1.1 移动通信的标准化

1.1.1 第三代移动通信标准化组织

第三代移动通信系统（The Third Generation Mobile Communication），又被国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）称为IMT-2000，意指在2000年左右开始商用并工作在2 000MHz频段上的国际移动通信系统。IMT-2000的标准化工作开始于1985年。第三代移动通信标准规范具体由第三代移动通信合作伙伴项目（3G Partnership Project，3GPP）和第三代移动通信合作伙伴项目二（3G Partnership Project 2，3GPP2）分别负责。3GPP作为国际移动通信行业的主要标准组织，完成了第四代移动通信（简称4G）的标准化工作，并承担第五代移动通信（简称5G）国际标准技术内容的制定工作。

1.第三代移动通信的目标

① 全球统一频谱、标准，实现全球无缝漫游。

② 更高的频谱效率，更低的建设成本。

③ 能提供较高的服务质量和保密性能。

④ 能提供足够的系统容量，方便2G系统的过渡和演进。

⑤ 能提供多种业务，适应多种环境。快速移动环境中最高传输速率可达144kbit/s，室外到室内或步行环境中最高传输速率达到384kbit/s，室内环境中最高传输速率达到2Mbit/s。

2.第三代移动通信的特征

相比于第二代移动通信，第三代移动通信具有如下特征。

① 3G系统具有大容量语音、高速数据和图像传输的能力。IMT-2000提供给用户的基本服务包括高质量的语音传输、消息服务、多媒体业务、Internet访问、Web浏览、视频会议和移动商务等。

② 3G系统可以基于第二代移动通信系统平滑过渡和演进。

③ 3G系统采用了新的通信技术。3G系统普遍采用了无线宽带传输、复杂的编解码方案、高阶的调制解调算法、功率控制技术、新的切换算法、智能天线、分集技术等。

3.第三代移动通信的标准化组织

（1）3GPP

① 3GPP的组织机构。第三代移动通信合作伙伴项目（3GPP）是由欧洲电信标准化协会（ETSI）、日本无线工业及商贸联合会（ARIB）、日本电信技术委员会（TTC）、韩国电信技术协会（TTA）以及美国电信标准委员会（T1）等标准化组织在 1998年底发起成立的，1998年 12月正式成立。中国无线通信标准化组织（China Wireless Telecommunication Standard Group，CWTS）于1999年在韩国正式签字加入3GPP，成为3GPP的组织伙伴。

为了确保3GPP的高效运转，3GPP建立了4个不同的技术规范组（Technical Specification Group，TSG），分别为核心网络和终端、业务和系统、无线接入网、GSM/EDGE无线接入网，每组又被分为不同的工作组。3GPP的组织机构如图1-1所示。

② 3GPP工作。3GPP的主要工作是研究制定并推广基于演进的GSM核心网络的3G标准，即制定以GSM移动应用部分（GSM Mobile Application Part，GSM MAP）为核心网，通用陆地无线接入（Universal Terrestrial Radio Access，UTRA）为无线接口的标准。

2000年，有关GSM的标准工作从ETSI和其他组织正式转到3GPP组织，成立了TSG GREAN工作组，负责通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）和增强型数据数率GSM演进技术（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）的标准化工作。

TSG RAN的工作就是制定UTRA空中接口规范，5个不同的工作组分别负责UTRA空中接口不同方面的标准化工作。该工作组除了负责制定WCDMA标准外，TD-SCDMA，HSPA等的标准化工作也在TSG RAN中完成。

3GPP制定了WCDMA，CDMA-TDD（含TD-SCDMA和UTRA-TDD，其中TD-SCDMA标准由中国提出），EDGE等具有3G特征的标准。3GPP的3G标准目前有多个版本，包括R99，R4，R5，R6，R7，R8等有关标准。

3GPP的R8标准中推出了长期演进（Long Term Evolution，LTE）移动通信系统的第一版，在R9对LTE标准进行局部增强。LTE-A的第一个版本R10已被ITU接纳为4G国际标准。之后LTE-A又相继形成R11，R12 2个演进版本，R13阶段已经启动，将继续向提升网络容量、增强业务能力、更灵活使用频谱等方面发展。

（2）3GPP2

① 3GPP2的组织。第三代移动通信合作伙伴项目二（3GPP2）由美国独立电话联盟委员会（TIA）、日本ARIB和TTC、韩国TTA等4个标准化组织发起，1999年1月正式成立。CWTS于1999年6月在韩国正式签字加入3GPP2，成为3GPP2的组织伙伴，在此之前，我国是以观察员的身份参与3GPP2的标准化活动。3GPP2的组织机构如图1-2所示。

② 3GPP2工作。3GPP2的主要工作是制定以ANSI/IS-41为核心网、cdma2000为无线接口的3G标准。ANSI（American National Standards Institute）是美国国家标准学会，IS-41协议是码分多址（Code Division Multiple，Access，CDMA）第二代数字蜂窝移动通信系统的核心网移动性管理协议。3GPP2的标准化工作受到拥有多项CDMA关键技术专利的高通公司的较多支持。3GPP2的标准化演进采用和3GPP类似的演进路径，面向数据通信的方向演进。

3GPP2已制定了cdma2000标准，已发布R0，RA，RB，RC，RD等标准。LTE提供了与3GPP2 开发系统的互操作功能，允许使用3GPP2系统的网络运营商平滑向LTE演进。

1.1.2 第三代移动通信技术标准

1.第三代移动通信标准的提出

第三代移动通信标准通常指无线接口的无线传输技术标准。截至1998年6月30日，提交到ITU的陆地第三代移动通信无线传输技术标准共有10种。ITU延续了在多址接入方面以CDMA为主，辅以时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）或者两者相结合的策略，1999年11月5日在芬兰赫尔辛基召开的ITU TG8/1第18次会议上最终确定了5种技术标准作为第三代移动通信的基础，见表1-1。

采用CDMA接入技术的3种候选方案成为第三代移动通信的主流标准。3种主流标准的工作方式分别为频分双工-直扩（FDD-DS）、频分双工-多载波（FDD-MC）和时分双工（TDD），对应的标准分别为WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA/UTRA-TDD。

（1）IMT-2000 CDMA-DS

IMT-2000 CDMA-DS又称宽带码分多址（Wide band CDMA，WCDMA）。WCDMA的核心网基于演进的GSM/GPRS网络技术，空中接口采用DS-CDMA多址方式。

WCDMA技术可在同一个载频内对同一用户同时支持语音、数据和多媒体业务；基站收发信机之间可以不用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）同步；优化的分组数据传输方式；支持不同载频之间的切换；上、下行快速功率控制；反向采用导频辅助的相干检测技术，解决了CDMA中反向信道容量受限的问题；还采用了自适应天线、多用户检测、分集接收和分层小区结构等技术。

（2）IMT-2000 CDMA-MC

IMT-2000 CDMA-MC又称cdma2000。cdma2000是基于IS-95标准的各种CDMA制造厂家的产品和不同运营商的网络构成的一个家族概念，从IS-95演进而来的cdma2000标准是一个体系结构，称为cdma2000家族，它包含一系列子标准，经过融合后含多载波（Multi-Carrier，MC）方式，即单载波（1x）、三载波（3x）等方式。

cdma2000可支持语音、分组和数据等业务，并且可实现QoS的协商。cdma2000沿用了IS-95的主要技术和基本技术思路，如帧长为20ms、软切换和功率控制技术、需要GPS同步等，同时也在提高性能和容量上做了一些实质性的改进。

（3）IMT-2000 CDMA-TDD

IMT-2000 CDMA-TDD目前包括低码片速率TD-SCDMA和高码片速率UTRA-TDD 2个技术。TD-SCDMA（Time Division Synchronous CDMA）采用时分-同步码分多址技术。UTRA-TDD采用通用陆地无线接入-时分双工技术。TD-SCDMA是中国提出的国际标准，目前已经在我国国内建网，而 UTRA-TDD 标准制定现在已处于停顿状态，所以通常提到IMT-2000 CDMA-TDD即指TD-SCDMA。

TD-SCDMA 采用时分双工（TDD）技术，频谱分配上更加容易；由于时隙等资源的灵活调配，在提供上、下行非对称的高速数据传输方面有很大的优势。TD-SCDMA系统上、下行使用相同频率，上、下行链路的传播特性相同，易于引入智能天线、多用户检测等新技术，有利于提高无线频谱利用率。

2.3大主流技术标准性能对比

3G的3大主流技术的网络基础、核心网、空中接口、码片速率、载频间隔、扩频方式、同步和功控速度等主要技术特点见表1-2。

1.1.3 移动通信标准化进程

移动通信标准的制定主要由2个标准化组织3GPP和3GPP2负责。移动通信标准依靠不断增加新特性来增加自身的竞争力，使用并行版本体制。下面按照移动通信标准技术规范的不同版本，介绍移动通信3G，4G，5G的标准化进程。

1.3GPP技术规范的版本划分

（1）R99版本

R99版本的功能于2000年3月份确定，是3GPP制定完成的第一个3G正式版本，有时称为UMTS标准，后续版本不再以年份命名。

R99版本的主要特征是在网络结构上继承了2G系统的GSM/GPRS核心网结构。R99版本的电路域与GSM完全兼容，分组域采用了基于服务GPRS支撑节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）和网关GPRS支撑节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）的网络结构。与GPRS不同的是，R99版本扩大了系统带宽，增加了服务等级的概念，提高了分组域的业务质量保证能力。

R99引入了全新的UMTS陆地无线接入网（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN）概念，定义了全新的WCDMA技术，采用了功率控制、软切换等CDMA关键技术。基站只实现基带处理和扩频操作，接入系统由 RNC 统一管理，引入了适于分组数据传输的协议和机制，数据速率支持144kbit/s，384kbit/s，理论上峰值速率可达2Mbit/s。基站和RNC之间的Iub接口基于异步传输模式（ATM）实现，RNC和核心网的电路交换（CS）域之间的Iu-CS接口、与分组交换（PS）域之间的Iu-PS接口则分别通过基于ATM自适应层类型2（ATM AAL2）和基于ATM自适应层类型5（ATM AAL5）完成。

（2）R4版本

R4版本功能于2001年3月确定。与R99版本相比，R4版本在无线接入网络结构方面无明显变化，重要的改变是在核心网电路域方面，此外增加了一些接口协议的增强功能和特性。

R4版本在电路域完全体现了下一代网络（Next Generation Network，NGN）的体系构架思想，引入了软交换的概念，实现了控制和承载分离。核心网的电路交换域被分成控制层和承载层2层，控制层负责呼叫的建立、进程的管理和计费等功能，承载层主要用来传输用户的数据。由于分层结构的引入，可以采用新的承载技术（如ATM和IP）来传输电路域的话音和信令。由于分组交换域的传输也是建立在ATM或IP网络上，因而运营商可以用同一个网络来传输所有业务。

R4版本与R99版本相比，增加了低码片速率的TDD模式，即TD-SCDMA系统的空中接口标准。

（3）R5版本

R5版本功能于2002年6月份确定。R5版本在无线接入网方面做了如下改进。

① 提出高速下行分组接入（High Speed Downlink Packet Access，HSDPA）技术，使下行数据理论峰值速率可达14.4Mbit/s。

② Iu，Iur，Iub接口增加了基于IP的可选择传输方式，保证无线接入网能实现全IP化。

③ R5版本在核心网（Core Network，CN）方面，在R4基础上增加了IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS），完成了IMS子系统基本功能的描述。

IMS是在基于IP的PS域的基础上构架的，IMS控制平面信令采用基于IP的SIP信令。具有IMS功能的移动终端由WCDMA接入网（或其他无线接入网）接入网络，IMS引发的数据传输直接由GGSN连接到外部应用服务器或数据网。R5版本中IMS的引入，为开展基于IP技术的多媒体业务创造了条件。R5主要提供端到端的IP多媒体业务，新增加了支持SIP业务的功能，如 IP 话音（Voice over IP，VoIP）、即时消息、多媒体信息业务（Multimedia Messaging Service，MMS）、在线游戏以及多媒体邮件等。

（4）R6版本

R6版本功能于2004年12月确定。与R5版本相比，R6版本的网络结构没有太大的变动，主要是对已有功能的增强，增加了一些新的功能特性。R6研究的主要内容如下。

① PS域与承载无关的网络框架，研究是否在分组域也实行控制和承载的分离，将SGSN和GGSN分为GSN Server和媒体网关的形式。

② 在网络互操作方面，研究 IMS 与 PLMN/PSTN/ISDN 等网络的互操作，以实现 IMS与其他网络的互连互通；研究无线局域网—通用移动通信系统（WLAN-UMTS）互通，保证用户使用不同的接入方式时切换不中断业务。

③ 在业务方面，研究包括多媒体广播/多播业务（Multimedia Broadcast and Multicast Service，MBMS）、Push业务、Presence、PoC（Push-To-Talk over Cellular）业务、网上聊天业务及数字权限管理等。

④ 无线接入方面采用的新技术有正交频分复用调制（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术、多天线技术（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）、高阶调制技术和新的信道编码方案等，OFDM和MIMO也是后3G的重点技术。

⑤ 引入用于提高上行分组域的数据速率的HSUPA 技术，理论峰值数据速率可达5.76Mbit/s；R6的HSDPA技术，理论峰值数据速率可达30Mbit/s。

（5）R7版本

R7版本除了完成一些R6版本未完成的工作（如MIMO技术的标准化）外，又增加了一些新的功能特性，或对已有的功能特性进行增强。另外，R7版本中还花费大量精力开展了LTE的可行性研究和HSPA演进的研究。在R7版本中研究和标准化的主要内容包括以下方面。

① 无线接入方面新技术的研究，包括干扰消除技术、下行符号周期减小和高阶调制、延迟降低技术，用于HSDPA的MIMO技术，采用OFDM增强HSDPA和HSUPA的可行性研究。

② 与IMS应用相关的研究，包括通过CS域承载IMS话音，支持IMS紧急呼叫，通过IMS支持电话会议组与信息组管理，为实时通信增强和优化IMS，基于WLAN的IMS话音与GSM网络的电路域的互通等。

③ 业务的增强，包括位置业务的增强，在通用 3GPP IP 接入系统中支持短信息业务（SMS）和多媒体信息业务（MMS），MBMS增强可视电话（Video Telephony）业务研究等。

④ LTE的可行性研究。

⑤ FDD HSPA演进工作范围研究。

⑥ 引入了先进全球导航卫星系统（Advanced Global Navigation Satellite System，AGNSS）的概念，分析了辅助GPS（Assisted GPS，AGPS）的最小性能。

（6）R8版本

R8版本中开展了2项非常重要的演进标准化项目——LTE和SAE。SAE指3G系统架构的演进。在完成LTE和SAE规范制定的同时，R8还进行了一系列其他的增强和完善工作。在R8版本中研究和标准化的主要内容包括以下方面。

① 3G长期演进（LTE）和3G系统架构演进（SAE）。

② 3G家庭结点B（Home Node B）与家庭演进型结点B（Home eNode B）。

③ 网络互通方面，包括LTE和3GPP2、移动全球微波互联接入（WiMAX）系统之间改进的网络控制移动性研究，3GPP WLAN 和 3GPP LTE 之间互操作和移动性的可行性研究，GERAN侧对GERAN/LTE互操作的支持，针对Home Node B与自组织网络（Self Organizing Network，SON）相关的O＆M接口，GSM和UMTS系统中的机器间通信等。

④ 业务方面包括基于短信服务（SMS）的增值业务，地震与海啸报警系统，IP 多媒体子系统（IMS）多媒体电话与补充业务等。

（7）R9版本

R9版本研究和标准化工作主要包括以下内容。

① 网络互通方面包括对移动网络和WLAN之间的无缝漫游和业务连续性的需求研究；对WiMAX/LTE移动性的支持；对WiMAX/UMTS移动性的支持。

② 业务方面包括对IMS紧急呼叫的扩展性的支持，对GPRS和演进的分组系统（Evolved Packet System，EPS）中IMS紧急呼叫的支持，对EPS中增强话音业务的需求研究。

③ Home Node B和Home eNode B安全性的研究。

④ LTE-ADVANCED的研究等。

（8）R10版本

R10版本的LTE-A标准支持100MHz带宽，峰值速率超过1Gbit/s，于2010年9月被ITU正式接受为IMT-Advanced（4G）国际标准。R10是LTE-A第一个版本，引入了载波聚合、中继Relay技术、异构网干扰消除等技术，并在LTE技术上增强了多天线技术，进一步提升了系统性能，最大支持 100MHZ 带宽，支持 8×8 天线配置，系统峰值吞吐量提高到 1Gbit/s以上。其标准化工作于2011年3月完成。

（9）R11版本

R11版本在R10版本基础上进一步支持了协作多点传输CoMP技术，通过同小区不同扇区间协调调度或多个扇区协同传输提高系统吞吐量，特别是小区边缘用户的吞吐量。同时，设计了新的控制信道，实现了更高的多天线传输增益，并降低了异构网络中控制信道间干扰。通过对载波聚合技术的增强，支持了时隙配置不同的多个 TDD 载波间的聚合。

（10）R12版本

R12版本是LTE-A最新版本，主要标准化工作已完成。R12版本针对室内外热点等场景进行了优化，称为Small Cell，国内称为LTE-Hi或小小区增强。LTE--Hi技术可以提升系统频谱效率和运维效率，采用的关键技术包括更高阶调制（256QAM）、小区快速开关和小区发现、基于空中接口的基站间同步增强、宏微融合的双连接技术、业务自适应的TDD 动态时隙配置等。R12还进一步优化了多天线技术，包括下行四天线传输技术增强、小区间多点协作技术增强等，并研究了二维多天线的传播信道模型，为后续垂直赋形和全维MIMO传输技术研究做了准备。R12还支持了终端间直接通信，可以利用终端间高质量通信链路，提升系统性能。

（11）R13版本

R13版本刚刚启动，将继续向提升网络容量、增强业务能力、更灵活使用频谱等方面发展。目前，已确定R13将开展垂直赋形和全维MIMO传输技术、LTE许可频谱辅助接入（LAA）、面向低成本低功耗广覆盖物联网优化等技术的研究和标准化工作。

2.3GPP2技术规范的发展历程

cdma2000相关标准主要由3GPP2制定。cdma2000标准体系主要分为无线网和核心网两大部分，无线网与核心网技术的演进是分阶段、各自独立进行的，而 WCDMA/TD-SCDMA的演进则是无线网和核心网同时进行的。3GPP2 制定的标准侧重于无线技术，3GPP 制定的标准则包括无线侧和核心侧。

（1）cdma2000无线技术的发展历程

CDMA系统的无线接口经历了IS-95，IS-95A，IS-95B，cdma2000，cdma2000 1xEV-DO和cdma2000 1xEV-DV几个发展阶段。第一个大规模进入商用的版本是IS-95A。IS-95A的先进性和成熟性经过了时间的充分检验，直到现在，该系统仍然在广泛使用。

① cdma2000 1x 是 cdma2000 移动通信系统发展的第一阶段，对应 cdma2000 标准的Rev.0，Rev.A，Rev.B协议版本。

a.Rev.0版本于1999年6月制定完成，提出的cdma2000 1x标准与IS-95标准后向兼容，使用了IS-95B的开销信道，增加了新的业务信道和补充信道。cdma2000 1x系统中，语音和低速数据业务在基本信道（FCH）上传输，高速数据业务在补充信道（SCH）上传输。

b.Rev.A版本于2000年3月由3GPP2制定完成，增加了新的开销信道和相应信令。

c.Rev.B版本于2002年4月由3GPP2制定完成，增加了补救信道，提供了保持连接的能力。

② cdma2000 1xEV-DO技术起源于美国Qualcomm公司提出的高速率数据（High Data Rate，HDR）技术。2000年 3月，3GPP2专门成立了 HDR工作组并开始标准化工作。2000年10月，cdma2000 1xEV-DO获得通过，标准编号C.S0024，在TIA/EIA标准中编号为IS-856。2001年12月，cdma2000 1xEV-DO作为cdma2000家族的一个分支被吸收为 IMT-2000 标准之一。3GPP2 已完成的cdma2000 1xEV-DO 标准对应 HDR Rev.0 和Rev.A协议版本。

a.Rev.0通过采用新技术，前、反向数据速率均有较大提升。

b.Rev.A在Rev.0的基础上，增强了反向数据速率，提高了系统吞吐量。

③ cdma2000 1xEV-DV综合了cdma2000 1x和cdma2000 1xEV-DV的优点，对应Rev.C和Rev.D协议版本。

a.Rev.C版本于2002年5月由3GPP2制定完成，主要解决和增强了cdma2000 1xEV-DV前向链路的功能。

b.Rev.D版本于2004年3月由3GPP2制定完成，主要解决和增强了cdma2000 1xEV-DV反向链路的功能。

（2）cdma2000核心网发展历程

cdma2000的核心网架构是基于3GPP2制定的全IP网络架构。全IP网络的演进共分为4个阶段。

① 阶段0基于传统的电路模式，核心网标准为ANSI-41。

② 阶段1是向全IP网络演进过程中的增强型网络，分组网络能力扩大，接入网和分组网络信令和承载开始分离，信令用IP进行传输。

③ 阶段2引入软交换思想，信令和承载开始独立演变并采用IP进行传输，核心网和接入网也开始分离。引入了传统MS域（Legacy MS Domain，LMSD）概念，在IP核心网中支持传统的终端，以及多媒体域IMS的一些实体。

④ 阶段3也称为多媒体域，包括分组数据子系统（PDS）和IP多媒体子系统（IMS），目前正在研究。实现全IP网络及空中接口IP化是移动网络的最终目标。