第1章　移动通信技术的发展及5G标准

1.1　移动通信的发展历史

1.1.1　移动通信的发展

通信是衡量一个国家或地区经济文化发展水平的重要标志，对推动社会进步和人类文明的发展有着重大的影响。随着社会经济的发展，人类交往活动范围的不断扩大，人们迫切需要交往中的各种信息。这就需要移动通信系统来提供这种服务。移动通信系统由于综合利用了有线和无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上的对象进行通信联系的要求，使其成为20世纪70年代以来发展最快的通信领域之一。目前，我国的移动通信网络无论从网络规模还是用户总数上来说，都已跃居世界首位。

无线通信的发展历史可以上溯到19世纪80年代赫兹（Heinrich Hertz）所做的基础性实验，以及马可尼（Guglielmo Marconi）所做的研究工作。移动通信的始祖马可尼首先证明了在海上轮船之间进行通信的可行性。自从1897年马可尼在实验室证明了运动中无线通信的可应用性以来，人类就开始了对移动通信的兴趣和追求。也正是20世纪20年代末，奈奎斯特（Harry Nyquist）提出了著名的采样定理，成为人类迈向数字化时代的金钥匙。

移动通信是指通信双方或至少有一方处于运动中，在运动中进行信息交换的通信方式。移动通信的主要应用系统有无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信、海事卫星移动通信等。陆地蜂窝移动通信是当今移动通信发展的主流和热点。

众所周知，个人通信（Personal Communications）是人类通信的最高目标，是用各种可能的网络技术实现任何人（Whoever）在任何时间（Whenever）、任何地点（Wherever）与任何人（Whoever）进行任何种类（Whatever）的信息交换。个人通信的主要特点是每一个用户有一个属于个人的唯一通信号码。它取代了以设备为基础的传统通信号码。电信网能够随时跟踪用户并为其服务，不论被呼叫的用户在车上、船上、飞机上，还是在办公室里、家里、公园里，电信网都能根据呼叫人所拨的个人号码找到用户，然后接通电路提供通信，用户通信完全不受地理位置的限制。实现个人通信，必须要把以各种技术为基础的通信网组合到一起，把移动通信网和固定通信网结合在一起，把有线接入和无线接入结合到一起，才能综合成一个容量极大、无处不通的个人通信网，被称为“无缝网”，形成所谓万能个人通信网（UPT）。这是21世纪电信技术发展的重要目标之一。

移动通信是实现个人通信的必由之路。没有移动通信，个人通信的愿望是无法实现的。

1.1.2　第一代（1G）移动通信系统

D.H.Ring在1947年提出蜂窝通信的概念，在20世纪60年代对此进行了系统的实验。20世纪60年代末、70年代初开始出现了第一个蜂窝（Cellular）系统。蜂窝的意思是将一个大区域划分为几个小区（Cell），相邻的蜂窝区域使用不同的频率进行传输，以免产生相互干扰。

大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，解决了困扰移动通信的终端小型化和系统设计等关键问题，移动通信系统进入了蓬勃发展阶段。随着用户数量的急剧增加，传统的大区制移动通信系统很快就达到饱和状态，无法满足服务要求。针对这种情况，贝尔实验室提出了小区制的蜂窝式移动通信系统的解决方案，在1978年开发了AMPS（Advance Mobile Phone Service）系统。这是第一个真正意义上的具有随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。它结合频率复用技术，可以在整个服务覆盖区域内实现自动接入公用电话网络，与以前的系统相比，具有更大的容量和更好的话音质量。因此，蜂窝化的系统设计方案解决了公用移动通信系统的大容量要求和频谱资源受限的矛盾。欧洲也推出来了可向用户提供商业服务的通信系统TACS（Total Access Communication System）。其他通信系统还有法国的450系统和北欧国家的NMT-450（Nordic Mobile Telephone-450）系统。这些系统都是双工的FDMA模拟制式系统，被称为第一代蜂窝移动通信系统。这些系统提供相当好的质量和容量。在某些地区，它们取得了非常大的成功。

第一代系统所提供的基本业务是话音业务（Voice Communication）。在这项业务上，上面列出的各个系统都是十分成功的。其中的一些系统直到目前还仍在为用户提供第一代通信服务。

1.1.3　第二代（2G）移动通信系统

随着移动通信市场的迅速发展，对移动通信技术提出了更高的要求。由于模拟系统本身的缺陷，如频谱效率低、网络容量有限、保密性差、体制混杂、不能国际漫游、不能提供ISDN业务、设备成本高、手机体积大等，使模拟系统无法满足人们的需求。为此，在20世纪90年代初，开发出了基于数字通信的移动通信系统，即数字蜂窝移动通信系统——第二代移动通信系统。

数字技术最吸引人的优点之一是抗干扰能力和潜在的大容量。也就是说，它可以在环境恶劣和需求量更大的地区使用。随着数字信号处理和数字通信技术的发展，开始出现一些新的无线应用，如移动计算、移动传真、电子邮件、金融管理、移动商务等。在一定的带宽内，数字系统良好的抗干扰能力使第二代蜂窝系统具有比第一代蜂窝移动通信系统更大的通信容量，更高的服务质量。采用数字技术的系统具有下述特点。

（1）系统灵活性：由于各种功能模块，特别是数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等可编程数字单元的出现和成熟，使系统的编程控制能力和增加新功能的能力与模拟系统相比大大提高。

（2）高效的数字调制技术和低功耗系统：一方面，利用数字调制技术的系统，频谱利用率和灵活性等都超过了同类的模拟系统；另一方面，数字调制技术的采用，使系统的功率消耗降低，从而延长了电池的使用寿命。

（3）系统的有效容量：在这方面，模拟系统是无效的，比如在配置给AMPS的333个信道中，大约有21个用于呼叫接通。这21个信道降低了有效带宽系统的通信能力，通过数字技术，用于同步、导频、传输控制、质量控制、路由等的附加比特位大大降低。

（4）信源和信道编码技术：相比于有线通信，无线通信的频率资源是极其有限的。新一代的信源和信道编码技术不仅实现了数字语音和数据通信的综合，降低了单用户的带宽需要，使多个用户的语音信号复用到同一个载波上，并且改善了移动环境中信号传送的可靠性。如速率为13.2kbit/s的、应用于GSM系统的RPE-LTP（Regular Pulse Excited Long Term Prediction）语音压缩技术，速率为8kbit/s应用于IS-54系统的VSELP（Vector Sum Excited Linear Predictions）语音压缩技术，以及目前受到广泛重视的Turbo信道编码技术等，不仅提高了频谱效率，也增强了系统的抗干扰能力。

（5）抗干扰能力：数字系统不仅有更好的抗同信道干扰（CCI）和邻信道干扰（ACI）能力，而且有更好的对抗外来干扰能力。同时，采用数字技术的系统可利用比特交织、信道编码、编码调制等技术进一步提高系统的可靠性和抗干扰能力。这也是第二代、第三代和第四代蜂窝移动通信系统采用数字技术的重要原因之一。由于数字系统有可能在很高CCI和ACI的环境中工作，设计者可利用这个特征降低蜂窝尺寸，减少信道组的复用距离，减少复用组的数量，大大提高系统的通信容量。

（6）灵活的带宽配置：由于模拟系统不允许用户改变带宽以满足对通信的特殊要求，因而对于一个预先固定带宽的通信系统，频谱的利用率可能不是最有效的。从原理上讲，数字系统有能力比较容易灵活地配置带宽，从而提高利用率。灵活的带宽配置虽未在第二代系统中得以充分体现，但它是采用数字技术的又一大优点。

（7）新的服务项目：数字系统可以实现模拟系统不能实现的新服务项目，比如鉴权、短消息、WWW浏览、数据服务、语音和数据的保密编码，以及增加综合业务（ISDN）、宽带综合业务（B-ISDN）等新业务（这些应用在第二代移动通信系统中未能全部直接实现）。

（8）接入和切换的能力和效率：对于固定数量的频谱资源，蜂窝系统通信容量的增加意味着相应蜂窝尺寸的减小，同时意味着更为频繁的切换和信令活动。基站将处理更多的接入请求和漫游注册。

由于数字系统具有上述优点，所以第二代移动通信系统采用数字方式，被称为第二代数字移动通信系统。

在第一代移动通信系统中，欧洲国家使用的制式各不相同，技术上也不占有很大优势，并且不能互相漫游。因此在开发第二代数字蜂窝通信系统时，欧洲联合起来研制泛欧洲的移动通信标准，提高竞争优势。为了建立一个全欧统一的数字蜂窝移动通信系统，1982年，欧洲有关主管部门会议（CEPT）设立了移动通信特别小组（Group Special Mobile，GSM）协调推动第二代数字蜂窝通信系统的研发，在1988年提出主要建议和标准，1991年7月双工TDMA制式的GSM数字蜂窝通信系统开始投入商用。它拥有更大的容量和良好的服务质量。美国也制定了基于TDMA的DAMPS、IS-54、IS-136标准的数字网络。

美国的Qualcomm公司提出一种采用码分多址（CDMA）方式的数字蜂窝通信系统的技术方案，成为IS-95标准，在技术上有许多独特之处和优势。

日本也开发了个人数字系统（PDC）和个人手持电话系统（PHS）技术。第二代移动通信系统使用数字技术，提供话音业务、低比特率数据业务以及其他补充业务。GSM是当今世界范围内普及最广的移动无线标准。

1993年，我国第一个全数字移动电话系统（GSM）建成开通。现在，我国主要使用的移动通信网络有GSM和CDMA两种系统。

在市场方面，主要有三种技术标准获得较为广泛的应用，即主要应用于欧洲和世界各地的GSM、北美的IS-136和日本的JDC（Japanese Digital Cellular）或PDC（Pacific Digital Cellular）。第二代无绳电话标准有CT-2和DECT（Digital European Cordless Telecommunications）。

1.1.4　第三代（3G）移动通信系统

由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现最初的目标，比如统一的全球标准；同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求愈来愈高，几千比特每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传输的需要，一些新的技术，如IP等不能有效地实现。这些需求是高速率移动通信系统发展的市场动力。在此情况下，具有9～150kbit/s传输能力的通用分组无线业务（General Packet Radio Services，GPRS）系统和其他系统开始出现，并成为向第三代移动通信系统过渡的中间技术。

第二代系统没有达到的主要目标包括以下几个方面：

（1）没有形成全球统一的标准系统。在第二代移动通信系统发展的过程中，欧洲建立了以TDMA为基础的GSM系统；日本建立了以TDMA为基础的JDC系统；美国建立了以模拟FDMA和数字TDMA为基础的IS-136混合系统，以及以N-CDMA为基础的IS-95系统。

（2）业务单一。第二代移动通信系统主要是语音服务，只能传送简短的消息。

（3）无法实现全球漫游。由于标准分散和经济保护，全球统一和全球漫游无法实现，因此无法通过规模效应降低系统的运营成本。

（4）通信容量不足。在900MHz频段，包括后来扩充到1800MHz频段以后，系统的通信容量依然不能满足市场的需要。随着用户数量的上升，网络未接通率和通话中断率开始增加。

第二代移动通信系统是主要针对传统的话音和低速率数据业务的系统。而“信息社会”所需的图像、话音、数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务量超过传统话音业务的业务量。

第三代移动通信系统需要有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输的能力，除了话音和数据传输外，还能传送高达2Mbit/s的高质量活动图像，真正实现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人”都能便利通信这个目标。

在第三代移动通信系统中，CDMA是主流的多址接入技术。CDMA通信系统使用扩频通信技术。扩频通信技术在军用通信中已有半个多世纪的历史，主要用于两个目的：对抗外来强干扰和保密。因此，CDMA通信技术具有许多技术上的优点：抗多径衰减、软容量、软切换。其系统容量比GSM系统大，采用话音激活、分集接收和智能天线技术可以进一步提高系统容量。

由于CDMA通信技术具有上述技术优势，因此第三代移动通信系统主要采用宽带CDMA技术。现在第三代移动通信系统的无线传输技术主要有三种：欧洲和日本提出的WCDMA技术、北美提出的基于IS-95 CDMA系统的cdma2000技术，以及我国提出的具有自己知识产权的TD-SCDMA系统。后来W iMAX也成为3G标准。

IMT-2000是自20世纪90年代初期数字通信系统出现以来，移动通信取得的最令人鼓舞的发展。它也代表了在20世纪过去的10年，ITU所取得的最重要的成就之一。

第三代移动通信系统的重要技术包括地址码的选择、功率控制技术、软切换技术、RAKE接收技术、高效的信道编译码技术、分集技术、QCELP编码和话音激活技术、多速率自适应检测技术、多用户检测和干扰消除技术、软件无线电技术和智能天线技术。

1.1.5　第四代LTE移动通信系统

第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准拥有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集和远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入的IP系统。4G能够以100Mbit/s以上的速率下载，能够满足几乎所有用户对无线服务的要求。通信制式的演进如图1.1所示。

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多TSG RAN#26会议上正式立项并启动。LTE系统引入OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20MHz带宽，2×2 MIMO，在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbit/s，除去信令开销后，大概为140Mbit/s，但根据实际组网情况以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbit/s，上行为50Mbit/s），并支持多种带宽分配1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等，支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化、简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。LTE系统有两种制式：LTE FDD和TDLTE，即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统。两者技术的主要区别在于空中接口的物理层上（如帧结构、时分设计、同步等）。LTE FDD系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据；TD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输。相对于FDD双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。

LTE的演进可分为LTE、LTE-A、LTE-A Pro三个阶段，分别对应3GPP标准的R8～R14版本，如图1.2所示。LTE阶段实际上并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通信标准IMT-Advanced，在严格意义上还未达到4G的标准，准确来说，应该称为3.9G，只有升级版的LTE-Advanced（LTE-A）才满足国际电信联盟对4G的要求，是真正的4G阶段，也是后4G网络的演进阶段。

R10是LTE-A的首个版本，于2011年3月完成标准化。R10最大支持100MHz的带宽，8×8天线配置，峰值吞吐量提高到1Gbit/s。R10引入了载波聚合、中继（Relay）、异构网干扰消除等新技术，增强了多天线技术，相比LTE进一步提升了系统性能。

R11增强了载波聚合技术，采用协作多点传输（CoMP）技术，并设计新的控制信道ePDCCH。其中，CoMP通过同小区不同扇区间协调调度或多个扇区协同传输提高系统的吞吐量，尤其对提升小区边缘用户的吞吐量效果明显；ePDCCH实现了更高的多天线传输增益，并降低了异构网络中控制信道间的干扰。R11通过增强载波聚合技术，支持时隙配置不同的多个TDD载波间的聚合。

R12被称为Small Cell，采用的关键技术包括256QAM、小区快速开关和小区发现、基于空中接口的基站间同步增强、宏微融合的双连接技术、业务自适应的TDD动态时隙配置、D2D等。

R13主要关注垂直赋形和全维MIMO传输技术、LTE许可频谱辅助接入（LAA）以及物联网优化等内容。

CRAN是4G网络中的热点技术。其主要原理是将传统的BBU信号处理资源转化为可动态共享的信号处理资源池，在更大的范围内实现蜂窝网络小区处理能力的即取即用和虚拟化管理，从而提高网络协同能力，大幅降低网络设备成本，提高频谱利用率和网络容量。

当前，CRAN还面临一些技术挑战，包括基带池集中处理性能、集中基带池与射频远端的信号传输问题、通用处理器性能功耗比、软基带处理时延等问题。

LTE系统采用全IP的EPC网络，相比于3G网络更加扁平化，简化了网络协议，降低业务时延，由分组域和IMS网络给用户提供话音业务；支持3GPP系统接入，也支持CDMA、WLAN等非3GPP网络接入。

面对OTT的挑战，灵活开放的网络架构、低成本建网和海量业务提供能力，以及快速业务部署能力，成为4G核心网发展的重要趋势。

现有的EPC核心网架构主要面向传统的语音和数据业务模型，对新的OTT业务、物联网业务等难以适配。另外，EPC网元没有全局的网络和用户信息，无法对网络进行动态的智能调整或快速的业务部署。未来的新型网络技术——软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络虚拟化（NFV）等与4G核心网融合，将满足移动核心网络发展的新需求。

LTE的核心技术主要包括OFDM、MIMO、调制与编码技术、高性能接收机、智能天线技术、软件无线电技术、基于IP的核心网和多用户检测技术等。

OFDM：OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。其主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高。

MIMO：MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术。它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。例如，当接收天线和发射天线的数目都为8根，且平均信噪比为20dB时，链路容量可以高达42bit/s/Hz。这是单天线系统所能达到容量的40多倍。因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集复用技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MIMO系统已经体现出优越性，也会在4G移动通信系统中继续应用。

调制与编码技术：4G移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案（如Turbo码、级联码和LDPC等）、自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术等，从而在低E b/N0条件下保证系统的性能。

高性能接收机：4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。香农定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照香农定理，根据相关计算，对于3G系统，如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mbit/s，则所需的SNR为1.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mbit/s的数据，则所需要的SNR为12dB。由此可见，对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。

智能天线技术：智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

软件无线电技术：软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A转换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件来实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。

基于IP的核心网：移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络。同已有的移动网络相比，其优点是可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络（CN）协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

多用户检测技术：多用户检测是宽带通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性。这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差。多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出，在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。

自1980年第一代移动通信技术商用至今，通信技术已经经历了4代的发展，表1.1详细描述了通信技术的发展历程及特征。未来的5G网络将实现万物互联，可提供更大的容量、更高的系统速率、更低的系统时延和可靠的连接。