张煦
摘要：简单回顾移动与个人通信的早期历史，依次说明无线蜂窝网的更新换代、语音压缩编码的发展、基站的软件无线电和智能天线，以
及地理定位等有关移动通信的主要技术发展进程，最后简述卫星移动通信的现状。
关键词：移动通信 个人通信 蜂窝网 语音编码 软件无线电 智能天线 地理定位 卫星通信
从杂志、报纸经常报道的消息得吞，全世界的移动手机总数近年来持续增长，即将逼近固定电话机总数，而美国的移动手机总数历来居各
国的首位。但最新统计表明，中国的移动手机总数已超过美国，跃居全球第一，并且增长势头还在快速发展。可见，在全世界范围内，移动个
人通信适应广大群众需要，其快速增长是很自然的。为此对于通信界科研和运营者来说，有必要充分了解移动与个人通信的技术进化历程，从
而更好地为这具有美好前途的通信领域加倍努力，以推动其持续进步，为人类社会造福。
一、早期历史
19世纪末期，赫兹发明无线电后，马可尼演示海上航行船舶间的通信，这可以说是无线移动通信的开创。进入20世纪20年代，有些国家的
海军舰船和陆地公安部门正式使用移动无线电调度系统。在第二次世界大战中，有些国家军队中的通信部队利用数字编码的话音通信达到保密
目的，这包括话音编码和脉码调制（PCM），到20世纪70年代才对外公开。事实上，1946年开始建立第一批商用移动电话系统，但各由话务员负
责接通。其后不久，蜂窝网方式发明问世，一个适当大的地区设置多个半径约1km的蜂窝小区，互相紧密邻近排列，其中心基站可使用较低的射
频发射功率，每隔几个蜂窝就可使用相同的频率，节约无线电频谱资源的利用。因此可以断言，这样的蜂窝网方式比过去利用大功率发射机覆
盖半径为40km大面积的办法有显著改进。虽然移动手机从一个蜂窝区移动至邻近的另一蜂窝区有越区交接等问题，但技术上都可获得妥善解决
。1973-1978年间，美国有几个城市试用这种蜂窝网：20世纪80年代初，美国政府正式批准这种商用系统提供公众使用，与此同时，欧洲国家、
日本和其他一些国家也开始陆续建设和运营蜂窝网业务。
1947年晶体管的发明，为后来集成电路（IC）和数字技术开辟广泛发展前途。那时提出集成芯片上晶体管数目每18个月翻一番的规律长期
适用。现在一块小小的IC芯片几乎可以集成上万个晶体管，而其成本相当于30年前一个晶体管的价格。IC的不断发展促使数字技术的兴起。随
着这样快速跃进的趋势，从开始的1978年至现在进入21世纪，蜂窝网移动手机的体积越来越小，重量越变越轻，其中包含的零件数和IC芯片数
相应地大大减少，从当初每一终端的300个零件和130块芯片减少至1994年每一手机的45个零件和20块芯片，而2002年估计每一软件无线电仅需5
个零件和2块芯片，进步非常显著。
二、蜂窝网的更新换代
在20世纪70年代后期至80年代初期，蜂窝网正式开放供公众使用，那是第一代蜂窝网，只提供模拟电话移动通信服务。不过那一时期固定
通信已肯定向数字化方向发展，移动通信研究单位也开始考虑数字蜂窝系统的应用可能性和实际可能获得的好处。这包括能否获得更大的容量
、更好的话音质量以及传送数据业务。直至1998年，数字蜂窝网正式向公众开放试用，实际上那时是模拟与数字兼用，凡是持有模拟或数字移
动手机，都可得到蜂窝网服务。这是属于第二代蜂窝网（2G）。由此，全世界都发展数字蜂窝网，使用新的900MHz频谱。欧洲曾于1982年设立
GSM组织，1992年正式开放商用，就称之为GSM系统。在北美，出现几种不同制式的数字蜂窝网，1989年开始使用数字时分多址（TDMA）技术，
1993年又有其他蜂窝网利用码分多址（CDMA），称为IS-54、IS-95。日本发展类似的系统，称为个人数字蜂窝系统（ＰＤＣ）。在1995-1997年
期间，美国联邦通信委员会（FCC）又指定一个新的频段1850-1990MHz，专供个人通信业务（PCS）研究发展之用。总起来说，20世纪90年代后
期，第二数字蜂窝网（2G）兴旺发达，原先开放的公用第一代模拟电话已停止使用，所有移动用户全都依靠第二代，没有丝毫困难。数字通信
是大势所趋，而且2G除了提供移动手机互通电话外，还让移动用户的便携计算机实行数据通信。最新发展是容许便携计算机“上网”，从
Internet获取需要的数据信息。这意味着，2G的基站可能提供这类应用的不对称传输通路，用户至基站方向的上行信息较短，而基站至用户方
向的下行线路传送信息可以较长。这样的蜂窝网被称为2.5G，即介于2G-3G之间，俗称二代半，也即2G与未来3G的过渡。
20世纪90年代末至21世纪初，2G不仅本身仍力求发展，扩大容量和增多功能，以满足移动用户的需求和吸引更多的新的用户，而且积极参
与制订计划、准备迎接即将来临的第三代蜂窝网（3G）。这种3G就是号称国际移动通信系统IMT-2000，将是全世界统一使用，以便移动用户随
身携带手机，各有指定的专用号码，不仅可以参与城市通信，而且走遍全球、随时随地与需要的对方用户通信。IMT-2000表示原定2000年开始
普遍应用；蜂窝网使用的无线电频率将是2GHz，即2000MHz频段，并表示要大力发展数据通信，甚至多媒体通信，数字速率以2Mbit/s，即
2000kbit/s为目标。原来计划的3G确实是有雄伟目标的，它将采用最新的无线电技术、扩大利用数字技术，能够适应全世界各国的蜂窝网和PCS
使用。但从现在看来，蜂窝网使用的无线电频率可以比2GHz频段更高些，而数字速率目标2Mbit/s也应该继续提高，如提高至10Mbit/s。
三、语音编码
在有线通信中，语音编码是利用PCM，每路电话码速64kbit/s，自从光纤传输得到应用后，因容量宽裕，语音不需要压缩。然而无线通信情
况不同，因频谱资源有限，必须尽量节约利用，有必要把语音压缩至较低码速。现时的无线数字网要求每路语音的码速预先压缩至5-13kbit/s
。回忆20世纪30年代发明第一种语音编码器，它可以把语音信号的频带压缩而仍保持语音清晰易懂。后来屡有改进，70年代初的语音编码器利
用线性预测编码（LPC）,80年代初则开始利用码激励线性预测（CELP），现时无线移动通信很多采用CELP技术而加以改进，取得较好效果，在
较大背景噪声下仍能很好地通话。
在蜂窝网所用的两种多址方式，即TDMA、CDMA都有有效的语音编码克服背景噪声影响的措施。在IS-136 TDMA，代数码激励线性预测（
ACELP），每路语音的码速减至7.5kbit/s，仍不受背景噪声的影响。而在IS-95CDMA，语音码速减为13kbit/s，还有利用增强可变速率编解码器
（EVRC），在编码前利用自适应噪声抵消滤波器，不再受背景噪声的影响。当移动通信发展至3G时，蜂窝网将使用分组数据与语音的统一结构
，语音编码技术仍很重要，即要降低每路码速，又要得到较高质量。而且，不仅重视话音，还要推广至多媒体和视频业务。
四、软件无线电
无线蜂窝网每区基站的主要作用，是收发和处理区内众多的移动用户终端的无线电射频信号，把话音或数据信号与通信网联系起来。因此
，基站设备主要是射频收发信号和模拟与数字信号处理器，过去模拟时代曾用过调频（FM），但后来基站实行数字化，数字信号处理器（DSP）
起主要作用，由它控制基站的运用，现在趋向于可调程的基站，事实上，DSP在通信领域应用已很广泛，它不仅可很明显地改进性能，而且由于
很多专用集成芯片（ASIC）功能良好，可调程的DSP芯片得以发挥作用。还有模/数（A/D）和数/模（D/A）转换器速率提高、动态范围扩大，性
能价格比增大。因此，蜂窝网基站设备充分推广数字化，诸如：数字处理靠近天线，收发信号扩大频带，容许多个射频载波同时进行处理，不
需要多个不同的收发信机和天线，利用软件完成更多的收发功能。过去在模拟系统，每一话音的FM通路各用一个射频载波，也就是每一话音通
路各有一部分无线电收发信机。而现在的数字系统，一个射频载波可以让多个话音或数据用户经过TDMA或CDMA方式合用，因而只需较少的收发
信机。过去的收发信机需要对每一射频载波进行处理，现在数字系统在较高速率取样和处理，因而多个射频载波通路滤波，又用于基带。就是
说数字处理从基带提升到中频，又至射频，有较大的灵活性，而且降低成本。再进一步，就是利用软件使器件可调程，称之为“软件无线电”
。这样，无线电基站和用户终端都可利用这样的软件无线电，比常规数字无线电发信机灵活得多。软件无线电在多个不同标准和不同业务都可
适用，对不同场合也可以更换软件。所以，每当标准进化或业务改进和增多时，不需更换主要设备。这就降低投资成本，并能迅速适应市场需
要，非常有利。
对于现行用户终端，虽然不能称为真正的软件无线电，也可设法加以改进，以适应各种新出的标准。由于今后的趋向是全世界通用
IMT-2000，用户终端就要做到能在全球各地都能实行通信，它必须是非常灵活的终端，以便适用于各个不同国家的不同标准。现在的倾向就是
要过渡至这样的应用，而且制造的成本合理，不让用户负担加重。
五、智能天线
在无线系统，无线电干扰是必须对付的重要问题。移动通信有几种不同来源的无线电干扰：一是每一射频信号经过多个不同途径传到接收
端，引起信号衰落；二是在同一蜂窝区内，多个用户使用相同频率而引起干扰；三是因为这一蜂窝区与其他相隔稍远的其他蜂窝区使用相同频
率而受到干扰。此外，用户正在移动、引起多普勒效应，使信号受到衰落。一般地说，无线电干扰对系统容量和性能产生不良影响，智能天线
是克服干扰损害的一种有效办法，可借以加大通信网容量、扩大蜂窝覆盖面积、改善通信质量，甚至延长终端的电池寿命，减小基站放大功率
，而且对于3G系统提高用户数据通信速率有利。
智能天线主要是利用于多个天线单元，又充分利用数字信号处理技术。天线可以针对几个扇区，利用多个束射换接，又使用自适应处理，
获得最佳的孔径增益、分集增益和干扰遏止，对改善系统性能明显有利。一般无线系统的接收天线都使用在空间隔开的两个分支，借以获得空
间分集的效果；采用极化分集技术，也有明显成效。至于发射天线，目前多数情形只用一副天线，但将来倾向于利用多副发射天线，组成自适应的智能天线。既利用天线的定向性，又利用空间分集，确实可以得到明显好处。曾经进行测试，表明基站的智能天线结合自适应处理，对于TDMA和CDMA两种通信制式都有一定程度的效果，尤其在扩大通信容量、增多用户的联系方面效果更明显。这些多址方式发送的导引信号可以对天线的自适应处理起作用。
六、地理定位
在移动通信，常常有必要确悉移动用户本身在使用通信时所处的地理位置。这种地理定位对于公共安全非常必要，有些国家已经对移动通信的业务运营商作出明确规定：必须相当精确地了解移动用户呼叫时在地理上所处的确实位置。对于船舶在海上航行和汽车在公路上行驶，都曾经有过各自适当的方法和设施，现在还要着重考虑移动个人通信在这方面找到简单而可靠的地理定位技术，这不仅关系到人身安全的问题，而且还有其他需要，例如利用移动通信办理电子商务，就有许多交易需要了解用户所处的地点。
对移动用户的地理定位，如完全交由蜂窝网基站负责承办似有困难，还是由移动用户各自随身携带的手机担任自己的定位较为妥当。过去曾经由移动手机利用标准的全球定位系统（GPS），现在则有更新“有协助的GPS”，称为AGPS。不仅由手机利用GPS，还得到蜂窝网络的协助。这是因为网络包括基站和移动交换中心，掌握较多的情况。每当某一移动手机需要定位时，网络可根据它从多个卫星连续观测到的情况告知需要定位的用户，大大地节约用户自己广泛跟踪的过程，并节约用户手机的电池消耗。而且，用户有了这种AGPS提供的情况，又可以提高用户GPS的灵敏度。
七、卫星移动通信
为了达到全球移动个人通信的目的，让地面上相隔距离不论远近的用户，都可利用手机和专用号码互相通信，卫星通信应该是一种好办法。大家都已熟悉：在地球上空约36000km高度的环球轨道上运行的卫星是与地球同步运转的，在这样的高空均匀分布三颗卫星就可覆盖全球地面。这样的卫星就称为同步卫星，也称为地球静止轨道（GEO）卫星。地面上的卫星通信用户只要装置适当功率和灵敏度的收发信机和必要的天线对准卫星，就可以通过卫星上的转发器互相通信但是，卫星离地面太远，电波传播损耗很大、传输时延很长。因此，这样的GEO卫星对地面上移动个人通信不是最理想。
离地面较近的上空运行的卫星可分为两类。其一是地面上空约1000km的低轨道（LEO）卫星，其二是地面上空的10000km高度的中轨道（MEO）卫星。为了实行全球移动个人通信，这两类卫星都曾研制了具体方案：每一LEO卫星系统约有50颗卫星，每一MEO卫星系统有10颗卫星，它们各沿指定轨道和位置依次运行，每一系统各自设计了移动用户的手机。地面上需要通信的某用户手机开始时对准各自系统的一颗卫星，隔一时间这一卫星前进，地面用户就对准下一颗卫星，但前后卫星之间有通信联络，因而继续为地面用户服务，保证了其他用户顺利实现通信。几种设计方案似乎都考虑得相当周密，各自组成全球个人通信的移动卫星通信网。当然，LEO和MEO的移动卫星网克服了传统GEO卫星的损耗大和时延长两个缺点，但是星上设备和星际联系增添了复杂性。无论如何，在世纪之交的年代，新的系统已经投入试运用，希望从实践中取得经验。移动卫星通信网与地面上下行使用的频率，暂定为L/S频段，与新一代陆地移动通信系统的2GHz接近。事实上，移动卫星网必须与陆地蜂窝网密切结合，才能最有效地提供全球移动个人通信业务。
摘自《邮电设计技术》2001.11
|