移動個(gè)人通信的技術(shù)進(jìn)展

張煦
　　摘要：簡單回顧移動與個(gè)人通信的早期歷史，依次說明無線蜂窩網(wǎng)的更新?lián)Q代、語音壓縮編碼的發(fā)展、基站的軟件無線電和智能天線，以

及地理定位等有關(guān)移動通信的主要技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，最后簡述衛(wèi)星移動通信的現(xiàn)狀。


　　關(guān)鍵詞：移動通信　個(gè)人通信　蜂窩網(wǎng)　語音編碼　軟件無線電　智能天線　地理定位　衛(wèi)星通信


　　從雜志、報(bào)紙經(jīng)常報(bào)道的消息得吞，全世界的移動手機(jī)總數(shù)近年來持續(xù)增長，即將逼近固定電話機(jī)總數(shù)，而美國的移動手機(jī)總數(shù)歷來居各

國的首位。但最新統(tǒng)計(jì)表明，中國的移動手機(jī)總數(shù)已超過美國，躍居全球第一，并且增長勢頭還在快速發(fā)展�？梢�，在全世界范圍內(nèi)，移動個(gè)

人通信適應(yīng)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(yùn)營者來說，有必要充分了解移動與個(gè)人通信的技術(shù)進(jìn)化歷程，從

而更好地為這具有美好前途的通信領(lǐng)域加倍努力，以推動其持續(xù)進(jìn)步，為人類社會造福。


　　一、早期歷史


　　19世紀(jì)末期，赫茲發(fā)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(chuàng)。進(jìn)入20世紀(jì)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(diào)度系統(tǒng)。在第二次世界大戰(zhàn)中，有些國家軍隊(duì)中的通信部隊(duì)利用數(shù)字編碼的話音通信達(dá)到保密

目的，這包括話音編碼和脈碼調(diào)制（PCM），到20世紀(jì)70年代才對外公開。事實(shí)上，1946年開始建立第一批商用移動電話系統(tǒng)，但各由話務(wù)員負(fù)

責(zé)接通。其后不久，蜂窩網(wǎng)方式發(fā)明問世，一個(gè)適當(dāng)大的地區(qū)設(shè)置多個(gè)半徑約1km的蜂窩小區(qū)，互相緊密鄰近排列，其中心基站可使用較低的射

頻發(fā)射功率，每隔幾個(gè)蜂窩就可使用相同的頻率，節(jié)約無線電頻譜資源的利用。因此可以斷言，這樣的蜂窩網(wǎng)方式比過去利用大功率發(fā)射機(jī)覆

蓋半徑為40km大面積的辦法有顯著改進(jìn)。雖然移動手機(jī)從一個(gè)蜂窩區(qū)移動至鄰近的另一蜂窩區(qū)有越區(qū)交接等問題，但技術(shù)上都可獲得妥善解決

。1973-1978年間，美國有幾個(gè)城市試用這種蜂窩網(wǎng)：20世紀(jì)80年代初，美國政府正式批準(zhǔn)這種商用系統(tǒng)提供公眾使用，與此同時(shí)，歐洲國家、

日本和其他一些國家也開始陸續(xù)建設(shè)和運(yùn)營蜂窩網(wǎng)業(yè)務(wù)。


　　1947年晶體管的發(fā)明，為后來集成電路（IC）和數(shù)字技術(shù)開辟廣泛發(fā)展前途。那時(shí)提出集成芯片上晶體管數(shù)目每18個(gè)月翻一番的規(guī)律長期

適用。現(xiàn)在一塊小小的IC芯片幾乎可以集成上萬個(gè)晶體管，而其成本相當(dāng)于30年前一個(gè)晶體管的價(jià)格。IC的不斷發(fā)展促使數(shù)字技術(shù)的興起。隨

著這樣快速躍進(jìn)的趨勢，從開始的1978年至現(xiàn)在進(jìn)入21世紀(jì)，蜂窩網(wǎng)移動手機(jī)的體積越來越小，重量越變越輕，其中包含的零件數(shù)和IC芯片數(shù)

相應(yīng)地大大減少，從當(dāng)初每一終端的300個(gè)零件和130塊芯片減少至1994年每一手機(jī)的45個(gè)零件和20塊芯片，而2002年估計(jì)每一軟件無線電僅需5

個(gè)零件和2塊芯片，進(jìn)步非常顯著。


　　二、蜂窩網(wǎng)的更新?lián)Q代


　　在20世紀(jì)70年代后期至80年代初期，蜂窩網(wǎng)正式開放供公眾使用，那是第一代蜂窩網(wǎng)，只提供模擬電話移動通信服務(wù)。不過那一時(shí)期固定

通信已肯定向數(shù)字化方向發(fā)展，移動通信研究單位也開始考慮數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的應(yīng)用可能性和實(shí)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(zhì)量以及傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。直至1998年，數(shù)字蜂窩網(wǎng)正式向公眾開放試用，實(shí)際上那時(shí)是模擬與數(shù)字兼用，凡是持有模擬或數(shù)字移

動手機(jī)，都可得到蜂窩網(wǎng)服務(wù)。這是屬于第二代蜂窩網(wǎng)（2G）。由此，全世界都發(fā)展數(shù)字蜂窩網(wǎng)，使用新的900MHz頻譜。歐洲曾于1982年設(shè)立

GSM組織，1992年正式開放商用，就稱之為GSM系統(tǒng)。在北美，出現(xiàn)幾種不同制式的數(shù)字蜂窩網(wǎng)，1989年開始使用數(shù)字時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)，

1993年又有其他蜂窩網(wǎng)利用碼分多址（CDMA），稱為IS-54、IS-95。日本發(fā)展類似的系統(tǒng)，稱為個(gè)人數(shù)字蜂窩系統(tǒng)（ＰＤＣ）。在1995-1997年

期間，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）又指定一個(gè)新的頻段1850-1990MHz，專供個(gè)人通信業(yè)務(wù)（PCS）研究發(fā)展之用。總起來說，20世紀(jì)90年代后

期，第二數(shù)字蜂窩網(wǎng)（2G）興旺發(fā)達(dá)，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(shù)字通信

是大勢所趨，而且2G除了提供移動手機(jī)互通電話外，還讓移動用戶的便攜計(jì)算機(jī)實(shí)行數(shù)據(jù)通信。最新發(fā)展是容許便攜計(jì)算機(jī)“上網(wǎng)”，從

Internet獲取需要的數(shù)據(jù)信息。這意味著，2G的基站可能提供這類應(yīng)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(wǎng)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(jì)90年代末至21世紀(jì)初，2G不僅本身仍力求發(fā)展，擴(kuò)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(jì)劃、準(zhǔn)備迎接即將來臨的第三代蜂窩網(wǎng)（3G）。這種3G就是號稱國際移動通信系統(tǒng)IMT-2000，將是全世界統(tǒng)一使用，以便移動用戶隨

身攜帶手機(jī)，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(shí)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(yīng)用；蜂窩網(wǎng)使用的無線電頻率將是2GHz，即2000MHz頻段，并表示要大力發(fā)展數(shù)據(jù)通信，甚至多媒體通信，數(shù)字速率以2Mbit/s，即

2000kbit/s為目標(biāo)。原來計(jì)劃的3G確實(shí)是有雄偉目標(biāo)的，它將采用最新的無線電技術(shù)、擴(kuò)大利用數(shù)字技術(shù)，能夠適應(yīng)全世界各國的蜂窩網(wǎng)和PCS

使用。但從現(xiàn)在看來，蜂窩網(wǎng)使用的無線電頻率可以比2GHz頻段更高些，而數(shù)字速率目標(biāo)2Mbit/s也應(yīng)該繼續(xù)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?shù)玫綉?yīng)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(jié)約利用，有必要把語音壓縮至較低碼速�，F(xiàn)時(shí)的無線數(shù)字網(wǎng)要求每路語音的碼速預(yù)先壓縮至5-13kbit/s

�；貞�20世紀(jì)30年代發(fā)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(jìn)，70年代初的語音編碼器利

用線性預(yù)測編碼（LPC）,80年代初則開始利用碼激勵線性預(yù)測（CELP），現(xiàn)時(shí)無線移動通信很多采用CELP技術(shù)而加以改進(jìn)，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(wǎng)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(shù)碼激勵線性預(yù)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(qiáng)可變速率編解碼器

（EVRC），在編碼前利用自適應(yīng)噪聲抵消濾波器，不再受背景噪聲的影響。當(dāng)移動通信發(fā)展至3G時(shí)，蜂窩網(wǎng)將使用分組數(shù)據(jù)與語音的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)

，語音編碼技術(shù)仍很重要，即要降低每路碼速，又要得到較高質(zhì)量。而且，不僅重視話音，還要推廣至多媒體和視頻業(yè)務(wù)。


　　四、軟件無線電


　　無線蜂窩網(wǎng)每區(qū)基站的主要作用，是收發(fā)和處理區(qū)內(nèi)眾多的移動用戶終端的無線電射頻信號，把話音或數(shù)據(jù)信號與通信網(wǎng)聯(lián)系起來。因此

，基站設(shè)備主要是射頻收發(fā)信號和模擬與數(shù)字信號處理器，過去模擬時(shí)代曾用過調(diào)頻（FM），但后來基站實(shí)行數(shù)字化，數(shù)字信號處理器（DSP）

起主要作用，由它控制基站的運(yùn)用，現(xiàn)在趨向于可調(diào)程的基站，事實(shí)上，DSP在通信領(lǐng)域應(yīng)用已很廣泛，它不僅可很明顯地改進(jìn)性能，而且由于

很多專用集成芯片（ASIC）功能良好，可調(diào)程的DSP芯片得以發(fā)揮作用。還有模/數(shù)（A/D）和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器速率提高、動態(tài)范圍擴(kuò)大，性

能價(jià)格比增大。因此，蜂窩網(wǎng)基站設(shè)備充分推廣數(shù)字化，諸如：數(shù)字處理靠近天線，收發(fā)信號擴(kuò)大頻帶，容許多個(gè)射頻載波同時(shí)進(jìn)行處理，不

需要多個(gè)不同的收發(fā)信機(jī)和天線，利用軟件完成更多的收發(fā)功能。過去在模擬系統(tǒng)，每一話音的FM通路各用一個(gè)射頻載波，也就是每一話音通

路各有一部分無線電收發(fā)信機(jī)。而現(xiàn)在的數(shù)字系統(tǒng)，一個(gè)射頻載波可以讓多個(gè)話音或數(shù)據(jù)用戶經(jīng)過TDMA或CDMA方式合用，因而只需較少的收發(fā)

信機(jī)。過去的收發(fā)信機(jī)需要對每一射頻載波進(jìn)行處理，現(xiàn)在數(shù)字系統(tǒng)在較高速率取樣和處理，因而多個(gè)射頻載波通路濾波，又用于基帶。就是

說數(shù)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(jìn)一步，就是利用軟件使器件可調(diào)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(guī)數(shù)字無線電發(fā)信機(jī)靈活得多。軟件無線電在多個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)和不同業(yè)務(wù)都可

適用，對不同場合也可以更換軟件。所以，每當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)化或業(yè)務(wù)改進(jìn)和增多時(shí)，不需更換主要設(shè)備。這就降低投資成本，并能迅速適應(yīng)市場需

要，非常有利。


　　對于現(xiàn)行用戶終端，雖然不能稱為真正的軟件無線電，也可設(shè)法加以改進(jìn)，以適應(yīng)各種新出的標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)行通信，它必須是非常靈活的終端，以便適用于各個(gè)不同國家的不同標(biāo)準(zhǔn)�，F(xiàn)在的傾向就是

要過渡至這樣的應(yīng)用，而且制造的成本合理，不讓用戶負(fù)擔(dān)加重。


　　五、智能天線


　　在無線系統(tǒng)，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(jīng)過多個(gè)不同途徑傳到接收

端，引起信號衰落；二是在同一蜂窩區(qū)內(nèi)，多個(gè)用戶使用相同頻率而引起干擾；三是因?yàn)檫@一蜂窩區(qū)與其他相隔稍遠(yuǎn)的其他蜂窩區(qū)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(yīng)，使信號受到衰落。一般地說，無線電干擾對系統(tǒng)容量和性能產(chǎn)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(wǎng)容量、擴(kuò)大蜂窩覆蓋面積、改善通信質(zhì)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(tǒng)提高用戶數(shù)據(jù)通信速率有利。


　　智能天線主要是利用于多個(gè)天線單元，又充分利用數(shù)字信號處理技術(shù)。天線可以針對幾個(gè)扇區(qū)，利用多個(gè)束射換接，又使用自適應(yīng)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(tǒng)性能明顯有利。一般無線系統(tǒng)的接收天線都使用在空間隔開的兩個(gè)分支，借以獲得空

間分集的效果；采用極化分集技術(shù)，也有明顯成效。至于發(fā)射天線，目前多數(shù)情形只用一副天線，但將來傾向于利用多副發(fā)射天線，組成自適應(yīng)的智能天線。既利用天線的定向性，又利用空間分集，確實(shí)可以得到明顯好處。曾經(jīng)進(jìn)行測試，表明基站的智能天線結(jié)合自適應(yīng)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(kuò)大通信容量、增多用戶的聯(lián)系方面效果更明顯。這些多址方式發(fā)送的導(dǎo)引信號可以對天線的自適應(yīng)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(shí)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(jīng)對移動通信的業(yè)務(wù)運(yùn)營商作出明確規(guī)定：必須相當(dāng)精確地了解移動用戶呼叫時(shí)在地理上所處的確實(shí)位置。對于船舶在海上航行和汽車在公路上行駛，都曾經(jīng)有過各自適當(dāng)?shù)姆椒ê驮O(shè)施，現(xiàn)在還要著重考慮移動個(gè)人通信在這方面找到簡單而可靠的地理定位技術(shù)，這不僅關(guān)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(wù)，就有許多交易需要了解用戶所處的地點(diǎn)。


　　對移動用戶的地理定位，如完全交由蜂窩網(wǎng)基站負(fù)責(zé)承辦似有困難，還是由移動用戶各自隨身攜帶的手機(jī)擔(dān)任自己的定位較為妥當(dāng)。過去曾經(jīng)由移動手機(jī)利用標(biāo)準(zhǔn)的全球定位系統(tǒng)（GPS），現(xiàn)在則有更新“有協(xié)助的GPS”，稱為AGPS。不僅由手機(jī)利用GPS，還得到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)包括基站和移動交換中心，掌握較多的情況。每當(dāng)某一移動手機(jī)需要定位時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)它從多個(gè)衛(wèi)星連續(xù)觀測到的情況告知需要定位的用戶，大大地節(jié)約用戶自己廣泛跟蹤的過程，并節(jié)約用戶手機(jī)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(wèi)星移動通信


　　為了達(dá)到全球移動個(gè)人通信的目的，讓地面上相隔距離不論遠(yuǎn)近的用戶，都可利用手機(jī)和專用號碼互相通信，衛(wèi)星通信應(yīng)該是一種好辦法。大家都已熟悉：在地球上空約36000km高度的環(huán)球軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星是與地球同步運(yùn)轉(zhuǎn)的，在這樣的高空均勻分布三顆衛(wèi)星就可覆蓋全球地面。這樣的衛(wèi)星就稱為同步衛(wèi)星，也稱為地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星。地面上的衛(wèi)星通信用戶只要裝置適當(dāng)功率和靈敏度的收發(fā)信機(jī)和必要的天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，就可以通過衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器互相通信但是，衛(wèi)星離地面太遠(yuǎn)，電波傳播損耗很大、傳輸時(shí)延很長。因此，這樣的GEO衛(wèi)星對地面上移動個(gè)人通信不是最理想。


　　離地面較近的上空運(yùn)行的衛(wèi)星可分為兩類。其一是地面上空約1000km的低軌道（LEO）衛(wèi)星，其二是地面上空的10000km高度的中軌道（MEO）衛(wèi)星。為了實(shí)行全球移動個(gè)人通信，這兩類衛(wèi)星都曾研制了具體方案：每一LEO衛(wèi)星系統(tǒng)約有50顆衛(wèi)星，每一MEO衛(wèi)星系統(tǒng)有10顆衛(wèi)星，它們各沿指定軌道和位置依次運(yùn)行，每一系統(tǒng)各自設(shè)計(jì)了移動用戶的手機(jī)。地面上需要通信的某用戶手機(jī)開始時(shí)對準(zhǔn)各自系統(tǒng)的一顆衛(wèi)星，隔一時(shí)間這一衛(wèi)星前進(jìn)，地面用戶就對準(zhǔn)下一顆衛(wèi)星，但前后衛(wèi)星之間有通信聯(lián)絡(luò)，因而繼續(xù)為地面用戶服務(wù)，保證了其他用戶順利實(shí)現(xiàn)通信。幾種設(shè)計(jì)方案似乎都考慮得相當(dāng)周密，各自組成全球個(gè)人通信的移動衛(wèi)星通信網(wǎng)。當(dāng)然，LEO和MEO的移動衛(wèi)星網(wǎng)克服了傳統(tǒng)GEO衛(wèi)星的損耗大和時(shí)延長兩個(gè)缺點(diǎn)，但是星上設(shè)備和星際聯(lián)系增添了復(fù)雜性。無論如何，在世紀(jì)之交的年代，新的系統(tǒng)已經(jīng)投入試運(yùn)用，希望從實(shí)踐中取得經(jīng)驗(yàn)。移動衛(wèi)星通信網(wǎng)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(tǒng)的2GHz接近。事實(shí)上，移動衛(wèi)星網(wǎng)必須與陸地蜂窩網(wǎng)密切結(jié)合，才能最有效地提供全球移動個(gè)人通信業(yè)務(wù)。


　　摘自《郵電設(shè)計(jì)技術(shù)》2001.11