[计算机软件及应用]第9章移动通信的展望

1、计算机软件及应用第9章移动通信的展望计算机软件及应用第9章-移动通信的展望9.1 个人通信概述个人通信概述 移动通信从产生到现在的历史并不长，移动通信从产生到现在的历史并不长， 然而其然而其发展速度却远远超出了人们的预料。发展速度却远远超出了人们的预料。 尤其是最近十尤其是最近十几年来，几年来， 随着微电子技术、随着微电子技术、 计算机和软件工程的计算机和软件工程的发展，发展， 移动通信设备在质量、移动通信设备在质量、 使用方便和可靠性使用方便和可靠性等方面的发展日新月异。等方面的发展日新月异。 纵观移动通信的发展历程，纵观移动通信的发展历程， 当代移动通信可分为当代移动通信可分为四个阶段：四

2、个阶段： （1） 第一代移动通信以模拟调频、第一代移动通信以模拟调频、 频分多址频分多址为主体技术，为主体技术， 包括以蜂窝网系统为代表的公用移包括以蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、动通信系统、 以集群系统为代表的专用移动通信以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无绳系统以及无绳 , 主要向用户提供模拟话音业务。主要向用户提供模拟话音业务。 (2) 第二代移动通信以数字传输、第二代移动通信以数字传输、 时分多址时分多址或码分多址为主体技术，或码分多址为主体技术， 简称数字移动通信，简称数字移动通信， 包包括数字蜂窝系统、括数字蜂窝系统、 数字无绳数字无绳 系统和数字集群系系统和数字集群系统

3、等，统等， 主要向用户提供数字话音业务和低速数据主要向用户提供数字话音业务和低速数据业务。业务。 (3) 第三代第三代(3G)移动通信以移动通信以CDMA为主要技术，为主要技术， 向向用户提供用户提供2 Mb/s到到10 Mb/s的多媒体业务。的多媒体业务。 (4) 超（后）三代（超（后）三代（B3G）或第四代）或第四代(4G)移动通移动通信的研究和开发，信的研究和开发， 采用采用OFDM和多天线等新技术，和多天线等新技术， 将向用户提供将向用户提供100 Mb/s甚至甚至1 Gb/s的数据速率。的数据速率。 9.1.1 个人通信的概念个人通信的概念 长期以来，长期以来， 人们就有一种美好的愿

4、望：人们就有一种美好的愿望： 未来总有一天会未来总有一天会做到做到无论任何人无论任何人(Whoever)在任何时候在任何时候(Whenever)和和任何地任何地点点(Wherever)都能和都能和另一个人另一个人(Whomever)进行进行任何方式任何方式(Whatever)的通信。的通信。 以往，以往， 人们曾把这种愿望称之为幻人们曾把这种愿望称之为幻想，想， 然而随着科学技术的发展，然而随着科学技术的发展， 这种愿望已经不是幻想，这种愿望已经不是幻想， 而是可以实现的了。而是可以实现的了。 人们把这种向往中的通信称为人们把这种向往中的通信称为“个个人通信人通信”， 而把实现个人通信的网络称

5、之为个人通信网而把实现个人通信的网络称之为个人通信网(PCN)。 个人通信的愿望虽然早已存在，个人通信的愿望虽然早已存在， 但个人通信网的设但个人通信网的设想却是在想却是在202X年才正式提出来的。年才正式提出来的。 其后，其后， PCN在世界在世界范围内立即引起了巨大的反响和共鸣，范围内立即引起了巨大的反响和共鸣， 一些通信发达一些通信发达的国家纷纷开展了的国家纷纷开展了PCN的体系结构和实现技术的研究，的体系结构和实现技术的研究， 提出了形形色色的设想和方案，提出了形形色色的设想和方案， 有关有关PCN的国际标准的国际标准的制定也受到许多国际组织的重视。的制定也受到许多国际组织的重视。 9

6、.1.2 实现个人通信的途径实现个人通信的途径 个人通信的设想激发了人们的浓厚兴趣。个人通信的设想激发了人们的浓厚兴趣。 从从202X年以来，年以来， 人们对如何实现个人通信曾提出过各种各样的人们对如何实现个人通信曾提出过各种各样的方案，方案， 也发生过一些争论，也发生过一些争论， 甚至相互非议。甚至相互非议。 一般来说，一般来说， 实现个人通信的途径有以下几种。实现个人通信的途径有以下几种。 (1) 规划、设计和开发一种覆盖世界范围的全新个人通信网。规划、设计和开发一种覆盖世界范围的全新个人通信网。这种方法可以按照个人通信的理想目标，这种方法可以按照个人通信的理想目标， 自由地精选先进自由地

7、精选先进技术和优化网络结构，而不受现有通信设施和现用技术体技术和优化网络结构，而不受现有通信设施和现用技术体制的影响和约束。制的影响和约束。 (2) 选择现有的某一种移动通信网络进行扩充选择现有的某一种移动通信网络进行扩充和改造，和改造， 实现一个遍及全球、实现一个遍及全球、 功能齐全和适应各功能齐全和适应各种运行环境的个人通信网。种运行环境的个人通信网。 这种办法对现有各种通这种办法对现有各种通信设备的开发者、信设备的开发者、 制造商和运营公司特别有吸引力。制造商和运营公司特别有吸引力。 利用和改造某一种通信网络向个人通信网发展的方案利用和改造某一种通信网络向个人通信网发展的方案都带有一定的

8、局限性，主要表现在以下几个方面：都带有一定的局限性，主要表现在以下几个方面： 把蜂窝通信系统的小区分为宏小区、把蜂窝通信系统的小区分为宏小区、 微小区和微微小微小区和微微小区，区， 混合配置，混合配置， 以适应城市和乡村、以适应城市和乡村、 户内和户外的不同需要户内和户外的不同需要和扩大个人通信的服务范围。和扩大个人通信的服务范围。 把无绳把无绳 系统由室内应用扩展到室外应用，系统由室内应用扩展到室外应用， 通过通过Telepoint覆盖整个服务地区，覆盖整个服务地区， 并赋予双向呼叫、并赋予双向呼叫、 越区切换和越区切换和漫游功能，漫游功能， 以提供个人通信业务。以提供个人通信业务。 利用中

9、、利用中、 低轨道移动通信卫星实现个人通信低轨道移动通信卫星实现个人通信网络。网络。 因为移动卫星通信在海上、因为移动卫星通信在海上、 空中和地形复杂空中和地形复杂而人口稀疏的环境中应用具有独特的优点，而人口稀疏的环境中应用具有独特的优点， 不仅覆不仅覆盖范围大，盖范围大， 而且不受地形的限制，而且不受地形的限制， 对于解决边远地对于解决边远地区的通信和形成陆海空联合的立体通信系统而言是区的通信和形成陆海空联合的立体通信系统而言是最有效的办法。最有效的办法。 (3) 综合利用现有各种通信网络，综合利用现有各种通信网络， 发挥各自的优发挥各自的优点，点， 取长补短，取长补短， 在统一要求和统一标

10、准的条件下，在统一要求和统一标准的条件下， 突破关键技术，突破关键技术， 解决各种网络之间的互连互通，解决各种网络之间的互连互通， 加加强通信网络的智能化管理功能，强通信网络的智能化管理功能， 以实现全球性的个人以实现全球性的个人通信网。通信网。 9.2 关于个人通信的国际标准和研究进展关于个人通信的国际标准和研究进展 9.2.1 第三代移动通信系统标准制定的过程第三代移动通信系统标准制定的过程 第三代移动通信系统的理论研究、第三代移动通信系统的理论研究、 技术开发和标技术开发和标准制定工作早在准制定工作早在20世纪世纪80年代中期就已经开始了。年代中期就已经开始了。 第第三代移动通信的主要发

11、展目标是：三代移动通信的主要发展目标是： 能提供高质量业务，能提供高质量业务， 包括话音、包括话音、 低速和高速数据低速和高速数据(从几从几kbs到到2 Mbs)， 并具有多媒体接口；并具有多媒体接口； 能支持面向电路和面向分组业务；能支持面向电路和面向分组业务； 能工作在各种通信环境，能工作在各种通信环境， 包括城市和乡村、包括城市和乡村、 丘陵和山地、丘陵和山地、 空中和海上以及室内场所；空中和海上以及室内场所； 具有更高的频谱效率，具有更高的频谱效率， 能提能提供更大的通信容量；供更大的通信容量； 能与固定网络兼容，能与固定网络兼容， 和现有移动通和现有移动通信网互连互通并实现全球漫游；

12、网络结构可配置成不同形信网互连互通并实现全球漫游；网络结构可配置成不同形式，式， 以适应各种服务需要，以适应各种服务需要， 如公用、如公用、 专用、专用、 商用和家用；商用和家用； 具有高级的移动性管理，具有高级的移动性管理， 能保证大量用户数据的存储、能保证大量用户数据的存储、 更新、更新、 交换和实时处理等。交换和实时处理等。 关于第三代移动通信系统的标准，关于第三代移动通信系统的标准， 开始主要是开始主要是由国际电信联盟由国际电信联盟(ITU)主导的，主导的， 最初提出时使用的系最初提出时使用的系统名称为统名称为“未来公共陆上移动通信系统未来公共陆上移动通信系统”(FPLMTS)， 后改

13、名为后改名为“国际移动通信国际移动通信202X”(IMT-202X)。 202X年年12月，月， 世界各国已向世界各国已向ITU提交的无线传输技术提交的无线传输技术(RTT)建议有：建议有： (1) 以以TDMA为基础的两种：为基础的两种： DECT， 来自来自ETSI计划计划(EP)DECT。 UWC-136(Universal Wireless Communications) ， 来自美国。来自美国。 (2) 以以CDMA为基础的八种：为基础的八种： WINS W-CDMA(Wireless Multimedia and Messaging Service Wideband CDMA)，

14、来自美国。来自美国。 TD-SCDMA(TimeDivision Synchronous CDMA)， 来来自中国电信技术研究院自中国电信技术研究院(CATT)。 W-CDMA(Wideband CDMA)， 来自日本来自日本ARIB。 CDMA(Asynchronous DS-CDMA)， 来自韩国来自韩国TTA。 UTRA(UMTS Terrestrial Radio Access)， 来自来自ESTI SMG2。 NA：W-CDMA(North American Wideband CDMA)， 来自美国来自美国TIPI-ATIS。 cdma202X(Wideband CDMA(IS-95

15、)， 来自美国。来自美国。 CDMA (Multiband Synchronous DS-CDMA)， 来自韩国来自韩国TTA。 (3) 用于卫星系统的五种：用于卫星系统的五种： SAT-CDMA， 轨道高度轨道高度202X km， 轨道平面轨道平面7个，个， 总总共共49颗低轨道卫星，颗低轨道卫星， 来自韩国来自韩国TTA。 SW-CDMA(Satellite Wideband CDMA)， 来自来自ESA。 SW-CTDMA(Satellite Wideband Hybrid CDMATDMA)， 来自来自ESA。 ICO-RTT， 轨道高度轨道高度10390 km， 轨道平面轨道平面2个

16、，个， 总 共总 共 1 0 颗 中 轨 道 卫 星 ， 来 自颗 中 轨 道 卫 星 ， 来 自 I C O G l o b a l Communication。 Horizons(Horizons Satellite System)， 来自来自Inmarsat。 202X年年11月赫尔辛基月赫尔辛基TG81会议通过了会议通过了“IMT-202X无线无线接口技术规范接口技术规范”建议，建议， 该建议中最终确定下来的第三代移动该建议中最终确定下来的第三代移动通信系统无线传输技术分为通信系统无线传输技术分为CDMA和和TDMA两类，两类， 具体包括：具体包括： CDMA DS： UTRA FDD

17、(WCDMA)； CDMA MC： cdma202X MC； CDMA TDD： UTRA TDD及及TD-SCDMA； TDMA SC： UWC-136； TDMA MC： DECT。 9.2.2 超（后）三代（超（后）三代（B3G）或第四代）或第四代(4G)移动通信移动通信的研究和开发的研究和开发 第三代移动通信已经开始商用，第三代移动通信已经开始商用， 202X年底全球年底全球已发放已发放120个个IMT-202X的运行牌照。的运行牌照。 仅以日本为例，仅以日本为例， 第三代移动通信第三代移动通信202X年年10月开始商用（月开始商用（WCDMA技技术），术）， 202X年年3月已有月已

18、有300万用户，万用户， 网络已覆盖网络已覆盖99%以上的地区。以上的地区。 在第三代（在第三代（3G）移动通信开始商用后，）移动通信开始商用后， 大家就开始考大家就开始考虑今后该如何发展，即开始了超（后）三代（虑今后该如何发展，即开始了超（后）三代（B3G）或第四）或第四代代(4G)移动通信的研究和开发。移动通信的研究和开发。 今后的发展分为两个思路：今后的发展分为两个思路： 一是对现有一是对现有3G标准的增强，标准的增强， 以满足未来用户的需求；以满足未来用户的需求； 二是二是研制全新的标准。研制全新的标准。 第一种思路可以称为第一种思路可以称为3G的演进，的演进， 如如3GPP提出了高速

19、下行分组接入（提出了高速下行分组接入（HSDPA），）， 其数据率可以其数据率可以达到达到10.8 Mb/s； 3GPP2提出了提出了1xEV-DV， 其速率可以达其速率可以达到到5.4 Mb/s。 ITU-R对未来系统的发展的看法包括两部分：一对未来系统的发展的看法包括两部分：一 是是IMT-202X的未来发展，的未来发展， 二是超二是超IMT-202X的系统。的系统。 IMT-2 0 2 X 将 继 续 发 展 以 支 持 新 的 应 用 、将 继 续 发 展 以 支 持 新 的 应 用 、 产 品 和 服 务 。产 品 和 服 务 。 WWRF（Wireless World Resear

20、ch Forum）认为未来的）认为未来的系统不可能仅用一个标准来满足用户的所有要求，系统不可能仅用一个标准来满足用户的所有要求， 应当用一应当用一组标准来满足完全不同的用户需求；组标准来满足完全不同的用户需求； 应当利用多模终端，应当利用多模终端， 在在一组可选的空中接口中选择一个最适合给定环境的空中接口；一组可选的空中接口中选择一个最适合给定环境的空中接口； 此 外 ，此 外 ， 还 要 满 足还 要 满 足 1 0 0 M b / s 或或 1 G b / s 的 数 据 速 率 。的 数 据 速 率 。 IEEE 802下的多个工作组也在进行未来无线通信的标准化下的多个工作组也在进行未来

21、无线通信的标准化工作。工作。 如希望下一代如希望下一代WLAN的实际传输速率达到的实际传输速率达到100 Mb/s， 完完整的标准则预计在整的标准则预计在202X年年底至年年底至202X年年初之间问世；年年初之间问世； 202X年年8月底有两个组织提交了提案，月底有两个组织提交了提案， TGn Sync组织的提案希望传组织的提案希望传输速率能够达到输速率能够达到640 Mb/s左右，左右， 而而WWiSE组织的提案最高速组织的提案最高速率为率为540 Mb/s； 它们都选择使用了它们都选择使用了“多重输入与多重输多重输入与多重输出出”(MIMO， Multiple Input and Mult

22、iple Output)技术作为规技术作为规范的核心。范的核心。 综上所述，综上所述， 我们可用图我们可用图9-1来概括移动和无线通来概括移动和无线通信的发展进程。信的发展进程。 它包括广域覆盖（它包括广域覆盖（Wide Area Coverage）的移动通信系统和局域覆盖）的移动通信系统和局域覆盖(Local Area Coverage)的无线局域网。的无线局域网。 图图9-1 移动通信的发展进程移动通信的发展进程 9.3 未来移动通信中的关键技术未来移动通信中的关键技术 9.3.1 自适应编码调制技术自适应编码调制技术 1. 可变速率调制技术可变速率调制技术 未来移动通信系统不仅要传输不同

23、速率和不同质量要求未来移动通信系统不仅要传输不同速率和不同质量要求的多种业务，而且因为移动信道的传播性能经常会随时间和的多种业务，而且因为移动信道的传播性能经常会随时间和传播地点而随机变化，传播地点而随机变化， 所以移动通信系统必须具有自适应所以移动通信系统必须具有自适应改变其传输速率的能力，改变其传输速率的能力， 以便能灵活地为多种业务提供合以便能灵活地为多种业务提供合适的传输速率，适的传输速率， 而且能在保证传输质量的前提下，而且能在保证传输质量的前提下， 根据传播条件实时地调根据传播条件实时地调整其传输速率整其传输速率(信道条件好，信道条件好， 提高速率；提高速率； 信道条件差，信道条件

24、差， 降降低速率低速率)， 以充分发挥所用频谱的效率。以充分发挥所用频谱的效率。 2. 自适应编码调制自适应编码调制 自适应编码调制（自适应编码调制（AMC）将不同速率的编码）将不同速率的编码与不同的调制方式结合起来，与不同的调制方式结合起来， 系统根据收发信道系统根据收发信道的情况动态选择最佳的编码组合。的情况动态选择最佳的编码组合。 例如，例如， 我们可以采用我们可以采用QPSK、 8PSK、 16QAM、 64QAM等调制方式，等调制方式， 可以采用码率为可以采用码率为R=1/4、 1/2、 或或3/4的的Turbo码。码。 可以有下列七种调制和码率的组合：可以有下列七种调制和码率的组合

25、： QPSK R=1/4, QPSK R=1/2, QPSK R=3/4, 8PSK R=1/2, 16QAM R=1/2, 16QAM R=3/4和和64QAM R=3/4，如表，如表10-1所示。所示。 在码片速率为在码片速率为3.84 Mc/s， 采用采用20个码字、个码字、 64QAM、 R=3/4 时可以达到时可以达到10.8 Mb/s的数据速率；如改用的数据速率；如改用QPSK R = 1 / 4 ， 则 速 率 为， 则 速 率 为 1 . 2 M b / s 。 表表9-1 不同调制编码方案（不同调制编码方案（MCS）提供的信息速率）提供的信息速率 9.3.2 多输入多输出技术

26、多输入多输出技术 广义的多输入多输出（广义的多输入多输出（MIMO）技术包括：）技术包括： 智能天线智能天线技术、技术、 空时编码、空时编码、 用于提高系统容量的用于提高系统容量的MIMO等技术。等技术。 1. 智能天线智能天线 智能天线是一种自适应阵列天线。智能天线是一种自适应阵列天线。 自适应阵列天线自适应阵列天线已经经历了已经经历了40年的发展历史。年的发展历史。 图图9-4 利用智能天线实现空分多址示意图利用智能天线实现空分多址示意图 智能天线的理想目标是能在发射机或接收机快速移动时，智能天线的理想目标是能在发射机或接收机快速移动时， 以一个或多个高增益的窄波束分别对准并跟踪所需信号以

27、一个或多个高增益的窄波束分别对准并跟踪所需信号的方向，的方向， 同时以波束零点对准并跟踪干扰信号的方向，同时以波束零点对准并跟踪干扰信号的方向， 此时通信系统中的许多用户可以占用同一个信道工作而此时通信系统中的许多用户可以占用同一个信道工作而互不干扰，互不干扰， 这就实现了所谓的这就实现了所谓的“空分多址空分多址(SDMA)”， 如图如图9-4 所示。所示。 系统可以为每一个新用户增加一个新的系统可以为每一个新用户增加一个新的波束。波束。 智能天线类似一个空间滤波器，智能天线类似一个空间滤波器， 其突出的优点是能其突出的优点是能够减少或者滤除同道干扰和多址干扰，够减少或者滤除同道干扰和多址干扰

28、， 因而能显著提因而能显著提高通信系统的通信容量。高通信系统的通信容量。 目前，目前， 移动台要使用自适应移动台要使用自适应天线，天线， 因受体积、因受体积、 重量和造型等方面的限制，重量和造型等方面的限制， 尚有一尚有一定困难，定困难， 但基站使用自适应天线已被证明是非常有效但基站使用自适应天线已被证明是非常有效的。的。 图图9-5 自适应波束形成示意图自适应波束形成示意图 图图9-5是一种基于信号到达方向的是一种基于信号到达方向的(DOA)自适应波束形自适应波束形成示意图，成示意图， 其中天线阵列由其中天线阵列由N个空间分布的天线阵元组成，个空间分布的天线阵元组成， 阵元排列可以是直线型、

29、阵元排列可以是直线型、 环型或平面型，环型或平面型， 阵元之间的距离阵元之间的距离一般为信号波长一般为信号波长的一半，的一半， 即即2； W是复加权因子。是复加权因子。 这这种自适应阵列需要判别所有信号的到达方向，种自适应阵列需要判别所有信号的到达方向， 然后根据信然后根据信号的到达方向，号的到达方向， 计算和选择合适的复加权因子，计算和选择合适的复加权因子， 将方向图将方向图的主瓣指向所需信号，的主瓣指向所需信号， 而把凹陷对准干扰信号，而把凹陷对准干扰信号， 从而提高从而提高有用信号的信干比。有用信号的信干比。 这种做法在阵元数多于用户数，这种做法在阵元数多于用户数， 且不且不存在多径传播

30、时比较有效。存在多径传播时比较有效。 另一种办法需要提供一种与所需信号密切相关而与噪另一种办法需要提供一种与所需信号密切相关而与噪声和干扰无关的基准信号，声和干扰无关的基准信号， 用此基准信号和方向图形成网用此基准信号和方向图形成网络的输出信号相减，络的输出信号相减， 产生一误差信号，产生一误差信号， 然后按照选定的算然后按照选定的算法准则法准则(如最小均方差如最小均方差(LMS)准则、准则、 递归最小平方递归最小平方(RLS)准准则等则等)， 对复加权因子对复加权因子W进行调整，进行调整， 使形成网络的输出信使形成网络的输出信号尽可能接近基准信号，号尽可能接近基准信号， 并从输出信号中消除与

31、基准信号并从输出信号中消除与基准信号不相关的噪声和干扰信号。不相关的噪声和干扰信号。 图图9-6是基于基准信号的阵列天是基于基准信号的阵列天线示意图。线示意图。图图9-6 基于基准信号的阵列天线示意图基于基准信号的阵列天线示意图 无论采用哪一种自适应算法，无论采用哪一种自适应算法， 都要在保证性能要都要在保证性能要求的前提下，求的前提下， 尽可能减少运算量，尽可能减少运算量， 缩短收敛时间，缩短收敛时间， 以期能跟踪移动通信环境的动态变化。以期能跟踪移动通信环境的动态变化。 基准信号的产基准信号的产生可以采用下列几种办法：生可以采用下列几种办法： (1) 利用发送同步信号的引导序列来产生参考信

32、号。利用发送同步信号的引导序列来产生参考信号。 因为各个用户的同步引导序列通常不是独特的，因为各个用户的同步引导序列通常不是独特的， 所以所以这种方法不能区分所需信号和同道干扰。这种方法不能区分所需信号和同道干扰。 (2) 为各个用户发送专门的训练序列或引导序为各个用户发送专门的训练序列或引导序列，列， 用来产生参考信号。用来产生参考信号。 显然，显然， 这种方法会增大这种方法会增大信道的额外开销。信道的额外开销。 (3) 在码分多址移动通信系统中，在码分多址移动通信系统中， 因为接收端知道因为接收端知道发送端所用的扩频码，发送端所用的扩频码， 所以利用提取环路很容易获得所以利用提取环路很容易

33、获得所需的参考信号。所需的参考信号。 2. 空时编码空时编码 空时编码（空时编码（Space Time Coding）是指对发送）是指对发送符号进行联合编码，符号进行联合编码， 然后在多个天线上同时发送，然后在多个天线上同时发送， 从而实现接收端的有效分集合并，从而实现接收端的有效分集合并， 以提高系统的以提高系统的可靠性。可靠性。 空时编码分为两类：空时编码分为两类： 空时分组编码空时分组编码(STBC)和空时格型编码（和空时格型编码（STTC）。）。 3. 多输入多输出（多输入多输出（MIMO）系统）系统 前面讨论的多发送天线多接收天线系统前面讨论的多发送天线多接收天线系统(或称为多输入多或称为多输入多输出