蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢(shì)

朱國(guó)祥

【摘要】隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)科技的研究越發(fā)深入，同時(shí)科技的發(fā)展也讓人們的生產(chǎn)生活發(fā)生了翻天覆地的變化。其中與人們密切相關(guān)的就是蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，它的出現(xiàn)讓人們能夠與千里之外的人隨時(shí)保持聯(lián)系，也是維持人們現(xiàn)在生活、工作的基礎(chǔ)。本文將詳細(xì)闡述蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程，以及未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，希望能能夠?yàn)橄嚓P(guān)的研究人員提供思路。

【關(guān)鍵詞 】蜂窩通信;移動(dòng)通信;發(fā)展歷程;發(fā)展趨勢(shì)

通信產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的要數(shù)無(wú)線通信，它的應(yīng)用范圍廣泛，其中涉及的領(lǐng)域包括金融行業(yè)、教育行業(yè)等。早在2000多年前的周朝時(shí)期無(wú)線通信就已經(jīng)出現(xiàn)了萌芽，比如軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中采用烽火傳遞消息。1958年，意大利工程師伽利爾摩·馬可尼進(jìn)行的莫爾斯電報(bào)實(shí)驗(yàn)中，他利用感應(yīng)線圈和負(fù)荷天線實(shí)現(xiàn)了距離1.5米之內(nèi)的通信。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功為人們?nèi)蘸笱芯繜o(wú)線通信奠定了基礎(chǔ)。但是這種無(wú)線電報(bào)以及后來(lái)發(fā)明的雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用范圍較小，在當(dāng)時(shí)僅能滿(mǎn)足一小部分人的通信需求，而蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的出現(xiàn)則成為廣大人民群眾的福音。

一、蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展歷程

（一）第一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)（1G）

20世紀(jì)70年代，移動(dòng)電話業(yè)務(wù)系統(tǒng)也就是AMPS系統(tǒng)被美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室率先研發(fā)成功，這是第一次人們能夠真正使用的具有隨時(shí)通信能力的較大容量的蜂窩移動(dòng)通信。此系統(tǒng)利用的是頻率復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)能夠保障移動(dòng)終端在通信網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的區(qū)域內(nèi)自由通信，具有容量大、通話質(zhì)量高的特點(diǎn)，此系統(tǒng)的研發(fā)成功有效解決了通信容量小以及頻譜資源受限的問(wèn)題。70年代末美國(guó)在國(guó)內(nèi)全面推廣AMPS系統(tǒng)，此系統(tǒng)一經(jīng)推出立即以?xún)?yōu)良的服務(wù)和性能受到了廣大人們的熱愛(ài)和好評(píng)。AMPS系統(tǒng)在美國(guó)的發(fā)展對(duì)全球范圍內(nèi)蜂窩移動(dòng)技術(shù)的研究起到了促進(jìn)作用。80年代中期，歐洲和日本也緊隨美國(guó)之后，在國(guó)內(nèi)建立了自己的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，如歐洲建立的是NMT-450系統(tǒng)，日本建立的是NTT/JTACS/NTACS系統(tǒng)。這些國(guó)家在本國(guó)建立的移動(dòng)通信系統(tǒng)模擬制式的頻雙分工系統(tǒng)，也叫做第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為1G系統(tǒng)。FDMA是數(shù)據(jù)通信中主要的技術(shù)之一，也就是將移動(dòng)用戶(hù)放置在時(shí)間間隔相同而頻率不同的信道中。利用FDMA技術(shù)就能將頻分多路傳輸系統(tǒng)中處于集中控制的頻道按照有關(guān)要求分配給不同的通信用戶(hù)。頻分多址與固定分配相比較，在運(yùn)行的過(guò)程中能將通道容量按照相應(yīng)的要求進(jìn)行調(diào)換。在FDMA系統(tǒng)中會(huì)將一個(gè)信道分配給通信用戶(hù)，也就是一對(duì)頻譜，其中一個(gè)頻譜用作前向信道，另外一個(gè)頻譜則用作反向通道。其中前向通道指的是基站通向移動(dòng)方向臺(tái)的信道，而反向信道則是指移動(dòng)方向臺(tái)通往基站的信道。這種通信系統(tǒng)的基站在用戶(hù)通信的過(guò)程中必須同時(shí)向外發(fā)射或者是接收不同頻率的信號(hào)，而且用戶(hù)之間的通信必須先到達(dá)基站然后才能進(jìn)行中轉(zhuǎn)，所以用戶(hù)雙方之間要想實(shí)現(xiàn)通信必須同時(shí)占用2個(gè)信道。以前進(jìn)行的模擬通信系統(tǒng)采用的都FDMA，而FDMA系統(tǒng)使用的則是調(diào)頻的多址技術(shù)。FDMA就是將通信的整個(gè)系統(tǒng)劃分成無(wú)數(shù)個(gè)同等間隔的信道，并將這些信道分配給不同的通信用戶(hù)進(jìn)行通話交流。這些頻道之間彼此獨(dú)立，互不干擾。

（二）第二代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)（2G）

第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)也被人們稱(chēng)為GSM移動(dòng)通信，指的就是通過(guò)工作在900/1800MHz頻段之間的GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為移動(dòng)用戶(hù)提供相應(yīng)的語(yǔ)音服務(wù)以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。研發(fā)人員研發(fā)GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)，在系統(tǒng)的無(wú)線接口處選擇的是TDMA技術(shù)，并將MAP 協(xié)議作為此系統(tǒng)核心網(wǎng)的移動(dòng)管理協(xié)議。目前全球已經(jīng)有200多個(gè)國(guó)家和地區(qū)使用GSM電話進(jìn)行溝通和交流。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商簽署“移動(dòng)漫游”協(xié)議后，用戶(hù)可以在他們之間自由進(jìn)行通話。GSM移動(dòng)通信與之前的標(biāo)準(zhǔn)相比較其具有優(yōu)越性體現(xiàn)在數(shù)字式的信令和語(yǔ)音信道，所以GSM移動(dòng)通信也被人們稱(chēng)作第二代移動(dòng)電話系統(tǒng)。這表明數(shù)字通訊在系統(tǒng)中早已存在。GSM是一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通俗來(lái)講移動(dòng)電話在使用時(shí)要連接到它能搜索到的距離最短的蜂窩單元區(qū)域。不同的無(wú)線電頻率都是GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的通道。GSM網(wǎng)絡(luò)的蜂窩單元尺寸有4種，第一種是巨蜂窩，第二種是微蜂窩，第三種是微微蜂窩，最后一種是傘蜂窩，四種蜂窩的覆蓋區(qū)域因環(huán)境的不同而略有差別。巨蜂窩類(lèi)似基站天線可以安裝在天線桿、建筑頂端;微蜂窩的天線高度處于建筑之下;微微蜂窩的覆蓋區(qū)域僅有幾十米，且主要應(yīng)用于室內(nèi);而傘蜂窩是則具有填補(bǔ)蜂窩網(wǎng)漏洞區(qū)域的作用。蜂窩半徑范圍主要由以下三個(gè)條件決定，一是天線高度，二是增益，三是傳播條件，可以從百米延伸到數(shù)十里，在實(shí)際的使用過(guò)程中，GSM最長(zhǎng)距離為35公里。另外還有個(gè)擴(kuò)展蜂窩的概念，其半徑可以在原有的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一倍以上。

（三）第三代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)（3G）

第三代移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)質(zhì)上指的就是能夠支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)支持聲音以及數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸速度更快，約為幾百kb。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用寬帶CDMA技術(shù)，并為移動(dòng)用戶(hù)同時(shí)提供語(yǔ)音以及數(shù)據(jù)服務(wù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)也被稱(chēng)作未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠有效解決前兩代系統(tǒng)的主要弊端，是目前最先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。3G系統(tǒng)與前兩代系統(tǒng)相比能夠使用戶(hù)在全世界范圍內(nèi)不受時(shí)間、地點(diǎn)、方式的影響高質(zhì)量的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音通話業(yè)務(wù)。由此可見(jiàn)，第三代移動(dòng)通信重視用戶(hù)的自主因素，將用戶(hù)放在首要位置，所以第三代移動(dòng)通信也被稱(chēng)為未來(lái)個(gè)人通信系統(tǒng)。第三代移動(dòng)通信在技術(shù)上選擇的是寬帶CDMA系統(tǒng)，也就是分址技術(shù)。多址技術(shù)其實(shí)就是讓基站附近的移動(dòng)臺(tái)利用何種方法搶奪并占領(lǐng)信道進(jìn)入基站，并從基站中接收移動(dòng)信號(hào)的技術(shù)，只有移動(dòng)臺(tái)占據(jù)了某一條信道，移動(dòng)通信才有可能順利進(jìn)行。現(xiàn)階段已經(jīng)使用的多址技術(shù)應(yīng)用了前兩代通信中的頻分多址（FDMA） 、時(shí)分多址（TDMA）以及窄帶碼分多址（CDMA）三種。三種技術(shù)各有不同，F(xiàn)DMA指的是不同的移動(dòng)臺(tái)占據(jù)不同的頻率;TDMA指的是不同的移動(dòng)臺(tái)占據(jù)相同的頻率;但占據(jù)的時(shí)間段略有不同;CDMA指的是不同的移動(dòng)臺(tái)占據(jù)相同的頻率，但是各個(gè)移動(dòng)臺(tái)帶有不同的隨機(jī)碼序，所以同一個(gè)頻率所服務(wù)的移動(dòng)臺(tái)數(shù)目則是由隨機(jī)碼的數(shù)量來(lái)確定的。寬帶CDMA性能更優(yōu)越，其運(yùn)行寬帶較廣，抵抗信號(hào)干擾的能力也更強(qiáng)，信號(hào)的傳遞功能也有所提高。

（四）第四代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)（4G）

第四代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)就是目前人們正在使用的通信技術(shù)。4G在前三代通信技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新增強(qiáng)無(wú)線通信的業(yè)務(wù)功能以及上網(wǎng)速率。4G技術(shù)分為兩大類(lèi)別，一個(gè)是TD-LTE，另外一個(gè)是FDD-LTE。其中TD-LTE指的就是3G技術(shù)改進(jìn)并提高了空中接入技術(shù)，使用正交頻分復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及多入多出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4G網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)相比傳輸速度提高了約50倍，視頻圖像的傳輸效果可比擬高清電視?，F(xiàn)階段雖然4G技術(shù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，但是仍存在一些問(wèn)題，舉例來(lái)說(shuō)，缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)彼此干擾，互不相融;信號(hào)容易被較大的建筑物所遮擋等等?？茖W(xué)家們也在致力于研發(fā)更為先進(jìn)的通信技術(shù)。

二、蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展

20世紀(jì)80年代末蜂窩移動(dòng)就已經(jīng)正式走向中國(guó)，并在廣東地區(qū)率先投入使用。在認(rèn)識(shí)到1G網(wǎng)絡(luò)的局限性后，我國(guó)在搭建1G網(wǎng)絡(luò)后立即召集相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)入2G通信技術(shù)的研發(fā)當(dāng)中。1993年我國(guó)首個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在嘉興地區(qū)正式投入使用，隨后中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通兩大運(yùn)營(yíng)商在全網(wǎng)建立移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)2001年中國(guó)移動(dòng)由原本的1G網(wǎng)絡(luò)正式向2G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，并在年底關(guān)閉1G網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)移動(dòng)通信從此邁入嶄新的時(shí)代。但是這兩代通信技術(shù)均來(lái)自于國(guó)外，所以在政府的支持和引導(dǎo)下，我國(guó)科研人員加大了對(duì)3G技術(shù)的研究。2000年我國(guó)研發(fā)的TD-SDMA通信技術(shù)得到國(guó)際認(rèn)可并成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，為我國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作奠定了基礎(chǔ)。目前我國(guó)3G用戶(hù)人數(shù)進(jìn)入快速增長(zhǎng)的狀態(tài)。2014年年末，我國(guó)正式進(jìn)入4G時(shí)代。2017年9月，工信部統(tǒng)計(jì)我國(guó)4G使用人數(shù)接近9.5億人，在移動(dòng)電話用戶(hù)中所占比例超過(guò)了67%，超過(guò)了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水平。

三、蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)

4G移動(dòng)通信技術(shù)與前三代相比具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，但是隨著時(shí)代的發(fā)展人們的需求越來(lái)越多，對(duì)通信技術(shù)的要求也越發(fā)嚴(yán)格。2017年中國(guó)移動(dòng)在5G技術(shù)的研究方面已經(jīng)小有成就，2018年將會(huì)進(jìn)入小規(guī)模的模擬試驗(yàn)階段，2019年到2010年則會(huì)正式投入使用。5G網(wǎng)絡(luò)是一次嶄新的技術(shù)轉(zhuǎn)型，在網(wǎng)絡(luò)傳輸、資源利用方面將會(huì)達(dá)到更高的水平，用戶(hù)的體驗(yàn)也會(huì)大幅度升級(jí)。從目前研究的狀態(tài)來(lái)看，5G在日后的發(fā)展中將會(huì)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行提升與創(chuàng)新：（1）5G網(wǎng)絡(luò)將改變?cè)瓉?lái)的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸、信道編碼以及譯碼等方式，將通信區(qū)域擴(kuò)展成為小區(qū)協(xié)作網(wǎng)，采取多用戶(hù)、多點(diǎn)以及多天線的傳輸方法;（2）各移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商將用戶(hù)體驗(yàn)作為他們的核心理念，同時(shí)也是他們吸引客戶(hù)的重要措施，因此5G移動(dòng)通信技術(shù)在對(duì)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新的同時(shí)也更加注重?cái)?shù)據(jù)傳輸、虛擬現(xiàn)實(shí)以及交換業(yè)務(wù);（3）4G網(wǎng)絡(luò)目前使用的是低頻段頻譜資源，而5G移動(dòng)通信技術(shù)將在此方面進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，充分結(jié)合有線技術(shù)與無(wú)線技術(shù)，有效解決高頻無(wú)線電穿透力不強(qiáng)的現(xiàn)象，有效增強(qiáng)高頻資源的使用效率;（4）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)所，5G在研發(fā)過(guò)程中將擴(kuò)大室內(nèi)無(wú)線覆蓋區(qū)域，不斷增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn);（5）軟配置方式的使用可以讓運(yùn)營(yíng)商加強(qiáng)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的流量使用情況從而對(duì)資源進(jìn)行有效調(diào)整，避免資源浪費(fèi)。

四、結(jié)束語(yǔ)

蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的出現(xiàn)加強(qiáng)了人與人之間的溝通和交流，這項(xiàng)技術(shù)性革命在短短幾十年間經(jīng)歷了四代，第一代的出現(xiàn)與消亡，第二代的研發(fā)與普及，第三代的探索，第四代的普及，以及即將出現(xiàn)的第五代。蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的時(shí)代，徹底改變了人們的生產(chǎn)生活方式，讓人們進(jìn)入信息化時(shí)代。相信在不久的未來(lái)，通過(guò)人們的創(chuàng)新與探索，通信技術(shù)會(huì)帶給人們更多的新奇與驚喜，讓人們的生活變得更加多姿多彩。

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