鮑 航

(武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

無線移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢*

鮑 航

(武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

首先詳細(xì)介紹了無線移動(dòng)通信的發(fā)展歷程，其次，分析了第二、三代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)的研究情況和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，最后著重討論了后3G時(shí)代人們對無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢及特點(diǎn).

移動(dòng)通信;3G;4G;發(fā)展歷程

近年來，隨著全球通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)通信在人們?nèi)粘Ｉ钪械牡匚辉絹碓街匾?，移?dòng)用戶的數(shù)量也呈爆炸式增長的趨勢，市場前景一片大好，移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展速度與應(yīng)用領(lǐng)域更是呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展態(tài)勢.在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)、市場競爭和用戶需求的共同作用下，無線移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展，特別是在近二三十年間呈跨越式發(fā)展.［1］

2010年7月，Ericsson(愛立信)發(fā)布綜合調(diào)查數(shù)據(jù)，指出在印度和中國等新興市場的主要帶動(dòng)下，全球移動(dòng)又迎來一個(gè)新的里程碑.2010年7月8日全球第50億個(gè)移動(dòng)用戶誕生，3G用戶總數(shù)超過5億.根據(jù)聯(lián)合國的統(tǒng)計(jì)，全球人口總數(shù)已經(jīng)突破70億，移動(dòng)電話用戶已經(jīng)覆蓋全球73.5%的人口.2009年12月，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量首次超過語音呼叫的數(shù)據(jù)流量，這是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的又一個(gè)里程碑事件.同時(shí)，根據(jù) UMTS(UMTS，Universal Mobile Telecommunications System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng))論壇有關(guān)報(bào)告預(yù)測，2010年全球移動(dòng)通信運(yùn)營商的業(yè)務(wù)收入將達(dá)到3 200億美元，其中有2 330億美元是由3G新業(yè)務(wù)產(chǎn)生.而在未來十年內(nèi)累計(jì)的移動(dòng)業(yè)務(wù)收入將超過10 000億美元.巨大的市場潛力，吸引著全球的設(shè)備開發(fā)商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、業(yè)務(wù)開發(fā)商等積極推動(dòng)著3G的發(fā)展.

無線移動(dòng)通信的發(fā)展經(jīng)歷了5個(gè)階段，正在向第四代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)快速邁進(jìn).從最開始的無線對講系統(tǒng)、傳統(tǒng)的單基站大功率系統(tǒng)到蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)、衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng);從本地覆蓋到全國覆蓋，并實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)、國際漫游;從提供語音業(yè)務(wù)到提供包括數(shù)據(jù)的綜合業(yè)務(wù);從模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)到數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)等，目前已經(jīng)歷了四代，目前業(yè)界正在積極推進(jìn)第五代移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用.

無線移動(dòng)通信發(fā)展的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)任何人(Whoever)可以在任何地點(diǎn)(Wherever)、任何時(shí)間(Whenever)與其他任何人(Whomever)進(jìn)行任何方式(Whatever)的通信(即W5的個(gè)人通信)［2］.下面就簡單的介紹一下無線移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的前4個(gè)階段.

1 無線移動(dòng)通信發(fā)展歷程

從1897年，Marconi(馬可尼，意大利科學(xué)家，無線電先驅(qū))在赫茲實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成了一個(gè)固定站與一艘拖船之間的無線通信實(shí)驗(yàn)［3］，證明了在移動(dòng)體之間以無線方式進(jìn)行通信的可行性，至今，移動(dòng)通信的發(fā)展大致經(jīng)歷了5個(gè)階段，如圖1所示.在這里首先簡單介紹一下前面4個(gè)階段的發(fā)展歷程及各自的技術(shù)特點(diǎn).［4］

圖1 全球無線移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程［4］

1.1 前一代移動(dòng)通信系統(tǒng)

20世紀(jì)20～30年代，采用AM調(diào)幅技術(shù)的警車無線電度電話系統(tǒng)開始使用，其工作頻率為2MHz;40～50年代，采用FM調(diào)頻技術(shù)的人工續(xù)接移動(dòng)電話開始使用，采用單工工作方式，使用工作頻段為150 MHz及450 MHz，特別是在1947年Bell實(shí)驗(yàn)室首先提出的蜂窩網(wǎng)的概念，為后來移動(dòng)通信的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，20世紀(jì)60年使用150MHz和450MHz頻段的自動(dòng)撥號(hào)移動(dòng)電話開始使用;1964年美國開始研究更先進(jìn)的移動(dòng)電話系統(tǒng)(IMTS，Improved Mobile Telephone System).在這里我們稱之為前一代無線移動(dòng)通信系統(tǒng).

1.2 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)

20世紀(jì)70～80年代，第一代模擬蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)AMPS(AMPS，AdvancedMobilePhoneService)、TACS(TACS，Total Access Communications System)、NMT(NMT，Nordic Mobile Telephone)分別在美國、英國和歐洲正式投入使用，主要采用模擬調(diào)頻、FDMA方式，主要工作頻段是800 MHz和900 MHz.其中美國的AMPS最早是1971年研制并在軍方投入使用，1973年由Motorola公司向美國聯(lián)邦通信委員會(huì)提出的移動(dòng)通信系統(tǒng)申請，并在1983年正式投入商業(yè)運(yùn)行.第一代模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)由于系統(tǒng)容量小，不能滿足飛速發(fā)展的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需要.

1.3 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)

20世紀(jì)90年代，各國相繼推出了第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，主要有 DAMPS系統(tǒng)、GSM系統(tǒng)(GSM900/DCS1800)、IS－95A的窄帶CDMA系統(tǒng)和日本的PDC系統(tǒng)(PDC，Personal Data Cellular)，第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)是采用TDMA和FDMA的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，其容量和功能相比第一代模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)有了很大改進(jìn)，但是，其業(yè)務(wù)還主要是話音和低于9.6kb/s的數(shù)據(jù)通信.第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了數(shù)字化，具有保密性強(qiáng)，頻譜利用率高，能提供豐富的業(yè)務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)，使得移動(dòng)通信得到了空前的發(fā)展，從過去的補(bǔ)充地位躍居通信的主導(dǎo)地位.國內(nèi)目前應(yīng)用的第二代蜂窩系統(tǒng)為歐洲的GSM系統(tǒng)以及北美的窄帶CDMA系統(tǒng).

1.4 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)［5，6］

早在1985年國際電信聯(lián)盟ITU－T就提出發(fā)展第三代移動(dòng)通信的戰(zhàn)略目標(biāo)，并在1996年正式更名為IMT－2000(IMT－2000，International Mobile Telecommunication－2000，即3G，3rd－generation)，3G是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，與2G的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的大幅提升，它能夠在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)、視頻交互等多種信息服務(wù).為了提供這種服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，也就是說在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的傳輸速度.到21世紀(jì)初，基于窄帶 CDMA技術(shù)(IS－95A)的寬帶CDMA技術(shù)CDMA2000、基于日本無線工業(yè)廣播協(xié)會(huì)ARIB支持的純WCDMA、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI制定的UTRA的WCDMA、我國提出的TD－SCDMA成為目前第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的三大標(biāo)準(zhǔn)，并正在全球范圍內(nèi)廣泛使用.2007年10月，IEEE推出的WiMAX(WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access，微波存取全球互通，又稱為IEEE802.16無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn))成功獲得ITU的批準(zhǔn)，躋身3G標(biāo)準(zhǔn)之列 .至此形成了以 WCDMA、CDMA2000、TD－SCDMA和WiMAX為主的四大3G標(biāo)準(zhǔn).

2 無線移動(dòng)通信發(fā)展趨勢

2.1 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)［7，8］

在3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作完成后，國際電信聯(lián)盟ITU并沒有停止移動(dòng)通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，而是立即啟動(dòng)了B3G(B3G，Back 3G，后3G)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并于2006年正式將B3G技術(shù)命名為IMT－Advanced技術(shù)(又稱4G技術(shù)).IMT－Advanced是國際電信聯(lián)盟為滿足未來10～15年全球移動(dòng)通信需求而啟動(dòng)的，根據(jù)國際電信聯(lián)盟規(guī)劃要求，在2008年2月完成4G技術(shù)方案征集通函的制訂，2008年開始4G候選方案的征集工作，2009年結(jié)束候選方案的征集，2010年完成候選方案的技術(shù)評(píng)估和融合，2012年前后發(fā)布4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方案.

2009年10月，國際電信聯(lián)盟ITU在德國德累斯頓舉行ITU－R WP5D工作組第6次會(huì)議，征集遴選新一代移動(dòng)通信4G候選技術(shù).國際電信聯(lián)盟收到來自中國、日本、韓國、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP和北美標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE的提交的共6項(xiàng)4G候選技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).這些提案涵蓋了LTE－Advanced和IEEE 802.16m兩種技術(shù)，并且都包含了TDD和FDD兩種制式.國際電信聯(lián)盟ITU確定3GPP LTE－Advanced和IEEE 802.16m為4G國際標(biāo)準(zhǔn)候選技術(shù).2010年10月底，國際電信聯(lián)盟ITU－R小組選定3GPP LTE－Advanced和IEEE 802.16m作為未來4G的標(biāo)準(zhǔn).為了加強(qiáng)我國下一代寬帶無線通信技術(shù)的研發(fā)，提高我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)在國際標(biāo)準(zhǔn)化中的比例，從2006年起，國家就設(shè)立了“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”科技重大專項(xiàng).根據(jù)我國通信中長期規(guī)劃，到2020年，應(yīng)使我國在國際通信標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化中占據(jù)重要的地位.我國提出的4G標(biāo)準(zhǔn)提案TD－LTE－Advanced(LTE－Advanced的TDD制式)是繼TD－SCDMA之后，又一具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(4G 標(biāo)準(zhǔn))［1］.

IMT－Advanced將基于OFDM技術(shù)，并在LTE技術(shù)的基礎(chǔ)上，作進(jìn)一步增強(qiáng).IMT－Advanced要求在保持成本效率的條件下，在支持靈活廣泛的服務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，達(dá)到世界范圍內(nèi)的高度通用性、支持IMT業(yè)務(wù)和固定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的能力、高質(zhì)量的移動(dòng)服務(wù)、用戶終端適合全球使用、友好的應(yīng)用、服務(wù)和設(shè)備、世界范圍內(nèi)的漫游能力、增強(qiáng)的峰值速率以支持新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率和更大的系統(tǒng)容量，在低速移動(dòng)、熱點(diǎn)覆蓋場景下峰值速率為1Gbit/s以上，高速移動(dòng)、廣域覆蓋場景下峰值速率為100Mbit/s.

2.2 未來移動(dòng)通信系統(tǒng)(Future Generation)［9］

未來無線移動(dòng)通信系統(tǒng)將朝著全球化、多媒體化、綜合化、智能化和個(gè)人化的方向快速發(fā)展［1］.移動(dòng)通信已經(jīng)成為無線通信的主要應(yīng)用形式，商業(yè)運(yùn)營也非常成功，有著廣泛的應(yīng)用前景.在未來移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)代，需要多種多樣的接入和組網(wǎng)能力、系統(tǒng)需要新的射頻技術(shù)、高效的無線接入技術(shù)、新的自適應(yīng)多址和信道編碼技術(shù)、基于軟件無線電的多模終端與基站技術(shù)、系統(tǒng)兼容和演進(jìn)技術(shù)與策略、“天－地”一體化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)智能化技術(shù);系統(tǒng)容量必須至少10倍于3G系統(tǒng)，為了按用戶需求提供多種多媒體業(yè)務(wù)，未來無線移動(dòng)通信系統(tǒng)必須引入各種QoS水平;在IP網(wǎng)中還必須支持IPv6，好給移動(dòng)終端提供巨量的IP地址，尤其在人－機(jī)通信和機(jī)－機(jī)通信中使用.具體的主要技術(shù)要求如下:

(1)平均速率可達(dá)200Mbit/s，高峰時(shí)下降至50～100 Mbit/s;

(2)約10倍于3G系統(tǒng)的容量;

(3)支持IPv6和QoS;

(4)無縫服務(wù);

(5)靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);

(6)使用3～6 GHz頻段;

(7)成本是3G系統(tǒng)的1/10～1/100.

21世紀(jì)是信息時(shí)代，信息社會(huì)將更加人們的精神生活，因此人性、環(huán)境和信息將連為一體，成為這個(gè)社會(huì)的不可或缺的組成部分.因此，21世紀(jì)的信息通信系統(tǒng)將是以“以人為本”為基礎(chǔ)，中充分考慮人的信息體驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究開發(fā).可能的研究方向主要包括:

(1)如何滿足人性的需求及充分利用聽、看、聞、觸、嘗等感官感受信息;

(2)如何通過智能化來補(bǔ)充人的能力;

(3)如何通過機(jī)器人和相關(guān)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)新的通信方式;

(4)如何克服通信質(zhì)量的限制來擴(kuò)大人的空間.

3 結(jié)語

隨著2G、3G移動(dòng)通信技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來越普及，已經(jīng)成成為人們生活的一部分，未來移動(dòng)通信將給人們帶來更好的信息交流體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)真正的溝通自由，并將徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞缴踔辽鐣?huì)形態(tài)，具有當(dāng)前移動(dòng)通信技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性.隨著無線移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來移動(dòng)世界將發(fā)生革命性的變化，因此，我們有理由相信，未來無線移動(dòng)通信技術(shù)將讓人們生活更便捷、世界更美好.

［1］柴遠(yuǎn)波，戚建平.移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，(12).

［2］章堅(jiān)武.移動(dòng)通信(第二版)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［3］蔡濤等譯.無線通信原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1999.

［4］阮若林.基于視覺感知特性的無線視頻容錯(cuò)編碼技術(shù)研究［D］.武漢:武漢大學(xué)博士學(xué)位論文，2011.

［5］李飛鵬.3G移動(dòng)通信技術(shù)及其應(yīng)用［J］.信息通信，2011，(4).

［6］劉志遠(yuǎn).淺析移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展［J］.電腦知識(shí)技術(shù)，2011，(5).

［7］李學(xué)斌.新一代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展與展望［J］.中國科技信息，2007，(10).

［8］張怡.移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，(5).

［9］雷震洲.移動(dòng)通信的未來發(fā)展趨勢討論［J］.世界電信，2005，(1).

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