通信的發(fā)展歷程

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. 《通信原理》課程專題報告 題目：通信的發(fā)展歷程 項目組成員： 任課教師： 成績： 一、通信的起源 通信一直陪伴著人類的發(fā)展。早在遠(yuǎn)古時期，人們就通過簡單的語言、手勢等方式進(jìn)行信息的交換?！胺榛鹄菬煟祚R加鞭。”生動地描述了中國古代的通信技術(shù)，如：烽火，飛鴿傳書，郵譯通信等。通信在中國的古代也流傳出了很多故事如：烽火傳軍情，烽火戲諸侯，一騎紅塵妃子笑等等。在其他國家，通信的方式亦多彩多樣，如長跑，燈塔，通信塔，旗語，信猴等等。不能忘記的是馬拉松也是由通信的方式轉(zhuǎn)變來的。在現(xiàn)代社會中，交通警的指揮手語、航海中的旗語等不過是古老通信方式進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果。這些信息傳遞的基本方都是依靠人的視覺與聽覺。 二、通信技術(shù)的革新 隨著人類生活及社交圈的不斷擴(kuò)大，視覺和聽覺上的信息交換以不能滿足人類的需求。因此，革新出依賴于其他方式的通信方式成為了人類發(fā)展史的重要部分。在第二次工業(yè)革命期間，電話和電報的發(fā)明開啟了人類通信的新紀(jì)元，這實現(xiàn)了利用金屬導(dǎo)線來傳遞信息。后來人類創(chuàng)造出了通過電磁波來進(jìn)行無線通信，使神話中的“順風(fēng)耳”、“千里眼”變成了現(xiàn)實。從此，人類的信息傳遞脫離了常規(guī)的視聽覺方式，用電信號作為新的載體，與此同時也進(jìn)行了一系列技術(shù)革新，開始了人類通信的新時代。 1、 有線通信的產(chǎn)生與發(fā)展（舉例） 在第二次工業(yè)革命期間，電話和電報的發(fā)明開啟了人類通信的新紀(jì)元，這實現(xiàn)了利用金屬導(dǎo)線來傳遞信息。 （1）1837年，美國人塞繆樂.莫樂斯（Samuel Morse）成功地研制出世界上第一臺電磁式電報機(jī)，實現(xiàn)了長途電報通信。 圖2.1 （2）1875年，蘇格蘭青年亞歷山大.貝爾（A.G.Bell）發(fā)明了世界上第一臺電話機(jī)。 圖2.2 電話機(jī)的發(fā)展 圖2.3 電報機(jī)的演變 圖2.4 2、無線通信的發(fā)展 1864年，英國物理學(xué)家麥克斯韋（J.c.Maxwel）建立了一套電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。 1888年，德國青年物理學(xué)家海因里斯.赫茲（H.R.Hertz）用電波環(huán)進(jìn)行了一系列實驗，發(fā)現(xiàn)了電磁波的存在，導(dǎo)致了無線電的誕生和電子技術(shù)的發(fā)展。 1924年第一條短波通信線路在瑙恩和布宜諾斯艾利斯之間建立。1933年法國人克拉維爾建立了英法之間和第一第商用微波無線電線路，推動了無線電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 從此以后無線通信不斷發(fā)展，最終到了今天，讓我們一起關(guān)注通信的發(fā)展。 三、通信的發(fā)展 1、 第一代移動通信 1.1概念 第一代移動通信技術(shù)（1G）是指最初的模擬、僅限語音的蜂窩電話標(biāo)準(zhǔn)，制定于上世紀(jì)80年代。第一代移動通信系統(tǒng)的典型代表是美國的AMPS系統(tǒng)（先進(jìn)移動電話系統(tǒng)）和后來的改進(jìn)型系統(tǒng)TACS系統(tǒng)（全入網(wǎng)通信系統(tǒng)），以及瑞典，挪威和丹麥的NMT(北歐移動電話)和NTT(日本電信電話株式會社)等。 1.2利用技術(shù)及特點 第一代移動通信主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址FDMA技術(shù)。FDMA是數(shù)據(jù)通信中的一種技術(shù)，即不同的用戶分配在時隙相同而頻率不同的信道上。按照這種技術(shù)，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，頻分多址使通道容量可根據(jù)要求動態(tài)地進(jìn)行交換。此系統(tǒng)是使用單個大功率的發(fā)射機(jī)和高塔，覆蓋地區(qū)超過50km，僅能以半雙工模式提供語音服務(wù)，使用120kHz帶寬。 由于模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)容量小，還有FDMA技術(shù)在信道之間必須有警界波段來使站點之間相互分開，這樣在警界波段就會成很大的帶寬浪費。而且，模擬系統(tǒng)的安全性能很差，任何有全波段無線電接收機(jī)的人都可以收聽到一個單元里的所有通話。另外，此技術(shù)對天線和基站的破壞也很嚴(yán)重。因此模擬系統(tǒng)主要以語音業(yè)務(wù)為主，基本上很難開展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 1.3缺點 眾所周知,傳輸和處理模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng),而傳輸和處理數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。目前,實際中應(yīng)用的移動通信,大多屬于數(shù)字通信。因為模擬移動通信系統(tǒng)投入運行以來,其用戶雖迅速增長,但對經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家和地區(qū),存在很多不足之處,這主要表現(xiàn)在以下幾點: (1) 模擬移動通信系統(tǒng)制式復(fù)雜,不易實現(xiàn)國際漫游。 　　(2) 模擬移動通信系統(tǒng)不能提供綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)業(yè)務(wù),而通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢最終將向ISDN過渡。因此隨著非話業(yè)務(wù)的發(fā)展,綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)逐步投入使用,對移動通信領(lǐng)域數(shù)字化要求越來越迫切。 (3) 模擬移動通信系統(tǒng)設(shè)備價錢高,手機(jī)體積大,電池充電后有效工作時間短,目前只能持續(xù)工作8小時,給用戶帶來不便。 　　(4) 模擬移動通信系統(tǒng)用戶容量受限制,在人口密度很大的城市,系統(tǒng)擴(kuò)容困難. 圖3.1 2、第二代移動通信 2.1概念 由于模擬移動通信所帶來的局限性，從20世紀(jì)80年代中期到21世紀(jì)初，數(shù)字移動通信系統(tǒng)得到了大規(guī)模應(yīng)用，其代表技術(shù)是歐洲的GSM，也就是通常所說的第二代移動通信技術(shù)（2G）。 GSM是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI制訂的一個數(shù)字移動通信標(biāo)準(zhǔn)。它的空中接口采用時分多址技術(shù). 自90年代中期投入商用以來，被全球超過100個國家采用。GSM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備占據(jù)當(dāng)前全球蜂窩移動通信設(shè)備市場80%以上。 2.2系統(tǒng)組成 GSM被分成三個子系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)；基站子系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)。其中網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)又叫操作與維護(hù)中心。 　　網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)NSS是整個GSM系統(tǒng)的核心。它對GSM移動用戶之間及移動用戶與其它通信網(wǎng)用戶之間通信起著交換連接與管理的功能?；咀酉到y(tǒng)BSS是GSM系統(tǒng)中與無線蜂窩方面關(guān)系最直接的基本組成部分，它通過無線接口直接與移動臺相連負(fù)責(zé)無線信息的發(fā)送接收，無線資源管理及功率控制等，同時它與NSS相連實現(xiàn)移動用戶間或移動用戶與固定網(wǎng)絡(luò)用戶之間的通信連接，傳送系統(tǒng)信息和用戶信息等。網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)NMS負(fù)責(zé)NSS和BSS系統(tǒng)的維護(hù)管理工作。 2.3GPRS GPRS是在第二代無線通信系統(tǒng)GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，將GSM網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)流的傳輸增加了支持分組交換的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備，第三代無線通信系統(tǒng)將會在GPRS的基礎(chǔ)上進(jìn)行更進(jìn)一步的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，為網(wǎng)絡(luò)全面支持高速、寬帶的多媒體數(shù)據(jù)傳輸。也就是說，GPRS是介于第二代和第三代之間的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也就是一般稱為的2.5代。 GPRS，通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以"分組"的形式傳送資料到用戶手上 　　由于使用了"分組"的技術(shù)，用戶上網(wǎng)可以免受斷線的痛苦。此外，使用GPRS上網(wǎng)的方法與WAP并不同，用WAP上網(wǎng)就如在家中上網(wǎng)，先"撥號連接"，而上網(wǎng)后便不能同時使用該電話線，但GPRS就較為優(yōu)越，下載資料和通話是可以同時進(jìn)行的。從技術(shù)上來說，聲音的傳送(即通話)繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)的傳送便可使用GPRS，這樣的話，就把移動電話的應(yīng)用提升到一個更高的層次。而且發(fā)展GPRS技術(shù)也十分"經(jīng)濟(jì)"，因為只須沿用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來發(fā)展即可。GPRS的用途十分廣泛，包括通過手機(jī)發(fā)送及接收電子郵件，在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽等。 圖3.2 3、第三代移動通信系統(tǒng) 3、1概念 第三代移動通信技術(shù)，簡稱3G，中文含義就是指第三代數(shù)字通信。第三代與前兩代的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能夠要能在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)無縫漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)，同時也要考慮與已有第二代系統(tǒng)的良好兼容性。 3、2技術(shù)及特點 目前國際電聯(lián)接受的3G標(biāo)準(zhǔn)主要有WCDMA（日本和歐洲）、CDMA2000（美國）與TD-SCDMA（中國）WiMAX四種。CDMA是第三代移動通信系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。與1 G、2G相比，CDMA系統(tǒng)以其頻率規(guī)劃簡單、系統(tǒng)容量大、頻率復(fù)用系數(shù)高、抗多徑能力強(qiáng)、通信質(zhì)量好、軟容量、軟切換等特點顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α? 3、3第三代移動通信的基本特征： （1）具有全球范圍設(shè)計的，與固定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)及用戶互連，無線接口的類型盡可能少和高度兼容性； （2）具有與固定通信網(wǎng)絡(luò)相比擬的高話音質(zhì)量和高安全性； （3）具有在本地采用2Mb/s高速率接入和在廣域網(wǎng)采用384kb/s接入速率的數(shù)據(jù)率分段使用功能； （4）具有在2GHz左右的高效頻譜利用率，且能最大程度地利用有限帶寬； （5）移動終端可連接地面網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)，可移動使用和固定使用，可與衛(wèi)星業(yè)務(wù)共存和互連； （6）能夠處理包括國際互聯(lián)網(wǎng)和視頻會議、高數(shù)據(jù)率通信和非對稱數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆纸M和電路交換業(yè)務(wù)； （7）支持分層小區(qū)結(jié)構(gòu)，也支持包括用戶向不同地點通信時瀏覽國際互聯(lián)網(wǎng)的多種同步連接； 3、3四個國際標(biāo)準(zhǔn) （1）W-CDMA 圖3.3 W-CDMA是基于GSM網(wǎng)發(fā)展出來的3G技術(shù)規(guī)范，是歐洲提出的寬帶CDMA技術(shù)，它與日本提出的寬帶CDMA技術(shù)基本相同，目前正在進(jìn)一步融合。該標(biāo)準(zhǔn)提出了GSM（2G）—GPRS—EDGE—WCDMA（3G）的演進(jìn)策略。GPRS與 EDGE兩種技術(shù)被稱為2.5代移動通信技術(shù)。目前中國移動正在采用這一方案向3G過渡，并已將原有的GSM網(wǎng)絡(luò) 級為GPRS網(wǎng)絡(luò)。 （2）.CDMA2000 圖3.4 CDMA2000是由窄帶CDMA（CDMA IS95）技術(shù)發(fā)展而來的寬帶CDMA技術(shù)，由美國主推，該標(biāo)準(zhǔn)提出了從CDMA IS95（2G）—CDMA20001x—CDMA20003x（3G）的演進(jìn)策略。CDMA20001x被稱為2.5代移動通信技術(shù)。CDMA20003x與CDMA20001x的主要區(qū)別在于應(yīng)用了多路載波技術(shù)，通過采用三載波使帶寬提高。目前中國聯(lián)通正在采用這一方案向3G過渡，并已建成了CDMA IS95網(wǎng)絡(luò) （3）.TD-SCDMA 圖3.5 TD-SCDMA是由我國大唐電信公司提出的3G標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)提出不經(jīng)過2.5代的中間環(huán)節(jié)，直接向3G過渡，非常適用于GSM系統(tǒng)向3G升級。但目前大唐電信公司還沒有基于這一標(biāo)準(zhǔn)的可供商用的產(chǎn)品推出。 （4）.WiMAX 圖3.6 WiMax即全球微波互聯(lián)接入。WiMAX也叫80216無線城域網(wǎng)或802.16。WiMAX是一項新興的寬帶無線接入技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，數(shù)據(jù)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50km。WiMAX還具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點。 4、LTE 4.1 概念 LTE(長期演進(jìn))項目是3G的演進(jìn)，始于2004年3GPP的多倫多會議。LTE并非人們普遍誤解的4G技術(shù)，而是3G與4G技術(shù)之間的一個過渡，是3.9G的全球標(biāo)準(zhǔn),它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行326Mbit/s與上行86Mbit/s的峰值速率。改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。 4.2 特點 圖3.7 (1)通信速率有了提高，下行峰值速率為100Mbps、上行為50Mbps。 (2)提高了頻譜效率，下行鏈路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6版本的HSDPA);上行鏈路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2--3倍。 (3)以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換。 (4)QoS保證，通過系統(tǒng)設(shè)計和嚴(yán)格的QoS機(jī)制，保證實時業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量。 (5)系統(tǒng)部署靈活，能夠支持1.25MHz-20MHz間的多種系統(tǒng)帶寬，并支持“paired”和“unpaired”的頻譜分配。保證了將來在系統(tǒng)部署上的靈活性。 (6)降低無線網(wǎng)絡(luò)時延：子幀長度0.5ms和0.675ms，解決了向下兼容的問題并降低了網(wǎng)絡(luò)時延，時延可達(dá)U-plan<5ms，C-plan<100ms。 5、第四代移動通信系統(tǒng) 5、1概念： 4G的概念可稱為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對稱的超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動寬帶系統(tǒng)和交互式廣播網(wǎng)絡(luò)。第四代移動通信標(biāo)準(zhǔn)比第三代標(biāo)準(zhǔn)具有更多的功能。第四代移動通信可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無線服務(wù)，可以在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)（包括衛(wèi)星通信和平流層通信），能夠提供定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。此外，第四代移動通信系統(tǒng)是集成多功能的寬帶移動通信系統(tǒng)，是寬帶接入IP系統(tǒng)。 5、2特征： （一）通信速度更快 由于人們研究4G通信的最初目的就是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問Internet的速率，因此4G通信的特征莫過于它具有更快的無線通信速度。 （二）網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬 要想使4G通信達(dá)到100Mbit/s的傳輸速度，通信運營商必須在3G通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行大幅度的改造，以便使4G網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬高出許多。 （三）多種業(yè)務(wù)的完整融合 個人通信、信息系統(tǒng)、廣播、娛樂等業(yè)務(wù)無縫連接為一個整體，滿足用戶的各種需求。 （四）智能性能更高 第四代移動通信的智能性更高，表現(xiàn)在4G通信的終端設(shè)備的設(shè)計和操作具有智能化。 （五）兼容性能更平滑 要使4G通信盡快地被人們接受，還應(yīng)該考慮到讓更多的用戶在投資最少的情況下輕易地過渡到4G通信。因此，從這個角度來看，4G通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從2G、3G平穩(wěn)過渡等特點。 （六）實現(xiàn)更高質(zhì)量的多媒體通信 4G通信提供的無線多媒體通信服務(wù)將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等，大量信息透過寬頻的信道傳送出去，為此4G也稱為“多媒體移動通信”。 5、3第四代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)： 1. OFDM技術(shù)。 圖3.8 它實際上是多載波調(diào)制MCM的一種．其主要原理是：將待傳輸?shù)母咚俅袛?shù)據(jù)經(jīng)串／并變換，變成在N個子信道上并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，再用N 個相互正交的載波進(jìn)行調(diào)制，然后疊加一起發(fā)送。接收端用相干載波進(jìn)行相干接收，再經(jīng)并／串變換恢復(fù)為原高速數(shù)據(jù)。 2．多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。 圖3.9 多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)是無線移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是下一代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。 3．切換技術(shù)。 圖3.10 切換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)移動終端在不同小區(qū)之間跨越和在不同頻率之間通信以及在信號質(zhì)量降低時如何選擇信道。它是未來移動終端在眾多通信系統(tǒng)、移動小區(qū)之間建立可靠通信的基礎(chǔ)。主要劃分為硬切換、軟切換和更軟切換．硬切換發(fā)生在不同頻率的基站或不同系統(tǒng)之間。 4.軟件無線電技術(shù)。 圖3.11 軟件無線電是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。通過下載不同的軟件程序，在硬件平臺上可實現(xiàn)不同功能，用以實現(xiàn)在不同系統(tǒng)中利用單一的終端進(jìn)行漫游，它是解決移動終端在不同系統(tǒng)中工作的關(guān)鍵技術(shù)。 5、4第四代通信技術(shù)的應(yīng)用 1．實時移動視頻 圖3.12 現(xiàn)在很多手機(jī)都配有能攝像的高級攝像頭，這樣的話把視頻應(yīng)用引入移動網(wǎng)絡(luò)就不足為奇了。在初期大家可能只是簡單的用Apple的iPhone或者使用基于Google Android系統(tǒng)的設(shè)備上傳自家寶寶的一段視頻。但也有專業(yè)的應(yīng)用提供者，如Qi-K，提供支持手機(jī)到互聯(lián)網(wǎng)的在線視頻流服務(wù)，理論上可以把任何帶著智能手機(jī)的人立刻變成現(xiàn)場新聞記者。 2、在線游戲 圖3.13 我們認(rèn)為游戲玩家們會對4G服務(wù)的速度和移動性有強(qiáng)烈的熱情。長期來看，在線玩家可能是4G Wi-Fi路由器的最大用戶群，像是SprintOverdrive和Clearwire的Clear Spot就是通過使用小型Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)快速接收4G信號然后將其轉(zhuǎn)到游戲終端。 3、基于云計算的應(yīng)用 圖3.14 使用擴(kuò)容的4G網(wǎng)絡(luò)將使得云計算--用于在線存儲的數(shù)據(jù)和應(yīng)用--比今天更加吸引人，尤其是對企業(yè)里的專業(yè)人員來說他們需要接入網(wǎng)上交易繁忙的應(yīng)用，如Salesforce.com的CRM平臺和很多實時合作平臺。如果從云到移動設(shè)備的寬帶傳輸?shù)墓艿雷兇?0倍，云服務(wù)對于移動用戶來說在可靠性，功能性和安全性方面都會有顯著的改善。 4、應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)導(dǎo)航 圖3.15 有了4G網(wǎng)絡(luò)中更好的帶寬，導(dǎo)航應(yīng)用的提供商們已經(jīng)開始探索“現(xiàn)實技術(shù)”這個想法了，用了這個技術(shù)設(shè)備就可以使用電話的實時攝像頭提供實時的視頻數(shù)據(jù)和它的位置或GPS信息。 終端用戶獲益范圍從適度（比如有可以用你的手機(jī)看到最近的星巴克在那兒）到極強(qiáng)。 四、光纖通信 1、早期的光纖通信 光無處不在，在人類發(fā)展的早期已經(jīng)開始使用光傳遞信息，比如打手勢、烽火臺等。這些早期的通信方式都有一個顯著地缺點，就是它們能夠傳輸?shù)娜萘繕O其有限。近代歷史上，早在1880年，美國的貝爾（Bell）發(fā)明了“光電話”，這是人們從最普通原始的利用光的方式到現(xiàn)代光通信的一個里程碑式的革新.但由于種種原因，光電話并未能在人們生活中得到實際的使用。 雖然光電話并未實際使用，也并未將光通信真正意義上的帶到現(xiàn)代化科技，但是這一思想和技術(shù)的應(yīng)用卻打開了今后光通信現(xiàn)代化科技發(fā)展的大門。 2、現(xiàn)代光通信科技 隨著深灰發(fā)展和人們生活水平的提高，人與人之間的信息交換量也在與日俱增，且是急劇增長。通信方式從中波、短波發(fā)展到微波、毫米波，這實際上就是通過提高通通信載波頻率來擴(kuò)大通信容量的。繼續(xù)提高頻率，就達(dá)到光波波段，光波是人們最熟悉的電磁波，其波長在微米級，而頻率則為1410Hz數(shù)量級，這比常用的微波頻率高410～510倍。如此看來，用光波作為載波進(jìn)行通信，通信容量將大大超過傳統(tǒng)通信方式。 現(xiàn)代光通信的發(fā)展最開始是尋找合適的光源和傳輸介質(zhì)。1960年，美國的梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，它可以產(chǎn)生單色相干光，使高速信息的光調(diào)制成為可能。和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無線電波相似，是一種理想的光載波。但是，紅寶石激光器發(fā)出的光束不容易耦合進(jìn)光纖中傳輸，其耦合效率是極低的，因此需要研制小型化的激光光源。 美國貝爾實驗室、日本電氣公司和前蘇聯(lián)先后突破了半導(dǎo)體激光器在低溫（－200C）或脈沖激勵條件下工作的限制，研制成功室溫下連續(xù)工作的鎵鋁砷（GaAlAs）雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（短波長）。雖然壽命只有幾個小時，但其意義是重大的，它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時，外推壽命達(dá)到100萬小時，完全滿足實用化的要求。在這個期間，1976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3mm的銦鎵砷磷激光器，1979年美國電報電話公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55mm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段。 1966年，美籍華人高錕和霍克哈姆發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。1970年，美國康寧公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。因此，光纖通信開始可以和同軸電纜通信競爭。1973年，美國貝爾實驗室研制的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降到了1.1dB/km。1980年，原材料提純和光纖制備工藝得到不斷完善，1981年以后，世界各發(fā)達(dá)國家將光纖通信技術(shù)大規(guī)模地推入商用。 光通信已經(jīng)經(jīng)歷過四代的技術(shù)革新，目前，人們已經(jīng)涉足第五代光纖通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)，稱之為光孤子通信系統(tǒng)。光孤子通信系統(tǒng)具有超長距離的傳輸能力，其應(yīng)用潛力是巨大的。但是光孤子通信系統(tǒng)目前尚處于研究開發(fā)階段，要真正進(jìn)入實用化還需要解決一系列實際應(yīng)用問題。 圖4.1 五、發(fā)展趨勢 隨著科技的進(jìn)步，通信技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，移動通信系統(tǒng)的異構(gòu)性更加充分。在移動通信網(wǎng)絡(luò)朝著高速化、寬帶化、泛在化發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了多種多樣的通信技術(shù)，而未來移動通信的發(fā)展趨勢則是實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)的融合，在業(yè)務(wù)環(huán)境上以多個系統(tǒng)的融合和發(fā)展為基礎(chǔ)，更好地為用戶服務(wù)，為用戶提供全接入的信息服務(wù)，實現(xiàn)以用戶為中心的移動通信系統(tǒng)。 1、 從4G走向5G 圖5.1 移動通信經(jīng)歷了1G和2G，完成了從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的過渡，3G的成熟和現(xiàn)代初步完成的帶寬更寬的無線系統(tǒng)4G，容量更大、速率更高、功能更強(qiáng)，把移動通信從窄帶推向?qū)拵?以在移動環(huán)境中支持高清晰度視像和其它寬帶多媒體業(yè)務(wù)與應(yīng)用。 如今，5G的發(fā)展已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢，其頻譜利用率高，通信系統(tǒng)性能有很大提高，同時設(shè)計理念先進(jìn)，能耗和運營成本也會大大降低。對于未來5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，將更為注重用戶體驗，交互式游戲、3D、虛擬實現(xiàn)、傳輸延時、網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐速度和效率等指標(biāo)將成為考量5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。 5G移動通信技術(shù)，作為最新一代的移動通信技術(shù)，其應(yīng)用必將大大提高頻譜利用效率及其能效，在資源利用和傳輸速度效率方面較4G移動通信技術(shù)能提高至少一個等級，在系統(tǒng)安全、傳輸時延、用戶體驗、無線覆蓋的性能等各個方面也將得到顯著的提升。5G移動通信技術(shù)結(jié)合其他無線通信技術(shù)后，將構(gòu)成新一代高效、完美的移動信息網(wǎng)絡(luò)，可以滿足未來十年的移動信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求。不久的將來，5G移動通信系統(tǒng)一定程度上還將具備較大的靈活性，實現(xiàn)自我調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)自感知等智能化功能，可以有充分的準(zhǔn)備應(yīng)對未來移動網(wǎng)絡(luò)信息社會的不可預(yù)測的飛速發(fā)展。 2、5G移動通信技術(shù)發(fā)展的趨勢 圖5.2 5G移動通信技術(shù)，已經(jīng)成為移動通信領(lǐng)域的全球性研究熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)會得以明確，在未來幾年，該技術(shù)會進(jìn)入實質(zhì)性的發(fā)展階段，即標(biāo)準(zhǔn)化的研究與制定階段。同時，5G移動通信系統(tǒng)的容量也會大大提升，其途徑主要是進(jìn)一步提高頻譜效率、變革網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、開發(fā)并利用新的頻譜資源等。 2013年初，歐盟等國家的第7框架計劃中啟動了關(guān)于5G的研發(fā)項目，共有29個參加方，我國的華為公司也參與其中。隨著該項目的啟動，各種5G移動通信技術(shù)的研發(fā)組織應(yīng)運而生，如韓國成立的5G技術(shù)論壇，中國成立的IMT-2020(5G)推進(jìn)組等。目前，世界各個國家正積極的就5G移動通信技術(shù)的應(yīng)用需求、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)、使能技術(shù)、候選頻段、發(fā)展愿景等各個方面進(jìn)行全面的研討，以期在2015年召開世界無線電大會時達(dá)成共識，在2016年后積極啟動關(guān)于5G移動通信技術(shù)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程。 移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展是推動5G移動通信技術(shù)發(fā)展的主要動力，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是各種新興業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)平臺，目前現(xiàn)有的固定互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的各種服務(wù)業(yè)務(wù)將通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式提供給用戶，后臺服務(wù)及云計算的廣泛應(yīng)用勢必會對5G移動通信技術(shù)系統(tǒng)提出較高的要求，尤其是在系統(tǒng)容量要求與傳輸質(zhì)量要求上。5G移動通信技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)主要定位在要密切銜接其他各種無線移動通信技術(shù)上，為快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)提供全方位和基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)服務(wù)。就世界各國的初步估計，包括5G移動通信技術(shù)在內(nèi)的無線移動網(wǎng)絡(luò)，其在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力上的提升勢必會在三個維度上同步進(jìn)行：第一，引進(jìn)先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)之后，網(wǎng)絡(luò)資源的利用率將在4G移動通信技術(shù)的基礎(chǔ)上提高至少10倍以上；第二，新的體系結(jié)構(gòu)（如高密集型的小區(qū)結(jié)構(gòu)等）的引入，智能化能力在深度上的擴(kuò)展，有望推進(jìn)整個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐率提升大概25倍左右；第三，深入挖掘更為先進(jìn)的頻率資源，比如可見光、毫米波、高頻段等，使得未來的無線移動通信資源較4G時代擴(kuò)展4倍左右。 為了提升5G移動通信技術(shù)的業(yè)務(wù)支撐能力，其在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面和無線傳輸技術(shù)方面勢必會有新的突破。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，將采用更智能、更靈活的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，比如采用控制與轉(zhuǎn)發(fā)相互分離的軟件來定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、異構(gòu)超密集的部署等。在無線傳輸技術(shù)方面，將會著重于提升頻譜資源利用效率和挖掘頻譜資源使用潛能，比如多天線技術(shù)、編碼調(diào)制技術(shù)、多址接入技術(shù)等等。 5G移動通信技術(shù)的發(fā)展，在移動通信技術(shù)領(lǐng)域掀起了新一輪的競爭熱潮，加快5G技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，力求在5G通信領(lǐng)域的商業(yè)競爭中脫穎而出，已成為各國信息領(lǐng)域發(fā)展的重要任務(wù)。5G移動通信技術(shù)，必將會得到空前的發(fā)展，并給社會的進(jìn)步帶來前所未有的推動力。 參考文獻(xiàn)： 【1】劉增基，周洋溢，胡遼林，周綺麗編著.光纖通信.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.8 【2】穆道生主編.現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社，2005.9 【3】竇中兆WCDMA系統(tǒng)原理與無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化清華大學(xué)出版社2009 【4】文志成UMTS系統(tǒng)無線協(xié)議與信令流程電子工業(yè)出版社2008 .