移动通信的发展前景和技术动态

发布时间:2005-03-17 作者:李进良Li Jinliang 阅读量:

 在世界通信百家争鸣、百花齐放的背景上,移动通信的发展显得尤为迅猛。移动通信在微电子技术基础上与计算机技术密切结合,正在产生革命性的飞跃,各种新技术层出不穷。一代又一代的新系统不断涌现,短短的10多年间,第1代模拟移动通信系统已广泛应用,第2代数字移动通信正日益普及,第3代全球综合移动通信系统也已在母腹躁动,即将面世。

    由于各种模拟蜂窝系统制式五花八门,不能兼容互通,适应不了欧洲共同体的需求,于是欧洲组织开发了全球移动通信系统(GSM)。美国则感到模拟制式的AMPS的容量不能适应发展的需求,从扩容并兼容的观点出发开发了采用时分多址(TDMA)技术的D-AMPS数字蜂窝系统;为进一步扩大容量,又推出了采用码分多址(CDMA)技术的数字蜂窝系统。全球移动电话用户数根据爱立信公司统计和预测如表1所示。而全球卫星移动电话用户数根据预测2010年可达2 300万户。

    与此同时,无线寻呼的速率从512bit/s、1 200bit/s的低速向6 400bit/s的高速发展,并利用卫星进行广域寻呼、全球联网。在过去5年间,世界无线寻呼用户增长率保持在33%,1996年已突破1亿户,预计到2000年用户将达3.38亿户,其中亚太地区将增至2亿户。

无绳电话也由CT0、CT1等模拟制式进入DECT、PHS及PACS等全数字制式,并从单机发展到公众接入组网。全球无绳电话用户数现已达到1亿户,DECT主要在欧洲获得了发展,PHS近两年在日本以异乎寻常的高速度在普及,至1997年竟达700万用户。PACS以其先进的技术正在美国兴起,台湾也在积极开发。

     专业调度移动通信也制定了数字无中心通信系统与数字集群通信系统标准,APCO25、iDEN、FH-MA和TETRA等不同制式陆续投入运营。

     这一切构成了当前的第2代移动通信系统,近3年在全世界获得了大的发展。

在中国,公众移动通信运营业以国际罕见的速度在增长。1997年蜂窝移动电话累计达1 323万户,近5年平均增长率达237%,1998年8月已突破2 000万户。预计本世纪末中国电信与中国联通两大网合计将达4 300~5 000万户,累计约有4 000亿元的巨大设备市场。1998年计划新增移动电话用户800万户,按这一增长速度预计,2000年可能有1 200亿元的设备市场。2010年中国移动用户将达2亿户,普及率达到15%,卫星移动用户将达400万户。

     中国已在国际无线寻呼业中占第1位,年平均增长率达134.6%。到2000年规划新增用户4 500万户,总数将达9 000万,累计约有1 000亿元的设备市场。1998年计划新增寻呼用户800万户,按这一增长速度预计,2000年可能有250亿元的设备市场。

    中国“九五”期间电话机年销售量继续保持在2 000~3 000万部,则无绳电话可望逐步达到400~600万部,5年约有50~75亿

元的市场。中国数字无绳电话(CDCT)已在开发,市场前景将十分广阔。

“九五”期间,局用机容量将增加1.2亿线,无线本地环路按15%估计,总共会有1 800万线,计有540~900亿元的市场。其中,2000年预计新增800万线,可能有240~400亿元的设备市场。

     中国已经和将要涉足卫星移动通信产业的公司现有9家,铱星、全球星、奥德赛和中园轨道卫星(ICO)等4种中低轨道卫星移动通信系统均将进入中国市场。1998年4月22日成立了中国亚太移动通信卫星公司,与新加坡、日本等国共同投资开发亚太卫星移动通信(APMT)系统,覆盖亚太地区近31亿人口,将于2000年提供个人通信服务,当年可能有20亿元的设备市场。

专业移动通信预测至2000年需要4万个信道机,8 000个控制器和200~300万部移动台,将有200~300亿元的需求。

     公众移动通信设备与专业移动通信设备“九五”期间的市场总需求可能超过6 200亿元,2000年可能有2 000亿元的设备市场。

    综上所述,移动通信的发展前景非常诱人。当今是全球移动通信技术大发展,中国移动通信市场高增长的时期,又是国际上发达国家对落后国家进行经济上侵略,各大公司争夺瓜分中国绝大部分移动通信设备市场的时期,国产移动通信设备厂家只有深刻认识当代电子信息类产品开发的两个特点:开发产品的复杂程度加深及开发产品的上市时限加快,充分了解今后移动通信的技术动向,才能未雨绸缪,迎头赶上。

 

1 第3代移动通信系统  (FPLMTS/IMT-2000)

 

    国际上通常将70年代末出现的模拟蜂窝移动电话、无线寻呼、模拟无绳电话和模拟集群等作为第1代移动通信系统,而将80年代末开发的数字蜂窝、高速无线寻呼、数字无绳电话和数字集群作为第2代移动通信系统。国际电信联盟(ITU)正在制定系列标准的未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS/IMT-2000),即第3代移动通信系统,根据市场需求考虑,预计在2002年开始投入使用。

 

1.1 第3代移动通信系统的产生及现状

    移动通信系统第1代的主要特征为模拟技术,有蜂窝、无绳、寻呼和集群等多类系统,每类系统又有多种互不兼容的技术体制,如蜂窝即达8种之多。

    第2代的主要特征为数字技术,仍是多类系统,但每类系统中的技术体制有所减少。

    第3代以全球通用、系统综合作为基本出发点,试图建立一个全球的移动综合业务数字网。它集合了蜂窝、无绳、寻呼、集群、移动数据、移动卫星、空中和海上等各类移动通信系统的功能,提供与固定电信网的业务兼容、质量相当的多种话音和非话音业务。它将实现全球联网,用袖珍个人终端作全球漫游,从而实现人类梦寐以求的任何地方、任何时间与任何人进行通信的理想。

    由于多种模拟技术体制很难统一,只有在数字传输技术的基础上从新的一代移动通信系统开始,制定统一标准才有可能。1990年,国际无线电咨询委员会(CCIR)产生了未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)第一个建议M.687。CCIR鉴于FPLMTS仅有一个概述性建议远远不够,于当年正式成立了TG8/1工作组,着手系列标准的制订。TG8/1每年要召开两次会议,约有几十个国家的上百名代表参加,除各国电信主管部门外,还有摩托罗拉、爱立信等著名生产厂家以及南方贝尔、法国电信等运营公司参与。

      ITU电信标准化部门(ITU-T)侧重FPLMTS的业务、话务、信令、网络及管理的研究,目前已通过可视电话业务总则、在公众交换电话网(PSTN)中的可视电话业务、单向传输时间、地面数字无线系统使用便携终端接入PSTN的传输性能目标、业务目标和原则、移动网与固定网互联的业务量等级以及电路交换的网络等级和目标等7项建议。

    ITU通信无线电部门(ITU-R)侧重FPLMTS移动特殊要求和无线接入的研究,目前已通过系统概况、支持业务框架、网络结构、卫星运行、卫星部分框架、频谱考虑、无线电接口要求、无线电接口功能框架、话音和话带数据要求、安全性原则、管理框架以及适应发展中国家的需要、无线电传输技术评定指南、术语词汇等14项建议;还草拟了安全机制评定和陆地移动系统向IMT-2000的演进等2项建议。TG8/1还准备推出无线电接口技术规范与规程规范、移动台规范、基站规范和空间站规范等详细建议,1997年底制订第1阶段全部建议,1998年进行无线电传输技术评估,做出性能样机进行现场试验,预计到1999年底完成无线电传输技术规范,然后按标准要求开发生产各种设备并进行型号认证,至2002年IMT-2000可望开始投入运行,开放业务。

     国际上除ITU全力以赴在制订标准以外,欧洲共同体国家早已设立RACE-1043项目,从事他们的第3代通用移动通信系统(UMTS)的研究。美国则热衷于各种个人通信业务(PCS)的研究与试验。日本改变了过去两代都自搞一套的作法,积极参加TG8/1的工作,明确表示将遵循IMT-2000建议,在国内成立了相应机构,打算将第3代移动通信系统融于国际统一的标准中。

     中国仅作了一些技术跟踪性工作,1994年中国代表团才第1次参加TG8/1的会议。中国“863”高技术研究发展计划至1992年才将通信技术正式列入计划,其长远战略目标为宽带化、智能化、个人化的综合业务数字网,其中的个人通信技术分项,仅对CDMA蜂窝系统、TDMA无绳电话和无线本地环路等方面有研究课题。因此,第3代移动通信系统的研究可以说在中国尚是空白。1997年5月国内第一次在黄山召开第3代移动通信专题讨论会,对中国应立即开展这项研究的必要性和迫切性达成共识。1997年7月“863”计划启动第3代移动通信的前期研究项目。同时原邮电部正式成立IMT-2000无线电传输技术评估协调组,并于1997年12月在ITU-R TG8/1正式注册,开始针对无线电传输技术、网络和频谱等方面开展研究工作。

      IMT-2000中最关键的是无线电传输技术(RTT),为此ITU-R花了很大力量来制订用来评定无线电传输技术的程序和准则。1996年评定指南的建议草案已经提出,随后通过了ITU-R建议M.1225“评估IMT-2000无线电传输技术的指南”。其优选程序分提交候选、比较性能、初步核查、测试评比、修正、综合分组、评定等7个步骤。其优选准则是:频谱效率、技术复杂性/经济性、质量、灵活性、对网络接口影响、手持机能力和覆盖/功率效率7个项目。ITU于1998年3月到6月征集了RTT候选方案,1998年6月到9月进行了评估,计划1999年3月选定RTT方案,确定基本参数,1999年底完成RTT规范。

      现已征集了10种地面RTT候选提案,主要是W-CDMA、TD-CDMA、TD-SCDMA和CDMA 2000等制式。

    W-CDMA由欧洲和日本的方案融合而成,技术特点是频分双工(FDD),可适应多种速率、多种业务、上下行快速功率控制、反向相干解调,支持不同载频间切换,基站之间无须同步,电磁干扰影响小,适用于高速环境,是一种较有前途的技术方案。

    TD-CDMA也是由欧洲提出,技术特点是时分双工(TDD),采用TDMA帧结构,时隙内为CDMA技术,采用联合检测技术,可减小其他用户的噪声干扰,适用于低速环境,与GSM的兼容性好;缺点是电磁干扰影响大。

    1998年初欧洲电信标准协会ETSI-SMG 24巴黎会议对欧洲第3代移动通信系统UMTS的地面无线电接入(UTRA)技术达成如下一致意见:

     在UMTS的成对频带将采用频分双工(FDD)、宽带码分多址技术(W-CDMA),用于广域高速移动通信;在非成对单频带将采用时分双工(TDD)、时分-码分多址技术(TD-CDMA),用于室内低速移动通信;决定采用基于W-CDMA和TD-CDMA的统一空中接口,支持2×5MHz频带宽度,提供FDD/TDD双模移动终端。

    TD-SCDMA由中国提出,技术特点是应用同步和智能天线技术,适用于低速接入环境。

    CDMA 2000由美国提出,技术特点是反向信道连续导频、相干接收、前向发送分集,电磁干扰影响小,与IS-95 CDMA的兼容性好,综合经济技术性能效能较好。

    由于评定工作正在进行,因此,还不能列出最终优选的最佳无线电传输技术。

 

1.2 卫星移动通信

    近10年来,各种低、中、高轨道卫星移动通信系统方案纷纷提出,借以解决全球覆盖、3维空间的个人移动性,为达到个人通信的理想奠定了基础。低轨道卫星移动通信的铱系统、全球星系统和中轨道卫星移动通信的ICO系统、奥德赛系统,均可望1998年开始陆续投入运行,全球卫星移动个人通信(GMPCS)成了ITU的热门议题。预计1998~2002年的5年中,将有12个全球卫星通信系统投入使用,共1 170颗卫星,其中约1 000颗为中低轨道卫星。2002年使用低、中、高轨道卫星移动通信系统手机的用户将分别超过436万户、122万户、73万户。

    低、中轨道卫星移动通信系统卫星数量多,网络结构复杂,空间环境差,技术风险大。其优点是频率再用率高,容量较大,传输时延小,不受地理限制,可用低功率手机,是未来全球个人通信的重要组成部分。但是较地面移动通信系统容量要小,费用要高,因此适用于国内、国际漫游者。

     卫星移动通信市场潜力巨大,估计2002年将达130亿美元,到2007年可能增加到320亿美元。除铱世界通信公司之外,全球星系统公司、环球通信公司都在实施各自的卫星发射计划,竞相投巨资开发这一市场。估计到2004年,这3家公司将总共拥有1 200~1 500万用户,年收入达200亿美元。

 

1.3 平流层通信

     空中平台通信是继60年代卫星通信、80年代蜂窝通信之后,无线通信新的里程碑。按载体的升空高度,可分为对流层和平流层两类通信平台。

 

1.3.1 平流层通信的兴起

     1997年1月,在国际电信联盟(ITU)会议上提出的平流层电信业务(STS)的建议文件Document in-fo No.1-E,受到国际电信联盟和一些国家电信部门的高度评价。普遍认为是继卫星通信、光纤通信发明以来通信技术的又一重大突破。平流层通信具有地面通信和卫星通信两者的优点,互为补充,构成三足鼎立的三维通信体系,将对全球通信网的普及,对个人通信业务的兴起,对宽带视频业务的发展有着特别重要的意义,给发展中国家加速发展通信提供了极好的机遇。

    平流层通信利用一个设置在距地面约21km高度的物理平台,可以实现地面覆盖半径约500km的廉价、高密度、大容量的宽带通信。SSI公司打算在地球上空“固定”安置250个充氦飞艇,构筑平流层通信平台,由地面几千个控制和交换中心支撑,可以实现覆盖全球90%以上的人口。该网络能为15亿个固定式、便携式和移动式通信终端服务,用作因特网接口和支持可视电话业务,为世界各地的用户提供每分钟费用仅几美分的WWW业务以及便携式可视电话业务。

    平流层的空气密度仅为海平面密度的5%,平均风速为10m/s,最大风速为30~40m/s。为使飞艇在空间位置维持稳定,需要抵消作用于飞艇的风力。物理平台利用30吨充氦可驾驶飞艇构成,太阳能收集板粘贴在飞艇表层,其能源馈送给电晕离子推动器,可维持平台在准确位置。通信系统工作频段的上行链路为:47.2~47.5GHz,下行链路为:47.9~48.2GHz。有效载荷包括相控阵天线、用于发送/接收的再生处理存储体、调制/解调、编码/译码、复接/分接以及交换等功能单元。

 

1.3.2 平流层通信的优点

(1)费用很低

    天空站可自行升空、移动并定点,可进行地面维修、回收、更新和再部署,因此空间平台的制造、发射、维护、回收的费用只不过是卫星的1/10,用户终端的费用仅有100~200美元,有可能把电信业务费用普遍降低一个数量级。

(2)容量很大

    使用250个平流层天空站,其定点高度能实现较高的频率复用,可向15亿个64kbit/s数字通信用户提供优质服务,或者向3.75亿个用户提供256kbit/s的视频业务,有可能较现有系统容量提高一个数量级。

(3)适用性广

     既适合于城市人口密集区,也适合于农村人口稀少区;既适合于固定业务,也适合于移动业务;既适合于窄带业务,也适合于宽带业务。

(4)提供业务快

    空间平台一旦定点,无需部署全球信息基础设施或平台星座,即可向其服务区提供优质服务。

 

1.3.3 平流层通信的关键技术

(1)平流层大气环境和电波传播

    大气环境和电波传播主要涉及:大气密度、东西向主风场风速、行星际波、潮汐波、重力波的内波和湍流、臭氧层和紫外线辐射参数、电磁波衰落特性。

(2)平流层天星空气动力学

    空气动力学主要涉及:天星外形的气动力学、绕钝体流动的边界层减阻与边界分离理论、天星气动稳定性理论、天星气动控制与推进方式。

(3)平流层天星的材料和能源

      材料和能源涉及:平流层条件对高分子复合材料性能影响机理及对策、高性能阻气薄膜及阻气技术、囊体材料结构的优化设计及制造工艺、超薄太阳能电池、大容量储能电池及能源控制方式。

(4)平流层天星的位姿测控

    位姿测控涉及:位姿测量、数值解算及容错理论、反作用飞轮位姿控制、气球压力控制。

(5)平流层天星通信的体制和应用

     通信体制有:天星至基站、终端、基站至PSTN、Internet的协议、信道、链路复用方式、天星通信基础应用。

(6)平流层天星通信的网络配置

    网络配置理论有:太空—天空—地面传输及3维组网理论、提高容量、质量与现有网络互连效率的方法、网络自愈理论。

(7)平流层天星通信的多址方式

     通信的多址方式有:复合多址方式、环形小区分割、小区扫描多址方式与灵巧天线技术。

(8)平流层天星通信的工作频段

    有40GHz以上毫米波技术的应用,毫米波器件和分系统的开发。

(9)平流层天星通信的系统集成和仿真

    平流层天星通信是一个庞大的多学科交叉综合工程,总体研究必须将多学科的问题通过计算机仿真,以完成综合平衡和优化,为平流层天星通信的设备研制和系统集成提供技术依据。2 软件无线电技术

随着数字技术和微电子技术的迅速发展,数字信号处理器(DSP)等通用可编程器件的运算能力在成倍地提高,而价格却在成倍地下降,这就使得实现一种新技术——软件无线电成为可能。软件无线电技术可用不同软件来实现不同无线电设备的各种功能,可任意改变信道接入方式或调制方式,利用不同软件即可适应不同标准,构成多模手机和多功能基站,具有高度的灵活性。软件无线电技术的出现,使无线通信的发展在经历了由固定到移动,由模拟到数字后,又发生了由硬件到软件的第3次变革。

 

2.1 软件无线电技术的起源

    1990年8月美国国防部开始的“易通话”战术通信系统计划,其主要目标为研制三军通用的多频段、多功能无线电台(MBMMR),工作频段为2~

2 000MHz,能兼容现有15种主要军用电台的所有功能,可同时处理4种不同的调制波形,即能与其中任意4种电台同时通信,使不同类型的电台能够直接互通,方便了各军兵种之间的协同作战。这项计划已于1997年完成,开始装备部队,并将最终取代军队所有传统电台。

 

2.2 软件无线电技术的原理

    软件无线电技术的基本思想就是将宽带A/D及D/A变换尽可能地靠近射频天线,尽量通过软件来实现电台的各种类型,通过运行不同的算法,可以实时地配置信号波形,能够提供各种话音编码、信道调制、载波频率、加密算法的无线电通信业务。

     使用数字信号处理技术,用编程软件对接收信号进行抽样、量化、编码、运算处理、变换恢复信息以实现电台的接收机功能,对传送信息进行抽样、量化、编码、运算处理、变换成已调波的射频以实现电台的发射机功能。

     现有的各种电台,从天线到终端,不同的带宽、不同的信号处理及不同的接口,都有其独自的要求和设计。而软件方法在实现MB-MMR模式和同时性上起了决定性作用,是电台的核心技术,故称为软件电台。建立一个“A/D-DSP-D/A”公共硬件平台,以DSP软件技术实现各种波形调制解调方式、不同的信号频带宽度、话音编解码运算、保密结构、网络协议和控制终端功能等。通过编程软件实现这些功能,为MBMMR提供了灵活性,可以快速改变各种信道调制方式(调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频等等),实现各种通信频段(HF、VHF、UHF和SHF等等),即快速改变成为不同工作模式的电台。

 

2.3 软件无线电的体系结构

    传统无线电通信模式为信源编码→信道编码→信道→信道解码→信源解码。

软件无线电采用基于标准VME总线的硬件结构,支持并行、流水线及异种多处理机。

      软件无线电采用基于开放系统互连(OSI)参考模型的分层软件体系,支持开放式的模块化设计,便于制定各种算法及基本软件模块。

      灵活应用这些基本硬软件模块,可使软件无线电台具备对传播条件的多种自适应能力(包括频率、功率、速率及多径分集等的自适应),性能超群的多种抗干扰能力(包括自适应、天线调零、自适应干扰抵消、扩频及跳频等),灵活可变的多址方式(包括FDMA、TDMA、CDMA及其混合等),用户需要的多种业务(包括话音、传真、数据及图像等),以及多种组网与接口能力等等。软件无线电技术不仅适合于军事通信领域,在民用移动通信领域更有用武之地,便于开发GSM900/1800双频手机、TDMA/CDMA双模手机、卫星移动/地面蜂窝多模手机以及多种制式同时工作的基站设备等等,这将大大有利于第2代移动通信系统向第3代移动通信系统的过渡。

 

3 建议

 

    对于上述技术动向,笔者建议当前特别要抓住对第3代移动通信系统10种地面无线电传输技术(RTT)候选提案进行评估的机遇,组织国内移动通信领域科研、生产和运营各部门的专家进行深入分析研究,按优选准则,对频谱效率、技术复杂性/经济性、质量、灵活性、对网络接口的影响、手持机能力和覆盖/功率效率等7个项目作出合理的评价。特别要结合中国的国情,考虑中国已有的科研成果和专利,提出修正案,借以维护中国的权益。与此同时,积极组织国内移动通信领域科研、生产力量按选定的RTT方案加紧进行研究、开发,走“产学研”联合自主开发的道路,争取国际合作,实现技术跨越。当前应突出重点瞄准W-CDMA技术。日本准备进行W-CDMA系统公开测试,倡议中、韩、欧、美参加。我们要充分利用这些机会及欧、美、日的矛盾,以中国巨大市场的吸引力,促进各国企业与中国进行共同研究开发,积极参加ITU关于IMT-2000标准的制订。这样就有可能缩短中国移动通信从第2代向第3代的转变过程,最终形成具有自主知识产权的民族移动通信产业。

 

(收稿日期:1998-10-10)

 

[摘要] 文章在简析全球移动通信市场需求的基础上,介绍了第3代移动通信系统的研究进展,以及卫星通信、平流层通信和软件无线电技术,并对中国当前如何针对第3代移动通信开展工作提出了建议。

[关键词] 移动通信 第3代移动通信 卫星通信 软件无线电 平流层通信

[Abstract] Based on analysis of the global market demands for mo-bile communications products,the paper introduces advances in the research of third _ generation mo-bile communications system,satellite communications,strato-spheric communications and soft-ware radio technology,puts for-ward suggestions on how to face the challenge from third _ genera-tion mobile communications.

[Keywords] Mobile communication Third_