無繩技術的通信應用----黃三榮

2019-11-03 09:52:24

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無繩技術的通信應用----黃三榮摘要本文詳細論述了無繩通信技術的幾種系統——DECT、PHS、PACS，中文并進行了分析比較，最后根據移動用戶對通信網的要求特點，得出無繩技術不宜用作本地移動通信系統的結論。關鍵詞無繩技術 DECT PHS PACS1 前言移動通信已成為20世紀末人們工作、生活中的一大熱門話題。用同一個個人號碼在任何地方。任何時間進行通信，成為用戶和運營商追求的目標。這就是個人通信的一種方式。現代人的生活離不開家居、辦公室及公共場所，若能在這三個范圍用同一個號碼進行通信，滿足用戶的移動需求，也就跨出了個人通信的第一步。國內目前應用得最成熟、最廣泛的是GSM蜂窩移動通信系統，它在最大程度上滿足了各種用戶在不同場合的移動通信需求。隨著有線與移動的業務分營，必將引起電信運營部門與移動運營部門對移動用戶的爭奪，移動運營部門的優勢是擁有目前最成熟的技術，而電信運營部門則擁有目前最完善的網絡，如何更快更多地發展用戶，是運營商最關心的問題。2 移動用戶對通信網的要求如前述，由于人們主要是在家居、辦公室以及公共場所移動，因此可將終端移動分為三種類型，其需求與特點如下：（1）室內移動用戶主要在住宅小區、辦公室樓群、醫院、學校等站點使用。特點是用戶密度大，話務量集中；但覆蓋范圍小，對移動速度的要求低；對號碼的管理簡單。目前世界上通常采用無繩技術的WPABX、WLL系統來滿足此種需求，如基于 DECT、P-ACS、PHS的 WPABX及WLL系統。當需對移動用戶采用內部計費方式時，可采用WPABX系統；若使用公共計費方式時，可采用WLL系統。WLL系統最大程度地利用了現有網絡設備，只是以無線（移動）的方式來取代了固定有線終端。當一個WPABX、WLL系統的用戶容量足夠大時，無需采用附加網絡來實現移動用戶的漫游，但用戶在系統內必須能夠無縫切換。由于覆蓋的范圍不大，無繩基站的數量不多，維護較為便利。同時有線終端與移動終端可方便地采用同一號碼。（2）本地移動用戶在公共場所，從商場、影院、車站、機場等站點移動到另一站點，即在一個城市內移動。特點是用戶密度和話務量相對集中，對覆蓋要求連續、完整，對移動速度要求較高，一般是以機動車的速度移動；由于要實現一個號碼在不同子系統中的漫游，對系統和網絡要求較高。用于此種場合的移動系統需解決三個問題： ①站點之間的覆蓋。實現全城覆蓋，除了對用戶集中的站點要實現完全覆蓋外，各個站點之間也需覆蓋，否則將大大降低系統的性能和可用性。 ②機動車內用戶的移動管理。城內機動車時速一般是35～70 km，約 10～20 m／s。顯然，單基站覆蓋范圍為數百米的微蜂窩系統不適合此種場合的應用，同時對無縫切換的要求非常嚴格。 ③移動用戶的定位與用戶的漫游石SM蜂窩移動系統采用專門的MSC和網管來管理移動用戶的定位和漫游。無繩微蜂窩系統一方面要利用PSTN和IN網完成對定位和漫游的管理，另一方面還要留出系統資源用作開機和位置更新的用戶進行位置登記，而這部分資源是不產生經濟效益的。因此，本地移動對系統提出了如下要求： ①單基站的容量大。 ②單基站的覆蓋范圍大。 ③基站和終端的接收靈敏度高。 ④相同用戶容量和覆蓋范圍的相對基站數盡可能小，利于組網和維護，同時可有效地降低系統成本。 ⑤允許的用戶移動速度大。 ⑥無縫切換的時間短。 ⑦有效利用系統和網絡資源的程度高，無效益系統網絡資源占用少。 ⑧系統信息信道容量大，便于開發新業務，為網絡、技術和業務的升級留有余地。（3）跨區移動用戶在全省或全國范圍內移動，覆蓋、移動速度以及對系統網絡的要求最高。除需滿足室內移動和本地移動的全部要求外，還需滿足用戶在跨區、全省或全國范圍內的漫游，支持高速移動用戶。無疑，目前只有GSM蜂窩移動系統才能完全滿足跨區移動的覆蓋、高速移動速度，以及完善的系統和網絡支持。從上述三種移動來看，移動的范圍越小，對系統的性能要求越低。滿足大范圍移動的系統從性能上可以向下兼容更小范圍的移動。第一類室內移動的典型應用是無繩WPABX、無繩WLL，但此類的用戶容量需求相當有限。第三類跨區移動的典型是GSM蜂窩移動系統，雖然有巨大的市場需求，但此類典型的移動業務將由移動業務部門掌握，從政策和能力上，僅有移動局和聯通在競爭用戶。看來，僅有第二類本地移動介于有線和移動之間，成為移動運營部門和電信運營部門共同的目標。這樣引出了如下問題： ①究竟何種技術體制可擔此大任？ ②與跨區移動系統共存的必要、充分條件是什么？生命周期有多長？ ③信息產業部在對電信建設中提出了三個發展重點、四個要處理的關系，指出：在尋找新的業務增長點時，堅決不允許一哄而上，不允許重復建設，一定要避免某些，國家重復建設、先亂后治的老路；國家將統籌規劃，統一標準以及各部門要各司其職。如何操作才能符合上述精神？3 當前各種移動技術體制介紹終端可移動的通信系統所采用的技術體制大體可分為兩大類：蜂窩技術和無繩技術。蜂窩技術分為：FDMA、TDMA和CDMA三種，而常用的無繩技術是DECT、PHS和PACS。（1）蜂窩技術現有的蜂窩技術都是面向移動業務的技術。從1982年7月開通我國第一個FDMA體制的模擬移動通信系統起，經過10多年的網絡建設，其覆蓋范圍比較完善。雖然今后模擬移動電話不再是國家發展移動的主要方向，但仍將維持現狀。因此若僅為本地移動服務，只要在資費上進行調整，將還大有用武之地。全球應用最廣泛的TDMA移動系統是GSM。其覆蓋范圍大、頻譜利用率高、系統容量大、業務種類多、安全性能好、抗干擾能力強、通話質量高，同時還可提供新的智能和移動數據新業務。GSM技術已進入成熟期，其技術標準已被世界上許多國家和地區所采納并定為行業標準，而且GSM技術也隨著當前電子技術的不斷發展而穩步向前。 CDMA有著GSM和模擬系統無法比擬的優點。在三種技術中，它的系統容量最大，還具備話音質量高、保密性能好等特性，在開展業務種類、建網經濟性等方面有明顯優勢。但技術先進并不等于技術成熟，也不代表商用成功。由于其技術的成熟度尚待驗證，關鍵技術離產業化還有一段距離，因此CDMA能否成功商用，還需要在網絡性能、漫游功能、成本和系統穩定等方面更加完善。（2）DECT DECT是ETSI制定的公開的無繩通信的標準，它的應用范圍已從家用無繩擴展到CTM。作為蜂窩移動系統的補充，采用DECT標準的系統在WPABX等方面在歐洲獲得了廣泛的應用，并逐漸擴展到亞洲、俄羅斯、非洲、南美等地。在歐洲，其工作頻率是1880～1900MHz。中國早在國家“863計劃”中就有對DECT進行研究的專題，而近年已有廠家推出進入商用階段的DECT系統。中國信息產業部規定DECT在境內可使用的頻率是1900～1920MHz。為順應第三代移動通信的發展趨勢，ETSI最近又在計劃推出DECT－G3協議，為解決與第三代移動通信的兼容問題打下基礎。一個采用DECT微蜂窩方式的CTM系統已在意大利運行，它基于DECT技術，在PSTN、I-SDN的基礎上結合IN技術實現終端的移動通信。允許移動終端用同一個號碼在不同的場合下接入；允許用戶在兩個基站之間移動，在兩個小區之間漫游。它有一個很大的特點，就是可以利用意大利廣泛使用的DECT家用無繩電話的座機，作為移動終端用戶在居家或辦公場所接入的基站，通過IN網來實現對號碼的統一管理。大大減少了基站的安裝數量，解決了部分密集建筑群內的覆蓋問題。圖1中所有的移動終端和基站必須滿足DECT－GAP協議。住宅區的移動用戶主要還是依賴PSTN主干網，具有IN功能的LE完成用戶與IN之間的連接。此種場合的應用未加入基站控制器，利用普遍使用的DECT家用無繩電話的基站作為用戶接入的基站，基站與LE的接口與有線電話相同，在PSTN網上是a／b線，而在ISDN網上則是2B＋D接口。典型的商用環境下的移動用戶，由基站控制器BSC提供內部的交換，此時的BSC實際上就是WPABX。系統內不存在漫游問題，只存在移動用戶在基站間的切換，DECT的無縫切換技術完全支持用戶的切換。但由于要對所發生的業務進行計費，因此需將本地數據庫連接到WPABX上。WPABX與LE的接口是標準PRA。在公共場合下，基站控制器BSC不具備交換功能，與本地交換機之間采用標準的 PRA十接口，在 PRA的基礎上增加DSS1信令以支持移動管理。在LE上要增加移動呼叫模塊，處理終端鑒權、自動位置登記與注銷。用戶位置的識別將在業務控制點SCP上完成，從而實現整個系統內的漫游。半公共場合的基站控制器則具備交換功能，可支持小區內部的交換，即發生在小區內部的呼叫無需通過公共網絡。 LE是用戶連接IN網的橋梁。多個SSP可連接到一個SCP上，系統中存在多個SCP。每一個用戶的用戶數據和位置數據都保存在其歸屬SCP中，當允許漫游到其它SCP上時，接受此漫游用戶的SCP要拷貝其歸屬SCP內的用戶數據。每個SCP之間通過SS7連接。網管則通過SMN完成。意大利CTM的關鍵部分是在網絡的高層增加了CAP協議、鑒權和位置登記的管理、移動管理、歸屬數據庫等。意大利CTM的主要特點是： ①利用已有的PSTN、ISDN、IN網實現終端的移動，但需在主干網上增加相應的模塊，組網并不簡單，實際上相當于又增加了一套系統。 ②利用DECT家用無繩基站支持用戶在住宅或辦公室內的移動，但這種優勢僅在歐洲存在。 ③仍舊不能提供可與蜂窩移動相比擬的移動性能，尤其在小區間的覆蓋上，還存在相當多盲區。在移動速度方面，只支持較低機動車速下的移動。意大利電信局采用CTM系統作為其蜂窩系統的補充，上述第三個特點在這種情況下被掩蓋了。（3）PHS PHS是近期最活躍的一種技術體制，作為日本郵政部專為家居、辦公室以及室外小范圍移動而設計的無繩通信技術體制，與DECT相比，除了在無縫切換（PHS的切換有1.5 s的斷話時間）方面的差異較明顯外，其它的性能大同小異。但作為日本專用的體制已被日本本土所不用，逐漸代之以PDC和第三代新型移動通信系統。因此不太有可能出現PHS面向第三代移動通信而不斷更新體制的舉動。圖2是PHS的典型結構圖。與圖1相比，二者之間并無本質區別，只是圖1中針對不同的用戶場合，有不同的無線組網方式，顯得更為靈活方便。上述CTM中的第一、第三特點同樣也為PHS所有，第二特點PHS則不具備。從1993年10月到 1995年3月，PHS在札幌、東京、大阪和高松進行了現場試驗后，N-TT個人通信網集團。DDI便攜電話集團及Astel集團被批準組建了各自的經營公司。NTT和DDI在1995年7月開始了商業服務，而Astel則在同年10月開始此項服務。最初在推廣時，PHS以其低廉的價格、小巧的外型一度成為可與蜂窩系統相競爭的方案。在系統推出之前，日本郵政部對可能擁有的市場、用戶層面等因素進行了非常詳細的調查，得出結論：PHS的用戶將是一般公眾，其推廣速度將遠遠超過當時的蜂窩移動通信服務；預計到2010年日本的PHS市場中將有30％的日本居民使用 PHS，有3800萬部PHS手機在市場上流通；根據PHS的性能有可能使每個家庭購買一部PHS手機，將會達到 4300萬部。而實際的情況是，1996年的用戶數量是300萬用戶，1997年第三季度達到最高峰約700萬用戶，但從此開始走下坡路，一發不可收，直至三家運營公司中有兩家退出了經營，剩下一家還在苦力支撐。造成PHS在日本衰敗的原因眾說紛法，但有三點是被公認的：一是先天不足，其移動的性能遠不能與蜂窩移動系統相提并論，而覆蓋的盲區、移動速度的限制、越區切換時的斷話成為系統的巨大缺陷；二是蜂窩電話資費下降，綜合考慮性能的差異，使PHS推廣伊始時的價格優勢不再；三是龐大數目的基站維護成為困擾運營商的大問題。如此的結局，加上第三代移動通信的嚴峻形勢，使得識時務的日本有關部門不得不放棄花費多年心血開發研制出的PHS，轉而集中精力專攻第三代。然而無論如何，日本境內的PHS畢竟還是曾有過輝煌的時刻，而境外的PHS則一直未能走運。在境內失敗的運營商們開始向海外擴展，但從越南、印尼到被運營商寄予無限希望的泰國均是低開低走低收，完全失敗。眼下中國的電信運營部門與移動運營部門分家，電信局急于從移動局手中爭取一部分移動用戶，在中國境內進行了三年多實驗的PHS正好迎合了電信局的這種心理。雖說時勢可以造就英雄，但技術本質仍不會改變，導致PHS在日本和其它地區衰敗的三個原因仍舊存在，PHS不適合本地移動通信，僅適合WPABX。（4）PACS PACS標準是PHS與Bellcore提出的與WACS系統相結合的產物，所以PACS在技術特性方面與PHS有許多相同之處，在系統結構、與固定網的連接以及利用智能網方面二者也基本相同。二者的差異如下： ①雙工方式的不同（ PHS是TDD，PACS是FDD或TDD）。在容量受限的室外應用中，P-HS系統將需要比PSC系統多30％～70％的基站。 ②接收靈敏度和相對基站數不同，如表1所示。FCC規定，在 PACS的頻段中有20 MHz是不需申請執照供用戶在住地使用的頻段。適用于此頻段的PACS被稱為PACS－UB。表1中，系統增益是發射功率和接收靈敏度的絕對值之和，它與無線的通信距離成正比；相對基站數是指兩者覆蓋同樣范圍時所需的相對基站數。據Bellcore稱，PACS的小區半徑可比PHS大3倍。 ③每基站可提供的通信信道數不問。PACS－UB最多可支持8個信道，而PHS最多可支持3個信道。因而在室內應用時，覆蓋同樣范圍PHS需要的基站至少比PACS－UB多25％。 ④分集接收。PACS的手機內要求有天線分集功能，而FDD方式時，手機內采用天線選擇分集，大大縮短分集的等待時間。二者各自在分集時的等待時間如表2所示。 ⑤用戶移動速度。分集等待時間是限制用戶移動速度的一個主要因素，它決定了系統的臨界速度，當用戶的移動速度大于臨界速度時，會發生斷話。二者的臨界速度如表2所示。 ⑥通告和登記容量。二者的系統內都有通告和登記區（ARA），而ARA是占用網絡資源，但不產生效益。大的ARA可減少無益的工作，反之亦然。PACS的ARA可容納20萬用戶，PACS－UB可容納8萬用戶，而PHS僅能容納68個用戶。顯然在這方面，PACS遠遠優于PHS。 ⑦系統信息信道容量。PACS是5.3 kbit/s，而PHS是62 bit／S。 ⑧越區切換。PHS有斷話的切換，PACS無縫切換。 PACS在以上幾個方面均表現出比PHS的優越性，但PHS成熟應用則是PACS望塵莫及的。4 各種制式比較綜上所述，在本地移動范圍內，GSM蜂窩移動技術是目前最合適的技術，電信部門已推出的降低月租和入網費用等規定，表明GSM將進一步平民化，向人人買得起、人人用得起的方向努力。而電信對國際開放將大大縮短這一進程。就三種無繩技術的現狀來看，各有千秋，并無大的差異。以本地移動通信的要求來比較三種技術，結果如表3所示。已商用的無繩系統可以用同一個個八號碼在不同的場合下接入系統，成本低兼。但致命的弱點是：基站覆蓋范圍小，覆蓋同一范圍時所需的基站數目遠遠大于GSM所需，這給維護帶來相當的不便；移動速度低。它們的弱點表明最有生命力的移動應用場合還是室內移動（WPABX）。從發展的角度來看，DECT和PACS更有前途，作為ETSI制定的標準，DECT在世界范圍內已成熟應用，且ETSI為順應通信的發展，對標準進行不斷更新；PACS標準制定的起點高，技術優勢明顯；而PHS由日本制定，其發展的歷史表明不具有生命力，已被日本本土所不用，當然更看不到技術體制更新的希望。5 結論 GSM是目前最適合本地移動的蜂窩移動技術，但目前還不能實現與有線電話同號碼。當使用無繩技術的系統作為本地移動系統時，它是以廉價作為進入市場的手段，但這是以犧牲移動性能為代價的。只有在價格差距很大時，才可能同時存在本地移動和跨區移動兩種系統。若能以大多數用戶可以接受的價格提供大范圍的跨區移動業務，跨區移動將覆蓋掉本地移動，低性能的本地移動將沒有市場。因此采用無繩技術的本地移動是否能夠發展，完全取決于跨區移動的價格時間差，其發展基礎是非常脆弱的。因此，無繩技術用作移動時，只能作為蜂窩移動的補充，用于WPABX；若欲將其作為競爭手段，由于技術體制本身的局限性，將會被蜂窩移動系統的高性能，以及逐漸實現的低收費趨勢所擊敗。