第1章 概述

1.1 移动通信技术发展历程

19世纪30年代有线电报试验成功，用电磁系统传递信息的电信系统开始迅速发展；1872年贝尔发明电话，将人类社会带入电信时代；1898年，马可尼拍发了第一封收费电报，标志着无线电通信进入实用阶段。虽然承载信息的Morse码本质上属于数字信号的形式，但自那以后的近百年中，数字通信发展缓慢，以电话、广播、电视为代表的模拟制的通信形式占据了统治地位。

通过有线信道传输的信号稳定，干扰与失真较小，但是由于通信设备必须连接在固定的线路上，通信形式不够灵活，难以满足众多场景下的通信需求。而无线通信利用电磁波传递信息，通信双方无需拘泥于固定的地点，是实现个人通信的最佳选择，因此逐渐成为研究与应用的重点。

移动通信在20世纪中期已现雏形，主要应用于军事或特种领域，当时移动通信的工具包括步话机、对讲机等，其不仅体积很大而且很重，携带不方便。近几十年来，无线通信技术在民用领域发展迅速，先后出现了蜂窝移动通信、微波通信、卫星通信、固定宽带无线接入、802.x系列无线接入等技术。其中蜂窝移动通信的出现更是改变了全球数十亿人的生活方式，它的发展先后经历了模拟移动通信、数字移动通信、第三代移动通信（3G）以及第四代移动通信（4G）阶段，目前4G的商用网络在部分国家已经投入使用。

（1）第一代移动通信系统（1G）

第一代蜂窝移动电话系统是模拟蜂窝移动电话系统，主要特征是用无线信道传输模拟信号，美国、英国和日本都先后开发了各自的系统。

随着对电磁波研究的深入、大规模集成电路的问世，移动电话首先被制造出来，移动终端设备的研制成功带动了对网络结构的探索。20世纪70年代初，贝尔实验室提出了蜂窝系统覆盖小区的概念和相关理论，随即该系统得到了迅速发展，很快进入了商用阶段，移动通信跨入了第一代模拟蜂窝移动电话系统的时代。

1978年年底，贝尔实验室又成功研制出了先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1983年，该系统首次在芝加哥投入商用。同年12月，在华盛顿也开始商用。随后，服务范围在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区，约10万用户。其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出800MHz汽车电话系统（HAMTS），在东京、大阪、神户等地商用。原西德于1984年完成C网，频段为450MHz。英国在1985年开发出全接入通信系统（TACS），首先在伦敦投入使用，以后瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网并投入使用，频段为450MHz。

（2）第二代移动通信系统（2G）

第一代模拟通信系统解决了移动通信系统的有无问题，但他们的各种缺点也在应用中不断显露出来，包括系统间没有公共接口、难以互通，频谱利用率低、系统容量小，安全性差、容易被窃听等。

为克服模拟通信的上述缺点，引入了数字技术的数字蜂窝移动通信系统在20世纪八九十年代得到了长足的发展，称之为第二代移动通信系统。2G系统提供更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游。2G系统的制式主要有GSM、CDMA（IS-95）、D-AMPS等，其中GSM与CDMA系统应用最广泛。

（3）第三代移动通信系统

第三代移动通信系统（3G）的技术发展和商用进程是近年来全球移动通信产业领域关注的热点问题之一。

3G在ITU的正式名称是IMT-2000，其前身为1985年提出的FPLMTS（未来公共陆地移动通信系统）。ITU在1996年年底确定了第三代移动通信系统的基本框架，包括业务需求、工作频带、网络过渡要求和无线传输技术的评估方法等，并将FPLMTS更名为IMT-2000，其用意在于希望在2000年左右商用、最高速率达2000kbit/s、工作在2000MHz频段。

经过融合和发展，形成了3种最具代表性的3G技术标准，分别是TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000。其中TD-SCDMA属于时分双工（TDD）模式，是由中国提出的3G技术标准；而WCDMA和cdma2000属于频分双工（FDD）模式。

在3G的商用发展过程中，又发展出两大标准化论坛：一个是推广WCDMA和TD-SCDMA标准的3GPP标准化论坛，另外一个是推广cdma2000标准的3GPP2论坛。

（4）第四代移动通信系统

为了应对宽带接入技术的挑战，满足新型业务需求，保持在移动通信领域的技术及标准优势，3GPP规范不断增添新特性来增强自身能力。

在2004年11月魁北克会议上，3GPP决定启动UTRAN系统的长期演进——LTE研究项目。LTE是定位于3G与第四代移动通信系统（4G）之间的一种技术标准，致力于填补这两代标准间存在的巨大技术差异，希望使用已分配给3G的频谱，保持无线频谱资源的优势，同时解决3G中存在的专利过分集中的问题。世界主要的运营商和设备厂家通过会议、邮件讨论等方式，开始形成对LTE系统的初步需求，确定的工作目标如下。

• 使用5MHz或者更宽频谱分配时，无线网络用户面的时延应低于5ms。而使用更小的频谱分配，时延应低于10ms。

• 减小控制面时延。

• 灵活的带宽分配，最高可达20MHz。使用的带宽可以更小，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz和15MHz。

• 下行链路的峰值数据速率可达到100Mbit/s。

• 上行链路的峰值数据速率可达到50Mbit/s。

• 频谱利用率是HSDPA/HSUPA的2～3倍。

• 改善位于小区边缘用户的数据速率。

• 可以只支持PS域。

2008年年底，3GPP发布了LTE标准的基础版本R8（Release 8），该版本主要开展了两项非常重要的演进标准化项目——LTE和SAE，具体研究和标准化的内容包括：

• 第三代移动通信系统（3G）长期演进（LTE）；

• 3G系统架构演进（SAE）；

• LTE和3GPP2、WiMAX系统之间改进的网络控制移动性研究；

• 用于FDD HSDPA的64QAM与MIMO的合并使用；

• LTE和WLAN之间互操作和移动性的可行性研究；

• UMTS与GSM系统中的机器间通信（M2M, Machine-to-Machine Communications）等。

2009年年底，3GPP发布了LTE的增强版本R9。R9在R8的基础上主要增加了基于LTE的定位技术和双流波束赋形技术以及广播/多播服务、配置服务等。

2011年3月，3GPP完成了包括LTE FDD和TD-LTE在内的长期演进版本R10，即LTE-Advanced，该版本主要增加了增强的小区间干扰协调、增强的上下行MIMO、无线中继、载波聚合等新功能。

2010年12月，3GPP开始了LTE-Advanced R11版的制订工作。R11版是对R10版的增强，主要是进一步完善CoMP、跨频段的载波聚合、下行控制信道增强等功能。到2012年9月，3GPP完成了R11版的制定，进入了R12版制订周期。相对于仅作为R10版本增强的R11版，R12版将是一个里程碑版本。除了进一步增强现有版本的网络性能外，在R12版中更提出了针对热点/室内覆盖的LTE-Hi（LTE Hotspot/indoor）技术，以应对移动宽带数据业务的爆炸性增长。

与3GPP在3G时代的标准制定上类似，LTE也同时定义了LTE FDD和TD-LTE两种方式。其中FDD为频分双工机制，也就是采用成对的频谱来划分上、下行通道；TDD为时分双工机制，通过时钟同步把通道划分为不同的时隙来区分上、下行通道，和计算机内部的总线工作方式相似。