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蜂窝移动通信

蜂窝移动通信(Cellular Mobile Communication)是采用蜂窝无线组网方式,在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来,进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性,并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。

蜂窝移动通信业务是指经过由基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频图像等业务。

在网络通信飞速发展的今天, 整体的措施呈现多元化,具有较高而且比较开放的优势,而且在很大程度上可以满足互联网时代人们生活和生产的条件。当前社会中各个行业的发展都比较迅速,移动通信的需求也在不断发展和扩大,作用也越来大。

移动通信的发展历史可以追溯到19 世纪。1864 年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在;1876 年赫兹用实验证实了电磁波的存在;1900 年马可尼等人利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功,从此世界进入了无线电通信的新时代。现代意义上的移动通信开始于20 世纪20 年代初期。1928 年,美国Purdue 大学学生发明了工作于2MHz 的超外差式无线电接收机,并很快在底特律的警察局投入使用,这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统;20 世纪30 年代初,第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用;20 世纪30 年代末,第一部调频制式的移动通信系统诞生,试验表明调频制式的移动通信系统比调幅制式的移动通信系统更加有效。

在20 世纪40 年代,调频制式的移动通信系统逐渐占据主流地位,这个时期主要完成通信实验和电磁波传输的实验工作,在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。这种移动通信系统的工作频率较低、话音质量差、自动化程度低,难以与公众网络互通。在第二次世界大战期间,军事上的需求促使技术快速进步,同时导致移动通信的巨大发展。战后,军事移动通信技术逐渐被应用于民用领域,到20 世纪50 年代,美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统,在技术上实现了移动电话系统与公众电话网络的互通,并得到了广泛的使用。遗憾的是这种公用移动电话系统仍然采用人工接入方式,系统容量小。

从20 世纪60 年代中期至70 年代中期,美国推出了改进型移动电话系统,它使用150MHz和450MHz 频段,采用大区制、中小容量,实现了无线频道自动选择及自动接入公用电话网。

20 世纪70 年代中期,随着民用移动通信用户数量的增加,业务范围的扩大,有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源,美国贝尔实验室提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的小区制、蜂窝组网的理论,它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路。

1978 年,美国贝尔实验室开发了先进移动电话业务(AMPS)系统,这是第一种真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。AMPS 采用频率复用技术,可以保证移动终端在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网,具有更大的容量和更好的语音质量,很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。20 世纪70 年代末,美国开始大规模部署AMPS 系统。AMPS 以优异的网络性能和服务质量获得了广大用户的一致好评。AMPS 在美国的迅速发展促进了在全球范围内对蜂窝移动通信技术的研究。到20 世纪80 年代中期,欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络,主要包括英国的ETACS 系统、北欧的NMT-450 系统、日本的NTT/JTACS/NTACS 系统等。这些系统都是模拟制式的频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)系统,亦被称为第一代蜂窝移动通信系统或1G 系统。

1.900/1800MHz GSM移动通信

900/1800MHz GSM第二代数字蜂窝移动通信(简称GSM移动通信)业务是指利用工作在900/1800MHz频段的GSM移动通信网络提供的话音和数据业务。GSM移动通信系统的无线接口采用TDMA技术,核心网移动性管理协议采用MAP协议。

900/1800MHz GSM第二代数字蜂窝移动通信业务包括以下主要业务类型:

-端到端的双向话音业务。

-移动消息业务,利用GSM网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。

-移动承载业务及其上移动数据业务。

-移动补充业务,如主叫号码显示、呼叫前转业务等。

-经过GSM网络与智能网共同提供的移动智能网业务,如预付费业务等。

-国内漫游和国际漫游业务。

900/1800MHz GSM 第二代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建GSM移动通信网络,所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络可以是同一个运营者的网络,也可以由不同运营者的网络共同完成。提供移动网国际通信业务,必须经过国家批准设立的国际通信出入口。

2. 800MHz CDMA移动通信

800MHz CDMA 第二代数字蜂窝移动通信(简称CDMA移动通信)业务是指利用工作在800MHz 频段上的CDMA移动通信网络提供的话音和数据业务。CDMA移动通信的无线接口采用窄带码分多址CDMA技术,核心网移动性管理协议采用IS-41协议。

800MHz CDMA第二代数字蜂窝移动通信业务包括以下主要业务类型:

-端到端的双向话音业务。

-移动消息业务,利用CDMA网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。

-移动承载业务及其上移动数据业务。

-移动补充业务,如主叫号码显示、呼叫前转业务等。

-经过CDMA网络与智能网共同提供的移动智能网业务,如预付费业务等。

-国内漫游和国际漫游业务。

800MHz CDMA 第二代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建CDMA移动通信网络,所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络,可以是同一个运营者的网络,也可以由不同运营者的网络共同完成。

第三代数字蜂窝移动通信(简称3G移动通信)业务是指利用第三代移动通信网络提供的话音、数据、视频图像等业务。

第三代数字蜂窝移动通信业务主要特征是可提供移动宽带多媒体业务,其中高速移动环境下支持144kb/s速率,步行和慢速移动环境下支持384kb/s速率,室内环境支持2Mb/s速率数据传输,并保证高可靠服务质量(QoS) 。第三代数字蜂窝移动通信业务包括第二代蜂窝移动通信可提供的所有的业务类型和移动多媒体业务。

第三代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建3G移动通信网络,所提供的移动通信业务类型可以是端到端业务的一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络,可以是同一个运营者网络设施,也可以由不同运营者的网络设施共同完成。提供国际通信业务必须经过国家批准并设立的国际通信出入口。

虽然3G系统解决了1G、2G系统的弊端,但其实际速度远未达到预期值,随后国际组织3GPP和3GPP2又开始了新一轮的3G演进计划,在众多候选标准中LTE脱颖而出,于2004年底, 3GPP组织启动了“LTE计划”, 该计划实现了3G向4G的平滑过渡,所以LTE又被称为准4G标准。该计划的最终目标是:提供一个低时延、高吞吐量、大规模覆盖的无线通信网络。LTE有FDD和TDD两种工作方式,其中LTE-TDD具有我国自主知识产权,2013年年底在我国实现了商用,其高速的带宽能力为用户带来了全新的体验。目前,全球已经部署了超过400万个LTE基站,预计此数目还将随着未来的发展不断增长。

传统上欧洲使用900MHz频段而北美使用800MHz频段。多数亚洲国家同时使用两个频段。欧洲900MHz分配频率的主要模拟标准是全接入通信系统,虽然某些欧洲国家使用其它标准GSM是900MHz频段的一种数字系统,已为欧洲采用为共同标准并在世界上许多其它国家使用,提供了非常有用的漫游设备。此外,GSM标准已用于1800MHz(DCS 1800)。一些国家正建立独立的1800 MHz网而另一些正试图用此频段增加其GSM容量。因为在两个频段上使用相同协议,越来越普遍使用GSM-900和GSM-1800这些术语而不用GSM和DCS1800。

常见的蜂窝移动通信系统按照功能的不同可以分为三类,它们分别是宏蜂窝、微蜂窝以及智能蜂窝,通常这三种蜂窝技术各有特点。

蜂窝移动通信系统中,在网络运营初期,运营商的主要目标是建设大型的宏蜂窝小区,取得尽可能大的地域覆盖率,宏蜂窝每小区的覆盖半径大多为1km~25km,基站天线尽可能做得很高。在实际的宏蜂窝小内,通常存在着两种特殊的微小区域。一是“盲点”,由于电波在传播过程中遇到障碍物而造成的阴影区域,该区域通信质量严重低劣;二是“热点”,由于空间业务负荷的不均匀分布而形成的业务繁忙区域,它支持宏蜂窝中的大部分业务。以上两“点”问题的解决,往往依靠设置直放站、分裂小区等办法。除了经济方面的原因外,从原理上讲,这两种方法也不能无限制地使用,因为扩大了系统覆盖,通信质量要下降;提高了通信质量,往往又要牺牲容量。随着用户的增加,宏蜂窝小区进行小区分裂,变得越来越小。当小区小到一定程度时,建站成本就会急剧增加,小区半径的缩小也会带来严重的干扰,另一方面,盲区仍然存在,热点地区的高话务量也无法得到很好的吸收,微蜂窝技术就是为了解决以上难题而产生的。

与宏蜂窝技术相比,微蜂窝技术具有覆盖范围小、传输功率低以及安装方便灵活等,该小区的覆盖半径为30m~300m,基站天线低于屋顶高度,传播主要沿着街道的视线进行,信号在楼顶的泄露小。微蜂窝可以作为宏蜂窝的补充和延伸,微蜂窝的应用主要有两方面:一是提高覆盖率,应用于一些宏蜂窝很难覆盖到的盲点地区,如地铁、地下室;二是提高容量,主要应用在高话务量地区,如繁华的商业街、购物中心、体育场等。微蜂窝在作为提高网络容量的应用时一般与宏蜂窝构成多层网。宏蜂窝进行大面积的覆盖,作为多层网的底层,微蜂窝则小面积连续覆盖叠加在宏蜂窝上,构成多层网的上层,微蜂窝和宏蜂窝在系统配置上是不同的小区,有独立的广播信道。

智能蜂窝是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统,智能地监测移动台所处的位置,并 以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。对 于上 行链路而言,采用 自适应天线阵接收技术,可以极大地降低多址干扰,增加系统容量;对于下行链路而言,则可以将信号的有效区域控制在移动台附近半径 为10-20波长 的范围内,使同道干扰大小为减小。 智能蜂窝小区既可 以是macrocell,也可以是而microcell。利用智能蜂窝小区的概念进行组网设计,能够显著地提高系统容量,改善系统性能。

移动通信下一个时代将属于5G,在此之前,各国通信组织都为推进5G技术的研发积极准备着。2013年中旬,韩国三星公司成功开发出5G的核心技术,该技术可实现2km的远程传输,以及1Gbps及以上的传输速率。2015年中旬,国际电信联盟ITU将5G技术正式命名为IMT-2020,并公布了5G标准化的时间安排。

2016年年初,我国工信部召开了“5G技术研发试验”启动会,标志着我国5G技术进入到了发展的关键时刻。2017年年初,3GPP组织公布了5G的官方标识,并制定了标识的使用规范和权限。

尽管5G技术还未完全成熟,但业界对移动通信未来的发展基本达成共识,由IMT-2020推进组负责发布的5G愿景与需求、网络架构设计白皮书,明确了5G的8大关键能力指标和网络架构,并对5G应用需求也有了明确定义,包括更宽的带宽接入,更密集的连接需求和更快的移动性需求,除此之外,5G在时延及功耗上将进一步降低,可靠性能将进一步提高,理论上可以为用户提供比4G快几十倍的网速,还能与物联网终端实现大规模互连,实现任何物品之间的信息交换和通信,并满足高速移动条件下的通信需求。

5G关键技术包括:大规模天线阵列、超密集网络部署、全频谱接入方式、新型的网络架构和多址技术。5G的推进在很大程度上弥补了4G的不足,在最大力度保护既有设施的前提下,如何利用已有的4G网络去承载5G,是当前面向5G承载网规划的重中之重。

全球5G商用的大幕正在徐徐拉开,2019年被全球业界视为5G商用的元年。

中国信息通信研究院发布的白皮书指出,预计在2020-2025年期间,我国5G发展将直接带动经济总产出10.6万亿元,直接创造经济增加值3.3万亿元。国外的研究报告则预测,到2035年,5G在全球创造的产品和服务将高达12.3万亿美元产值。5G的到来,使移动通信技术突破仅仅服务人与人之间的信息连接,而成为一个面向万物的统一连接架构和创新平台。5G将与超高清视频、VR、AR、消费级云计算、智能家居、智慧城市、车联网、物联网、智能制造等产生深度融合,为各行各业带来新的增长机遇。


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