浅析移动通信技术发展及职业教育信息化建设历程及前景

2022-09-11

20世纪30年代全世界的移动通信系统都还采用幅度调制, 30年代晚期, 出现了第一个调频移动通信系统。二次大战极大地促进了移动通信的发展, 1949年, 美国联邦通信委员会 (FCC, Federal Communications Commission) 正式确认移动通信是一种新的电信业务。在调频移动通信发展的初期, FM系统占有120k Hz的射频带宽, 用于发射具有3k Hz的语音信号。为了提高频谱效率, 1950年FCC把射频带宽降为60k Hz, 1956年, FCC又在UHF波段上将信道带宽降为50k Hz。20世纪60年代, 由于FM技术的发展, 信道带宽降为30k Hz, 同时, 可以在一个通信区域使用2个相邻信道。到了中期, 模拟FM系统的频谱效率已提高到了第二次世界大战末期的4倍。

移动通信是我国最具发展活力的产业之一。1987年至今, 我国移动通信用户增长迅猛。中国工信部发布的《2012年11月通信业运行状况》报告数据显示, 截止2012年11月底, 中国移动手机用户数量达到11.04亿。其中3G手机用户数量为2.2亿, 约占移动用户总量的20%。移动电话普及率居世界首位, 成为世界上规模最大的电信市场。与世界上移动通信普及率最高的国家相比, 我国移动通信的发展潜力巨大。在中国通信信息产业快速发展过程中, 移动通信高速增长。而我国移动通信市场基本上是双寡头垄断竞争格局, 竞争主体是中国移动和中国联通两家, 其所分享的市场份额和用户规模相当。

一、移动通信系统概述

通信系统包括用户设备和通信网络两大部分。用户设备通被称为用户终端, 用户利用用户终端得到通信网络的服务。根据用户终端的不同, 通信系统分为固定通信系统和移动通信系统。移动通信系统主要由交换网络子系统NSS、基站子系统BSS和手机MS组成。基站子系统与移动电话机之间依赖无线信道来传输信息。移动通信系统与其他通信系统如PSTN固定电话网之间, 需要通过中继线相连, 实现系统之间的互连互通。而我们现在所要探讨的正是通信系统中移动通信系统这一块。

从第一代至第三代通信, 无论哪一代的通信系统都是符合上面系统结构的, 通信技术的是不断的成熟, 人们对通信的要求也是日益的提高, 移动通信系统不断的完善, 因此才有第一代至第三代的演变, 演变过程中网络的各方面技术和要求也因此有相应的变化。

二、移动通信的发展历程

(一) 第一代移动通信系统

1971年, FCC接收Bell公司建立蜂窝移动通信系统HCMTS的建议, 在850 MHz频段提供了40MHz频谱资源。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。HCMTS在1978年安装, 1983年开始商业服务。HCMTS的建立在多个方面发展了蜂窝移动通信技术, 并在20世纪80年代演变成了美国模拟系统的国家标准此同时, 基于不同标准的其他模拟蜂窝移动通信系统也得到了很大的发展, 具有代表性的是英国的TACS、日本的NAMTS、北欧的NMT。第一代移动通信系统的主要技术是模拟调频、频分多址, 以模拟方式工作, 使用频段为800/900MHz。蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中, 覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站, 为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络, 一旦一个信道被分配给某个用户, 通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。第一代移动通信系统是基于模拟传输的, 其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。

(二) 第二代移动通信系统

第二代移动通信系统 (2G) 起源于90年代初期。欧洲电信标准协会在1996年提出了GSM Phase2+, 目的在于扩展和改进GSM Phase 1及Phase 2中原定的业务和性能。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。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: (1) 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。 (2) 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。 (3) 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。 (4) 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。 (5) 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。 (6) 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。 (7) 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。 (8) 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。

它主要包括CMAEL (客户化应用移动网络增强逻辑) , SO (支持最佳路由) 、立即计费, GSM 900/1800双频段工作等内容, 也包含了与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术, 使得话音质量得到了质的改进;半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。在GSM Phase2+阶段中, 采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术, 引入智能天线技术、双频段等技术, 有效地克服了随着业务量剧增所引发的GSM系统容量不足的缺陷;自适应语音编码 (AMR) 技术的应用, 极大提高了系统通话质量;GPRS/EDGE技术的引入, 使GSM与计算机通信/Internet有机相结合。为了发展一种在整个欧洲使用的数字蜂窝系统, CEPT在1982年提出了GSM。1989年, ETSI (现在的3GPP) 制定出GSM的规范, GSM在1991年7月投入商用。在数据传输方面, GSM一开始就能提供SMS, 也可以使用CSD进行数据传输, 但最大速率只有14.4kb/s, 因此, 出现了高速电路交换数据ASCSD和通用分组无线业务GPRS。HSCSD是基于电路交换的, 其速率可达57.6kb/s。GPRS采用GSM的无线调制技术、频段和帧结构, 实际上拥有和有线调制解调器相同的带宽, 同时可以几个用户共享同一个无线信道。另外还有一种EGDG (增强型数据速率改进) , 是在GPRS基础上将信道调制方式由GMSK改为8 PSK。

20世纪80年代中期, 美国军方将扩频通信技术解密, 随即这项技术在移动通信领域中得到应用和发展, 1993年, ITU通过了基于扩频的码分多址接入标准。1995年, CDMA投入商用。CDMA系统中, 许多用户 (多达64个) 共享1.25MHz的信道, 每个用户分配一个伪随机码, 在端点, 解码器可以区分业务流, 所有的基站传输同样有时间偏移的伪随机码, 因此, 必须保持同步。与GSM一样, CDMA的第一个版本IS-95A提供速率为14.4kb/s。1997年6月, IS-95BCDMA标准制定, 他在基本码之外分配7个补码, 数据传输速率可达64 kb/s。

在模拟蜂窝系统中, 如AMPS, 一个用户分配一个30 k Hz的信道D-AMPS是设计来与AMPS共存的TDMA系统。他将30 k Hz的信道分为3个, 允许3个用户共享一个无线信道, 并为每个用户分配一个惟一的时隙。目前, TDMA正向GSM转移, 这些新的5GSM网络将综合GPRS和EDGE技术。

(三) 第三代移动通信系统

由于第二代移动通信系统仍存在业务单一、无法实现全球互联, 90年代中后期, 人们开始了第三代移动通信系统的研究, 欲使其实现:全球统一的标准、具有多媒体传输能力、增加分组交换业务、增加非对称传输模式、加强数据处理能力、更好的传输质量、提高终端电池使用寿命、更高的频谱效率、更大的信道容量。1998年, ITU综合各国际标准化组织提出的建议开始制定和完善第三代移动通信系统标准IMT2000。系统构成如图1所示, 其主要分为2个系统:UMTS和CDMA 2000 (CDMA MC) , 其中, UMTS又包括2种模式, 一种是CDMA-DS, 宽带CDMA, 也称频分复用 (FDD) 。另一种是CDMA-TDD。

TDD和FDD标准的制定由3GPP完成, 到目前为止已有3GPPRelease 3 (即Release′99) , R5, R6三个版本。FDD模式被认为是UMTS的主要技术。FDD模式来自于CDMA, 他也使用伪随机码, 上下行链路使用单独的5 MHz载频, 单个用户的数据传输速率可达384 kb/s, FDD允许基站之间的异步操作。TDD模式的主要技术是TD〖CD*2〗SCDMA, 他的载频间隔是1.6MHz, 而不是其他宽带标准的5MHz, 端用户的最高数据传输速率可达5Mb/s。

CDMA 2000技术规范是由3GPP2制定, 由CDMA 2000 1X过渡到CDMA 2000 1XEV-DO, 再到CDMA 2000 1XEV-DV, 其数据传输速率可达3 Mb/s, 但CDMA 2000 1X的运营商很少。

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 Cp S。

三、未来移动通信系统

移动通信发展到今天, 随着相关技术的发展, 如全IP、蜂窝、卫星、WLAN, Bluetooth, Adhoc, OFDM, UWB, 智能天线、软件无线电、BLAST, Turbo码, DVB, WAP等, 未来的移动通信系统定能实现“任何人 (Whoever) 在任何地点 (Wherever) 、任何时间 (Whenever) 可以同任何对方 (Whomever) 进行任何形式 (Whatever) 的通信”这一目标。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。

未来移动通信将是一个以用户为中心具有智能的信息系统, 并具备丰富的环境以及上下文感知能力, 能提供便捷高效的信息支持和业务服务, 提供面向用户的最佳个性化体验。其主要特点: (1) 个性化。按照用户的通信需求, 通过提供一系列机制将用户偏好、用户位置、网络和终端能力等这些上下文感知信息收集和保存起来, 并进行分析整理提交给通信系统, 使系统进行业务等方面的调整, 以向用户提供最佳的业务体验为系统最高目标。 (2) 环境感知。随着用户应用场景的变化, 用户需进行信息交互对象的数量在不断发生变化, 诸如温度、噪声指数、光强等环境参数变化的信息, 先由传感设备采集, 再通过传感网络收集起来, 作为环境感知机制展开工作的基础。 (3) 业务适配。对个性化机制所提供很多不清楚和不可实现的, 甚至彼此相矛盾的有关用户偏好等信息, 需要业务适配机制去加以分析、甄别和整理, 使之能够为通信系统所识别和执行。通过业务适配, 使得独立于异构网络、多样终端的业务提供能够根据用户偏好、网络和终端状态的变化而发生相应的改变。

未来移动网络、移动终端、业务发展将发生巨大的变化和面临着更多的技术挑战。如, 未来的无线接入网络, 最显著的特点是接入网络丰富的异构性。2G/3G是以移动通信广域网为主流, 而3G之后将有大量无线局域网络出现, 包括个人域、车域和家庭域等。这些无线域的触角将使基于IP的业务环境无处不在, 但这些无线域的物理层和媒体接人控制方式以及自组织方式的网络结构的异构将导致空中接口互通的困难。这些将对终端技术产生影响, 目前已经出现了多模终端, 主要是在空中接口实现重构.即采用软件无线电的方式, 将来需要支持端到端的可重构能力。通过这些技术可以保证连接层面和业务层面的互通, 使未来网络业务的支持能力向各个领域进行扩张, 最终实现异构网络之间的协同工作, 满足个人用户的最佳业务体验。基于以上考虑, 我们认为4G蜂窝通信系统研究应具有以下基本特征:

·基于IPv6核心网的互连互通;

·地面网络承载与控制全程分离, 符合全IP发展趋势;

·支持个人可携带资源 (MIP/M-e N) 的全程漫游与切换;

·无线网络对于核心网络透明, CC/MM位于核心网侧 (无线接入用户与固定接入用户等同) , RR/LL/PL全部位于接入层;

·分类端到端Qo S, 实时业务的Qo S优于现有电信级;

·全新的基于时空联合处理、网络分集等新技术的蜂窝系统, 发射能量较3G系统降低10d B以上;频率利用率较3G系统提高5至20倍, 达到3-10Bits/Hz/s;

·特别适合于分组突发业务的空中接口, 峰值传输速率达到20-100Mbps, 可灵活调配无线资源, 适用于大动态范围 (10kbps-100Mbps) 业务;

·与区域性的无线接入系统和自组织网络的无缝联接等。

总之, 移动通信的发展趋势已经非常明显, 包括广域的、局域的、车域的、家庭域、个人域的各种网络和设备, 都将充分融合协同, 形成一个为人们提供最佳体验为目标的无所不在的智能信息空间, 使人们充分的追求回归自然的生活方式, 进一步提高人们的生活质量和社会经济质量。

摘要：纵观全球迅猛发展的高科技电信业必将成为21世纪世界经济的火车头, 通信技术正发生着百年未遇的巨大变化。本文对移动通信系统和发展进行论述, 结合人们对于信息传输的要求, 简要分析了当前移动通信系统的发展历程和预测了未来移动通信的发展趋势。

关键词：移动通信,蜂窝系统,CDMA