移動個人通信的技術進展
2019-11-03 09:31:42
供稿：網友
張煦 摘要：簡單回顧移動與個人通信的早期歷史，依次說明無線蜂窩網的更新換代、語音壓縮編碼的發展、基站的軟件無線電和智能天線，以及地理定位等有關移動通信的主要技術發展進程，最后簡述衛星移動通信的現狀。
關鍵詞：移動通信 個人通信 蜂窩網 語音編碼 軟件無線電 智能天線 地理定位 衛星通信
從雜志、報紙經常報道的消息得吞，全世界的移動手機總數近年來持續增長，即將逼近固定電話機總數，而美國的移動手機總數歷來居各國的首位。但最新統計表明，中國的移動手機總數已超過美國，躍居全球第一，并且增長勢頭還在快速發展?？梢?，在全世界范圍內，移動個人通信適應廣大群眾需要，其快速增長是很自然的。為此對于通信界科研和運營者來說，有必要充分了解移動與個人通信的技術進化歷程，從而更好地為這具有美好前途的通信領域加倍努力，以推動其持續進步，為人類社會造福。
一、早期歷史
19世紀末期，赫茲發明無線電后，馬可尼演示海上航行船舶間的通信，這可以說是無線移動通信的開創。進入20世紀20年代，有些國家的海軍艦船和陸地公安部門正式使用移動無線電調度系統。在第二次世界大戰中，有些國家軍隊中的通信部隊利用數字編碼的話音通信達到保密目的，這包括話音編碼和脈碼調制（PCM），到20世紀70年代才對外公開。事實上，1946年開始建立第一批商用移動電話系統，但各由話務員負責接通。其后不久，蜂窩網方式發明問世，一個適當大的地區設置多個半徑約1km的蜂窩小區，互相緊密鄰近排列，其中心基站可使用較低的射頻發射功率，每隔幾個蜂窩就可使用相同的頻率，節約無線電頻譜資源的利用。因此可以斷言，這樣的蜂窩網方式比過去利用大功率發射機覆蓋半徑為40km大面積的辦法有顯著改進。雖然移動手機從一個蜂窩區移動至鄰近的另一蜂窩區有越區交接等問題，但技術上都可獲得妥善解決。1973-1978年間，美國有幾個城市試用這種蜂窩網：20世紀80年代初，美國政府正式批準這種商用系統提供公眾使用，與此同時，歐洲國家、日本和其他一些國家也開始陸續建設和運營蜂窩網業務。
1947年晶體管的發明，為后來集成電路（IC）和數字技術開辟廣泛發展前途。那時提出集成芯片上晶體管數目每18個月翻一番的規律長期適用?，F在一塊小小的IC芯片幾乎可以集成上萬個晶體管，而其成本相當于30年前一個晶體管的價格。IC的不斷發展促使數字技術的興起。隨著這樣快速躍進的趨勢，從開始的1978年至現在進入21世紀，蜂窩網移動手機的體積越來越小，重量越變越輕，其中包含的零件數和IC芯片數相應地大大減少，從當初每一終端的300個零件和130塊芯片減少至1994年每一手機的45個零件和20塊芯片，而2002年估計每一軟件無線電僅需5個零件和2塊芯片，進步非常顯著。
二、蜂窩網的更新換代
在20世紀70年代后期至80年代初期，蜂窩網正式開放供公眾使用，那是第一代蜂窩網，只提供模擬電話移動通信服務。不過那一時期固定通信已肯定向數字化方向發展，移動通信研究單位也開始考慮數字蜂窩系統的應用可能性和實際可能獲得的好處。這包括能否獲得更大的容量、更好的話音質量以及傳送數據業務。直至1998年，數字蜂窩網正式向公眾開放試用，實際上那時是模擬與數字兼用，凡是持有模擬或數字移動手機，都可得到蜂窩網服務。這是屬于第二代蜂窩網（2G）。由此，全世界都發展數字蜂窩網，使用新的900MHz頻譜。歐洲曾于1982年設立GSM組織，1992年正式開放商用，就稱之為GSM系統。在北美，出現幾種不同制式的數字蜂窩網，1989年開始使用數字時分多址（TDMA）技術，1993年又有其他蜂窩網利用碼分多址（CDMA），稱為IS-54、IS-95。日本發展類似的系統，稱為個人數字蜂窩系統（ＰＤＣ）。在1995-1997年期間，美國聯邦通信委員會（FCC）又指定一個新的頻段1850-1990MHz，專供個人通信業務（PCS）研究發展之用?？偲饋碚f，20世紀90年代后期，第二數字蜂窩網（2G）興旺發達，原先開放的公用第一代模擬電話已停止使用，所有移動用戶全都依靠第二代，沒有絲毫困難。數字通信是大勢所趨，而且2G除了提供移動手機互通電話外，還讓移動用戶的便攜計算機實行數據通信。最新發展是容許便攜計算機“上網”，從Internet獲取需要的數據信息。這意味著，2G的基站可能提供這類應用的不對稱傳輸通路，用戶至基站方向的上行信息較短，而基站至用戶方向的下行線路傳送信息可以較長。這樣的蜂窩網被稱為2.5G，即介于2G-3G之間，俗稱二代半，也即2G與未來3G的過渡。
20世紀90年代末至21世紀初，2G不僅本身仍力求發展，擴大容量和增多功能，以滿足移動用戶的需求和吸引更多的新的用戶，而且積極參與制訂計劃、準備迎接即將來臨的第三代蜂窩網（3G）。這種3G就是號稱國際移動通信系統IMT-2000，將是全世界統一使用，以便移動用戶隨身攜帶手機，各有指定的專用號碼，不僅可以參與城市通信，而且走遍全球、隨時隨地與需要的對方用戶通信。IMT-2000表示原定2000年開始普遍應用；蜂窩網使用的無線電頻率將是2GHz，即2000MHz頻段，并表示要大力發展數據通信，甚至多媒體通信，數字速率以2Mbit/s，即2000kbit/s為目標。原來計劃的3G確實是有雄偉目標的，它將采用最新的無線電技術、擴大利用數字技術，能夠適應全世界各國的蜂窩網和PCS使用。但從現在看來，蜂窩網使用的無線電頻率可以比2GHz頻段更高些，而數字速率目標2Mbit/s也應該繼續提高，如提高至10Mbit/s。
三、語音編碼
在有線通信中，語音編碼是利用PCM，每路電話碼速64kbit/s，自從光纖傳輸得到應用后，因容量寬裕，語音不需要壓縮。然而無線通信情況不同，因頻譜資源有限，必須盡量節約利用，有必要把語音壓縮至較低碼速。現時的無線數字網要求每路語音的碼速預先壓縮至5-13kbit/s?；貞?0世紀30年代發明第一種語音編碼器，它可以把語音信號的頻帶壓縮而仍保持語音清晰易懂。后來屢有改進，70年代初的語音編碼器利用線性預測編碼（LPC）,80年代初則開始利用碼激勵線性預測（CELP），現時無線移動通信很多采用CELP技術而加以改進，取得較好效果，在較大背景噪聲下仍能很好地通話。
在蜂窩網所用的兩種多址方式，即TDMA、CDMA都有有效的語音編碼克服背景噪聲影響的措施。在IS-136 TDMA，代數碼激勵線性預測（ACELP），每路語音的碼速減至7.5kbit/s，仍不受背景噪聲的影響。而在IS-95CDMA，語音碼速減為13kbit/s，還有利用增強可變速率編解碼器（EVRC），在編碼前利用自適應噪聲抵消濾波器，不再受背景噪聲的影響。當移動通信發展至3G時，蜂窩網將使用分組數據與語音的統一結構，語音編碼技術仍很重要，即要降低每路碼速，又要得到較高質量。而且，不僅重視話音，還要推廣至多媒體和視頻業務。
四、軟件無線電
無線蜂窩網每區基站的主要作用，是收發和處理區內眾多的移動用戶終端的無線電射頻信號，把話音或數據信號與通信網聯系起來。因此，基站設備主要是射頻收發信號和模擬與數字信號處理器，過去模擬時代曾用過調頻（FM），但后來基站實行數字化，數字信號處理器（DSP）起主要作用，由它控制基站的運用，現在趨向于可調程的基站，事實上，DSP在通信領域應用已很廣泛，它不僅可很明顯地改進性能，而且由于很多專用集成芯片（ASIC）功能良好，可調程的DSP芯片得以發揮作用。還有模/數（A/D）和數/模（D/A）轉換器速率提高、動態范圍擴大，性能價格比增大。因此，蜂窩網基站設備充分推廣數字化，諸如：數字處理靠近天線，收發信號擴大頻帶，容許多個射頻載波同時進行處理，不需要多個不同的收發信機和天線，利用軟件完成更多的收發功能。過去在模擬系統，每一話音的FM通路各用一個射頻載波，也就是每一話音通路各有一部分無線電收發信機。而現在的數字系統，一個射頻載波可以讓多個話音或數據用戶經過TDMA或CDMA方式合用，因而只需較少的收發信機。過去的收發信機需要對每一射頻載波進行處理，現在數字系統在較高速率取樣和處理，因而多個射頻載波通路濾波，又用于基帶。就是說數字處理從基帶提升到中頻，又至射頻，有較大的靈活性，而且降低成本。再進一步，就是利用軟件使器件可調程，稱之為“軟件無線電”。這樣，無線電基站和用戶終端都可利用這樣的軟件無線電，比常規數字無線電發信機靈活得多。軟件無線電在多個不同標準和不同業務都可適用，對不同場合也可以更換軟件。所以，每當標準進化或業務改進和增多時，不需更換主要設備。這就降低投資成本，并能迅速適應市場需要，非常有利。
對于現行用戶終端，雖然不能稱為真正的軟件無線電，也可設法加以改進，以適應各種新出的標準。由于今后的趨向是全世界通用IMT-2000，用戶終端就要做到能在全球各地都能實行通信，它必須是非常靈活的終端，以便適用于各個不同國家的不同標準?，F在的傾向就是要過渡至這樣的應用，而且制造的成本合理，不讓用戶負擔加重。
五、智能天線
在無線系統，無線電干擾是必須對付的重要問題。移動通信有幾種不同來源的無線電干擾：一是每一射頻信號經過多個不同途徑傳到接收端，引起信號衰落；二是在同一蜂窩區內，多個用戶使用相同頻率而引起干擾；三是因為這一蜂窩區與其他相隔稍遠的其他蜂窩區使用相同頻率而受到干擾。此外，用戶正在移動、引起多普勒效應，使信號受到衰落。一般地說，無線電干擾對系統容量和性能產生不良影響，智能天線是克服干擾損害的一種有效辦法，可借以加大通信網容量、擴大蜂窩覆蓋面積、改善通信質量，甚至延長終端的電池壽命，減小基站放大功率，而且對于3G系統提高用戶數據通信速率有利。
智能天線主要是利用于多個天線單元，又充分利用數字信號處理技術。天線可以針對幾個扇區，利用多個束射換接，又使用自適應處理，獲得最佳的孔徑增益、分集增益和干擾遏止，對改善系統性能明顯有利。一般無線系統的接收天線都使用在空間隔開的兩個分支，借以獲得空間分集的效果；采用極化分集技術，也有明顯成效。至于發射天線，目前多數情形只用一副天線，但將來傾向于利用多副發射天線，組成自適應的智能天線。既利用天線的定向性，又利用空間分集，確實可以得到明顯好處。曾經進行測試，表明基站的智能天線結合自適應處理，對于TDMA和CDMA兩種通信制式都有一定程度的效果，尤其在擴大通信容量、增多用戶的聯系方面效果更明顯。這些多址方式發送的導引信號可以對天線的自適應處理起作用。
六、地理定位
在移動通信，常常有必要確悉移動用戶本身在使用通信時所處的地理位置。這種地理定位對于公共安全非常必要，有些國家已經對移動通信的業務運營商作出明確規定：必須相當精確地了解移動用戶呼叫時在地理上所處的確實位置。對于船舶在海上航行和汽車在公路上行駛，都曾經有過各自適當的方法和設施，現在還要著重考慮移動個人通信在這方面找到簡單而可靠的地理定位技術，這不僅關系到人身安全的問題，而且還有其他需要，例如利用移動通信辦理電子商務，就有許多交易需要了解用戶所處的地點。
對移動用戶的地理定位，如完全交由蜂窩網基站負責承辦似有困難，還是由移動用戶各自隨身攜帶的手機擔任自己的定位較為妥當。過去曾經由移動手機利用標準的全球定位系統（GPS），現在則有更新“有協助的GPS”，稱為AGPS。不僅由手機利用GPS，還得到蜂窩網絡的協助。這是因為網絡包括基站和移動交換中心，掌握較多的情況。每當某一移動手機需要定位時，網絡可根據它從多個衛星連續觀測到的情況告知需要定位的用戶，大大地節約用戶自己廣泛跟蹤的過程，并節約用戶手機的電池消耗。而且，用戶有了這種AGPS提供的情況，又可以提高用戶GPS的靈敏度。
七、衛星移動通信
為了達到全球移動個人通信的目的，讓地面上相隔距離不論遠近的用戶，都可利用手機和專用號碼互相通信，衛星通信應該是一種好辦法。大家都已熟悉：在地球上空約36000km高度的環球軌道上運行的衛星是與地球同步運轉的，在這樣的高空均勻分布三顆衛星就可覆蓋全球地面。這樣的衛星就稱為同步衛星，也稱為地球靜止軌道（GEO）衛星。地面上的衛星通信用戶只要裝置適當功率和靈敏度的收發信機和必要的天線對準衛星，就可以通過衛星上的轉發器互相通信但是，衛星離地面太遠，電波傳播損耗很大、傳輸時延很長。因此，這樣的GEO衛星對地面上移動個人通信不是最理想。
離地面較近的上空運行的衛星可分為兩類。其一是地面上空約1000km的低軌道（LEO）衛星，其二是地面上空的10000km高度的中軌道（MEO）衛星。為了實行全球移動個人通信，這兩類衛星都曾研制了具體方案：每一LEO衛星系統約有50顆衛星，每一MEO衛星系統有10顆衛星，它們各沿指定軌道和位置依次運行，每一系統各自設計了移動用戶的手機。地面上需要通信的某用戶手機開始時對準各自系統的一顆衛星，隔一時間這一衛星前進，地面用戶就對準下一顆衛星，但前后衛星之間有通信聯絡，因而繼續為地面用戶服務，保證了其他用戶順利實現通信。幾種設計方案似乎都考慮得相當周密，各自組成全球個人通信的移動衛星通信網。當然，LEO和MEO的移動衛星網克服了傳統GEO衛星的損耗大和時延長兩個缺點，但是星上設備和星際聯系增添了復雜性。無論如何，在世紀之交的年代，新的系統已經投入試運用，希望從實踐中取得經驗。移動衛星通信網與地面上下行使用的頻率，暫定為L/S頻段，與新一代陸地移動通信系統的2GHz接近。事實上，移動衛星網必須與陸地蜂窩網密切結合，才能最有效地提供全球移動個人通信業務。
摘自《郵電設計技術》2001.11
