通信的发展历程

《通信原理》课程专题 题目：通信的发展历程 项目组成员： 任课教师： 成绩：                                        一、通信的起源 通信一直陪伴着人类的发展。早在远古时期，人们就通过简单的语言、手势等方式进行信息的交换。“烽火狼烟，快马加鞭。”生动地描述了中国古代的通信技术，如：烽火，飞鸽传书，邮译通信等。通信在中国的古代也流传出了很多如：烽火传军情，烽火戏诸侯，一骑红尘妃子笑等等。在其他国家，通信的方式亦多彩多样，如长跑，灯塔，通信塔，旗语，信猴等等。不能忘记的是马拉松也是由通信的方式转变来的。在现代社会中，交通警的指挥手语、航海中的旗语等不过是古老通信方式进一步发展的结果。这些信息传递的基本方都是依靠人的视觉与听觉。 二、通信技术的革新 随着人类生活及社交圈的不断扩大，视觉和听觉上的信息交换以不能满足人类的需求。因此，革新出依赖于其他方式的通信方式成为了人类发展史的重要部分。在第二次工业革命期间，电话和电报的发明开启了人类通信的新纪元，这实现了利用金属导线来传递信息。后来人类创造出了通过电磁波来进行无线通信，使神话中的“顺风耳”、“千里眼”变成了现实。从此，人类的信息传递脱离了常规的视听觉方式，用电信号作为新的载体，与此同时也进行了一系列技术革新，开始了人类通信的新时代。 1、 有线通信的产生与发展（举例） 在第二次工业革命期间，电话和电报的发明开启了人类通信的新纪元，这实现了利用金属导线来传递信息。 （1）1837年，美国人塞缪乐.莫乐斯（Samuel Morse）成功地研制出世界上第一台电磁式电报机，实现了长途电报通信。 图2.1 （2）1875年，苏格兰青年亚历山大.贝尔（A.G.Bell）发明了世界上第一台电话机。 图2.2 电话机的发展 图2.3 电报机的演变 图2.4 2、无线通信的发展 1864年，英国物理学家麦克斯韦（J.c.Maxwel）建立了一套电磁理论，预言了电磁波的存在。 1888年，德国青年物理学家海因里斯.赫兹（H.R.Hertz）用电波环进行了一系列实验，发现了电磁波的存在，导致了无线电的诞生和电子技术的发展。 1924年第一条短波通信线路在瑙恩和布宜诺斯艾利斯之间建立。1933年法国人克拉维尔建立了英法之间和第一第商用微波无线电线路，推动了无线电技术的进一步发展。 从此以后无线通信不断发展，最终到了今天，让我们一起关注通信的发展。 三、通信的发展 1、 第一代移动通信 1.1概念 第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话，制定于上世纪80年代。第一代移动通信系统的典型代是美国的AMPS系统（先进移动电话系统）和后来的改进型系统TACS系统（全入网通信系统），以及瑞典，挪威和丹麦的NMT(北欧移动电话)和NTT(日本电信电话株式会社)等。 1.2利用技术及特点 第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址FDMA技术。FDMA是数据通信中的一种技术，即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上。按照这种技术，把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，频分多址使通道容量可根据要求动态地进行交换。此系统是使用单个大功率的发射机和高塔，覆盖地区超过50km，仅能以半双工模式提供语音服务，使用120kHz带宽。 由于模拟系统的系统容量小，还有FDMA技术在信道之间必须有警界波段来使站点之间相互分开，这样在警界波段就会成很大的带宽浪费。而且，模拟系统的安全性能很差，任何有全波段无线电接收机的人都可以收听到一个单元里的所有通话。另外，此技术对天线和基站的破坏也很严重。因此模拟系统主要以语音业务为主，基本上很难开展数据业务。 1.3缺点 众所周知,传输和处理模拟信号的系统称为模拟通信系统,而传输和处理数字信号的系统称为数字通信系统。目前,实际中应用的移动通信,大多属于数字通信。因为模拟移动通信系统投入运行以来,其用户虽迅速增长,但对经济发达国家和地区,存在很多不足之处,这主要表现在以下几点: (1) 模拟移动通信系统制式复杂,不易实现国际漫游。 (2) 模拟移动通信系统不能提供综合业务数字网(ISDN)业务,而通信网的发展趋势最终将向ISDN过渡。因此随着非话业务的发展,综合业务数字网逐步投入使用,对移动通信领域数字化要求越来越迫切。 (3) 模拟移动通信系统设备价钱高,手机体积大,电池充电后有效工作时间短,目前只能持续工作8小时,给用户带来不便。 (4) 模拟移动通信系统用户容量受限制,在人口密度很大的城市,系统扩容困难. 图3.1 2、第二代移动通信 2.1概念 由于模拟移动通信所带来的局限性，从20世纪80年代中期到21世纪初，数字移动通信系统得到了大规模应用，其代表技术是欧洲的GSM，也就是通常所说的第二代移动通信技术（2G）。 GSM是由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准。它的空中接口采用时分多址技术. 自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场80%以上。 2.2系统组成 GSM被分成三个子系统：网络交换子系统；基站子系统；网络管理子系统。其中网络管理子系统又叫操作与维护中心。 网络子系统NSS是整个GSM系统的核心。它对GSM移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换连接与管理的功能。基站子系统BSS是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，它通过无线接口直接与移动台相连负责无线信息的发送接收，无线资源管理及功率控制等，同时它与NSS相连实现移动用户间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信息和用户信息等。网络管理子系统NMS负责NSS和BSS系统的维护管理工作。 2.3GPRS GPRS是在第二代无线通信系统GSM基础上发展起来的，将GSM网络为数据流的传输增加了支持分组交换的网络系统设备，第三代无线通信系统将会在GPRS的基础上进行更进一步的技术进步与发展，为网络全面支持高速、宽带的多媒体数据传输。也就是说，GPRS是介于第二代和第三代之间的一种网络技术，也就是一般称为的2.5代。 GPRS，通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以"分组"的形式传送资料到用户手上 由于使用了"分组"的技术，用户上网可以免受断线的痛苦。此外，使用GPRS上网的方法与WAP并不同，用WAP上网就如在家中上网，先"拨号连接"，而上网后便不能同时使用该电话线，但GPRS就较为优越，下载资料和通话是可以同时进行的。从技术上来说，声音的传送(即通话)继续使用GSM，而数据的传送便可使用GPRS，这样的话，就把移动电话的应用提升到一个更高的层次。而且发展GPRS技术也十分"经济"，因为只须沿用现有的GSM网络来发展即可。GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览等。 图3.2 3、第三代移动通信系统 3、1概念 第三代移动通信技术，简称3G，中文含义就是指第三代数字通信。第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够要能在全球范围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、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，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。 3、2技术及特点 目前国际电联接受的3G标准主要有WCDMA（日本和欧洲）、CDMA2000（美国）与TD-SCDMA（中国）WiMAX四种。CDMA是第三代移动通信系统的技术基础。与1    G、2G相比，CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。 3、3第三代移动通信的基本特征： （1）具有全球范围设计的，与固定网络业务及用户互连，无线接口的类型尽可能少和高度兼容性； （2）具有与固定通信网络相比拟的高话音质量和高安全性； （3）具有在本地采用2Mb/s高速率接入和在广域网采用384kb/s接入速率的数据率分段使用功能； （4）具有在2GHz左右的高效频谱利用率，且能最大程度地利用有限带宽； （5）移动终端可连接地面网和卫星网，可移动使用和固定使用，可与卫星业务共存和互连； （6）能够处理包括国际互联网和视频会议、高数据率通信和非对称数据传输的分组和电路交换业务； （7）支持分层小区结构，也支持包括用户向不同地点通信时浏览国际互联网的多种同步连接； 3、3四个国际标准 （1）W-CDMA 图3.3 W-CDMA是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。该标准提出了GSM（2G）—GPRS—EDGE—WCDMA（3G）的演进策略。GPRS与 EDGE两种技术被称为2.5代移动通信技术。目前中国移动正在采用这一方案向3G过渡，并已将原有的GSM网络 级为GPRS网络。 （2）.CDMA2000 图3.4 CDMA2000是由窄带CDMA（CDMA IS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，由美国主推，该标准提出了从CDMA IS95（2G）—CDMA20001x—CDMA20003x（3G）的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络 （3）.TD-SCDMA 图3.5 TD-SCDMA是由我国大唐电信公司提出的3G标准，该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。但目前大唐电信公司还没有基于这一标准的可供商用的产品推出。 （4）.WiMAX 图3.6 WiMAX即全球微波互联接入。WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。 4、LTE 4.1 概念 LTE(长期演进)项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准,它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。 4.2  特点 图3.7 (1)通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。 (2)提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6版本的HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2--3倍。 (3)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 (4)QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。 (5)系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽，并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。 (6)降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan<5ms，C-plan<100ms。 5、第四代移动通信系统 5、1概念： 4G的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。 5、2特征：   （一）通信速度更快    由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。 （二）网络频谱更宽   要想使4G通信达到100Mbit/s的传输速度，通信运营商必须在3G通信网络的基础上对其进行大幅度的改造，以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。 （三）多种业务的完整融合  个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体，满足用户的各种需求。 （四）智能性能更高   第四代移动通信的智能性更高，表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化。   （五）兼容性能更平滑     要使4G通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到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2G、3G平稳过渡等特点。  （六）实现更高质量的多媒体通信  4G通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透过宽频的信道传送出去，为此4G也称为“多媒体移动通信”。    5、3第四代移动通信系统的关键技术： 1. OFDM技术。 图3.8 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。 图3.9 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。  3．切换技术。 图3.10 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。 4.软件无线电技术。 图3.11 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。 5、4第四代通信技术的应用  1．实时移动视频 图3.12 现在很多手机都配有能摄像的高级摄像头，这样的话把视频应用引入移动网络就不足为奇了。在初期大家可能只是简单的用Apple的iPhone或者使用基于Google Android系统的设备上传自家宝宝的一段视频。但也有专业的应用提供者，如Qi-K，提供支持手机到互联网的在线视频流服务，理论上可以把任何带着智能手机的人立刻变成现场新闻记者。 2、在线游戏 图3.13 我们认为游戏玩家们会对4G服务的速度和移动性有强烈的热情。长期来看，在线玩家可能是4G Wi-Fi路由器的最大用户群，像是SprintOverdrive和Clearwire的Clear Spot就是通过使用小型Wi-Fi网络快速接收4G信号然后将其转到游戏终端。 3、基于云计算的应用 图3.14 使用扩容的4G网络将使得云计算--用于在线存储的数据和应用--比今天更加吸引人，尤其是对企业里的专业人员来说他们需要接入网上交易繁忙的应用，如Salesforce.com的CRM平台和很多实时合作平台。如果从云到移动设备的宽带传输的管道变大10倍，云服务对于移动用户来说在可靠性，功能性和安全性方面都会有显著的改善。 4、应用增强现实技术导航 图3.15 有了4G网络中更好的带宽，导航应用的提供商们已经开始探索“现实技术”这个想法了，用了这个技术设备就可以使用电话的实时摄像头提供实时的视频数据和它的位置或GPS信息。  终端用户获益范围从适度（比如有可以用你的手机看到最近的星巴克在那儿）到极强。 四、光纤通信 1、早期的光纤通信 光无处不在，在人类发展的早期已经开始使用光传递信息，比如打手势、烽火台等。这些早期的通信方式都有一个显著地缺点，就是它们能够传输的容量极其有限。近代历史上，早在1880年，美国的贝尔（Bell）发明了“光电话”，这是人们从最普通原始的利用光的方式到现代光通信的一个里程碑式的革新.但由于种种原因，光电话并未能在人们生活中得到实际的使用。 虽然光电话并未实际使用，也并未将光通信真正意义上的带到现代化科技，但是这一思想和技术的应用却打开了今后光通信现代化科技发展的大门。 2、现代光通信科技 随着深灰发展和人们生活水平的提高，人与人之间的信息交换量也在与日俱增，且是急剧增长。通信方式从中波、短波发展到微波、毫米波， 这实际上就是通过提高通通信载波频率来扩大通信容量的。 继续提高频率，就达到光波波段，光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级，而频率则为1410Hz数量级，这比常用的微波频率高410～510倍。如此看来，用光波作为载波进行通信，通信容量将大大超过传统通信方式。 现代光通信的发展最开始是寻找合适的光源和传输介质。1960年，美国的梅曼发明了红宝石激光器，它可以产生单色相干光，使高速信息的光调制成为可能。和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似，是一种理想的光载波。 但是，红宝石激光器发出的光束不容易耦合进光纤中传输，其耦合效率是极低的，因此需要研制小型化的激光光源。 美国贝尔实验室、日本电气公司和前苏联先后突破了半导体激光器在低温（－200 C ）或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续工作的镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器（短波长）。虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到10万小时，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。在这个期间，1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m 的铟镓砷磷激光器，1979年美国电报电话公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m 的连续振荡半导体激光器。  激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。 1966年，美籍华人高锟和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，奠定了光纤通信的基础。1970年，美国康宁公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。因此，光纤通信开始可以和同轴电缆通信竞争。1973年，美国贝尔实验室研制的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降到了1.1dB/km。1980年，原材料提纯和光纤制备工艺得到不断完善，1981年以后，世界各发达国家将光纤通信技术大规模地推入商用。 光通信已经经历过四代的技术革新，目前，人们已经涉足第五代光纤通信系统的研究和开发，称之为光孤子通信系统。光孤子通信系统具有超长距离的传输能力，其应用潜力是巨大的。但是光孤子通信系统目前尚处于研究开发阶段，要真正进入实用化还需要解决一系列实际应用问题。 图4.1 五、发展趋势 随着科技的进步，通信技术得到了飞速的发展，移动通信系统的异构性更加充分。在移动通信网络朝着高速化、宽带化、泛在化发展的过程中，出现了多种多样的通信技术，而未来移动通信的发展趋势则是实现移动通信网络的融合，在业务环境上以多个系统的融合和发展为基础，更好地为用户服务，为用户提供全接入的信息服务，实现以用户为中心的移动通信系统。                1、 从4G走向5G 图5.1 移动通信经历了1G和2G，完成了从模拟技术向数字技术的过渡，3G的成熟和现代初步完成的带宽更宽的无线系统4G，容量更大、速率更高、功能更强，把移动通信从窄带推向宽带,以在移动环境中支持高清晰度视像和其它宽带多媒体业务与应用。 如今，5G的发展已经成为一种必然的发展趋势，其频谱利用率高，通信系统性能有很大提高，同时设计理念先进，能耗和运营成本也会大大降低。对于未来5G通信网络技术的研究，将更为注重用户体验，交互式游戏、3D、虚拟实现、传输延时、网络的平均吞吐速度和效率等指标将成为考量5G网络系统性能的关键指标。 5G移动通信技术，作为最新一代的移动通信技术，其应用必将大大提高频谱利用效率及其能效，在资源利用和传输速度效率方面较4G移动通信技术能提高至少一个等级，在系统安全、传输时延、用户体验、无线覆盖的性能等各个方面也将得到显著的提升。5G移动通信技术结合其他无线通信技术后，将构成新一代高效、完美的移动信息网络，可以满足未来十年的移动信息网络的发展需求。不久的将来，5G移动通信系统一定程度上还将具备较大的灵活性，实现自我调整、网络自感知等智能化功能，可以有充分的准备应对未来移动网络信息社会的不可预测的飞速发展。 2、5G移动通信技术发展的趋势 图5.2 5G移动通信技术，已经成为移动通信领域的全球性研究热点。随着科学技术的深入发展，5G移动通信系统的关键支撑技术会得以明确，在未来几年，该技术会进入实质性的发展阶段，即标准化的研究与制定阶段。同时，5G移动通信系统的容量也会大大提升，其途径主要是进一步提高频谱效率、变革网络结构、开发并利用新的频谱资源等。 2013年初，欧盟等国家的第7框架中启动了关于5G的研发项目，共有29个参加方，我国的华为公司也参与其中。随着该项目的启动，各种5G移动通信技术的研发组织应运而生，如韩国成立的5G技术论坛，中国成立的IMT-2020(5G)推进组等。目前，世界各个国家正积极的就5G移动通信技术的应用需求、关键技术指标、使能技术、候选频段、发展愿景等各个方面进行全面的研讨，以期在2015年召开世界无线电大会时达成共识，在2016年后积极启动关于5G移动通信技术的相关行业标准进程。 移动互联网的快速发展是推动5G移动通信技术发展的主要动力，移动互联网技术是各种新兴业务的基础平台，目前现有的固定互联网络的各种服务业务将通过无线网络的方式提供给用户，后台服务及云计算的广泛应用势必会对5G移动通信技术系统提出较高的要求，尤其是在系统容量要求与传输质量要求上。5G移动通信技术的发展目标主要定位在要密切衔接其他各种无线移动通信技术上，为快速发展的网络通信技术提供全方位和基础性的业务服务。就世界各国的初步估计，包括5G移动通信技术在内的无线移动网络，其在网络业务能力上的提升势必会在三个维度上同步进行：第一，引进先进的无线传输技术之后，网络资源的利用率将在4G移动通信技术的基础上提高至少10倍以上；第二，新的体系结构（如高密集型的小区结构等）的引入，智能化能力在深度上的扩展，有望推进整个无线网络系统的吞吐率提升大概25倍左右；第三，深入挖掘更为先进的频率资源，比如可见光、毫米波、高频段等，使得未来的无线移动通信资源较4G时代扩展4倍左右。 为了提升5G移动通信技术的业务支撑能力，其在网络技术方面和无线传输技术方面势必会有新的突破。在网络技术方面，将采用更智能、更灵活的组网结构和网络架构，比如采用控制与转发相互分离的软件来定义网络架构、异构超密集的部署等。在无线传输技术方面，将会着重于提升频谱资源利用效率和挖掘频谱资源使用潜能，比如多天线技术、编码调制技术、多址接入技术等等。 5G移动通信技术的发展，在移动通信技术领域掀起了新一轮的竞争热潮，加快5G技术的研发应用，力求在5G通信领域的商业竞争中脱颖而出，已成为各国信息领域发展的重要任务。5G移动通信技术，必将会得到空前的发展，并给社会的进步带来前所未有的推动力。 参考文献： 【1】刘增基，周洋溢，胡辽林，周绮丽编著.光纤通信.西安：西安电子科技大学出版社，2001.8 【2】穆道生主编.现代光纤通信系统.北京：科学出版社，2005.9 【3】窦中兆WCDMA系统原理与无线网络优化清华大学出版社2009 【4】文志成UMTS系统无线协议与信令流程电子工业出版社2008