新世纪的移动通信与接入网技术(一).doc

新世纪的移动通信与接入网技术（一）第一代蜂窝无线通信系统是频分复用（FDM）模拟系统。由于受当时技术条件的限制，移动电话机的体积粗大笨重。因此有人预言移动技术不会有很大的发展。实际上，1980年代以前，移动通信用户的数量也确实寥寥无几。80年代末，半导体技术的进步使移动通信有了快速的发展。利用ASIC技术，移动电话的体积减小了许多。这一技术进步为移动通信业带来了巨大的变化。 移动通信的第二次飞跃来自第二代数字技术标准的广泛使用，包括GSM、IS-136 TDMA、IS-95 CDMA以及PDC。2G技术提高了语音的质量，在降低手机和基础设施的成本方面则更为明显。因此，在90年代中期，该技术进一步加速了移动通信的发展。 21世纪的移动通信将有更大的发展。3G技术提高了频谱利用率，在数据和复用能力方面也有了重大的进步。从技术角度来看，该进步是革命性的，它大大提高并拓展了人与人、人与机器甚至机器与机器之间的通信能力，并进一步挖掘了通信潜力。与1G带来的从车到人的变革相似，3G带来的将是在终端用户的巨大变革，使更多的机器可以参与通信。 除了上述变革之外，还有更多的功能正在被应用于手机，如将手机与PDA结合。在3G中，UMTS终端将与GSM结合。由于多重标准的存在，将来可能采用多模式终端或利用软件无线电实现。 3G技术的进步与接入网技术的发展是密不可分的。目前有多种接入技术处在发展阶段。GSM正通过GPRS、EDGE向UMTS发展。无线局域网（WLAN）系统，如HIPERLAN2、IEEE802.11 、DAB、DVB-T等都在应用中。蓝牙、DECT系统等接入技术可以实现短距离连接。在固定网中，xDSL特别是ADSL技术大大提高了数据在最后一公里的传输速度。这些技术都可能成为固定移动网中的一部分。 核心网的传输能力在最近10年内的增长极为迅速，传输速度相对信号处理能力有了更快的发展，DWDM等技术的发展使得传输费用显著降低。核心网正在向透明传输发展，人们不再区分电路交换数据和分组交换数据，以便在同一网络上实现对实时业务和非实时业务的支持。从目前的发展来看，IP是最好的解决方案。IP传输也可用于无线接入网络，并将路由器设置在基站附近，并可以采用路由器支持的软件技术、Java Virtual技术等。 经济趋势和业务需求 目前，移动通信的发展由经济和技术趋势决定，未来则主要由需求决定。随着2G的发展和3G的出现，用户可获得更多的数据服务和多媒体服务。用户的需求和要求正影响着3G及以后的系统的发展。 在最近10年内，世界上许多国家开放了电信市场。由于存在竞争，通信服务费用特别是移动通信服务费用大幅下降，用户增长率远远高于估计值：1998年全球用户增长率为60%，2002年预计可达到100%；2000年全球的移动用户数已超过4亿，到了2010年全球将会有超过17亿的移动用户。 新的通信环境使移动通信的业务模式发生了变化。未来创造产值的主力将不再是运营商，而是内容提供商。当然，二者都要借助接入网和核心网。据专家预测，数据增值业务和内容提供服务将会成为新的经济增长点。 新的发展模式中应当包括以下三部分： * IT：互联网的接入网、E- mail、实时图像传输、多媒体传输、浏览、广播以及移动电脑。 * 媒体：语音视频服务、视频点播、交互式视频服务、增值服务以及电视、广播。 * 通信：移动通信、可视电话、宽带数据服务、接入网安全和QoS。 通信技术和信息技术的结合是信息社会的必然要求。信息社会的服务将是多方位的：互联网浏览、通信、可视会议、教育、金融服务、电子商务、遥感技术、定位服务、个人通信、个人保健以及娱乐等。UMTS论坛预计，到2010年，欧洲将会有超过9000万的移动用户能够享受多媒体服务，其中有60%的数据是以比特形式传输的。这些不同的服务可以继续细分为多媒体、E-mail、文件传输等对称或非对称业务、实时或非实时业务。另外，上述服务还可分为： * 广域服务：移动电话、GPRS、移动多媒体。 * 局域服务：高速无线安全接入、快速Internet和Intranet、共享数据服务。 3G的无线通信协议 为了提高全球漫游能力，ITU制定了IMT-2000建议，定义了地面和卫星通信系统的协议。 人们起初希望能够制定世界范围内的统一无线接口标准。但是很快发现，制定多种规范以满足不同区域的要求较为符合现实市场的需要。其原因在于3G是从2G演变而来，而2G是建立在许多不同的技术和无线接口标准（如GSM、CDMA、TDMA）的基础上；此外，还存在着两个主要的地区性网络标准：GSM-MAP和ANSI-41。 大部分2G系统建立在GSM或TDMA基础上，其向3G的演变则通过EDGE标准实现。对于新兴的服务提供商而言，实现UMTS的方法很可能采用宽带CDMA（W-CDMA）。W-CDMA系统会在每一条FDD链路上提供5M的带宽。对于采用IS-95技术的系统，2G向3G的演进将采用cdma-2000标准。第一阶段，每条链路提供1.25M带宽以确保能与目前的2G系统兼容，其带宽最终可扩展到5MHz。 虽然3G将制定一组无线接口标准，但是ITU决定不在核心网内使用这些协议。这是为了让GSM-MAP和ANSI-41能分别根据市场的需求独立发展。ITU将制定核心网之间的互连协议，即网间接口（NNI），以便实现漫游。 考虑到3G可采用的无线接口标准有EDGE、UMTS和cdma2000(分别对应于GSM-MAP和ANSI-41)，运营商必须为不同的标准设立不同的基础设施，并根据不同的运营商和国家而采用不同的频段。 以3G为核心的其他技术 软件无线电 人们需要在不同的标准和不同的频段之间切换的技术。由于半导体技术和数字技术的快速发展，该技术日趋成为现实。其中最有前景的技术是软件无线电（SDR：Software Defined Radio）技术。 SDR技术的优点是： * A/D和D/A转换技术的发展使接近天线的高速信号的直接转换成为可能，减少了无线转换部件的数量，大大方便了数字部件的制造。 * 可采用宽带无线通路来提供内在的机动性，以支持不同的标准和不同的工作频段。 * DSP和FPGA芯片的快速发展，使制造低价的通用设备成为可能。这些采用软件或者固件技术的设备速度很快，完全可与硬件速度相媲美。 * 许多数字技术和软件协议已应用多年，可进一步降低成本、缩短投放市场的时间。 * 通过软件升级，更加容易开发新的服务，因此在快速发展的无线工业中，该技术更有吸引力。 * 软件系统容易根据特定用户的需求进行修改。 * 在新老系统的变更中，提供一定的机动性。 SDR虽然有上述的优点，其广泛应用还有待时日，它仍然面临着来自ASIC的挑战。在基站系统中，不同的服务提供商可能只要满足采用同一种标准的设备的要求。虽然采用ASIC可能需要更长的时间才能推向市场，但是考虑到按特定标准而设计的设备只需要最低限度的软件和硬件，因此制造成本较低。 另外应当指出，SDR的发展与半导体技术和数字技术的快速发展相关。目前处理器和DSP芯片的发展速度每12年就会有大幅度的提高，并很快就会被新的无线标准所吸收。从理论上说，采用SDR技术只需要软件升级，实际上系统的硬件设施也必须随着处理器和DSP芯片的快速发展而不断更新。因此，与PC机的软件/硬件关系类似，SDR的一些优点将会因硬件的不稳定性而受到影响。 对手机而言，前景也并不明朗。虽然有很多旅行者希望他们的手机能够支持不同的标准，但是相当一部分无线用户对只能够支持某一国家或服务提供商的特定通信协议的手机已感到相当满足。对于这部分人来说，ASIC以其低廉的价格成为首选。另外，手机用户必须考虑到手机电池的寿命。现有ASIC的功率消耗比DSP和FPGA小得多，采用ASIC的手机体积也比后者小。因此，SDR若要成为普遍的选择，还有很多的困难需要克服。但随着时间的推移，SDR所占的比例将会逐步上升。 定位技术 当采用陆地电话发送呼叫时，呼叫者的电话号码和位置可从信令中识别出来，这种定位技术已被应用于用户号（ID）和紧急呼叫处理。同样，无线用户的位置也可用各种方法识别出来。与地面方式不同，无线定位采用了另一种关键技术无线定位技术。该技术具有巨大的潜力，能够改善相关的应用，使人机器和机器机器之间的联系更为便利。无线定位技术的应用包括移动地图服务、紧急呼叫位置查询等。 无线定位技术有两种，一种建立在网络基础上，另一种建立在手机基础上。在基于网络的解决方案中，定位信息是通过对时间、到达的角度、信号的强度来判断的。在基于手机的解决方案中，主要利用GPS的信号来定位。 在实际使用中，上述两种技术均有其局限性。基于网络的解决方案其定位的精确度受到接收信号精确度的限制；基于手机的解决方案，必须收到多颗GPS卫星的信号才能准确定位，而在室内或者在高楼耸立的城市中要做到这一点相当困难。因此，有人提出了GPS与网络技术相结合（即辅助GPS）的方案。 智能天线 移动通信的飞速发展对系统容量和频段的复用提出了更高的要求。智能天线技术可以大幅度提高系统的容量。目前的窄带波束包括两项技术：定向波束和可变向波束。 定向波束利用天线阵或均匀排列的定向天线。定向天线的元件能够使正向链路上的狭窄带波束指向指定的手机。正向链路的天线分集技术是智能天线解决方案的一部分。 可变向波束与定向波束技术至少有两点不同：首先，可变向波束技术的天线安装在扇区内，而定向波束技术的天线位置则要根据信道状况而定。其次，可变向波束可在不同天线波束间切换，定向波束则指向特定手机。 除了上述智能天线技术之外，贝尔实验室提出了一种更有效的技术，即BLAST（Bellabs Layered Space Time）技术。BLAST技术在同一频段上建立了复平行信道，并保持总传输功率不变。因此，正向和反向信道的容量可以在多种技术结合的基础上得到大幅度的提高。 超导体，塔顶低噪声放大器和多用户检测 现有的技术，如超导体、塔顶低噪声放大器（TTLNA：Tower-top Low Noise Amplifier）和多用户检测等同样可以大大提高反向信道的性能。 在很多无线系统中，一个小区的覆盖范围受手机最大传输功率和基站热噪声的限制。考虑到电池寿命问题，提高手机最大传输功率是不现实的，降低系统噪声自然成为扩大小区覆盖范围的最佳途径。目前大部分无线通信系统的噪声指标为45dB。在天线中采用超导技术或TTLNA技术之后，噪声指数可降低几个分贝，从而扩大了小区覆盖范围。目前TTLNA技术由于其较高的可靠性和较小的尺寸正在得到推广，而超导技术的应用则没有那么广泛，还需要在价格、可靠性、设备体积等方面加以改进。不难看出，由于TTLNA价格低、稳定性高、传输损失小，超导技术正面临着TTLNA技术的强大挑战。 在城市中，许多移动系统面临的最主要问题不是小区的覆盖范围，而是系统容量。在这种情况下，应当采用多用户检测技术。由于一个小区内存在使用相同频段的不同用户间的干扰，因此小区内的功率受限。采用多用户检测技术后，当