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发表于 2005-9-22 17:29:00
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我们所熟悉的公众蜂窝移动通信体制经历了从模拟的第一代,到数字的第二代,和正
在困惑之中的第三代(3G),集群移动通信作为部门、企业、矿山使用的专用移动通信体制,同样经历了模拟的第一代,到达了数字的第二代。那么,集群通信是不是需要发展第三代;新一代集群通信可否用了3G公众蜂窝移动通信网取代;新一代集群会不会遭遇公众蜂窝移动通信同样的困惑;新一代集群的主要技术特性是什么;什么样的技术体制可望成为新一代集群的标准。这一系列的问题有待讨论。本文拟上述问题提出一点分析意见,我的结论是,LAS-CDMA将是最富于竞争力的技术途径。
2、集群与蜂窝移动通信
二十世纪80年代前后形成了两类最大的移动通信市场,即公众蜂窝移动通信和(专)共用集群移动 通信,尽管曾有人试图用集群网搞公众服务,也有人以为公众网高度发展,集群网会失去市场,事实证明,这两个想法都不符合实际,二者不能互为替代,至少在可以预见的未来仍然会同时发展的。
由于模拟移动通信已经过时,第二代的公众蜂窝数字移动通信在全球范围内实现了普及,而第二代数字集群还处于发展期,第三代公众蜂窝移动通信(3G)在ITU已形成标准,但其运营建设遇到了困难。
集群移动通信有着相似的发展过程,但相对滞后。第一代模拟集群现在仍然广范应用。第二代数字集群于廿世纪90年代中后期才发展成熟。在中国还处于试验网试运营阶段。至今有关第三代集群通信的概念,尚未见提出来。但是,比照第三代公众蜂窝移动通信的发展,集群通信也必然会有相应的第三代需求,甚或第三代公众蜂窝移动通信当前所遇到的困难,对第三代集群通信会是另外一番情景。
2.1主要特点比较
以下比较基本上是以第二代移动通信中的数字集群与数字蜂窝的比较。(见表1)
由上表可见,集群通信的设计目的在于满足调度业务需求。因此,其调度中心具有最强的业务优先权,对于不同的重要地位的用户,由网络赋予其不同的优先级别。用户之间的相互通信受到限制,其与公众有线网的接入能力并不重要。
而公众蜂窝移动网是以满足所有的用户通信需求为主旨的设计,网络容量大,用户需要什么都尽量满足,不设任何使用上的限制。
集群通信网络对用户还有特别的安全管理,为遥毙与复活密钥销毁等功能,这些在公众蜂窝网中都不需要。
当集群网作为共网运营时,即多部门共用一个集群网,而各部门必须所保持其独立性与相互隔离。因此,有必要形成多个虚拟网,并且相对稳定,又允许重组,这些也都有是公众网所不需关注的功能。
由上可见,公众蜂窝网与集群网各有主旨各有特点,各有应用范围,不能互相代替,我国已经发展了较大规模和覆盖良好的公众蜂窝移动通信网,还有必要再发展满足部门调度需求的集群通信网。
2.2主要技术特性比较
仍然是以第二代(数字)蜂窝移动通信与数字集群作比较,只选数字蜂窝的GSM与IS-95CDMA,数字集群选择iden与TETRA。
表2
*GSM另有Rx:1930~1990MHz Tx:1850~1910MHz的PCS1900频段。TETRA另有380~400MHz,410~430,450~470MHz频段。
**为GSM/GPRS技术
***为cdma2000 1X码集聚技术
由表2可见,尽管集群通信与蜂窝移动通信使用功能上有很大差异,但在技术特性上有很大相似之处,两种主流数字集群系统技术,尤其像第二代移动通信GSM设计,但是在语音编码,调制群调技术上有新发展,其实半速率的GSM语音编码,和GMS的改进标准EDGE中的调制解调也作了相似的改进,为提供更高的用户数据速率,数字机群也都采用了GSM-GPRS相似的多时隙传输技术。
两种典型的数字集群设计都没有采用CDMA技术,与IS-95的设计差别很大。其原因可能与传统CDMA技术在满足数字集群应用需求上要麻烦一点,例如Chip同步与小区半径变化大的矛盾,直通需求与反向功率控制和系统内部干扰的矛盾等因素有关。
当前国际上正推行的上述两大典型数字集群标准基本上与公众蜂窝移动通信网的2G功能相当。只能承担与2G相应的话音、短信和较低速率的数据业务,若共网与专网为适应更高层次的部门信息化管理需求,相应的3G公众蜂窝移动网的技术要求应该考虑。因此,当前的数字集群标准与技术发展相对滞后于3G公众蜂窝移动网的发展是个客观事实。
3、3G公众蜂窝移动通信与第三代集群通信
3.1 3G公众蜂窝移动通信计划受挫
按ITU设想3G定名为IMT2000,其涵义在于2000年投入运营,使用2G频段。然而时至今日,3G的发展并不理想,W-CDMA只有日本DoCom.一个运营网,经2002年运营,用户数极其有限,CDMA2000IXEV-Do在韩国开通一年多,北美第一个CDMA2000IXEV-Do刚刚开通几个月,而EV-Do仅是个阶段标准,目标应该是CDMA2000IXEV-DV,但至今使用什么技术来实现尚无定论。欧洲是W-CDMA的主导区域,至今未有一个网络接入运营,中国提出来的TD-SCDMA其产生时间较晚,进度比上述两个主流标准滞后,应另当别论。究欧美亚太3G发展受挫的原因,观点很多,依我所见,主要是:3G属于技术驱动,缺乏新的市场需求,3G属于概念推动,拘泥于2G的现成技术,缺乏新的技术支撑,还有3G生不逢时,IT泡沫殃及3G。
所谓技术驱动,本是产业发展的重要动力,但真正形成产业还必须与市场需求相结合,特别是公众蜂窝移动通信,2G发展高潮刚过,人们需求的话音通信、短消息和低速数据业务已得到满足。社会的信息化进程还刚刚开始,人们对信息通信的需求还局限于固定网应用的起步阶段,对移动网上多媒服务,高速数据浏览,甚至移动视像互动等信息交换的需求,还要一个培育过程。事实上,2.5G的发展,也在为3G的市场培育作贡献,有线电信网络的信息服务将是更加重要的市场准备。
概念驱动:2G的发展是先有了技术,再形成设备和系统,设备和系统成熟被确定为标准。3G的标准,是根据IT技术发展建立概念,即制定标准,然后寻求技术支持,而开发公司都希望使用成熟的2G技术来实现3G标准,于是要在3G概念指导下寻找对2G技术的改进,以达到3G目标,以至标准要分阶段完成,第一阶段标准比当前的2.5G高不了多少,第二阶段再解决3G目标技术,例如全IP,多媒体服务等。
生不逢时:1999年ITU确定IMT-2000标准时,IT泡沫正热,欧洲炒作经营许可证,政府已高价向运营商出售牌照,运营商大伤元气,支付了许可证费之后,又遇到世界经济不景气,IT行业泡沫爆破,殃及移动通信,运营商再也无钱买设备,支付建网投资。
3.2新一代集群通信的机遇与发展条件
如果说第一代公众通信是话音通信,第二代公众通信是话音与数据通信表现为数字通信,那么第三代公众通信就应该是信息通信。他的信息形成更加多样化,包括话音、数据、静态图像动态图像;通信的对象不再局限于人与人,而且还包括了人与机,机与机,人与网,网与网;信息通信系统的发展将与信息需求,信息资源,信息服务诸因素有关,并不完全决定于信息网络实施的建设,有线通信是这样,无线通信也是这样,公众蜂窝移动通信是这样,共用或专用集群移动通信也是这样。因此,我们谈集群通信的第三代发展需求与条件时,分析内容也是这些。
1)集团用户信息通信需求率先成熟
在我国的信息化进程中,集团用户信息化最先被提上议事日程,如国家在广东南海,广州在珠海区首先建立电子政务信息系统。同样国有经济各部门,也在相继建立电子信息系统,各大型企业集团的内部信息化建设正在大力推行智能交通、治安管理、都在进行信息化系统建设,当今移动通信只满足话音和低速数据通信需求,不适应信息通信发展,成了瓶颈。这表明了我国集团用户对移动信息通信的需求已率先成熟,而这个需求是不能指望公众蜂窝移动通信网来实现的,因为它缺乏调度功能,也不能靠当前的数字集群通信来完成,因为它只是局限于话音和低速数据通信功能,不是信息通信系统。
2)集团用户信息资源来源于自身
凡集团用户要推进其信息化建设,必然要建立自己的信息资源库,同时建立自己的信息服务,同时自己也就是信息库的管理者,网络的用户,信息服务对象,尽管信息网络是多部门共享或租用的,但形成了虚拟网之后,不失其运行的独立性,在需要移动服务情况下,集群通信正是提供这类信息网络服务的最合适的通信技术手段,这就是说,当发展信息通信时,第三代集群通信不会遇到象第三代公众蜂窝移动通信由于缺乏信息资源和信息服务的支持而受到困惑。
3)不存在2G网络已成规模的负担
2G公众蜂窝移动通信网在全世界范围内取得的成功,就中国而言已有2亿用户,这么大的网络过渡到3G,制造商希望平滑过渡,运营商希望平滑过渡,而平滑过渡无疑对用户对运营商都会支付更多的投入,只不过是保持了网络发展的连续平滑。而2G技术范畴的集群移动通信,无论在全球还是在中国都还为数不多,特别是中国,基本上还是效益极低的第一代模拟集群在运行。因此,为适应部门单位信息化建设需要,跨过话音和数据通信的第二代,直接进入信息通信的第三代集群,应该是更经济的途径。
3.3数字集群的数据功能有待升级
1)数字集群通信的数据功能
对应于第二代公众蜂窝移动通信的2G的数字集群,其开发时间,在2G成功之后,与2.5G的GPRS/GSM相当。而且由于专网对数据通信的需求成熟更早,所以数字集群的数据功能是比较强的。
在iDEN系统中数据功能包括短消息数据,线路交换数据和分组交换数据。
短消息数据:提供140字节的短信服务。
线路交换数据,iDEN系统电话可提供传真和调制解调器业务,收发E-mail,调用数据,连接在线服务。iDEN电话交换数据速率可以是4.8kb/s,每个射频字频载波6个用户;9.6kb/s,每个射频载波3个用户。
分组数据:iDEN系统支持IP协议,系统具有在64kb/s的调制信道上作QPSK、16QAM和4×64QAM调制间TETRA自动切换,以使每载波传递1100b/s,2200b/s或4400b/s的不同速率数据。
在tetra系统中,同样具有短消息数据,线路交换数据和分组交换数据。
短消息数据:提供256字节的短消息服务。
线路交换数据:提供话音和数据服务(V+D),分用户端到端业务与承载业务,按不同的数据保护等级分别可提供7.2kb/s,4.8kb/s与2.4kb/s的单时隙数据传送能力,和最高达28.8kb/s,19.2/s与9.6kb/s的数据传送能力。
分组交换数据优化模式(PDO):有效传输速率高达36kb/s。可支持慢速扫描视频和数字图形,图像传输,电子邮件,高分辨率传真,数字和文件发送等多种数据应用,以及与Internet互联。
2)数字集群的改进需求
当今的数字集群基本上是2G TDMA技术,充其量引入了2.5G的功能,但基于数据通信的需求在专用中更加迫切,所以TETRA与iDEN都在安排改进设计。
TETRA MOU于2000年成立了"TETRA的未来"和"TETRA标准加强"两个工作组,致力于TETRA版本2的研究与定义,希望2003年完成,其计划改进内容有:将目前的TETRA分组数据速率提高10倍以上,支持多媒体及其它数据应用;选择更高质量话音编解码技术,并实现与其它移动网络的互通,增强空中接口特性以提高频谱效率、网络容量、系统性能和减小终端尺寸及电池消耗,扩展基站覆盖范围至120~200km,并实现地空通信应用;发展TETRA SIM卡,实现U-SIM智能卡平台等。
iDEN更提出以IP核心层为骨干网,实现iDEN接入,将射频调制由当前的M-16QAM推进到64QAM甚至256QAM,以提高频谱利用率等。
尽管并没有提出第三代(3G)集群的名称,但已包含了相似于公众蜂窝移动通信网的某种概念。
4、LAS-CDMA能实现集群通信的升级换代
4.1集群通信要适应的若干参数
1) 信息速率
表3
*TETRA按其改进设想提高当前信息速率10倍
Iden相应地将当前信息速率提高10倍
B3G预测值,并无定论
2) 移动速度及其将引起的外卜勤频移Δf
表4
60km/h--取市区车速
120km/h--取高速公路车速
500 km/h--取磁悬浮列车车速
1200 km/h--取飞机航速
3)小区半径及其直线传播时延
表5
*由于延时扩展与地形地物有关,亦与小区半径有关,显然随着小区半径的增大,延时扩展会增大,缺少实际统计数据,而且统计数据对于极大的小区半径难于有代表性,所以这里给出定性说明,而17μs值则是根据GSM标准给出来的GSM系统测试模型的数据。
4)移动通道的相干带宽
4.2 TDMA方案实现中可能遇到的困难
TDMA实现中,最大的麻烦是受到传播相关带宽的局限,在相干带宽内传播的信号,无须均衡即可可靠传输。超出相干带宽的信号传播,就要采取种种技术措施,例如分集接收,自适应均衡,OFDM等,而分集接收的作用是辅助的。OFDM当然是可用的,是一种新的技术设计,根本上讲,已经不完全是TDMA了。纯TDMA设计的最典型的技术措施是自适应均衡。
自适应均衡的设计关键在于合适的运算量,运算量大小取决于抽头数的多少,在GSM系统中,考虑到延时扩展宽度17μs,其计算量已经很大,正因为如此,在确定GSM方案时,将Ericsson建议的300KHz频带10时隙设计,修改为200KHz频带,8时隙设计,这就是说超过200KHz频带的TDMA设计实现是困难的。
3G主流标准不再使用单纯的TDMA设计,究其原因也正是对延时扩展的承受能力顾虑。
4.3传统CDMA实现集群通信的麻烦
FDD与直通的麻烦
集群通信系统主要工作方式是FDD,移动台之间通信要通过基站来中继,但必要时,如FETRA设计,允许移动台之间不通过基站,以TDD方式直接联络,叫做直通。
传统CDMA的反向功率控制准则是使所有处于同一个小区的移动台发射信号到达基站是功率电平一致。如果同一个小区有不受基站控制的移动台在进行TDD方式通信,这将严重影响传统CDMA的反向功率控制准则,以至系统内部干扰将失去控制,这是不能容忍的。
2)Chip同步的麻烦
传统CDMA必须采用Chip同步技术,这也是系统引用Walsh函数与M序列作扩展频谱码原因,而集群通信中小区半径的变化范围巨大,这是一个基本需求,随着通信容量与数据速率的提高,传输的Chip率会非常高,因此,同步精度相应更趋严格。更高的运动速度产生更大的多卜勒频移,都会给高精度的Chip同步需求产生矛盾,而小区半径从几公里至200km的大变化范围,更增加了Chip同步的麻烦。
5、LAS-CDMA在新一代集群通信设计应用中的优势
5.1在公众蜂窝移动通信中的优势犹在
此前,本人关于LAS-CDMA的技术优势和产业优势的讨论都是针对公众蜂窝移动通信应用的,对于集群移动通信的新一代体制也完全适用,概括起来,其技术优势有:
更高的频谱效率,因此,可以有更大的系统用户容量;
更高的信息传输速率;
更加灵活的信息速率指配,更适合多媒体业务;
更加宽松的功率控制,同步设计要求;
更加宽松的射频功放线性要求;
更低的移动终端发射功率;
更加简单的信道编码检测计算等
其产业优势为:
完全自主知识产权的标准、体制方案、系统设计;基本技术的基础专利属于中国;更低的设备成本,运营成本和用户消费成本;完全立足于国内的技术支持。
5.2 LAS-CDMA在集群通信中的技术优势
1)与TDMA相比
在移动信道采用TDMA技术实现数据通信时,由于延时扩展的原因,信道相干带宽有限,解决的技术途径有两个:
其一,使用低于相干带宽的传输带宽,这样信号速率自然上不去,为传输高速率的数据,可以采用正交频分复用技术,数据率越高,所需复用的子频带越多,信号处理越复杂。
其二,使用宽于信道相干带宽的传输带宽,这样的信号,在传输过程中会产生时间色散,因此,要采用自适应均衡器加以均衡,自适应均衡器的抽头数决定于时间色散大小与码元宽度之比。时间色散决定于信道,码元宽度来自信号速率,传输速率越高,码元宽度越窄,当抽头数大于一定数以后,其计算量将无法容忍。
基于以上原因,3G蜂窝移动通信主流标准都采用了CDMA技术。因此,高数据速率的集群通信采用CDMA是必然的趋势。
2)与传统CDMA相比
所谓传统CDMA即以Walsh函数与M序列或Gold序列为多用户接入正交序列族的CDMA技术,迄今为止所有的CDMA体制无一例外都是沿用这样的设计。与传统CDMA相比,LAS-CDMA采用完全不同的LAS码作为多用户接入正交序列族。
LAS-CDMA所用的LAS码属于真正的正交码序列,不受Welsh界限制,消除了传统CDMA的系统内部干扰,因此,不存在传统CDMA必须遵从的反向功率控制准则,系统内容许在采用FDD的同时,保留移动用户间必要时使用TDD模式互通的可能。
同样由于系统内部基本不存在自干扰,系统功率控制要求不是为了抑制自干扰所必需的,因此,系统可以按照信息传输的不同质量要求 赋于不同的功率发射电平,也由于LAS码可以用不同长度灵活组帧,系统也可以按不同信息传输质量要求,安排不同的传输码长度。
3)其它功能
在集群通信系统中,非常关注移动台的位置,往往附加GPS以对移动台实现定位,一旦离开GPS就失去了定位能力,LAS码的良好数字特性,可以用来作为定位测量码,实现一码多用,解决定位问题,当然要方便很多,成本也会降低。
LAS-CDMA已经实现了与WB-PDMA的技术融合,直接进入全IP设计,而这一技术实现,正是当今数字集群系统的下一步改进目标,因此,可以做到一步到位的全IP设计。 |
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