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1.1 无线通信技术的发展趋势

1.1.1 无线通信发展史

通信的历史可以追溯到远古,西周时的“烽火戏诸侯”就是古代中国人民传递信息的一种有效方式。诸如此类的原始通信方式在人类文明发展史上起到了积极作用,但其受距离、环境等自然条件影响较大。随着人类文明进程的不断推进,人们对通信的质量提出了越来越高的要求。电磁波通信的出现使人类的通信方式、技术、效果等产生了质的飞跃。

19世纪30年代有线电报试验成功,用电磁系统传递信息的电信系统开始迅速发展;1876年贝尔发明了电话,将人类社会带入电信时代;1899年,马可尼拍发了第一封收费电报,标志着无线电通信进入实用阶段。虽然承载信息的摩尔斯电码本质上属于数字信号,但自那以后的近百年中,数字通信发展缓慢,以电话、广播、电视为代表的模拟通信形式占据了统治地位。

通过有线信道传输的信号稳定,且干扰与失真较小,但由于通信设备必须连接在固定的线路上,通信形式不够灵活,难以满足众多场景下的通信需求。而无线通信利用电磁波携载信息,通信双方无需拘泥于固定的地点,是实现个人通信的最佳选择,因此逐渐成为研究与应用的重点。

移动通信在20世纪中期已现雏形,主要应用于军事或特种领域,当时的移动通信工具包括步话机、对讲机等,其体积、重量很大,携带不便。近几十年来,无线通信技术在民用领域发展迅速,先后出现了蜂窝移动通信、微波通信、卫星通信、固定宽带无线接入、802.x系列无线接入标准、本地多点分配系统(LMDS,Local Multipoint Distribution System)、多信道多点分配系统(MMDS,Multichannel Multipoint Distribution System)等技术。其中,蜂窝移动通信的出现更是改变了全球数十亿人的生活方式,它的发展先后经历了模拟移动通信、数字移动通信、第三代移动通信系统(3G)、第四代移动通信(4G)和第五代移动通信(5G)。

1.1.2 无线通信关键技术发展史

1.第一代移动通信系统(1G)

第一代蜂窝移动电话系统是模拟蜂窝移动电话系统,主要特征是用无线信道传输模拟信号,美国、英国和日本都先后开发了各自的系统。

随着对电磁波研究的深入和大规模集成电路的问世,移动电话首先被制造出来,移动终端设备的研制成功带动了人们对于网络结构的探索。20世纪70年代初,贝尔实验室提出了蜂窝系统覆盖小区的概念和相关理论,随即该系统得到了迅速的发展,很快进入了实用阶段,移动通信跨入了第一代模拟蜂窝移动电话系统的时代。

1978年年底,贝尔实验室又成功研制出先进移动电话系统(AMPS),建成了蜂窝状移动通信网,大大提高了系统容量。1983年,该系统首次在芝加哥投入商用。同年12月,在华盛顿也开始启用。之后,服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区,约10万移动用户。其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出800MHz汽车电话系统(HAMTS),在东京、大阪、神户等地投入商用。西德于1984年完成C网,频段为450MHz。英国在1985年开发出全地址通信系统(TACS),首先在伦敦投入使用,以后瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网并投入使用,频段为450MHz。

2.第二代移动通信系统(2G)

第一代模拟通信系统解决了移动通信系统的有无问题,但它们的各种缺点在应用中也不断显露出来,包括系统间没有公共接口、难以互通,频谱利用率低、系统容量小,安全性差、容易被窃听等。

为克服模拟通信的上述缺点,引入了数字技术的数字蜂窝移动通信系统在20世纪八九十年代得到了长足的发展,该系统被称为第二代移动通信系统。2G提供了更高的网络容量,改善了话音质量和保密性,并为用户提供无缝的国际漫游。2G的制式主要有GSM、CDMA(IS-95)、D-AMPS等,其中GSM与CDMA系统应用广泛。

(1)GSM/GPRS/EDGE

GSM(数字移动通信系统)源于欧洲。1982年,北欧国家提交了一份建议书,要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。随后,欧洲电信标准化学会(ETSI)技术委员会成立了“移动特别小组”(GSM,Group Special Mobile)来制定有关的标准和建议书。1986年在巴黎,该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场试验。1990年该小组完成了GSM900的规范,共产生了大约130项的全面建议书,不同建议书经分组而成为一套,其中共包含12个系列。

1991年欧洲开通了第一个GSM,并将GSM更名为“全球移动通信系统”(Global System for Mobile Communications),从此移动通信跨入了第二代数字移动通信时代。同年,移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范,名为DCS1800系统。该系统与GSM900具有同样的基本功能特性,因而该规范只占GSM建议的很小一部分,仅将GSM900和DCS1800之间的差别加以描述,二者绝大部分是通用的,两系统均可通称为GSM。

在这之后,为了实现对数据业务的支持,GSM体制制定了GPRS与EDGE两种标准。

GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)由GSM Phase 2.1版本定义,是为适应移动数据接入需求的增长而产生的。由于GPRS支持中低速的数据传输,常被称作一种2.5G的技术,支持9.05~171.2kbit/s的接入速率。

EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution,增强型数据速率GSM演进技术)介于GPRS与3G之间,也常被称作2.75G的技术。它在GSM中采用了多时隙操作和8PSK调制,能够支持300kbit/s的数据速率接入,匹敌CDMA 1x。

(2)IS-95/cdma2000 1x

在2G时代,CDMA技术和GSM技术几乎是同时发展起来的。cdma2000标准是一个体系结构,称为cdma2000 family,它包含一系列子标准。由CDMA One向3G演进的途径为:CDMA One(IS-95A/B)→cdma2000 1x→cdma2000 1x EV。其中cdma2000 1x属于准3G技术,cdma2000 1x EV之后均属于标准的三代技术。

1993年,高通公司提出了CDMA第一个商用标准,被美国TIA/EIA定为IS-95A(TIA/EIA INTERIM STANDARD/95A)标准。1994年,第一个CDMA商用网络在中国香港地区(香港和记电讯)开通。1995年,CDMA(IS-95A)在韩国、美国、澳大利亚等国开始得到大规模应用。

从技术角度来说,IS-95A技术完全是一种第二代移动通信技术,它主要支持语音业务。IS-95A商用几年以后,市场对数据业务的需求逐渐显现。在这种情况下,美国电信工业协会(TIA)制定了IS-95B标准。IS-95B通过将多个低速信道捆绑在一起来提供中高速的数据业务,可提供的理论最大比特速率为115kbit/s,实际只能实现64kbit/s。但是,从技术角度来说,IS-95B并没有引入新技术,所以通常将IS-95B看作第二代移动通信技术。

cdma2000 1x是由IS-95A/B标准演进而来的,由3GPP2负责具体标准化工作。cdma2000 1x在IS-95的基础上升级空中接口,可在1.25MHz带宽内提供307.2kbit/s高速分组数据速率。cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。cdma2000在标准研究的前期,提出了1x和3x的发展策略,但随后的发展表明,1x和1x增强型技术(1x EV)代表了未来发展方向。

cdma2000 1x仅能提供准3G的数据业务,发布的版本有以下两个。

Release0:1999年10月发布,Release0的主要特点是沿用基于ANSI-41D的核心网,在无线接入网和核心网增加支持分组业务的网络实体,单载波最高上下行速率可以达到153.6kbit/s。

Release A:2000年7月发布,与Release0相比没有网络结构上的变化,增加了对业务特征的信令支持,如新的公共信道、QoS协商、增强鉴权、加密、话音业务和分组业务并发业务。Release A单载波最高速率可以达到307.2kbit/s。

3.第三代移动通信系统

第三代移动通信系统(3G)的技术发展和商用进程是近年来全球移动通信产业领域关注的热点问题之一。

3G在ITU的正式名称是IMT-2000,其前身为1985年提出的FPLMTS(未来公共陆地移动通信系统)。ITU在1996年年底确定了第三代移动通信系统的基本框架,包括业务需求、工作频带、网络过渡要求和无线传输技术的评估方法等,并将FPLMTS更名为IMT-2000,其用意在于在2000年左右商用、最高速率达2000kbit/s、工作在2000MHz频段。IMT-2000的目标如下。

●全球统一频段、统一标准,全球无缝覆盖;

●高频谱效率、高服务质量和高保密性能;

●提供多媒体业务,速率最高达到2Mbit/s;

●车速环境达144kbit/s;

●步行环境达384kbit/s;

●室内环境达2Mbit/s;

●易于从第二代系统过渡和演进。

1999年10月ITU在赫尔辛基举行的会议确定了以下5种3G方案。

●IMT-2000 CDMA DS(Direct Spread),即欧洲和日本的UTRA FDD(WCDMA);

●IMT-2000 CDMA MC(Multi-Carrier),即美国的cdma2000;

●IMT-2000 CDMA TC(Time-Code),即欧洲的UTRA TDD和中国的TD-SCDMA;

●IMT-2000 TDMA SC(Single Carrier),即美国的UWC-136;

●IMT-2000 FDMA/TDMA FT(Frequency Time),即欧洲的DECT。

经过融合和发展,形成了3种最具代表性的3G技术标准,分别是TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000。其中TD-SCDMA属于时分双工(TDD)模式,是中国提出的3G技术标准;而WCDMA和cdma2000则属于频分双工(FDD)模式。

在3G的商用发展过程中,又发展出两大标准化论坛:一个是推广WCDMA和TD-SCDMA标准的3GPP标准化论坛,另一个是推广cdma2000标准的3GPP2论坛。

(1)WCDMA

WCDMA是由3GPP具体制定的,基于GSM MAP核心网,UTRAN(UMTS陆地无线接入网)为无线接口的第三代移动通信系统,先后发布了Release 99(简称R99)、R4、R5、R6、R7等多个版本。

WCDMA采用直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)、频分双工方式,码片速率为3.84Mchip/s,载波带宽为5MHz。先期提出的R99/R4版本,在5MHz的带宽内可提供最高为384kbit/s的用户数据传输速率。

R5版本引入了下行链路增强技术,即HSDPA(High Speed Downlink Packet Access,高速下行分组接入)技术,在5MHz的带宽内可提供最高14.4Mbit/s的下行数据传输速率。在R6版本引入了上行链路增强技术,即HSUPA(High Speed Uplink Packet Access,高速上行分组接入)技术,在5MHz的带宽内可提供最高为5.76Mbit/s的上行数据传输速率。

除上述标准版本之外,3GPP从2004年即开始了LTE(Long Term Evolution,长期演进)的研究,基于OFDM、MIMO等技术,致力于无线接入技术向“高数据速率、低延迟和优化分组数据应用”方向演进。

(2)cdma2000

cdma2000 1x提供高速分组数据业务的能力还是有限的。因此,在向着更高的目标迈进的道路上,又出现了cdma2000 1x EV技术。EV代表“Evolution”,有两方面含义,一方面是比原有的技术容量更大而且性能更好,另一方面是和原有技术后向兼容。

韩国、日本是cdma2000 1x EV商用网络的领军者。2002年1月韩国SKT开通了全球首个EV-DO商用网,紧随其后的是韩国KTF与日本KDDI。

在技术发展上,cdma2000 1x EV-DO逐步成熟并投入商用,cdma2000 1x EV-DV以及与cdma2000 1x同时提出的cdma2000 3x技术基本被市场所抛弃,大部分cdma2000 1x网络通过升级到EV-DO而跨入3G时代。

EV-DO的演进又可以进一步细分为Rel.0、Rev.A、Rev.B以及Rev.C/D等不同阶段,上下行最高分别支持1.8/3.1Mbit/s速率的EV-DO Rev.A网络已广泛部署。

(3)TD-SCDMA

TD-SCDMA(Time Division-Synchronization Code Division Multiple Access)的中文含义为时分同步码分多址接入。从2001年3月开始,TD-SCDMA被正式融入3GPP的R4版本。

TD-SCDMA采用不需成对频率的TDD双工模式以及FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式,使用1.28Mchip/s的低码片速率,扩频带宽为1.6MHz,同时采用了智能天线、联合检测、上行同步、接力切换、动态信道分配等先进技术。基于R4版本,TD-SCDMA可在1.6MHz的带宽内提供最高384kbit/s的用户数据传输速率。

TD-SCDMA在R5版本引入了HSDPA技术,在1.6MHz带宽上理论峰值速率可达到2.8Mbit/s。通过多载波捆绑的方式可进一步提高HSDPA系统中单用户峰值速率。

1.1.3 2G/3G/4G承载业务分析

移动通信由模拟制转换到数字技术(2G系统取代1G系统)时,能够为用户带来全新的体验和服务,技术上的差异是最主要的吸引力。但在向3G过渡的过程中,用户更关心的是运营商究竟能够提供怎样的服务、服务质量如何,以及是不是能够满足自身的需求。

3G技术的频谱效率是2G的1.5~3倍,再加上频谱带宽的成倍增长,语音与数据传输能力大幅提高。3G的应用可提高用户的工作学习效率和生活质量,但如果不能推出吸引用户的服务,也同样不能被用户接受。受制于成本、商业模式、内容、需求等多种因素,3G应用的进程一度并不顺利。

随着因特网和移动通信网之间的相互联结日益紧密,手机功能也逐步从简单的语言工具转变为数据信息终端,移动数据业务成为新的业务增长点。虽然话音业务在相当长的时期内仍是移动通信的主要业务,但随着3G的出现,信息资讯、实时视/音频、移动商务等移动多媒体业务得到了快速的发展。3G核心应用包括以下方面的内容。

(1)移动宽带接入

为计算机用户提供在3G移动通信网络覆盖范围内任何地点的高速无线上网服务,让用户可以发送和接收带大附件的电子邮件、享受实时互动游戏、收发高分辨率的图片和视频、下载视频和音乐内容。

(2)手机宽带上网

进入移动互联网时代,手机宽带上网是一项重要的功能,通过手机收发语音邮件、写博客、聊天、搜索、下载图片和铃声等,让手机成为个人的小电脑。

(3)手机办公

利用手机的移动信息化软件,建立手机与电脑互联互通的企业软件应用系统,摆脱时间和场所局限,随时进行随身化的公司管理和沟通。

(4)无线搜索

许多电脑用户都将百度、谷歌等搜索引擎设置为浏览器的主页,或者将其快捷方式放在最明显或便于操作的位置,由此可见搜索服务在人们的生活中扮演着很重要的角色。而从需求方面来讲,手机上网与PC端上网没有明显的区别,手机的移动性反而使得搜索更加便捷。对用户来说,这是比较实用的移动网络服务,也能让人快速接受。随时随地用手机搜索将会变成更多手机用户一种平常的生活习惯。

(5)手机阅读

在丰富的资源和便携性下,越来越多的用户加入到手机电子阅读中,手机阅读成为用户在地铁上和闲暇时光中最为常见的应用之一。手机阅读已经成为移动互联网用户使用频率较高的应用之一,每天阅读一次及以上的用户占比达到45%。

(6)视频通话

视频通话较传统的语音通话资费低,而视觉冲击力强、快速直接的视频通话会更加普及和飞速发展。

(7)手机电视与流媒体

3G流媒体是指以“流”的形式运行的数字媒体,运用可变带宽技术在3G网络中实现欣赏连续的音频和视频节目。移动视频也被认为是未来电信市场的最大热点,CMMB等标准的建设推动了手机电视行业的发展,手机流媒体软件应用也越来越多,在视频影像的流畅度和画面质量上不断提升、突破技术瓶颈,真正实现了大规模应用。

(8)手机音乐下载

爱音乐、爱生活,直接用手机下载喜欢的音乐是一项深受年轻用户群体喜爱的3G应用。3G网络的速率可以让用户摆脱用电脑传输到手机的麻烦方式,直接用手机下载喜欢的歌曲。在一些无线互联网发展成熟的国家,通过手机上网下载音乐是电脑下载的50倍。

(9)手机购物

和电脑上网购物类似,只不过载体从电脑变成了上网手机,利用手机上网实现网购的过程,属于移动电子商务。事实上,移动电子商务是3G时代手机上网用户的最爱。利用3G网络,用户只要开通手机上网服务,就可以通过手机查询商品信息,并在线支付购买产品。

(10)手机网游

与电脑的网游相比,手机网游的体验很好,方便携带,随时可以玩,这种利用了零碎时间的网游是年轻人的爱好。3G时代之后,游戏平台会更加稳定和快速,兼容性更高、更具可玩性,让用户在游戏的视觉和效果方面体验更好。

1.1.4 无线通信发展趋势展望

从提供基本的移动话音,到短消息、WAP等低速数据业务,再发展到移动宽带所支持的各种高速无线上网、娱乐、计算与移动信息服务,在多种技术融合与发展的基础上,以用户为中心的移动通信系统逐渐浮现。技术的发展与业务的应用相互促进,未来的移动通信呈现出以下特征。

1.移动宽带化趋势明显

移动通信领域经过多年的内部自我发展,开始面临外部非电信业技术领域的影响与挑战。802.16/WiMAX的提出,促使整个无线通信领域开始了新一轮的技术发展,加速了蜂窝移动通信技术演进的步伐。正是为了应对WiMAX标准的竞争,3GPP启动了长期演进计划。显然,长期演进计划的目标首先是提高蜂窝移动网的宽带接入能力。

2.融合成为趋势

纵观全球通信业的发展,融合正在成为不可阻挡的趋势。总体来看,整个产业正处在重大转型期。从运营来看,全球电信运营商陆续成为同时拥有固网和移动网的全业务运营商;从网络层面来看,多种网络、技术和业务的融合趋势日益明显;从技术上看,信息通信技术正处于更新换代的关键时期,以IPv6技术为代表的下一代互联网呼之欲出,3G演进技术发展迅猛,FMC(固定网与移动网之间的融合)技术发展使融合成为可能;从通信业务来看,传统的话音业务正在向宽带数据业务转变,更引人注目的是,互联网向电信网的延伸明显加速。

信息通信业务呈现出宽带化、移动化、IP化和融合化特征,其中移动通信和互联网是发展最快、影响最大的两个领域。这两个领域的融合,催生出蓬勃发展的移动互联网。越来越多的人希望在移动的过程中高速地接入互联网,获取急需的信息,完成想做的事情。所以移动网与互联网融合的趋势是历史的必然。移动互联网已逐渐渗透到人们生活、工作的各个领域,微博、即时通信、下载、移动音乐、手机游戏、视频应用、手机支付、位置服务等丰富多彩的移动互联网应用迅猛发展,正在深刻改变信息时代的社会生活。

3.新技术不断应用

宽带无线接入技术的发展极为迅速,各种微波、无线通信领域的先进手段和方法不断引入,使用频段从2.4GHz开始向上直至38GHz仍在不断扩展。一方面这些技术充分利用过去未被开发,或者应用不是很多的频率资源,另一方面它们融合了在其他通信领域成功应用的先进技术如64QAM、OFDM等,以实现更大的频谱利用率、更丰富的业务接入能力、更灵活的带宽分配方法。

宽带OFDM技术、软件定义的无线电技术的应用、调制阶数可变的自适应调制技术、高效率频谱成形技术、自适应动态时隙分配技术、自适应信道估值与码间干扰对抗技术、自适应带宽分配及流量分级管理技术、中频与射频集成组装的紧凑型的户外单元技术和高级编码调制与收信检测技术等正成为宽带无线接入技术领域的最新技术亮点。移动接入技术领域的发展体现出如下趋势:

●应用更高的频段、频率利用效率持续提高;

●OFDM技术兴起;

●多址方式不断充实;

●调制方式向多状态化发展;

●双工方式灵活选择;

●网络业务数据化、分组化;

●带宽动态分配;

●业务接口日趋丰富。

4.移动互联网飞速发展

2009年年底全球移动数据流量开始超过移动话音,半年后两者之比就拉大到了1.5倍。2010年全球移动数据流量达到237 000TB/月,这个数字比2000年的互联网总流量(75 000TB/月)还高2倍多,而2017年移动数据流量则达到了2010年的46倍。

移动互联网与固定互联网服务相比具有如下特点:

●终端屏幕小,移动接入带宽不如固网,资费高于固网;

●可随时随地利用碎片化时间,个性化、私密化、娱乐化、互动性特征强;

●通常采用开放性的服务模式,以适应多元化的用户需求。

推动移动互联网发展的一个重要因素是智能终端的普及。2010年,全球以智能手机和平板电脑为代表的智能终端的出货量开始超越个人电脑。移动终端不再仅是通话的工具,它更多地服务于工作、生活的多个方面。

在移动互联网发展与智能终端普及的背景下,移动通信业务的模式也随之发生变化。一个典型的例子就是移动即时通信(IM)开始取代手机短信。因为移动IM不仅可以传送声音、视频和文字,而且它的功能不断完善,会变得越来越丰富。随之而来的,是运营商短信套餐的被关注度已被数据流量套餐所取代,用户更关注资费套餐中是含50MB流量还是500MB流量,亦或更多。这种“流量”代替“短信”的变化,从侧面揭示了移动互联网时代的到来。 eqaDXUqc9KHzu2AyoEcUhMrfy/28smfJPcHCT7QRxDo7TYPbltTDU4ox0ysKYaqN

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