像智能手机那样一天一充电，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年，甚至达到设备的整个生命期。

4）低成本。NB-IoT可以使用现有的无线通信网络，射频和天线基本上都可以复用。以中国移动为例，900MHz里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2GHz的频段，就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。

窄带物联网技术的应用使得对传输速率要求不高的大量的智能物体可以连入互联网，实现所有智能物体都能被连接入网的目标。