新世紀(jì)的移動(dòng)通信與接入網(wǎng)技術(shù)（一）

2019-11-03 09:41:58

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供稿：網(wǎng)友

　　第一代蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)是頻分復(fù)用（FDM）模擬系統(tǒng)。由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，移動(dòng)電話機(jī)的體積粗大笨重。因此有人預(yù)言移動(dòng)技術(shù)不會(huì)有很大的發(fā)展。實(shí)際上，1980年代以前，移動(dòng)通信用戶的數(shù)量也確實(shí)寥寥無(wú)幾。80年代末，半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使移動(dòng)通信有了快速的發(fā)展。利用ASIC技術(shù)，移動(dòng)電話的體積減小了許多。這一技術(shù)進(jìn)步為移動(dòng)通信業(yè)帶來(lái)了巨大的變化。

　　移動(dòng)通信的第二次飛躍來(lái)自第二代數(shù)字技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的廣泛使用，包括GSM、IS-136 TDMA、IS-95 CDMA以及PDC。2G技術(shù)提高了語(yǔ)音的質(zhì)量，在降低手機(jī)和基礎(chǔ)設(shè)施的成本方面則更為明顯。因此，在90年代中期，該技術(shù)進(jìn)一步加速了移動(dòng)通信的發(fā)展。

　　21世紀(jì)的移動(dòng)通信將有更大的發(fā)展。3G技術(shù)提高了頻譜利用率，在數(shù)據(jù)和復(fù)用能力方面也有了重大的進(jìn)步。從技術(shù)角度來(lái)看，該進(jìn)步是革命性的，它大大提高并拓展了人與人、人與機(jī)器甚至機(jī)器與機(jī)器之間的通信能力，并進(jìn)一步挖掘了通信潛力。與1G帶來(lái)的從車到人的變革相似，3G帶來(lái)的將是在終端用戶的巨大變革，使更多的機(jī)器可以參與通信。
除了上述變革之外，還有更多的功能正在被應(yīng)用于手機(jī)，如將手機(jī)與PDA結(jié)合。在3G中，UMTS終端將與GSM結(jié)合。由于多重標(biāo)準(zhǔn)的存在，將來(lái)可能采用多模式終端或利用軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)。

　　3G技術(shù)的進(jìn)步與接入網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。目前有多種接入技術(shù)處在發(fā)展階段。GSM正通過(guò)GPRS、EDGE向UMTS發(fā)展。無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）系統(tǒng)，如HipERLAN2、IEEE802.11 、DAB、DVB-T等都在應(yīng)用中。藍(lán)牙、DECT系統(tǒng)等接入技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)短距離連接。在固定網(wǎng)中，xDSL特別是ADSL技術(shù)大大提高了數(shù)據(jù)在最后一公里的傳輸速度。這些技術(shù)都可能成為固定移動(dòng)網(wǎng)中的一部分。

　　核心網(wǎng)的傳輸能力在最近10年內(nèi)的增長(zhǎng)極為迅速，傳輸速度相對(duì)信號(hào)處理能力有了更快的發(fā)展，DWDM等技術(shù)的發(fā)展使得傳輸費(fèi)用顯著降低。核心網(wǎng)正在向透明傳輸發(fā)展，人們不再區(qū)分電路交換數(shù)據(jù)和分組交換數(shù)據(jù)，以便在同一網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持。從目前的發(fā)展來(lái)看，IP是最好的解決方案。IP傳輸也可用于無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，并將路由器設(shè)置在基站附近，并可以采用路由器支持的軟件技術(shù)、java Virtual技術(shù)等。

　　經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)和業(yè)務(wù)需求

　　目前，移動(dòng)通信的發(fā)展由經(jīng)濟(jì)和技術(shù)趨勢(shì)決定，未來(lái)則主要由需求決定。隨著2G的發(fā)展和3G的出現(xiàn)，用戶可獲得更多的數(shù)據(jù)服務(wù)和多媒體服務(wù)。用戶的需求和要求正影響著3G及以后的系統(tǒng)的發(fā)展。

　　在最近10年內(nèi)，世界上許多國(guó)家開(kāi)放了電信市場(chǎng)。由于存在競(jìng)爭(zhēng)，通信服務(wù)費(fèi)用特別是移動(dòng)通信服務(wù)費(fèi)用大幅下降，用戶增長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于估計(jì)值：1998年全球用戶增長(zhǎng)率為60%，2002年預(yù)計(jì)可達(dá)到100%；2000年全球的移動(dòng)用戶數(shù)已超過(guò)4億，到了2010年全球?qū)?huì)有超過(guò)17億的移動(dòng)用戶。

　　新的通信環(huán)境使移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)模式發(fā)生了變化。未來(lái)創(chuàng)造產(chǎn)值的主力將不再是運(yùn)營(yíng)商，而是內(nèi)容提供商。當(dāng)然，二者都要借助接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。據(jù)專家預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)和內(nèi)容提供服務(wù)將會(huì)成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　新的發(fā)展模式中應(yīng)當(dāng)包括以下三部分：
　　* IT：互聯(lián)網(wǎng)的接入網(wǎng)、E- mail、實(shí)時(shí)圖像傳輸、多媒體傳輸、瀏覽、廣播以及移動(dòng)電腦。
　　* 媒體：語(yǔ)音—視頻服務(wù)、視頻點(diǎn)播、交互式視頻服務(wù)、增值服務(wù)以及電視、廣播。
　　* 通信：移動(dòng)通信、可視電話、寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)、接入網(wǎng)安全和QoS。

　　通信技術(shù)和信息技術(shù)的結(jié)合是信息社會(huì)的必然要求。信息社會(huì)的服務(wù)將是多方位的：互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、通信、可視會(huì)議、教育、金融服務(wù)、電子商務(wù)、遙感技術(shù)、定位服務(wù)、個(gè)人通信、個(gè)人保健以及娛樂(lè)等。UMTS論壇預(yù)計(jì)，到2010年，歐洲將會(huì)有超過(guò)9000萬(wàn)的移動(dòng)用戶能夠享受多媒體服務(wù)，其中有60%的數(shù)據(jù)是以比特形式傳輸?shù)摹＿@些不同的服務(wù)可以繼續(xù)細(xì)分為多媒體、E-mail、文件傳輸?shù)葘?duì)稱或非對(duì)稱業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。另外，上述服務(wù)還可分為：
　　* 廣域服務(wù)：移動(dòng)電話、GPRS、移動(dòng)多媒體。
　　* 局域服務(wù)：高速無(wú)線安全接入、快速Internet和Intranet、共享數(shù)據(jù)服務(wù)。

　　3G的無(wú)線通信協(xié)議

　　為了提高全球漫游能力，ITU制定了IMT-2000建議，定義了地面和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的協(xié)議。

　　人們起初希望能夠制定世界范圍內(nèi)的統(tǒng)一無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)。但是很快發(fā)現(xiàn)，制定多種規(guī)范以滿足不同區(qū)域的要求較為符合現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)的需要。其原因在于3G是從2G演變而來(lái)，而2G是建立在許多不同的技術(shù)和無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)（如GSM、CDMA、TDMA）的基礎(chǔ)上；此外，還存在著兩個(gè)主要的地區(qū)性網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)：GSM-MAP和ANSI-41。

　　大部分2G系統(tǒng)建立在GSM或TDMA基礎(chǔ)上，其向3G的演變則通過(guò)EDGE標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于新興的服務(wù)提供商而言，實(shí)現(xiàn)UMTS的方法很可能采用寬帶CDMA（W-CDMA）。W-CDMA系統(tǒng)會(huì)在每一條FDD鏈路上提供5M的帶寬。對(duì)于采用IS-95技術(shù)的系統(tǒng)，2G向3G的演進(jìn)將采用cdma-2000標(biāo)準(zhǔn)。第一階段，每條鏈路提供1.25M帶寬以確保能與目前的2G系統(tǒng)兼容，其帶寬最終可擴(kuò)展到5MHz。

　　雖然3G將制定一組無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)，但是ITU決定不在核心網(wǎng)內(nèi)使用這些協(xié)議。這是為了讓GSM-MAP和ANSI-41能分別根據(jù)市場(chǎng)的需求獨(dú)立發(fā)展。ITU將制定核心網(wǎng)之間的互連協(xié)議，即網(wǎng)間接口（NNI），以便實(shí)現(xiàn)漫游。

　　考慮到3G可采用的無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)有EDGE、UMTS和cdma2000(分別對(duì)應(yīng)于GSM-MAP和ANSI-41)，運(yùn)營(yíng)商必須為不同的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立不同的基礎(chǔ)設(shè)施，并根據(jù)不同的運(yùn)營(yíng)商和國(guó)家而采用不同的頻段。

　　以3G為核心的其他技術(shù)

　　軟件無(wú)線電
　　人們需要在不同的標(biāo)準(zhǔn)和不同的頻段之間切換的技術(shù)。由于半導(dǎo)體技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)日趨成為現(xiàn)實(shí)。其中最有前景的技術(shù)是軟件無(wú)線電（SDR：Software Defined Radio）技術(shù)。

　　SDR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：
　　* A/D和D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展使接近天線的高速信號(hào)的直接轉(zhuǎn)換成為可能，減少了無(wú)線轉(zhuǎn)換部件的數(shù)量，大大方便了數(shù)字部件的制造。
　　* 可采用寬帶無(wú)線通路來(lái)提供內(nèi)在的機(jī)動(dòng)性，以支持不同的標(biāo)準(zhǔn)和不同的工作頻段。
　　* DSP和FPGA芯片的快速發(fā)展，使制造低價(jià)的通用設(shè)備成為可能。這些采用軟件或者固件技術(shù)的設(shè)備速度很快，完全可與硬件速度相媲美。
　　* 許多數(shù)字技術(shù)和軟件協(xié)議已應(yīng)用多年，可進(jìn)一步降低成本、縮短投放市場(chǎng)的時(shí)間。
　　* 通過(guò)軟件升級(jí)，更加容易開(kāi)發(fā)新的服務(wù)，因此在快速發(fā)展的無(wú)線工業(yè)中，該技術(shù)更有吸引力。
　　* 軟件系統(tǒng)容易根據(jù)特定用戶的需求進(jìn)行修改。
　　* 在新老系統(tǒng)的變更中，提供一定的機(jī)動(dòng)性。

　　SDR雖然有上述的優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用還有待時(shí)日，它仍然面臨著來(lái)自ASIC的挑戰(zhàn)。在基站系統(tǒng)中，不同的服務(wù)提供商可能只要滿足采用同一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的要求。雖然采用ASIC可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能推向市場(chǎng)，但是考慮到按特定標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的設(shè)備只需要最低限度的軟件和硬件，因此制造成本較低。

　　另外應(yīng)當(dāng)指出，SDR的發(fā)展與半導(dǎo)體技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展相關(guān)。目前處理器和DSP芯片的發(fā)展速度每1～2年就會(huì)有大幅度的提高，并很快就會(huì)被新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)所吸收。從理論上說(shuō)，采用SDR技術(shù)只需要軟件升級(jí)，實(shí)際上系統(tǒng)的硬件設(shè)施也必須隨著處理器和DSP芯片的快速發(fā)展而不斷更新。因此，與PC機(jī)的軟件/硬件關(guān)系類似，SDR的一些優(yōu)點(diǎn)將會(huì)因硬件的不穩(wěn)定性而受到影響。

　　對(duì)手機(jī)而言，前景也并不明朗。雖然有很多旅行者希望他們的手機(jī)能夠支持不同的標(biāo)準(zhǔn)，但是相當(dāng)一部分無(wú)線用戶對(duì)只能夠支持某一國(guó)家或服務(wù)提供商的特定通信協(xié)議的手機(jī)已感到相當(dāng)滿足。對(duì)于這部分人來(lái)說(shuō)，ASIC以其低廉的價(jià)格成為首選。另外，手機(jī)用戶必須考慮到手機(jī)電池的壽命。現(xiàn)有ASIC的功率消耗比DSP和FPGA小得多，采用ASIC的手機(jī)體積也比后者小。因此，SDR若要成為普遍的選擇，還有很多的困難需要克服。但隨著時(shí)間的推移，SDR所占的比例將會(huì)逐步上升。

　　定位技術(shù)

　　當(dāng)采用陸地電話發(fā)送呼叫時(shí)，呼叫者的電話號(hào)碼和位置可從信令中識(shí)別出來(lái)，這種定位技術(shù)已被應(yīng)用于用戶號(hào)（ID）和緊急呼叫處理。同樣，無(wú)線用戶的位置也可用各種方法識(shí)別出來(lái)。與地面方式不同，無(wú)線定位采用了另一種關(guān)鍵技術(shù)——無(wú)線定位技術(shù)。該技術(shù)具有巨大的潛力，能夠改善相關(guān)的應(yīng)用，使人—機(jī)器和機(jī)器—機(jī)器之間的聯(lián)系更為便利。無(wú)線定位技術(shù)的應(yīng)用包括移動(dòng)地圖服務(wù)、緊急呼叫位置查詢等。

　　無(wú)線定位技術(shù)有兩種，一種建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，另一種建立在手機(jī)基礎(chǔ)上。在基于網(wǎng)絡(luò)的解決方案中，定位信息是通過(guò)對(duì)時(shí)間、到達(dá)的角度、信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)判斷的。在基于手機(jī)的解決方案中，主要利用GPS的信號(hào)來(lái)定位。

　　在實(shí)際使用中，上述兩種技術(shù)均有其局限性。基于網(wǎng)絡(luò)的解決方案其定位的精確度受到接收信號(hào)精確度的限制；基于手機(jī)的解決方案，必須收到多顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)才能準(zhǔn)確定位，而在室內(nèi)或者在高樓聳立的城市中要做到這一點(diǎn)相當(dāng)困難。因此，有人提出了GPS與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合（即輔助GPS）的方案。

　　智能天線

　　移動(dòng)通信的飛速發(fā)展對(duì)系統(tǒng)容量和頻段的復(fù)用提出了更高的要求。智能天線技術(shù)可以大幅度提高系統(tǒng)的容量。目前的窄帶波束包括兩項(xiàng)技術(shù)：定向波束和可變向波束。

　　定向波束利用天線陣或均勻排列的定向天線。定向天線的元件能夠使正向鏈路上的狹窄帶波束指向指定的手機(jī)。正向鏈路的天線分集技術(shù)是智能天線解決方案的一部分。

　　可變向波束與定向波束技術(shù)至少有兩點(diǎn)不同：首先，可變向波束技術(shù)的天線安裝在扇區(qū)內(nèi)，而定向波束技術(shù)的天線位置則要根據(jù)信道狀況而定。其次，可變向波束可在不同天線波束間切換，定向波束則指向特定手機(jī)。

　　除了上述智能天線技術(shù)之外，貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了一種更有效的技術(shù)，即BLAST（Bellabs Layered Space Time）技術(shù)。BLAST技術(shù)在同一頻段上建立了復(fù)平行信道，并保持總傳輸功率不變。因此，正向和反向信道的容量可以在多種技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上得到大幅度的提高。

　　超導(dǎo)體，塔頂?shù)驮肼暦糯笃骱投嘤脩魴z測(cè)

　　現(xiàn)有的技術(shù)，如超導(dǎo)體、塔頂?shù)驮肼暦糯笃鳎═TLNA：Tower-top Low Noise Amplifier）和多用戶檢測(cè)等同樣可以大大提高反向信道的性能。

　　在很多無(wú)線系統(tǒng)中，一個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍受手機(jī)最大傳輸功率和基站熱噪聲的限制。考慮到電池壽命問(wèn)題，提高手機(jī)最大傳輸功率是不現(xiàn)實(shí)的，降低系統(tǒng)噪聲自然成為擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍的最佳途徑。目前大部分無(wú)線通信系統(tǒng)的噪聲指標(biāo)為4—5dB。在天線中采用超導(dǎo)技術(shù)或TTLNA技術(shù)之后，噪聲指數(shù)可降低幾個(gè)分貝，從而擴(kuò)大了小區(qū)覆蓋范圍。目前TTLNA技術(shù)由于其較高的可靠性和較小的尺寸正在得到推廣，而超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用則沒(méi)有那么廣泛，還需要在價(jià)格、可靠性、設(shè)備體積等方面加以改進(jìn)。不難看出，由于TTLNA價(jià)格低、穩(wěn)定性高、傳輸損失小，超導(dǎo)技術(shù)正面臨著TTLNA技術(shù)的強(qiáng)大挑戰(zhàn)。

　　在城市中，許多移動(dòng)系統(tǒng)面臨的最主要問(wèn)題不是小區(qū)的覆蓋范圍，而是系統(tǒng)容量。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)采用多用戶檢測(cè)技術(shù)。由于一個(gè)小區(qū)內(nèi)存在使用相同頻段的不同用戶間的干擾，因此小區(qū)內(nèi)的功率受限。采用多用戶檢測(cè)技術(shù)后，當(dāng)某一用戶的強(qiáng)信號(hào)被接收和檢測(cè)，而此時(shí)還未檢測(cè)到其他信號(hào)時(shí)（該信號(hào)受到了強(qiáng)信號(hào)的干擾），可把該強(qiáng)信號(hào)從基站接收的總信號(hào)強(qiáng)度中扣除。一旦第二個(gè)信號(hào)被檢測(cè)到，便可將該信號(hào)從基站接收的總信號(hào)強(qiáng)度中扣除并重新檢測(cè)第一個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度。顯然該方法可以反復(fù)采用以提高信號(hào)的檢測(cè)精度。

　　除了上述方法之外，還有其他一些可以一次檢測(cè)一個(gè)用戶或同時(shí)檢測(cè)出多個(gè)用戶的方法。目前，多用戶檢測(cè)技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，其廣泛應(yīng)用尚待檢測(cè)速度和正向鏈路容量的提高，因?yàn)槿绻蜴溌啡萘坎淮螅聪蜴溌返娜萘恳矡o(wú)法提高。
摘自《通訊世界》

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