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移动通信和未来宽带移动通信系统的发展

2/14/2005来源:移动通信人气:9790

移动通信和未来宽带移动通信系统的发展 摘要 本文从移动通信技术的发展,特别是宽带和超宽带移动通信系统的发展出发, 结合人们对于信息传输的要求,简要分析和预测了未来移动通信的发展趋势——表明移 动通信业务正从语音向综合业务演变。本文从技术和业务两个方面,简要评述了第一代 模拟移动通信系统、第二代窄带数字移动通信系统、目前处于研究阶段的第三代宽带CD MA移动通信系统和未来的移动通信系统。同时,我们描述了未来超宽带移动通信系统的 发展情况,并结合各种移动通信技术,勾画了未来移动通信的基本结构。 一、前言 移动通信系统的发展主要依赖于下述三个方面的技术进步: 1.计算技术。计算技术包括计算速度的提高和各种新算法的提出,这使得快速和 可靠的信号处理得以实现,尤其是多维信号处理。从而当移动设备在微蜂窝区高速运动 时,保证相邻发射机之间能够完成快速而有效的通信切换。 2.集成技术。这包括电路集成和功能集成。电路集成使单位体积空间可以设计更 多的电路和器件,完成强大和各种复杂的任务。功能集成涉及到新器件的发明,这类新 器件是以前若干个不同器件的功能的总和,从而降低系统的复杂性,提高系统性能。 3.传输技术。这包括系统内信号的传输和控制,空间电波的传输和控制。就趋势 而言,主要是以数字信号为基础的信号传输和系统控制。由此而来,多波束系统、双模 覆盖系统、编码和调制技术等多种抗衰落技术将得到全面而深入的发展。 近20年来,上述技术的发展是深刻的和快速的。这些发展导致了今天宽带业务,包 括移动宽带业务的快速成长。当前,宽带、综合移动通信是许多大公司争夺的主要战场 之一,也是许多公司在较短的时间内得以迅速发展并壮大的原因之一。与前几轮移动通 信的发展相比,新一轮的技术竞争,必将更加引人入胜。作为宽带信息技术的一部分, 宽带移动通信技术将为整个信息技术的发展提供有力的支持。假如把当今信息技术的发 展比作上个世纪末铁路的发展,那么上个世纪末横跨北美大陆的铁路建设,使得美国在 本世纪已经成长为首屈一指的世界强国。一个很可能成为现实的假设是:下个世纪的世 界强国,在很大程度上取决于包括综合业务移动通信在内的整个信息科学的发展的结果。 二、模拟移动通信系统 1971年12月,Bell公司向FCC提出了蜂窝通信系统HCMTS的建议。FCC接受并在850MHz 频段提供了40MHz的频率资源。该系统在多个方面发展了蜂窝和移动通信技术,将40年代 提出的蜂窝移动通信的概念变为现实,并在80年代初演变成了美国模拟系统的国家标准 ——AMPS,在我国的各种模拟系统中,AMPS是主要的系统之一。与此同时,基于不同标 准的其它模拟蜂窝移动通信系统也得到了大的发展。如英国的TACS,日本的NAMTS北欧的 NMTS,德国的NETZC等,其中AMPS与TACS非常接近。 尽管这些系统具有很多相似的特征,但并没有发展出一个全球共同的标准。一方面 是公司集团的利益问题,另一方面,各个国家和地区都选择了与之国情相适应的系统进 行研究和无线配置,包括各个国家采用不同的通信频率。这一明显的缺点是导致第二代 移动通信系统发展的主要原因之一。 三、数字移动通信系统的发展及动机 理论上讲,只要不断地分割蜂窝和信道重组,蜂窝移动通信系统的区域容量就可以 无限制地提高,利用蜂窝技术就可以有效地避开有限频谱资源的问题。就是说,只要给 定一定的频率资源,比如40MHz,就可以满足所有移动通信的需要,甚至是多媒体移动 通信的需要了。 但实际上,随着无线蜂窝在数量上的上升,在覆盖面积缩小的时候,从技术的角度 来看,发展商遇到了一个实际的限制,即还没有任何技术可以“精确”地控制蜂窝系统, 包括发射功率、成功而高速的切换、干扰抑制等。因为当蜂窝很小的时候,基站位置的 选择和信号的控制变得愈来愈复杂、困难和昂贵,这一点在用户密集的闹市区尤其明显。 同样,对于模拟FDMA系统而言,由于蜂窝的变小,来自多方面的干扰也变得更难排除, 这实际地限制了蜂窝无限缩小的理想设计。这样一来,在实际的系统安装时,由于干扰 的存在,蜂窝也就有了一个最小的尺寸。要想预测这个最小蜂窝的大小是很困难的,因 为它与具体的环境和系统灵敏度有密切的关系。这就是第一代模拟通信系统的瓶颈问题。 依靠这种技术,我们既不能达到初期的设计目标,也不能满足市场的巨大需求。 除这个容量瓶颈外,第一代系统还受制于不同的系统标准,因为这使得一个用户在 不同国家的漫游变得不可能。比如在欧洲,由于大多数国家很小,又有几个标准同时存 在,因而,使用移动电话的人数愈来愈少。在中国,虽然实行统一的建设规划,同样存 在多个系统标准共存的问题,使得网络管理很复杂。所有这些都在推动着第二代无线通 信系统的发展:实现更高的容量和兼容的系统标准。 在学术界和工业界研究第二代系统标准的时候,到底是模拟好还是数字好并没有一 致的看法,且存在着明显不同的意见,因为这涉及到第二代无线通信系统的最基本的特 征,并且是一个不可逆转的决定。但基于数字技术本身的巨大进步和由强大计算能力导 致的信息传递和信息服务的无规则化运动,一些世界性的标准委员会才最终选择了数字 技术作为第二代蜂窝无线通信的基准。这些选择确保两个目标:第一是移动通信的升级 能力,第二是移动通信和其它信息技术溶合的能力。 数字技术最吸引人的优点之一是它的抗干扰能力、潜在的大容量和系统控制能力, 也就是说,它可以在环境更为恶劣和需求量更大的地区使用。数字信号处理和数字通信 技术的发展,使一些新的无线应用开始出现:移动计算、传真、电子信件、金融管理、 图像等。良好的抗干扰能力使得第二代蜂窝系统具有比第一代系统更多的用户数。在中 国,随着AMPS等模拟系统的停止发展,全球通GSM却在最近几年获得了高速的增长,并 很快成为全球最大的GSM市场,1999年9月底, GSM用户已经超过三千万。由于数字处理 技术和大规模集成电路及其加工技术的发展,在数字系统的能力不断提高的同时,成本、 价格和功耗也在不断的下降。 概括起来,数字技术具有下述方面的优点: ·增强的系统灵活性:由于各种功能模块,特别是DSP等数字处理器的出现和成熟, 系统的编程控制能力和增加新功能的能力与模拟系统相比大大提高。 ·高效的数字调制技术:数字调制技术的频谱利用率超过了同类的模拟系统。 ·提高了系统的有效容量:模拟系统需要专门的信令信道,比如AMPS的333个信道中, 大约21个用于呼叫接通。这21个信道降低了有效带宽系统的通信能力。而数字技术用于 同步、导频、传输控制、质量控制、路由等的附加比特位大大降低。 ·加强的信源和信道编码技术:新一代的信源和信道编码技术实现了数字语音和数 据通信的综合,并改善了移动环境中的通信可靠性,特别是应用于高速传输业务的TURBO 编码。 ·提高了抗干扰能力:数字系统有更好的抗CCI和ACI的能力,也有更好的对抗外来 干扰的能力,这也是第二代、第三代和第四代蜂窝系统采用数字技术的重要原因之一。 由于数字系统有可能在很高CCI和ACI的环境中工作,设计者可利用这个特征降低蜂窝尺 寸、减少蜂窝的复用距离、减少复用指数。 ·灵活的带宽配置:由于模拟系统不允许用户改变带宽以满足对通信的特殊要求, 因而对于一个预先固定了带宽的通信系统,频谱的利用率可能不是最有效的。从原理上 讲,数字系统有能力比较容易地灵活配置带宽,从而提高利用率。 ·增加新的服务项目:数字系统可以实现模拟系统不能实现的新服务项目,比如授 权、短消息、数据。WWW浏览、综合业务、保密等新业务。 ·提高接入和切换的能力和效率:对于固定量的频谱资源,蜂窝系统通信容量的增 加意味着相应蜂窝尺寸的减小,这同时意味着更为频繁的切换和信令活动。基站将处理 更多的接入请求和漫游注册。 虽然第二代移动通信系统有一个良好的基础,但并没有实现统一标准的目标。发展 的结果,GSM成为第二代系统的主要标志,D-AMPS占领了几乎整个北美市场,PDC占据了 日本市场,最终形成以GSM为主,三分天下的局面,对于后来的IS-95N-CDMA,市场空 间极其有限。 然而,随着宽带技术在有线网络的发展和应用,无线网络提供宽带业务的时代必然 要出现。加上跨网络平台的ip的出现,研究宽带移动通信系统的外围环境趋于成熟,各 种因素在促使第三代、第四代移动通信系统的发展。 四、第三代移动通信系统的发展 由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现最初的目标,比如 ·没有形成全球统一的标准系统:在第二代系统发展的过程中,欧洲建立了以TDMA 为基础的GSM系统,日本建立了以TDMA为基础的IDC系统,美国建立了以模拟FDMA和数字 TDMA为基础的IS-136混合系统。在中国,GSM是主要的移动通信系统,中国长城分别在 北京、上海、广东、西安建立了IS-95N-CDMA的试验系统,中国联通也在规划大规模 的CDMA系统,这些系统之间是互不兼容的。 ·业务单一:第二代移动通信系统主要是语音服务,只能传送简短的消息。 ·无法实现全球漫游:由于标准分散和经济保护,全球统一和全球漫游无法实现, 也无法通过规模效应降低系统的运营成本。 ·通信容量不足:在900MHz频段,包括后来扩充到1800MHz频段以后,系统的通信容 量依然不能满足市场的需要,网络接通率和通话中断开始增加。 第三代移动通信系统的发展除了要解决上述问题之外,还要解决人们对于数据传输 要求的增加,因此,第三代移动通信系统希望至少要实现下列的基本目标 ·统一的全球标准:即便不能形成统一的全球标准,也要实现兼容的标准,从而实 现全球漫游。 ·具备多媒体传输能力:能够在低速移动的情况下,实现综合慢速视像业务的传输。 ·加强的数据能力:在WWW浏览和数据传送方面的能力,比之第二代系统将有极大的 提高,最高的数据传送速度达到2MbpS。 ·提高的传输质量:使得传输质量达到或者接近有线系统的传输质量,可以为车载 用户提供144kbps,为行人提供384kbps,为室内用户提供高达2Mbps的传输速率。 ·提高电池的使用寿命,从而研究低功耗集成技术和低电压驱动技术。 ·与第二代系统相比,第三代系统将有更高的频谱效率。这一点通过软切换、快速 精确的功率控制、相干检测、RAKE合并接收、智能天线系统等来实现。 自ITU制定IMT-2000以来,第三代蜂窝移动通信系统的发展计划就开始受到有关国 家和一些国际性大公司的重视。一些标准化机构和公司集团不断地向ITU提出自己的标准。 其中,基于IS-95的 CDMA2000和基于GSM的WCDMA两个版本最具有影响力。这两个标 准的溶合与否将是第三代移动通信系统是否有国际统一标准的关键点。这两个系统中, 最具有争议的问题是妈片速率的问题,CDMA2000的码片速率是3.6864Mcps,刚好是IS-9 5CDMA码片速率的3倍,创造了完全兼容Is-95的基本条件。而WCDMA的码片速率是4.096M CpS。 五、未来移动通信的发展方向 对于公用移动通信来讲,其发展既要考虑到技术的可行性,也必须考虑到市场接受 的可能性,也就是用户群的定位问题。很多的先进技术最终不能取得成功的教训,是移 动通信技术发展中必须思考的。比如Iridium卫星系统,其技术的先进性无论是专家还是 企业界都给予肯定,但它在应用市场的情况很不好,从投入运营以来,至今没有起色, 并面临倒闭的边缘。 今天,关于未来移动通信方案,可以按两种情况来考虑。一种是系统速度将愈来愈 高,甚至于支持无线多媒体传输,发展目标重在系统的传输速率、多业务和混合业务; 另一种是一个中速方案,即系统的用户速率不需要很高,只要可以传送短消息服务SMS (ShortMessage Servlces)、上网查看电子邮件E-mail、非对称中等数据传输速率 (包括各种帐单传递和支付、合同书交换等)、静态图片和低速图像等简短的信息服务, 发展目标重在价格低廉实用,并提供简要但重要的消息服务(信息的高度概括),有一 定的时间性要求。这两种方案,将导致不同的技术发展和技术途径,下面只讨论第一种 情况。 在这个方案中,由于系统的速度会愈来愈高,因此支持的业务种类和业务质量都会 愈来愈高。但它可能给运营商带来高成本,从而用户拒绝使用,这种情况特别容易发生 在网络建设的最初几年。如果形成恶性循环,必然失败无疑。这也是部分系统设备生产 商至今对于第三代系统的开发仍然犹豫不决的原因之一。第三代系统的前途取决于电信 运营商,而运营商的前途取决于用户。 尽管未来移动通信的发展如此的难以预测,但总可以归纳各种技术思路的发展路线, 从而为读者提供发展方向的思考。 六、LMDS等的发展 LMDS系统是本地高速无线(移动)通信系统,其传输速率可能高达几十兆,甚至几 百兆。短期内主要的应用对象是既需要灵活性,又需要高速率的企业用户和公司用户。 长远看,它可以作为多媒体无线接人的有力工具和技术手段。其传输模式可以是无线ATM, 可以是无线以太网,也可以是无线IP。实现LMDS的技术途径具有多样化的选择,比如无 线电技术、红外线技术。它可以采用DS、FH等扩频技术,也可以采用TDMA技术,这主要 依赖系统的工作频率。 一个显著的特点是,由于采用无线链接技术,使得没有线路的新用户和线路不够用 的老用户得到了极大的方便。新业务的增加也变得更为容易和方便。不仅室内更美观整 洁,也彻底解决布线带来的干扰和困扰。 七、讨论和建议 移动通信网在经历了专用无线电通信系统,第一代模拟移动通信系统,以及正在迅 速发展和安装的第二代数字移动通信系统之后。目前,电信设备公司在致力于第三代宽 带数字移动通信系统的开发。而相关的理论探索正把移动通信引向超高速(超宽带), 能实现多媒体传输的第四代综合业务数字蜂窝移动通信系统。这将是今后研究工作的热 点,下个世纪初各个国家争夺国际竞争力的主要战场之一。也就是说,移动通信在向全 球个人综合业务迅速迈进,这是移动通信在本世纪内最后的几年和下个世纪最初的几十 年中面临的最大、最好、但同时也几乎是最后的机会,我们必须加以重视。目前,无线 ATM、无线以太、无线IP等技术正从概念迅速发展成具体的研究目标。事实上,现在已经 可以在实验室看见这些系统的外貌了。 八、结论 宽带移动通信系统将会在未来的几年获得快速的发展,各种传输模式都可能受到市 场的推动,特别是基于IP的移动通信技术。虽然第三代移动通信系统的市场前景依然难 以预测和估计,但从技术的角度来讲,必然会获得发展。与宽带业务的发展相适应,我 们应该注意传输速率更高,应用目标更为明确的宽带移动通信技术的研究,为技术发展, 为未来的标准之争做好基本的准备。