新世紀(jì)的移動通信與接入網(wǎng)技術(shù)（一）

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





　　移動通信的第二次飛躍來自第二代數(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)一步加速了移動通信的發(fā)展。





　　21世紀(jì)的移動通信將有更大的發(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帶來的從車到人的變革相似，3G帶來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，將來可能采用多模式終端或利用軟件無線電實現(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GPRS、EDGE向UMTS發(fā)展。無線局域網(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)的增長極為迅速，傳輸速度相對信號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)上實現(xiàn)對實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)的支持。從目前的發(fā)展來看，IP是最好的解決方案。IP傳輸也可用于無線接入網(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)趨勢和業(yè)務(wù)需求





　　目前，移動通信的發(fā)展由經(jīng)濟(jì)和技術(shù)趨勢決定，未來則主要由需求決定。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)，世界上許多國家開放了電信市場。由于存在競爭，通信服務(wù)費用特別是移動通信服務(wù)費用大幅下降，用戶增長率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于估計值：1998年全球用戶增長率為60%，2002年預(yù)計可達(dá)到100%；2000年全球的移動用戶數(shù)已超過4億，到了2010年全球?qū)�會有超過17億的移動用戶。





　　新的通信環(huán)境使移動通信的業(yè)務(wù)模式發(fā)生了變化。未來創(chuàng)造產(chǎn)值的主力將不再是運(yùn)營商，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，數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)和內(nèi)容提供服務(wù)將會成為新的經(jīng)濟(jì)增長點。





　　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、實時圖像傳輸、多媒體傳輸、瀏覽、廣播以及移動電腦。


　　* 媒體：語音—視頻服務(wù)、視頻點播、交互式視頻服務(wù)、增值服務(wù)以及電視、廣播。


　　* 通信：移動通信、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)合是信息社會的必然要求。信息社會的服務(wù)將是多方位的：互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、通信、可視會議、教育、金融服務(wù)、電子商務(wù)、遙感技術(shù)、定位服務(wù)、個人通信、個人保健以及娛樂等。UMTS論壇預(yù)計，到2010年，歐洲將會有超過9000萬的移動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)�。這些不同的服務(wù)可以繼續(xù)細(xì)分為多媒體、E-mail、文件傳輸?shù)葘ΨQ或非對稱業(yè)務(wù)、實時或非實時業(yè)務(wù)。另外，上述服務(wù)還可分為：


　　* 廣域服務(wù)：移動電話、GPRS、移動多媒體。


　　* 局域服務(wù)：高速無線安全接入、快速Internet和Intranet、共享數(shù)據(jù)服務(wù)。








　　3G的無線通信協(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)實市場的需要。其原因在于3G是從2G演變而來，而2G是建立在許多不同的技術(shù)和無線接口標(biāo)準(zhǔn)（如GSM、CDMA、TDMA）的基礎(chǔ)上；此外，還存在著兩個主要的地區(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EDGE標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)。對于新興的服務(wù)提供商而言，實現(xiàn)UMTS的方法很可能采用寬帶CDMA（W-CDMA）。W-CDMA系統(tǒng)會在每一條FDD鏈路上提供5M的帶寬。對于采用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)市場的需求獨立發(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），以便實現(xiàn)漫游。





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








　　以3G為核心的其他技術(shù)





　　軟件無線電


　　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。其中最有前景的技術(shù)是軟件無線電（SDR：Software Defined Radio）技術(shù)。





　　SDR技術(shù)的優(yōu)點是：


　　* 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的直接轉(zhuǎn)換成為可能，減少了無線轉(zhuǎn)換部件的數(shù)量，大大方便了數(shù)字部件的制造。


　　* 可采用寬帶無線通路來提供內(nèi)在的機(jī)動性，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、縮短投放市場的時間。


　　* 通過軟件升級，更加容易開發(fā)新的服務(wù)，因此在快速發(fā)展的無線工業(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)動性。





　　SDR雖然有上述的優(yōu)點，其廣泛應(yīng)用還有待時日，它仍然面臨著來自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可能需要更長的時間才能推向市場，但是考慮到按特定標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的設(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年就會有大幅度的提高，并很快就會被新的無線標(biāo)準(zhǔn)所吸收。從理論上說，采用SDR技術(shù)只需要軟件升級，實際上系統(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)點將會因硬件的不穩(wěn)定性而受到影響。





　　對手機(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)一部分無線用戶對只能夠支持某一國家或服務(wù)提供商的特定通信協(xié)議的手機(jī)已感到相當(dāng)滿足。對于這部分人來說，ASIC以其低廉的價格成為首選。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。但隨著時間的推移，SDR所占的比例將會逐步上升。





　　定位技術(shù)





　　當(dāng)采用陸地電話發(fā)送呼叫時，呼叫者的電話號碼和位置可從信令中識別出來，這種定位技術(shù)已被應(yīng)用于用戶號（ID）和緊急呼叫處理。同樣，無線用戶的位置也可用各種方法識別出來。與地面方式不同，無線定位采用了另一種關(guān)鍵技術(shù)——無線定位技術(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。無線定位技術(shù)的應(yīng)用包括移動地圖服務(wù)、緊急呼叫位置查詢等。





　　無線定位技術(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，定位信息是通過對時間、到達(dá)的角度、信號的強(qiáng)度來判斷的。在基于手機(jī)的解決方案中，主要利用GPS的信號來定位。





　　在實際使用中，上述兩種技術(shù)均有其局限性�；�于網(wǎng)絡(luò)的解決方案其定位的精確度受到接收信號精確度的限制；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





　　移動通信的飛速發(fā)展對系統(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，貝爾實驗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





　　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）和多用戶檢測等同樣可以大大提高反向信道的性能。





　　在很多無線系統(tǒng)中，一個小區(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�？紤]到電池壽命問題，提高手機(jī)最大傳輸功率是不現(xiàn)實的，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)用則沒有那么廣泛，還需要在價格、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，許多移動系統(tǒng)面臨的最主要問題不是小區(qū)的覆蓋范圍，而是系統(tǒng)容量。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)采用多用戶檢測技術(shù)。由于一個小區(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。采用多用戶檢測技術(shù)后，當(dāng)某一用戶的強(qiáng)信號被接收和檢測，而此時還未檢測到其他信號時（該信號受到了強(qiáng)信號的干擾），可把該強(qiáng)信號從基站接收的總信號強(qiáng)度中扣除。一旦第二個信號被檢測到，便可將該信號從基站接收的總信號強(qiáng)度中扣除并重新檢測第一個信號的強(qiáng)度。顯然該方法可以反復(fù)采用以提高信號的檢測精度。





　　除了上述方法之外，還有其他一些可以一次檢測一個用戶或同時檢測出多個用戶的方法。目前，多用戶檢測技術(shù)還處于實驗研究階段，其廣泛應(yīng)用尚待檢測速度和正向鏈路容量的提高，因為如果正向鏈路容量不大，反向鏈路的容量也無法提高。


摘自《通訊世界》