风靡全球的无线个人通信技术范晓平 编译 |
当前,方兴未艾的无线个人通信的最终目标是实现用户随时随地、随心所欲地去访问静止 或运动中的任何全球网络。蜂窝及无绳电话是该领域中最成功的两个方面:蜂窝系统传输 基站覆盖区域内的话音及低速数据;无绳电话则作为标准电话的无线补充。它们都满足了 个人对无线通信的需求,也为未来无线电信系统及业务开发奠定了坚实的基础。 一、蜂窝 在无线个人通信领域,无线蜂窝系统是实现无线个人通信最早的一种形式。美国Bellcore在 70年代设计的蜂窝系统可以说是蜂窝领域的先锋,它同时也最早开发了高级移动电话业务 (AMPS)。类似AMPS的第一代蜂窝系统使用话音传输的模拟调频(FM)及信令的频移键控( FSK),频谱共享方式为频分多址联接(FDMA)。 蜂窝系统的一个显著特征是它使用了大量的福射较小(10米或小于10米)的无线电基站。 非相邻小区的基站可共用同一频率资源,这样频谱中的每MHz比以前的系统拥有更多的 用户。把单个基站的覆盖区域降至0.55公里,不仅可以支持更多的用户,还可以推动小型 便携或手持机的使用。 1. 模拟蜂窝系统 美国在824MHz～849MHz及869MHz～894MHz两个频带中共50MHz分配给无线蜂窝系统 使用,各有25MHz"A"和"B"两个频带分别分配给"非有线"和"有线"两个营运部门。在 AMPS标准中,该频谱分为832个频率信道,信令信道为二进制FSK。AMPS蜂窝业务从 1983年开始面向公众。除美国以外,AMPS在加拿大、中美、南美及澳大利亚等国家 和地区已获得成功。 在欧洲,类似AMPS的第一代系统包括意大利等国的全访问通信系统(TACS)、北欧移 动电话(NMT)、德国及葡萄牙的C-450、意大利的无线电话移动系统(RTMS)以及法 国的RadioCOM2000。这些系统的语音采用调频方式,信令使用FSK。当前模拟蜂窝 系统的用户总数已超过800万。 日本共有56MHz分配给模拟蜂窝系统。第一个模拟蜂窝系统(即NTT系统)于1979年 在东京投入运行,频率为925MHz～940MHz(移动传输),与该频率配对的频率为 870MHz～885MHz(基站传输)。1987年,日本同时出现了两个蜂窝无线电经营部 门:IDO和DDI。IDO于1988年开始经营NTT的高功能系统,并采用 860MHz～863.5MHz/915MHz～918.5MHz的频带覆盖关东—东海道地区。DⅡ将 为使用JTACS/NTACS系统(基于欧洲TACS系统)的都市以外的区域提供无线覆 盖。IDO在DDI之后又推出频带为843MHz～846MHz/898MHz～901MHz及 863.5MHz～867MHz/918.5MHz～922MHz的NTACS。IDO和DDI已联合在两个系统 间引入"漫游"功能,提供全国性的个人通信服务。日本当前的模拟蜂窝系统用 户为260万。 2. 数字蜂窝系统 低速数字话音编码技术的日新月异以及大规模集成电路技术的发展推动了蜂窝 数字系统的发展。数字化的出现使时分多址联接(TDMA)及码分多址联接(CDMA) 取代了FDMA。可用TDMA把每个无线电信道分成多个时隙组合。因此,任何给定 的蜂窝里只有一个移动装置可在任何特殊的时间里使用给定的频率。给定蜂窝 内多个移动装置使用直接顺序扩展的CDMA可同时使用一个频率信道。TDMA及 CDMA的一个显著特征是多个用户共享基站中的无线电硬件。 数字系统将在每个基站中及频率的每MHz上支持更多的用户,并能使无线系统的 经营部门在人口密集的区域提供更为经济的电信服务。TDMA及CDMA数字系统 具有如下特征: ·更自然地与正在使用的数字有线网统一。 ·统一语言与数据通信的灵活性,支持新业务。 ·引入速率较低的语音编码器,可增加一些功能。 ·射频(RF)传输功率降低(手持机的电池寿命提高)。 ·对通信加密。 ·系统的复杂性降低(减少无线电发射器)。 (1) 泛欧洲GSM系统及DCS1800 1982年欧洲建立的"移动通信特别工作组(CEPT)" 的主要任务是实现GSM(即全球移动通信系统)。GSM可提供高质量的泛欧漫游功 能及传真、电子邮件和文件等的数据传输。当初的GSM旨在900MHz的频带上运 行。1989年初,贸易产业部门倡仪把靠近1.8GHz的150MHz分配给欧洲的个人通信 网(PCS),这个系统被称为数字蜂窝系统1800,即DCS1800。它的定义意味着旧的规 范已转向新的频带,对规范中某些部分加以修改可以实现微观及宏观蜂窝覆盖。 蜂窝及PCS是最广泛的个人无线通信应用,GSM目前也打算把专门移动式无线电 应用中的"群呼"及"按键讲话"纳入其应用。 目前,欧洲的GSM用户已超过200万。许多国家也开始应用此系统。英国和德国 的电信部门已开始经营DCS1800网络。 (2) 北美的IS-54及IS-95 为了满足人口密集地区日益增高的对蜂窝移动通信的 需求,电子产业协会(EIA)及电信产业协会(TIA)采纳了基于TDMA的IS-54标准。因 为使用IS-54标准的系统必须在现有AMPS系统使用的相同频谱上运行。IS-54标 准必须是"双运行方式(Dual mode)",即提供模拟和数字两种运行方式。IS-54设备 正在部署中,而用户数量仍呈上升趋势。 EIA/TIA-IS-95标准基于CDMA系统。它具有容量增高、不需对蜂窝频率的分配 做出计划、能满足各种传输的灵活性(如高质量的13Kbps话音编码器)等许多优 点。另外,可变速率语音编码、功率控制、降低了的衰落边际和向前纠错(FCE)都 可降低RF的传输功率。 IS-95同IS-54一样,与IS-41协议兼容,在北美蜂窝频带中IS-95为双运行方式。其终 端支持可以是CDMA方式,也可以是AMPS方式。该系统已部署于美国加州的洛杉矶。 (3) 日本的个人数字蜂窝系统 1989年,日本电信部(MPT)开发了具有通用无线电接 口(可在不同移动网络间提供漫游功能)的数字蜂窝系统,1991年又推出被称为个人 数字蜂窝系统(PDC)的新数字系统。 日本共有80MHz频率分配给PDC,频带为810MHz～826MHz/940MHz～856MHz及 1429MHz～1453MHz/1477MHz～1501MHz。PDC网的高质量、高度保密及手持机 电源寿命长等特征深受广大用户欢迎。 二、无绳电话 1. 模拟无绳电话 从1984年以来,美国的模拟无绳电话已在频带46.4MHz～47MHz(基站发射)及 49.6MHz～50MHz(手持机发射)的16个频率上运行。发射带宽为20KHz,有效幅射 功率(ERP)非常低,约20μw。模拟FM用于语音信号。FCC要求对信令安全功能进 行数字编码。据估计,美国共6000万个46MHz/49MHz的无绳电话,销售量为1500 万台。1992年8月,TIA又向FCC申请在44MHz(基站发射)和49MHz(手持机发射) 频带对无绳电话产生15个附加频率对,FCC已在1995年发布了这些新频率的管理章程。 欧洲的第一批无绳电话来自远东及美国,后来英国又推出了类似于美国最早应用 的无绳标准,称为CTO,并承认了1.7MHz(基站发射)及47.5MHz(手持机发射)8个信道 对。法国也采取了类似的标准。欧洲的其他地方也开发出了被称为CEPT/CT1的 模拟无绳电话标准。该标准将在频带914MHz～915MHz/959MHz～960MHz内提供 40个25KHz的双工信道对(在频带885MHz～887MHz/930MHz～932MHz上又为CT1 分配了80个信道对,该频带与GSM的频带重叠),并承认了动态信道分配(DCA)形式。 CT1的主要特征是它能提供语音保密配置及无绳PBX应用。CT1/+的总销售量已超 过2700万。 日本在254MHz(手持机发射)及380MHz(基站发射)频带中共有89个双工信道分配给 使用FM的模拟无绳电话。另外,日本在350MHz以下及1GHz以上实现低功率无绳电 话频带分配。 2. 数字无绳电话 英国开发出的CT2/通用无线电接口(CAI)最显著的特征是数字传输格式和时分双工 (TDD)的使用。在CT2中,32kbps的自适应差分脉码调制(ADPCM)编码器要求语音数 字化。CT2频谱由40个FDMA信道组成。CT2通过语音编码译码器传输高达24kbps 的数据,直接访问32kbps的单向信道,可以支持更高的传输频率。CT2已被推崇为 Telepoint标准。Telepoint网络使用无绳基站,提供无线自动收费业务。CT2 CA1 在加拿大增强型为CT2+,其频带为944MHz～948MHz。 欧洲数字化无绳电信系统(DECT)是一种灵活接口,可为微蜂窝区(Picocell)内稠密 用户提供价廉物美的通信服务,其标准可用于国内无绳电话、Telepoint、无绳 PBX及PLL。 在功能上,DECT较传统的无绳电话更接近蜂窝系统。DECT使用TDMT及TDD,每个 方向的每个载波具有12个时隙,DECT的基本话音选择业务使用速率为32kbps的 ADPCM编码。DECT的一个关键要素是它采用了"干扰限制"(Interference comfinement) 和"干扰回避"(Interference avoidance)策略。DECT遵守开放系统互连(OSI)参考模型,同 时也遵守媒体访问控制(MAC)、数据链路控制(DLC)及网络协议等。DECT及其变体 将是未来低成本微蜂窝系统的基石。 基于数字无绳电话和数字网络的个人手持电话机(PHS)是由日本的MPT主持开发的 ,其目的不仅要满足家庭及办公应用的需求,也提供公共访问功能。PHS无线电接口 协议由日本无线电系统开发研究中心制定,网络接口由电信技术委员会(TTC)制定。 PHS使用TCMA及TDD,每个频率运载4个双工单向信道。PHS频率包括77个信道,其 中用于公共系统的40个频率所处频带为1906.1MHz～1918.1MHz。用于家庭及办公 室的37个频率所处频带为1895MHz～1906.1MHz。PHS的调制方式为4QPSK,每个方 向上手持机的传输功率为10mw,蜂窝的传输功率不超过500mw,帧形成时间为5ms。 目前PHS已投入使用。 美国的Bellcore为无线电通信访问系统(WACS)开发出了无线电接口,这种接口可提供 与本地交换营运者的连接,满足低速便携式应用及更小的蜂窝系统的需求。基站固 定的间隔为600米的电话线杆上。无线电接口使用频分双工(FDD),WACS调制方式为 QPSK(四相移键控),具有相干检测。美国把WACS及PHS两种标准归纳在一起,建立了 个人访问通信业务(PACS)的产业标准建议。PACS的调制方式为4QPSK,也使用相干 检测。 目前有许多ISM设备利用RF能量来加热,这些设备包括微波炉、RF焊机及胶合板加 热器。北美的这些频带包括902MHz～928MHz、2400MHz～2483MHz以及 5725MHz～5850MHz。但采用跳频或直接顺序扩展的无绳电话可在ISM频带上运行, 且传输功率可达1w。目前许多这种无绳电话在902MHz～928MHz上运行。 三、无线数据 无线数据系统一般用于分组交换("异步"),而不能用于电路交换("同步")。广域网系统 的经营部门将使用许可的频谱为用户服务。相反,无线局域网(VLAN)一般由专门的 部门来经营,并在小范围内提供高速数据通信。除Altair系统外,无线LAN还未获得许 可,只能在ISM频带上运行(红外线系统除外)。 1. 广域数据业务 高级无线电数据信息业务系统(ARDIS)和RAM移动数据系统(RMD)可使用800MHz/900MHz 上的专用移动无线电(SMR)频率,提供无线分组数据信息传播业务,美国90%的城市商业 人口可以获得这两项业务。目前共有用户5.2万个以上。ARDIS提供的业务遍及400多 个城市区域,数据传输速率为4.8KB/S。RMD通过Mobitex网络提供业务,覆盖216个城市 区域,每个区域可以获得10～30个双工信道,数据速率为8KB/S。 蜂窝数据系统(CDPD)并不需要特殊的网络,但要使用现有的模拟网络系统。CDPD可利 用模拟AMPS信道上的空闲时间传输速率为19.2KB/S的分组数据。 通用无线分组业务(GPRS)标准的开发旨在提供在GSM体系中传输的分组数据业务。目 前正在考虑的两个方案是: (1) 用于分组传输的特殊GSM信道的分配。 (2) 无线资源上GSM通信业务信道的快速建立。 美国目前还有一些无线数据业务未经许可就可在ISM频谱上运行。 2. 无线局域网络 无线LAN主要面向高速数据(通常大于1Mbps)传输。目前许多此类产品未经许可就可在 ISM频带上运行,如Freeport及WaveLAN。Freeport具有无线以太网中心,并在 2400MHz～2483.5MHz(中心接收)及5725MHz～5850MHz(中心发射)ISM频带上运行。美国 的WaveLAN在902MHz～928MHz的频带上提供实体信息,其他国家的WaveLAN在 2.4MHz～2.486MHz上提供此种信息。ALtair使用以太网协议,并运行于18GHz的陆上微波 频谱上。 在美国IEEE 802.11及ETSI/RES10(现为高性能无线LAN,即HiperlAN)指导下,目前正在开发 无线LAN标准。IEEE 802.11及HiperlAN的工作有许多相似之处:两种标准的速率均超过 1Mbps,并支持具有基础设施的体系及特殊体系。 日本有两种无线LAN获得标准化:一是满足256kbps的数据速率,使用2.4GHz频带的扩展频谱 ;另一种是大于10Mbps的数据速率,使用正交调幅(QAM)、QPSK或具有4个层次的FSK,运行于 18GHz上。 四、目前进展 微电子技术和无线电技术的进步及网络信令和控制功能的提高将支持日益成熟的个人通信。 欧洲PCS目前的主流是开发GSM及DECT,包括未来版本及它与所有标准的互通,HiperlAN及 PMR(泛欧洲中继无线电系统的TRTRA)等标准已经完成。同时,ETSI正努力定义并规范作为欧 洲无线个人通信长期目标的通用移动电信系统(UMTS)。 美国的FCC最近把位于5GHz的140MHz频谱分配给PCS,用户必须通过"竞争性招标"(如拍卖)才 能获得PCS频谱的许可。2GHz的PCS频谱目前为点到点微波无线电系统占用。 日本就FPLMTS工作建立了新的标准委员会及相关的工作组,这些机构目前正在展开CDMA及 高级TDMA研究。 全球移动卫星业务(MSS)可以提供完整的全球无线电覆盖,其频谱由ITU分配。MSS有的仅支 持数据业务,有的则支持话音;有的满足特殊目的和专业用户的需求,有的则与PSTN连接,并支 持通常的无线通信。目前的MSS系统可分为GEOS、LEOS、MEOS及HEOS。GEOS包括 INMARSAT-M、MSAT、ACTS、MOBILE-SAT及NSTAR;LEOS包括Iridium、GLOBALSTAR及 Teledesic;Odyssey只是建议性的MEOS;ELMSAT建议给出对HEOS的定义。 总之,无线个人通信是电信革命的一个里程碑,近几年无绳及蜂窝市场的突飞猛进让人对个 人无线通信充满了信心。用户对无线个人通信的需求将向预定方向发展。无线个人通信 是电信系统和业务的驱动力。 |
