無線移動通信技術(shù)快速發(fā)展歷程和趨向

無線移動通信技術(shù)快速發(fā)展歷程和趨向（張煦）
[摘要] 本文內(nèi)容分三部分：首先說明無線移動通信與有線固定通信一同快速發(fā)展的趨勢；然后
著重講述無線動通信蜂窩網(wǎng)從模擬至數(shù)字和即將進入第三代系統(tǒng)的快速發(fā)展歷程和今后趨向；
最后簡單說明無線衛(wèi)星通信微波通信也要加快步伐繼續(xù)向前發(fā)展，以發(fā)揮重要作用。
[ 關(guān)鍵詞]無線通信；移動通信；蜂窩網(wǎng)；衛(wèi)星通信
1無線移動通信與有線固定通信一同發(fā)展
    人們常把有線固定通信和無線移動通信作為信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（NII/GII）的兩大組成部分。近
年來它們都以明顯的快速步伐向前推進，而且進入新世紀(jì)后將更加快速發(fā)展，為興旺的信息時代
作出貢獻。傳統(tǒng)的有線固定通信網(wǎng)是“公用交換電話網(wǎng)”PSTN（Public Switched Telephone 
Network），長期來一直保持平穩(wěn)擴大建設(shè)，促使人們普遍裝用固定終端的電話機。但是，自90
年代中期起，國際互聯(lián)網(wǎng)Internet興起，使全世界的傳統(tǒng)通信網(wǎng)受到前所未有的巨大沖擊。廣大
的通信用戶開始普遍裝用計算機，數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)量每年急劇上漲，其增長率遠遠超過傳統(tǒng)電話
的每年增長率。按照這樣的勢頭，進入新世紀(jì)后的五年左右，全世界的數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)量總數(shù)將追
上電話信息業(yè)務(wù)量總數(shù)，而且以后超過的越來越多。因此未來的通信傳送網(wǎng)將是以數(shù)據(jù)信息為重
點的分組交換網(wǎng)（Packet Switching），并且承擔(dān)電話通信的傳送，不再利用原有的電路交換
（ Circuit Switching），但仍保證電話特有的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)。隨著計算機技術(shù)改進和
功能加多，數(shù)據(jù)通信將延伸至包含音頻、視頻信息配合的多媒體通信。這樣，未來的有線固定通
信網(wǎng)，將能承擔(dān)所有信息業(yè)務(wù)傳送的統(tǒng)一通信網(wǎng)，必將是大容量通信網(wǎng)。
    無線移動通信網(wǎng)主要是各地城市的蜂窩網(wǎng)（Cellul Network），每一城市分成若干個蜂窩
區(qū)，
每區(qū)中心設(shè)置無線電基臺（Base Station），區(qū)內(nèi)所有移動終端和個人無線手機各與基臺直接經(jīng)
由無線線路連通，稱為無線接入（Wireless Access）。移動通信原來是只通移動電話，近來也
和有線網(wǎng)一樣，容許移動用戶于需要時接上Internet,傳送數(shù)據(jù)信息，并且隨著計算機的改進，
將來也要傳送包含音頻、視頻信息配合的多媒體通信。移動終端經(jīng)過無線接入基臺又經(jīng)由基臺連
往移動通信交換中心MSC（Mobile-communication Switching Center），除了由無線線路連往
同
一蜂窩網(wǎng)的其它無線電基臺外，還連往有線固定通信網(wǎng)的城市交換局。這意味著，無線移動通信
網(wǎng)要與有城固定通信網(wǎng)相連接。移動終端和個人便攜手機如欲與同一蜂窩區(qū)或同一城市的移動終
端或個人手機直接相互通信，當(dāng)然可由無線移動通信網(wǎng)來接通。但無線移動通信網(wǎng)僅限于本城市
的蜂窩網(wǎng)，不同城市的蜂窩網(wǎng)仍需由全國性的有線固定通信網(wǎng)來接通。任一無線移動手機如欲實
現(xiàn)國內(nèi)或國際通信，必須經(jīng)過無線接入，然后由有城固定網(wǎng)接通。由此可見，有線固定通信網(wǎng)既
承擔(dān)所有由有線接入的各種各樣通信業(yè)務(wù)，包括原來PSTN用戶所需的通信業(yè)務(wù)，又要承擔(dān)無線接
入的各種通信業(yè)務(wù)，所以，固定網(wǎng)的通信業(yè)務(wù)量總數(shù)特大，而且逐年加大，在設(shè)計未來的全國有
線固定通信網(wǎng)時，必然要精細測算，考慮大容量而且逐年增加容量的趨勢。這就要求傳輸線路和
通信網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備都能方便地按需要加大容量。
    鑒于過去數(shù)字通信網(wǎng)使用的時分多路TDM雖然作出很大貢獻，數(shù)字體系從PDH進化為SDH，但
其最高數(shù)字速率已難于再提高，因而成為通信網(wǎng)繼續(xù)加大容量的“電子瓶頸”。可幸，光纖作為
傳輸線路具有巨大的潛在容量可以發(fā)掘利用。而且，從90年代中期起，波分多路／密集波分多路
（ WDM／DWDM）在光纖線路上投入商用，顯示出無比優(yōu)越性。于是，有線通信網(wǎng)中的干線幾乎全
部采用光纖并裝上波分多路系統(tǒng)，而通信網(wǎng)本身內(nèi)部，為了便于未來擴大容量，已開始考慮從電
網(wǎng)進化為光網(wǎng)（optical networking），采用以WDM為基的各種光器件／組件，以實現(xiàn)波長路由
和交換等功能，從而可以進一步加大網(wǎng)的容量能力。
    對于使用電話通信的人們，雖然過去安裝的固定終端電話機運行可靠，但與近年推廣的便攜
無線手機相比，用戶覺得各自隨身攜帶一部手機，一個號碼，隨時隨地可以撥打電話找到對方立
即通話，比過去固定終端靈活方便得多。所以近年來移動通信手機的銷售量劇增。國際上推測，
不到2010年，全世界用戶擁有移動無線手機總數(shù)將與裝置固定電話終端機總數(shù)相等，而且用戶需
要呼叫電話時，更樂于使用手機。現(xiàn)在無線移動通信網(wǎng)不僅提供通電話，還在設(shè)法讓便攜計算機
互通數(shù)據(jù)信息甚至多媒體通信，僅僅因為無線電頻譜資源畢竟有限，無線移動通信能夠提供每路
信號的頻帶寬度沒有象有線固定通信那樣寬裕。所以，在用戶需用帶寬很大的通信業(yè)務(wù)的情形，
例如用戶上網(wǎng)需要Internet/WWW長時間提供特別大量數(shù)據(jù)信息，或者用戶需’要在家里收看特定
的高質(zhì)量文娛電視節(jié)目或電影片時利用“點播電視／電影”VOD／MOD業(yè)務(wù)，就有必要利用“有線
接入”。
    概括地說，進入新世紀(jì)不到十年，對通信業(yè)務(wù)的發(fā)展有兩個極其重要的預(yù)測：一是大約2005
年全世界數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)量總數(shù)追上與傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)量總數(shù)相等，其后逐年超過；二是大約201O年
全世界無線移動通信用戶總數(shù)增加多至與傳統(tǒng)有線固定通信用戶總數(shù)相等。由此有線固定通信網(wǎng)
的容量將越來越大，而無線移動通信網(wǎng)的手機越來越普遍，今后兩類通信網(wǎng)技術(shù)必將一同持續(xù)地
-快速發(fā)展。
2 蜂窩網(wǎng)從模擬至數(shù)字、將進入第三代
    無線移動通信最基本和最主要的一種是利用蜂窩網(wǎng)方式。它避免了一個城市使用大功率無線
電發(fā)射臺、覆蓋直徑40km面積的舊設(shè)想，而把一個城市按蜂窩網(wǎng)形狀劃分為若干互相靠近的六角
形區(qū)（cell），每區(qū)圖形半徑可以小于1km.在這樣的蜂窩區(qū)的中心設(shè)立無線電基臺BS（base 
station），發(fā)射功率較小，可與區(qū)內(nèi)所有移動終端MS（mobilestation)或個人隨身攜帶的手機
隨時取得聯(lián)系。當(dāng)某一MS從一區(qū)移動至鄰近區(qū)，就改與鄰近區(qū)的BS聯(lián)系，稱這種“交接”為“越
區(qū)切換”。某區(qū)BS使用的波長與鄰近區(qū)BS的波長不同，但與隔一、二區(qū)的波長可以相同，稱為
“頻率再利用”，不會引起干擾，這是蜂窩網(wǎng)的優(yōu)點，節(jié)約利用無線電頻譜資源。80年代初期，
蜂窩網(wǎng)移動通信開始商用，那時使用模擬電話，由于集成電路進步快，又由于話音編碼和數(shù)字通
信技術(shù)研制都很成功。到了80年代下半期，蜂窩網(wǎng)發(fā)展至數(shù)字式，稱為第二代ZG（second 
generation).在過渡時期移動手機可以雙模運用，既可用于模擬電話，又可用于數(shù)字電話。那時
歐洲有標(biāo)準(zhǔn)組織 GSM（Groupe Special Mo-bile），后來在900MHz頻譜普遍運用的第二代稱為
GSM（Global System for Mobile Communications）。在開始時數(shù)字式移動電話利用“時分多
址”TDMA（Time Division Multiple Access）。90年代中期，又出現(xiàn)“碼分多址”CDMA
（Code
 Division Multiple Ac- cess），也在90年代中期，美國指定1850－1990MHz的 14OMHz寬度
的
頻譜，供“個人通信業(yè)務(wù)” PCS（Personal Communication Service）使用，這些都一直持續(xù)
至90年代后期，保持不斷的發(fā)展勢頭。
    正在2G系統(tǒng)技術(shù)持續(xù)蓬勃發(fā)展的時期，國際上開始議論第三代移動通信3G（third 
generation)的前景，既要盡量采用可預(yù)見的先進技術(shù)，又要照顧現(xiàn)已裝置的系統(tǒng)設(shè)備，再要訂
定全世界都認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，普遍稱為IMT-2000（International MobileTelecommunication),設(shè)
備
采用2000MHz頻譜，于2000年起開始試用。這種3G系統(tǒng)不僅保持移動電話，還要十分重視開展數(shù)
據(jù)通信，使無線系統(tǒng)和有線通信網(wǎng)一樣重視數(shù)據(jù)傳輸，包括Internet/互聯(lián)網(wǎng)規(guī)約IP和寬帶業(yè)務(wù)，
以至數(shù)據(jù)速率為2Mb／s的多媒體通信。國際標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)評審各國提交的無線電傳輸方案，包
括我國的方案，有頻分雙工FDD（Frequency Duplex) CDMA、TDMA,還有時`分雙工TDD(Time 
Division Duplex)的CDMA。總是沒法使無線通信在性能、成本和容量等方面都顯出優(yōu)勢。
    在無線數(shù)字式移動通信，為了充分節(jié)約利用頻譜，話音編碼（Speech Coding）技術(shù)非常重
要。這與有線通信大不相同，有線數(shù)字電話利用脈碼調(diào)制PCM, 每路電話64kb/s，或自適應(yīng)脈碼
調(diào)制AD－PCM,每路32kb／s，對通信網(wǎng)絡(luò)容量沒有困難。無線通信的話音編碼，從早期的“線性
預(yù)測編碼”LPC(Linear Predictive Coding),至80年代開始的“碼激勵線性預(yù)測”   CELP
（Code Excited Linear Pre-diction)，每路話音的數(shù)字速率降至  5~13kb／s。同時，在編碼
過程中還要考慮克服無線電波傳播過程引起損害和背景噪音，保證通話質(zhì)量。到了3G系統(tǒng)，還
要考慮多媒體通信所需的音頻和視頻的編碼技術(shù)，既節(jié)約頻譜、又保證通信質(zhì)量。
    每一無線電基臺一般需要設(shè)置幾套射頻收發(fā)信機（RF transceiver).現(xiàn)在從模擬過渡至數(shù)
字化，將充分利用數(shù)字信號處理DSP和專用大規(guī)模集成芯片ASIC，并趨向于使用越來越多的新型
軟件，導(dǎo)致可編程（programmable)的基臺，容許使用多種空中接口（air interface）標(biāo)準(zhǔn)。
基臺將使用寬帶線性功率放大和寬帶射頻器件，便于增加數(shù)字內(nèi)容，使數(shù)字處理盡量靠近天線，
使多個射頻同時處理，又使軟件完成更多的功能。由于數(shù)字移動通信支持多個用戶利用CDMA或
TDMA多址通信，數(shù)字式可比模擬式減少無線電收發(fā)信機數(shù)，可在較寬頻帶進行處理，又容許在
較高頻率處理，從基帶至中頻又至射頻都利用數(shù)字處理。當(dāng)基臺這樣充分利用可編程器件時，
它們就稱為“軟件無線電”（software。ra-dio),變得相當(dāng)靈活，而且容許基臺設(shè)備更容易配
合“智能無線”（smart antenna或intelligent anten-na).移動終端和無線手機也將趨向于
軟件無線電。當(dāng)業(yè)務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)有所改變時，軟件無線電可以很快適應(yīng)新技術(shù)，不需大量更換
設(shè)備，因而投資成本可以降低。
    加多利用數(shù)字信號處理，可促使無線通信的智能天線技術(shù)得到有利的發(fā)展。智能天線需要
使用多個天線�；�臺往往有幾個定向天線，各分管一個扇形區(qū)，對該區(qū)內(nèi)移動終端的無線接入
特別有利，還可能讓多個束射經(jīng)過自適應(yīng)過程進行快速換接，以獲得最好的孔徑增益、分集增
益、和遏止干擾，導(dǎo)致性能改進。接收天線如采用兩個天線分支，在空間有足夠的隔開，就可
獲取空間分集的好處，如只有一個無線，則利用極化分集也可得到好處。在自適應(yīng)智能天線，
發(fā)送裝用多個天線，可取得更多好處。對于TDMA系統(tǒng)，智能無線可以加大通信容量，由反向線
路傳來的信號進行處理，可使正向線路的束射調(diào)整得最好。對于CDMA系統(tǒng)，所有移動終端使用
同一頻帶，只是編碼不同。到了3G系統(tǒng)，用戶如使用較高數(shù)據(jù)速率，可以指定特殊符號（pilot
  symbol）以控制自適應(yīng)天線處理來減小用戶間的干擾，從而加大通信容量，即在有幾個用戶
使用高速數(shù)據(jù)時仍容許較多用戶通電話。
    無線移動通信網(wǎng)有時為了公共安全的原因，需要相當(dāng)精確地測定某一移動終端或個人在某
一時間移動至地理上的位置，稱為定位技術(shù)（geoloca-tion）�，F(xiàn)在已有一種獨立的手持機能
夠附帶設(shè)備，利用全球定位系統(tǒng)（GPS,global positioning system），在室外測定移動個人
自己的位置。將來進入3G時代，個人移動無線手機本身可能附有定位功能，它在得到網(wǎng)的協(xié)助
下進行定位工作，不必另外攜帶獨立的GPS手持機。就是說，新式的移動通信手機附裝協(xié)助的
AGPS（assisted GPS), 測定自己在室外，甚至室內(nèi)的地理位置。通信手機于需要時由網(wǎng)提供
情況，不必由通信手機本身連續(xù)跟蹤GPS衛(wèi)星。
    蜂窩網(wǎng)3G系統(tǒng)向未來的分組交換有線網(wǎng)看齊，著重于提供盡量高速率的數(shù)據(jù)通信。蜂窩網(wǎng)
也要提供不對稱數(shù)字傳輸。象有線網(wǎng)的不對稱數(shù)字用戶線ADSL那樣，無線電基臺至用戶的方向
提供較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。有線網(wǎng)是在交換局設(shè)置多載波離散多音調(diào)（DMF,Discrete
 Multi-Tone)裝備，而無線網(wǎng)是在基臺設(shè)置多載波正交頻分多路（ OFDM，Orthogonal 
Frequency Division Multiplex）裝備，這對于移動用戶接上Internet索取大量信息時非常需
要。
3衛(wèi)星通信和微波通信有重要作用
    無線移動通信除了大部分依靠城市蜂窩網(wǎng)、如上節(jié)所述外，還有衛(wèi)星通信也非常重要，大
有發(fā)展前途。同步衛(wèi)星對固定通信和廣播已經(jīng)多年實踐證明極為可靠，還可有利地提供遠程移
動通信、低軌  道、中軌道衛(wèi)星通信。如在技術(shù)、設(shè)備、成本各方面深入研究，仍能大有作為，
對全球個人移動通信發(fā)揮作用。同溫層（平流層）無線通信已有方案提出，如繼續(xù)具體研究，
對固定通信和移動通信都有獨特作用。此外，無線固定通信包括人們熟知的微波數(shù)字接力通信
和最近提倡的無線用戶環(huán)路（WSL,Wireless Subscriber Loop),在人口較少的地區(qū)很適用，它
們與建設(shè)光纖光纜和有線市內(nèi)電話用戶線相比，有建設(shè)較快、投資較少的優(yōu)點。毫米波無線電
通信和無線紅外線通信已在多處安裝試驗，證明對短距通信有好處�？傊�，國際上不少實際應(yīng)
用和試驗經(jīng)驗表明，無線通信優(yōu)點很多，值得擴大實際使用范圍�？梢詳嘌�，在進入新世紀(jì)后，
無線通信必將與有線通信一同快速發(fā)展和互相配合應(yīng)用，不愧為信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的兩大組成部分。
    同步軌道運行的衛(wèi)星過去提供可靠的國際通信和電視傳播，享有盛譽。近年加強開發(fā)，尤
其對衛(wèi)星內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)器(transponder)，放寬傳輸頻帶、加大發(fā)射功率、改進天線效率，甚至
加裝ATM設(shè)備，擴大業(yè)務(wù)功能，以致地面應(yīng)用越來越增多。一種應(yīng)用是在地上安裝“甚小孔徑
天線”的衛(wèi)星站，稱為VSAT，為大企業(yè)的廣域?qū)Ｓ猛ㄐ盘峁┓奖恪Ｍ�步衛(wèi)星也可能對地面提供
遠距移動通信，但地面移動  終端需裝較大的對星天線，而且在高樓林立的城市  中心電波傳
播有困難。為此，對地面的全球移動通信，曾另行研制發(fā)射低軌道、離地面幾百至一千公里的
幾十顆移動衛(wèi)星族，稱為 LEO（Low Earth Or-bit）。又曾研制發(fā)射中軌道、離地約一萬公里
的十顆移動衛(wèi)星族，稱為MEO( Medium Earth Orbit)。[相應(yīng)地，原來離地面36，000km、與地
球同步運行的三顆衛(wèi)星族，稱為 GEO(Geostationary Earth Or－bi)]。雖然最近LEO系統(tǒng)
Iridium在開放商用后不久就受到挫折，另一系統(tǒng)Globalstar正在開放商用，可能順利進行，
但應(yīng)該冷靜地對待。這些LEO／MEO全球無線移動通信系統(tǒng)的理論和技術(shù)是正確的，但經(jīng)營商對
用戶需求的條件、移動手機的設(shè)備和成本，以及向用戶收費不宜過貴等問題，似乎預(yù)先考慮得
不夠周到。如能認(rèn)真吸取經(jīng)驗，仔細分析原因，很可能得到圓滿成功，我們可以熱情期待著美
好的前途。無線固定通信也要向前發(fā)展，充分利用無線特有的優(yōu)點，但無線通信受到無線電頻
譜資源的限制，為了繼續(xù)開發(fā)應(yīng)用，必須考慮提高運用頻率或縮短運用波長，即從微波（厘米
波）延伸至毫米波、甚至紅外波。在這樣的延伸進程中，必將遇到新的電波傳播問題和器件問
題，都要逐一妥善解決，應(yīng)該受到有關(guān)各方的支持和鼓勵。
摘自《移動通信》