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无绳技术的通信应用----黄三荣

2/14/2005来源:移动通信人气:8131

无绳技术的通信应用----黄三荣 摘要 本文详细论述了无绳通信技术的几种系统——DECT、PHS、PACS,中文并进行 了分析比较,最后根据移动用户对通信网的要求特点,得出无绳技术不宜用作本地 移动通信系统的结论。 关键词 无绳技术 DECT PHS PACS 1 前言 移动通信已成为20世纪末人们工作、生活中的一大热门话题。用同一个个人号码在 任何地方。任何时间进行通信,成为用户和运营商追求的目标。这就是个人通信的一种 方式。现代人的生活离不开家居、办公室及公共场所,若能在这三个范围用同一个号码 进行通信,满足用户的移动需求,也就跨出了个人通信的第一步。 国内目前应用得最成熟、最广泛的是GSM蜂窝移动通信系统,它在最大程度上满足了 各种用户在不同场合的移动通信需求。随着有线与移动的业务分营,必将引起电信运营 部门与移动运营部门对移动用户的争夺,移动运营部门的优势是拥有目前最成熟的技术, 而电信运营部门则拥有目前最完善的网络,如何更快更多地发展用户,是运营商最关心 的问题。 2 移动用户对通信网的要求 如前述,由于人们主要是在家居、办公室以及公共场所移动,因此可将终端移动分 为三种类型,其需求与特点如下: (1)室内移动 用户主要在住宅小区、办公室楼群、医院、学校等站点使用。特点是用户密度大, 话务量集中;但覆盖范围小,对移动速度的要求低;对号码的管理简单。 目前世界上通常采用无绳技术的WPABX、WLL系统来满足此种需求,如基于 DECT、P- ACS、PHS的 WPABX及WLL系统。当需对移动用户采用内部计费方式时,可采用WPABX系统; 若使用公共计费方式时,可采用WLL系统。WLL系统最大程度地利用了现有网络设备,只 是以无线(移动)的方式来取代了固定有线终端。 当一个WPABX、WLL系统的用户容量足够大时,无需采用附加网络来实现移动用户的 漫游,但用户在系统内必须能够无缝切换。由于覆盖的范围不大,无绳基站的数量不多, 维护较为便利。同时有线终端与移动终端可方便地采用同一号码。 (2)本地移动 用户在公共场所,从商场、影院、车站、机场等站点移动到另一站点,即在一个城 市内移动。特点是用户密度和话务量相对集中,对覆盖要求连续、完整,对移动速度要 求较高,一般是以机动车的速度移动;由于要实现一个号码在不同子系统中的漫游,对 系统和网络要求较高。 用于此种场合的移动系统需解决三个问题: ①站点之间的覆盖。实现全城覆盖,除了对用户集中的站点要实现完全覆盖外,各 个站点之间也需覆盖,否则将大大降低系统的性能和可用性。 ②机动车内用户的移动管理。城内机动车时速一般是35~70 km,约 10~20 m/s。 显然,单基站覆盖范围为数百米的微蜂窝系统不适合此种场合的应用,同时对无缝切换 的要求非常严格。 ③移动用户的定位与用户的漫游石SM蜂窝移动系统采用专门的MSC和网管来管理移动 用户的定位和漫游。无绳微蜂窝系统一方面要利用PSTN和IN网完成对定位和漫游的管理, 另一方面还要留出系统资源用作开机和位置更新的用户进行位置登记,而这部分资源是 不产生经济效益的。 因此,本地移动对系统提出了如下要求: ①单基站的容量大。 ②单基站的覆盖范围大。 ③基站和终端的接收灵敏度高。 ④相同用户容量和覆盖范围的相对基站数尽可能小,利于组网和维护,同时可有效 地降低系统成本。 ⑤允许的用户移动速度大。 ⑥无缝切换的时间短。 ⑦有效利用系统和网络资源的程度高,无效益系统网络资源占用少。 ⑧系统信息信道容量大,便于开发新业务,为网络、技术和业务的升级留有余地。 (3)跨区移动 用户在全省或全国范围内移动,覆盖、移动速度以及对系统网络的要求最高。除需 满足室内移动和本地移动的全部要求外,还需满足用户在跨区、全省或全国范围内的漫 游,支持高速移动用户。 无疑,目前只有GSM蜂窝移动系统才能完全满足跨区移动的覆盖、高速移动速度,以 及完善的系统和网络支持。 从上述三种移动来看,移动的范围越小,对系统的性能 要求越低。满足大范围移动的系统从性能上可以向下兼容更小范围的移动。第一类室内 移动的典型应用是无绳WPABX、无绳WLL,但此类的用户容量需求相当有限。第三类跨区 移动的典型是GSM蜂窝移动系统,虽然有巨大的市场需求,但此类典型的移动业务将由移 动业务部门掌握,从政策和能力上,仅有移动局和联通在竞争用户。 看来,仅有第二类本地移动介于有线和移动之间,成为移动运营部门和电信运营部 门共同的目标。这样引出了如下问题: ①究竟何种技术体制可担此大任? ②与跨区移动系统共存的必要、充分条件是什么?生命周期有多长? ③信息产业部在对电信建设中提出了三个发展重点、四个要处理的关系,指出:在 寻找新的业务增长点时,坚决不允许一哄而上,不允许重复建设,一定要避免某些,国 家重复建设、先乱后治的老路;国家将统筹规划,统一标准以及各部门要各司其职。如 何操作才能符合上述精神? 3 当前各种移动技术体制介绍 终端可移动的通信系统所采用的技术体制大体可分为两大类:蜂窝技术和无绳技术。 蜂窝技术分为:FDMA、TDMA和CDMA三种,而常用的无绳技术是DECT、PHS和PACS。 (1)蜂窝技术 现有的蜂窝技术都是面向移动业务的技术。从1982年7月开通我国第一个FDMA体制的 模拟移动通信系统起,经过10多年的网络建设,其覆盖范围比较完善。虽然今后模拟移 动电话不再是国家发展移动的主要方向,但仍将维持现状。因此若仅为本地移动服务, 只要在资费上进行调整,将还大有用武之地。 全球应用最广泛的TDMA移动系统是GSM。其覆盖范围大、频谱利用率高、系统容量大 、业务种类多、安全性能好、抗干扰能力强、通话质量高,同时还可提供新的智能和移 动数据新业务。GSM技术已进入成熟期,其技术标准已被世界上许多国家和地区所采纳并 定为行业标准,而且GSM技术也随着当前电子技术的不断发展而稳步向前。 CDMA有着GSM和模拟系统无法比拟的优点。在三种技术中,它的系统容量最大,还具 备话音质量高、保密性能好等特性,在开展业务种类、建网经济性等方面有明显优势。 但技术先进并不等于技术成熟,也不代表商用成功。由于其技术的成熟度尚待验证,关 键技术离产业化还有一段距离,因此CDMA能否成功商用,还需要在网络性能、漫游功能、 成本和系统稳定等方面更加完善。 (2)DECT DECT是ETSI制定的公开的无绳通信的标准,它的应用范围已从家用无绳扩展到CTM。 作为蜂窝移动系统的补充,采用DECT标准的系统在WPABX等方面在欧洲获得了广泛的应用 ,并逐渐扩展到亚洲、俄罗斯、非洲、南美等地。在欧洲,其工作频率是1880~1900MHz 。中国早在国家“863计划”中就有对DECT进行研究的专题,而近年已有厂家推出进入商 用阶段的DECT系统。中国信息产业部规定DECT在境内可使用的频率是1900~1920MHz。 为顺应第三代移动通信的发展趋势,ETSI最近又在计划推出DECT-G3协议,为解决 与第三代移动通信的兼容问题打下基础。 一个采用DECT微蜂窝方式的CTM系统已在意大利运行,它基于DECT技术,在PSTN、I- SDN的基础上结合IN技术实现终端的移动通信。允许移动终端用同一个号码在不同的场合 下接入;允许用户在两个基站之间移动,在两个小区之间漫游。它有一个很大的特点, 就是可以利用意大利广泛使用的DECT家用无绳电话的座机,作为移动终端用户在居家或 办公场所接入的基站,通过IN网来实现对号码的统一管理。大大减少了基站的安装数量, 解决了部分密集建筑群内的覆盖问题。 图1中所有的移动终端和基站必须满足DECT-GAP协议。 住宅区的移动用户主要还是依赖PSTN主干网,具有IN功能的LE完成用户与IN之间的 连接。此种场合的应用未加入基站控制器,利用普遍使用的DECT家用无绳电话的基站作 为用户接入的基站,基站与LE的接口与有线电话相同,在PSTN网上是a/b线,而在ISDN 网上则是2B+D接口。 典型的商用环境下的移动用户,由基站控制器BSC提供内部的交换,此时的BSC实际 上就是WPABX。系统内不存在漫游问题,只存在移动用户在基站间的切换,DECT的无缝切 换技术完全支持用户的切换。但由于要对所发生的业务进行计费,因此需将本地数据库 连接到WPABX上。WPABX与LE的接口是标准PRA。 在公共场合下,基站控制器BSC不具备交换功能,与本地交换机之间采用标准的 PRA 十接口,在 PRA的基础上增加DSS1信令以支持移动管理。在LE上要增加移动呼叫模块, 处理终端鉴权、自动位置登记与注销。用户位置的识别将在业务控制点SCP上完成,从而 实现整个系统内的漫游。半公共场合的基站控制器则具备交换功能,可支持小区内部的 交换,即发生在小区内部的呼叫无需通过公共网络。 LE是用户连接IN网的桥梁。多个SSP可连接到一个SCP上,系统中存在多个SCP。每一 个用户的用户数据和位置数据都保存在其归属SCP中,当允许漫游到其它SCP上时,接受 此漫游用户的SCP要拷贝其归属SCP内的用户数据。每个SCP之间通过SS7连接。 网管则通过SMN完成。 意大利CTM的关键部分是在网络的高层增加了CAP协议、鉴权和位置登记的管理、移 动管理、归属数据库等。 意大利CTM的主要特点是: ①利用已有的PSTN、ISDN、IN网实现终端的移动,但需在主干网上增加相应的模块, 组网并不简单,实际上相当于又增加了一套系统。 ②利用DECT家用无绳基站支持用户在住宅或办公室内的移动,但这种优势仅在欧洲 存在。 ③仍旧不能提供可与蜂窝移动相比拟的移动性能,尤其在小区间的覆盖上,还存在 相当多盲区。在移动速度方面,只支持较低机动车速下的移动。 意大利电信局采用CTM系统作为其蜂窝系统的补充,上述第三个特点在这种情况下被 掩盖了。 (3)PHS PHS是近期最活跃的一种技术体制,作为日本邮政部专为家居、办公室以及室外小范 围移动而设计的无绳通信技术体制,与DECT相比,除了在无缝切换(PHS的切换有1.5 s 的断话时间)方面的差异较明显外,其它的性能大同小异。但作为日本专用的体制已被 日本本土所不用,逐渐代之以PDC和第三代新型移动通信系统。因此不太有可能出现PHS 面向第三代移动通信而不断更新体制的举动。 图2是PHS的典型结构图。 与图1相比,二者之间并无本质区别,只是图1中针对不同的用户场合,有不同的无 线组网方式,显得更为灵活方便。 上述CTM中的第一、第三特点同样也为PHS所有,第二特点PHS则不具备。 从1993年10月到 1995年3月,PHS在札幌、东京、大阪和高松进行了现场试验后,N- TT个人通信网集团。DDI便携电话集团及Astel集团被批准组建了各自的经营公司。NTT和 DDI在1995年7月开始了商业服务,而Astel则在同年10月开始此项服务。 最初在推广时,PHS以其低廉的价格、小巧的外型一度成为可与蜂窝系统相竞争的方 案。在系统推出之前,日本邮政部对可能拥有的市场、用户层面等因素进行了非常详细 的调查,得出结论:PHS的用户将是一般公众,其推广速度将远远超过当时的蜂窝移动通 信服务;预计到2010年日本的PHS市场中将有30%的日本居民使用 PHS,有3800万部PHS 手机在市场上流通;根据PHS的性能有可能使每个家庭购买一部PHS手机,将会达到 4300 万部。 而实际的情况是,1996年的用户数量是300万用户,1997年第三季度达到最高峰约70 0万用户,但从此开始走下坡路,一发不可收,直至三家运营公司中有两家退出了经营, 剩下一家还在苦力支撑。 造成PHS在日本衰败的原因众说纷法,但有三点是被公认的:一是先天不足,其移动 的性能远不能与蜂窝移动系统相提并论,而覆盖的盲区、移动速度的限制、越区切换时 的断话成为系统的巨大缺陷;二是蜂窝电话资费下降,综合考虑性能的差异,使PHS推广 伊始时的价格优势不再;三是庞大数目的基站维护成为困扰运营商的大问题。如此的结 局,加上第三代移动通信的严峻形势,使得识时务的日本有关部门不得不放弃花费多年 心血开发研制出的PHS,转而集中精力专攻第三代。 然而无论如何,日本境内的PHS毕竟还是曾有过辉煌的时刻,而境外的PHS则一直未 能走运。在境内失败的运营商们开始向海外扩展,但从越南、印尼到被运营商寄予无限 希望的泰国均是低开低走低收,完全失败。眼下中国的电信运营部门与移动运营部门分 家,电信局急于从移动局手中争取一部分移动用户,在中国境内进行了三年多实验的PHS 正好迎合了电信局的这种心理。虽说时势可以造就英雄,但技术本质仍不会改变,导致 PHS在日本和其它地区衰败的三个原因仍旧存在,PHS不适合本地移动通信,仅适合WPABX。 (4)PACS PACS标准是PHS与Bellcore提出的与WACS系统相结合的产物,所以PACS在技术特性方 面与PHS有许多相同之处,在系统结构、与固定网的连接以及利用智能网方面二者也基本 相同。 二者的差异如下: ①双工方式的不同( PHS是TDD,PACS是FDD或TDD)。在容量受限的室外应用中,P- HS系统将需要比PSC系统多30%~70%的基站。 ②接收灵敏度和相对基站数不同,如表1所示。FCC规定,在 PACS的频段中有20 MHz 是不需申请执照供用户在住地使用的频段。适用于此频段的PACS被称为PACS-UB。表1中 ,系统增益是发射功率和接收灵敏度的绝对值之和,它与无线的通信距离成正比;相对 基站数是指两者覆盖同样范围时所需的相对基站数。据Bellcore称,PACS的小区半径可 比PHS大3倍。 ③每基站可提供的通信信道数不问。PACS-UB最多可支持8个信道,而PHS最多可支 持3个信道。因而在室内应用时,覆盖同样范围PHS需要的基站至少比PACS-UB多25%。 ④分集接收。PACS的手机内要求有天线分集功能,而FDD方式时,手机内采用天线选 择分集,大大缩短分集的等待时间。二者各自在分集时的等待时间如表2所示。 ⑤用户移动速度。分集等待时间是限制用户移动速度的一个主要因素,它决定了系 统的临界速度,当用户的移动速度大于临界速度时,会发生断话。二者的临界速度如表2 所示。 ⑥通告和登记容量。二者的系统内都有通告和登记区(ARA),而ARA是占用网络资 源,但不产生效益。大的ARA可减少无益的工作,反之亦然。PACS的ARA可容纳20万用户, PACS-UB可容纳8万用户,而PHS仅能容纳68个用户。显然在这方面,PACS远远优于PHS。 ⑦系统信息信道容量。PACS是5.3 kbit/s,而PHS是62 bit/S。 ⑧越区切换。PHS有断话的切换,PACS无缝切换。 PACS在以上几个方面均表现出比PHS的优越性,但PHS成熟应用则是PACS望尘莫及的。 4 各种制式比较 综上所述,在本地移动范围内,GSM蜂窝移动技术是目前最合适的技术,电信部门已 推出的降低月租和入网费用等规定,表明GSM将进一步平民化,向人人买得起、人人用得 起的方向努力。而电信对国际开放将大大缩短这一进程。 就三种无绳技术的现状来看,各有千秋,并无大的差异。以本地移动通信的要求来 比较三种技术,结果如表3所示。已商用的无绳系统可以用同一个个八号码在不同的场合 下接入系统,成本低兼。但致命的弱点是:基站覆盖范围小,覆盖同一范围时所需的基 站数目远远大于GSM所需,这给维护带来相当的不便;移动速度低。它们的弱点表明最有 生命力的移动应用场合还是室内移动(WPABX)。 从发展的角度来看,DECT和PACS更有前途,作为ETSI制定的标准,DECT在世界范围 内已成熟应用,且ETSI为顺应通信的发展,对标准进行不断更新;PACS标准制定的起点 高,技术优势明显;而PHS由日本制定,其发展的历史表明不具有生命力,已被日本本土 所不用,当然更看不到技术体制更新的希望。 5 结论 GSM是目前最适合本地移动的蜂窝移动技术,但目前还不能实现与有线电话同号码。 当使用无绳技术的系统作为本地移动系统时,它是以廉价作为进入市场的手段,但 这是以牺牲移动性能为代价的。只有在价格差距很大时,才可能同时存在本地移动和跨 区移动两种系统。若能以大多数用户可以接受的价格提供大范围的跨区移动业务,跨区 移动将覆盖掉本地移动,低性能的本地移动将没有市场。因此采用无绳技术的本地移动 是否能够发展,完全取决于跨区移动的价格时间差,其发展基础是非常脆弱的。 因此,无绳技术用作移动时,只能作为蜂窝移动的补充,用于WPABX;若欲将其作 为竞争手段,由于技术体制本身的局限性,将会被蜂窝移动系统的高性能,以及逐渐实 现的低收费趋势所击败。