聚焦无线通信系统的发展趋势

本书最后偏向于落地到无线通信上面，本节简单介绍一下无线通信的发展及现状。首先什么叫无线通信？从广义来讲，任何不以看得见摸得着的物质为介质的通信行为都叫无线通信，比如，两个人遥相喊话，通过声音通信，又比如，点燃万里长城的一个个烽火台，用狼烟传递敌情消息。而现代无线通信主要指以电磁波来承载消息，收发两端无线缆连接的通信。

故事的开始要从法拉第发现电磁感应开始，那是1831年10月的一天，法拉第一如既往地在实验室里研究用磁场产生电的实验。一个偶然的动作改写了历史，法拉第在一次准备休息时，顺手将长条磁铁往线圈里一扔，突然电流指针转动了一下；法拉第反复了几次验证，都能使电流指针转动。奇迹出现啦，能够确信磁场能够产生电流了。

接下来的两位重要人物就是麦克斯韦和赫兹，其中麦克斯韦揭示了电磁场运动规律的方程，即著名的麦克斯韦方程组，并预言了电磁波的存在，而赫兹的重要贡献，则是在麦克斯韦的理论基础上，在实验室实实在在地证明了电磁波的存在。

电磁波的存在，让敏感的科学家和发明家们意识到或许可以利用电磁波来进行通信，而实践这一革命性思想的先行者们包括莫尔斯、贝尔和马克尼，莫尔斯发明了著名的莫尔斯电报码，通过用电磁波来表示和传递一些点划的组合，来传递一定的消息。贝尔是被公认的电话之父，在1876年实现通过电话线传递语音的电话机，并且以贝尔名字命名的贝尔实验室为通信的发展作出了莫大的贡献。而在1876年，马克尼用电磁波实现了远距离通信，通信发生在一个固定站和一艘拖船之间，距离为18海里，进一步为电磁通信的应用做好了铺垫。

现代无线通信比较系统地规模化发展，可以从20世纪60年代开始说起，在60年代，美国就推出了改进型移动电话系统（1MTS）采用大区制，采用的电磁波频段为450兆赫(MHz)。所谓大区制就是指一个基站（移动控制台）覆盖的范围超大，比如整个北京就一个基站。而在70年代，贝尔实验室提出了蜂窝系统，即把一个大区域划分成小得多的多个小区域，相对于大区制能大大提高系统容量，并一直沿用至今，到80年代中期，一些国家和地区都建立了基于蜂窝的通信系统，也即被大家划分为第一代通信的通信系统，该通信系统采用的是模拟通信。大家在80年代的电影中都能看到那个年代象征地位与时尚的这种通信划时代产品，比如大哥大，那个时候，由于硬件的发展限制，通信终端的体积都很大，大哥大都不是大哥自己拿的，打完电话，身边有小弟在一旁侍候，听一些通信界的前辈讲，那个时候在运营商工作，需要搞网络测试等工作，干完活，一个小伙子挎好几个大哥大去小餐馆吃饭，餐馆的人都用异样的眼神打量着小伙子，这是什么样的画面啊！

从80年代后期开始，数字通信如日中天地发展起来，先后是第二代，第三代，第四代（4G）甚至第五代(5G)移动通信系统。这些不同代系统的划分，主要是基于采用的空口接入技术和能支持的系统容量，2G通信系统主要是指GSM系统，这是一个非常成功的商用通信系统，即使在3G甚至4G已经开始商用的今天，既使你的手机既能支持2G又能支持3G以，GSM系统为基础的系统(包括GPRS、EDGE等)仍然是主流的通信系统，GSM系统里，蜂窝网络各个小区采用频分复用以减轻小区间干扰，即相邻小区可以采用不同的频段（或者说信道）通信，而同一频段可以在距离稍远的另一个小区重复使用，到底这个距离能间隔多远，这个取决于你有多少频段了，也即所谓的复用因子。频段越多，显然采用同一频段的两个小区可以隔得更远，从而相互干扰较小，频段越少，反之0-7图，示意了一个GSM蜂窝网，每个六边形就是一个小区，其中共有7个不同的可用频段，可以看到任何一个小区使用的频段和周围小区都不同，说到这儿，问一个有趣的问题：最少需要有多少个频段才能使得任何两个相邻的小区可以分配不同频段呢，答案应该是最少需要四个，这就是著名的四色定理，为某个小区分配一个频段，就相当于给那个小区染个颜色。虽然四色定理至今没有完全从理论上证明，但所有相关研究工作来看，应该是正确的。

图0-7 蜂窝网络频率复用

系统各小区里上行通信，用户传数据给基站，和下行通行，基站传数据给用户，采用不同的频段，即频分双工(Frequence Division Duplex,FDD)。各小区内部的所有上行通信和下行通信分别采用相同的频段，各个用户之间采用时分复用的方式来区分，即一段时间基站与用户甲通信，一段时间基站与用户乙通信，时间上相互错开，如图0-8所示。系统由于支持的传输速率相对较低，目前也就主要支持打语音电话和发短信了。

图0-8 用户间时分复用

接下来在20世纪90年代中后期，3G通信系统开始发展，3G通信系统主要指以CDMA技术为基础的通信系统，包括WCDMA、CDMA200和TD-SCMA。其中TD-SCMA是我国具有自主知识产权的系统，其特点除了以CDMA为基础外，上行通信和下行通信还使用同一频段，但通过时分方式区分开，即一段时间用于上行通信，一段时间用于下行通信，时间上相互错开，这种上下行隔离方式被称为时分双工（Time Division Duplex,TDD）。时分双工相对于频分双工的好处是，不总是需要成对的频段，这在频谱日益稀缺的今天很有意义。如果说1G、2G、4G这些字眼大家还不怎么熟悉的话，“3G”这个概念在国内应该是家喻户晓。国内三大运营商这两年都分别建设了3G网络，宣传广告也是铺天盖地而来，其中移动的网络是TD-SCD-MA联通的网络是WCDMA电信的网络是CDMA2000相对于2G系统，3G能提供的系统容量更大，除了传统的打语音电话外，还能提供一些新业务，比如视频电话，用手机上网等。(www.xing528.com)

当然，3G系统里，多用户之间的复用多址就是CDMA，即给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码）并用它对承载消息的信号进行编码，因为不同用户分配的码序列相关性很小（甚至正交）知道用户码序列的接收机就可以对收到的信号拿码序列进行解码，并恢复出用户原始数据，如图0-9所示的例子，用户1用的码是[1,1,1,1,]用户2用的码是[1,-1,1,-1]用户3用的码是[-1,1,1,-1]发射端把3个用户的信号x₁，x₂，x₃分别携带在对应的码上，然后一起发出去，则发出去的信号为

图0-9 用户间码分复用

三个用户都会接收到信号s，但用户，用分配给他的码序列和信号做相关为

s×[1,1,1,1]^T=4x₁+0+0

从而用户1可得到给他的信号x₁是多少，其他用户类似。

由于码序列的带宽远大于所承载消息的信号带宽，用码序列编码过程扩展了信号的频谱，所以CDMA也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。

不得不说这个世界变化快，3G的实际布网商用还没多久，已经发现开始难以满足人们的新需求了，特别是对系统容量这个方面，比如高清视频业务等，新一代系统的发展又开始了。这就是所谓4G通信系统，目前来看主要包括LTE也有人把LTE称为3.9G系统，这个都无所谓。LTE系统的标准制定大概从2004年开始，并且LTE一开始就同时支持FDD和TDD两种双工方式2008年第一个版本完成发布，LTE在空口技术和网络架构上面都做了很多创新，能提供高达百兆的峰值速率，更好的用户体验，其中，在空口技术上，采用OFDMA引入多天线技术，在网络架构上，采用扁平化的网络思想，同样，具体什么是，多天线技术，以及LTE系统的主要关键技术将在本书第五部分介绍。

总之，无线，移动，通信是一个发展非常活跃的领域，极大地丰富甚至改变了人们的生活。