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1.1 前几代移动通信的演进

1968年AT&T贝尔实验室提出蜂窝小区的概念,开启了人类进入移动通信的时代。蜂窝小区的思想源于自然界的蜂巢,多个正六边形的小区构成一片连续的区域,小区之间能够复用频率,缓解了频谱资源的限制,并且实现了无缝隙的覆盖(至少从几何意义上讲)。在之后的50多年里,移动通信的发展一直保持着较为迅猛的速度,在各项关键性能指标上,如峰值速率、频谱效率、用户体验速率、系统容量、连接终端数等都有跨越式的增加,已经历了五代的演进,如表1-1所示。

表1-1 前几代移动通信空口技术演进

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第一代移动通信空口采用的是频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA),仅支持语音服务。每个终端的无线资源按固定频率划分,采用模拟幅度调制(Amplitude Modulation,AM),对发射功率的控制较松,所以系统的频谱效率十分低下。以北美的制式为例,每条通道单独要占30 kHz带宽,通话容量受限。另外,模拟器件不容易集成,终端的硬件成本高,体积大,只有少数的高端客户拥有。

第二代移动通信空口以时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)为主,主要业务是语音通信,TDMA中商业上最成功的制式是欧盟主导制定的全球移动通信系统(Global System of Mobile communications,GSM)标准。GSM将频谱资源划分成若干个200 kHz频带,每个频带中的不同终端按照时隙轮流得到服务。为有效控制小区间干扰,保证小区边缘的通话性能,GSM通常将相邻的7个或11个小区组成一簇,簇内各小区的频率不能复用。在信号处理方面,模拟语音信号经过信源压缩变成数字信号,然后采用数字调制、纠错编码。通过采取信源压缩、编码保护,以及功率控制,GSM的传输效率和系统容量比第一代移动通信有了较大的提高。GSM的信道编码主要采用分组码和卷积码,算法复杂度较低。在第二代移动通信的后期出现另一种制式:高通(Qualcomm)的IS-95,主要在北美部署。IS-95是第一个使用码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)的直接频谱扩展(Direct Spread Spectrum)的商用标准,可以被看作第三代移动通信的前奏。

第三代移动通信的空口广泛采用码分多址,扩展码之间的抗干扰能力使得相邻小区可以完全复用频率,从而大大提高整个系统的容量。第三代移动通信有两大标准:cdma2000/EV-DO 和UMTS/HSPA 。cdma2000/EV-DO主要在北美、韩国和中国等国家和地区部署,载波频带宽度为1.25 MHz,相应的国际标准组织是第三代合作伙伴计划2(3rd Generation Partnership Project 2,3GPP2)。UMTS/HSPA的国际标准组织是第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP),在世界范围内得到了更广泛的部署,其载波带宽为5 MHz,所以又称宽带码分多址(Wideband CDMA,WCDMA)。在2004年前后,为支持更高速率的数据业务,CDMA和UMTS各自演进成为演化数据优化(Evolution Data Optimized,EV-DO)和高速分组接入(High Speed Packet Access,HSPA),它们都采用较短的时隙,融入了时分复用 技术。另外,第三代移动通信还有一套部署范围相对局限的标准——时分同步码分多址(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access,TD-SCDMA),属于3GPP标准的一部分。TD-SCDMA在中国得到大规模的部署。

3G的码分多址系统使用了软频率复用和快速功率控制,并将Turbo码首次用于主流的移动通信协议,这些都大大提高了系统的容量。Turbo码于1993年提出,使得单链路性能逼近香农极限容量。在短短几年间,Turbo码得到广泛应用,并激发了对随机编码和迭代译码的研究热潮。

第四代移动通信的空口主要是正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA),4G的带宽至少是20 MHz,远大于3G的带宽。大带宽在时域上对应更密的采样,在传播信道上的体现是更显著的多径衰落。如果仍采用CDMA,将会产生严重的多径干扰,尤其当扩展因子不高时(传输速率与扩展因子成反比,高速率传输的扩展因子不能很高)。尽管这种干扰可以通过先进接收机来抑制,但大大增加了系统的复杂度。而正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)将频带划分成多个正交的子载波(Subcarrier),每个子载波的信道相对平坦,接收机的复杂度可以大幅度降低,这也极大地促进了多天线多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术在大带宽系统中的广泛应用,无须配备复杂的MIMO接收机,这些都对系统容量的提升起到了重要作用。

第四代移动通信在发展之初有三大标准并行:超移动带宽(Ultra Mobile Broadband,UMB)、全球微波接入互操作性(World Interoperability for Microwave Access,WiMAX)和长期演进(Long Term Evolution,LTE)。UMB最初在IEEE 802.20中研究制定,主导公司包括高通(Qualcomm)、朗讯科技(Lucent Technologies)、北电(Nortel)和三星(Samsung),之后转入3GPP2,并于2007年年底完成第一版协议。但由于美国、日本等国一些主流运营商对此缺乏兴趣,UMB在标准和商用方面的推动于2008年后趋于停止。WiMAX是由IEEE 802.16制定的,2007年完成了第一版标准,当时得到美国Sprint等运营商的大力支持。但后来由于Sprint经营状况恶化,以及过于松散的商业生态和不够健全的商业模式,WiMAX逐渐淡出第四代移动通信。

LTE的首个版本3GPP Release 8(Rel-8)于2008年完成。随着对UMB投入的停止和WiMAX标准被边缘化,LTE逐渐成为全球统一的4G移动通信标准。接着,3GPP开始LTE-Advanced的标准化,即Release 10(Rel-10),该版本的性能指标可以完全满足国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)对IMT-Advanced(4G)的要求。

除了OFDM和多天线这两大标志性技术,LTE/LTE-Advanced还引入了一系列新的空口技术,例如,载波聚合、小区间干扰消除抑制、无线中继、下行控制信道增强、终端直通通信、非授权载波、窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)等,这些技术使得4G移动通信系统的频谱效率、峰值速率、网络吞吐量、覆盖等有较明显的提升。网络拓扑也不仅是相同配置的宏站构成的同构网,还有宏站与低功率节点所组成的异构网。在信道编码方面,LTE沿用3G的Turbo码作为数据信道的纠错码,在结构上进行了优化,进一步降低了译码复杂度并提高了性能。控制信道采用咬尾卷积码,开销进一步降低。

第五代移动通信在发展之初就是由3GPP来唯一制定标准的,这为全球统一的5G标准打下了基础,5G的空口在3GPP也称新空口(New Radio,NR),多址方式与4G类似,主要是正交频分多址(OFDMA)。尽管起初3GPP对非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)进行过研究,但最终未能形成标准。相比前4代移动通信,5G的应用十分多样化,关键性能指标不再只是峰值速率和平均小区频谱效率等,还包含用户体验速率、连接数、低时延、高可靠等。5G的应用场景大致可以分为三大类:增强移动宽带(enhanced Mobile BroadBand,eMBB)、超可靠低时延通信(Ultra Reliable Low Latency Communication,URLLC)、海量物联网通信(massive Machine Type Communication,mMTC)。为支持更大的带宽(如400 MHz),更好地服务eMBB,5G空口所用的频段拓展到毫米波,如30 GHz。5G由于采用了大规模天线(Massive MIMO)技术,使得其小区频谱效率相比4G LTE提高了3倍。5G空口支持更为灵活的信道结构、子载波间隔和子帧长度,从而适应不同的传输速率、传输时延和可靠性要求。5G空口在信道编码方面有较大的突破,其物理业务信道采用译码并行性好的低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码,代替了Turbo码;其物理控制信道采用性能更加优异的极化(Polar)码,代替了2G以来广泛使用的卷积码。

5G不仅涵盖地面网络,还可以与卫星网络相结合,实现更广泛的立体覆盖。5G所用的频段除了运营商关心的授权频段(Licensed Band),还支持免授权频段(Unlicensed Band),并能够独立组网。为了更好地支持垂直行业,应用5G空口对车联网(Vehicle to everything,V2X)和定位(Positioning)进行了标准化,并在终端节能方面引入了许多先进技术。 ksKg188C1ZgJSi3FRJ21hmdroWrIsXTpR1e6//V6vnCETc1xVlfDWSQCbUP2/9Hz

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