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特约专栏|专业移动通信应移植公众移动通信技术 - 宽带集群 - 环球专网通信_知专网通信 行传播使命
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特约专栏|专业移动通信应移植公众移动通信技术

2017-04-28    李进良

移动通信经历100多年的发展,现已成为门类繁多、用途广泛的一大新兴产业。大体经历了从军政机要至民用专业,以至公众移动通信三个阶段,特别是近40年高速发展了1G、2G、3G和4G,我国用户高达13.27亿户。本文分析了移动通信与专业移动通信的特点和要求,从系统标准、技术专利、网络规模、产品性能,芯片、成本等方面比较二者,找出专业移动通信的差距,从而提出了转变观念、汲取教训,全面规划、因势利导,寻找差距、积极赶上等建议,学习移植公众移动通信技术以加速专业移动通信的发展。

宽带集群通信是移植4GLTE技术的成功范例充分说明专业移动通信移植公众移动通信技术是一条多快好省的捷径。

一、移动通信百年发展历程

1900年1月23日在波罗的海霍格兰岛附近的一群遇难渔民,通过无线电呼叫而得救,移动通信第一次在海上证明了它对人类的价值。紧接着1901年英国蒸汽机车装载了第一部陆地移动电台,于是移动通信这个二十世纪的同龄人便相继在海、陆、空起步了。

通信作为人类社会的“神经系统”,不论是对物质文明还是对精神文明,都具有深远的影响,使人类文明迈入信息社会。可以说移动通信是二十世纪运输与通信二者相互结合高度发展的产物。世界的本质是运动的,生命在于运动,凡是运动的事物无不需要信息。移动通信经过一百多年的开拓,相继在海、陆、空以至水下、地下和深空都发展起来了,它已成为门类繁多、用途广泛的移动互联网新兴产业。

从用户对象来分:主要有公众移动通信、专业移动通信和军事移动通信,军事移动通信也可归属于特定的专业移动通信范畴。

移动通信一百多年的发展历程,大体经历了三个阶段:

● 初期的军政机要移动通信阶段,

● 进而发展至民用专业移动通信阶段,

● 七十年代末出现的蜂窝汽车电话标志着发展到了公众移动通信阶段。

近四十年来移动通信在微电子技术基础上与计算机技术密切结合产生了革命性的飞跃,各种新技术,如FDMA、TDMA 、CDMA又OFDM层出不穷。一代又一代的新系统不断涌现,第一代模拟移动电话网早已谢世,第二代数字移动通信网正在退市,第三代移动多媒体网已停发展,第四代宽带移动3D网如日中天,第五代超宽带移动网也将含苞待放。值此时机,我们要冷静面对专业移动通信已经大大落后于公众移动通信的现实,转变观念,考虑迎头赶上的发展战略。

二、移动通信不同侧面的发展动向

沿着百年历史的轨迹可以观察到移动通信22个不同侧面的发展过程和未来动向:

● 频段——由HF、VHF到UHF以至毫米波;

● 带宽——由窄带、宽带到超宽带;

● 调制方式——由调幅、调频、单边带到数字调制;

● 通信方式——由单工单信道对讲到双工多信道共用;

● 多址方式——由FDMA、TDMA、 CDMA到OFDM;

● 传输方式——由模拟到数字;

● 传输速率——由低速、高速到超高速;

● 通信业务——由通话为主增加数据、图像到多媒体业务;

● 通信规模——由单机到系统,由专线到网络

● 网络结构——由单一网到多区网;

● 网络制式——由大区制到蜂窝小区制;

● 移动速度——由静止、步行、典型车速到高速、航空以至卫星;

● 传播环境——由地面室外环境、室内环境、室外至室内环境到卫星环境;

● 系统覆盖——由有限服务区、国内服务区、区域服务区至全球服务区;

● 通信环境——由水上、陆地再空中到陆海空一体化以至地下、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满足全球物联网的需求;

● 通信用户——由军政机要用户、业务用户到公众用户,亦即由专业网到公众网;

● 移动终端——体积由人背马驮至便携、手持以至袖珍;重量由几十公斤、几公斤、几百克以至几十克;

● 器件——由电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路至系统单片集成芯片;

● 设备——由硬件为主到硬件 + 软件以至软件为主;

● 制造——由单件、小批量、批量到大规模生产;

● 运营——由一家专营到多家竞争。

总之,移动通信技术正在以前所未有的速度迅猛迈进。尤其是第四代移动通信,将真正实现无线通信和宽带通信的激情碰撞,为未来的市场创造出巨大的空间。

三、移动通信的特点和要求

移动通信由于要保持行人、汽车、船舶和飞机等移动体不间断的通信联络;因此,只能使用无线通信这种传输手段。由于它是用于全球的表层和空间,会遇到各种恶劣的地形、环境和气候;因此,要求能适应严酷的使用条件。由于它是用于如司机、士兵和老百姓;因此,要求移动终端必须便于使用,易于维护。

由于上述使用特点;因此,必须满足如下诸多要求:

(1) 作到轻、小、省、牢、便;

(2) 抗拒酷暑、严寒、狂风、暴雨等恶劣气候条件;

(3) 适应山岳、丛林、沙漠、河海、高空以及地下、水下、深空等不同环境条件;

(4) 既可车载船装,又能背负手持,还要经得起飞机、宇宙飞船等各种移动体的安装运动条件;

(5) 要在移动通信特有的多普勒频移、瑞利衰落、阴影和点火噪声等变参传播条件下,确保“动中通”;

(6) 要在工业密集、交通繁忙的市区,频率拥挤、干扰严重的电波环境下,达到电磁兼容;

(7) 要在收、发、频合、微机、电源及天馈等部件密集的小空间,满足机内的电磁兼容;

(8) 要有强大的系统开发能力,以适应科技进步的加速,保证产品更新的及时;

(9) 要有强大的设备制造能力,以满足社会对移动通信器材量大面广的需求。

需要满足的使用技术要求如此苛刻,使得要保证“动中通”的移动通信较“静中通”的固定通信难得多;因此,移动通信系统所能达到的水平,往往综合体现了整个通信技术发展的高度。

四、专业移动通信的特点和要求

专业移动通信是由专业单位自行建设,面向本部门用户为服务对象的,这些用户间存在着一定的组织关系,并且呼叫级别往往是不平等的。可广泛应用于生产调度、指挥控制,以提高效率,对国民经济的发展、社会的稳定和人民生命财产的安全等有着极其重要的作用。除了具有上述移动通信的共同特点并满足其一般要求之外,与公众移动通信比较,还另有下列一些特点和要求:

(1)群组业务

突出的作用是对其所属各级用户的指挥、调度。同一通话组内用户数少则几个,多则上千个。因此强调组呼、群呼和广播呼叫。

(2)快速呼叫

突出的特点表现为“急”。这就要求能“快速反应”,能进行紧急呼叫、强插强拆和不同的呼叫优先级别等调度指挥功能。调度指挥要求简明扼要,一般通话时间为几十秒。更强调缩短呼叫的建立时间,一个公众网的电话用户,从拨号到接通所需时间一般为几秒到十几秒甚至更长,这不会造成太大影响;而对专业网用户来说就不行,在紧急情况下,希望一按即通(小于0.4秒),否则会造成相当严重的后果,特别在交通工具速度日益提高的情况下如动车组高速列车就尤为迫切。

(3)安全可靠

核心要求就是安全性。由于无线通信空间传播信道的开放性会导致多种不安全因素,包括信息窃取、假冒攻击、网络欺骗等,这使得网络安全和信息安全都受到极大威胁。需要采取一系列安全措施,以防止信息被敌对势力轻易截收、诱骗欺诈等等。因此必须采取双向鉴权、高级信息加密等措施。

(4)高抗毁性

关键要求是持续保证动中通。在极端情况下,因人为因素(如恶意破坏等)或自然因素(如天灾地震等)导致网络不能正常工作时,系统以故障弱化方式可以保证基站在一定范围内仍能服务;还要求移动终端之间能直接互通;系统还应具有多种灾害环境适应性,即具有高抗毁性,当某些设备被毁、有备件自动接上;市电中断,有备用电源。在遭遇被人掳获时会及时自毁

(5)高突发性

关键要求是容量能承受灾害爆发瞬刻突发的极大量呼叫,不会堵塞;能组织地区各种通信手段一起来提供服务;可将先后来到的呼叫暂存,依次视信道情况及时有序发出。

五、全球公众移动通信大发展的四十年

从发展到公众移动通信阶段至今历经4代:

(1)1G时代 ——模拟话音通信

主要标准:

TACS、AMPS

主要技术体制:

频分双工(FDD)和频分多址(FDMA)

上世纪七十年代末美国贝尔试验室一反过去无线通信追求传播距离越远越好的技术路线,逆向思维,利用地球的曲率与超短波直线传播的特性发明了蜂窝组网技术,解决了有效利用频谱资源问题,为广大公众服务奠定了基础。

(2) 2G时代 ——数字话音通信

主要标准:

GSM、DAMPS、PDC,IS95 CDMA

主要技术体制:

3种为频分双工(FDD)和时分多址(TDMA)

4种为频分双工(FDD)和码分多址(CDMA)

上世纪八十年代随着各种模拟蜂窝系统在各国的扩展,欧洲感到制式五花八门,不能兼容互通,适应不了欧共体的需求,于是组织开发了泛欧GSM数字蜂窝系统。美国为进一步扩大容量,又推出了采用CDMA技术的数字蜂窝系统。 解决了全数字化问题,为实现上互联网创造了条件。

(3) 3G时代 ——移动多媒体通信

主要标准:

WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA、WiMAX

主要技术体制:

2种为频分双工(FDD)和码分多址(CDMA)

2种为时分双工(TDD)和码分多址(CDMA)

上世纪九十年代国际电联组织研讨未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS),于1998年征集了10种方案,经过融合形成了IMT-2000系列3G标准。解决了高速数传问题,为实现多媒体个人通信奠定基础 。

(4) 4G时代 ——移动宽带3D通信

主要标准:

FDD-LTE-A、 TDD-LTE-A 、WiMAX

主要技术体制:

1种为频分双工(FDD)和正交频分多址(OFDM)

2种为时分双工(TDD)和正交频分多址(OFDM)

到了21世纪,随着3G网络的运营,发现数据传输速率不能满足视频业务的需求,原订标准的版本不断升级,同时由于号称4G的WiMAX的挑战,2004年开始组织研讨以OFDM与MIMO技术为基础的LTE,2010年底确定为4G标准。解决了超高速数传问题,为实现移动3D个人通信奠定基础 。

国内企业在移动通信领域同交换机相似出现群体突破,与国外的差距正在逐步缩小,民族移动通信工业的崛起,不仅打破了国外设备垄断中国市场的局面,而且为技术持续创新提供了应用基础和投资保障,并能够根据运营业的实际不断推出更为全面、先进和贴近中国需求的产品和技术。这种创新使我国由电信大国转变为电信强国。

六、专业移动通信与公众移动通信的差距

专业移动通信在这40年中进展缓慢;而公众移动通信无论从系统标准上、技术专利上、网络规模上、产品性能上,所用芯片元器件上、成本上都已远远超越了专业移动通信。

(1)系统标准

公众移动通信已经制定了4代标准,正在酝酿第5代标准。而专业移动通信只制定了数字无中心通信系统与APCO25、iDEN和TETRA等不同制式数字集群通信系统标准。在数字化席卷通信与家电各个领域的浪潮下,而最早的模拟对讲机却是最后一个模拟系统固守的堡垒,欧洲迟至2005年才制定数字对讲机标准。这一切构成了当前的第二代专业数字移动通信系统,大体上相差2代。

我国从1974年开始划分专业移动通信频率,制定74系列、80系列、90系列等模拟体制标准,2000年才参照TETRA和iDEN制定了数字集群标准,在21世纪陆续移植2G的GSM制定了GT-800数字集群标准及专用于铁路的GSM-R标准、移植CDMA制定了GOTA数字集群标准,对讲机参照欧标制定了中国数字对讲机标准以及专用于公安的PDT标准。近几年开始移植4G的LTE研发宽带高速专业移动通信系统。

(2) 技术专利

对于3GTD-SCDMA的关键技术集中在:智能天线、多载波、上行同步、联合检测、接力切换和动态信道分配。从2003年开始,国内申请总量快速增长,到2010年10月, 在华专利申请共6634件,其中89%来自国内。

对于4GLTE的重要底层技术OFDM(正交频分复用技术)和MIMO(智能天线多入多出技术)专利,共有865篇。由于TD-LTE被确定为TD-SCDMA的后续演进标准,受到了中国政府的高度重视,得益于国内科研机构、企业和学校等多方面的贡献。因此,到2009年国内申请量已经具有明显的优势,前15位申请人共有627篇,占到总量的72.5%。

而专业移动通信的技术专利屈指可数,远远低于上述数量。数字集群虽有国家标准,但初期全部系统和终端设备多由国外厂家提供,2006年部分设备开始国产化,提供国内产品。可是专利核心技术仍掌握在国外厂商手中,专利壁垒高筑。如空口加密技术不予公开,我方无法自行加密,造成诸多安全隐患和使用不便;虽然同是TETRA标准,但不同厂家设备无法互通;TETRA技术为了适应欧洲人口密集的特征,基站覆盖范围小,无法适应我国地广人稀的中西部。2014年公安部门决定推广自主制定的PDT标准,有了创新专利,才克服了上述缺陷。

(3) 网络规模

当前中国的移动网2G有3张全国性网络,即中国移动的GSM、中国联通的GSM、中国电信的CDMA。3G有3张全国性网络,即中国移动的TD-SCDMA、中国联通的WCDMA、中国电信的cdma2000。这些在全球都是数一数二的规模。

今年3月全国移动电话用户总数达到13.27亿户。其中4G移动电话用户达到7.63亿户。

而专业移动通信的数字集群只有北京、上海、广州、深圳等几个城市网,用户也超不过20万,加上模拟对讲机也不过2千多万。

(4) 产品性能

公众移动通信的终端产品无论是体积、重量、功耗,适应各种恶劣气候、不同环境、各种移动体的安装运动以及恶劣移动传播变参条件等方面丝毫不亚于战术通信电台;而数据速率、容量等性能则大大优于专业移动通信

(5) 芯片与成本

当前的2G手机多是90纳米工艺的芯片,系统单片集成。3G手机多是45纳米工艺的芯片。而4G手机将是7纳米工艺的芯片。这就是上述产品性能得以保证的根本原因。也因此成本大大降低。而专业移动通信由于规模小,技术落后,仍然使用中小规模集成电路,成本难以降低。

七、如何发展专业移动通信

如何加速发展专业移动通信,提出以下移植公众移动通信技术的建议:

(1)转变观念、汲取教训

40年前我国军用电子信息通信领域无疑是领先于民用领域的,由于公众移动通信在全球的大发展,促进了中国科研产业的发展,现阶段在3G的TD、4G 的TDD-LTE我们可以与人并驾齐驱,甚至在某些方面还略胜一筹。今天正在大力研发的5G,我国已经从跟随者变为领头人。而在专业移动通信的科研产业方面我们就落后了,我们必须首先认识其差距,才可能追赶来缩短差距。闭目塞听,就只会固步自封。

业内有一种意见,认为专网的宽带化没有必要,基于语音和少量数据的数字集群即已满足需求。而忽略专网内容日趋复杂,很有必要传输多媒体信息、高清晰视频,工作界面逐渐立体化的大趋势。

在上个世纪八十年代1G时代,大哥大非常昂贵,在无线通信界就一股风掀起用专业集群系统去取代,美其名曰二哥大,红火了一阵,随着2G的高速发展,二哥大不适应公众通信的缺点日益暴露,结果都偃旗息鼓。

由于2G的兴旺普及,在成都就尝试用GSM取替集群和对讲,中兴利用CDMA开发了GOTA,华为则用GSM开发了GT-800,但终因不能很好满足专业集群系统的特点和要求,而没有得到大面积推广。业界有一种观点认为专网的宽带化可以通过在公网中虚拟出专网即可。这是不了解专网对网络性能的严苛要求,即高响应速度、高抗毁性、高安全性、长时间在线、爆发性网络流量等特点。这是用公网来虚拟专网所无法承载的。

这正反两方面的教训使我们深刻认识到公众与专业二个不同的用户群体,各有其不同的特点和要求,需要充分利用各种自主创新的技术与专利,按各自的特点和要求去研究开发。

(2)全面规划、因势利导

国家明确要全面实施战略性新兴产业发展规划,加快人工智能、集成电路、第五代移动通信等技术研发与转化。5G将为用户提供光纤般的接入速率,“零”时延的使用体验,千亿设备的连接能力,超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务,业务及用户感知的智能优化,同时将为网络带来超百倍的能效提升和比特成本降低,最终实现“信息随心至,万物触手及”的总体愿景。专业移动通信界应抓住这一机遇,争取国家全面规划信息通信,将专网的发展也列入5G的目标与研发范围之内,同时专网要因势利导将5G所发展的各种关键核心技术:如大规模天线阵列技术、超密集组网技术、灵活双工技术、D2D直通技术,以及基于软件定义网络(SDN)、网络功能虚拟化(NFV)、云计算及C-RAN等新型网络架构先进技术等移植到专业领域。要充分利用高速发展的集成电路,开发专业移动通信的单片系统集成芯片,以大大提高专业移动通信系统的功能,大大降低其体积、重量、功耗与成本。同时要充分利用人工智能的成果以实现专业移动通信系统的智能化。

(3)寻找差距、积极赶上

本文只就我所熟悉的公众与专业移动通信领域作了粗略的比较分析,其实在整个电子信息通信领域都值得专业移动通信各个单位去全面比较分析,找出各自的差距,才会发现各自进步的方向。在这方面完全可以发挥离退休科技人员的作用,他们有从事该领域科研积累的学识经验,可以高瞻远瞩,找到差距,看准方向。

目前一些原本从事公众移动通信的企业,看到了利用所掌握的先进技术移植到专业移动通信领域是大有作为的,他们在利用4G的LTE技术来开发宽带数字集群方面已经有了可喜的进展。那些掌握先进公众移动通信技术的人就是我们的兄弟、朋友或师生,我们完全可以向他们取经,可以引进这方面的人才,虚心学习,或者与他们合作,发挥各家之所长,移植公众移动通信技术,就可以较快改变落后的局面。

八、宽带集群通信是移植4G LTE技术的成功范例

2011年11月8日我在数字集群通信论坛上作《中国数字集群体制及政府共网的发展》报告曾经介绍国际电信联盟ITU-8A/64公共安全与减灾(PPDR)无线通信应用及系统要求

语音  一对一、一对多、直通 、即时呼叫建立PTT

数据-低速率  短消息 、遥测 、位置状态

数据-中速率  接数据库 、遥测 、静态图像 、位置确定

数据-高速率   互联网 、视频 、高清晰度图像

建议我国未来要相继制定语音+数据的PPDR标准。

2014年5月27日,由工信部电信研究院联合行业用户单位、制造企业、科研机构、高等院校、社团组织等共同发起成立宽带集群(B-TrunC)产业联盟。把握集群通信技术数字化、宽带化、多媒体化的发展趋势,依托我国LTE无线通信技术的发展基础,以标准为龙头、认证为保障,打通芯片、终端、系统等产业关键环节,构建坚实的宽带集群产业群体。

通过联盟成员对移植LTE无线通信技术到宽带集群的共同努力,组织制定宽带集群通信(B-TrunC)标准,面向公共安全、城市管理和应急、能源交通等行业的调度指挥和生产作业的宽带化需求,在兼容LTE宽带数据业务的基础上,增强了语音集群和多媒体调度等宽带集群功能,支持从1.4MHz到20MHz的灵活带宽。宽带集群(B-TrunC)空中接口采用了创新的下行共享信道技术,极大地提高了组通信业务的频谱效率,集群功能性能指标达到或超过专业数字集群的技术水平,是国际上首个支持点对多点语音通话、点对多点多媒体集群调度等公共安全与减灾应用的宽带集群通信标准。

2015年7月B-TrunC标准写入ITU-R M.2009建议书和ITU-R M.[PPDR]报告,标志着应用于PPDR的无线通信系统走向宽带化,中国的宽带集群标准化工作走在了全球前列。2016年11月B-TrunC标准写入到即将出版的M.2014-3标准修订稿中,成为ITU-R推荐的集群空中接口标准,这也是该标准中唯一的LTE宽带集群标准。此举是中国B-TrunC在国际标准化工作上的又一重大成果,进一步提升了我国专网通信技术的国际地位。

国内基于B-TrunC标准的LTE宽带集群系统在北京、广州等主要城市已经用于无线政务、公共安全、地铁线路、机场、港口、铁路站场、电力、水利、石油石化、矿山和林业景区等众多行业,实现了规模应用,满足各行业对集群调度和宽带数据业务应用的需求。为提升国内行业的信息化、智慧化水平作出了重要贡献。

国际上已经广泛应用于无线政务、公共安全、交通、能源等行业领域。如肯尼亚警网、加纳安全网、西班牙Rivas智慧城市政府多部门共网、埃塞俄比亚轻轨列调等,也为国际行业的信息化、智慧化水平作出了重要贡献。

事实胜于雄辩,宽带集群通信是移植4G LTE技术的成功范例充分说明专业移动通信移植公众移动通信技术是一条多快好省的捷径。

忠言逆耳,承认落后,寻找差距,才能激励前进,一个为祖国专业移动通信与公众移动通信工作了60多年的老兵,为了实现中国梦所写的这篇文章,希望能对后来者有所裨益。

 

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