无线移动通信技术快速发展历程和趋向

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　　无线 移动通信 技术快速发展历程和趋向（张煦） [摘要] 本文内容分三部分：首先说明无线移动通信与有线固定通信一同快速发展的趋势；然后着重讲述无线动通信蜂窝网从模拟至数字和即将进入第三代系统的快速发展历程和今后趋向；最后简单说明无线 卫星通信 微波通信也要加快步伐继续向前发展，以发挥重要作用。 [ 关键词]无线通信；移动通信；蜂窝网；卫星通信 1无线移动通信与有线固定通信一同发展 人们常把有线固定通信和无线移动通信作为信息基础结构（NII/GII）的两大组成部分。近年来它们都以明显的快速步伐向前推进，而且进入新世纪后将更加快速发展，为兴旺的信息时代作出贡献。传统的有线固定通信网是“公用交换电话网”PSTN（Public Switched Telephone Network），长期来一直保持平稳扩大建设，促使人们普遍装用固定终端的电话机。但是，自90 年代中期起，国际互联网 Internet 兴起，使全世界的传统通信网受到前所未有的巨大冲击。广大的通信用户开始普遍装用计算机， 数据通信 的业务量每年急剧上涨，其增长率远远超过传统电话的每年增长率。按照这样的势头，进入新世纪后的五年左右，全世界的数据信息业务量总数将追上电话信息业务量总数，而且以后超过的越来越多。因此未来的通信传送网将是以数据信息为重点的分组交换网（Packet Switching），并且承担电话通信的传送，不再利用原有的电路交换（ Circuit Switching），但仍保证电话特有的业务质量（ QoS ）指标。随着计算机技术改进和功能加多，数据通信将延伸至包含音频、视频信息配合的 多媒体 通信。这样，未来的有线固定通信网，将能承担所有信息业务传送的 统一通信 网，必将是大容量通信网。 无线移动通信网主要是各地城市的蜂窝网（Cellul Network），每一城市分成若干个蜂窝区，每区中心设置无线电基台（Base Station），区内所有 移动终端 和个人无线手机各与基台直接经由无线线路连通，称为无线接入（ Wireless Access ）。移动通信原来是只通移动电话，近来也和有线网一样，容许移动用户于需要时接上Internet,传送数据信息，并且随着计算机的改进，将来也要传送包含音频、视频信息配合的多媒体通信。移动终端经过无线接入基台又经由基台连往移动通信交换中心MSC（Mobile-communication Switching Center），除了由无线线路连往同一蜂窝网的其它无线电基台外，还连往有线固定通信网的城市交换局。这意味着，无线移动通信网要与有城固定通信网相连接。移动终端和个人便携手机如欲与同一蜂窝区或同一城市的移动终端或个人手机直接相互通信，当然可由无线移动通信网来接通。但无线移动通信网仅限于本城市的蜂窝网，不同城市的蜂窝网仍需由全国性的有线固定通信网来接通。任一无线移动手机如欲实现国内或国际通信，必须经过无线接入，然后由有城固定网接通。由此可见，有线固定通信网既承担所有由有线接入的各种各样通信业务，包括原来PSTN用户所需的通信业务，又要承担无线接入的各种通信业务，所以，固定网的通信业务量总数特大，而且逐年加大，在设计未来的全国有线固定通信网时，必然要精细测算，考虑大容量而且逐年增加容量的趋势。这就要求传输线路和通信网内部设备都能方便地按需要加大容量。 鉴于过去数字通信网使用的时分多路TDM虽然作出很大贡献，数字体系从PDH进化为SDH，但其最高数字速率已难于再提高，因而成为通信网继续加大容量的“电子瓶颈”。可幸，光纤作为传输线路具有巨大的潜在容量可以发掘利用。而且，从90年代中期起，波分多路／密集波分多路（ WDM／DWDM）在光纤线路上投入商用，显示出无比优越性。于是，有线通信网中的干线几乎全部采用光纤并装上波分多路系统，而通信网本身内部，为了便于未来扩大容量，已开始考虑从电网进化为光网（optical networking ），采用以WDM为基的各种光器件／组件，以实现波长路由和交换等功能，从而可以进一步加大网的容量能力。 对于使用电话通信的人们，虽然过去安装的固定终端电话机运行可靠，但与近年推广的便携无线手机相比，用户觉得各自随身携带一部手机，一个号码，随时随地可以拨打电话找到对方立即通话，比过去固定终端灵活方便得多。所以近年来移动通信手机的销售量剧增。国际上推测，不到2010年，全世界用户拥有移动无线手机总数将与装置固定电话终端机总数相等，而且用户需要呼叫电话时，更乐于使用手机。现在无线移动通信网不仅提供通电话，还在设法让便携计算机互通数据信息甚至多媒体通信，仅仅因为无线电频谱资源毕竟有限，无线移动通信能够提供每路信号的频带宽度没有象有线固定通信那样宽裕。所以，在用户需用带宽很大的通信业务的情形，例如用户上网需要Internet/WWW长时间提供特别大量数据信息，或者用户需’要在家里收看特定的高质量文娱电视节目或电影片时利用“点播电视／电影”VOD／MOD业务，就有必要利用“有线接入”。 概括地说，进入新世纪不到十年，对通信业务的发展有两个极其重要的预测：一是大约2005 年全世界数据信息业务量总数追上与传统电话业务量总数相等，其后逐年超过；二是大约201O年全世界无线移动通信用户总数增加多至与传统有线固定通信用户总数相等。由此有线固定通信网的容量将越来越大，而无线移动通信网的手机越来越普遍，今后两类通信网技术必将一同持续地 -快速发展。 2 蜂窝网从模拟至数字、将进入第三代 无线移动通信最基本和最主要的一种是利用蜂窝网方式。它避免了一个城市使用大功率无线电发射台、覆盖直径40km面积的旧设想，而把一个城市按蜂窝网形状划分为若干互相靠近的六角形区（cell），每区图形半径可以小于1km.在这样的蜂窝区的中心设立无线电基台BS（base station），发射功率较小，可与区内所有移动终端MS（mobilestation)或个人随身携带的手机随时取得联系。当某一MS从一区移动至邻近区，就改与邻近区的BS联系，称这种“交接”为“越区切换”。某区BS使用的波长与邻近区BS的波长不同，但与隔一、二区的波长可以相同，称为 “频率再利用”，不会引起干扰，这是蜂窝网的优点，节约利用无线电频谱资源。80年代初期，蜂窝网移动通信开始商用，那时使用模拟电话，由于集成电路进步快，又由于话音编码和数字通信技术研制都很成功。到了80年代下半期，蜂窝网发展至数字式，称为第二代ZG（second generation).在过渡时期移动手机可以双模运用，既可用于模拟电话，又可用于数字电话。那时欧洲有标准组织 GSM（Groupe Special Mo-bile），后来在900MHz频谱普遍运用的第二代称为 GSM（Global System for Mobile Communications）。在开始时数字式移动电话利用“时分多址”TDMA（Time Division Multiple Access）。90年代中期，又出现“码分多址”CDMA （Code Division Multiple Ac- cess），也在90年代中期，美国指定1850－1990MHz的 14OMHz宽度的频谱，供“个人通信业务” PCS（Personal Communication Service）使用，这些都一直持续至90年代后期，保持不断的发展势头。 正在2G系统技术持续蓬勃发展的时期，国际上开始议论第三代移动通信 3G （third generation)的前景，既要尽量采用可预见的先进技术，又要照顾现已装置的系统设备，再要订定全世界都认可的标准，普遍称为IMT-2000（International MobileTelecommunication),设备采用2000MHz频谱，于2000年起开始试用。这种3G系统不仅保持移动电话，还要十分重视开展数据通信，使无线系统和有线通信网一样重视数据传输，包括Internet/互联网规约IP和宽带业务，以至数据速率为2Mb／s的多媒体通信。国际标准组织已经评审各国提交的无线电传输方案，包括我国的方案，有频分双工FDD（Frequency Duplex) CDMA、TDMA,还有时`分双工TDD(Time Division Duplex)的CDMA。总是没法使无线通信在性能、成本和容量等方面都显出优势。 在无线数字式移动通信，为了充分节约利用频谱，话音编码（Speech Coding）技术非常重要。这与有线通信大不相同，有线数字电话利用脉码调制PCM, 每路电话64kb/s，或自适应脉码调制AD－PCM,每路32kb／s，对通信网络容量没有困难。无线通信的话音编码，从早期的“线性预测编码”LPC(Linear Predictive Coding),至80年代开始的“码激励线性预测” CELP （Code Excited Linear Pre-diction)，每路话音的数字速率降至 5~13kb／s。同时，在编码过程中还要考虑克服无线电波传播过程引起损害和背景噪音，保证通话质量。到了3G系统，还要考虑多媒体通信所需的音频和视频的编码技术，既节约频谱、又保证通信质量。 每一无线电基台一般需要设置几套射频收发信机（RF transceiver).现在从模拟过渡至数字化，将充分利用数字信号处理DSP和专用大规模集成芯片ASIC，并趋向于使用越来越多的新型软件，导致可编程（programmable)的基台，容许使用多种空中接口（air interface）标准。基台将使用宽带线性功率放大和宽带射频器件，便于增加数字内容，使数字处理尽量靠近天线，使多个射频同时处理，又使软件完成更多的功能。由于数字移动通信支持多个用户利用CDMA或 TDMA多址通信，数字式可比模拟式减少无线电收发信机数，可在较宽频带进行处理，又容许在较高频率处理，从基带至中频又至射频都利用数字处理。当基台这样充分利用可编程器件时，它们就称为“软件无线电”（software。ra-dio),变得相当灵活，而且容许基台设备更容易配合“智能无线”（smart antenna或intelligent anten-na).移动终端和无线手机也将趋向于软件无线电。当业务和标准技术有所改变时，软件无线电可以很快适应新技术，不需大量更换设备，因而投资成本可以降低。 加多利用数字信号处理，可促使无线通信的 智能天线 技术得到有利的发展。智能天线需要使用多个天线。基台往往有几个定向天线，各分管一个扇形区，对该区内移动终端的无线接入特别有利，还可能让多个束射经过自适应过程进行快速换接，以获得最好的孔径增益、分集增益、和遏止干扰，导致性能改进。接收天线如采用两个天线分支，在空间有足够的隔开，就可获取空间分集的好处，如只有一个无线，则利用极化分集也可得到好处。在自适应智能天线，发送装用多个天线，可取得更多好处。对于TDMA系统，智能无线可以加大通信容量，由反向线路传来的信号进行处理，可使正向线路的束射调整得最好。对于CDMA系统，所有移动终端使用同一频带，只是编码不同。到了3G系统，用户如使用较高数据速率，可以指定特殊符号（pilot symbol）以控制自适应天线处理来减小用户间的干扰，从而加大通信容量，即在有几个用户使用高速数据时仍容许较多用户通电话。 无线移动通信网有时为了公共安全的原因，需要相当精确地测定某一移动终端或个人在某一时间移动至地理上的位置，称为定位技术（geoloca-tion）。现在已有一种独立的手持机能够附带设备，利用全球定位系统（GPS,global positioning system），在室外测定移动个人自己的位置。将来进入3G时代，个人移动无线手机本身可能附有定位功能，它在得到网的协助下进行定位工作，不必另外携带独立的GPS手持机。就是说，新式的移动通信手机附装协助的 AGPS（assisted GPS), 测定自己在室外，甚至室内的地理位置。通信手机于需要时由网提供情况，不必由通信手机本身连续跟踪GPS卫星。 蜂窝网3G系统向未来的分组交换有线网看齐，着重于提供尽量高速率的数据通信。蜂窝网也要提供不对称数字传输。象有线网的不对称数字用户线 ADSL 那样，无线电基台至用户的方向提供较高速率的数据传输。有线网是在交换局设置多载波离散多音调（DMF,Discrete Multi-Tone)装备，而 无线网 是在基台设置多载波正交频分多路（ OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）装备，这对于移动用户接上Internet索取大量信息时非常需要。 3卫星通信和微波通信有重要作用 无线移动通信除了大部分依靠城市蜂窝网、如上节所述外，还有卫星通信也非常重要，大有发展前途。同步卫星对固定通信和广播已经多年实践证明极为可靠，还可有利地提供远程移动通信、低轨 道、中轨道卫星通信。如在技术、设备、成本各方面深入研究，仍能大有作为，对全球个人移动通信发挥作用。同温层（平流层）无线通信已有方案提出，如继续具体研究，对固定通信和移动通信都有独特作用。此外，无线固定通信包括人们熟知的微波数字接力通信和最近提倡的无线用户环路（WSL,Wireless Subscriber Loop),在人口较少的地区很适用，它们与建设 光纤光缆 和有线市内电话用户线相比，有建设较快、投资较少的优点。毫米波无线电通信和无线红外线通信已在多处安装试验，证明对短距通信有好处。总之，国际上不少实际应用和试验经验表明，无线通信优点很多，值得扩大实际使用范围。可以断言，在进入新世纪后，无线通信必将与有线通信一同快速发展和互相配合应用，不愧为信息基础结构的两大组成部分。 同步轨道运行的卫星过去提供可靠的国际通信和电视传播，享有盛誉。近年加强开发，尤其对卫星内部的转发器(transponder)，放宽传输频带、加大发射功率、改进天线效率，甚至加装 ATM 设备，扩大业务功能，以致地面应用越来越增多。一种应用是在地上安装“甚小孔径天线”的卫星站，称为VSAT，为大企业的广域专用通信提供方便。同步卫星也可能对地面提供远距移动通信，但地面移动 终端需装较大的对星天线，而且在高楼林立的城市 中心电波传播有困难。为此，对地面的全球移动通信，曾另行研制发射低轨道、离地面几百至一千公里的几十颗移动卫星族，称为 LEO（Low Earth Or-bit）。又曾研制发射中轨道、离地约一万公里的十颗移动卫星族，称为MEO( Medium Earth Orbit)。[相应地，原来离地面36，000km、与地球同步运行的三颗卫星族，称为 GEO(Geostationary Earth Or－bi)]。虽然最近LEO系统 Iridium在开放商用后不久就受到挫折，另一系统Globalstar正在开放商用，可能顺利进行，但应该冷静地对待。这些LEO／MEO全球无线 移动通信系统 的理论和技术是正确的，但经营商对用户需求的条件、移动手机的设备和成本，以及向用户收费不宜过贵等问题，似乎预先考虑得不够周到。如能认真吸取经验，仔细分析原因，很可能得到圆满成功，我们可以热情期待着美好的前途。无线固定通信也要向前发展，充分利用无线特有的优点，但无线通信受到无线电频谱资源的限制，为了继续开发应用，必须考虑提高运用频率或缩短运用波长，即从微波（厘米波）延伸至毫米波、甚至红外波。在这样的延伸 进程 中，必将遇到新的电波传播问题和器件问题，都要逐一妥善解决，应该受到有关各方的支持和鼓励。摘自《移动通信》