智慧城市的支撑技术——通信技术

文│ 北京邮电大学 芦效峰

中国电信昆山分公司 景培荣

智慧城市的支撑技术
——通信技术

文│ 北京邮电大学 芦效峰

中国电信昆山分公司 景培荣

城市智慧化的基本方法与技术使智慧城市成为现实具备了可能。前沿的科技处于不断的研发与升级中，未来智慧城市的建设还将整合非信息、通信相关的技术，如生物科技与基因科技 ，但就目前而言，我们认为建设智慧城市的必要支撑技术主要包括通信技术、云计算技术、物联网技术、软件工程、GIS技术、建筑信息模型（BIM）、信息安全技术等，如图1所示。

1 现状

网络技术的不断发展，提供给人们的服务越来越多，在线服务代替桌面服务已经成为一种趋势，人们可以通过网络进行数据存储和运算、收看高质量的视频等。据部分地区的带宽占用情况统计，白天P2P下载几乎占用了总带宽的60%!80%，夜间P2P下载所占用的带宽高达80%!90%。对于用户来说，网络的带宽越宽，使用起来就越方便。人们在享受这些网络服务的同时，也对网络提出了更高的要求。

传统的计算机网络时代是以有线传输方式为主的互联网，数据信号是通过电缆或者光缆来传输的，而今到了手机网络时代，数据信号传输则以无线移动传输为主。无线数据传输是在一定范围的频谱段资源内，完成整个手机网络时代所有的无线数据传输任务。

数据的无线传输与有线传输在方式上有着本质的区别。数据的无线传输受限于频谱，因为用于数据无线传输的频谱段资源是有限的，所以不能像有线传输那样无限制增加。随着无线网络应用的快速发展，这一矛盾开始显现，并且日趋严重。可以预见，未来有一天现有的频谱段将无法承载无线传输所需的数据量。

2 光纤通信

光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命，近几年来随着技术的进步，电信管制体制的改革以及电信市场逐步地全面开放，特别是IP的爆炸式发展对带宽所带来的巨大需求，光纤通信又一次呈现出蓬勃发展的新局面，成为近几年来发展速度最快的技术。

随着光纤通信技术的发展，业务种类的不断增加，逐渐适用于电路交换方式的PDH设备因为其固有的缺点已逐步淡出通信网，仅在一些小的通信场所应用，而SDH设备则大规模应用于骨干网和城域网。

除了核心网的应用外，目前的市场对带宽和技术的需求都已表现出把SDH技术引入接入网领域的必要，使SDH的功能和接口尽可能地接近用户。SDH固有的灵活性可使网络运营者能够更快、更有效地满足用户的业务需求以及组网需要。特别是在发展极其迅速的蜂窝通信系统中，采用SDH系统尤其合适，它可以迅速灵活地提供所需的2Mbps透明通道。因而，接入网的传输体制也开始呈现出向SDH汇聚的发展趋势。图2所示为一个SDH网络结构。

和普通电缆相比，光纤电缆有着天然的优势与特点：

◆ 通信容量大、传输距离远；

◆ 信号干扰小、保密性能好；

◆ 抗电磁干扰、传输质量佳，电缆通信无法解决所有的电磁干扰问题，唯有光纤通信能不受各种电磁干扰；

◆ 光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输；

◆ 材料来源丰富，节约有色金属铜，有利于环境保护；

◆ 传输的光波不能跑出光纤以外，无辐射，防窃听；

◆ 光缆适应性强，寿命长。

缺点：

◆ 纤芯质地脆，机械强度差；

◆ 光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术；

◆ 分路、耦合不灵活；

◆ 光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm）；

◆ 有供电困难问题。

光纤通信广泛采用了光复用技术，以充分利用光纤带宽资源。提升通信容量主要有两种方法：一是提高通信速率。通信速率的提高可以使系统在有限的时间内传输更多的信息，从而缓解通信业务量大的压力。但是由于受到电子器件响应速度的限制，通信速率不能无限地提高，目前通信速率超过40Gbps的系统就很难实现。二是利用光复用技术进行扩容，这是光纤通信系统扩大通信容量的较好方法，它对于降低成本、满足各种宽带业务量、交互性和灵活性的要求具有重大的意义。

光域是直接将输入的光信号交换到不同输出端的光交换技术，这是全新的交换技术，它具有高速、宽带和无电磁感应的优点。它与光纤传输技术相融合可形成全光通信网络，已成为未来通信的发展方向。现有的光交换单元要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。但随着光器件技术的发展，光交换技术也将发展为光控光交换，即光逻辑控制技术。

光交换技术可分成光路光交换和分组光交换两种类型。光路光交换技术主要包括光时分交换技术、光空分交换技术、光波分交换技术、复合型光交换技术和自由空间光交换技术。分组光交换技术包括光分组交换（OPS）技术、光突发（OBS）技术、光标记分组交换（OMPLS）技术和光子时隙路由（PSR）技术等。分组光交换技术是研究的重点，该技术可确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。

3 3G通信技术

3G是第三代移动通信技术（3rd-Generation）的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G服务能够同时传送声音（通话）及数据信息（电子邮件、即时通信等），代表特征是提供高速的数据业务。

3G早在2007年已在国外使用，而我国也于2008年成功开发了中国3G，下行速度峰值理论可达3.6Mbps，上行速度峰值也可达384kbps。

相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代 GSM、CDMA等数字手机（2G），第三代手机（3G）一般是将无线通信与国际互联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统。1995年问世的第一代手机只能进行语音通话；1996!1997 年出现的第二代数字手机便增加了接收数据的功能，如接受电子邮件或网页。3G与2G的主要区别是在传输声音和数据速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并具备处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式的功能，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时第二代系统具有良好的兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，即在室内、室外和行车的环境中，能够分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速度。

目前国内不支持除GSM和CDMA以外的网络，GSM设备采用的是频分多址，而CDMA使用码分扩频技术，其功率和语音激活至少可提供大于3倍GSM的网络容量，业界将CDMA技术作为 3G的主流技术，国内CDMA可以平稳过渡到3G网络。国际电信联盟确定三个3G的无线接口标准，分别是 W-CDMA（欧洲版）、CDMA2000（美国版）和TD-SCDMA（中国版）。

国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定 W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX四大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通讯计划》（简称 IMT—2000）。CDMA是 Code Division Multiple Access（码分多址）的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，主要缺点是频谱利用率低，信令干扰语音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但 TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。下面对3G的几种标准做一简要介绍。如图3所示。

（1）W-CDMA

W-CDMA全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术标准，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前也正在进一步融合。其支持者主要是以GSM系统为主的厂商，欧美的有爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电等，日本的有NTT、富士通、夏普等厂商。该系统能够架设在现有的GSM网络上，对于运营商而言可较轻易地过渡，而在GSM系统相当普及的亚洲，对这套新技术的接受度预计会相当高，因此W-CDMA具有先天的市场优势。该标准提出了GSM（2G）-GPRS-EDGE-W-CDMA（3G）的演进策略，其中GPRS是通用分组无线业务 （General Packet Radio Service）的简称，EDGE是增强数据速率的GSM演进 （Enhanced Data rate for GSM Evolution）的简称，这两种技术又被称为2.5代移动通信技术。

（2）CDMA2000

CDMA2000是由窄带CDMA（CDMAIS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。该标准提出了从CDMAIS95（2G）-CDMA20001x -CDMA20003x（3G）的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术，CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMAIS95网络。

（3）TD-SCDMA

全称为时分同步（Time Division-Synchronous，TD）CDMA，该标准是由中国大陆独立制定的3G标准，由我国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）于1999年6月29日向ITU提出。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先的技术融于其中，在频谱利用率、业务支持灵活性、频率灵活性及成本等方面有独特优势。另外，由于国内庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商已宣布可以支持TD-SCDMA标准。该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。

（4）WiMAX

WiMAX的全名是微波存取全球互通（World wide Interoperability for Microwave Access），又称为802.16无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合，此设备成本较低，可将扩大无线宽带市场，提高企业与服务供应商的认知度。2007年10月19日，国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数国家投票通过，WiMAX正式被批准成为继W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后的第四个全球3G标准。

4 4G通信技术

4G是第四代移动通信及其技术的简称，它集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量的视频图像。由于4G的图像传输质量与高清晰度的电视不相上下，所以将是一个比3G更完美的无线通信世界，能创造出许多消费者难以想象的应用。

4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，能够满足所有用户对于无线服务的要求。4G手机可以提供高性能的流媒体内容，并可以通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备，能够接受高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信新基础设施中的一个纽带。而且在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而计费方式更加灵活机动，用户可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G具有不可比拟的优越性。

4G与3G的技术对比有着明显的差别。3G的关键技术是CDMA技术，而4G采用的是OFDM技术。OFDM可以提高频谱利用率，能够克服CDMA在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题。在软件无线电方面，4G对3G中的软件无线电技术进行升级，以满足4G中无线接入多样化的要求，解决3G中无线接入标准不统一的问题。同时在4G中，实现了软切换和硬切换的相结合，在3G中软件无线电基础上通过增加相应的硬件模块，对相应的软件进行升级，使两者最终融合到一起，成为一个统一的标准，以实现各种需求。3G网络主要采用的是蜂窝组网技术，4G采用全数字全IP技术，支持分组交换，将WLAN、Bluetooth等局域网融入广域网中。4G提高了智能天线的处理速度和效率，在TD-SCDMA 采用智能天线的基础上，对相关的软件和算法加以升级，增加一些接口协议来满足4G的要求。

4G系统使用了许多新技术，包括超链接和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术。在功率控制上，4G比3G要求更加严格，其目的是为了满足高速通信的要求。在无线通信中，不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率，而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。3G中采用切换技术来减少对其他小区的干扰，提高语音质量，而4G切换技术朝着软切换和硬切换相结合的方向发展，并且4G还采用了正交频分复用、智能天线（SA）与多入多出天线（MIMO）技术、软件无线电技术三种技术，大大地拓宽了无线通信的技术发展空间。

5 卫星通信技术

卫星通信利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，进行两个或多个地球站之间的通信。

卫星通信系统是由通信卫星和经该卫星连通的地球站组成。静止通信卫星是目前全球卫星通信系统中最常用的星体，是将通信卫星发射到赤道上空 35860km的高度上，使卫星运转方向与地球自转方向一致，并使卫星的运转周期正好等于地球的自转周期（24小时），从而使卫星始终保持同步运行状态，故静止卫星也称为同步卫星，其天线波束最大覆盖面大于地球表面总面积的三分之一。因此，在静止轨道上，只要等间隔地放置三颗通信卫星，其天线波束就能基本上覆盖整个地球（除两极地区外），实现全球范围的通信。目前使用的国际通信卫星系统，就是按照上述原理建立起来的，三颗卫星分别位于大西洋、太平洋和印度洋上空。如图4所示。

卫星通信与其他通信手段相比，具有许多优点：一是电波覆盖面积大，通信距离远，可实现多址通信。在卫星波束覆盖区内一条的通信距离最远为18000km，覆盖区内的用户通过通信卫星实现多址联接，进行即时通信；二是传输频带宽，通信容量大。卫星通信一般使用1!10千兆赫的微波波段，有很宽的频率范围，可在两点间提供几百、几千甚至上万条话路，不仅能提供每秒几十兆比特甚至每秒一百多兆比特的中高速数据通道，还能传输好几路电视。三是通信稳定性好、质量高。卫星链路大部分是在大气层以上的宇宙空间，属恒参信道，传输损耗小、电波传播稳定，不受通信两点间的各种自然环境和人为因素影响，即便是在发生磁爆或核爆的情况下，也能维持正常的通信。

卫星传输的主要缺点是传输时延大，在打卫星电话时不能立刻听到对方回话，需要间隔一段时间才能听到。其主要原因是无线电波虽在自由空间的传播速度等于光速（每秒30万公里），但当它从地球站发往同步卫星，又从同步卫星发回接收地球站，这“一上一下”就需要走8万多公里。打电话时，一问一答无线电波就要往返近16万公里，需传输0.6s的时间。也就是说，在发话人说完0.6s以后才能听到对方的回音，这种现象称为“延迟效应”。由于“延迟效应”现象的存在，使得打卫星电话往往不像打地面长途电话那样方便自如。

卫星通信是军事通信的重要组成部分。目前，一些发达国家和军事集团利用卫星通信系统完成的信息传递，约占其军事通信总量的 80% 。

6 无线和有线的区别

数据的有线传输方式是通过铜缆和光缆建立起来的线路对数据进行传输。有限传输的瓶颈实际上是一种成本问题，而非技术障碍。带宽不足可以通过用光缆代替铜制电缆来解决，一根光缆不够则加上N根，其实质上只是成本问题，只要有足够的资金就能解决有限传输中的带宽不足问题。用户多了或者每个用户的带宽量大了，则可以通过增加设备和对外链接带宽的方式解决，多拉几条对外的线路即可。在有线的世界里，若不论电信运营商的经营成本压力，当带宽不够时可增加线路的方式来解决。无论是供应给终端用户的带宽，还是电信运营商本身拥有的总体带宽，都是可以扩展的。

数据的无线传输方式在某一频率范围内通过无线点播的形式实现数据传输。然而，由于频谱资源的天然限制，一个无线频段里能传输的数据总量是固定的，一个电信运营商被分配到某个无线频段而开始提供服务时，它拥有的带宽总量几乎已经固定，这就是频谱的稀缺性。增加数据无线传输的物理带宽只有两种方法：一种是增加频谱段，而这几乎是不可能的，从其他的无线应用中调拨带宽给无线互联网使用，其资源也是有限的，何况其他的无线应用本身也随着技术的进步而更需要服务的高品质和多样性。另一种方法就是通过技术的提升，使其在同一频谱内可以传输更多的数据。所以，数据的无线传输方式在带宽上的扩展遇到的是技术障碍，需要用技术手段来解决。当技术的进步还无法满足人们使用需求时，用再多的钱也解决不了频率资源的问题。无线技术的进步具有不确定性，谁也无法预料在未来什么时候会出现什么新的技术来解决现在所面临的问题。