无线通信发展史

无线通信发展史

场摩名手科技欣埠

马克思主义与当代

课程报告

题目无线通信概论

学院通信工程学院

专业通信与信息系统

学生姓名________________________________

学号________________________________

摘要

在过去的十几年里无线通信已经成为电信行业中最大的产业之一，并逐渐成为21

世纪最有前途的产业。在过去的十年中，蜂窝系统经历了指数型的快速增长，全球用

户数己达20亿。无线通信爆炸式的增长以及笔记本电脑和掌上电脑的大量普及，充

分显示出无线网络有着光明的前景。本文首先介绍了无线通信的起源与发展并简要介

绍了与有线通信相比无线通信所面临的技术难题o然后详细介绍了与当代生活息息相

关的蜂窝电话系统的概念提出与发展历程，以及在未来智能化社会中有巨大发展场景

的无线自组织网络技术的特点与应用。最后，对无线通信的发展历程做出了总结，并

思考无线通信技术发展的科学规律，以及对下一代无线通信做出展望。

关键词：无线通信蜂窝无线自组织网络

Abstract

Inthepasttenyears,wirelesscommunicationshasbecomeoneofthelargest

industriesofthetelecommunicationsindustry,andgraduallybecamethemost

promisingindustryinthe21stcentury.Inthepastdecade,thecellularsystemhas

experiencedrapidexponentialgrowthandtheglobalnumberofusershasreached2

billion.Theexplosivegrowthofwirelesscommunicationsandthelargenumberof

laptopsandhandheldcomputerspreadingamongthepeople,showthatthewireless

networkhasabrightfutureclearly.Thispaperfirstintroducestheoriginand

developmentofwirelesscommunicationsandbrieflydescribesthetechnical

challengeswirelesscommunicationsfacingcomparedtowiredcommunications.Then

itdescribestheconceptandthecourseofdevelopmentofcellularphonesystems

whicharecloselyrelatedtocontemporarylife,aswellasthecharacteristicsand

applicationoftheadhocwirelessnetworkwhichhastremendousdevelopment

scenariosinthefutureintelligentsociety.Finally,thispapersummarizesthecourseof

developmentofthewirelesscommunication,thinkaboutthelawofdevelopmentof

wirelesscommunicationtechnology,aswellasmakeoutlookthenextgeneration

wirelesscommunications.

Keywords:WirelessCommunicationCellAdhocWirelessNetwork

目录

第一章引言

1.1无线通信的起源与发展.............................................1

1.2无线通信的特点和技术难题................................2

L3本文章节安排.....................................................3

第二章蜂窝电话系统........................3

2.1蜂窝概念的提出..................3

2.2蜂窝电话系统的特点及技术难题....................................4

221频率复用和系统容量..............................4

222多一接入技术..............................................5

223用户间的干扰与容量..............................5

2.3蜂窝电话系统的发展...............................................6

231第一代蜂窝系统..........6

232第二代蜂窝系统..........6

2332.5G蜂窝系统的演进.......................................7

2.3.4第三代蜂窝系统...........................................7

第三章未来无线通信一自组织网络技术......................................9

3.1自组织网络的概念提出.............................................9

3.2自组织网络的特性................................................10

3.3自组织网络的应用................................................10

331数据网络................11

3・3.2家庭网络.................................................11

333传感器网络..............................................11

第四章总结与展望..........................................................12

4.1文章总结................................................12

4.2无线通信技术发展规律的思考.....................................12

4.3无线通信的愿景..................13

参考文献....................................13

第一章引言

1.1无线通信的起源与发展

最早的无线通信出现在前工业化时期，这些系统使用狼烟、火炬、闪光镜、信号

弹或者旗语，在视距内传输信息。为了能传输更复杂的消息，人们又精心设计出了用

这些原始信号组成的复杂信号。为了能传得更远，人们在山顶道路旁建立了一些接力

观测站。直到1838年，这些原始的通信网才被塞缪尔•莫尔斯发明的电报网替代，

接着又被电话取代。在电话发明几十年后的1895年，马可尼首次从英国怀特岛到

30km之外的一条拖船之间成功进行了无线传输，现代意义下的无线通信从此诞生。

从这一天开始，无线通信技术迅速发展，使我们能够在更远的传输距离上实现更好的

通信质量、更低的功耗、更小的体积和更便宜的价格，使公网和专网的无线通信、无

线电视、无线网络等成为现实。

截至1934年，美国己有194个城市的警备系统和58个州立警察局采用了调幅

(AM)移动通信系统来保证公众安全。据估计，在20世纪30年代中期大约有5000

个移动设备安装了无线电接收装置。对于这些早期的移动通信用户而言，车辆点火装

置的噪声使他们面临的主要问题［1］。1935年，EdwinArmstrong第一次展示了频率

调制(FM)技术的强大功能。自此以后调频技术成为了全球移动通信系统中使用的

主要调制技术。第二次世界大战加速了制造业及小型化技术的发展，并在战后大量的

单向和双向无线电通信系统中与电视系统中得到了运用。美国移动用户的数目从1940

年的几千人迅速上升，分别达到1948年的8.6万人、1958年的69・5万人和1962年

的140万人［1］。在20世纪60年代，大部分移动用户都没有连接到公用交换电话网

(PSTN)上，所以不能在汽车上直接拨打固定电话。随着民用无线电与诸如车库门

遥控开关、无绳电话等无线设备的兴起，到1995年，移动和便携式通信的用户量已

经达到了1亿左右，占美国人口总数的37%。1991年的研究表明，美国投入使用的

无绳电话介于2500万到4000之间［2］,2001年的数量已超过1亿。全球蜂窝移动电

话数从1984年的2.5万增长到1993年的2500万［3］。从那以后无线服务的用户数以

每年超过50%的速度增长。

1

1.2无线通信的特点和技术难题

无线信道的传输特性决定了无线网络设计与有线网络设计的截然不同。随机的无

线信道不是理想的传输媒介。

首先，无线频谱是稀缺资源，必须分配给不同的系统和业务使用，因此无线电频

谱必须由区域性和全球性的管理机构控制。工作于给定频段的区域性或全球型无线通

信系统必须遵守相应管理机构对这一频段做出的种种规定。在几GHz的频段上，无

线通信器件容易做到大小合适、功耗适中、成本低廉，但这一频段已经拥挤不堪。而

光纤传输的带宽已经可以做到上THz。

其次，无线信道随机多变。当信号通过电磁波在无线信道中传播时，墙壁、地面、

建筑物和其他物体会对电磁波形成反射、散射和绕射，从而导致信号通过多条路径到

达接收机，造成多径效应，多径效应会导致信号的衰落。如果发射机、接收机或周围

的物体在运动，多径反射和衰减的变化将使接收信号经历随机波动。而在有线通信中

信号传输过程中仅有衰减和和噪声的干扰，接收端的信号相对稳定没有多径效应和随

机波动。无线信道的多径效应和事变特性限制了无线信道的频带利用率。

再次，由于无线电波能够全向传输的特性，导致一定区域范围内的无线信号可以

相互干扰，为了克服干扰我们必须把共享信道分成若干互不干扰的子信道，再分别分

给各个用户，这大大限制了无线通信系统的容量；另外，无线电波能够全向传输的特

性也使得无线通信的安全难以保证，任何人通过一部射频天线就可以轻松的截获电

波。为了支持电子商务、信用卡交易这样的业务，无线网络的安全性必须进一步加强。

而且，除了上述特性，无线通信对设备的要求也比有线通信要高。对手机的要求

主要是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。车载台和机载台除要求操作简

单和维修方便外还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。

从上面的论述可以看出，在数据传输速率和可靠性方面，无线网络永远无法与有

线网络相媲美。但是无线网络的方便不受连线束缚的有特性，以及其组网迅速灵活，

能应对临时突发需要的优点促使了无线通信技术在近年来飞速发展，虽然其与有线网

络有不可跨越的距离，但在巨大需求的趋势下，无线通信一直朝着速率更高，覆盖范

围更加全面，服务更加便捷的方向快速发展。

2

1.3本文章节安排

第一章介绍了无线通信的起源发展，无线通信的特点以及需要克服的技术难题。

第二章介绍了蜂窝电话系统，首先介绍“蜂窝”这一创造性概念的提出及意义，

然后介绍蜂窝电话系统的特点及发展历程。

第三章介绍无线自组织网络诞生原因以及与其他无线系统的区别，并介绍了无线

自组织网络的应用场景。

第四章总结本文内容并对无线通信的未来做出预测与展望。

第二章蜂窝电话系统

2.1蜂窝概念的提出

蜂窝电话网是迄今为止最成功的无线网络。这类系统最早要追溯到1915年在纽

约和旧金山之间建立的无线话音传输。早期的这种系统在其覆盖区域中心设置大功率

的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区（半径可达几万米）。这种系统

的主要矛盾是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远不能满足用户的需

要。例如，在20世纪70年代与美国纽约开通的IMTS系统，仅能提供12对信道。

也就是说，网中只允许12对用户同时通话，倘若同时出现第13对用户要求通话，就

会发生阻塞。

20世纪五六十年代出现了解决容量问题的一种方案，这就是美国电报电话公司贝

尔实验室的研究人员提出的蜂窝概念网。蜂窝系统把整个服务区域划分成若干个较小

的区域（Cell,在蜂窝系统中称为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发射

机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区，如图

2-1所示。

蜂窝系统基于这样一个事实，即传输信号的功率随着距离的增大而减小。把两个

用户在空间上分隔足够远的距离，就能使他们之间的干扰非常小，于是这两个用户就

可以使用相同的频率进行各自的通信，从而使频率被充分利用，系统所能承载的用户

数也因此而大量增加。

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图24蜂窝电话系统示意图

“蜂窝”概念的提出使无线电话系统的普及向前迈进了一大步，可以说，蜂窝概

念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。如果没有“蜂窝”

概念即使解决了无线电话的容量问题，手机仅能为少数人服务，不会像现在这样飞入

寻常百姓家。

2.2蜂窝电话系统的特点及技术难题

2.2.1频率复用和系统容量

蜂窝系统的基本原理是频率复用，它利用信号功率随传播距离增大而减小的特

性，允许空间上分开一定距离的两个点使用同样的频率。蜂窝系统将覆盖区域划分成

许多小区，每个小区使用一组信道。同一组信道可被一定距离以外的另一小区重复使

用，如图2・1所示，。表示在该小区所使用的信道。

城市地区现今的蜂窝系统大多采用很小的小区，促使这种演进的原因有两个：一

是高密度地区需要有更大的容量，二是基站的体积和成本减小了。从系统的角度看：

任意大小的小区可支持的用户数仅与频带能划分的子信道有关与覆盖大小无关，因此

对于给定的覆盖范围，采用大量微小区时，单位面积上可支持的容量要显著高于只采

用少量宏小区的情形。

但是，微小区也是网络设计变得更加复杂，移动台在微小区滞留的时间较短，因

此需要快速处理切换。微小区使位置管理也变得更复杂，因为用户所在地可能被多个

微小区覆盖。

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从上面的论述可以看出，现阶段我们面临着系统容量与网络设计复杂度的权衡，

一方面我们为了获得高的系统容量而减小小区面积；另一方面我们为了降低网络管理

的复杂度而控制小区面积使其不能太低。

2.2.2多址接入技术

通信系统中，频谱共享又称为多址接入，它是把信号空间沿着时间轴、频率轴或

是码空间轴进行分解来实现的。频分多址（FDMA）把整个系统的带宽分割成若干个

频率正交的信道。时分多址（TDMA）则将时间正交分割，每一信道在指定的时隙内

占用了整个频段。TDMA要求用户在实践上保持同步所以实现起来要比FDMA困难

一些。但TDMA易于支持多速率，只需给一个用户分配多个时隙即可。码分多址

（CDMA）系统通常采用直序扩频或者跳频扩频方式，用不同的码子区分不同的用户。

图2・2为频分、时分、码分多址技术的示意图。

图2-2三种多址技术

223用户间的干扰与容量

蜂窝系统使干扰受限的，及系统中的干扰远远大于背景噪声，使得系统中的用户

数的增加主要受干扰程度的限制。因此任何能够减小干扰的技术都能直接提高系统容

量和行能。此类已经应用的技术包括小区扇区化、定向或智能天线、多用户检测、动

态资源分配等。

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2.3蜂窝电话系统的发展

2.3.1第一代蜂窝系统

第一代蜂窝系统(1G)主要采用模拟语音调制技术和频分多址(FDMA)技术，传

输速率约2.4kb/s,由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能

是一种区域性的移动通信系统。

模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，

移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其

容量己不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂

窝移动通信系统。

232第二代蜂窝系统

第二代蜂窝系统(2G)采用数字语音调制技术，数字无线传输的频谱利用率高，

可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等

兼容，这也就给我们使用手机享受多媒体业务提供了契机。虽然2G支持的用户数据

速率不高但是通过电路交换的方法，他还是能支持有限的Internet浏览和发送简短消

息的功能。短消息(SMS)业务是GSM的一大特色，用户只需输入接收方手机号码,

就可以在同一个网络中向其他用户发送简短的实时消息。

2G通信系统主要包括3个TDMA标准和1个CDMA标准，其中在我国使用的

有：

(a)全球移动系统(GSM),每200kHz无线信道支持8个用户时隙，目前在欧洲、

亚洲、澳大利亚、南美、以及美国部分地区的运营商普遍都在蜂窝通信和PCS采用

了这一技术叫

(b)著名的2GCDMA标准——临时标准95(IS-95),即cdmaOne,在每1.25MHz

的信道上同时支持64个正交编码的用户。CDMA在北美已经开始使用，同时在韩国、

日本、中国、南美、以及澳大利亚也得到了普遍采用⑹。

从技术上来说，CDMA和GSM之间的区别就在于无线发送接收的制式不同，调

制解调的方法不同。对于用户来说，它们的不同在于：

一、CDMA手机可以说是名副其实的绿色手机，它发射功率极小(2mw),只是我

6

们现在使用的GSM手机(功率为125mw)的1/60,甚至低于电视屏幕产生的辐射功

率；

二、CDMA手机采用了先进的切换技术一软切换技术(即切换是先接续好后再

中断)，使得CDMA手机的通话可以与固定电话媲美，而且没有GSM手机的掉线现

象；

三、使用CDMA网络，运营商的投资相对减少，这就为CDMA手机资费的下

调预留了空间；

四、因采用以拓频通信为基础的一种调制和多址通信方式，其容量比模拟技术高

10倍，超过GSM网络约4倍；

五、更为重要的是，基于宽带技术的CDMA使得移动通信中视频应用成为可能,

从而使手机从只能打电话和发送短信息等狭窄的服务中走向宽带多媒体应用。

2.3.32.5G蜂窝系统的演进

为了与不断提高的数据速率要求相一致，同时支持新的应用，人们在已有2G的

基础上提出了新的以数据为中心的标准。这些标准代表了2.5G技术，它对2G技术

进行了修改和增加。为了向网页浏览、邮件、手机商务、移动定位业务提供更高速的

数据传输，2.5G技术增加了基站，更新了用户单元的软件。2.5G也支持一种流行的

新型网页浏览语言，这就是无线应用协议(WAP),该标准使得原有标准的网页能够

通过一种压缩的形式在便携式无线设备上呈现出来。

2.5G可以提供GPRS或EDGE业务的系统。GPRS(GeneralPacketRadio

Service)是为GSM和USDC(IS-136)移动用户提供的以包交换为基础的移动数据

服务,为用户提供从56Kbps到114Kbps速率的分组数据业务。EDGE(EnhancedData

ratesforGSMEvolution)也称为EGPRS(EnhancedGPRS),GSM用户可以容易

地升级到EDGEoEDGE是GPRS的扩展集，并向下兼容GPRS。EDGE可以将GSM

中每时隙的总速率从22.8Kbps提高到69.2Kbpso

234第三代蜂窝系统

为了满足不断增长的网络容量需求，数据速率亟待提高到能提供高速数据传输和

多媒体应用的水平上来，于是3G标准出现了。3G系统提出了多种接入方式，在过

7

去这几乎是无法实现的。兆级的接入速率、VoIP、语音激活呼叫、无处不在的“永远

在线”接入能力都仅仅是3G开发者们所述的优势中的几个而己。开发3G设备的公

司希望，用户无论在开车、行走还是在办公室的时候，都能使用手机听到现场音乐、

浏览网页，同时接受到多媒体和数据。

常见的3G标准包括:UMTS(W・CDMA)、CDMA2000、TD・SCDMA、GAN/UMA、

WiMaxo其中，由中国提交的TD-SCDMA标准，虽然在ITU的标准征集阶段是后

来者，却凭借其独特的技术优势最终胜出。同时，作为三个主流标准中惟一一个TDD

标准，该技术从诞生初始就一直备受世人关注。

TD-SCDVA成为国际第|TD-SC吵1A成

三代移动通信标准之一［为3Gpp标准R4

2000.5.20013

图2・3TD-SCDMA的历史

移动性

198519952000200520102015商用时间.

高

中

低

<ll)kbps<200kbps300kbps-10Mbps100M-lGbps

图2・4蜂窝电话系统的演进过程

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第三章未来无线通信——自组织网络技术

3.1自组织网络的概念提出

严格意义上讲，蜂窝网络不是完全意义上的无线网络，因为蜂窝系统只有最后一

跳（即从基站到移动台）是无线链路。而蜂窝系统中数据交换以及数据处理都是通过

骨干网（有线网络）完成的。这就导致了蜂窝系统必须依赖于基站光纤等硬件设施，

建网成本高、时间长，一个网络的建立周期长收益获得较慢。

从蜂窝系统特征可以看出蜂窝系统并不适合低成本的商用系统、在无信号无硬件

设施的偏远地区的临时系统、战场上需要迅速搭建的战时系统等，那么有没有一种新

的可以不依赖于硬件设施组网便捷的网络技术呢？自组织网络技术应运而生。

图3・1现有蜂窝网络结构

自组织网络（adhocwirelessnetwork）是一些无线移动节点的集合，他们无需借

助实现建立的设施即可自行构建成一个网络，如图3・1所示。在没有网络架构的情况

下，这些移动节点靠自己来处理必要的控制和网络功能，一般是通过分布式控制算法

实现这一目的。

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图3・2自组织网络结构

3.2自组织网络的特性

无线自组织网络能自动适应具体的应用；只要有可用的网络节点，就可以组网。

无线自组织网络还有其它吸引人之处：不需要投资建设和维护基础设施；可以快速部

署和重组；分布式特性、节点冗余性和不存在单点故障问题使它有很好的抗毁性。

无需控制中心和基础设施这一特点为无线自组织网带来大量优势的同时，也为自

组织网络的实现带来了大量难以实现的技术难题。由于缺乏基础设施，自组织网络中

每一个移动台既是用户节点也是路由节点，即每个移动台既要发送自身数据也要帮其

他的节点转发数据，这就给网络容量、路由协议设计以及用户设备的能耗控制带来了

极大地挑战。

3.3自组织网络的应用

虽然与其他无线网络相比，自组织网的最佳设计、性能、网络能力等问题还有待

研究，但无线组织网络的优秀特性驱使其迅速发展，许多关于无线自组织网络的突破

性研究都受到过美国国防部高级研究计划署（DARPA）和美国海军的支持，美国军

方已经研制大量的AdHoc网络设备用来装备部队。20世纪90年代以来，由于AdHoc

网络逐渐开始采用TCP/IP等标准的商用网络协议，其应用领域也逐渐从军事应用

向民用扩展，越来越多的研究人员参与到了对AdHoc网络技术的研究工作中。

3.3.1数据网络

自组织网络数据网主要支持笔记本电脑、掌上电脑、个人数字助理(PAD)及其

他信息工具间的数据交换。虽然低成本、高性能的架构式无线局域网已经非常流行，

但无线自组织网有它自己的优势：

首先，借助多跳路由，一个接入点就能把整个区域内的所有节点都连接到有线骨

干网，这就见效了成本和安装要求。

其次，有时候节点通过接入点或者基站进行通信是很低效的，入两个相邻的PAD,

他们能够直接交换信息，而不需要从别处转发。

自组织无线数据网络还用于不能部署网络架构，或者部署成本太高的大区域。例

如在不能部署网络基础架构的偏僻地区，我们可以洒一个传感器网络。此外，军事、

救灾等需要快速构建和拆除网络的情形，我们只能依靠自组织网。

3.3.2家庭网络

自组织网络用于支持居室内或附近设备之间的通信，包括台式电脑、笔记本电脑、

个人数字助理、无绳电话、智能家电、监控系统、消费电子产品和娱乐设备。这种网

络可以实现“智能房间”，它能感知到有没有人移动，再相应调节照明和采暖；能实

现“感知家庭”，它将传感器和计算机组成网络，能照顾老弱病残的生活V家庭网络

能使视频监控或传感监测系统有综合解读数据的智能，可在异常情况下向主人、警察

或者消防队发出告警；能使智能家电互联并能连接到互联网，从而可以进行远程控制、

软件升级和规划维护；能使娱乐系统中随便一个电视机或者音响系统都能连接到

VCR、机顶盒或个人计算机。

333传感器网络

无线传感器网络有许多小节点组成，这些节点具有传感、计算和网络功能，它也

体现了这三种重要技术的聚合。无论是民用还是军用，传感器网络都有巨大的潜力。

军事任务要求传感器或其他信息搜集装置必须安置在目标附件，因而他们面临着很大

危险，因此所用的技术必须要有很高的冗余性或者很强的抗毁性，并且尽量不需要人

工干预。一些工业应用中的设计考虑也和这些军事应用类似，比如用传感器阵列来遥

11

感核电站、矿山和其他工业场所。

传感器阵列在重大事故中也有巨大的市场潜力。比如在房屋倒塌的营救行动中，

传感器阵列可以迅速部署在事故现场，它们可以跟踪热量、天然气和有毒物质，可以

用声学传感器和定位技术发现被困的幸存者。

第四章总结与展望

4.1文章总结

从马可尼第一次向世人展示无线通信以来，无线通信技术就取得了举世注目的发

展，全世界的人们不断的经历着新的无线通信技术的产生，并享受这多种多样的无线

通信的服务。本文第一章首先回顾了无线通信技术的诞生以及发展历程，从用户数目

的飞速增长我们能感受到无线通信对我们生活的巨大影响。随后简单介绍了无线通信

的特点和技术难题，通过与有线通信作对比我们看出虽然从数据传输速率和可靠性方

面，无线网络永远无法赶上有线网络，但无线网络自身优势驱使一代又一代的研究人

员推动技术的进步。本文的第二章介绍了与我们生活最为相关的无线通信技术一一蜂

窝电话系统，从“蜂窝”这一创造性概念的提出，到蜂窝电话系统所必须面临技术问

题，最后介绍了蜂窝电话系统的发展历程。本文第三章介绍了一种新型的无线网络一

一无线自组织网络，由自组织网络的应用可以看出自组织网络对“智能化”生活有极

大的推动作用，可以预见其在未来无线通信中必然大放异彩。

4.2无线通信技术发展规律的思考

从无线通信的发展历程可以看出没有十全十美的技术，和有线通信相比无线通信

的优势在于便捷缺点