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專業移動通信應移植公眾移動通信技術
來源: | 作者:pmobf42d6 | 發布時間: 2018-12-17 | 1186 次瀏覽 | 分享到:

移動通信經歷100多年的發展,現已成為門類繁多、用途廣泛的一大新興產業。大體經歷了從軍政機要至民用專業,以至公眾移動通信三個階段,特別是近40年高速發展了1G、2G、3G和4G,我國用戶高達13.27億戶。本文分析了移動通信與專業移動通信的特點和要求,從系統標準、技術專利、網絡規模、產品性能,芯片、成本等方面比較二者,找出專業移動通信的差距,從而提出了轉變觀念、汲取教訓,全面規劃、因勢利導,尋找差距、積極趕上等建議,學習移植公眾移動通信技術以加速專業移動通信的發展。


寬帶集群通信是移植4GLTE技術的成功范例充分說明專業移動通信移植公眾移動通信技術是一條多快好省的捷徑。


一、移動通信百年發展歷程


1900年1月23日在波羅的?;舾裉m島附近的一群遇難漁民,通過無線電呼叫而得救,移動通信第一次在海上證明了它對人類的價值。緊接著1901年英國蒸汽機車裝載了第一部陸地移動電臺,于是移動通信這個二十世紀的同齡人便相繼在海、陸、空起步了。


通信作為人類社會的“神經系統”,不論是對物質文明還是對精神文明,都具有深遠的影響,使人類文明邁入信息社會??梢哉f移動通信是二十世紀運輸與通信二者相互結合高度發展的產物。世界的本質是運動的,生命在于運動,凡是運動的事物無不需要信息。移動通信經過一百多年的開拓,相繼在海、陸、空以至水下、地下和深空都發展起來了,它已成為門類繁多、用途廣泛的移動互聯網新興產業。


從用戶對象來分:主要有公眾移動通信、專業移動通信和軍事移動通信,軍事移動通信也可歸屬于特定的專業移動通信范疇。


移動通信一百多年的發展歷程,大體經歷了三個階段:


● 初期的軍政機要移動通信階段,


● 進而發展至民用專業移動通信階段,


● 七十年代末出現的蜂窩汽車電話標志著發展到了公眾移動通信階段。


近四十年來移動通信在微電子技術基礎上與計算機技術密切結合產生了革命性的飛躍,各種新技術,如FDMA、TDMA 、CDMA又OFDM層出不窮。一代又一代的新系統不斷涌現,第一代模擬移動電話網早已謝世,第二代數字移動通信網正在退市,第三代移動多媒體網已停發展,第四代寬帶移動3D網如日中天,第五代超寬帶移動網也將含苞待放。值此時機,我們要冷靜面對專業移動通信已經大大落后于公眾移動通信的現實,轉變觀念,考慮迎頭趕上的發展戰略。


二、移動通信不同側面的發展動向


沿著百年歷史的軌跡可以觀察到移動通信22個不同側面的發展過程和未來動向:


● 頻段——由HF、VHF到UHF以至毫米波;


● 帶寬——由窄帶、寬帶到超寬帶;


● 調制方式——由調幅、調頻、單邊帶到數字調制;


● 通信方式——由單工單信道對講到雙工多信道共用;


● 多址方式——由FDMA、TDMA、 CDMA到OFDM;


● 傳輸方式——由模擬到數字;


● 傳輸速率——由低速、高速到超高速;


● 通信業務——由通話為主增加數據、圖像到多媒體業務;


● 通信規?!蓡螜C到系統,由專線到網絡


● 網絡結構——由單一網到多區網;


● 網絡制式——由大區制到蜂窩小區制;


● 移動速度——由靜止、步行、典型車速到高速、航空以至衛星;


● 傳播環境——由地面室外環境、室內環境、室外至室內環境到衛星環境;


● 系統覆蓋——由有限服務區、國內服務區、區域服務區至全球服務區;


● 通信環境——由水上、陸地再空中到陸??找惑w化以至地下、水下和深空;


● 通信容量——由小容量、中容量、大容量到超大容量以至滿足全球物聯網的需求;


● 通信用戶——由軍政機要用戶、業務用戶到公眾用戶,亦即由專業網到公眾網;


● 移動終端——體積由人背馬馱至便攜、手持以至袖珍;重量由幾十公斤、幾公斤、幾百克以至幾十克;


● 器件——由電子管、晶體管、集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路至系統單片集成芯片;


● 設備——由硬件為主到硬件 + 軟件以至軟件為主;


● 制造——由單件、小批量、批量到大規模生產;


● 運營——由一家專營到多家競爭。


總之,移動通信技術正在以前所未有的速度迅猛邁進。尤其是第四代移動通信,將真正實現無線通信和寬帶通信的激情碰撞,為未來的市場創造出巨大的空間。


三、移動通信的特點和要求


移動通信由于要保持行人、汽車、船舶和飛機等移動體不間斷的通信聯絡;因此,只能使用無線通信這種傳輸手段。由于它是用于全球的表層和空間,會遇到各種惡劣的地形、環境和氣候;因此,要求能適應嚴酷的使用條件。由于它是用于如司機、士兵和老百姓;因此,要求移動終端必須便于使用,易于維護。


由于上述使用特點;因此,必須滿足如下諸多要求:


(1) 作到輕、小、省、牢、便;


(2) 抗拒酷暑、嚴寒、狂風、暴雨等惡劣氣候條件;


(3) 適應山岳、叢林、沙漠、河海、高空以及地下、水下、深空等不同環境條件;


(4) 既可車載船裝,又能背負手持,還要經得起飛機、宇宙飛船等各種移動體的安裝運動條件;


(5) 要在移動通信特有的多普勒頻移、瑞利衰落、陰影和點火噪聲等變參傳播條件下,確?!皠又型ā?;


(6) 要在工業密集、交通繁忙的市區,頻率擁擠、干擾嚴重的電波環境下,達到電磁兼容;


(7) 要在收、發、頻合、微機、電源及天饋等部件密集的小空間,滿足機內的電磁兼容;


(8) 要有強大的系統開發能力,以適應科技進步的加速,保證產品更新的及時;


(9) 要有強大的設備制造能力,以滿足社會對移動通信器材量大面廣的需求。


需要滿足的使用技術要求如此苛刻,使得要保證“動中通”的移動通信較“靜中通”的固定通信難得多;因此,移動通信系統所能達到的水平,往往綜合體現了整個通信技術發展的高度。


四、專業移動通信的特點和要求


專業移動通信是由專業單位自行建設,面向本部門用戶為服務對象的,這些用戶間存在著一定的組織關系,并且呼叫級別往往是不平等的??蓮V泛應用于生產調度、指揮控制,以提高效率,對國民經濟的發展、社會的穩定和人民生命財產的安全等有著極其重要的作用。除了具有上述移動通信的共同特點并滿足其一般要求之外,與公眾移動通信比較,還另有下列一些特點和要求:


(1)群組業務

突出的作用是對其所屬各級用戶的指揮、調度。同一通話組內用戶數少則幾個,多則上千個。因此強調組呼、群呼和廣播呼叫。

  

 (2)快速呼叫

突出的特點表現為“急”。這就要求能“快速反應”,能進行緊急呼叫、強插強拆和不同的呼叫優先級別等調度指揮功能。調度指揮要求簡明扼要,一般通話時間為幾十秒。更強調縮短呼叫的建立時間,一個公眾網的電話用戶,從撥號到接通所需時間一般為幾秒到十幾秒甚至更長,這不會造成太大影響;而對專業網用戶來說就不行,在緊急情況下,希望一按即通(小于0.4秒),否則會造成相當嚴重的后果,特別在交通工具速度日益提高的情況下如動車組高速列車就尤為迫切。

 

(3)安全可靠

核心要求就是安全性。由于無線通信空間傳播信道的開放性會導致多種不安全因素,包括信息竊取、假冒攻擊、網絡欺騙等,這使得網絡安全和信息安全都受到極大威脅。需要采取一系列安全措施,以防止信息被敵對勢力輕易截收、誘騙欺詐等等。因此必須采取雙向鑒權、高級信息加密等措施。


(4)高抗毀性

關鍵要求是持續保證動中通。在極端情況下,因人為因素(如惡意破壞等)或自然因素(如天災地震等)導致網絡不能正常工作時,系統以故障弱化方式可以保證基站在一定范圍內仍能服務;還要求移動終端之間能直接互通;系統還應具有多種災害環境適應性,即具有高抗毀性,當某些設備被毀、有備件自動接上;市電中斷,有備用電源。在遭遇被人擄獲時會及時自毀。


(5)高突發性

關鍵要求是容量能承受災害爆發瞬刻突發的極大量呼叫,不會堵塞;能組織地區各種通信手段一起來提供服務;可將先后來到的呼叫暫存,依次視信道情況及時有序發出。


五、全球公眾移動通信大發展的四十年


從發展到公眾移動通信階段至今歷經4代:


(1)1G時代 ——模擬話音通信

主要標準:

TACS、AMPS


主要技術體制:

頻分雙工(FDD)和頻分多址(FDMA)


上世紀七十年代末美國貝爾試驗室一反過去無線通信追求傳播距離越遠越好的技術路線,逆向思維,利用地球的曲率與超短波直線傳播的特性發明了蜂窩組網技術,解決了有效利用頻譜資源問題,為廣大公眾服務奠定了基礎。


(2) 2G時代 ——數字話音通信

主要標準:

GSM、DAMPS、PDC,IS95 CDMA


主要技術體制:

前3種為頻分雙工(FDD)和時分多址(TDMA)

第4種為頻分雙工(FDD)和碼分多址(CDMA)


上世紀八十年代隨著各種模擬蜂窩系統在各國的擴展,歐洲感到制式五花八門,不能兼容互通,適應不了歐共體的需求,于是組織開發了泛歐GSM數字蜂窩系統。美國為進一步擴大容量,又推出了采用CDMA技術的數字蜂窩系統。 解決了全數字化問題,為實現上互聯網創造了條件。


(3) 3G時代 ——移動多媒體通信

主要標準:

WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA、WiMAX


主要技術體制:

前2種為頻分雙工(FDD)和碼分多址(CDMA)

后2種為時分雙工(TDD)和碼分多址(CDMA)


上世紀九十年代國際電聯組織研討未來公眾陸地移動通信系統(FPLMTS),于1998年征集了10種方案,經過融合形成了IMT-2000系列3G標準。解決了高速數傳問題,為實現多媒體個人通信奠定基礎 。


(4) 4G時代 ——移動寬帶3D通信

主要標準:

FDD-LTE-A、 TDD-LTE-A 、WiMAX


主要技術體制:

第1種為頻分雙工(FDD)和正交頻分多址(OFDM)

后2種為時分雙工(TDD)和正交頻分多址(OFDM)


到了21世紀,隨著3G網絡的運營,發現數據傳輸速率不能滿足視頻業務的需求,原訂標準的版本不斷升級,同時由于號稱4G的WiMAX的挑戰,2004年開始組織研討以OFDM與MIMO技術為基礎的LTE,2010年底確定為4G標準。解決了超高速數傳問題,為實現移動3D個人通信奠定基礎 。


國內企業在移動通信領域同交換機相似出現群體突破,與國外的差距正在逐步縮小,民族移動通信工業的崛起,不僅打破了國外設備壟斷中國市場的局面,而且為技術持續創新提供了應用基礎和投資保障,并能夠根據運營業的實際不斷推出更為全面、先進和貼近中國需求的產品和技術。這種創新使我國由電信大國轉變為電信強國。


六、專業移動通信與公眾移動通信的差距


專業移動通信在這40年中進展緩慢;而公眾移動通信無論從系統標準上、技術專利上、網絡規模上、產品性能上,所用芯片元器件上、成本上都已遠遠超越了專業移動通信。


(1)系統標準

公眾移動通信已經制定了4代標準,正在醞釀第5代標準。而專業移動通信只制定了數字無中心通信系統與APCO25、iDEN和TETRA等不同制式數字集群通信系統標準。在數字化席卷通信與家電各個領域的浪潮下,而最早的模擬對講機卻是最后一個模擬系統固守的堡壘,歐洲遲至2005年才制定數字對講機標準。這一切構成了當前的第二代專業數字移動通信系統,大體上相差2代。


我國從1974年開始劃分專業移動通信頻率,制定74系列、80系列、90系列等模擬體制標準,2000年才參照TETRA和iDEN制定了數字集群標準,在21世紀陸續移植2G的GSM制定了GT-800數字集群標準及專用于鐵路的GSM-R標準、移植CDMA制定了GOTA數字集群標準,對講機參照歐標制定了中國數字對講機標準以及專用于公安的PDT標準。近幾年開始移植4G的LTE研發寬帶高速專業移動通信系統。


(2) 技術專利

對于3GTD-SCDMA的關鍵技術集中在:智能天線、多載波、上行同步、聯合檢測、接力切換和動態信道分配。從2003年開始,國內申請總量快速增長,到2010年10月, 在華專利申請共6634件,其中89%來自國內。


對于4GLTE的重要底層技術OFDM(正交頻分復用技術)和MIMO(智能天線多入多出技術)專利,共有865篇。由于TD-LTE被確定為TD-SCDMA的后續演進標準,受到了中國政府的高度重視,得益于國內科研機構、企業和學校等多方面的貢獻。因此,到2009年國內申請量已經具有明顯的優勢,前15位申請人共有627篇,占到總量的72.5%。


而專業移動通信的技術專利屈指可數,遠遠低于上述數量。數字集群雖有國家標準,但初期全部系統和終端設備多由國外廠家提供,2006年部分設備開始國產化,提供國內產品??墒菍@诵募夹g仍掌握在國外廠商手中,專利壁壘高筑。如空口加密技術不予公開,我方無法自行加密,造成諸多安全隱患和使用不便;雖然同是TETRA標準,但不同廠家設備無法互通;TETRA技術為了適應歐洲人口密集的特征,基站覆蓋范圍小,無法適應我國地廣人稀的中西部。2014年公安部門決定推廣自主制定的PDT標準,有了創新專利,才克服了上述缺陷。


(3) 網絡規模

當前中國的移動網2G有3張全國性網絡,即中國移動的GSM、中國聯通的GSM、中國電信的CDMA。3G有3張全國性網絡,即中國移動的TD-SCDMA、中國聯通的WCDMA、中國電信的cdma2000。這些在全球都是數一數二的規模。


今年3月全國移動電話用戶總數達到13.27億戶。其中4G移動電話用戶達到7.63億戶。


而專業移動通信的數字集群只有北京、上海、廣州、深圳等幾個城市網,用戶也超不過20萬,加上模擬對講機也不過2千多萬。


(4) 產品性能

公眾移動通信的終端產品無論是體積、重量、功耗,適應各種惡劣氣候、不同環境、各種移動體的安裝運動以及惡劣移動傳播變參條件等方面絲毫不亞于戰術通信電臺;而數據速率、容量等性能則大大優于專業移動通信


(5) 芯片與成本

當前的2G手機多是90納米工藝的芯片,系統單片集成。3G手機多是45納米工藝的芯片。而4G手機將是7納米工藝的芯片。這就是上述產品性能得以保證的根本原因。也因此成本大大降低。而專業移動通信由于規模小,技術落后,仍然使用中小規模集成電路,成本難以降低。


七、如何發展專業移動通信


如何加速發展專業移動通信,提出以下移植公眾移動通信技術的建議:


(1)轉變觀念、汲取教訓

40年前我國軍用電子信息通信領域無疑是領先于民用領域的,由于公眾移動通信在全球的大發展,促進了中國科研產業的發展,現階段在3G的TD、4G 的TDD-LTE我們可以與人并駕齊驅,甚至在某些方面還略勝一籌。今天正在大力研發的5G,我國已經從跟隨者變為領頭人。而在專業移動通信的科研產業方面我們就落后了,我們必須首先認識其差距,才可能追趕來縮短差距。閉目塞聽,就只會固步自封。


業內有一種意見,認為專網的寬帶化沒有必要,基于語音和少量數據的數字集群即已滿足需求。而忽略專網內容日趨復雜,很有必要傳輸多媒體信息、高清晰視頻,工作界面逐漸立體化的大趨勢。


在上個世紀八十年代1G時代,大哥大非常昂貴,在無線通信界就一股風掀起用專業集群系統去取代,美其名曰二哥大,紅火了一陣,隨著2G的高速發展,二哥大不適應公眾通信的缺點日益暴露,結果都偃旗息鼓。


由于2G的興旺普及,在成都就嘗試用GSM取替集群和對講,中興利用CDMA開發了GOTA,華為則用GSM開發了GT-800,但終因不能很好滿足專業集群系統的特點和要求,而沒有得到大面積推廣。業界有一種觀點認為專網的寬帶化可以通過在公網中虛擬出專網即可。這是不了解專網對網絡性能的嚴苛要求,即高響應速度、高抗毀性、高安全性、長時間在線、爆發性網絡流量等特點。這是用公網來虛擬專網所無法承載的。


這正反兩方面的教訓使我們深刻認識到公眾與專業二個不同的用戶群體,各有其不同的特點和要求,需要充分利用各種自主創新的技術與專利,按各自的特點和要求去研究開發。


(2)全面規劃、因勢利導

國家明確要全面實施戰略性新興產業發展規劃,加快人工智能、集成電路、第五代移動通信等技術研發與轉化。5G將為用戶提供光纖般的接入速率,“零”時延的使用體驗,千億設備的連接能力,超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性等多場景的一致服務,業務及用戶感知的智能優化,同時將為網絡帶來超百倍的能效提升和比特成本降低,最終實現“信息隨心至,萬物觸手及”的總體愿景。專業移動通信界應抓住這一機遇,爭取國家全面規劃信息通信,將專網的發展也列入5G的目標與研發范圍之內,同時專網要因勢利導將5G所發展的各種關鍵核心技術:如大規模天線陣列技術、超密集組網技術、靈活雙工技術、D2D直通技術,以及基于軟件定義網絡(SDN)、網絡功能虛擬化(NFV)、云計算及C-RAN等新型網絡架構先進技術等移植到專業領域。要充分利用高速發展的集成電路,開發專業移動通信的單片系統集成芯片,以大大提高專業移動通信系統的功能,大大降低其體積、重量、功耗與成本。同時要充分利用人工智能的成果以實現專業移動通信系統的智能化。


(3)尋找差距、積極趕上

本文只就我所熟悉的公眾與專業移動通信領域作了粗略的比較分析,其實在整個電子信息通信領域都值得專業移動通信各個單位去全面比較分析,找出各自的差距,才會發現各自進步的方向。在這方面完全可以發揮離退休科技人員的作用,他們有從事該領域科研積累的學識經驗,可以高瞻遠矚,找到差距,看準方向。


目前一些原本從事公眾移動通信的企業,看到了利用所掌握的先進技術移植到專業移動通信領域是大有作為的,他們在利用4G的LTE技術來開發寬帶數字集群方面已經有了可喜的進展。那些掌握先進公眾移動通信技術的人就是我們的兄弟、朋友或師生,我們完全可以向他們取經,可以引進這方面的人才,虛心學習,或者與他們合作,發揮各家之所長,移植公眾移動通信技術,就可以較快改變落后的局面。


八、寬帶集群通信是移植4G LTE技術的成功范例


2011年11月8日我在數字集群通信論壇上作《中國數字集群體制及政府共網的發展》報告曾經介紹國際電信聯盟ITU-8A/64公共安全與減災(PPDR)無線通信應用及系統要求


語音  一對一、一對多、直通 、即時呼叫建立PTT


數據-低速率  短消息 、遙測 、位置狀態


數據-中速率  接數據庫 、遙測 、靜態圖像 、位置確定


數據-高速率   互聯網 、視頻 、高清晰度圖像


建議我國未來要相繼制定語音+數據的PPDR標準。


2014年5月27日,由工信部電信研究院聯合行業用戶單位、制造企業、科研機構、高等院校、社團組織等共同發起成立寬帶集群(B-TrunC)產業聯盟。把握集群通信技術數字化、寬帶化、多媒體化的發展趨勢,依托我國LTE無線通信技術的發展基礎,以標準為龍頭、認證為保障,打通芯片、終端、系統等產業關鍵環節,構建堅實的寬帶集群產業群體。


通過聯盟成員對移植LTE無線通信技術到寬帶集群的共同努力,組織制定寬帶集群通信(B-TrunC)標準,面向公共安全、城市管理和應急、能源交通等行業的調度指揮和生產作業的寬帶化需求,在兼容LTE寬帶數據業務的基礎上,增強了語音集群和多媒體調度等寬帶集群功能,支持從1.4MHz到20MHz的靈活帶寬。寬帶集群(B-TrunC)空中接口采用了創新的下行共享信道技術,極大地提高了組通信業務的頻譜效率,集群功能性能指標達到或超過專業數字集群的技術水平,是國際上首個支持點對多點語音通話、點對多點多媒體集群調度等公共安全與減災應用的寬帶集群通信標準。


2015年7月B-TrunC標準寫入ITU-R M.2009建議書和ITU-R M.[PPDR]報告,標志著應用于PPDR的無線通信系統走向寬帶化,中國的寬帶集群標準化工作走在了全球前列。2016年11月B-TrunC標準寫入到即將出版的M.2014-3標準修訂稿中,成為ITU-R推薦的集群空中接口標準,這也是該標準中唯一的LTE寬帶集群標準。此舉是中國B-TrunC在國際標準化工作上的又一重大成果,進一步提升了我國專網通信技術的國際地位。


國內基于B-TrunC標準的LTE寬帶集群系統在北京、廣州等主要城市已經用于無線政務、公共安全、地鐵線路、機場、港口、鐵路站場、電力、水利、石油石化、礦山和林業景區等眾多行業,實現了規模應用,滿足各行業對集群調度和寬帶數據業務應用的需求。為提升國內行業的信息化、智慧化水平作出了重要貢獻。


國際上已經廣泛應用于無線政務、公共安全、交通、能源等行業領域。如肯尼亞警網、加納安全網、西班牙Rivas智慧城市政府多部門共網、埃塞俄比亞輕軌列調等,也為國際行業的信息化、智慧化水平作出了重要貢獻。


事實勝于雄辯,寬帶集群通信是移植4G LTE技術的成功范例充分說明專業移動通信移植公眾移動通信技術是一條多快好省的捷徑。


忠言逆耳,承認落后,尋找差距,才能激勵前進,一個為祖國專業移動通信與公眾移動通信工作了60多年的老兵,為了實現中國夢所寫的這篇文章,希望能對后來者有所裨益。

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