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(二)第二代——数字移动通信系统
第二代(即2G,是thesecondgeneration的缩写)移动通信系统是从20世纪90年代初期到目前广泛使用的数字移动通信系统,采用的技术主要有时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种技术,它能够提供9.6-28.8kbps的传输速率。全球主要采用GSM和CDMA两种制式,我国采用主要是GSM这一标准,主要提供数字化的语音业务级低速数据化业务,克服了模拟系统的弱点。和第一代模拟移动蜂窝移动系统相比,第二代移动通信系统具有保密性强,频谱利用率高,能提供丰富的业务,标准化程度高等特点,可以进行省内外漫游。但因为采用的制式不同,移动标准还不统一,用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游,还无法进行全球漫游,虽然第二代比第一代有更大的带宽,但带宽还是很有限,限制了数据的应用,还无法实现高速率的业务,如移动的多媒体业务。
(三)第三代——多媒体移动通信系统
随着通信业务的迅猛发展和通信量的激增,未来的移动通信系统不仅要有大的系统容量,还要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输。第二代移动通信技术根本不能满足这样的通信要求,在这种情况下出现了第三代
(即3c,是thethirdgeneration的缩写)多媒体移动通信系统。第三代移动通信系统在国际上统称为IMT一2000,是国际电信联盟(1TU)在1985年提出的工作在2000MHz频段的系统。与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信系统相比,第三代的最主要特征是可提供移动多媒体业务。
二、第四代移动通信系统的概念
4G也称为广带接入和分布网络.具有超过2Mb/s的非对称数据传输能力.对高速移动用户能提供150Mb/s的高质量的影像服务.并首次实现三维图像的高质量传输它包括广带无线固定接入、广带无线局域网.移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统).是集多种无线技术和无线LAN系统为一体的综合系统.也是宽带lP接入系统.在这个系统上.移动用户可以实现全球无缝漫游.为了进一步提高其利用率.满足高速率、大容量的业务需求.同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落和多径干扰等众多优势。
三、4G的关键技术
1.OFDM技术。它实际上是多载波调制MCM的一种.其主要原理是:将待传输的高速串行数据经串/并变换,变成在N个子信道上并行传输的低速数据流,再用N个相互正交的载波进行调制,然后叠加一起发送。接收端用相干载波进行相干接收,再经并/串变换恢复为原高速数据。
2.多输入多输出(MIMO)技术。多输入多输出(MIMO)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是下一代移动通信系统的核心技术之一。MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理,在丰富的散射环境下,空分复用MIMO系统(如BLAST结构)可以获得与天线数成正比的容量增长,从而极大地提高频谱效率,增加系统的数据传输速率。但是当散射程度欠佳时,会引起信道间的空间相关,尤其在室外环境下,由于基站的天线较高,从而角度扩展较小,其空间相关难以避免,在这种情况下MIMO不可能获得所期望的数据传输速率。
3.切换技术。切换技术能够实现移动终端在不同小区之间跨越和在不同频率之间通信以及在信号质量降低时如何选择信道。它是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠通信的基础。主要划分为硬切换、软切换和更软切换.硬切换发生在不同频率的基站或不同系统之间。第4代移动通信中的切换技术正朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。
4.软件无线电技术。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序,在硬件平台上可实现不同功能,用以实现在不同系统中利用单一的终端进行漫游,它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬(DigitalSignalProcessHardware,DSPH)、现场可编程器件(FieldProgrammableGateArray,FPGA)、数字信号处理(DigitalSignalProcessor,DSP)等。
5.IPv6协议技术。3G网络采用的主要是蜂窝组网,而4G系统将是一个基于全lP的移动通信网络,可以实现不同类型的接入系统和通信网络之间的无缝连。为了给用户提供更为广泛的业务,使运营商管理更加方便、灵活,4G中将取代现有的IPv4协议,采用全分组方式传送数据的IPv6协议。
四、发展趋势
目前,4G移动通信还只处于实验室研究开发阶段。具体的设备和技术还没有完全成型,后续的软件开发还没有启动。这都会给4G的发展带来很多难题,有待人们深入研究。但未来移动通信必将具有文中描述的这些基本特征:高速率、高质量的数据传输,完全集中的服务。无所不在的移动接入,高智能的多样化的用户设备。随着新问题、新要求的不断出现。第四代移动通信技术将会相应地调整、完善和进一步发展。我们相信,不远的将来,人们将会不受时间、地点限制,可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息,从而使人们的学习、工作、生活发生更深刻的变化。
参考文献:
[1]张重阳.数字移动通信技术[M].西安:江西科技大学出版社,2006.
[2]唐兴.移动通信技术的历史和发展趋势[J].江西通信科技,2008(2).
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一、移动通信的发展历程
第一代移动通信系统是在20世纪80年代初提出的,它完成于20世纪90年代初。第一代移动通信系统是基于模拟传输的,其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。
第二代移动通信系统(2G)起源于90年代初期。欧洲电信标准协会在1996年提出了GSMPhase2+,目的在于扩展和改进GSMPhase1及Phase2中原定的业务和性能。它主要包括CMAEL(客户化应用移动网络增强逻辑),SO(支持最佳路由)、立即计费,GSM900/1800双频段工作等内容,也包含了与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术,使得话音质量得到了质的改进;半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。在GSMPhase2+阶段中,采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术,引入智能天线技术、双频段等技术,有效地克服了随着业务量剧增所引发的GSM系统容量不足的缺陷;自适应语音编码(AMR)技术的应用,极大提高了系统通话质量;GPRS/EDGE技术的引入,使GSM与计算机通信/Internet有机相结合,数据传送速率可达115/384kbit/s,从而使GSM功能得到不断增强,初步具备了支持多媒体业务的能力。尽管2G技术在发展中不断得到完善,但随着用户规模和网络规模的不断扩大,频率资源己接近枯竭,语音质量不能达到用户满意的标准,数据通信速率太低,无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。
二、第三代移动通信系统概述
第三代移动通信业务主要是话音和中低速数据,码率为384kb/s(局域网可达2Mb/s),因而可传送比目前GSM(第二代移动通信)更高码率的信息。随着多媒体业务的发展,2Mb/s的码率将越来越不能满足用户各种新的宽带业务的需要,因此国际上已开始研究第四代移动通信系统,第一步目标是10Mb/s以上。我们国内则尚未启动。因此需尽早开始研究其关键技术。需要解决的关键技术有:宽带多媒体移动通信系统的体系结构,包括频段、多址方法、无线接入技术、软件无线电的硬件和软件、多载波调制和OFDM技术、自适应天线阵、高效信道编码技术(如Turbo码)等。
第三代移动通信系统(3G),也称IMT2000,是正在全力开发的系统,其最基本的特征是智能信号处理技术,智能信号处理单元将成为基本功能模块,支持话音和多媒体数据通信,它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务,例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2Mbps,在用户高速移动时最大支持144Kbps,所占频带宽度5MHz左右。但是,第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA三大分支,共同组成一个IMT2000家庭,成员间存在相互兼容的问题,因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信;再者,3G的频谱利用率还比较低,不能充分地利用宝贵的频谱资源;第三,3G支持的速率还不够高,如单载波只支持最大2Mbps的业务,等等。这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要,因此寻求一种既能解决现有问题,又能适应未来移动通信的需求的新技术(即新一代移动信:nextgenerationmobilecommunication)是必要的。第三代移动通信技术的基本特点:(1)全球统一频段,统一标准,全球无缝覆盖和漫游。(2)频谱利用率高。(3)在144kbps(最好能在384kbps)能达到全覆盖和全移动性,还能提供最高速率达2Mbps的多媒体业务。(4)支持高质量话音、分组多媒体业务和多用户速率通信。(5)有按需分配带宽和根据不同业务设置不同服务等级的能力。(6)适应多用户环境,包括室内、室外、快速移动和卫星环境。(7)安全保密性能优良。(8)便于从第二代移动通信向第三代移动通信平滑过渡。(9)可与各种移动通信系统融合,包括蜂窝、无绳电话和卫星移动通信等。(10)终端(手机)结构简单,便于携带,价格较低。
三、第四代移动通信系统
4G系统中有两个基本目标:一是实现无线通信全球覆盖;二是提供无缝的高质量无线业务。目前正在构思中的4G通信具有以下特征:(1)网络频谱更宽。要想使4G通信达到100Mbps的传输速率,通信运营商必须在3G网络的基础上进行大幅度的改造,以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。据研究,每个4G信道将占有100MHz的频谱,相当于W-CDMA3G网络的20倍;(2)通信速度更快。人们研究4G通信的最初目的是为了提高蜂窝电话和其他移动终端访问Internet的速率,因此,4G通信最显著的特征就是它有更快的无线传输速率。据专家估计,第四代移动通信系统的传输速率速率可以达到10M~20Mbps,最高可以达到100Mbps;(3)通信更加灵活。从严格意义上说,4G手机的功能已不能简单划归“电话机”的范畴,因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一而已。而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破,可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端;(4)智能性更高。第四代移动通信的智能性更高,不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化,更重要的是4G手机可以实现许多目前还难以想象的功能;(5)兼容性更平滑。要使4G通信尽快地被人们接收,还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下较为容易地过渡到4G通信。因此,从这个角度来看,4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。
总之,随着新问题、新要求的不断出现,第四代移动通信技术将会相应地调整、完善和进一步发展。纵观移动通信技术的发展规律和第四代通信技术的优点,我们相信,不远的将来,人们将不受时间、地点限制,可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息。从而人们的学习、工作、生活将会发生更深刻的变化。
参考文献:
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2.1业务需求分析
围绕医疗通讯车设置“帐篷医疗点”,帐篷相当于科室,内设医疗设备和电脑等,设备需要通过本地无线网络,访问车内数据中心的医院信息系统、实验室信息系统和影像归档及传输系统。同时,本地桌面会诊、远程医疗及物资管理信息等也需要通过无线网络进行通信。
2.2带宽设计
根据现场救援环境需要,本网络按可承受全网80台业务访问终端进行设计。其中带宽需求最大的是PACS传输、远程视频及本地桌面会诊3个业务;HIS、LIS访问及语音通信等业务带宽需求较小。文件传输保留1.2Mbps带宽,桌面共享平均每方60K。由于终端的局限性,本研究设计语音按8并发、2路视频并发、1路文件传输及5路桌面共享计算,共需带宽设计为4种。
2.3传输距离设计
通常帐篷医疗点围绕在通讯车220m范围以内,相互间距<60m。在特殊地形地貌的救援现场,系统应能支持扩展1倍的距离,提供400m左右的通信能力。为进一步发挥移动医疗通信车的作用,如与离开一定距离的医护人员进行通信、从山上对山沟下需要救助人员进行现场环境采集等,系统若能提供千米(km)级的无线通信能力则更好,如支持4km长距离的通信,能够使医疗通信系统适应各种救援现场环境下的灵活部署。
3基于LTE和WLAN的无线通信技术
LTE技术,即3.9G无线宽带技术(准4G),是未来的通信发展趋势和发展目标。基于LTE的无线宽带专网集群系统作为新一代宽带无线移动通讯技术,具备同时传输大容量的下行和上行数据的能力。单站情况下,单小区的下行峰值速率可达到90Mbps,上行峰值速率可达到40Mbps。在4km超长距离下,系统认可提供0.9Mbps的通信带宽。通过强大的宽带数据接入功能,现场人员可以通过无线网络实现远端数据快速查询、现场采集信息便捷上报以及工作电子流现场处理等业务,极大的提高应急救援人员的工作效率。单个CPE的WiFi可覆盖40~90m的范围,<60m范围的WiFi信号衰减较弱,不影响通信带宽,相邻数个CPE同时存在时WiFi设备可以接入信号最强的CPE中。为保障系统能够提供WLAN无线定位功能,本研究在系统设计时将LTE网络上叠加WLAN网络,形成LTE和WLAN的本地无线网络。AP通过CPE提供的LAN接口接入到网络中,以LTE为管道承载数据通信业务,AP由AC集中管控,上电后可自动部署。采用LTE通信技术能够同时提供基于LTE的集群通信功能,实现清晰、易于操作的语音通话以及语音对讲功能。
4LTE和WLAN安全性分析
医疗信息涉及个人隐私,属于保密信息,故整个系统建设需要充分考虑信息安全。LTE高安全加密集群通信和WLAN无线信号支持WIDS/WIPS无线攻击检测;MAC/802.1x接入认证等保障无线网络安全,能够满足一般民用设计的要求。
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人才培养模式的构建可以依据不同专业的特点和不同学院的实际情况进行设计。自2011年起,学院先后与数家业内知名企业签署“订单”培养协议。依托订单合作企业,以工作过程为载体,建立“四阶递进、工学结合”人才培养模式。其中“四阶递进”是指职业能力培养分解为四个阶段逐级进阶,即第1、2学期在校内实训基地进行,完成专业基础能力培养;第3、4学期校企交替进行,完成专业核心能力培养;第5学期校企交替进行,完成协岗能力训练;第6学期到企业进行顶岗能力实习“。工学结合”是指第1、2学期利用校企共建的移动通信综合实训平台,开展“教学做一体”的仿真实训;第3、4学期聘请企业技术人员担任指导教师,开展“教学做一体”的全真实训;第5学期在企业技术人员的指导下,协助完成基本岗位工作;在第6学期在校外实习基地开展顶岗综合实习。
3设计以工作过程为导向的课程体系
通过对移动通信运营商、移动通信设备供应商、移动代维公司等企业实地走访及毕业生的跟踪调研,确定移动通信行业面向高职院校毕业生的岗位群。邀请企业技术人员与校内专家组一起对岗位群进行分析,归纳整理典型工作任务。基于这些典型工作任务分析从业所需的职业能力,典型工作任务分解过程如表1所示。再将这些职业能力按照专业能力、方法能力和社会能力进行分类、汇总,并以此为依据构建移动综合职业能力课程体系。由于移动系统有GSM/WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA等,需要从典型岗位任务推演到各系统的典型工作任务,选取岗位工作技能为逻辑载体,分别以对象系统、工作顺序为线索,提炼学习领域课程,形成专业核心课程。
4实施一体化教学模式改革
依托实训条件,创设情境,实施专业核心课“教学做”一体化教学模式改革,启发学生思维、学生在教师的引导下完成各子项目任务,利用情境进行真实配置、在线实际处理,激发学生学习动力和兴趣,并在教学做的过程中锻炼协作、分析、整理的方法能力和社会能力。丰富教学案例视频,展现特色教学方法。充分发挥校企合作的优势,结合实践,收集整理更多案例素材,制作更多的实际案例教学视频,丰富教学内容和教学方法。利用专业教学资源信息化,建成开放、共享的专业与课程资源库,可随时学习自学。搭建资源服务平台,为院校、教师、学生和企业从业人员提供服务,移动通信技术专业教师、学生和从业人员,免费共享个性化学习。改变传统的反馈及测试方式,提高学习质量,激发学生创新思维。通过专业资源平台在线答疑,反馈信息。
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产业界人士预测10年以后,移动数据量将达到1000倍。5G的吞吐量能力特别大,就算在很忙的时候也能提升到1000倍,至少可以到达100Gbit/s/km2以上。
1.2联网设备扩大100倍
伴随着智能终端和物联网的迅速发展,预计10年后,联网的设备数目将增加到600~1000达部,在未来里,5G网络单位覆盖面积将大大增加,相比之下是目前4G网络将增长100倍,相对一些特殊的应用,单位面积将通过5G网络的设备数目达到100万/km2。
1.3峰值速率至少达到10Gbit/s
面向2020年以后的5G网络,相对于目前的4G网络的峰值速率需提高10倍以上,然而达到10Gbit/s,在特殊情况下,用户单链峰值速率都要求需达10Gbit/s。
1.4用户速率可达到10Gbit/s,特殊需求达到100Gbit/s
在未来的5G网络中,在一般条件下,用户在任何时候都能获得10Gbit/s以上的速率,对于特殊需求的业务和用户将达到100Gbit/s,比如:急救车内高清医疗图像传输服务。
1.5可靠性高与时间短
2020年后的5G网络,需要满足用户在线服务,能随时随地的进行各种体验,并且还需满足工业信息系统、应急通信等更多场景需求。需要进一步地降低用户的控制时延,与4G网络相比,缩短了5~10倍。对于关系重大财产安全的业务和人类生命可靠性必须提升到99.9999%以上。
1.6频谱利用相对较高
由于5G网络用户的业务量大、规模大、流量高,相对来说,使用频率需求量也大,需要通过压缩等创新技术及频率倍增的应用,来提高频率利用率。相对4G网络来说,5G的频谱效率要5~10倍的提高,来解决流量带来的频谱短缺问题。
1.7网络消耗能源
相对来说较低节省能源、绿色低碳是未来通信技术的发展的方向,在未来的5G网络中,需要利用节约能源的设计,使网络能耗效率都有待提高1000倍,来满足1000倍流量的需求,但是现有网络与能耗有相当的水平。
25G关键技术概述
从目前的角度看,5G的关键技术仍在发展阶段和研究阶段,但学术界和产业认为,5G的关键技术应包含下几个方面:一是5G关键技术与无线网络构架;二是5G无线输送的关键技术;三是5G移动通信总体技术系统;四是5G移动通信验证技术。接下来对业界十分关注的5G技术进行总的介绍。
2.1高频段传输
目前,移动通信系统频段主要是3GHz以内,伴随着用户人数的增加,频谱资源也变得十分拥挤,然而在高频段里,如毫米波频率是27.3~350GHz,而带宽则高达284.6GHz,超过微波全部带宽的12倍。微波与毫米波相比,元器件的尺寸要小很多,毫米波系统能轻而易举小型化,实现进行极高速短距离通信,支持5G传输速率和容量需求。
2.2多天线传输技术
多天线技术,经历了从二维到三维,从无源到有源,从高阶多输入多输出到大规模阵列的发展,能把频谱利用率提高到数十五倍甚至再高,是目前5G技术唯一重要研究方向。
2.3同时同频全双工技术
同时同频全双工技术被称为高效的频谱效率技术,该技术在相同的物理信道上对两个方向信号的进行传输,在通信双工节点的接收机处通过对取消自身发射的信号干扰,在发射信号时候,同时接收另一节点的相同频信号。
2.4设备间直接通信技术
以往的移动通信系统连网方式,以基站为中心点,实现对市区覆盖,基站及中继站是不能随便移动的,网络结构是有限制的,在未来的5G网络里,用户规模大,数据流量大,以传统的基站模式为中心的组网方式,是没办法满足业务需求。D2D直接通信技术在没有基站的情况下也能运转,实现通信设备的直接通信,开拓了接入方式和网络连接。
2.5密集网络技术
5G是一个智能化、宽带化、多元化、综合化的网络,数据流量是4G的1000倍。想要实现目标有两种技术:一是在宏基站处布置大规模天线来取得室外空间增益,二是布置密集网络来满足室外和室内数据需求。在未来里,向高频段宽带,将采用更加密集的方案,部署高达200个以上扇区。
2.6新型网络架构技术
为了满足在未来里,使用高容量、大规模的用户需求,未来的5G网络架构将具有低时延、低成本、易维护、扁平化特点。目前产业界主要集中在云架构和C-RAN的研究上。
2.7智能化技术
5G的中心网络,是由大型的服务器来组成的云计算平台,通过交换机网络及数据交换功能的路由器与基站相连接,宏基站具有大数据存储功能和云计算功能,时效性特强或特别大的数据,提交到云计算中心进行网络处理,终端或基站的数量、形态多,不一样的业务选取不一样的频段,连接方式和天线多样化。所以,需要具有自动模式切换、智能配置、智能识别的功能,实现智能组网,在未来里,智能化技术是实现5G网络的是关键技术。
3研究情况及趋势
从目前来看,全球对5G技术的研究,都处在早期阶段,将来还需要进行标准化、外场试验、技术研究等阶段,最后才能实现商用部署,但是,尽管对5G技术和概念仍然在进行深究,对5G标准的大方向,现在产业界和学术界在基本上达成了共识。
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2.1移动IP节点的关键技术
在移动通讯中,移动IP节点技术实现的需要依靠的技术有很多,其中关键的技术就是隧道技术(Tunneling)。隧道技术的种类包括IP的IP封装、IP的最小封装和通用路由封装。RFC2004是这样定义IP的最小封装的:IP的最小封装是一种可以选择的隧道,其主要目的是为了能够减少实现隧道所需要的额外字节数,这个过程需要去掉IP的IP封装中的内层IP报头和外层IP的报头的冗余部分才能实现。
2.2移动IP节点的工作过程
通常情况下,移动IP的工作过程分为三个阶段:发现、注册和数据包传送。在发现阶段主要是由本地和外地进行周期性地广播消息,这样链路上的所有节点才能够接收到这个消息,并对其进行检查且决定它的连接方式是本地链路还是漫游链路。一般情况下,如果是漫游链路,移动节点就可以从广播消息中得到需要转交的地址。与此同时,移动节点依据IP报头来由此判断自己所处的位置,如果原IP地址的网络前缀和移动节点的本地地址的网络前缀相同,那么就可以确定移动节点处于本地链路上。由此,移动节点可以根据从广播消息中得到ICMP路由器广播部分的生存区域,并由这个阶段去通知移动节点从同一个处接收到一个广播的平均时间。
2.3移动IP节点的工作方式
移动IP节点主要有5个方面的基本工作方式,包括搜索、注册、注销、接受和发送数据包,接下来将对这五个方面进行详细的分析。
2.2.1搜索
搜索是指在保证移动节点能够正常运作的前提下,采用搜索的方式进行移动节点的寻找,从而能够得出自己所在的位置。移动IP节点在这个过程中完成三个功能:首先是分析出自己当前的位置是位于本地链路上还是外地链路上;其次,检查自己是否已经切换到了链路上;最后,如果自己已经位于外地链路上了,就可以获取外地链路上的转交地址。一般来说,在这个过程中需要由搜索完成两条简单的消息,分别是广播消息和请求消息。通常,本地会通过广播消息来进行移动节点功能的宣布,即当节点处于链路上时,才能够成为本地的服务器,从而广播消息,确定链路是否存在。这时就会出现两种结果,当存在,移动节点就可以在广播消息时获得本地服务器的地址,相反的,当移动节点不能够广播消息时,才可以发送请求消息。由于请求消息希望能够发送广播消息,在一定的时间内,移动节点就会通过转换链路来发送广播。由此,这种请求消息的选择是十分必要的。
2.2.2注册、注销制度
当完成搜索过程之后,才可以进行移动IP的注册。这时,虽然移动节点已经明确了自己的位置,但是注册是一个必不可少的环节。一般来说,注册的时间比较长,移动节点却不能移动自己的位置,而且当注册过期时,移动节点需要重新进行注册。注册的过程是要先将从外地链路上获得的转交地址移交给归属,使得过期的注册重新生效,然后等到重新回到本地链路上时,就可以进行注销操作了。
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1.2移动通信技术在检察业务中的应用
随着移动通信网络的不断发展壮大,我国政府也积极地推动电子政务,将移动通信技术应用与高新的电子政务结合起来,不但减少了政府工作人员的工作负担,还提高了政府的工作水平和效率;检察机关也在大力发展现代信息系统,主要表现在以下几个方面:一是在外出办案时,一些办案场所比如说看守所之类的对嫌疑人进行询问时,移动信息技术可以直接对现场进行监管,提高了工作的效率;二是在侦查指挥方面,移动通信技术可以实现上下级之间的任务分派、指挥、询问等等,可以将现场情况直接转达到指挥中心,方便了集中的部署和指挥。三是在远程协助方面,专家可以通过移动通信网络对相关的操作进行远程协助;特别是在一些重大审讯现场等场合,专家可以通过语音、视频等方式进行远程指导。四是在视频会议方面,检察机关可以通过视频方式进行提审、工作汇报、在线学习等等,不同地区的人员也可以实现共同会议。五是在无线监控方面,对于那些不方便铺设有线网络的地区可以通过无线网络进行覆盖,通过无线网络对这些地方进行监督管理,提高工作的效率与水平。
2移动通信技术在检察信息化应用中的发展
2.1更新思维方式,突破观念壁垒
当前我国政府和许多机构虽然开始实施移动通信技术的应用,也取得了一定的成效,但是我们必须看到,这些移动通信技术的应用仍处于初级阶段,规模小,普及率低,没有从根本上转变机构的工作方式和方法,因此,我们必须鼓励相关人员学习新技术、开拓新思潮、转变新思路,创新工作方法,提高移动通信技术在工作生活的利用率。
2.2完善制度机制,统一标准规范
如今,移动通信技术并没有统一标准,不能兼容使用,带来很严重的资源浪费现象,政府采购限制、入网许可限制、安全保密限制、技术壁垒、标准真空、标准重叠等更是层出不穷。一方面,在政府机关移动通信应用上,我国政府进行了各种限制,没有采取合理的引导措施;另一方面,如今我国各通信运营商采用了完全自由的3G技术路线,如TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA等。
2.3加强技术研究,注重信息安全
检察机关信息化应用将会和公民的隐私、社会公平和安全问题联系在一起,移动应用安全性、可靠性研究,对提升检察机关移动应用系统信息安全保障能力、保障检察信息化与信息安全协调发展具有重要的理论意义和实践价值。在检察机关中,信息化建设是重中之重。因此,必须从我国的实际情况出发,立足根本,利用当前越来越先进的移动通信技术,不断提高我国检察机关的能力与水平,不断增强我国检察机关的管理与技术能力,保障我国的检察工作更为顺利的展开。
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13G技术概述
3G是“3rdGeneration”(第三代)的缩写,即第三代移动通信系统(IMT-2000),它是高速移动数据网络通信领域的行业术语。狭义地讲,3G就是指国际电信联盟(ITU)确定的三大主流无线接口标准:W-CDMA(宽频分码多重存取)、CDMA2000(多载波分复用扩频调制)和TDS-CDMA(时分同步码分多址接入)。纵观移动通讯系统的发展历史,模拟移动手机被称作“第一代”;数字移动手机被列入“第二代”;而其后的发展技术被称作“第三代”。当前全球还存在多种第一代和第二代通讯系统,它们成为全球范围内普及单一通讯终端设备的一个阻力。另外,3G技术面临的最大挑战是系统的标准化,如何能够支持单一通讯终端设备可以在全球范围内得到通用。3G技术的设计基础是支持全系列的移动多媒体系统,其对多种数据速率提供灵活的支持,不仅可以传送语音数据,还可以根据需要传送视频数据。使用3G网络,我们可以传输需要高带宽的应用数据,它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务,无线网络必须能够支持不同的数据传输速度,也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆字节/每秒)、384kbps(千字节/每秒)以及144kbps的传输速度。
23G发展的必然性
由于第二代(2G)系统频谱资源的有限性、频谱利用率的较低性、支持移动多媒体业务的局限性,以及2G系统之间的不兼容性,因而导致了系统的容量较小、难以满足高速宽带业务的需求和不能实现用户全球漫游等不足,发展3G移动通信将是第二代移动通信前进的必然结果。
发展3G的原动力有市场驱动和技术驱动两方面原因。从市场驱动方面看,发展3G可以满足未来移动用户容量的需求,并且可以提供移动数据和多媒体通信业务。从技术驱动上看,发展3G是更高频谱效率的要求,是各大网络兼容性的要求,是全球统一频段、统一标准,全球无缝覆盖,全球漫游的要求所决定的。
3G可使人们享受到更多的通信乐趣,除了获得更清晰的话音业务外,还可以随时随地通过个人移动终端进行多媒体通信,比如上网浏览、多媒体数据库访问、实时股市行情查询、可视电话、移动电子商务、交互游戏,无线个人随身听和视频传送等。3G移动电话将成为人们生活和工作的好帮手。33G的主要技术标准
在ITU确认的无线接口标准的基础上,目前己经形成主要技术标准:有基于FDD方式的WCDMA和CD-MA2000、基于TDD方式的TD-SCDMA。
3.1WCDMA
由3GPP1的WCDMA方案与3GPP2的CDMA2000方案的直接扩频(DS)部分融合而来,主要源于欧洲的ETSI和日本的ARIB标准化组织,主要倡导者有爱立信和诺基亚等公司。它的核心网基于GSM-MAP,通过网络扩展方式提供基于ANSI-41的运行能力。WCDMA系统能同时支持电路交换业务(如PSTN.ISDN)和分组交换业务(如IP网)。该系统使用灵活的无线协议,可在一个载波内同时支持话音、数据和多媒体业务,并通过透明或非透明传输支持实时、非实时业务。
3.2CDMA2000
即3GPP2提交方案中的多载波(MC)方案,源于美国TIA(电话工业协会)的TR45.5标准,由美国高盛公司提出。CDMA2000是从CDMAOne发展而来,目的是为已有的CDMA运营商平滑升级到3G提供途径,核心是Lucent,Motorola,Nortel和Qualcomm联合提出的宽带CDMAOne技术。主要特点是与现有的TIA/EIA-95-B标准向后兼容,并与IS-95B系统的频段实现共享或重叠,使运营商可在IS-95B系统的基础上平滑地过渡,保护已有投资。CDMA2000的核心网基于ANSI-41,但经网络扩展方式;也可提供基于GSM-MAP核心网上的运行能力。
3.3TD-SCDMA
它是一种高性能和低成本的系统,是在TDD模式下,采用在周期重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲的工作模式(和GSM相同),通过周期性地切换传输方向,在同一载波上交替地进行上下行链路传输。可以控制上下行的发送时间,发送时间段内不接受,接受时间段内不发送,且可灵活控制和改变发送和接受的时段长短比例。其优势是上下行链路间的转折点可因业务的不同而认识调整。对于因特网等非对等业务的数据传输,下行数据量远大于上行数据量,可增加下行的时段时间,缩短上行的时段时间,以达到高效传送非对等数据业务的目的,从而实现3G所要求的两类业务(对称的电路交换业务和非对称的分组交换业务)。
43G系统面临的主要问题
4.1多径衰落
这存在于所有的移动通信系统中。无线电波在传播过程中将发生折射、反射和散射,从而产生多条传播路径。不同路径的信号到达接收机时,由于天线的位置、方向和极化不同,使接收信号的幅度、相位起伏变化,产生严重的衰落现象。为了保证通信质量,不得不增加信号功率,这就直接影响了系统的容量。
4.2时延扩展
不同路径的信号有不同的传播时延,当时延超过检测脉冲宽度的10%时,脉冲间的干扰就明显存在,从而限制了移动通信的数据速率。
4.3多址干扰
由于3G系统采用CDMA技术,即采用不同的扩频码字来区分用户,这就要求各用户的扩频码具有强自相关性和弱互相关性。但实际上各用户间的互干扰不可能完全消失,所以CDMA系统是干扰受限系统,就是说来自本小区和邻近小区用户的干扰成了决定系统容量和性能的主要因素。多址干扰是3G系统所特有的一种干扰。
4.4远近效应
在各移动台均以相同功率发射信号时,基站接收到的近处移动台发射的信号功率将远大于远处移动台发射的信号功率。远近效应就是指近处大功率信号对远处小功率信号产生的很强的干扰。它也是一类多址干扰,不过在3G系统中这种多址干扰表现十分突出。
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在基于物联网和4G移动技术的基础上,移动办公系统体系构架能够很好体现出移动办公应用的有效性,形成相应的一体化组网方案,具体包括移动网传输、移动终端、移动应用接入、后台应用管理等几个方面,具体包括以下四个部分。
(1)移动通信网区。移动服务的接入是通过IP核心网实现,服务信号利用4G通信基站向各个移动终端发送,这样就可以实现传输和分发基础数据信息。从安全角度考虑,运营商分配独立的接入点也可以完成此项任务,通过连接运营商GGSN与后台的业务内网的一条专线可以完成。私有IP就可以在客户端路由器、运营商GGSN之间采用并进行相关通信,使得内网信息安全得到有效保证。
(2)移动终端区。这也被称作目标用户端,也是移动服务应用的最前端,相关的无线终端设备主要包括笔记本、手持PAD设备、智能手机等多种,利用4G移动通信网络的移动基站进行相关接入,进行有效的移动办公服务。另外,通过把智能芯片预置在终端设备中,能够通过物联网,对授权使用的终端设备进行有效的集成管理。
(3)移动服务管理区。在此区域主要负责对业务内网中的服务进行管理,主要涉及到数据库服务、邮件服务和Web服务等。对于Web服务之一的移动办公系统来说,可以在服务管理区内进行直接部署,并授权相应的物联网里的终端设备,能够实现4G网络平台的访问,能够应用于企业内部的办公系统。
(4)移动应用接入区。在此区域内,主要能够实现把交换机、路由器、防火墙等接入内网的业务系统,可以把一个VPN服务器部署在此区域内,这样就能够使专用VPN访问通道为终端用户使用。还可在此区域部署物联网的集成信息管理平台,可以使得物联网传感器所采集的数据能够被平台接受,使终端的集成化管理成为可能。另外,各终端还能通过服务的方式,完成终端的信息展示、管理和浏览等功能,从而形成智能化、集成化较高的内部管理网络。总体来看,在移动办公业务中应用物联网技术和4G技术,能够使得移动办公体系的安全性、智能性、效率性和可用性大大提高。
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我们知道,天线有很多种,但大体上可分为三大类:“线天线”、“面天线”及“阵列天线”。阵列天线最初用于雷达、声纳以及军事通信中,完成空间滤波和参数估计两大任务。当阵列天线应用到移动通信领域时,通信工程师喜欢用“智能天线”来称谓之。智能天线根据方向图形成(或称为波束形成)的方式又可分为两类:第一类,采用固定形状方向图的智能天线,且不需要参考信号;第二类,采用自适应算法形成方向图的智能天线,需要参考信号。
本文在以下提到的智能天线都是指第二类,即(自适应)智能天线,这也是目前智能天线研究的主流。
二、智能天线的技术现状
在分析研究智能天线技术理论的同时,国内外一些大学、公司和研究所分别建立了试验平台,用实验的方法来验证理论研究的成果,得出相应的结论。
(1)在美国
在智能天线技术方面,美国较其它国家要成熟的多,并已开始投入实用。美国ArrayComm公司将智能天线技术应用于无线本地环路(WLL)系统。ArrayComm方案采用可变阵元配置,有12阵元、8阵元环形自适应阵列可供不同环境选用,现场实验表明在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高4倍。
(2)在欧洲
欧洲通信委员会(CEC)在RACE(ResearchintoAdvancedCommunicationinEurope)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究,称为TSUNAMI(TheTechnologyinSmartAntennasforUniver-salAdvancedMobileInfrastructure),由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。该项目是在DECT基站上构造智能天线试验模型,于1995年初开始现场试验,天线阵列由8个阵元组成,射频工作频率为1.89GHz,阵元间距可调,阵元分布有直线型、圆环型和平面型三种形式。试验模型用数字波束成形的方法实现智能天线,采用ERA技术有限公司的专用ASIC芯片BDF1108完成波束形成,使用TMS320C40芯片作为中央控制。
(3)在日本
ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵,射频工作频率是1.545GHz。阵元组件接收信号在模数变换后,进行快速付氏变换(FFT)处理,形成正交波束后,分别采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法,数字信号处理部分由10片FPGA完成,整块电路板大小为23.3cm×34.0cm。ATR研究人员提出了智能天线的软件天线的概念。
我国目前有部分单位也正进行相关的研究。信威公司将智能天线应用于TDD(时分双工)方式的WLL系统中,信威公司智能天线采用8阵元环形自适应阵列,射频工作于1785~1805MHz,采用TDD双工方式,收发间隔10ms,接收机灵敏度最大可提高9dB。
三、智能天线的优势
智能天线是第三代移动通信不可缺少的空域信号处理技术,归纳起来,智能天线具有以下几个突出的优点。
(1)具有测向和自适应调零功能,能把主波束对准入射信号并适应实时跟踪信号,同时还能把零响点对准干扰信号。
(2)提高输入信号的信干噪比。显然,采用多天线阵列将截获更多的空间信号,也即是获得阵列增益。
(3)能识别不同入射方向的直射波和反射波,具有较强的抗多径衰落和同信道干扰的能力。能减小普通均衡技术很难处理的快衰落对系统性能的影响。
(4)增强系统抗频率选择性衰落的能力,因为天线阵列本质上具有空间分集的能力。
(5)可以利用智能天线,实时监测电磁环境和用户情况来提高网络的管理能力。
(6)智能天线自适应调节天线增益,从而较好地解决远近效应问题。为移动台的进一步简化提供了条件。越区切换是根据基站接收的移动台功率的电平来判断的。由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致错误的越区转接,从而增加了网络管理的负荷和用户的呼损率。在相邻小区应用的智能天线技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据。
四、智能天线与若干空域处理技术的比较
为了进一步理解智能天线的概念,我们把智能天线和相关的传统空域处理技术加以比较。
(1)智能天线与自适应天线的比较
智能天线与自适应天线并没有本质上的区别,只是由于应用场合不同而具有显著的差异。自适应天线主要应用于雷达系统的干扰抵消,一般地,雷达接收到的干扰信号具有很强的功率电平,并且干扰源数目比天线阵列单元数少或相当。而在无线通信系统中,由于多径传播效应到达天线阵列的干扰数目远大于天线阵列单元数,入射角呈现随机分布,功率电平也有很大的动态变化范围,此时的天线叫智能天线。对自适应天线而言,只需对入射干扰信号进行抵消以获得信干噪比(SINR,SignaltoInterferenceplusNoiseRatio)的最大化。对智能天线而言,由于到达阵列的多径信号的入射角和功率电平均数是随机变化的,所以获得的是统计意义上的信干噪比(SINR)的最大化。
(2)智能天线与空间分集技术的比较
空间分集是无线通信系统中常用的抗多径衰落方案。M单元智能天线也可等效为由M个空间耦合器按优化合并准则构成的空间分集阵列。因此可以认为智能天线是传统分集接收的进一步发展。
但是智能天线与空间分集技术却是有显著的差别的。首先空间分集利用了阵列天线中不同阵元耦合得到的空间信号的弱相关性,也即是不同路径的多径信号的弱相关性。而智能天线则是对所有阵元接收的信号进行加权合并来形成空间滤波。一个根本性的区别:智能天线阵列结构的间距小于一个波长(一般取λ/2),而空间分集阵列的间距可以为数个波长。
(3)智能天线与小区扇区化的比较
小区的扇区化可以认为是一种简化的、固定的预分配智能天线系统。智能天线则是动态地、自适应优化的扇区化技术。现在,我们来讨论一个颇有争议的问题。根据IS-95建议,当采用120°扇区时系统容量将增加3倍。由此是否可以得到结论,扇区化波束越窄系统容量提高越大?考虑到实际的电磁环境,我们认为对这一问题的回答是否定的。这是因为窄波束接收到的信号往往是由许多相关性较强的多径信号构成的。一般情况下,各径信号的时延扩展小于一个chip周期。这时信号波形易于产生畸变从而降低信号的质量达不到增加系统容量的目的。同时如果采用过窄的波束接收信号,一旦该径信号受到严重的衰落,则将直接导致通信的中断。另外,过窄的接收波束在工程上是难以实现的,并将成倍地增加设备的复杂度。
五、智能天线的未来展望
(1)目前还没有一个完整的通信理论能够较全面地将智能天线的所有课题有机地联系起来,故需要建立一套较完整的智能天线理论;另一方面,高效、快速的智能算法也将是智能天线走向实用的关键。
(2)采用高速DSP技术,将原先的射频信号转移到基带进行处理。基带处理过程是数字算法的硬件实现过程。
(3)由于圆形布阵和二维任意布阵比等间隔线阵优越,同时阵列天线的数字合成算法能够用于任意形式阵列天线而形成任意图案的方向图,因而可考虑在CDMA基站中采用二维任意布阵的智能天线。
(4)在移动台中(如手机)采用智能天线技术。
(5)采用智能天线技术来改善移动通信信道中上下链路不能使用同一套权值的问题,以改善上下链路的性能。
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2网络业务数据化、分组化
2.1无线数据——生机无限当前移动数据通信发展迅速,被认为是移动通信发展的一个主要方向。近年来出现的移动数据通信主要有两种,一种是电路交换型的移动数据业务,如TACS、AMPS和GSM中的承载数据业务以及GSM系统的HSCSD;另外一种是分组交换型的移动数据业务,如摩托罗拉的DataTAC、爱立信的Mobitex和GSM系统的GPRS。
目前,无线数据业务只占GSM网络全部业务量中的很小一部分,但是在未来的两年中这种状况将开始扭转,并大大改变。1999年以后,随着HSCSD、GPRS等新的高速数据解决方案显露峥嵘,并成为数据应用的新焦点,无线数据将成为运营商经营计划中越来越重要的部分,它预示着未来大量的商业机遇。
(1)应用驱动市场
无线数据业务的主要驱动力在于用户的应用。话音是单一的、易于被大众所接受的业务,然而无线数据则不同,无线数据最初的应用重点放在运输管理这样的专业市场。近期无线数据业务的目标市场是销售人员或现场工程师这样的用户群。从这些先发目标的应用中积累无线数据的经验,并从中受益。
在过去的十年里,传统的生活方式已经在迅速改变,人们更经常性地移动,职业和个人生活之间的分界变得模糊,人们需要不分时间、地点访问很重要的信息。发生在用户身上的这种生活方式的改变将成为驱动无线数据业务发展的重要因素。
(2)因特网的影响
和通信的其他领域一样,无线数据业务的一个最重要的驱动力来自Internet。根据最近的研究,未来两年欧洲的因特网用户数量将翻一番。在我国,因特网用户的年增长率将高达300%,显然用户在运动中接入因特网的需求将会增长。
为了满足接入因特网的需求,一个全球性的开放协议——无线应用协议(WAP)应运而生。WAP为将Internet的信息内容以及增值业务传送到移动终端提供了一种开放的通用标准,实现了IP与GSM网络的桥接,是一个为厂商提供加速市场增长、避免网络割接、保护运营商投资的标准,WAP确保任何与WAP兼容的GSM手机都能工作。
(3)数据速率的发展
GSM承载业务所提供的GSM数据速率最高只能达到9.6kbit/s。国际上1998年引入的高速电路交换数据(HSCSD)技术将实现57kbit/s的数据速率,对要求连续比特率和传输时延小的应用是理想的,如会议电视、电子邮件、远程接入企业的局域网和无线图像。1999年商用化的GPRS是第一个GSM分组数据应用,将实现超过100kbit/s的数据速率。对较短的“突发”类型业务是理想的,如信用卡认证、远程测量和远程事务处理。EDGE(增强数据速率GSM改进模式)使用修改过的GSM调制方式来实现超过300kbit/s的数据速率。EDGE会让GSM运营商特别受益,他们不但可以赢得第三代移动通信的经营执照,还可以提供有竞争力的宽带数据业务。
2.2个人多媒体通信——网络演进的方向
对随时随地话音通信的追求使早期移动通信走向成功。移动通信的商业价值和用户市场得到了证明,全球移动市场以超凡的速度增长。移动通信演进的下一阶段是向无线数据乃至个人移动多媒体转移,这一进展已经开始,并将成为未来重要的增长点。个人移动多媒体将根据地点为人们提供无法想像的、完善的个人业务和无线信息,将对人们工作和生活的各个方面产生影响。在个人多媒体世界里,话音邮件和电子邮件被传送到移动多媒体信箱中;短信将成为带有照片和视频内容的电子明信片;话音呼叫将与实时图像相结合,产生大量的可视移动电话,还将实现移动因特网和万维网浏览。像无线会议电视这样的应用将随处可见,电子商务将蓬勃开展。对于运动中的用户还有随时随地的各种信箱和娱乐服务。
3网络技术的宽带化
在电信业历史上,移动通信可能是技术和市场发展最快的领域。业务、技术、市场三者之间是一种互动的关系,伴随着用户对数据、多媒体业务需求的增加,网络业务向数据化、分组化发展,移动网络必然走向宽带化。
通过使用电话交换技术和蜂窝无线电技术,70年代末诞生了第一代模拟移动电话。AMPS(北美蜂窝系统)、NMT(北欧移动电话)和TACS(全向通信系统)是三种主要的窄带模拟标准。第一代无线网络技术的一大成就就是去掉了将电话连接到网络的用户线。用户第一次能够在他们所在的任何地方无线接收和拨打电话。
第二代系统引入了数字无线电技术,它提供更高的网络容量,改善了话音质量和保密性,并为用户引入了无缝的国际漫游。今天世界市场的第二代数字无线标准,包括GSM、MMPS、PDC(日本数字蜂窝系统)和IS95CDMA等,均仍为窄带系统。
第三代移动系统,即IMT-2000,是一种真正的宽带多媒体系统,它能够提供高质量宽带综合业务并实现全球无缝覆盖。2000年以后,窄带移动电话业务需求将依然很大,但随着Internet等高速数据通信及多媒体通信需求的驱动,宽带多媒体综合业务将逐步增长,而且就未来信息高速公路建设的无缝覆盖而言,宽带移动通信作为整个移动市场份额的子集将显得愈来愈重要。
第三代系统预计在2002年投入商用。
从第二代到第三代系统的变化并不像从第一代模拟网络到第二代数字网络那样存在重大的技术变迁。从目前的技术发展现状和趋势来讲,第二代系统将逐步子滑过渡到第三代系统,在此演进过程中,移动网络所能实现的数据速率逐步升级:GSM承载业务所能提供的数据速率为9.6kbit/s,1998年商用的HSCSD技术实现了57kbit/s的数据速率,1999年引入的GPRS将实现超过100kbit/s的数据速率,将在2000年引入的EDGE技术可实现超过300kbit/s的数据速率。2001年后投入商用的第三代系统将能够在广域网上实现384kbit/s的数据速率,在办公室和家中还可以达到2Mbit/s。
4网络技术的智能化
移动通信需求的不断增长以及新技术在移动通信中的广泛应用,促使移动网络得到了迅速发展。移动网络由单纯地传递和交换信息,逐步向存储和处理信息的智能化发展,移动智能网由此而生。移动智能网是在移动网络中引人智能网功能实体,以完成对移动呼叫的智能控制的一种网络,是一种开放性的智能平台,它使电信业务经营者能够方便、快速、经济、有效地提供客户所需的各类电信新业务,使客户对网络有更强的控制功能,能够方便灵活地获取所需的信息。移动智能网通过把交换与业务分离,建立集中的业务控制点和数据库,进而进一步建立集中的业务管理系统和业务生成环境来达到上述目标。通过智能网,运营公司可以最优地利用其网络,加快新业务的生成;可以根据客户的需要来设计业务,向其他业务提供者开放网络,增加收益。
关于移动智能网的研究,早在1995年就已开始,刚开始并没有具体的标准协议出现,各厂商各自制定了自己的标准,并且据此进行了不少的研究工作,如Alcatel、Nortel、Ericsson等都先后推出了自己的初期产品。这些工作为最终移动智能网标准的形成积累了经验。
1997年末,美国蜂窝电信工业协会(CTIA)制定了移动智能网的第一个标准协议——IS-41D协议。1998年1月,欧洲电信标准研究所(ETSI)在GSMphase2+阶段引入了CAMEL协议(移动通信高级逻辑的客户化应用程序),当时的版本是Phase1。1998年4月,ITU-T在新推出的智能网能力集一2标准中描述了移动接入的功能实体,称为CAMELphase2标准。
伴随着移动网络向第三代系统的演进,网络的智能化程度也在不断地提升。智能网及其智能业务是构成未来个人通信的基本条件。
5更高的频段
从第一代的模拟移动电话,到第二代的数字移动网络,再到将来的第三代移动通信系统,网络使用的无线频段遵循一种由低到高的发展趋势。1981年诞生的第一个具有国际漫游功能的模拟系统NMT的使用频段为450MHz,1986年NMT变迁到900MHz频段。我国目前的模拟TACS系统的使用频段也为900MHz。在第二代网络中,GSM系统的开始使用频段为900MHz,IS-95CDMA系统为800MHz。为了从根本上提高GSM系统的容量,1997年出现了1800MHz系统,GSM900/1800双频网络迅速普及。2002年将投入商用的第三代系统IMT-2000则定位在2GHz频段。
6更有效利用频率
无线电频率是一种宝贵资源。随着移动通信的飞速发展,频谱资源有限和移动用户急剧增加的矛盾越来越尖锐,出现了“频率严重短缺”的现象。解决频率拥挤问题的出路是采用各种频率有效利用技术和开发新频段。
模拟制的早期蜂窝移动通信系统采用频分多址方式,主要通过多信道共用、频率复用和波道窄带化等技术实现频率的有效利用。随着业务的发展,模拟系统已远不能满足用户发展的需求。数字移动通信比模拟移动通信具有更大的容量。同样的频分多址技术,数字系统要求的载干比较小,因而频率复用距离可以小一些,系统的容量可以大一些。而且,数字移动通信还可采用时分多址或码分多址技术,它比模拟的频分多址制在系统容量上大4-20倍。
GSM作为最具代表性和最为成熟的数字移动通信系统,其发展历程就是一部频率有效利用技术的演进史。GSM采用时分多址制式,其对频率的有效利用主要是通过频率复用技术的不断升级实现的。从传统的4×3方式,到3×3、1×3、MRP、2×6等新的复用技术,频率复用的密集度逐步提升,频谱效率快速提高,GSM系统的容量得到逐步释放。1995年开始投入商用的IS-95CDMA(窄带)系统,以无线技术的先进性和大容量等特点著称。它以扩频技术为基础,不同用户的信号靠不同的编码序列来区分,如果从频域或时域来观察,多个CDMA信号是相互重叠的,故理论上CDMA系统的频谱利用率比GSM系统更高,网络容量更大。同时CDMA系统具有一定的过载能力,即系统具备软容量。作为未来第三代移动通信系统主流无线接入技术的WCDMA(宽带码分多址)能够更高效地利用无线电频率。它利用分层小区结构、自适应天线阵和相干解调(双向)等技术,网络容量可得到大幅提高,可以更好地满足未来移动通信的发展要求。
7网络趋于融合,走向统一
7.1第三代移动通信系统的结构
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1.2GPRS通信技术
GPRS通信技术在移动GIS中,表现出了数据与移动通信的融合应用。在原有GSM的基础上,增加系统通信的节点,接入数据网络,组成系统的GPRS通信,为移动GIS通信提供高效率的数据服务,同时还能准确地掌握通信资费,用户利用GPRS,实现移动式的通信,随时随地都可接入数据网络,同时保障移动GIS通信的服务性。移动GIS中的GPRS通信技术的发展速度非常快,目前比较常用的是3G和4G制式,促使移动GIS通信能够适应现代通信的领域。GPRS通信技术中的数据传输速度非常快,其可以分组的形式实现数据连接,确保移动GIS数据在GSM覆盖的领域内传送,能够灵活地接入到互联网内。GPRS通信技术使移动GIS进入了无线传输的时代,依赖于分组交换技术,最大化地传输移动资源,而且基本不会延误移动GIS中数据传输的效率,具有全时在线的优势。
2移动GIS中的端口服务技术
移动GIS中的端口服务技术,主要体现在服务端口和移动终端两个部分,支持移动GIS的通信运行。服务端口的通信技术,用于处理客户端传入的数据,包括数据申请、即时消息等,同时利用服务端口实现数据通信的功能,如:动态数据服务、数据分发、即时消息等,根据服务端的通信协议,安排数据信息的有序进行,防止移动GIS服务端出现数据堵塞或漏发的问题,服务端通信有对应的分区,不同属性的数据在传输后会自动进入到对应的存放区,如:DataPreloadUser039、User100、User190……此存放区代表了数据预装目录,每个移动GIS用户均对应有固定的服务通信存放区,维护数据通信的路径。移动终端及移动GIS的客户端,客户端通信技术相对比较复杂,因为移动GIS客户的需求不同,所以通信属性存在多样化的差别,客户端通信采取多项并联的方式,其可在同一时间内实现申请、发送与接收等多个通信模式,满足了客户对移动GIS的通信需求。
3移动GIS应用中的通信发展
(1)移动GIS中的通信发展,应该解决通信硬件的制约问题,促使硬件能够满足移动GIS的需求,保障硬件能够承载移动GIS中的通信技术,全面落实先进技术的应用。由于移动GIS所处的数据环境十分复杂,所以硬件成为通信技术发展的重要设备,其可维护移动GIS通信的稳定性,优化移动GIS的通信环境。
(2)通信技术在移动GIS中提出了智能化的建设,按照不同标准的通信模式,研发具有智能特性的通信技术,满足移动GIS中的多制式需求,促使移动GIS通信的过程中,能够主动监督数据传输的路径,防止数据被盗取,还能杜绝数据恶意更改的行为,加强通信数据安全控制的力度。
(3)移动GIS通信技术受到无线网络的影响,限制了通信的范围,导致移动GIS依赖于无线网络的空间位置。移动GIS在未来通信的过程中,应该打破空间限制,不能仅限于无线网络覆盖的位置,尝试不同的通信方式,安排操作系统的实践应用,由此既可以优化移动GIS的通信条件,又可以保障移动GIS的灵活性,适应复杂的互联网环境,消除通信中的固定性以及环境差异,提高移动数据资源的利用效率。
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WCDMA有Release99、Release4、Release5、Release6等版本。WCDMA(宽带码分多址)采用直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)、频分双工(FDD)方式,码片速率为3.84Mcps,载波带宽为5MHz。基于Release99/Release4版本,可在5MHz的带宽内,提供最高384kbps的用户数据传输速率。WCDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图象、数据以及视频通信,速率可达2Mb/s(对于局域网而言)或者384Kb/s(对于宽带网而言)。
HSDPA(高速下行分组接入,HighSpeedDownlinkPackagesAccess)技术是实现提高WCDMA网络高速下行数据传输速率最为重要的技术,是3GPP在R5协议中为了满足上下行数据业务不对称的需求提出来的,HSDPA是与R99的信道在同一载波上,只是为HSDPA增加了专门的信道,只需要进行软件升级即可。HSDPA下行峰值速率理论最大值可达14.4Mbps。
HSUPA(高速上行链路分组接入,highspeeduplinkpacketaccess)。HSUPA通过采用多码传输、HARQ、基于NodeB的快速调度等关键技术,使得单小区最大上行数据吞吐率达到5.76Mbit/s,大大增强了WCDMA上行链路的数据业务承载能力和频谱利用率。HSUPA引入了五条新的物理信道E-DPDCH、E-DPCCH、E-AGCH、E-RGCH、E-HICH和两个新的MAC实体MAC-e和MAC-es,并把分组调度功能从RNC下移到NodeB,实现了基于NodeB的快速分组调度,并通过混合自动重传HARQ、2ms无线短帧及多码传输等关键技术,使得上行链路的数据吞吐率最高可达到5.76Mbit/s,大大提高的上行链路数据业务的承载能力。
HSDPA是WCDMA下行链路方向(从无线接入网络到移动终端的方向)针对分组业务的优化和演进。与HSDPA类似,HSUPA是上行链路方向(从移动终端到无线接入网络的方向)针对分组业务的优化和演进。HSUPA是继HSDPA后,WCDMA标准的又一次重要演进。
CDMA2000即CDMA20001×EV,1xEV的意思为“Evolution”,表示标准的发展,DO意为DataOnly(后来把DataOnly改为DataOptimized,表示EV-DO是对CDMA20001X网络在提供数据业务方面的一个有效的增强)。CDMA20001×EV-DO(DataOnly),采用话音分离的信道传输数据。CDMA20001×EV-DV(DateandVoice),即数据信道于话音信道合一。CDMA网提供两大类应用,语音和数据。根据应用CDMA2000演进可分为继续提高语音容量,从CDMA20001X演进到1X增强版或从CDMA20001X标准演进到EV-DO版本0,然后从EV-DO版本0演进到EV-DO版本A以及EV-DO版本B再到EV-DO增强版。
CDMA20001X到1X增强版的平滑演进是利用1/8空白速率帧,使用更有效的闭环功控、反向链路提早结束、前向链路提早结束、前向链路干扰抵消(QLIC)、QOF等技术,采用双天线接收的话,则每扇区的容量可达120个同时通话。1X增强版显著增加了语音容量,同时让网络和频谱投资最大化。
从CDMA20001X演进到EV-DO版本0,在原有的1X基站上增加一个专门用来做高速数据传输的载频,还需要增加新的PCF(分组控制功能模块)。兼容特性使得1xEV-DO可沿用现有网络的规划及射频部件。1xEV-DO基站还可与CDMA20001X的基站合一,并允许用户经由1X的载波使用高质量的话音服务和通过1xEV-DO的载波使用高性能的移动数据业务。
从EV-DO版本0演进到EV-DO版本A,只需对EV-DO版本0网络设备进行软件更新,升级基站中的信道板,基站系统中的其他硬件设备则完全可以保留重用。针对网络的不同情况,EV-DO版本A标准还支持终端在EV-DO版本A和EV-DO版本0网络之间的快速切换。终端和网络的后向兼容性保证了运营商可以逐步向版本A演进,保护了对原版本0网络和终端的投资。由于EV-DO版本A设备已经成熟,可以选择跳过EV-DO版本0而直接从CDMA20001X升级为EV-DO版本A。EV-DO版本A到EV-DO版本B,基站和终端之间可以在前反向多个载波上同时传送数据,从而获得更高的峰值传输速率和系统吞吐量。EV-DO版本B可以通过支持多个载频的EV-DO版本A基站进行升级来实现,这需要对基站和基站控制器进行软件更新。EV-DO版本B完全后向兼容EV-DO版本0和EV-DO版本A。EV-DO版本A和EV-DO版本0终端可以无缝接入到EV-DO版本B网络中获取服务。EV-DO版本B网络可以更有效地支持VoIP和可视电话等实时业务。EV-DO增强版完全后向兼容EV-DO版本0、EV-DO版本A和EV-DO版本B。EV-DO版本B、EV-DO版本A和EV-DO版本0的终端可以无缝接入到EV-DO增强版网络中获取服务。
2在3G之后,第四代(4G)移动通信更先进的技术旨在建立一个新的全IP化的接入网和与固网融合的纯IP核心网,目的是提供宽带移动无线接入
3G向4G的演进路线为:WCDMA和TD-SCDMA,均从HSDPA演进至HSUPA,进而到LTE(3GPP长期演进项目);CDMA2000沿着1xEV-DO.0、1xEV-DO.A、1xEV-DO.B,最终到UMB,超移动宽带(UltraMobileBroadband)。
3GLTE使用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing、正交频分复用技术)以及它的后续技术OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess、正交频分多址技术)是未来无线宽带技术的基础。同UMB一样,LTE也采用了OFDM/OFDMA作为物理层的核心技术,不同的是LTE不再支持CDMA,而UMB为了保持良好的兼容性仍然支持在总带宽中分出一部分带宽来支持CDMA。LTE在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率;改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms;支持100Km半径的小区覆盖;能够为350Km/h高速移动用户提供大于100kbps的接入服务;支持成对或非成对频谱,并可灵活配置1.25MHz到20MHz多种带宽。UMB是可以在1.25MHz和20MHz间以约150KHz的频率增量灵活部署,支持频段包括450MHz、700MHz、850MHz、1700MHz、1900MHz、1700/2100MHz、1900/2100MHz(IMT)和2500MHz(3G扩展频段),可与现有的CDMA20001X和1xEV-DO系统兼容,但在数据传输速率、延迟性、覆盖度、移动能力及布建弹性等方面都更具优势。UMB系统继承了1xEV-DO系统的自适应编码调制、HARQ(物理层混合重传)以及QoS控制机制,结合了CDMA、TDM、QOFDMA(准OFDMA)、LDPC(低密度奇偶校验码)等其它先进技术,同时引入了基于MIMO(多路输入输出)、SDMA(空分复用接入)和Beamforming(波束赋性)等多天线技术。在4G网络中将主要使用以下一些核心技术。
正交频分复用(OFDM)/正交频分多址接入(OFDMA).OFDM是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,子载波并行传输。每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM可以消除或减小信号波形间的干扰,提高了频谱利用率。OFDMA是OFDM调制的一种形式,具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能。对于低数据率用户,需要更低的发射功耗,具有恒定而不是随时间变化的更短延迟。OFDMA会把副载波的子集分配给各个用户,以信道状态的反馈能执行自适应用户到副载波的分配。与OFDM相比,快速衰退、窄带同频干扰性能都得到了提高,改进了系统的频谱效率。
软件无线电是把尽可能多的无线及个人通信功能通过可编程软件来实现,使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。也可以说,是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方式。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能,智能天线应用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。多输入多输出(MIMO、Multiple-InputMultiple-Out-put)技术利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术,采用分立式多天线能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道,从而大大提高容量。MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能,从而获得巨大的容量。在功率带宽受限的无线信道中,MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。
第四代移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络,可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案,能提供端到端的IP业务,能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网;同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后,所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。
综上,随着移动通信的发展呈现趋势传送宽带化、应用个性化、接入多样化、网络数据化、系统互补化及有线、无线一体化的大趋势,宽带无线市场必定潜力巨大,发展前景一片光明。
参考文献:
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[3]张智江,朱士钧,严斌峰,张云勇.3G业务技术及应用.人民邮电出版社[ISBN]978-7-115-14353-2.
[4]罗凌,焦元媛,陆冰.第三代移动通信技术与业务(第二版).人民邮电出版社[ISBN]978-7-115-15962-5.