移动通信发展简述

从第一代移动通信系统到第四代移动通信系统的演变与升级依赖于各种关键技术的引入。第一代移动通信系统（First Generation Mobile System，1G）将经过模拟调制及频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）处理之后的信号进行传输，一般只用于语音信号的传输。1G通信技术具有传输可靠性低、传输距离短等缺点。第二代移动通信系统（Second Generation Mobile System，2G）因数字调制技术和时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技术的引入，系统的传输速率得到了显著提升，从而实现数字化语音信号和低速率的数据传输，同时还增加了手机短信传输功能。第三代移动通信系统（Third Generation Mobile System，3G）的关键技术是卷积码和码分多址接入技术。其中码分多址技术的引入提高了频谱利用率，使数据传输速率大幅增加，从而实现了宽带多媒体和高速数据传输。为了抵抗信道衰落，提高接收信号的信噪比，多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术应运而生，并成为第四代移动通信系统（Fourth Generation Mobile System，4G）的核心技术。移动通信的发展过程以及相应的关键技术如表1-1所示。MIMO技术通过收发端的多天线配置，可以实现空间复用和分集，在不增加系统带宽的情况下能够提高系统容量。更可贵的是，MIMO技术能够将系统传输过程中的不利因素——多径衰落效应转变成额外的系统分集，提高了系统吞吐量和资源利用率，从而提高了系统传输的可靠性。尽管MIMO技术在应对信道衰落和提升系统容量方面具有明显的优势，但是在小型无线移动终端安置多个天线，不但提高了成本，而且增加了其实现难度，致使理想的MIMO技术在走向实际应用的过程中步履维艰。为了克服MIMO技术的缺点，Sendonaris和Laneman等人提出了协同分集技术，即在通信系统中引入中继的思想，称之为协同中继通信系统。在协同中继通信系统中，不同终端的天线所处的空间位置不同，这些天线之间相互协同，构成一个分布式的“虚拟”多天线阵列。研究结果表明，协同无线通信技术可以显著提高系统的数据传输容量，能够有效增强信息传输对抗信道畸变的稳健性。因此，协同中继无线通信技术已成为目前最具有应用前景的研究热点之一。该技术已被写入IEEE 802.16系列标准中，并被规划为第五代移动通信系统（Fifth Generation Mobile System，5G）的核心技术。

表1-1　国际移动通信发展情况

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注：TWRN表示双向中继协同网络。

协同通信能够提高网络的稳健性，并且在基站瘫痪的情况下仍然能够进行部分通信。当有高楼阻挡，移动终端几乎不能与基站进行通信或者移动终端的掉话率非常高时，应用协同通信技术，在高楼附近部署中继节点，通过中继节点的帮助，移动终端可以获得比原来更好的链路通信质量。在应急通信中，当某个小区的基站出现故障时，其覆盖范围内的移动终端就不能进行通信，如果部署了协同通信系统，小区内的用户可以通过中继节点实现信息交换，此时系统中的中继相当于一个功能精简的基站。当小区内的用户需要同小区外的用户进行通信时，可以通过多跳中继进行，或者通过多跳的中继与基站进行通信。

当自然灾害，如地震发生时，地震的冲击致使基站出现故障而大面积坏掉。此时，可以通过中继节点与灾区进行重要的通信。协同通信能够保证外界与灾区之间通信链路的建立，能够使救援部队在抗震救灾的初期获得重要信息。“5·12”汶川地震发生时，灾区通信设备一度瘫痪，外界无法与灾区人民取得联系。在抗震救灾的过程中，中国科学院上海微系统与信息技术研究所就将无线传感器网络部署在灾区用于恢复通信。该系统采用协同通信策略，在基站全面瘫痪的状态下通过协同中继技术实现了应急通信。