1.2 无线移动通信的发展

无线移动通信系统的初步应用，可以追溯到20世纪40年代第二次世界大战期间。当时，美军和盟军首次采用无线电通信系统，通过高强度加密进行信息传输[28]。1946年，贝尔实验室根据美国联邦通信委员会（Federal Communication Commission，FCC）的计划在圣路易斯建立了世界上第一个公用移动电话系统，工作于150MHz频段。随后，前西德于1950年、法国于1956年、英国于1959年相继推出了公用移动电话系统。这些系统采用无线通信手段来传输信息，但还没有进行无线互联组网，因此，属于无线网络的初级阶段，可以归纳为无线移动通信系统。

1971年，夏威夷大学的研究人员创造了第一个基于分组技术的无线电通信网络，就是堪称经典的ALOHA（Additive Link Online Hawaii）系统[29]，采用双向星型拓扑横跨4座夏威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛上，使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机，这个系统算是相当早期的无线局域网络。从这时开始，无线网络可以说是正式诞生了。

此后，无线通信手段越来越丰富，各类调制解调、编解码、复用和多址、天线等技术层出不穷，长波、中波、短波、超短波、分米波、厘米波、毫米波和红外线等无线通信频谱资源也逐渐扩展。与之相应，无线通信网络也得到了蓬勃发展，针对各种各样的应用场景，先后呈现出蜂窝移动通信网（Cellular Network，CN）、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）、无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）、移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）、无线网状网络（Wireless Mesh Network，WMN）和天基网（Space-based Network，SN）等无线网络，在人们生产、生活中扮演着越来越重要的角色。特别是近几年，无线网络与互联网结合，对各行各业都产生了深远的影响。

1.蜂窝移动通信网[30,31]

第一代（1G）蜂窝移动通信系统是模拟移动通信系统，始于20世纪80年代初，利用模拟传输方式实现话音业务，主要包括美国的先进移动电话业务系统（Advantage Mobile Phone System，AMPS）、英国的全接入通信系统（Total Access Communication System，TACS）、北欧国家的北欧移动电话（Nordic Mobile Telephony，NMT）系统以及日本的日本电话和电报（Nippon Telegraph & Telephone，NTT）等。尽管这一代系统设备比较笨重，话音质量不稳定，用户“串话”常见，但不管怎样也难以掩盖这些系统产生的划时代意义，以及为后续系统发展奠定的坚实技术和实践基础。

第二代（2G）蜂窝移动通信系统是数字移动通信系统，始于20世纪80年代中期，利用数字通信方式实现话音和低码率数据业务，其容量和频谱利用率高于第一代。最典型的代表就是著名的全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）和IS-95。2G系统演进过程中，又诞生了2.5代通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）和增强型数据速率GSM演进（Enhanced Data Rate for Global Evolution，EDGE）系统，显著增强了分组数据业务的传输能力，使移动用户除能够通话外，还能获得更多的无线数据服务。2G系统很好地满足了人们在移动状态下对话音业务及低速数据业务的需求，在全世界得到了广泛应用。尽管目前选择2G网络接入移动互联网的用户数呈逐年下降趋势，但这一代系统在人们生产生活方式中发挥的重要意义是有目共睹、举世公认的。

第三代（3G）移动通信系统是多媒体移动通信系统，始于 21世纪初，支持前两代系统不能比拟的宽带多媒体业务，以时分同步码分多址（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）、宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，W-CDMA）/通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunication System，UMTS）和cdma2000这3种主流技术为代表。按照国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在IMT-200（0 International Mobile Telecommunication-2000，国际移动通信2000）标准中的规定，3G 系统在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2MBit/s、384kBit/s及 144kBit/s的传输速率。截至 2013年底，中国 3G用户数已经突破4亿，宽带上网、手机商务、视频通话、手机电视、手机办公、手机购物、手机网游和高精度定位导航等新型3G应用正在全面影响人们的生活方式。

第四代（4G）移动通信系统是速率更高、已经投入运营的最新一代移动通信系统，以LTE-Advanced和Wireless MAN-Advanced（IEEE 802.16m）为主要标准。4G系统能够以100MBit/s的速率下载，比拨号上网快2 000倍，上传的速率可达20MBit/s，能够满足几乎所有用户的无线服务要求。目前，中国移动、中国电信和中国联通 3 家运营商正在加大力度实施 4G 系统建设部署。可以预期，随着 4G 网络的大规模部署运营，必将再次掀起移动通信产业发展、业务拓展和应用创新的一轮高潮，用户将体验到更为方便快捷、丰富多彩的上网服务。

2.无线局域网[32]

无线局域网是基于无线传输介质的计算机局域网，利用无线电波取代双绞线、同轴电缆或光纤，使通信终端摆脱有线介质的束缚，具有组网灵活、使用方便、移动自由等特点，一般能够在几百米范围内提供网络接入服务。目前的主流标准是IEEE 802.11系列标准，自1997年IEEE批准并公布第一个正式标准IEEE 802.11开始，逐步形成了IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac等，目前还处于不断发展和更新中，这些标准一般被统称为无线保真（Wireless Fidelity，Wi-Fi）。此外，还形成了HomeRF、HiperLAN 2和蓝牙等无线局域网标准。802.11b 可以在 2.4GHz 工业科学医疗（Industrial Scientific Medical，ISM）频段上支持1MBit/s、2MBit/s、5.5MBit/s以及11MBit/s的数据率，而802.11a则可以在5GHz的ISM频段上实现54MBit/s的速率。之后提出的802.11n，通过采用多输入多输出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）技术，使得数据速率提高至300MBit/s，最高可达600MBit/s，给人们带来迅捷流畅的无线上网享受。

无线局域网主要有两种工作模式，即有AP（Access Point，接入点）和无AP两种。无AP的模式实质是Ad Hoc工作模式，在带有无线网卡的计算机之间直接进行通信，而无需使用无线路由器或接入点设备。有AP的模式又称为Infrastructure模式，在这种接入模式下，需要无线网卡及一个AP，通过无线方式，配合现有的有线网络，实现无线网与有线网通过AP来进行通信，共享网络资源。有AP的模式建设费用和复杂程度远低于传统有线网络。这种简单、便捷的特性使其得到了广泛应用，目前无线局域网已经普遍部署在机场、车站、学校、公司等公众场合以及家庭等私密地点，提供低移动性、高速率的快捷网络服务，成为用户接入网络的主要方式之一。

3.无线城域网[32]

无线城域网是采用无线手段构建的城域网，主要解决有线方式无法覆盖地区的宽带接入问题，传输速率高，组网方式灵活，通常覆盖范围可达几十公里。目前主流标准是IEEE 802.16，也称WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入）。自1999年IEEE 802.16工作组成立开始，逐步发布了IEEE 802.16a、IEEE 802.16d、IEEE 802.16e、IEEE 802.16m等一系列标准。2003年发布的IEEE 802.16a标准工作在2～11GHz频段，可在超视距环境下运行，可支持话音和视频等实时业务。2004年发布的IEEE 802.16d整合修订了IEEE 802.16和IEEE 802.16a，属于固定宽带无线接入规范。2005年发布的IEEE 802.16e，工作在 2～6GHz 频段，最大的特点是对移动性的支持，可以同时支持固定和移动宽带无线接入。2007年10月19日，在ITU举办的无线通信全体会议上，WiMAX被正式批准成为继WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA后的第四个3G标准。2010年，IEEE 802.16m成为ITU的IMT-Advanced技术标准，正式被ITU确定为4G标准。

WiMAX 一般由部署建设的发射塔和可移动的接收机组成，与无线局域网相比，其最突出的特点是覆盖范围更大，可以应用在固定、游牧、便携和移动等应用场景，能够同时提供视距和超视距接入服务。此外，WiMAX的QoS保障机制完善，能够在移动状态下提供百兆、甚至吉比特每秒的宽带接入速率，是代表未来通信发展方向的先进技术之一。

4.移动自组织网络[33]

无线网络中有一类特殊的网络，由若干无线通信终端根据需要构成一个临时部署、无中心的网络，实现相互连接和资源共享。1972年，源于对军事通信的需要，美国国防部高级研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）启动分组无线网（Packet Radio Network，PRNET）项目，研究目标是将数据分组交换技术引入无线环境中，开发军用无线数据分组网络，这就是MANET的前身。1983年，DAPRA 又启动了抗毁性自适应网络（Survivable Adaptive Network，SURAN）项目，将PRNET成果扩展，支持更大规模的网络。1994年，为了使全球信息基础设施支持无线移动环境，DARPA 启动全球移动信息系统（Global Mobile Information System，GloMo）计划，支持无线节点之间随时随地的多媒体连接，解决MANET的3M问题，即移动（Mobile）、多跳（Multihop）以及多媒体（Multimedia）。21世纪以来，DARPA正在支持一系列研究项目，如联合战术无线电系统（Joint Tactical Radio System，JTRS）、未来战斗系统（Future Combat System，FCS）等，都针对MANET网络技术进行了研究。1997年，互联网工程任务组成立了 MANET 工作组，主要致力于移动 Ad Hoc 网络的协议标准化工作，极大地推动了商用移动Ad Hoc网络的研究与开发。

移动自组织网络不需要固定基站支持，实现分布式的无中心管理，可临时组织，具有高度移动性，网络抗毁与快速部署能力强。与其他类型的无线网络相比，移动自组织网络的突出特点包括：全分布式、拓扑动态变化、多跳拓扑、带宽有限且易变以及能源受限等。这些特点使得这类网络技术研究面临许多挑战。

5.无线网状网络[32]

无线网状网络，也称无线 Mesh 网络，是移动自组织网络的一种特殊形态，是一种新型的宽带无线网络结构，被看成是WLAN和Ad Hoc网络的融合，并兼具二者的优势。无线网状网络的出现是在20世纪90年代中期以后，近年由于应用需求的牵引而逐渐引起业界关注，其实施可以依托 IEEE 802.11、IEEE 802.16以及蜂窝网等技术，或者是多种技术的组合。

无线网状网络有两种典型的实现模式：基础设施模式和终端用户Mesh模式。基础设施模式指在Internet接入点和终端用户间形成无线回路；终端用户Mesh模式指终端用户通过无线信道的连接形成一个点到点的网络，终端设备在不需要其他基础设施的条件下可独立运行，能够支持移动终端较高速地移动，快速形成宽带网络。

无线网状网络与移动自组织网络的区别主要体现在两方面：一是组网方式不同，无线网状网络是扁平结构，而移动自组织网络则是分层和等级结构，在每层内部形成多个 Ad Hoc 网络，不同层之间通过无线互联起来，做到集中控制管理和自由动态组网有机结合；二是解决的问题不同，移动自组织网络设计的目的是为了实现用户移动设备间的对等通信，如突发情况下快速部署网络，而无线网状网络则看重的是如何为用户终端提供无线接入。

6.天基网[34,35]

天基网是一种以各种类型的卫星为网络节点，通过星际链路互联起来构建的空间无线网络系统。20世纪90年代，摩托罗拉（Motorola）公司铱（Indium）系统卫星的成功使用是卫星通信发展史上的一个分水岭，此前的卫星通信系统主要采用同步轨道卫星和“弯管式”透明转发方式实现洲际和国际干线通信或电视广播。这类系统设计简单、容易实现，但在时延、频率资源利用率、地面通信终端小型化以及信息转发的灵活性上具有难以克服的缺点，限制了通信卫星的应用范围，无法满足迅速发展的地面移动通信等应用对卫星的需求。在这种情况下，研究面向地面应用需求，尤其是面向迅速发展的个人通信应用的新型卫星系统成为必然。自铱系统建成以来，天基网络经历了窄带卫星通信网、宽带卫星通信网、天基互联网3个主要发展阶段。

窄带卫星通信网主要是为了实现全球移动电话的无缝漫游，这与当时的第二代移动通信地面用户通信应用相适应。在这种需求下，窄带移动卫星通信网一般设计为一个面向话音通话服务的全球移动系统，可为地面用户提供以话音为主的全球无缝服务。该阶段最有代表性的系统是铱系统和全球星（Global Star）系统，也包括美军的移动和战术系统系列，如舰队卫星通信系统、特高频后继星（UFO）卫星通信系统和先进极高频（AEHF）系统等。

宽带移动卫星网是适应第三代地面通信应用发展起来的一种移动卫星网，可为地面用户提供多业务、大容量及高接入带宽的传输服务。在技术上，宽带移动卫星网大多具有较强的星上信息处理能力，基于高速星间链路降低卫星通信网对地面站的依赖。目前，国外各大卫星通信公司纷纷提出宽带通信卫星网的建设方案，但都尚处于发展过程中。

随着地面互联网的不断发展，利用卫星网络实现全球任何地方任何用户的互联网服务、构筑天基互联网已成为卫星网络发展和下一代互联网的重要内容。天基互联网需要卫星网络能与地面互联网无缝连接，且可以为各种终端提供灵活的互联网接入，以IP技术为基础的天基互联网是目前卫星组网领域研究的热点，也是构建空天地一体化全球通信网的重要组成部分。目前，这方面的研究和建设已经起步，欧洲和美国等一些发达国家以及一些公司正在开展相关系统的科研和建设，我国也已启动天地一体化信息网络的重大工程科研建设工作。