移动通信技术的发展

移动通信技术的演进和发展

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摘要：随着社会经济的发展，移动通信得到了越来越广泛的应用。在我国，移动通信技术的起步虽晚，但是发展极其迅速。自从20世纪90年代以来，很多国家对移动通信的需求量经历了指数级的增长，我国也不例外，而且这种需求量还将持续下去。如今经济全球化与信息网络化的快速推进，现有的移动网络已经很难满足移动业务发展的需要，为适应发展，对现有的移动通信技术进行改进就越来越迫切，一方面要求尽可能丰富的移动业务满足移动用户不断增长的业务需求；另一方面要求通过采用新技术，不断提高系统的容量，以支持不断增长的移动用户的数量，移动通信技术正是在这两种需求的驱动下不断发展的。

关键词：移动通信技术的发展历程；第三代移动通信技术（3G）；移动通信新技术：软件无线电技术

前言：移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间的通信。随着电子技术的发展，特别是半导体、集成电路和计算机技术的发展，移动通信得到了迅速的发展。随着其应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。20世纪80年代以来，移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一。回顾移动通信的发展历程，移动通信的发展大致经历了几个发展阶段：第一代移动通信技术主要指蜂窝式模拟移动通信，技术特征是蜂窝网络结构克服了大区制容量低、活动范围受限的问题。第二代移动通信是蜂窝数字移动通信，使蜂窝系统具有数字传输所能提供的综合业务等种种优点。第三代移动通信的主要特征是除了能提供第二代移动通信系统所拥有的各种优点，克服了其缺点外，还能够提供宽带多媒体业务，能提供高质量的视频宽带多媒体综合业务，并能实现全球漫游。本文主要讨论第一代到第三代移动通信概念的提出及其演进发展。

1 移动通信技术的发展历程

1.1 第一代移动通信系统

20世纪70年代末，美国AT&T公司研制了第一套蜂窝移动电话系统。第一代无线网络技术的一大成就就在于它去掉了将电话连接到网络的用户线，用户第一次能够在移动的状态下拨打电话。第一代移动通信的各种蜂窝网系统有很多相似之处，但是也有很大差异，它们只能提供基本的语音会话业务，不能提供非语音业务，并且保密性差，容易并机盗打，它们之间还互不兼容，显然移动用户无法在

各种系统之间实现漫游。

1.2 第二代移动通信系统

第二代移动通信数字无线标准主要有：GSM，D-AMPS，PDC和IS-95CDMA等。在我国，现有的移动通信网络主要以第二代移动通信系统的GSM和CDMA为主，网络运营商运用的主要是GSM系统，现在中国联通的CDMA系统经过两年的发展也初具规模。第二代移动通信系统在引入数字无线电技术以后，数字蜂窝移动通信系统提供了更更好的网络，不仅改善了语音通话质量，提高了保密性，防止了并机盗打，而且也为移动用户提供了无缝的国际漫游。

1.3 第三代移动通信系统

第三代移动通信技术简称3G，它是一种真正意义上的宽带移动多媒体通信系统，它能提供高质量的宽带多媒体综合业务，并且实现了全球无缝覆盖全球漫游它的数据传输速率高达2Mbit/s，其容量是第二代移动通信技术的2-5倍，目前最具代表性的有美国提出的MC-CDMA（cdma2000），欧洲和日本提出的W-CDMA和中国提出的TD-CDMA。

综观移动通信的发展历程，当代移动通信可分为三个阶段：

（1）第一代移动通信以模拟调频，频分多址为主体技术，包括以蜂窝网系统为代表的公共移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无绳电话。

（2）第二代移动通信系统是以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术，简称数字移动通信。包括数字蜂窝系统、数字无绳电话系统和数字集群系统等。

（3）第三代移动通信系统以世界范围内的个人通信为目标，实现任何人在任何时候任何地方进行任何类型信息的交换。

2 移动通信系统采用的新技术

近年来各种通信新技术蓬勃发展，移动通信新技术概括起来可分为：新型调制技术、智能天线、多用户信号检测、无线ATM、多层网络结构和软件无线电等，特别是软件无线电技术，它是通信领域的新技术革命，并广泛地应用于陆地移动通信、卫星移动通信与全球定位等系统。

2.1 新型调制技术

调制技术是决定系统频谱利用率的关键技术，一直是人们关注的研究热点。近年来人们正在致力于研究一些更能适应复杂通信环境和多变业务需求的调制方式，多载波调制就是一个典型的例子。多载波调制的原理是把传输的数据流分解成若干个子数据流，每个子数据流具有底、低得多的码元速率，然后用这些子数据流去并行调制若干个载波。由于在多载波调制的子信道中，码元速率低，码元周期长，因而对传输信道中的时延扩展和选择性衰落不敏感，或者在满足一定条件下，多载波调制具有抗多径扩展和选择性衰落的能力。当然，多载波调制手忙脚乱的各个子载波必须满足一定精度和稳定度的要求。

2.2智能天线

智能天线是一种自适应阵列天线。实现自适应阵列天线的方法是通过调节各阵元信号的幅度和相位的加权因子，使天线的方向图可以在任意方向上具有尖峰或者凹陷。发射机把高增益天线波束对准通信中的接收机，这样既可以增大通信距离，又可以减少对其它方向上接收机的干扰。接收机把高增益天线波束对准通信中的发射机，可增大接收信号的强度，同时把零点对准其它干扰信号的入射方向上，还可滤出同道干扰和多址干扰，从而提高接收信号的信干比。智能天线的理想目标是能在发射机或接收机快速移动时，以一个或多个高增益窄波束分别对准并跟踪干扰信号的方向，智能天线类似于一个空间滤波器，其突出的优点是能够减少或者滤除同道干扰和多址干扰，因而能显著提高通信系统的通信容量。

2.3 多用户信号检测

在DS-CDMA移动通信系统中，多址干扰是限制通信容量的关键因素。随着移动通信用户的增加，多址干扰增大，通信质量也下降。为了使通信质量不低于预定的最低要求，必须限制用户的最大数目。为此DS-CDMA通信系统一般要采用精确的功率控制，把通信双方的发射功率限制在允许的电平上。此外，增大扩频增益、设置自适应天线阵列和进行有效的信道编码等都有利于减少多址干扰的影响，但是，多址干扰是不可避免的。为了在信号检测的过程中，进一步设法减少或消除多址干扰，我们采用多用户信号检测器。

针对多用户检测器的最佳检测方式人们提出了多种多样的设想和方案。例如去相关多用户信号检测器和干扰抵消式多用户检测器等。

2.4 无线ATM

第一代和第二代移动通信的主要业务是语音通信，第三代移动通信的发展目标是提供多媒体综合业务。异步传输模式是宽带综合业务数字网的目标模式，它把不同类型的业务数据组成固定长度的信元进行传输和交换使同一通信网络可以极为灵活地处理多种业务能按需分配信道资源，有效地得用网络资源。随着移动通信的迅速发展这种灵活处理多种业务的技术同样会在移动通信网络中获得应用和发展。此外，当前多媒体性能日益在便携式终端上得到扩展，要使这些多功能终端能在各种环境下高效地接入B-ISDN，同时又能满足便携性和移动性的要求，也必须发展无线异步传输模式，最终把有线和无线多媒体融合为一体。

2.5 多层网络结构

第三代移动通信系统要在各种各样的通信环境中，满足形形色色的业务需求，它的发展是以提高容量需求和频谱利用率为标志的，网络结构的规划不仅要受区域覆盖的引导，而且必须同时考虑网络结构采用什么样的形式，单层的网络结构不便于通信资源的合理分配和有效利用，现在已很难满足移动用户对预定业务的需求。于是双层网络诞生了。多层的网络结构允许网络中设置不同的停产资源层，并根据业务性质进行分类，把同类性质的业务纳入同一资源层之中，以提高网络资源的利用率。资源分层可以用多种方法实现。采用多层网络结构除合理分配区层之间的信道资源和业务容量外，还必须解决好区层之间的连接与切换。

2.6 软件无线电技术

软件无线电SDR是20世纪90年代初提出的通信新技术，它的基本思想是在通用硬件平台上，用软件方式实现各种通信功能。自从1992年提出以来，它以其通用性广、可移植性好、适应性强等优点，在军用电台方面得到迅速发展和应用。近年来，随着第三代移动通信（3G）系统的发展，软件无线电在民用领域也开始崭露头脚。

2.6.1 软件无线电的总体结构及其各部分的技术现状

图3软件无线电系统的结构框图

软件无线电系统结构如图3所示，其主要组成部分为：多频段宽带天线、RF模块、高速A/D、D/A、高速信号处理单元等。

软件是无线电的“灵魂”，通过编程或程序下载，可以方便地对软件无线电系统进行版本升级、扩展新业务、植入补丁程序以修正软件错误等。软件开发应采用模块化、结构优化设计，以便硬件模块的更换和软件升级。现阶段的软件主要包括3个部分：实时信道处理部分、准实时环境分析与控制部分、用于新业务增强与软件升级的开发管理部分。

软件无线电台是一种用软件定义的无线通信技术，因此必须使用适当的算法来实现不同的通信功能及兼容不同的工作模式。算法要求准确、高效、可移植性好。一些必备的算法是：数字信号处理、基本信号的调制和解调算法，载波恢复算法、位同步算法等。美军“易通话”计划的第一阶段已实现了在短波段兼容各种基本信号波形；第二阶段仿真出15种以上基本信号调制波形。

2.6.2 软件无线电技术的主要特点

灵活性：工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方式和可编程调制方式等。所以可任意更换信道接入方式，改变调制方式或接入不同系统的信号；可通过软件工具来扩展业务、分析无线电通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试，升级便捷。

集中性：多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D、D/A变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。

模块化：模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准，在硬件技术发展时，允许更换单个模块，从而使软件无线电保持较长的使用寿命。

2.6.3 软件无线电技术在3G方面的应用

第三代移动通信发展过程中，存在着多模操作，在处理对称和非对称业务中存在着FDD和TDD两种模式，且其必须与GSM移动通信系统兼容。在这种情况下，如果像以前完全用硬件来构造移动通信系统，就会给用户和运营商带来许多问题。一方面用户和运营商不能灵活地利用各具优点的多种通信标准制式；而另一方面，通信技

术迅速的升级换代也给运营商和用户的投资带来很大的损失。针对这种情况，可以在第三代移动通信发展中引入软件无线电，充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性和通用性，实现第三代与GSM系统的兼容。

软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用体现在以下几个方面：

（1）为第三代移移动通信手机与基站提供了一个开放的，模块化的系统结构；

（2）智能天线结构的实现，空间特征矢量包括来波方向估计的获得、每射频通道权重的计算和天线波束赋形；

（3）各种信号处理软件的实现，包括种类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件算法等。

2.6.4 在移动终端方面的应用

利用不同的软件适应不同的标准、高速软件设置来改变信道拉入方式或调制方式。软件无线电技术可以设计出灵活的通信终端，使一部终端（手机）能用于不同制式的移动网络上，大大方便了用户，降低了运营商的成本。由于2G，2.5G（第二代半），3G移动通信的不断演变，要求手机能是多频/多模的可编程手机、显然，软件无线电是实现上述要求的最佳解决方案。采用软件无线电技术使手机可以自动检测接收信号，接入不同的网络，而且能满足不同接续时间的要求。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，这些问题都会得到圆满解决。利用软件无线电技术开发新一代的多模移动通信手机，可以实现一机在手，漫游天下的设想。随着移动通信和个人通信系统PCS业务的不断拓展，软件无线电必将成为移动通信中的主流技术。在未来移动通信中，软件无线电将改变传统的观念，给移动通信的软件化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深远的影响。

3 移动通信的发展方向

未来的移动通信应该是怎样的呢？我们认为，未来的移动通信将是一个以个人通信为主的通信系统：无论任何人无论在任何时间任何地方都能与任何人进行任何类型信息的交换。从大范围公众移动通信来看，第三代移动通信系统（3G）技术将是主导，它将以各种新技术为基础，综合各种通信网络，发挥各自的优点，取长补短，在统一要求和统一标准的条件下，突破关键技术，解决各种网络之间的互连互

通，加强通信网络的智能化管理功能，以实现全球性的个人通信网。

更远的未来，按专家们的预想，移动通信系统将向下一代第四代移动通信系统发展。4G移动通信系统可将现有的无线技术（包括GSM无线局域网和蓝牙技术等）无缝地联系在一起，支持更加广泛、个性化的服务，提供更加稳定的网络性能和服务质量，从而形成集固定无线手段于一体，各种接入方式综合发挥效用，各种业务形成全网络配置的一体化综合网络。4G系统是基于不同种类网络互联的全IP网，允许用户在任何时间、地点使用任何系统，用户携带一个互联的移动终端就可以使用由多个无线网络提供的大范围服务。当然，这一进程将是漫长的，也必将遇到很多挫折，我们期待着这一天的到来。

结论：本文主要介绍了移动通信技术的发展以及第三代移动通信中所采用的一些新技术（特别是软件无线电技术），分别从软件无线电的结构、特点、应用等方面进行了阐述，说明软件无线电的出现是移动通信模拟通信技术、数字通信技术以后的第三代移动通信技术，它以其极强的灵活性和开放性代表着移动通信系统的发展趋势。但是，这些新技术方面还有许多不足，发展移动通信需要综合运用各种技术手段，采取一体化的思路规划和建设网络发挥不同技术的个性，综合布局，达成移动通信的整体优势和综合能力我国移动通信产业面临很大的发展机遇和强有力的挑战。分析了解移动通信技术的发展，有利于我们总结经验，把握方向，抓住机遇，早日建成满足未来业务需求的移动通信网。

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