移动通信技术综述

移动通信技术的发展回顾及展望选题理由 移动通信是近年来发展最快、应用最广泛的领域之一。从移动通信技术诞生到现在的一百多年间，这门技术已经从根本上改变了人们的通信方式，极大地缩短了信息传递的时间。为了让读者了解此方面的研究历史以及最新动向，故选择这个题目，梳理现代移动通信技术的发展历程。摘 要 近年来，移动通信技术发展迅速，成为当今最前沿的领域之一。纵观现代移动通信技术的发展历史，可以将其分为五个阶段：早期起步阶段、早期发展阶段、改进完善阶段、蓬勃发展阶段和数字化成熟阶段。目前现代移动通信技术已经发展到第四代，但仍然面对移动性管理困难、无线网络覆盖面不够、4G设备性能的限制以及网络的安全性问题等难题。未来值得深入研究的方向有：第四代移动通信技术的完善与成熟；第五代移动通信技术的研发、完善及普及；卫星移动通信技术的发展。图1、2、3、4、5、6、7。参考文献27。关键词 移动通信技术 蜂窝通信系统 数字化 卫星移动通信1 引言移动通信技术（Mobile Communication Technology）是指通信的双方或至少是有一方在移动中进行信息传输和交换的技术1。它是目前最前沿的领域之一，它较强的灵活性、强大的兼容性、高度自组织自适应性及传递信息的及时性使它成为万众瞩目的明星。目前世界上各个国家与地区大多都在进行相关的研究，并带来了移动通信技术的一次又一次的革新。本文通过相关文献搜集及归纳整理，将移动通信发展至今的历史分为五个阶段：早期起步阶段、早期发展阶段、改进完善阶段、蓬勃发展阶段和数字化成熟阶段。同时现代的移动通信技术也可分为第一、第二、第三、第四、第五代。本文认为，该领域目前还有以下问题需要克服和解决：移动性管理困难、无线网络覆盖面不够、4G设备性能限制以及网络安全性问题。基于此，本文将梳理移动通信技术的发展历史，重点叙述数字化成熟阶段的移动通信技术发展和蜂窝通信系统的发展，在现状的基础上提出移动通信技术未来可能实现的、值得深入研究的方向。2 早期起步时期的移动通信 这一时期处于20世纪20年代至40年代。1897年意大利科学家M.G马可尼在赫兹实验的基础上成功实现了陆地和一只拖船之间利用无线电波进行信息传输，证明了在移动体之间以无线方式进行通信的可能性2。但在这之后相当长的时间里，移动通信并没有实质性的发展，直到20世纪20年代。早期起步期间，首先在短波的几个频段上开发出专业移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统3。这一起步阶段的工作频率较低，系统较为专用化。3 早期发展时期的移动通信技术 这一时期处于20世纪40年代中期至60年代初期这个时期里，公共移动通信业务问世并开始发展。这一时期出现了公共陆地移动网络（PLMN Public Land Mobile Network）。公共陆地移动网络是被设计来为全部静态的或是动态的使用者提供所有地方、所有形式和所有时间的服务4。1946年，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网：“城市系统”。此后，前西德（1950）、法国（1956）、英国（1959）等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的连接问题。这一阶段的特点是从专用移动网到共用移动网过渡，接续方式为人工，网的容量较小3。这一时期的移动通信技术发展缓慢，由于采用大区制，可用频道很少，设备使用电子管，较笨重，使用不方便，不保密，发展缓慢，用户总数也只有几百个51。4 改进完善时期的移动通信技术 这一时期处于20世纪60年代中期至70年代中期。此阶段中，1965年美国贝尔实验室推出了改进型移动电话系统（IMTS Improved Mobile Telephone Service）。此系统采用大区制、中小容量，实现了自动选频与自动接续。由于出现了自动交换式的三级结构及直接数字频率合成技术（DDS Direct Digital Frequency Synthesis）,可用的频道数目增加，同时使用了大、中制，使频谱利用率有较大的增加，用户使用方便多了，也增加了一些保密性5。同时德国也推出了具有相当技术水平的B网。但是由于设备及无线资源的制约，当时整个移动通信市场发展缓慢，尚未形成规模6。5 蓬勃发展时期的移动通信技术图 1. A cellular system 7 这一时期处于20世纪70年中期到80年代中期。在这一时期，出现了第一代蜂窝状移动通信系统。这是一种以微型计算机和移动通信相结合，以频率复用、多信道共用技术和全自动地接入公共电话网的小区制、大容量移动式蜂窝通信系统11-2。蜂窝移动通信系统是采用正六边形的蜂窝状小区来实现区域覆盖的系统。1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS Advanced Mobile Phone Service），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量3。与此同时，其他国家也相继开发出蜂窝式移动通信系统。如日本于1979年推出的800MHz汽车电话系统（HAMTS），前西德于1984年完成的450MHz的C网，英国在1985年开发的900MHz全地址通信系统（TACS Total Access Communications System），法国开发的450系统，加拿大推出的450MHz移动电话MTS,瑞典等北欧四国于1980年开发的450MHz的NMT-450移动通信网。 这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展32。第一代蜂窝移动通信系统采用频分多址（FDMA Frequency Division Multiple Access）技术，故属于模拟蜂窝网。右图展示的是一个蜂窝系统单元的总体布置。这个系统的核心是一个叫MTSO（Mobile telephone Switching Office）的特殊服务区域8。一个典型的蜂窝移动单元由一个控制单元、一个无线电收发器和天线组成的8。图2.Conceptual layout of a cellular system 8. 但是自从模拟蜂窝移动通信系统问世以来，频谱资源的不足和模拟电子技术的局限性制约着蜂窝移动通信的发展9。而由于全世界范围内蜂窝系统较多，各个系统之间既相似又有很大差异，它们之间互不兼容，因此，移动用户无法在各种系统之间实现漫游。同时，作为模拟移动通信系统，它还有其他的多种缺陷：（1）模拟移动通信不能提供综合业务数字网业务ISDN（Integrated Services Digital Network）。（2）频谱利用率不高，系统容量受限制。（3）安全保密性差，易被窃听。（4）模拟系统设备价格高，手机体积大，电池充电的有效时间短，给用户带来不便53-4。这些成为制约第一代移动通信技术发展的因素之一。 除了蜂窝移动通信系统，这一时期集群通信系统（Trunked communication system）也正蓬勃发展着。集群通信系统是专用调度通信系统。集群移动通信系统和蜂窝移动通信系统是两种不同的系统，各有各的特点，各有各的用处1034-61。集群移动通信主要用来做指挥调度，且主要采用信道动态分配方式。与蜂窝移动通信不同，集群有点通信采用大区覆盖方式。6 数字化成熟时期的移动通信技术 这一时期是移动通信技术发展的第五阶段。第五阶段从20世纪80年代中期开始至今。这是数字移动通信系统的发展和成熟时期32。由于大规模、超大规模集成电路和微处理机、微计算机的大量应用，移动通信向着范围更加广泛、种类和形式更加多样性的方向发展。系统容量扩大，业务种类增多，信息传输及时，设备在小型化、自动化、智能化、程控化和微机化上迈进了一大步，移动通信得到了前所未有的发展102。数字化移动通信系统的逐渐完善无疑极大促进了移动通信技术的发展，这一阶段是移动通信技术发展的黄金时期。移动通信系统从第二代发展到了第五代，数字化程度不断加深。在模拟系统中，传输媒体上的额信号是消息波形的连续函数。模拟系统中正弦载波的振幅、相位或者频率都可以随话音或消息连续变化。数字传输系统中，传输信号在时间、真服、相位或频率上以及这些参数任何两种组合上都是离散的。把消息信号转换成数字形式的一个优点在于数字信号具有较强的再生能力11280。6.1 第二代移动通信技术图3. System structure for TDMA 12 第二代移动通信技术采用时分多址（TDMA Time Division Multiple Access）技术。右图展示的就是时分多址技术的系统结构。时分多址是用许多时隙来分复用来自多个用户的数据，并在物理信道上发送。因为可以把所使用的每个时隙都分配给不同的用户，故从根本上来说相应提高了系统的容量136。基于这个概念，TIA/EIA制定了一套TDMA标准，称为IS-5414。1993年，最后由称为IA-136.1和TIA/EIA IS-136.215的新版本代替。第二代移动通信系统主要有欧洲的GSM(Global System For Mobile Communications)系统,美国的D-AMPS（Digital Advanced Mobile Service）系统，IS-95系统，日本的个人数字蜂窝系统（PDC Personal Digital Cellular System）。其中最为普及、最为成功的当数GSM系统了。图5. The GSM Architecture 16 GSM是由欧洲主要的电信运营商和制造商产生的标准化委员会制定的一种无线数字信号网络标准16。 GSM与IS-54和IS-136一样，结合了FDMA和TDMA的接入技术，使用900MHz附近的2个频段17。全世界大多数国家都采用了基于GSM原始规范的GSM、DCS 1800或PCS 1900等系统。GSM网络由几个功能实体组成：交换中心（MSC）、数据库（HLR,VLR）、基站控制器（BSC）、基站收发系统（BTS）、用于无线子系统和网络子系统的操作与维护中心（OMC-R和OMC-V）、移动台（MS）18334-337。GSM是第一个把已开发的TDMA技术应用到移动通信中的系统，它有几个明显的特性：（1）全欧洲漫游（2）通过RA盒（速率自适应）可与ISDN连接（3）使用SIM卡（4）发射功率控制（5）跳频（6）不连续传输（7）移动台辅助切换11318。目前它是世界上使用最为广泛的移动通信系统。与GSM相似，美国的D-AMPS采用了FDMA与TDMA技术相结合的多址接入方式，并定义了控制信道和业务信道。D-AMPS使用的频率与模拟AMPS一样，这样可以根据需要从模拟信道转移到数字信道，并且采用一种逐步增大系统容量的途径19。6.2 第三代移动通信技术 虽然第二代移动通信技术已经实现了数字化，具有传输能力，但其程度有限。例如，应用广泛的GSM支持SMS，其用户数据速率不超过9.6kbit/s1310。为了支持高速数据速率业务，以及能提供多媒体业务，“国际电信联盟-无线通信部”（ITU-R）制定了“国际移动通信 2000”（IMT-2000）这一标准。第三代移动通信技术，也就是人们通常说的3G技术，采用的是码多分址CDMA（Code Division Multiple Access）技术。CDMA通信是利用相互正交（或尽可能正交）的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信20。在CDMA中，分配给每个用户一个唯一的编码序列（扩频码），用于对他的承载信息信号进行编码。接收机知道用户的编码序列，可以在接收后对接收的信号进行解码并恢复出原始数据，这是因为特定用户的编码信号和其他用户的编码信号之间的互相关性很小。因为编码信号的带宽比承载信息信号的带宽大得多，因此编码处理扩展了信号的带宽，这就是大家熟知的扩频调制。产生的信号称为扩频信号，并且CDMA也称为扩频多址接入(SSMA)2131-32。CDMA的关键技术有：自动功率控制；信号衰落与分级接收；分集技术；正交调制与正交扩频；编码技术；过境切换技术；电压、功率和电场强度的关系3152-179。目前国际上最具代表性的CDMA标准有三个：中国提出的TD-SCDMA、欧洲和日本提出的WCDMA和美国提出的CDMA2000。这三个标准为国际电信联盟（ITU）所承认。图6. Structure of TD-SCDMA subframe 22 TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Multiple Access）即时分同步码多址。它是双工部门系统。它的上传和下载工作在同一频带上。所有物理结构都有一个四层结构22。TD-SCDMA技术有着频谱利用率高、频率灵活性高、对业务的支持具有多样性以及成本低等优势。但同时也有同时在线人数限制、小区覆盖半径较小以及终端允许移动速率较低等不足。 在1997年下半年，ETSI和ARIB共同努力开发了WCDMA。ETSI WCDMA从欧洲的FMA2方案发展而来。ARIB的WCDMA从日本的核心A方案发展而来。WCDMA方案的上行链路主要基于FMA2方案，下行链路基于核心A方案21141。该技术是目前普及率最高的第三代移动通信技术。WCDM是由第二代移动通信技术GSM发展而来23，而这也是它的普及率如此之高的原因之一。该技术的码片速率高，支持高速移动终端，为3G运营提供了良好的基础。 CDMA2000是由美国提出的技术，像其他宽带CDMA方案已于，其目标是提供的数据速率能够满足IMT-2000的性能需求，即车载环境至少有144kbit/s，步行环境下384kbit/s，室内办公环境下2048kbit/s21151。CDMA2000系统的明显特征可归纳如下：（1）较宽的带宽和较高的码率（2）多载波系统（3）扩频码（4）可变长度Walsh码（5）复数扩频（6）辅助导频信道（7）新的业务信道（8）分组模式数据业务（9）业务质量1391-92。6.3 第四代移动通信技术 在第三代移动通信技术已经成熟之际，3G技术的限制也就越来越多地暴露出来。速率的不足以及移动终端移动速度的限制促使了第四代移动通信技术的诞生于发展。4G技术是被设计来在不同的无线标准之间进行通信的技术，它将使各种标准无缝结合这一设想成为现实24。4G与3G之间的主要区别在于终端设备的类型、网络拓扑的结构以及构成网络的技术类型25。目前该技术包括TD-LTE和PDD-LTE两种制式，4G能够以100Mbps/s以上的速度下载，集3G技术与WLAN技术于一身。作为一门新兴的技术，它的优点有很多：通信速度快；网络频谱宽；通信灵活；智能性高；兼容性好；提供增值服务；高质量通信；频率效率高。但同时它的缺陷也有很多，例如移动基站的改建困难，4G设备的性能限制使之无法达到预期的速度，移动性管理的困难，行业标准的统一困难以及网络安全性不高等。目前4G技术已经开始普及，但仍然有很长一段路要走。6.4 卫星移动通信技术 卫星移动通信系统作为提供卫星移动业务的一个通信系统，综合利用了现代通信技术、计算机技术、航天技术和半导体集成电路技术，是当前通信领域发展非常迅速的方向之一。它具有许多其他通信方式无法替代的突出优点，也是未来移动通信系统中不可缺少的一部分。图7. 卫星移动通信系统示意图 卫星移动通信系统一般由空间段、地面段和用户端三部分组成。利用卫星来进行移动通信，具有覆盖范围大、通信距离远、组网灵活、通信费用基本与距离无关、不受地面现有设备的限制及受地形地物等影响小等突出优点。同时它的缺陷也很突出:卫星功率有限；电波传播情况复杂；众多用户共享有限的卫星资源；移动台必须小型化26。目前卫星移动通信的推广范围有限，不过今后也许会有发展。7 结语与展望 通过以上的梳理，我们清晰地梳理了移动通信系统自诞生到现在的一百多年间的发展历程。发现移动通信系统的发展大致可以分为五个阶段，从早期起步阶段到早期发展阶段到改进完善阶段再到蓬勃发展阶段最后到数字化成熟阶段。移动通信技术的发展一直以来都是以追求更高性能、更好的人机交互、更完善的管理体系等为目标进行的。目前是3G技术基本普及而4G技术正在发展的阶段，通过以上的梳理，发现移动通信技术还有兼容性不高、移动终端设备性能提升无法跟上无线网络技术发展、网络安全性较低等缺陷。 未来，值得深入研究的方向有：1.4G技术的完善 通过一些革命性的（无论是户外还是户内）的4G应用，4G技术将会证明无线技术和有线技术的结合。4G应用将会变得具有一流品质、高安全性和物美价廉27。2.5G技术的研发及完善 4G技术存在着很多不足，科技在不断进步，人们需要更好的技术来代替现有的技术。5G技术将会更加高速，兼容性更好，更加安全。3卫星移动通信的普及 通过上面的描述，我们知道了卫星移动通信的不可替代的优点。但是由于技术的限制，卫星移动通信现在还无法普及。未来的研究应该以普及卫星移动通信技术为目标之一。与陆地移动通信系统相辅相成。参考文献1朱伟华. 数字移动通信技术 Z 天津：天津大学出版社，2010:pp.12何林娜. 数字移动通信技术 Z 北京：机械工业出版社，2004:pp.123邬国扬，孙献璞. 蜂窝通信 Z 西安：西安电子科技大学出版社，20024Victor Berrocal-Plaza, Miguel. 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