移動(dòng)通信和未來寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展
摘要 本文從移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,特別是寬帶和超寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展出發(fā),
結(jié)合人們對于信息傳輸?shù)囊,簡要分析和預(yù)測了未來移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢——表明移
動(dòng)通信業(yè)務(wù)正從語音向綜合業(yè)務(wù)演變。本文從技術(shù)和業(yè)務(wù)兩個(gè)方面,簡要評述了第一代
模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)、第二代窄帶數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)、目前處于研究階段的第三代寬帶CD
MA移動(dòng)通信系統(tǒng)和未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)。同時(shí),我們描述了未來超寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的
發(fā)展情況,并結(jié)合各種移動(dòng)通信技術(shù),勾畫了未來移動(dòng)通信的基本結(jié)構(gòu)。
一、前言
移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展主要依賴于下述三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步:
1.計(jì)算技術(shù)。計(jì)算技術(shù)包括計(jì)算速度的提高和各種新算法的提出,這使得快速和
可靠的信號處理得以實(shí)現(xiàn),尤其是多維信號處理。從而當(dāng)移動(dòng)設(shè)備在微蜂窩區(qū)高速運(yùn)動(dòng)
時(shí),保證相鄰發(fā)射機(jī)之間能夠完成快速而有效的通信切換。
2.集成技術(shù)。這包括電路集成和功能集成。電路集成使單位體積空間可以設(shè)計(jì)更
多的電路和器件,完成強(qiáng)大和各種復(fù)雜的任務(wù)。功能集成涉及到新器件的發(fā)明,這類新
器件是以前若干個(gè)不同器件的功能的總和,從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,提高系統(tǒng)性能。
3.傳輸技術(shù)。這包括系統(tǒng)內(nèi)信號的傳輸和控制,空間電波的傳輸和控制。就趨勢
而言,主要是以數(shù)字信號為基礎(chǔ)的信號傳輸和系統(tǒng)控制。由此而來,多波束系統(tǒng)、雙模
覆蓋系統(tǒng)、編碼和調(diào)制技術(shù)等多種抗衰落技術(shù)將得到全面而深入的發(fā)展。
近20年來,上述技術(shù)的發(fā)展是深刻的和快速的。這些發(fā)展導(dǎo)致了今天寬帶業(yè)務(wù),包
括移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的快速成長。當(dāng)前,寬帶、綜合移動(dòng)通信是許多大公司爭奪的主要戰(zhàn)場
之一,也是許多公司在較短的時(shí)間內(nèi)得以迅速發(fā)展并壯大的原因之一。與前幾輪移動(dòng)通
信的發(fā)展相比,新一輪的技術(shù)競爭,必將更加引人入勝。作為寬帶信息技術(shù)的一部分,
寬帶移動(dòng)通信技術(shù)將為整個(gè)信息技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持。假如把當(dāng)今信息技術(shù)的發(fā)
展比作上個(gè)世紀(jì)末鐵路的發(fā)展,那么上個(gè)世紀(jì)末橫跨北美大陸的鐵路建設(shè),使得美國在
本世紀(jì)已經(jīng)成長為首屈一指的世界強(qiáng)國。一個(gè)很可能成為現(xiàn)實(shí)的假設(shè)是:下個(gè)世紀(jì)的世
界強(qiáng)國,在很大程度上取決于包括綜合業(yè)務(wù)移動(dòng)通信在內(nèi)的整個(gè)信息科學(xué)的發(fā)展的結(jié)果。
二、模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)
1971年12月,Bell公司向FCC提出了蜂窩通信系統(tǒng)HCMTS的建議。FCC接受并在850MHz
頻段提供了40MHz的頻率資源。該系統(tǒng)在多個(gè)方面發(fā)展了蜂窩和移動(dòng)通信技術(shù),將40年代
提出的蜂窩移動(dòng)通信的概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),并在80年代初演變成了美國模擬系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)
——AMPS,在我國的各種模擬系統(tǒng)中,AMPS是主要的系統(tǒng)之一。與此同時(shí),基于不同標(biāo)
準(zhǔn)的其它模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)也得到了大的發(fā)展。如英國的TACS,日本的NAMTS北歐的
NMTS,德國的NETZC等,其中AMPS與TACS非常接近。
盡管這些系統(tǒng)具有很多相似的特征,但并沒有發(fā)展出一個(gè)全球共同的標(biāo)準(zhǔn)。一方面
是公司集團(tuán)的利益問題,另一方面,各個(gè)國家和地區(qū)都選擇了與之國情相適應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)
行研究和無線配置,包括各個(gè)國家采用不同的通信頻率。這一明顯的缺點(diǎn)是導(dǎo)致第二代
移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的主要原因之一。
三、數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展及動(dòng)機(jī)
理論上講,只要不斷地分割蜂窩和信道重組,蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的區(qū)域容量就可以
無限制地提高,利用蜂窩技術(shù)就可以有效地避開有限頻譜資源的問題。就是說,只要給
定一定的頻率資源,比如40MHz,就可以滿足所有移動(dòng)通信的需要,甚至是多媒體移動(dòng)
通信的需要了。
但實(shí)際上,隨著無線蜂窩在數(shù)量上的上升,在覆蓋面積縮小的時(shí)候,從技術(shù)的角度
來看,發(fā)展商遇到了一個(gè)實(shí)際的限制,即還沒有任何技術(shù)可以“精確”地控制蜂窩系統(tǒng),
包括發(fā)射功率、成功而高速的切換、干擾抑制等。因?yàn)楫?dāng)蜂窩很小的時(shí)候,基站位置的
選擇和信號的控制變得愈來愈復(fù)雜、困難和昂貴,這一點(diǎn)在用戶密集的鬧市區(qū)尤其明顯。
同樣,對于模擬FDMA系統(tǒng)而言,由于蜂窩的變小,來自多方面的干擾也變得更難排除,
這實(shí)際地限制了蜂窩無限縮小的理想設(shè)計(jì)。這樣一來,在實(shí)際的系統(tǒng)安裝時(shí),由于干擾
的存在,蜂窩也就有了一個(gè)最小的尺寸。要想預(yù)測這個(gè)最小蜂窩的大小是很困難的,因
為它與具體的環(huán)境和系統(tǒng)靈敏度有密切的關(guān)系。這就是第一代模擬通信系統(tǒng)的瓶頸問題。
依靠這種技術(shù),我們既不能達(dá)到初期的設(shè)計(jì)目標(biāo),也不能滿足市場的巨大需求。
除這個(gè)容量瓶頸外,第一代系統(tǒng)還受制于不同的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)檫@使得一個(gè)用戶在
不同國家的漫游變得不可能。比如在歐洲,由于大多數(shù)國家很小,又有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)存
在,因而,使用移動(dòng)電話的人數(shù)愈來愈少。在中國,雖然實(shí)行統(tǒng)一的建設(shè)規(guī)劃,同樣存
在多個(gè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)共存的問題,使得網(wǎng)絡(luò)管理很復(fù)雜。所有這些都在推動(dòng)著第二代無線通
信系統(tǒng)的發(fā)展:實(shí)現(xiàn)更高的容量和兼容的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。
在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究第二代系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候,到底是模擬好還是數(shù)字好并沒有一
致的看法,且存在著明顯不同的意見,因?yàn)檫@涉及到第二代無線通信系統(tǒng)的最基本的特
征,并且是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的決定。但基于數(shù)字技術(shù)本身的巨大進(jìn)步和由強(qiáng)大計(jì)算能力導(dǎo)
致的信息傳遞和信息服務(wù)的無規(guī)則化運(yùn)動(dòng),一些世界性的標(biāo)準(zhǔn)委員會才最終選擇了數(shù)字
技術(shù)作為第二代蜂窩無線通信的基準(zhǔn)。這些選擇確保兩個(gè)目標(biāo):第一是移動(dòng)通信的升級
能力,第二是移動(dòng)通信和其它信息技術(shù)溶合的能力。
數(shù)字技術(shù)最吸引人的優(yōu)點(diǎn)之一是它的抗干擾能力、潛在的大容量和系統(tǒng)控制能力,
也就是說,它可以在環(huán)境更為惡劣和需求量更大的地區(qū)使用。數(shù)字信號處理和數(shù)字通信
技術(shù)的發(fā)展,使一些新的無線應(yīng)用開始出現(xiàn):移動(dòng)計(jì)算、傳真、電子信件、金融管理、
圖像等。良好的抗干擾能力使得第二代蜂窩系統(tǒng)具有比第一代系統(tǒng)更多的用戶數(shù)。在中
國,隨著AMPS等模擬系統(tǒng)的停止發(fā)展,全球通GSM卻在最近幾年獲得了高速的增長,并
很快成為全球最大的GSM市場,1999年9月底, GSM用戶已經(jīng)超過三千萬。由于數(shù)字處理
技術(shù)和大規(guī)模集成電路及其加工技術(shù)的發(fā)展,在數(shù)字系統(tǒng)的能力不斷提高的同時(shí),成本、
價(jià)格和功耗也在不斷的下降。
概括起來,數(shù)字技術(shù)具有下述方面的優(yōu)點(diǎn):
·增強(qiáng)的系統(tǒng)靈活性:由于各種功能模塊,特別是DSP等數(shù)字處理器的出現(xiàn)和成熟,
系統(tǒng)的編程控制能力和增加新功能的能力與模擬系統(tǒng)相比大大提高。
·高效的數(shù)字調(diào)制技術(shù):數(shù)字調(diào)制技術(shù)的頻譜利用率超過了同類的模擬系統(tǒng)。
·提高了系統(tǒng)的有效容量:模擬系統(tǒng)需要專門的信令信道,比如AMPS的333個(gè)信道中,
大約21個(gè)用于呼叫接通。這21個(gè)信道降低了有效帶寬系統(tǒng)的通信能力。而數(shù)字技術(shù)用于
同步、導(dǎo)頻、傳輸控制、質(zhì)量控制、路由等的附加比特位大大降低。
·加強(qiáng)的信源和信道編碼技術(shù):新一代的信源和信道編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字語音和數(shù)
據(jù)通信的綜合,并改善了移動(dòng)環(huán)境中的通信可靠性,特別是應(yīng)用于高速傳輸業(yè)務(wù)的TURBO
編碼。
·提高了抗干擾能力:數(shù)字系統(tǒng)有更好的抗CCI和ACI的能力,也有更好的對抗外來
干擾的能力,這也是第二代、第三代和第四代蜂窩系統(tǒng)采用數(shù)字技術(shù)的重要原因之一。
由于數(shù)字系統(tǒng)有可能在很高CCI和ACI的環(huán)境中工作,設(shè)計(jì)者可利用這個(gè)特征降低蜂窩尺
寸、減少蜂窩的復(fù)用距離、減少復(fù)用指數(shù)。
·靈活的帶寬配置:由于模擬系統(tǒng)不允許用戶改變帶寬以滿足對通信的特殊要求,
因而對于一個(gè)預(yù)先固定了帶寬的通信系統(tǒng),頻譜的利用率可能不是最有效的。從原理上
講,數(shù)字系統(tǒng)有能力比較容易地靈活配置帶寬,從而提高利用率。
·增加新的服務(wù)項(xiàng)目:數(shù)字系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)的新服務(wù)項(xiàng)目,比如授
權(quán)、短消息、數(shù)據(jù)。WWW瀏覽、綜合業(yè)務(wù)、保密等新業(yè)務(wù)。
·提高接入和切換的能力和效率:對于固定量的頻譜資源,蜂窩系統(tǒng)通信容量的增
加意味著相應(yīng)蜂窩尺寸的減小,這同時(shí)意味著更為頻繁的切換和信令活動(dòng);緦⑻幚
更多的接入請求和漫游注冊。
雖然第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)有一個(gè)良好的基礎(chǔ),但并沒有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。發(fā)展
的結(jié)果,GSM成為第二代系統(tǒng)的主要標(biāo)志,D-AMPS占領(lǐng)了幾乎整個(gè)北美市場,PDC占據(jù)了
日本市場,最終形成以GSM為主,三分天下的局面,對于后來的IS-95N-CDMA,市場空
間極其有限。
然而,隨著寬帶技術(shù)在有線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用,無線網(wǎng)絡(luò)提供寬帶業(yè)務(wù)的時(shí)代必然
要出現(xiàn)。加上跨網(wǎng)絡(luò)平臺的IP的出現(xiàn),研究寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的外圍環(huán)境趨于成熟,各
種因素在促使第三代、第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展。
四、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展
由于第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)在很多方面仍然沒有實(shí)現(xiàn)最初的目標(biāo),比如
·沒有形成全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng):在第二代系統(tǒng)發(fā)展的過程中,歐洲建立了以TDMA
為基礎(chǔ)的GSM系統(tǒng),日本建立了以TDMA為基礎(chǔ)的IDC系統(tǒng),美國建立了以模擬FDMA和數(shù)字
TDMA為基礎(chǔ)的IS-136混合系統(tǒng)。在中國,GSM是主要的移動(dòng)通信系統(tǒng),中國長城分別在
北京、上海、廣東、西安建立了IS-95N-CDMA的試驗(yàn)系統(tǒng),中國聯(lián)通也在規(guī)劃大規(guī)模
的CDMA系統(tǒng),這些系統(tǒng)之間是互不兼容的。
·業(yè)務(wù)單一:第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是語音服務(wù),只能傳送簡短的消息。
·無法實(shí)現(xiàn)全球漫游:由于標(biāo)準(zhǔn)分散和經(jīng)濟(jì)保護(hù),全球統(tǒng)一和全球漫游無法實(shí)現(xiàn),
也無法通過規(guī)模效應(yīng)降低系統(tǒng)的運(yùn)營成本。
·通信容量不足:在900MHz頻段,包括后來擴(kuò)充到1800MHz頻段以后,系統(tǒng)的通信容
量依然不能滿足市場的需要,網(wǎng)絡(luò)接通率和通話中斷開始增加。
第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展除了要解決上述問題之外,還要解決人們對于數(shù)據(jù)傳輸
要求的增加,因此,第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)希望至少要實(shí)現(xiàn)下列的基本目標(biāo)
·統(tǒng)一的全球標(biāo)準(zhǔn):即便不能形成統(tǒng)一的全球標(biāo)準(zhǔn),也要實(shí)現(xiàn)兼容的標(biāo)準(zhǔn),從而實(shí)
現(xiàn)全球漫游。
·具備多媒體傳輸能力:能夠在低速移動(dòng)的情況下,實(shí)現(xiàn)綜合慢速視像業(yè)務(wù)的傳輸。
·加強(qiáng)的數(shù)據(jù)能力:在WWW瀏覽和數(shù)據(jù)傳送方面的能力,比之第二代系統(tǒng)將有極大的
提高,最高的數(shù)據(jù)傳送速度達(dá)到2MbpS。
·提高的傳輸質(zhì)量:使得傳輸質(zhì)量達(dá)到或者接近有線系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量,可以為車載
用戶提供144kbps,為行人提供384kbps,為室內(nèi)用戶提供高達(dá)2Mbps的傳輸速率。
·提高電池的使用壽命,從而研究低功耗集成技術(shù)和低電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
·與第二代系統(tǒng)相比,第三代系統(tǒng)將有更高的頻譜效率。這一點(diǎn)通過軟切換、快速
精確的功率控制、相干檢測、RAKE合并接收、智能天線系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)。
自ITU制定IMT-2000以來,第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)劃就開始受到有關(guān)國
家和一些國際性大公司的重視。一些標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和公司集團(tuán)不斷地向ITU提出自己的標(biāo)準(zhǔn)。
其中,基于IS-95的 CDMA2000和基于GSM的WCDMA兩個(gè)版本最具有影響力。這兩個(gè)標(biāo)
準(zhǔn)的溶合與否將是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是否有國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵點(diǎn)。這兩個(gè)系統(tǒng)中,
最具有爭議的問題是媽片速率的問題,CDMA2000的碼片速率是3.6864Mcps,剛好是IS-9
5CDMA碼片速率的3倍,創(chuàng)造了完全兼容Is-95的基本條件。而WCDMA的碼片速率是4.096M
CpS。
五、未來移動(dòng)通信的發(fā)展方向
對于公用移動(dòng)通信來講,其發(fā)展既要考慮到技術(shù)的可行性,也必須考慮到市場接受
的可能性,也就是用戶群的定位問題。很多的先進(jìn)技術(shù)最終不能取得成功的教訓(xùn),是移
動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展中必須思考的。比如Iridium衛(wèi)星系統(tǒng),其技術(shù)的先進(jìn)性無論是專家還是
企業(yè)界都給予肯定,但它在應(yīng)用市場的情況很不好,從投入運(yùn)營以來,至今沒有起色,
并面臨倒閉的邊緣。
今天,關(guān)于未來移動(dòng)通信方案,可以按兩種情況來考慮。一種是系統(tǒng)速度將愈來愈
高,甚至于支持無線多媒體傳輸,發(fā)展目標(biāo)重在系統(tǒng)的傳輸速率、多業(yè)務(wù)和混合業(yè)務(wù);
另一種是一個(gè)中速方案,即系統(tǒng)的用戶速率不需要很高,只要可以傳送短消息服務(wù)SMS
(ShortMessage Servlces)、上網(wǎng)查看電子郵件E-mail、非對稱中等數(shù)據(jù)傳輸速率
(包括各種帳單傳遞和支付、合同書交換等)、靜態(tài)圖片和低速圖像等簡短的信息服務(wù),
發(fā)展目標(biāo)重在價(jià)格低廉實(shí)用,并提供簡要但重要的消息服務(wù)(信息的高度概括),有一
定的時(shí)間性要求。這兩種方案,將導(dǎo)致不同的技術(shù)發(fā)展和技術(shù)途徑,下面只討論第一種
情況。
在這個(gè)方案中,由于系統(tǒng)的速度會愈來愈高,因此支持的業(yè)務(wù)種類和業(yè)務(wù)質(zhì)量都會
愈來愈高。但它可能給運(yùn)營商帶來高成本,從而用戶拒絕使用,這種情況特別容易發(fā)生
在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最初幾年。如果形成惡性循環(huán),必然失敗無疑。這也是部分系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)
商至今對于第三代系統(tǒng)的開發(fā)仍然猶豫不決的原因之一。第三代系統(tǒng)的前途取決于電信
運(yùn)營商,而運(yùn)營商的前途取決于用戶。
盡管未來移動(dòng)通信的發(fā)展如此的難以預(yù)測,但總可以歸納各種技術(shù)思路的發(fā)展路線,
從而為讀者提供發(fā)展方向的思考。
六、LMDS等的發(fā)展
LMDS系統(tǒng)是本地高速無線(移動(dòng))通信系統(tǒng),其傳輸速率可能高達(dá)幾十兆,甚至幾
百兆。短期內(nèi)主要的應(yīng)用對象是既需要靈活性,又需要高速率的企業(yè)用戶和公司用戶。
長遠(yuǎn)看,它可以作為多媒體無線接人的有力工具和技術(shù)手段。其傳輸模式可以是無線ATM,
可以是無線以太網(wǎng),也可以是無線IP。實(shí)現(xiàn)LMDS的技術(shù)途徑具有多樣化的選擇,比如無
線電技術(shù)、紅外線技術(shù)。它可以采用DS、FH等擴(kuò)頻技術(shù),也可以采用TDMA技術(shù),這主要
依賴系統(tǒng)的工作頻率。
一個(gè)顯著的特點(diǎn)是,由于采用無線鏈接技術(shù),使得沒有線路的新用戶和線路不夠用
的老用戶得到了極大的方便。新業(yè)務(wù)的增加也變得更為容易和方便。不僅室內(nèi)更美觀整
潔,也徹底解決布線帶來的干擾和困擾。
七、討論和建議
移動(dòng)通信網(wǎng)在經(jīng)歷了專用無線電通信系統(tǒng),第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng),以及正在迅
速發(fā)展和安裝的第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)之后。目前,電信設(shè)備公司在致力于第三代寬
帶數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的開發(fā)。而相關(guān)的理論探索正把移動(dòng)通信引向超高速(超寬帶),
能實(shí)現(xiàn)多媒體傳輸?shù)牡谒拇C合業(yè)務(wù)數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。這將是今后研究工作的熱
點(diǎn),下個(gè)世紀(jì)初各個(gè)國家爭奪國際競爭力的主要戰(zhàn)場之一。也就是說,移動(dòng)通信在向全
球個(gè)人綜合業(yè)務(wù)迅速邁進(jìn),這是移動(dòng)通信在本世紀(jì)內(nèi)最后的幾年和下個(gè)世紀(jì)最初的幾十
年中面臨的最大、最好、但同時(shí)也幾乎是最后的機(jī)會,我們必須加以重視。目前,無線
ATM、無線以太、無線IP等技術(shù)正從概念迅速發(fā)展成具體的研究目標(biāo)。事實(shí)上,現(xiàn)在已經(jīng)
可以在實(shí)驗(yàn)室看見這些系統(tǒng)的外貌了。
八、結(jié)論
寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)將會在未來的幾年獲得快速的發(fā)展,各種傳輸模式都可能受到市
場的推動(dòng),特別是基于IP的移動(dòng)通信技術(shù)。雖然第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的市場前景依然難
以預(yù)測和估計(jì),但從技術(shù)的角度來講,必然會獲得發(fā)展。與寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展相適應(yīng),我
們應(yīng)該注意傳輸速率更高,應(yīng)用目標(biāo)更為明確的寬帶移動(dòng)通信技術(shù)的研究,為技術(shù)發(fā)展,
為未來的標(biāo)準(zhǔn)之爭做好基本的準(zhǔn)備。