無線移動通信技術快速發展歷程和趨向

無線移動通信技術快速發展歷程和趨向（張煦）
[摘要] 本文內容分三部分：首先說明無線移動通信與有線固定通信一同快速發展的趨勢；然后 著重講述無線動通信蜂窩網從模擬至數字和即將進入第三代系統的快速發展歷程和今后趨向； 最后簡單說明無線衛星通信微波通信也要加快步伐繼續向前發展，以發揮重要作用。 [ 關鍵詞]無線通信；移動通信；蜂窩網；衛星通信 1無線移動通信與有線固定通信一同發展人們常把有線固定通信和無線移動通信作為信息基礎結構（NII/GII）的兩大組成部分。近 年來它們都以明顯的快速步伐向前推進，而且進入新世紀后將更加快速發展，為興旺的信息時代 作出貢獻。傳統的有線固定通信網是“公用交換電話網”PSTN（Public Switched Telephone Network），長期來一直保持平穩擴大建設，促使人們普遍裝用固定終端的電話機。但是，自90 年代中期起，國際互聯網Internet興起，使全世界的傳統通信網受到前所未有的巨大沖擊。廣大 的通信用戶開始普遍裝用計算機，數據通信的業務量每年急劇上漲，其增長率遠遠超過傳統電話 的每年增長率。按照這樣的勢頭，進入新世紀后的五年左右，全世界的數據信息業務量總數將追 上電話信息業務量總數，而且以后超過的越來越多。因此未來的通信傳送網將是以數據信息為重 點的分組交換網（Packet Switching），并且承擔電話通信的傳送，不再利用原有的電路交換 （ Circuit Switching），但仍保證電話特有的業務質量（QoS）指標。隨著計算機技術改進和 功能加多，數據通信將延伸至包含音頻、視頻信息配合的多媒體通信。這樣，未來的有線固定通 信網，將能承擔所有信息業務傳送的統一通信網，必將是大容量通信網。無線移動通信網主要是各地城市的蜂窩網（Cellul Network），每一城市分成若干個蜂窩 區， 每區中心設置無線電基臺（Base Station），區內所有移動終端和個人無線手機各與基臺直接經 由無線線路連通，稱為無線接入（Wireless Access）。移動通信原來是只通移動電話，近來也 和有線網一樣，容許移動用戶于需要時接上Internet,傳送數據信息，并且隨著計算機的改進， 將來也要傳送包含音頻、視頻信息配合的多媒體通信。移動終端經過無線接入基臺又經由基臺連 往移動通信交換中心MSC（Mobile-communication Switching Center），除了由無線線路連往 同 一蜂窩網的其它無線電基臺外，還連往有線固定通信網的城市交換局。這意味著，無線移動通信 網要與有城固定通信網相連接。移動終端和個人便攜手機如欲與同一蜂窩區或同一城市的移動終 端或個人手機直接相互通信，當然可由無線移動通信網來接通。但無線移動通信網僅限于本城市 的蜂窩網，不同城市的蜂窩網仍需由全國性的有線固定通信網來接通。任一無線移動手機如欲實 現國內或國際通信，必須經過無線接入，然后由有城固定網接通。由此可見，有線固定通信網既 承擔所有由有線接入的各種各樣通信業務，包括原來PSTN用戶所需的通信業務，又要承擔無線接 入的各種通信業務，所以，固定網的通信業務量總數特大，而且逐年加大，在設計未來的全國有 線固定通信網時，必然要精細測算，考慮大容量而且逐年增加容量的趨勢。這就要求傳輸線路和 通信網內部設備都能方便地按需要加大容量。鑒于過去數字通信網使用的時分多路TDM雖然作出很大貢獻，數字體系從PDH進化為SDH，但 其最高數字速率已難于再提高，因而成為通信網繼續加大容量的“電子瓶頸”。可幸，光纖作為 傳輸線路具有巨大的潛在容量可以發掘利用。而且，從90年代中期起，波分多路／密集波分多路 （ WDM／DWDM）在光纖線路上投入商用，顯示出無比優越性。于是，有線通信網中的干線幾乎全 部采用光纖并裝上波分多路系統，而通信網本身內部，為了便于未來擴大容量，已開始考慮從電 網進化為光網（optical networking），采用以WDM為基的各種光器件／組件，以實現波長路由 和交換等功能，從而可以進一步加大網的容量能力。對于使用電話通信的人們，雖然過去安裝的固定終端電話機運行可靠，但與近年推廣的便攜 無線手機相比，用戶覺得各自隨身攜帶一部手機，一個號碼，隨時隨地可以撥打電話找到對方立 即通話，比過去固定終端靈活方便得多。所以近年來移動通信手機的銷售量劇增。國際上推測， 不到2010年，全世界用戶擁有移動無線手機總數將與裝置固定電話終端機總數相等，而且用戶需 要呼叫電話時，更樂于使用手機。現在無線移動通信網不僅提供通電話，還在設法讓便攜計算機 互通數據信息甚至多媒體通信，僅僅因為無線電頻譜資源畢竟有限，無線移動通信能夠提供每路 信號的頻帶寬度沒有象有線固定通信那樣寬裕。所以，在用戶需用帶寬很大的通信業務的情形， 例如用戶上網需要Internet/WWW長時間提供特別大量數據信息，或者用戶需’要在家里收看特定 的高質量文娛電視節目或電影片時利用“點播電視／電影”VOD／MOD業務，就有必要利用“有線 接入”。概括地說，進入新世紀不到十年，對通信業務的發展有兩個極其重要的預測：一是大約2005 年全世界數據信息業務量總數追上與傳統電話業務量總數相等，其后逐年超過；二是大約201O年 全世界無線移動通信用戶總數增加多至與傳統有線固定通信用戶總數相等。由此有線固定通信網 的容量將越來越大，而無線移動通信網的手機越來越普遍，今后兩類通信網技術必將一同持續地 -快速發展。 2 蜂窩網從模擬至數字、將進入第三代無線移動通信最基本和最主要的一種是利用蜂窩網方式。它避免了一個城市使用大功率無線 電發射臺、覆蓋直徑40km面積的舊設想，而把一個城市按蜂窩網形狀劃分為若干互相靠近的六角 形區（cell），每區圖形半徑可以小于1km.在這樣的蜂窩區的中心設立無線電基臺BS（base station），發射功率較小，可與區內所有移動終端MS（mobilestation)或個人隨身攜帶的手機 隨時取得聯系。當某一MS從一區移動至鄰近區，就改與鄰近區的BS聯系，稱這種“交接”為“越 區切換”。某區BS使用的波長與鄰近區BS的波長不同，但與隔一、二區的波長可以相同，稱為 “頻率再利用”，不會引起干擾，這是蜂窩網的優點，節約利用無線電頻譜資源。80年代初期， 蜂窩網移動通信開始商用，那時使用模擬電話，由于集成電路進步快，又由于話音編碼和數字通 信技術研制都很成功。到了80年代下半期，蜂窩網發展至數字式，稱為第二代ZG（second generation).在過渡時期移動手機可以雙模運用，既可用于模擬電話，又可用于數字電話。那時 歐洲有標準組織 GSM（Groupe Special Mo-bile），后來在900MHz頻譜普遍運用的第二代稱為 GSM（Global System for Mobile Communications）。在開始時數字式移動電話利用“時分多 址”TDMA（Time Division Multiple Access）。90年代中期，又出現“碼分多址”CDMA （CodeDivision Multiple Ac- cess），也在90年代中期，美國指定1850－1990MHz的 14OMHz寬度 的 頻譜，供“個人通信業務” PCS（Personal Communication Service）使用，這些都一直持續 至90年代后期，保持不斷的發展勢頭。正在2G系統技術持續蓬勃發展的時期，國際上開始議論第三代移動通信3G（third generation)的前景，既要盡量采用可預見的先進技術，又要照顧現已裝置的系統設備，再要訂 定全世界都認可的標準，普遍稱為IMT-2000（International MobileTelecommunication),設 備 采用2000MHz頻譜，于2000年起開始試用。這種3G系統不僅保持移動電話，還要十分重視開展數 據通信，使無線系統和有線通信網一樣重視數據傳輸，包括Internet/互聯網規約IP和寬帶業務， 以至數據速率為2Mb／s的多媒體通信。國際標準組織已經評審各國提交的無線電傳輸方案，包 括我國的方案，有頻分雙工FDD（Frequency Duplex) CDMA、TDMA,還有時`分雙工TDD(Time Division Duplex)的CDMA。總是沒法使無線通信在性能、成本和容量等方面都顯出優勢。在無線數字式移動通信，為了充分節約利用頻譜，話音編碼（Speech Coding）技術非常重 要。這與有線通信大不相同，有線數字電話利用脈碼調制PCM, 每路電話64kb/s，或自適應脈碼 調制AD－PCM,每路32kb／s，對通信網絡容量沒有困難。無線通信的話音編碼，從早期的“線性 預測編碼”LPC(Linear Predictive Coding),至80年代開始的“碼激勵線性預測” CELP （Code Excited Linear Pre-diction)，每路話音的數字速率降至 5~13kb／s。同時，在編碼 過程中還要考慮克服無線電波傳播過程引起損害和背景噪音，保證通話質量。到了3G系統，還 要考慮多媒體通信所需的音頻和視頻的編碼技術，既節約頻譜、又保證通信質量。每一無線電基臺一般需要設置幾套射頻收發信機（RF transceiver).現在從模擬過渡至數 字化，將充分利用數字信號處理DSP和專用大規模集成芯片ASIC，并趨向于使用越來越多的新型 軟件，導致可編程（programmable)的基臺，容許使用多種空中接口（air interface）標準。 基臺將使用寬帶線性功率放大和寬帶射頻器件，便于增加數字內容，使數字處理盡量靠近天線， 使多個射頻同時處理，又使軟件完成更多的功能。由于數字移動通信支持多個用戶利用CDMA或 TDMA多址通信，數字式可比模擬式減少無線電收發信機數，可在較寬頻帶進行處理，又容許在 較高頻率處理，從基帶至中頻又至射頻都利用數字處理。當基臺這樣充分利用可編程器件時， 它們就稱為“軟件無線電”（software。Ra-dio),變得相當靈活，而且容許基臺設備更容易配 合“智能無線”（smart antenna或intelligent anten-na).移動終端和無線手機也將趨向于 軟件無線電。當業務和標準技術有所改變時，軟件無線電可以很快適應新技術，不需大量更換 設備，因而投資成本可以降低。加多利用數字信號處理，可促使無線通信的智能天線技術得到有利的發展。智能天線需要 使用多個天線。基臺往往有幾個定向天線，各分管一個扇形區，對該區內移動終端的無線接入 特別有利，還可能讓多個束射經過自適應過程進行快速換接，以獲得最好的孔徑增益、分集增 益、和遏止干擾，導致性能改進。接收天線如采用兩個天線分支，在空間有足夠的隔開，就可 獲取空間分集的好處，如只有一個無線，則利用極化分集也可得到好處。在自適應智能天線， 發送裝用多個天線，可取得更多好處。對于TDMA系統，智能無線可以加大通信容量，由反向線 路傳來的信號進行處理，可使正向線路的束射調整得最好。對于CDMA系統，所有移動終端使用 同一頻帶，只是編碼不同。到了3G系統，用戶如使用較高數據速率，可以指定特殊符號（pilotsymbol）以控制自適應天線處理來減小用戶間的干擾，從而加大通信容量，即在有幾個用戶 使用高速數據時仍容許較多用戶通電話。無線移動通信網有時為了公共安全的原因，需要相當精確地測定某一移動終端或個人在某 一時間移動至地理上的位置，稱為定位技術（geoloca-tion）。現在已有一種獨立的手持機能 夠附帶設備，利用全球定位系統（GPS,global positioning system），在室外測定移動個人 自己的位置。將來進入3G時代，個人移動無線手機本身可能附有定位功能，它在得到網的協助 下進行定位工作，不必另外攜帶獨立的GPS手持機。就是說，新式的移動通信手機附裝協助的 AGPS（assisted GPS), 測定自己在室外，甚至室內的地理位置。通信手機于需要時由網提供 情況，不必由通信手機本身連續跟蹤GPS衛星。蜂窩網3G系統向未來的分組交換有線網看齊，著重于提供盡量高速率的數據通信。蜂窩網 也要提供不對稱數字傳輸。象有線網的不對稱數字用戶線ADSL那樣，無線電基臺至用戶的方向 提供較高速率的數據傳輸。有線網是在交換局設置多載波離散多音調（DMF,DiscreteMulti-Tone)裝備，而無線網是在基臺設置多載波正交頻分多路（ OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）裝備，這對于移動用戶接上Internet索取大量信息時非常需 要。 3衛星通信和微波通信有重要作用無線移動通信除了大部分依靠城市蜂窩網、如上節所述外，還有衛星通信也非常重要，大 有發展前途。同步衛星對固定通信和廣播已經多年實踐證明極為可靠，還可有利地提供遠程移 動通信、低軌 道、中軌道衛星通信。如在技術、設備、成本各方面深入研究，仍能大有作為， 對全球個人移動通信發揮作用。同溫層（平流層）無線通信已有方案提出，如繼續具體研究， 對固定通信和移動通信都有獨特作用。此外，無線固定通信包括人們熟知的微波數字接力通信 和最近提倡的無線用戶環路（WSL,Wireless Subscriber Loop),在人口較少的地區很適用，它 們與建設光纖光纜和有線市內電話用戶線相比，有建設較快、投資較少的優點。毫米波無線電 通信和無線紅外線通信已在多處安裝試驗，證明對短距通信有好處。總之，國際上不少實際應 用和試驗經驗表明，無線通信優點很多，值得擴大實際使用范圍。可以斷言，在進入新世紀后， 無線通信必將與有線通信一同快速發展和互相配合應用，不愧為信息基礎結構的兩大組成部分。同步軌道運行的衛星過去提供可靠的國際通信和電視傳播，享有盛譽。近年加強開發，尤 其對衛星內部的轉發器(transponder)，放寬傳輸頻帶、加大發射功率、改進天線效率，甚至 加裝ATM設備，擴大業務功能，以致地面應用越來越增多。一種應用是在地上安裝“甚小孔徑 天線”的衛星站，稱為VSAT，為大企業的廣域專用通信提供方便。同步衛星也可能對地面提供 遠距移動通信，但地面移動 終端需裝較大的對星天線，而且在高樓林立的城市 中心電波傳 播有困難。為此，對地面的全球移動通信，曾另行研制發射低軌道、離地面幾百至一千公里的 幾十顆移動衛星族，稱為 LEO（Low Earth Or-bit）。又曾研制發射中軌道、離地約一萬公里 的十顆移動衛星族，稱為MEO( Medium Earth Orbit)。[相應地，原來離地面36，000km、與地 球同步運行的三顆衛星族，稱為 GEO(Geostationary Earth Or－bi)]。雖然最近LEO系統 Iridium在開放商用后不久就受到挫折，另一系統Globalstar正在開放商用，可能順利進行， 但應該冷靜地對待。這些LEO／MEO全球無線移動通信系統的理論和技術是正確的，但經營商對 用戶需求的條件、移動手機的設備和成本，以及向用戶收費不宜過貴等問題，似乎預先考慮得 不夠周到。如能認真吸取經驗，仔細分析原因，很可能得到圓滿成功，我們可以熱情期待著美 好的前途。無線固定通信也要向前發展，充分利用無線特有的優點，但無線通信受到無線電頻 譜資源的限制，為了繼續開發應用，必須考慮提高運用頻率或縮短運用波長，即從微波（厘米 波）延伸至毫米波、甚至紅外波。在這樣的延伸進程中，必將遇到新的電波傳播問題和器件問 題，都要逐一妥善解決，應該受到有關各方的支持和鼓勵。


摘自《移動通信》

總結

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