1、无线通信发展史资料马克思主义与当代课程报告 题 目 无线通信概论 学 院 通信工程学院 专 业 通信与信息系统 学生姓名 学 号 摘要在过去的十几年里无线通信已经成为电信行业中最大的产业之一，并逐渐成为21世纪最有前途的产业。在过去的十年中，蜂窝系统经历了指数型的快速增长，全球用户数已达20亿。无线通信爆炸式的增长以及笔记本电脑和掌上电脑的大量普及，充分显示出无线网络有着光明的前景。本文首先介绍了无线通信的起源与发展并简要介绍了与有线通信相比无线通信所面临的技术难题。然后详细介绍了与当代生活息息相关的蜂窝电话系统的概念提出与发展历程，以及在未来智能化社会中有巨大发展场景的无线自组织网络技术的特
2、点与应用。最后，对无线通信的发展历程做出了总结，并思考无线通信技术发展的科学规律，以及对下一代无线通信做出展望。关键词：无线通信 蜂窝 无线自组织网络AbstractIn the past ten years, wireless communications has become one of the largest industries of the telecommunications industry, and gradually became the most promising industry in the 21st century. In the past decade, the
3、 cellular system has experienced rapid exponential growth and the global number of users has reached 2 billion. The explosive growth of wireless communications and the large number of laptops and handheld computer spreading among the people, show that the wireless network has a bright future clearly
4、. This paper first introduces the origin and development of wireless communications and briefly describes the technical challenges wireless communications facing compared to wired communications. Then it describes the concept and the course of development of cellular phone systems which are closely
5、related to contemporary life, as well as the characteristics and application of the ad hoc wireless network which has tremendous development scenarios in the future intelligent society. Finally, this paper summarizes the course of development of the wireless communication, think about the law of dev
6、elopment of wireless communication technology, as well as make outlook the next generation wireless communications.Keywords: Wireless Communication Cell Ad hoc Wireless Network 第一章 引言1.1无线通信的起源与发展最早的无线通信出现在前工业化时期，这些系统使用狼烟、火炬、闪光镜、信号弹或者旗语，在视距内传输信息。为了能传输更复杂的消息，人们又精心设计出了用这些原始信号组成的复杂信号。为了能传得更远，人们在山顶道路旁建立
7、了一些接力观测站。直到1838年，这些原始的通信网才被塞缪尔莫尔斯发明的电报网替代，接着又被电话取代。在电话发明几十年后的1895年，马可尼首次从英国怀特岛到30km之外的一条拖船之间成功进行了无线传输，现代意义下的无线通信从此诞生。从这一天开始，无线通信技术迅速发展，使我们能够在更远的传输距离上实现更好的通信质量、更低的功耗、更小的体积和更便宜的价格，使公网和专网的无线通信、无线电视、无线网络等成为现实。截至1934年，美国已有194个城市的警备系统和58个州立警察局采用了调幅（AM）移动通信系统来保证公众安全。据估计，在20世纪30年代中期大约有5000个移动设备安装了无线电接收装置。对于
8、这些早期的移动通信用户而言，车辆点火装置的噪声使他们面临的主要问题1。1935年，Edwin Armstrong 第一次展示了频率调制（FM）技术的强大功能。自此以后调频技术成为了全球移动通信系统中使用的主要调制技术。第二次世界大战加速了制造业及小型化技术的发展，并在战后大量的单向和双向无线电通信系统中与电视系统中得到了运用。美国移动用户的数目从1940年的几千人迅速上升，分别达到1948年的8.6万人、1958年的69.5万人和1962年的140万人1。在20世纪60年代，大部分移动用户都没有连接到公用交换电话网（PSTN）上，所以不能在汽车上直接拨打固定电话。随着民用无线电与诸如车库门遥控
9、开关、无绳电话等无线设备的兴起，到1995年，移动和便携式通信的用户量已经达到了1亿左右，占美国人口总数的37%。1991年的研究表明，美国投入使用的无绳电话介于2500万到4000之间2，2001年的数量已超过1亿。全球蜂窝移动电话数从1984年的2.5万增长到1993年的2500万3。从那以后无线服务的用户数以每年超过50%的速度增长。1.2 无线通信的特点和技术难题无线信道的传输特性决定了无线网络设计与有线网络设计的截然不同。随机的无线信道不是理想的传输媒介。首先，无线频谱是稀缺资源，必须分配给不同的系统和业务使用，因此无线电频谱必须由区域性和全球性的管理机构控制。工作于给定频段的区域性
10、或全球型无线通信系统必须遵守相应管理机构对这一频段做出的种种规定。在几GHz的频段上，无线通信器件容易做到大小合适、功耗适中、成本低廉，但这一频段已经拥挤不堪。而光纤传输的带宽已经可以做到上THz。其次，无线信道随机多变。当信号通过电磁波在无线信道中传播时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波形成反射、散射和绕射，从而导致信号通过多条路径到达接收机，造成多径效应，多径效应会导致信号的衰落。如果发射机、接收机或周围的物体在运动，多径反射和衰减的变化将使接收信号经历随机波动。而在有线通信中信号传输过程中仅有衰减和和噪声的干扰，接收端的信号相对稳定没有多径效应和随机波动。无线信道的多径效应和事变特
11、性限制了无线信道的频带利用率。再次，由于无线电波能够全向传输的特性，导致一定区域范围内的无线信号可以相互干扰，为了克服干扰我们必须把共享信道分成若干互不干扰的子信道，再分别分给各个用户，这大大限制了无线通信系统的容量；另外，无线电波能够全向传输的特性也使得无线通信的安全难以保证，任何人通过一部射频天线就可以轻松的截获电波。为了支持电子商务、信用卡交易这样的业务，无线网络的安全性必须进一步加强。而且，除了上述特性，无线通信对设备的要求也比有线通信要高。对手机的要求主要是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正
12、常工作。从上面的论述可以看出，在数据传输速率和可靠性方面，无线网络永远无法与有线网络相媲美。但是无线网络的方便不受连线束缚的有特性，以及其组网迅速灵活，能应对临时突发需要的优点促使了无线通信技术在近年来飞速发展，虽然其与有线网络有不可跨越的距离，但在巨大需求的趋势下，无线通信一直朝着速率更高，覆盖范围更加全面，服务更加便捷的方向快速发展。1.3 本文章节安排第一章介绍了无线通信的起源发展，无线通信的特点以及需要克服的技术难题。第二章介绍了蜂窝电话系统，首先介绍“蜂窝”这一创造性概念的提出及意义，然后介绍蜂窝电话系统的特点及发展历程。第三章介绍无线自组织网络诞生原因以及与其他无线系统的区别，并介
13、绍了无线自组织网络的应用场景。第四章总结本文内容并对无线通信的未来做出预测与展望。第二章 蜂窝电话系统2.1 蜂窝概念的提出蜂窝电话网是迄今为止最成功的无线网络。这类系统最早要追溯到1915年在纽约和旧金山之间建立的无线话音传输。早期的这种系统在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区（半径可达几万米）。这种系统的主要矛盾是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远不能满足用户的需要。例如，在20世纪70年代与美国纽约开通的IMTS系统，仅能提供12对信道。也就是说，网中只允许12对用户同时通话，倘若同时出现第13对用户要求通话，就会发生阻塞。20世纪五六十年代
14、出现了解决容量问题的一种方案，这就是美国电报电话公司贝尔实验室的研究人员提出的蜂窝概念4。蜂窝系统把整个服务区域划分成若干个较小的区域（Cell，在蜂窝系统中称为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区，如图2-1所示。蜂窝系统基于这样一个事实，即传输信号的功率随着距离的增大而减小。把两个用户在空间上分隔足够远的距离，就能使他们之间的干扰非常小，于是这两个用户就可以使用相同的频率进行各自的通信，从而使频率被充分利用，系统所能承载的用户数也因此而大量增加。图2-1 蜂窝电话系统示意图“蜂窝”概念的提出使无线电话系统的普及向前迈
15、进了一大步，可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。如果没有“蜂窝”概念即使解决了无线电话的容量问题，手机仅能为少数人服务，不会像现在这样飞入寻常百姓家。2.2 蜂窝电话系统的特点及技术难题2.2.1频率复用和系统容量 蜂窝系统的基本原理是频率复用，它利用信号功率随传播距离增大而减小的特性，允许空间上分开一定距离的两个点使用同样的频率。蜂窝系统将覆盖区域划分成许多小区，每个小区使用一组信道。同一组信道可被一定距离以外的另一小区重复使用，如图2-1所示，Ci表示在该小区所使用的信道。 城市地区现今的蜂窝系统大多采用很小的小区，促使这种演进的原因有两个：一是高密度
16、地区需要有更大的容量，二是基站的体积和成本减小了。从系统的角度看：任意大小的小区可支持的用户数仅与频带能划分的子信道有关与覆盖大小无关，因此对于给定的覆盖范围，采用大量微小区时，单位面积上可支持的容量要显著高于只采用少量宏小区的情形。但是，微小区也是网络设计变得更加复杂，移动台在微小区滞留的时间较短，因此需要快速处理切换。微小区使位置管理也变得更复杂，因为用户所在地可能被多个微小区覆盖。 从上面的论述可以看出，现阶段我们面临着系统容量与网络设计复杂度的权衡，一方面我们为了获得高的系统容量而减小小区面积；另一方面我们为了降低网络管理的复杂度而控制小区面积使其不能太低。2.2.2多址接入技术 通信
17、系统中，频谱共享又称为多址接入，它是把信号空间沿着时间轴、频率轴或是码空间轴进行分解来实现的。频分多址（FDMA）把整个系统的带宽分割成若干个频率正交的信道。时分多址（TDMA）则将时间正交分割，每一信道在指定的时隙内占用了整个频段。TDMA要求用户在实践上保持同步所以实现起来要比FDMA困难一些。但TDMA易于支持多速率，只需给一个用户分配多个时隙即可。码分多址（CDMA）系统通常采用直序扩频或者跳频扩频方式，用不同的码子区分不同的用户。图2-2为频分、时分、码分多址技术的示意图。图2-2 三种多址技术2.2.3用户间的干扰与容量 蜂窝系统使干扰受限的，及系统中的干扰远远大于背景噪声，使得系
18、统中的用户数的增加主要受干扰程度的限制。因此任何能够减小干扰的技术都能直接提高系统容量和行能。此类已经应用的技术包括小区扇区化、定向或智能天线、多用户检测、动态资源分配等。2.3 蜂窝电话系统的发展2.3.1第一代蜂窝系统第一代蜂窝系统（1G）主要采用模拟语音调制技术和频分多址(FDMA)技术，传输速率约2.4kb/s，由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。 模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问
19、题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。2.3.2第二代蜂窝系统 第二代蜂窝系统（2G）采用数字语音调制技术，数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容，这也就给我们使用手机享受多媒体业务提供了契机。虽然2G支持的用户数据速率不高但是通过电路交换的方法，他还是能支持有限的Internet浏览和发送简短消息的功能。短消息（SMS）业务是GSM的一大特色，用户只需输入接收方手机号码，就可以在同一个网络中向其他用户发送简短的实时消息。2G通信系统主要包括3个TDMA标准和1个CDMA标准，其中在我国使用的有：（a）全球移动系统（GS
20、M），每200kHz无线信道支持8个用户时隙，目前在欧洲、亚洲、澳大利亚、南美、以及美国部分地区的运营商普遍都在蜂窝通信和PCS采用了这一技术5；（b）著名的2G CDMA标准临时标准95（IS-95），即cdmaOne，在每1.25MHz的信道上同时支持64个正交编码的用户。CDMA在北美已经开始使用，同时在韩国、日本、中国、南美、以及澳大利亚也得到了普遍采用6。从技术上来说，CDMA和GSM之间的区别就在于无线发送接收的制式不同，调制解调的方法不同。对于用户来说，它们的不同在于：一、CDMA手机可以说是名副其实的绿色手机，它发射功率极小(2mw)，只是我们现在使用的GSM手机(功率为125
21、mw)的160，甚至低于电视屏幕产生的辐射功率； 二、CDMA手机采用了先进的切换技术软切换技术(即切换是先接续好后再中断)，使得CDMA手机的通话可以与固定电话媲美，而且没有GSM手机的掉线现象； 三、使用CDMA网络，运营商的投资相对减少，这就为CDMA手机资费的下调预留了空间； 四、因采用以拓频通信为基础的一种调制和多址通信方式，其容量比模拟技术高10倍，超过GSM网络约4倍； 五、更为重要的是，基于宽带技术的CDMA使得移动通信中视频应用成为可能，从而使手机从只能打电话和发送短信息等狭窄的服务中走向宽带多媒体应用。2.3.3 2.5G蜂窝系统的演进 为了与不断提高的数据速率要求相一致，
22、同时支持新的应用，人们在已有2G的基础上提出了新的以数据为中心的标准。这些标准代表了2.5G技术，它对2G技术进行了修改和增加。为了向网页浏览、邮件、手机商务、移动定位业务提供更高速的数据传输，2.5G技术增加了基站，更新了用户单元的软件。2.5G也支持一种流行的新型网页浏览语言，这就是无线应用协议（WAP），该标准使得原有标准的网页能够通过一种压缩的形式在便携式无线设备上呈现出来。 2.5G可以提供GPRS或EDGE业务的系统。GPRS（General Packet Radio Service）是为GSM和USDC（IS-136）移动用户提供的以包交换为基础的移动数据服务，为用户提供从56K
23、bps到114Kbps速率的分组数据业务。EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）也称为EGPRS（Enhanced GPRS），GSM用户可以容易地升级到EDGE。EDGE是GPRS的扩展集，并向下兼容GPRS。EDGE可以将GSM中每时隙的总速率从22.8Kbps提高到69.2Kbps。2.3.4第三代蜂窝系统 为了满足不断增长的网络容量需求，数据速率亟待提高到能提供高速数据传输和多媒体应用的水平上来，于是3G标准出现了。3G系统提出了多种接入方式，在过去这几乎是无法实现的。兆级的接入速率、VoIP、语音激活呼叫、无处不在的“永远在线”接入能力
24、都仅仅是3G开发者们所述的优势中的几个而已。开发3G设备的公司希望，用户无论在开车、行走还是在办公室的时候，都能使用手机听到现场音乐、浏览网页，同时接受到多媒体和数据。 常见的3G标准包括：UMTS（W-CDMA）、CDMA2000、TD-SCDMA、GAN/UMA、WiMax。其中，由中国提交的TD-SCDMA标准，虽然在ITU的标准征集阶段是后来者，却凭借其独特的技术优势最终胜出。同时，作为三个主流标准中惟一一个TDD标准，该技术从诞生初始就一直备受世人关注。图2-3 TD-SCDMA的历史图2-4 蜂窝电话系统的演进过程第三章 未来无线通信自组织网络技术3.1 自组织网络的概念提出 严格
25、意义上讲，蜂窝网络不是完全意义上的无线网络，因为蜂窝系统只有最后一跳（即从基站到移动台）是无线链路。而蜂窝系统中数据交换以及数据处理都是通过骨干网（有线网络）完成的。这就导致了蜂窝系统必须依赖于基站光纤等硬件设施，建网成本高、时间长，一个网络的建立周期长收益获得较慢。 从蜂窝系统特征可以看出蜂窝系统并不适合低成本的商用系统、在无信号无硬件设施的偏远地区的临时系统、战场上需要迅速搭建的战时系统等，那么有没有一种新的可以不依赖于硬件设施组网便捷的网络技术呢？自组织网络技术应运而生。图3-1 现有蜂窝网络结构 自组织网络（ad hoc wireless network）是一些无线移动节点的集合，他们
26、无需借助实现建立的设施即可自行构建成一个网络，如图3-1所示。在没有网络架构的情况下，这些移动节点靠自己来处理必要的控制和网络功能，一般是通过分布式控制算法实现这一目的。图3-2 自组织网络结构3.2 自组织网络的特性 无线自组织网络能自动适应具体的应用；只要有可用的网络节点，就可以组网。无线自组织网络还有其它吸引人之处：不需要投资建设和维护基础设施；可以快速部署和重组；分布式特性、节点冗余性和不存在单点故障问题使它有很好的抗毁性。 无需控制中心和基础设施这一特点为无线自组织网带来大量优势的同时，也为自组织网络的实现带来了大量难以实现的技术难题。由于缺乏基础设施，自组织网络中每一个移动台既是用
27、户节点也是路由节点，即每个移动台既要发送自身数据也要帮其他的节点转发数据，这就给网络容量、路由协议设计以及用户设备的能耗控制带来了极大地挑战。3.3 自组织网络的应用虽然与其他无线网络相比，自组织网的最佳设计、性能、网络能力等问题还有待研究，但无线组织网络的优秀特性驱使其迅速发展，许多关于无线自组织网络的突破性研究都受到过美国国防部高级研究计划署（DARPA）和美国海军的支持，美国军方已经研制大量的Ad Hoc网络设备用来装备部队。20世纪90年代以来，由于Ad Hoc网络逐渐开始采用TCPIP等标准的商用网络协议，其应用领域也逐渐从军事应用向民用扩展，越来越多的研究人员参与到了对Ad Hoc
28、网络技术的研究工作中。3.3.1 数据网络 自组织网络数据网主要支持笔记本电脑、掌上电脑、个人数字助理（PAD）及其他信息工具间的数据交换。虽然低成本、高性能的架构式无线局域网已经非常流行，但无线自组织网有它自己的优势： 首先，借助多跳路由，一个接入点就能把整个区域内的所有节点都连接到有线骨干网，这就见效了成本和安装要求。 其次，有时候节点通过接入点或者基站进行通信是很低效的，入两个相邻的PAD，他们能够直接交换信息，而不需要从别处转发。 自组织无线数据网络还用于不能部署网络架构，或者部署成本太高的大区域。例如在不能部署网络基础架构的偏僻地区，我们可以洒一个传感器网络。此外，军事、救灾等需要快
29、速构建和拆除网络的情形，我们只能依靠自组织网。3.3.2 家庭网络 自组织网络用于支持居室内或附近设备之间的通信，包括台式电脑、笔记本电脑、个人数字助理、无绳电话、智能家电、监控系统、消费电子产品和娱乐设备。这种网络可以实现“智能房间”，它能感知到有没有人移动，再相应调节照明和采暖；能实现“感知家庭”，它将传感器和计算机组成网络，能照顾老弱病残的生活。家庭网络能使视频监控或传感监测系统有综合解读数据的智能，可在异常情况下向主人、警察或者消防队发出告警；能使智能家电互联并能连接到互联网，从而可以进行远程控制、软件升级和规划维护；能使娱乐系统中随便一个电视机或者音响系统都能连接到VCR、机顶盒或个
30、人计算机。3.3.3 传感器网络 无线传感器网络有许多小节点组成，这些节点具有传感、计算和网络功能，它也体现了这三种重要技术的聚合。无论是民用还是军用，传感器网络都有巨大的潜力。军事任务要求传感器或其他信息搜集装置必须安置在目标附件，因而他们面临着很大危险，因此所用的技术必须要有很高的冗余性或者很强的抗毁性，并且尽量不需要人工干预。一些工业应用中的设计考虑也和这些军事应用类似，比如用传感器阵列来遥感核电站、矿山和其他工业场所。 传感器阵列在重大事故中也有巨大的市场潜力。比如在房屋倒塌的营救行动中，传感器阵列可以迅速部署在事故现场，它们可以跟踪热量、天然气和有毒物质，可以用声学传感器和定位技术发
31、现被困的幸存者。第四章 总结与展望4.1 文章总结从马可尼第一次向世人展示无线通信以来，无线通信技术就取得了举世注目的发展，全世界的人们不断的经历着新的无线通信技术的产生，并享受这多种多样的无线通信的服务。本文第一章首先回顾了无线通信技术的诞生以及发展历程，从用户数目的飞速增长我们能感受到无线通信对我们生活的巨大影响。随后简单介绍了无线通信的特点和技术难题，通过与有线通信作对比我们看出虽然从数据传输速率和可靠性方面，无线网络永远无法赶上有线网络，但无线网络自身优势驱使一代又一代的研究人员推动技术的进步。本文的第二章介绍了与我们生活最为相关的无线通信技术蜂窝电话系统，从“蜂窝”这一创造性概念的提
32、出，到蜂窝电话系统所必须面临技术问题，最后介绍了蜂窝电话系统的发展历程。本文第三章介绍了一种新型的无线网络无线自组织网络，由自组织网络的应用可以看出自组织网络对“智能化”生活有极大的推动作用，可以预见其在未来无线通信中必然大放异彩。4.2 无线通信技术发展规律的思考 从无线通信的发展历程可以看出没有十全十美的技术，和有线通信相比无线通信的优势在于便捷缺点是数据速率低可靠性差。由于无线通信无法弥补的缺陷，设备制造商们一度认为无线通信只能在军事通信等特殊场合应用，在民用方面永远不会像有线这样普及。但是在几代研究人员的不懈努力下无线通信不但出色的完成了语音业务，还在向原本最不擅长的数字业务进军。从这里我们能够总结得到的规律是：一个技术只要有其特别突出的优点，其余方面纵使有很大不足也是会有很好的发展前景的。但是前途虽然是光明的，道路却是曲折的，在探索发现的道路上科研人员必须能够发挥主观能动性，这样技术会一直进步。从蜂窝概念的提出和蜂窝系统的发展可以得
