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mc21st特稿:移动通信的类型分析和演进历程

 摘自:mc21st编制   发表日期: 2009/7/22 15:08:44
 



中国电子科技集团公司第七研究所


副总工程师 黄剑明





 [摘要]
  在总结移动通信的特点并对其进行分类的基础上,阐述了各类移动通信系统的组成和应用情况,讨论了军用、民用移动通信系统的演进历程,同时对军用系统及民用系统的异同进行了分析和比较,最后论述了移动通信的发展方向。
关键词:民用移动通信 军用移动通信  WIN-T

移动通信指通信双方或至少有一方是在运动状态中,构成移动体与固定点之间、或各移动体之间的通信,俗称“动中通”。移动通信系统通常是指具有集中控制、交换与路由、移动性管理、自动越区切换和漫游的无线通信系统。广义地说,车载、舰载、机载、背负和手持无线通信设备,都属于移动通信的范畴。移动通信环境大多在地形地物比较复杂的城市或郊区,信号在传输过程中会遇到各种各样的干扰和衰落。在民用领域,通信频道拥挤,相互干扰严重,有限的无线电频率要提供越来越多的用户共同使用;在军用领域,对移动性要求日益提高,并对通信抗干扰和隐秘性有特别的要求。因此,移动通信技术是现代通信技术成果的集成,其综合体现了整个通信技术的发展高度,是一个国家通信科学技术水平的表现。


1  
移动通信的特点和分类


1.1 
移动通信的特点

在移动通信中,移动用户利用无线空中接口实现无线接入,与固定通信相比,移动通信有三个特点,一是移动通信的传输信道必须是无线信道。在移动环境下,无线电波遇到反射会在接收端产生多径效应,而且还存在复杂的电台干扰和其它天电干扰,因此要采取一定的措施,如信道编码、时域/频域均衡、发射/接收分集、联合检测等技术,以适应复杂的移动使用环境、抵抗拒各种干扰、提高无线传输性能。二是可以利用不同的接入方式实现资源共享。因无线频谱资源有限而移动通信的业务量又急剧增长,移动通信系统通常采用信道共享的接入方式,为网内用户提供服务,如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)等,多址接入技术缓解了频谱资源与带宽需求的矛盾。三是必须具备移动性管理功能。为了保证用户在运动过程中的移动接入和不间断的通信能力,移动通信系统要有一套完备的信令体系,用来实现用户入网、信道接入与释放、位置更新、越区切换、业务承载等移动性管理。


1.2 
移动通信的分类

随着移动通信的应用范围不断扩大、类型越来越多,分类方法也多种多样,按无线网络结构可分为大区制移动通信和小区制移动通信[1];按应用类型可分为集群移动通信系统、无线电寻呼系统、无绳电话系统和公用移动通信系统;按使用对象可分为民用移动通信和军用移动通信;按使用环境可分为陆地、海上和航空移动通信;按多址方式可分为频分多址、时分多址、码分多址、空分多址及混合多址移动通信;按服务区覆盖范围可分为宽域移动通信和局域移动通信;按传输信号形式可分为模拟移动通信和数字移动通信。


1.3 
主要移动通信系统

1)大区制移动通信系统  是指一个基站覆盖整个服务区的区域覆盖系统。基站具有中继和交换功能,它把从移动台来的信息转发给其他移动台或有线电话用户,或者作相反的传输。其网络结构简单,设置单个基站,采用大功率发射机、高架天线,服务半径可达3050公里。基站设置多个信道设备,并采用多频道共用技术。为了增大通信用户量,大区制通信网通常采用增多基站的信道数的手段,频道数目少,容量不大,一般为数百个用户。其控制系统简单,成本低,适用于中小城市及广大农村地区、油田、矿区及某些专门业务部门作专业移动系统使用,是发展专用网可选用的制式。

2)小区制移动通信系统  又称为蜂窝移动通信系统。将一个服务区划分成若干小区,每一个小区设置一个基站,采用许多小功率的发射机(小覆盖区)来代替单个的大功率发射机(大覆盖区),多个小区像蜂窝(Cell)一样覆盖着整个服务区域[2]。系统包括基站、移动台、移动交换中心或移动电话交换局。每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。不同频率的小区组合成区群(Cluster),在区群内,各小区使用互不相同的频率组,而不同区群的频率可以重复使用。这种结构实现了频率再用,提高了频谱利用率。小区制的主要特点是网络构成复杂、频率利用率高、且组网灵活,当用户数继续增大时,每个覆盖区还可以继续划小

3) 无绳电话系统  是一种以有线电话网为依托的通信方式,是有线电话网的无线延伸,能给用户提供有限的移动性。它由基站和手机组成,具有发射功率小、省电、设备简单、价格低廉、使用方便等优点。在第一代无绳电话系统中,便携机部分主要是在室内使用,只能和专用基站部分通信,使用范围局限在几十米内,即只能作为公用电话交换网用户线上电话的分机。第二代无绳电话允许用户在诸如市中心的许多室外场所使用。该系统大多只具有移动用户发起主呼的单向呼叫功能,和寻呼系统结合使用可解决双向呼叫问题。

4)集群移动通信系统  网内用户自动分享数量相对较少的无线信道,并动态地使用这些信道的移动通信系统。它是一种专用无线调度系统,由控制中心、基站、调度台、移动台组成,所采用的技术是频率共用技术。系统以半双工方式通信,基站以双工方式工作,移动台以异频单工方式工作。集群系统最主要的特点是:能使大量用户共享相对有限的频率资源而不互相影响。这种频率的动态分配有效地汇集所有信道的可用时间,为每个用户提供了最大的可用工作时间,将信道的阻塞率减少至最小。

5)分组无线网  分组无线网指的是利用无线信道进行分组交换的通信网络,其有两层含义:一是所采用的信道为无线信道,可以是移动、卫星、微波信道;二是所进行的交换是分组交换,网络中要传输的信息以“分组”或“信包”为基本单元,只能用于实时性要求较低的移动通信场合。

6)无线局域网  无线局域网(WLAN)是随计算机和无线通信技术的发展而兴起的无线网络,由无线网接口卡(或称站STA)和无线桥(或称接入点RAP)组成,能连接到有线网络。由于其具有使用简单、频带较宽、价格低廉、维修方便、支持移动等特点,得到越来越广泛的应用。在军事通信中,无线局域网用于指挥所内或指挥车之间的近距离移动通信。

7)无线双工移动通信系统  是集团军级的区域机动通信网的一个重要组成部分。国际上通常把双工移动通信系统称为单信道无线入口(SCRASingle Channel Radio Access),即用户使用的双工终端占用一个单独的标准话音信道。早期的无线双工移动通信系统没有设置独立的无线交换机,只能依赖于地域网干线交换节点的管理和控制才能工作,SCRA起集线器作用。随着战争中移动通信地位的不断提高,其应用越来越广泛,SCRA需要自己的无线交换机,既可接入地域网,又有独立组网能力。双工移动通信网由若干双工移动通信系统组成,每个双工移动系统由一个车载中心和20~50个移动用户台组成。

8)全球移动通信系统  简称GSM系统,是一种典型的基于时分多址(TDMA)的数字蜂窝移动通信系统。它包括基站子系统(BSS)、网络交换子系统(NSS)和操作支持子系统(OSS)三个子系统。基站子系统负责移动用户与固定用户或移动用户之间的通信连接;网络交换子系统负责系统的交换管理、移动性管理和安全性管理;操作支持子系统包括一个或多个操作维护中心(OMC),负责对系统中特定区域内所有通信硬件和网络进行维护。全球移动通信系统属于第2代移动通信系统,是欧盟在解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态下发展起来的。其特点是业务种类单一,主要以话音业务为主,现逐步向能提供多速率电路和分组数据业务的2.5代移动通信系统演进。


2.  
移动通信的演进历程


2.1 
民用移动通信的演进历程

1897年,马可尼在陆地和一艘拖船间完成无线通信实验标志着移动通信的开始;1928年,美国开发了警用车辆的车载无线电系统。20世纪20年代到40年代,为移动通信的早期发展阶段,特点是低频段上的专用系统应用。40年代到60年代,为公用移动通信的早期发展阶段,特点是从使用VHF频段的150MHZ后发展到400MHZ60年代中期到70年代中期,为移动通信系统的改进与完善阶段。其特点是系统采用大区制的区域覆盖方式。70年代中期到80年代中后期,为移动通信蓬勃发展的阶段。第一代模拟蜂窝移动通信系统出现,并在全世界迅速发展。典型的代表系统有美国的AMPS系统、欧洲的TACSTotal Access Communications System)和日本的NTT系统。80年代中后期到90年代中后期,为移动通信的成熟阶段。第二代数字移动通信系统发展并逐渐成熟,典型的代表系统有1991年美国推出的D-AMPS系统、1990年在欧洲开始运行的GSM系统。1994年美国Qualcomm公司推出的IS-95系统是世界上第一个采用DSCDMA技术的数字蜂窝系统。但第二代移动通信系统仍存在业务单一,无法实现全球互联的缺点[3]90年代中后期,人们开始了第三代移动通信系统的研究,最初命名为FPLMTS(未来公共陆地移动通信系统),之后也称为通用移动电话2000UMT--2000)。在1996年更名为IMT-2000International Mobile Telecommunications 2000),其表示三个含义:2000MHz频段;达到2000Kbps/s码率;在2000年左右实现商用。90年代中后期,开始提出第三代移动通信系统的国际标准,全面考虑了对用户和信道两个动态特性的匹配问题,具有支持高速多媒体业务的能力。


2.2 
军用移动通信的演进历程

军事移动通信的发展起源于欧美国家,其发展阶段没有准确的时间节点,但演进过程从20世纪中期开始大致可分为三个时期:一是机械化作战时期,最典型的移动通信系统是20世纪70年代中期英国和法国提出了可机动部署的战术通信系统(地域通信网),即Ptarmigan(松鸡)系统和RITA(里达)系统。从体系结构上看,地域通信网由可机动部署的栅格状网络(骨干网)和无线接入网(即移动通信系统)组成,且移动通信系统的体系结构为集中控制的星型网络。地域通信网使战场通信朝着网系的方向发展,满足机械化作战环境的使用需求。但是,这一时期的地域通信网骨干传输带宽较小,不支持分组数据,不能满足数字化战场建设的需要。二是数字化作战时期,其时间标志是从第一次海湾战争开始,它是机械化作战时期移动通信功能和性能的提高。如美军研制开发的GloMo(全球移动信息系统)、SUO SAS(小部队作战态势感知系统)、Mosaic(多功能"动中通"、抗毁、自适应综合通信)、JTRS(联合战术无线电系统)等移动通信系统。其中最主要的改进是增加了无线传输的带宽、业务支持能力加强、部署能力得到了提高。这些改进使得地域通信网更加适合数字化战场的使用环境,成为欧美国家军队中旅及旅以上梯队数字化地域通信网,数字化战场的“动中通”包括两个部分,一部分是支持地域通信网业务延伸,具有实时传输与交换能力的移动通信系统;另一部分是支持单工战斗网(CNR)子网互联和接入,具有分组数据传输与分发能力的战术互联网。三是信息化作战时期,该时期是美国国防部队针对21世纪战场提出的一种军事变革构想。在信息化作战时期的移动通信系统中,具有代表性的是美军指战员信息网——战术部分(WIN-T[4]WIN-T是美军国防部全球信息栅格(GIG)的关键组成部分,是面向未来目标部队的综合性网络,它以全球信息栅格为支撑,使部队从单兵到各个指挥官,使各种战斗行动、战斗支援和战斗保障系统都具备战场信息的获取、传输和处理的能力。其中WIT-T能提供大容量的信息“动中通”,它的体系结构是多层全维的、由若干个互操作的计算和通信网络形成的信息环境, WIN-T是战场通信的一次变革,推动了目标部队的信息化作战进程。


3
.民用移动通信与军用通信的同异性分析


从演进过程来看,民用和军用移动通信的发展是互相促进的,移动通信发展的特点和信息化时期对军用移动通信的需求是一致的。在移动环境下,都存在严重的多径衰落、相对运动引起的多普勒效应、时延散布引起信号波形展宽,所以,它们在实现移动通信及提高在移动环境下通信质量所采用的技术途径方面都是一样的,其中包括移动通信场强预测、话音编码、信道编码、数字调制、分集、均衡、多址和信道共用等技术都是基本相同的。

但由于民用系统与军用系统的应用场合不同,民用强调的是容量和多媒体业务,而军用强调的是网络移动性、安全保密和抗干扰性能,因此设计方法也很大程度的差别。下表着重从网络结构、波形需求和特点等方面列出了民用系统和军用系统的不同。

 

 

民用移动通信系统

军用移动通信系统

 

 

网络结构

面向基站,固定的基础设施,对特定的站点进行规划和测量。

面向基站的、端到端的和多跳的以及混合的网络结构,移动+机动的网络设施,能够在不可预测的地点迅速架设和部署。

 

 

波形需求

AMPSGSMIS-95WCDMACDMA2000等少数波形,频带多为窄带的,数据速率从9.6kbs384kbps3G系统将达到2Mbps

通常有十几种甚至更多的波形要求,理想的军用移动通信系统是采用自适应波形的多模式系统,频率范围是多个多频带,数据速率将超过10Mbps

 

特点

商用标准、器件、技术支持;广泛的厂商支持。

互连互通互操作性、抗干扰、低概率侦听/低概率检测(LPI/LPD)、安全性、设备可靠性和抗毁性要求高。

 

民用移动通信虽不能直接用于军用,但在增强或增加抗干扰、安全保密、整体移动、宽带综合业务能力后,也可用于准军事行动。同时,一些技术可以用到军用系统中来,比如采用开放式的、分层式的设计方法,严密的体系结构和通信协议的设计思想,高效的开发手段,以及一些具有知识产权的关键技术,都能为军用移动通信系统所用。因此,民用与军用没有绝对的界限,必须取长补短、互为补充。研发具有网络整体移动、地空天一体化组网、多模空中接口、综合业务、军民结合、平战两用功能的新一代移动通信系统,符合移动通信发展潮流。


4. 
移动通信的发展趋势


移动通信的发展趋势是在全球范围内构建统一的移动信息环境,提供无处不在的、面向个人的移动信息服务
[5],包括话音、低速和高速数据、多媒体业务,支持面向电路和面向分组的业务;提高频谱效率,能提供更大的通信容量;网络结构可配置,以适应各种服务需要;具有高级的移动性管理,保证大量用户数据的存储、更新、交换和实时处理。最终实现个人通信(Personal Communication)的目标,即无论任何人在任何时候和任何地点都能和另一个人进行任何方式的通信。

在军事应用方面,单一技术体制的公网或专网都不能满足军事行动对移动通信的需求,新一代军用移动通信必须具备网络整体移动、地空天一体化组网、多模空中接口、综合业务、军民结合、平战两用的能力。因此,移动通信的模式将从“机动网+接入网”向“全移动网络”转变,空中接口则从单模向多模转变,组网体制从单一地面组网向地空天多维一体化组网转变,业务支持能力从传统的话音和低速数据向话音、数据、图像、战场态势和视图的方向发展,且支持定位、IP、态势、战场公共图像等新业务。

随着新技术的不断发展,移动通信系统将采用一些新的或更高性能的关键技术,如自适应信道传输技术、自适应分集技术、更高效的信源、信道编码技术、智能天线技术、软件无线电技术等在军事通信方面,为适应信息化战场的需要,下一代的军用移动通信网络将是全新技术的网络[6]。这些新技术包括了支持Ad hoc网络应用的可快速展开并具顽存性的动态组网技术、移动多媒体网络的连通性扩展技术和基于无线的IPATMISDNX.25网络接入与互连技术等。


5
.结语


   从全球移动通信的大发展中,可以看到当代移动通信系统正朝着数字化、宽带化、小型化方向发展,通信网络正朝着军民综合化、全球化、智能化、个人化方向发展。随着移动通信用户数的增长,无线电频谱也将越来越拥挤,因此必须开拓新的频段和不断提高频谱有效利用率。此外,卫星因特接入网、多媒体卫星系统、数据广播等卫星系统的应用,也将为卫星移动通信业务提供更美好蓝图。随着新理论、新技术、新产品不断涌现,相信在不久的将来必能实现人们不受限制地与任何对象进行信息交流的愿望。

 

[参考文献]

[1]  郭梯云、邬国扬、李建东:《移动通信》,西安电子科技大学出版社,西安,2000

[2]  赵荣黎编著:《数字蜂房移动通信系统》,电子工业出版社,北京,1997

[3]  常永宏.第三代移动通信系统与技术.北京:人民邮电出版社,2002

[4]  Dr. Paul Kolodzy .A DARPA Perspective on Broadband Wireless Systems. 2000 International Symposium on Advanced Radio Technologies. 2002.9

[5]  刘元安.未来移动通信系统概论.北京:北京邮电大学出版社,1999

[6]  李承怨.移动通信、个人通信与全球信息高速公路.今日电子.1996.8

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