无线通信技术的发展及前景

无线通信技术的发展及前景

作者：曹剑

来源：《商品与质量·学术观察》2013年第09期

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。

关键词：无线通信蜂窝无线自组织网络

一、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。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。

二、无线通信的主要技术——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。“蜂窝”概念的提出使无线电话系统的普及向前迈进了一大步，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。

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。

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。

三、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。

自组织网络（ad hoc wireless network）是一些无线移动节点的集合，他们无需借助实现建立的设施即可自行构建成一个网络，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。

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。

四、无线通信的前景

展望未来，无线通信在几十年内仍将是通信发展的前沿。无线通信的前景是，不论在世界的任何地方，人们都可以用小体积的手持设备或笔记本电脑方便地进行多媒体通信。不论是在办公室、校园，还是街边的咖啡厅，掌上电脑、笔记本电脑和台式电脑都可以通过无线网络相互通信。这种无所不在的网络就被称为“无线泛在网络”。要实现无线网络的“泛在化”就必须要求我们现有的不同种类的网络能成功的衔接在一起，蜂窝系统和无线局域网之间局域网与自组织网之间以及无线网络与互联网之间，这种将异构网络融合在一起协同为人们提供服务的技术已经成了现阶段无线通信技术的研究热点。可以想象，在未来人们接入一个网络就能相当于接入了整个网络，在全世界的每个角落通过一个便携设备即可访问所有网络的海量数据。

参考文献：

[1]Kucar， A. D.，“Mobile Radio—An overview，” IEEE Communications Magazine， pp. 72-85， November 1991.

[2]D. Parsons， The Mobile Radio Propagation Channel， Wiley， New York， 1994.