通信工程專業(yè)導(dǎo)論 課件 第一章 通信發(fā)展史

第一章

通信發(fā)展史x1.1概述

通信技術(shù)與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展是人類進入信息社會的重要標(biāo)志。通信就是人與人溝通的方法。無論是電話還是網(wǎng)絡(luò)，解決的最基本的問題都是人與人的信息交互。遠古時期，人們利用烽火傳遞戰(zhàn)事情況，利用快馬與驛站傳送文件；到了現(xiàn)代，人們通過電視收看節(jié)目，利用傳真機傳送文件，使用移動電話進行通話等，都屬于通信的范疇。1831年，法拉第（MichaelFaraday）通過實驗發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象：閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感應(yīng)線運動時，導(dǎo)體中會產(chǎn)生電流，由此總結(jié)出法拉第電磁感應(yīng)定律。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)奠定了電磁學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)。圖1-1法拉第x1.1概述1947年，貝爾實驗室提出了蜂窩移動通信的概念，這是無線通信發(fā)展的重大突破。應(yīng)用蜂窩概念可以設(shè)計任意大用戶容量的無線通信系統(tǒng)，從而解決無線通信技術(shù)向公眾應(yīng)用推廣問題。1973年，摩托羅拉公司的庫帕發(fā)明了第一部無線電話機，首次實現(xiàn)了民用移動通信，這標(biāo)志著無線通信向民用推廣。20世紀(jì)80年代以來，通信技術(shù)始終是發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域之一?，F(xiàn)代通信技術(shù)不斷采用最新技術(shù)優(yōu)化通信的各種實現(xiàn)方式，讓人的交流變得更便捷、有效，突破時空限制。1978年，貝爾實驗室試驗成功第一個蜂窩移動通信系統(tǒng)。1983年，采用蜂窩技術(shù)的先進移動電話系統(tǒng)（AdvancedMobilePhoneSystem，AMPS）在美國芝加哥正式投入商用。此后建立的公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)都以蜂窩概念為基礎(chǔ)。

x1.1概述從第三代蜂窩系統(tǒng)開始，移動通信業(yè)務(wù)開始以面向數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)為主，語音業(yè)務(wù)占用的帶寬比例已經(jīng)很小。目前，蜂窩系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第四代（4G），TD-LTE（TimeDivisionLongTermEvolution，時分長期演進）就屬于第四代蜂窩系統(tǒng)技術(shù)，4G已經(jīng)推廣商用，第五代（5G）蜂窩技術(shù)已在部署中，部分地區(qū)已在應(yīng)用。4G的下載數(shù)據(jù)速率可以達到100Mb/s，上傳速率可以達到50Mb/s，理論上5G的下載率可以到10Gb/s，比4G快100倍。5G時代是萬物互聯(lián)的時代，5G主要面向移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋、高密度、大容量、大帶寬，因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需求量大，這就要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備低成本、低功耗、易維護，以最大限度地降低網(wǎng)絡(luò)總成本。典型的蜂窩系統(tǒng)如圖1-10所示。圖1-10典型蜂窩系統(tǒng)x1.1概述近年來，社會加速邁向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，作為新基建“領(lǐng)頭羊”的5G，在助推各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮了強大賦能作用。我國非常重視5G的發(fā)展，同時也深刻認(rèn)識到5G的戰(zhàn)略意義，政府出臺了一系列的政策、規(guī)劃文件?！笆奈濉币?guī)劃綱要明確提出，加快5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；渴穑脩羝占奥侍岣叩?6%。自2019年5G正式商用以來，在黨和國家的大力支持下，在全行業(yè)的協(xié)同努力下，5G網(wǎng)成績斐然?！吨袊ヂ?lián)網(wǎng)發(fā)展報告（2021）》指出，截至2020年底，我國5G網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)超過1.6億，約占全球5G總用戶數(shù)的89%，網(wǎng)民規(guī)模達9.89億，互聯(lián)網(wǎng)普及率達到70.4%。在中國國際信息通信展覽會期間舉辦的第五屆5G創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇上，工業(yè)和信息化部給出了一組驚人的數(shù)據(jù)：截至2021年8月，我國累計開通的5G基站超100萬個，覆蓋全國所有地級以上城市。x1.1概述移動通信的每一代演進都超越并解決了上一代通信系統(tǒng)的一些問題，除了社會經(jīng)濟發(fā)展的需求驅(qū)動外，通信理論與技術(shù)、元器件的發(fā)展在這中間則起到了使能者的關(guān)鍵作用。1G建立了首個可用于通話的模擬制式的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)。2G實現(xiàn)了從模擬向數(shù)字通信的革命性轉(zhuǎn)變，提高了通信的容量、質(zhì)量和安全性。3G實現(xiàn)了向數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪~進。4G提供了移動寬帶業(yè)務(wù)，使得通信進入了移動互聯(lián)網(wǎng)的時代，并促進了電子商務(wù)的發(fā)展。到了5G時代，移動通信將在大幅提升以人為中心的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)使用體驗的同時，全面支持以物為中心的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，實現(xiàn)一個萬物互聯(lián)智能化的社會。展望未來，有一種觀點認(rèn)為，移動通信發(fā)展至今已非常成熟，如果5G網(wǎng)絡(luò)能合理地設(shè)計部署，我們將不再需要6G、7G、8G……，而只需要一些小的改動即可滿足未來社會的需要，因此，未來幾十年我們所面對的很可能是5.1G、5.2G……?；蛘咧辽贌o線通信的演進速度會大大地降低，沒有必要繼續(xù)以十年一代的速度更新迭代。無線通信的發(fā)展每十年更新一代，即所的“使用一代，研究一代，儲備一代”。歐洲、中國、美國、日本、韓國等一些國家和地區(qū)的研究機構(gòu)已經(jīng)開始布局6G技術(shù)的研究。x1.1概述在我國，航天科技集團和航天科工集團分別啟動了“鴻雁”和“虹云”低軌衛(wèi)星通信星座計劃。這些低軌道衛(wèi)星通信計劃將可能成為現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)的有力競爭對手。2019年3月，世界第一屆6G峰會（6GWirelessSummit）在芬蘭召開。Oulu大學(xué)的6G旗艦項目根據(jù)來自諾基亞、愛立信、中國電信、三星、NTT等幾十家公司的專家的預(yù)測，發(fā)布了一份6G白皮書《6G無線智能無處不在的關(guān)鍵驅(qū)動與研究挑戰(zhàn)》。白皮書認(rèn)為，聯(lián)合國的人類發(fā)展遠景才是未來無線技術(shù)發(fā)展所應(yīng)追求的目標(biāo)。以此為基礎(chǔ)，白皮書把6G定義為UbiquitousWirelessIntelligence，即無所不在的無線智能。5G和6G可能使用頻段的特性如表所示:頻段0.3~3GHz3~30GHz30~300GHz0.3~3THz3~30THz波長10~100cm1~10cm1~10mm100~1000μm10~100μm主要衰減

因素自由空間自由空間，即高頻段對于穿越物體的損耗大自由空間/分子

吸收O2和H2O自由空間/分子

吸收H2O自由空間/分子

吸收H2O支持傳輸

距離10km1000m100m<10m<1m系統(tǒng)帶寬100MHz400MHz（或800MHz）高達30GHz高達300GHz>100GHzx1.2通信大事記1、電報的出現(xiàn)：1837年，英國的庫克和惠斯通設(shè)計制造了第一臺電纜電報，經(jīng)不斷改進，傳輸速度得到不斷提高。這種電報很快被用于鐵路通信。2、電話的發(fā)明：貝爾（AlexanderGrahamBell）是公認(rèn)的電話之父，以他的名字命名的貝爾實驗室更是因為一直引領(lǐng)通信的潮流而享譽世界。3、無線電報的產(chǎn)生：馬可尼（GuglielmoMarconi）是意大利的電氣工程師和發(fā)明家。在博洛尼亞大學(xué)學(xué)習(xí)期間，他用電磁波進行約2公里距離的無線電通信實驗，獲得成功。4、蜂窩式移動電話的誕生：20世紀(jì)70年代初，貝爾實驗室提出蜂窩系統(tǒng)覆蓋小區(qū)的概念和相關(guān)的理論后，該理論立即得到迅速發(fā)展，很快進入實用階段。5、集成電路：1958年，基爾比（JackKilby）發(fā)明了集成電路，這一發(fā)明奠定了現(xiàn)代微電子技術(shù)的基礎(chǔ)。如果沒有這項發(fā)明，就不會有計算機的存在，信息化時代也只能淪為空談。6、首顆通信衛(wèi)星：1958年12月18日，美國成功發(fā)射了世界上第一顆通信衛(wèi)星“斯科爾號”，全稱為“軌道中繼設(shè)備信號通信衛(wèi)星”。7、5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：5G網(wǎng)絡(luò)不僅是移動通信技術(shù)，也是多種無線接入技術(shù)演進集成后的解決方案總稱。它將掀起整個行業(yè)的巨大變革，推動人類社會全面進入數(shù)字化時代。x1.3通信行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)

標(biāo)題通信涉及收發(fā)雙方或多方的信息傳遞，在信息傳遞的過程中，要求各方都要遵循統(tǒng)一的規(guī)定，否則信息就無法互通。另一方面，不同的通信設(shè)備可能來自不同的廠商，為了使這些設(shè)備能在一個系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)協(xié)同工作，也需要不同廠家的設(shè)備能夠互通。因此，通信系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)。一些比較重要的國際標(biāo)準(zhǔn):全球移動通信系統(tǒng)（GlobalSystemforMobileCommunications），縮寫為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)。W-CDMA的全稱為WidebandCDMA，也稱為CDMADirectSpread，意為寬頻分碼多重存取，這是基于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，目前正在進一步融合。CDMA2000是由窄帶CDMA（CDMAIS95）技術(shù)發(fā)展而來的寬帶CDMA技術(shù)，也稱為CDMAMulti-Carrier，由美國高通北美公司為主導(dǎo)提出，TD-SCDMA的全稱為TimeDivisionSynchronousCDMA，即時分同步CDMA。該標(biāo)準(zhǔn)是我國自行制定的3G標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX的全名為微波存取全球互通（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess），是一種為企業(yè)和家庭用戶提供“最后一公里”的寬帶無線連接方案。LTE（LongTermEvolution，長期演進技術(shù)）原本是第三代移動通信向第四代過渡升級過程中的演進標(biāo)準(zhǔn)，包含LTEFDD（LongTermEvolution，F(xiàn)requency-divisionduplex，長期演進頻分雙工）和LTETDD（LongTermEvolution，Time-DivisionDuplex，長期演進時分雙工，通常簡稱為TD-LTE）兩種模式。TD-LTE是一種新一代寬帶移動通信技術(shù)，是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA（TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，時分同步碼分多址）的后續(xù)演進技術(shù)，在繼承了TDD（Time-DivisionDuplex，時分雙工）優(yōu)點的同時又引入了多天線MIMO與頻分復(fù)用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)。FDD（Frequency-divisionduplex，頻分雙工）是LTE技術(shù)支持的兩種雙工模式之一，應(yīng)用FDD模式的LTE即為FDD-LTE。5G-NR（5GNewRadio）是基于OFDM的全新空口設(shè)計的全球性5G標(biāo)準(zhǔn)，也是下一代蜂窩移動技術(shù)的基礎(chǔ)。x1.3通信行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)

標(biāo)題隨著通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)迎來新的發(fā)展機遇，網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)與經(jīng)濟社會發(fā)展深度融合，為我國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展提供新途徑。沒有信息化就沒有現(xiàn)代化，沒有網(wǎng)絡(luò)安全保障，信息化進程只能淪為空談。網(wǎng)絡(luò)與信息安全事關(guān)國家、社會與個人，網(wǎng)絡(luò)空間成為國家安全的重要組成部分。“棱鏡門”事件引起世界各國政府的高度重視，紛紛采取各種技術(shù)手段、制定法律法規(guī)加強本國的網(wǎng)絡(luò)與信息安全。我國為保護公民個人、企業(yè)及國家利益與安全，從國家戰(zhàn)略高度進行頂層設(shè)計，出臺了一系列網(wǎng)絡(luò)與信息安全相關(guān)的法律法規(guī)：《中華人民共和國個人信息保護法》《中華人民共和國數(shù)據(jù)安全法》《中華人民共和國密碼法》《中華人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》《中華人民共和國電子商務(wù)法》《中華人民共和國電子簽名法》《中華人民共和國保守國家秘密法》《中華人民共和國保守國家秘密法實施條例》《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護條例》《中華人民共和國計算機信息系統(tǒng)安全保護條例》《計算機信息網(wǎng)絡(luò)國際互聯(lián)網(wǎng)安全保護管理辦法》《計算機軟件保護條例》x1.4我國通信行業(yè)現(xiàn)狀通信工程是我國信息科技發(fā)展中的重要領(lǐng)域，其包含：移動通信與個人通信、計算機通信網(wǎng)絡(luò)與安全技術(shù)、語音處理與人機交互、多媒體通信、寬帶通信、衛(wèi)星通信以及寬帶通信網(wǎng)、圖像通信和圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信與光纖通信等。其中，發(fā)展最快的是移動通信、光纖通信與網(wǎng)絡(luò)通信，這些技術(shù)被應(yīng)用到寬帶通信當(dāng)中，走進人們的日常生活中，使每一個人都能夠享有移動電話，不分地域地共享網(wǎng)絡(luò)資源。我國通信工程有著廣闊的發(fā)