智慧城市的支撐技術——通信技術

文│ 北京郵電大學 蘆效峰

中國電信昆山分公司 景培榮

智慧城市的支撐技術
——通信技術

文│ 北京郵電大學 蘆效峰

中國電信昆山分公司 景培榮

城市智慧化的基本方法與技術使智慧城市成為現實具備了可能。前沿的科技處于不斷的研發與升級中，未來智慧城市的建設還將整合非信息、通信相關的技術，如生物科技與基因科技 ，但就目前而言，我們認為建設智慧城市的必要支撐技術主要包括通信技術、云計算技術、物聯網技術、軟件工程、GIS技術、建筑信息模型（BIM）、信息安全技術等，如圖1所示。

1 現狀

網絡技術的不斷發展，提供給人們的服務越來越多，在線服務代替桌面服務已經成為一種趨勢，人們可以通過網絡進行數據存儲和運算、收看高質量的視頻等。據部分地區的帶寬占用情況統計，白天P2P下載幾乎占用了總帶寬的60%!80%，夜間P2P下載所占用的帶寬高達80%!90%。對于用戶來說，網絡的帶寬越寬，使用起來就越方便。人們在享受這些網絡服務的同時，也對網絡提出了更高的要求。

傳統的計算機網絡時代是以有線傳輸方式為主的互聯網，數據信號是通過電纜或者光纜來傳輸的，而今到了手機網絡時代，數據信號傳輸則以無線移動傳輸為主。無線數據傳輸是在一定范圍的頻譜段資源內，完成整個手機網絡時代所有的無線數據傳輸任務。

數據的無線傳輸與有線傳輸在方式上有著本質的區別。數據的無線傳輸受限于頻譜，因為用于數據無線傳輸的頻譜段資源是有限的，所以不能像有線傳輸那樣無限制增加。隨著無線網絡應用的快速發展，這一矛盾開始顯現，并且日趨嚴重?？梢灶A見，未來有一天現有的頻譜段將無法承載無線傳輸所需的數據量。

2 光纖通信

光纖通信的誕生與發展是電信史上的一次重要革命，近幾年來隨著技術的進步，電信管制體制的改革以及電信市場逐步地全面開放，特別是IP的爆炸式發展對帶寬所帶來的巨大需求，光纖通信又一次呈現出蓬勃發展的新局面，成為近幾年來發展速度最快的技術。

隨著光纖通信技術的發展，業務種類的不斷增加，逐漸適用于電路交換方式的PDH設備因為其固有的缺點已逐步淡出通信網，僅在一些小的通信場所應用，而SDH設備則大規模應用于骨干網和城域網。

除了核心網的應用外，目前的市場對帶寬和技術的需求都已表現出把SDH技術引入接入網領域的必要，使SDH的功能和接口盡可能地接近用戶。SDH固有的靈活性可使網絡運營者能夠更快、更有效地滿足用戶的業務需求以及組網需要。特別是在發展極其迅速的蜂窩通信系統中，采用SDH系統尤其合適，它可以迅速靈活地提供所需的2Mbps透明通道。因而，接入網的傳輸體制也開始呈現出向SDH匯聚的發展趨勢。圖2所示為一個SDH網絡結構。

和普通電纜相比，光纖電纜有著天然的優勢與特點：

◆ 通信容量大、傳輸距離遠；

◆ 信號干擾小、保密性能好；

◆ 抗電磁干擾、傳輸質量佳，電纜通信無法解決所有的電磁干擾問題，唯有光纖通信能不受各種電磁干擾；

◆ 光纖尺寸小、重量輕，便于鋪設和運輸；

◆ 材料來源豐富，節約有色金屬銅，有利于環境保護；

◆ 傳輸的光波不能跑出光纖以外，無輻射，防竊聽；

◆ 光纜適應性強，壽命長。

缺點：

◆ 纖芯質地脆，機械強度差；

◆ 光纖的切斷和接續需要一定的工具、設備和技術；

◆ 分路、耦合不靈活；

◆ 光纖光纜的彎曲半徑不能過小（>20cm）；

◆ 有供電困難問題。

光纖通信廣泛采用了光復用技術，以充分利用光纖帶寬資源。提升通信容量主要有兩種方法：一是提高通信速率。通信速率的提高可以使系統在有限的時間內傳輸更多的信息，從而緩解通信業務量大的壓力。但是由于受到電子器件響應速度的限制，通信速率不能無限地提高，目前通信速率超過40Gbps的系統就很難實現。二是利用光復用技術進行擴容，這是光纖通信系統擴大通信容量的較好方法，它對于降低成本、滿足各種寬帶業務量、交互性和靈活性的要求具有重大的意義。

光域是直接將輸入的光信號交換到不同輸出端的光交換技術，這是全新的交換技術，它具有高速、寬帶和無電磁感應的優點。它與光纖傳輸技術相融合可形成全光通信網絡，已成為未來通信的發展方向。現有的光交換單元要由電信號來控制，即所謂的電控光交換。但隨著光器件技術的發展，光交換技術也將發展為光控光交換，即光邏輯控制技術。

光交換技術可分成光路光交換和分組光交換兩種類型。光路光交換技術主要包括光時分交換技術、光空分交換技術、光波分交換技術、復合型光交換技術和自由空間光交換技術。分組光交換技術包括光分組交換（OPS）技術、光突發（OBS）技術、光標記分組交換（OMPLS）技術和光子時隙路由（PSR）技術等。分組光交換技術是研究的重點，該技術可確保用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光波技術，即數據從源節點到目的節點的傳輸過程都在光域內進行。

3 3G通信技術

3G是第三代移動通信技術（3rd-Generation）的簡稱，是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。3G服務能夠同時傳送聲音（通話）及數據信息（電子郵件、即時通信等），代表特征是提供高速的數據業務。

3G早在2007年已在國外使用，而我國也于2008年成功開發了中國3G，下行速度峰值理論可達3.6Mbps，上行速度峰值也可達384kbps。

相對第一代模擬制式手機（1G）和第二代 GSM、CDMA等數字手機（2G），第三代手機（3G）一般是將無線通信與國際互聯網等多媒體通信相結合的新一代移動通信系統。1995年問世的第一代手機只能進行語音通話；1996!1997 年出現的第二代數字手機便增加了接收數據的功能，如接受電子郵件或網頁。3G與2G的主要區別是在傳輸聲音和數據速度上的提升，它能夠在全球范圍內更好地實現無線漫游，并具備處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式的功能，提供包括網頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務，同時第二代系統具有良好的兼容性。為了提供這種服務，無線網絡必須能夠支持不同的數據傳輸速度，即在室內、室外和行車的環境中，能夠分別支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的傳輸速度。

目前國內不支持除GSM和CDMA以外的網絡，GSM設備采用的是頻分多址，而CDMA使用碼分擴頻技術，其功率和語音激活至少可提供大于3倍GSM的網絡容量，業界將CDMA技術作為 3G的主流技術，國內CDMA可以平穩過渡到3G網絡。國際電信聯盟確定三個3G的無線接口標準，分別是 W-CDMA（歐洲版）、CDMA2000（美國版）和TD-SCDMA（中國版）。

國際電信聯盟（ITU）在2000年5月確定 W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX四大主流無線接口標準，寫入3G技術指導性文件《2000年國際移動通訊計劃》（簡稱 IMT—2000）。CDMA是 Code Division Multiple Access（碼分多址）的縮寫，是第三代移動通信系統的技術基礎。第一代移動通信系統采用頻分多址（FDMA）的模擬調制方式，主要缺點是頻譜利用率低，信令干擾語音業務。第二代移動通信系統主要采用時分多址（TDMA）的數字調制方式，提高了系統容量，并采用獨立信道傳送信令，使系統性能大大改善，但 TDMA的系統容量仍然有限，越區切換性能仍不完善。CDMA系統以其頻率規劃簡單、系統容量大、頻率復用系數高、通信質量好、軟容量、軟切換等特點顯示出巨大的發展潛力。下面對3G的幾種標準做一簡要介紹。如圖3所示。

（1）W-CDMA

W-CDMA全稱為Wideband CDMA，也稱為CDMA Direct Spread，意為寬頻分碼多重存取，這是基于GSM網發展的3G技術規范，是歐洲提出的寬帶CDMA技術標準，它與日本提出的寬帶CDMA技術基本相同，目前也正在進一步融合。其支持者主要是以GSM系統為主的廠商，歐美的有愛立信、阿爾卡特、諾基亞、朗訊、北電等，日本的有NTT、富士通、夏普等廠商。該系統能夠架設在現有的GSM網絡上，對于運營商而言可較輕易地過渡，而在GSM系統相當普及的亞洲，對這套新技術的接受度預計會相當高，因此W-CDMA具有先天的市場優勢。該標準提出了GSM（2G）-GPRS-EDGE-W-CDMA（3G）的演進策略，其中GPRS是通用分組無線業務 （General Packet Radio Service）的簡稱，EDGE是增強數據速率的GSM演進 （Enhanced Data rate for GSM Evolution）的簡稱，這兩種技術又被稱為2.5代移動通信技術。

（2）CDMA2000

CDMA2000是由窄帶CDMA（CDMAIS95）技術發展而來的寬帶CDMA技術，也稱為CDMA Multi-Carrier，由美國高通北美公司為主導提出，摩托羅拉、Lucent和后來加入的韓國三星都有參與，韓國現在成為該標準的主導者。這套系統是從窄頻CDMAOne數字標準衍生出來的，可以從原有的CDMAOne結構直接升級到3G，建設成本低廉。但目前使用CDMA的地區只有日、韓和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不過CDMA2000的研發技術卻是目前各標準中進度最快的，許多3G手機已經率先面世。該標準提出了從CDMAIS95（2G）-CDMA20001x -CDMA20003x（3G）的演進策略。CDMA20001x被稱為2.5代移動通信技術，CDMA20003x與CDMA20001x的主要區別在于應用了多路載波技術，通過采用三載波使帶寬提高。目前中國聯通正在采用這一方案向3G過渡，并已建成了CDMAIS95網絡。

（3）TD-SCDMA

全稱為時分同步（Time Division-Synchronous，TD）CDMA，該標準是由中國大陸獨立制定的3G標準，由我國原郵電部電信科學技術研究院（大唐電信）于1999年6月29日向ITU提出。該標準將智能無線、同步CDMA和軟件無線電等當今國際領先的技術融于其中，在頻譜利用率、業務支持靈活性、頻率靈活性及成本等方面有獨特優勢。另外，由于國內龐大的市場，該標準受到各大主要電信設備廠商的重視，全球一半以上的設備廠商已宣布可以支持TD-SCDMA標準。該標準提出不經過2.5代的中間環節，直接向3G過渡，非常適用于GSM系統向3G升級。

（4）WiMAX

WiMAX的全名是微波存取全球互通（World wide Interoperability for Microwave Access），又稱為802.16無線城域網，是又一種為企業和家庭用戶提供“最后一英里”的寬帶無線連接方案。將此技術與需要授權或免授權的微波設備相結合，此設備成本較低，可將擴大無線寬帶市場，提高企業與服務供應商的認知度。2007年10月19日，國際電信聯盟在日內瓦舉行的無線通信全體會議上，經過多數國家投票通過，WiMAX正式被批準成為繼W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后的第四個全球3G標準。

4 4G通信技術

4G是第四代移動通信及其技術的簡稱，它集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質量的視頻圖像。由于4G的圖像傳輸質量與高清晰度的電視不相上下，所以將是一個比3G更完美的無線通信世界，能創造出許多消費者難以想象的應用。

4G系統能夠以100Mbps的速度下載，比撥號上網快2000倍，上傳的速度也能達到20Mbps，能夠滿足所有用戶對于無線服務的要求。4G手機可以提供高性能的流媒體內容，并可以通過ID應用程序成為個人身份鑒定設備，能夠接受高分辨率的電影和電視節目，從而成為合并廣播和通信新基礎設施中的一個紐帶。而且在用戶最為關注的價格方面，4G與固定寬帶網絡在價格方面不相上下，而計費方式更加靈活機動，用戶可以根據自身的需求確定所需的服務。此外，4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區。很明顯，4G具有不可比擬的優越性。

4G與3G的技術對比有著明顯的差別。3G的關鍵技術是CDMA技術，而4G采用的是OFDM技術。OFDM可以提高頻譜利用率，能夠克服CDMA在支持高速率數據傳輸時信號間干擾增大的問題。在軟件無線電方面，4G對3G中的軟件無線電技術進行升級，以滿足4G中無線接入多樣化的要求，解決3G中無線接入標準不統一的問題。同時在4G中，實現了軟切換和硬切換的相結合，在3G中軟件無線電基礎上通過增加相應的硬件模塊，對相應的軟件進行升級，使兩者最終融合到一起，成為一個統一的標準，以實現各種需求。3G網絡主要采用的是蜂窩組網技術，4G采用全數字全IP技術，支持分組交換，將WLAN、Bluetooth等局域網融入廣域網中。4G提高了智能天線的處理速度和效率，在TD-SCDMA 采用智能天線的基礎上，對相關的軟件和算法加以升級，增加一些接口協議來滿足4G的要求。

4G系統使用了許多新技術，包括超鏈接和特定無線網絡技術、動態自適應網絡技術、智能頻譜動態分配技術以及軟件無線電技術。在功率控制上，4G比3G要求更加嚴格，其目的是為了滿足高速通信的要求。在無線通信中，不僅頻率資源限制移動用戶信號的傳輸速率，而且基站和終端的發射功率也限制了用戶信號的傳輸速率。3G中采用切換技術來減少對其他小區的干擾，提高語音質量，而4G切換技術朝著軟切換和硬切換相結合的方向發展，并且4G還采用了正交頻分復用、智能天線（SA）與多入多出天線（MIMO）技術、軟件無線電技術三種技術，大大地拓寬了無線通信的技術發展空間。

5 衛星通信技術

衛星通信利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電波，進行兩個或多個地球站之間的通信。

衛星通信系統是由通信衛星和經該衛星連通的地球站組成。靜止通信衛星是目前全球衛星通信系統中最常用的星體，是將通信衛星發射到赤道上空 35860km的高度上，使衛星運轉方向與地球自轉方向一致，并使衛星的運轉周期正好等于地球的自轉周期（24小時），從而使衛星始終保持同步運行狀態，故靜止衛星也稱為同步衛星，其天線波束最大覆蓋面大于地球表面總面積的三分之一。因此，在靜止軌道上，只要等間隔地放置三顆通信衛星，其天線波束就能基本上覆蓋整個地球（除兩極地區外），實現全球范圍的通信。目前使用的國際通信衛星系統，就是按照上述原理建立起來的，三顆衛星分別位于大西洋、太平洋和印度洋上空。如圖4所示。

衛星通信與其他通信手段相比，具有許多優點：一是電波覆蓋面積大，通信距離遠，可實現多址通信。在衛星波束覆蓋區內一條的通信距離最遠為18000km，覆蓋區內的用戶通過通信衛星實現多址聯接，進行即時通信；二是傳輸頻帶寬，通信容量大。衛星通信一般使用1!10千兆赫的微波波段，有很寬的頻率范圍，可在兩點間提供幾百、幾千甚至上萬條話路，不僅能提供每秒幾十兆比特甚至每秒一百多兆比特的中高速數據通道，還能傳輸好幾路電視。三是通信穩定性好、質量高。衛星鏈路大部分是在大氣層以上的宇宙空間，屬恒參信道，傳輸損耗小、電波傳播穩定，不受通信兩點間的各種自然環境和人為因素影響，即便是在發生磁爆或核爆的情況下，也能維持正常的通信。

衛星傳輸的主要缺點是傳輸時延大，在打衛星電話時不能立刻聽到對方回話，需要間隔一段時間才能聽到。其主要原因是無線電波雖在自由空間的傳播速度等于光速（每秒30萬公里），但當它從地球站發往同步衛星，又從同步衛星發回接收地球站，這“一上一下”就需要走8萬多公里。打電話時，一問一答無線電波就要往返近16萬公里，需傳輸0.6s的時間。也就是說，在發話人說完0.6s以后才能聽到對方的回音，這種現象稱為“延遲效應”。由于“延遲效應”現象的存在，使得打衛星電話往往不像打地面長途電話那樣方便自如。

衛星通信是軍事通信的重要組成部分。目前，一些發達國家和軍事集團利用衛星通信系統完成的信息傳遞，約占其軍事通信總量的 80% 。

6 無線和有線的區別

數據的有線傳輸方式是通過銅纜和光纜建立起來的線路對數據進行傳輸。有限傳輸的瓶頸實際上是一種成本問題，而非技術障礙。帶寬不足可以通過用光纜代替銅制電纜來解決，一根光纜不夠則加上N根，其實質上只是成本問題，只要有足夠的資金就能解決有限傳輸中的帶寬不足問題。用戶多了或者每個用戶的帶寬量大了，則可以通過增加設備和對外鏈接帶寬的方式解決，多拉幾條對外的線路即可。在有線的世界里，若不論電信運營商的經營成本壓力，當帶寬不夠時可增加線路的方式來解決。無論是供應給終端用戶的帶寬，還是電信運營商本身擁有的總體帶寬，都是可以擴展的。

數據的無線傳輸方式在某一頻率范圍內通過無線點播的形式實現數據傳輸。然而，由于頻譜資源的天然限制，一個無線頻段里能傳輸的數據總量是固定的，一個電信運營商被分配到某個無線頻段而開始提供服務時，它擁有的帶寬總量幾乎已經固定，這就是頻譜的稀缺性。增加數據無線傳輸的物理帶寬只有兩種方法：一種是增加頻譜段，而這幾乎是不可能的，從其他的無線應用中調撥帶寬給無線互聯網使用，其資源也是有限的，何況其他的無線應用本身也隨著技術的進步而更需要服務的高品質和多樣性。另一種方法就是通過技術的提升，使其在同一頻譜內可以傳輸更多的數據。所以，數據的無線傳輸方式在帶寬上的擴展遇到的是技術障礙，需要用技術手段來解決。當技術的進步還無法滿足人們使用需求時，用再多的錢也解決不了頻率資源的問題。無線技術的進步具有不確定性，誰也無法預料在未來什么時候會出現什么新的技術來解決現在所面臨的問題。