移動通信的發展及關鍵技術介紹

李平安

(武漢理工大學信息工程學院， 湖北 武漢 430070)

移動通信的發展及關鍵技術介紹

李平安

(武漢理工大學信息工程學院， 湖北 武漢 430070)

在回顧移動通信發展歷程的同時，介紹了從第1代(1G)到第4代(4G)蜂窩移動通信系統發展的背景以及各代移動通信系統的主要特點。詳細討論了3G和4G移動通信系統的關鍵技術，展望了5G及后續移動通信系統的發展趨勢。

移動通信；3G；4G；5G

移動通信不僅是目前人們通信的主要手段，也是目前世界主要發達和發展中國家推動經濟發展的主力軍。移動通信對國民經濟的貢獻不僅在其自身龐大的產業鏈，也來自移動通信網絡與互聯網結合誕生的移動互聯網給各行各業帶來的巨大經濟效益。

無線移動通信的起源可以追溯到1897年古列爾莫·馬可尼第一次成功進行的橫渡英吉利海峽船載移動通信試驗[1]。從1978年美國在芝加哥和華盛頓分別進行2個最早的蜂窩系統——先進的移動電話服務(AMSP)和美國無線電話服務(ARTS)系統的測試至今，移動通信系統經歷了4代的發展和演進。20世紀80年代，數字程控交換的使用以及綜合業務數字網(ISDN)和智能網的出現給世界移動通信帶來了蓬勃的發展。在我國，移動通信的高速發展起始于3G概念的出現。從2000年5月ITU宣布具有中國自主知識產權的TD-SCDMA標準與歐美為主體突出的WCDMA和CDMA-2000一起成為3G的3大主流標準技術[2]至今，不僅移動通信技術在我國得到了迅速發展，而且移動通信網絡和業務在我國也突飛猛進。據工信部數據統計，截止2009年底我國大約有6.8億的移動用戶，到2013年底移動用戶數已超過12億，截止2016年9月已達到13.16億。4G在我國的發展更是突出，從2013年12月工信部給具有我國自主知識產權的TD-LTE標準發放運營牌照到2016年7月底，我國的4G移動用戶已超過了6億。在2016年9月22日舉辦的“5G 創新發展高峰論壇”上，IMT-2020(5G)推進組5G 實驗負責人、無線技術組副組長魏克軍指出，我國已順利完成了5G 技術研發試驗的第1階段，所涉及的關鍵技術包括大規模天線陣列、新型多載波、高頻段通信、全雙工、空間調制等技術。這標志著我國在移動通信的發展上從1G的旁觀、2G的打工、3G的核心技術參與，已發展到4G的走在世界移動通信隊伍的前列和5G的領先地位。

1 移動用戶信號設計基礎

觀察和檢測信號可以在時域也可以在頻域進行，此外也與空域有關。對于移動通信，一個很重要特征是每個用戶要實現與另外一端的通信都要通過該用戶所在小區的基站來實現。換句話說，每個移動臺在通信中無論是發射信號還是接收信號，都是與本移動臺所在小區的基站(BS)進行雙向通信來實現的，這就自然導致了若以一定的時間段來觀察，存在多用戶與一個基站同時通信。針對每個移動臺，移動臺發射時，移動臺到基站的通信鏈路稱為上行鏈路；移動臺接收時，基站到移動臺的通信鏈路稱為下行鏈路。如果同時與一個基站通信的用戶均采用相同的頻率，這些來自或者到達不同用戶的同頻率的信號是同時存在的，只是各自功率的大小不同。基站或者移動臺在檢測某個移動用戶(UE)的信號時，其他用戶的信號對其就是一種干擾，這種干擾在移動通信中被稱為多址干擾(MAI)。移動通信中，MAI是影響接收機對用戶信號檢測質量的主要因素。為了避免MAI，系統設計時可以將不同的用戶信號安排在不同的時隙(t)或者不同的頻段(f)進行傳輸，分別如圖1和圖2所示。除采用在時域或頻域的信號設計來抑制MAI外，通過在空域對信號進行設計也可以減小MAI，如圖3中，基站通過采用智能天線陣[1]產生空間波束分別指向不同的用戶，若不同的UE針對基站具有足夠的方向差，則可以有效地減少接收信號時的MAI。

圖1 不同的移動臺信號在不同的時隙進行 圖2 不同的移動臺信號在不同的頻段進行

圖3 在空域區分移動臺信號

在移動通信系統中，不僅可以在不同的域(時域、頻域及空域)中或者聯合考慮多個域來設計信號的傳輸方式，也可以考慮在不同的域或聯合考慮多個域來檢測信號和處理信號。

不同UE的信號區分除采用上述的在某個信號域(或稱信號空間)讓不同UE的信號互不重疊外，還可以利用正交信號設計方法。對于用離散序列表示的信號，2個正交信號xi和yi滿足：

(1)

式中，N為離散序列的長度。

2個相互正交的信號也稱為完全不相關的信號，2個離散序列的相關系數定義為:

(2)

如果將用戶的信號設計為相互正交，在接收機可以利用信號的正交性有效地減小MAI。

2 移動通信的發展歷程

20世紀50年代和60年代，貝爾實驗室創立了蜂窩系統理論[2]。通過使用蜂窩移動通信系統，通信頻率可以被重復使用以支持更多的通信用戶。AT&T公司分別在1947年和1968年向美國聯邦通信委員會(FCC)遞交了頻譜需求的申請和蜂窩服務的建議。蜂窩系統的設計在20世紀60年代末才得以完成[3]，1978年，2個蜂窩系統——先進的移動電話服務(AMPS)和美國無線電話服務(ARTS)分別在芝加哥和華盛頓進行了現場測試。1982年，FCC終于為AMPS在800～900MHz頻段的666雙工信道分配了40MHz的頻譜。AMPS是美國的第1個蜂窩移動通信系統，1983年在芝加哥由Ameritech公司首次進行了建網[4]。在日本，日本電話電報公司(NTT)在1979年建成了第1個能實際使用的蜂窩系統。在歐洲，愛立信1981年研發出北歐移動電話系統(NMTS)，并在瑞典投入了公共服務。AMPS和NMTS代表了第1代(1G)移動通信技術。第1代移動通信系統對語音采用的是模擬傳輸，通過采用頻分多址(FDMA)技術，1G系統實現了多用戶同時與基站(BS)進行無線通信。1G系統的用戶信號設計主要靠讓不同UE的信號位于不同的頻道，其接收機的信號處理采用中心頻率不同的模擬濾波器分別在不同的頻段內提取關心用戶的信號并消除相鄰頻道用戶信號導致的MAI。此外，1G系統采用了頻分雙工(FDD)來處理上、下行鏈路的信號傳輸，即每個用戶的上、下行鏈路信號分別位于不同的頻段。圖4展示了AMPS的頻譜分配方案[5]。

圖4 AMPS頻譜分配方案

第2代(2G)蜂窩移動通信系統是全數字通信系統。相比于模擬系統，2G數字移動系統可以提供更大的系統容量和更高的通信安全性，并降低了系統成本和功耗。此外，2G系統還可以支持國際性漫游和其他新的服務。20世紀80年代初期，模擬蜂窩系統在歐洲經歷了快速的增長，許多國家都研制出了屬于自己的系統。這些系統互不兼容，導致了在歐洲各國移動電話系統不具備互操作性，每類設備的市場規模也因此都受到了限制。1982年，歐洲郵電協會成立了一個研究組，稱為特別移動組(GSM)，來研發建立一個泛歐公眾移動電話系統。1989年，GSM組的工作被轉移到歐洲電信標準協會(ETSI)進行領導，且更名為全球移動通信系統(后來的GSM)。頻譜分配在900MHz(上行：890～915MHz；下行：935～960MHz)頻段的GSM商業服務開始于1991年，GSM數字移動通信系統采用了時分多址(TDMA)技術[6]。在北美，IS-54是北美第1個數字移動通信標準，是由美國電子工業聯盟(EIA)和電信工業協會(TIA)于1990年完成標準化。在IS-54中，移動通信系統使用的頻譜與AMPS中完全相同。事實上，IS-54的設計采用了雙模制式，從而使得IS-54與已有的模擬AMPS網絡保持了后向兼容。到1993年，美國的蜂窩網絡再次面臨達到系統容量極限，從而導致了一個新的數字蜂窩標準IS-136在美國推出。IS-136在語音信道和控制信道中均采用了TDMA技術[7]，而且在IS-54基礎上還增加了一些新的功能，包括短信業務、電路交換數據功能和改進的壓縮協議等。IS-54和IS-136通常被稱為數字AMPS(D-AMPS)。2G系統均采用了FDD的雙工方式，圖5展示了基于FDD的TDMA原理。以基本的GSM系統為例，上行和下行鏈路各占25MHz的頻譜各分成N=124個頻道，即共有124對頻道，每對頻道的頻率間隔為45MHz。GSM相鄰頻道間距為200kHz，上行和下行各頻道的頻率fU(n)、fD(n)的計算如下:

(3)

圖5 TDMA的頻道與時隙分配展示

圖6 基本的DSSS通信系統演示

對于每個頻道，傳輸1幀數據的時間段分為M個時隙，不同的時隙可以最多分配M個不同的用戶使用，GSM中M=8。

在2G系統中，除TDMA系統外，還有一種碼分多址(CDMA)數字蜂窩標準IS-95由美國高通公司在1995年推出[8]。通過使用CDMA體制，不同的用戶可以同時同頻與基站通信，IS-95可以提供比模擬網絡大10多倍的網絡容量[9]。CDMA系統是一種基于直接序列擴頻譜(DSSS)通信的系統，不同的用戶信號的擴頻碼相互之間具有正交性或者低的相關性，從而可以在接收機解擴后有效消除MAI。基本的DSSS通信系統基帶發射機和接收機框圖如圖6所示，發射機和接收機均采用相同的擴頻碼分別用來進行擴頻和解擴。

為了開發新一代的蜂窩系統以支持全球漫游和多媒體服務，國際電信聯盟(ITU)于1985年啟動了第3代移動通信(3G)的標準化過程。在1995年到1997年期間，3G被稱為未來公眾陸地移動通信系統(FPLMTS)。 1997年3月，ITU將3G的名稱更名為IMT-2000[10]。其中“2000”不但表示3G系統運行所處的頻段，同時也表示2000年3G通信系統有望進入市場商用。1996年至1998年間，許多公司和地區性標準發展組織為IMT-2000向ITU提交了各自的系統設計方案，提案的評估于1998年完成。最后ITU從總共提出的17個競爭提案中整合出3個CDMA標準，即WCDMA、CDMA-2000和TD-SCDMA。WCDMA和CDMA-2000網絡分別是GSM和IS-95的發展技術，而TD-SCDMA是由中國提出的一種全新的標準[11]。在TD-SCDMA中的“TD”代表時分雙工(TDD)，而SCDMA意味著該系統采用的是一種同步的CDMA技術。

1998年，各個致力于WCDMA研發的區域性電信組織為了更好地在WCDMA技術上進行合作，聯合組建了一個合作組織稱為第3代移動通信合作伙伴計劃(3GPP)組織[12]。3GPP組織初始的工作目的是介紹基于演進的GSM核心網絡的3G系統WCDMA的技術規范和研究報告。3GPP2是另一個于1998年成立的合作伙伴組織，目的是推動CDMA-2000的研發及演進。2001年，NTT DoCoMo推出了最早商用的3G網絡。2009年，TD-SCDMA開始在中國投入商用。基本的3G系統的最大數據速率可以達到2Mbps。在2000至2010年的中期，3GPP組織發展了一個增強型的3G協議，并在3GPP Release 5中頒布了其協議標準，即高速下行分組接入(HSDPA)協議[13,14]，它所提供的峰值速率高達42Mbps。在3GPP Release 6中，3GPP組織還發布了另一個協議HSUPA[13,14]， 即高速上行分組接入，用于提高WCDMA上行鏈路的數據傳輸速率。根據報告，HSUPA的峰值速率可以達到7.2Mbps。3GPP在2008年還發布了另外一個進一步增強的系統HSPA+，HSPA+所提供的峰值速率在下行鏈路可達84Mbps，在上行鏈路可達10.8Mbps。

圖7 正交碼擴頻和PN碼加擾技術展示

在CDMA系統中，為了有效抑制不同信道信號的相互干擾，不同的信道采用了正交碼進行擴頻，但正交碼具有很差的自相關特性，不適合在接收機實現信號同步時使用，因此在CDMA系統中一般采用了正交碼擴頻和偽隨機(PN)序列加擾的聯合調制技術，圖7展示了一種采用正交碼和PN碼聯合調制的原理[1]。PN碼具有良好的自相關特性，不僅適合用于系統進行同步捕獲，也可以用于指示小區或者BS。同一個小區內不同信道采用不同的正交擴頻碼來區分信道，同小區內所有用戶采用相同的PN碼用于識別小區。不同的用戶由于采用不同的碼道進行信號傳輸，因此正交擴頻碼也自然用于區分用戶。IS-95系統采用了Walsh碼作為信道碼，其擴頻因子是固定的，即擴頻碼長度是固定的。3G系統采用了正交可變擴頻因子(OVSF)碼作為信道碼，因此適合多速率的數據傳輸。

3GPP長期演進(LTE)是一個針對GSM/UMTS系統進行演進的新的移動通信協議。LTE的基本目標是提高無線移動網絡的系統容量和數據傳輸速度，更進一步的目標是重新設計一個在網路架構上比3G網絡結構更為簡化、且其核心網是基于IP的新的移動通信網絡，從而顯著地減少網絡傳輸延遲。LTE的標準化工作開始于2004年底，到2007年，所有LTE功能特征已得到了完成。在2008年，3GPP完成了大部分協議和性能指標的規范化，并在3GPP Release 8中頒布了其相關標準。根據3GPP Release 8協議，LTE系統在20MHz的帶寬應達到支持100Mbps的下行鏈路峰值數據速率和50Mbps的上行鏈路峰值數據速率，且支持350km/h移動的數據通信。LTE標準還提供了極大的頻譜靈活性，支持從1.4～20MHz 6種不同系統帶寬，而且可以運行在不同的頻段。與3G系統相比，LTE系統在改善小區邊緣用戶的性能和提高小區容量同時，還降低了系統延遲，用戶平面內部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態到激活狀態遷移時間低于50ms，從駐留狀態到激活狀態的遷移時間小于100ms。 此外，LTE系統支持100km半徑的小區覆蓋，并支持自適應調制與編碼技術。

2008年3月，國際電信聯盟無線電通信部(ITU-R)為4G標準制定一組協議，命名為IMT-Advanced規范，其中要求4G移動通信服務的峰值速度在高移動性環境下要達到100Mbps，在低速移動時達到1Gbps。LTE-Advanced是IMT-Advanced主要候選標準之一，由3GPP組織在2009年秋季向ITU-T正式提交，在2011年4月份凍結。3GPP LTE-Advanced的目標是全面達到并超過ITU對4G系統的指標要求。

IMT-Advanced蜂窩系統必須滿足以下要求[15～17]：

1)基于全IP分組交換網絡；

2)系統最大帶寬為100MHz；

3)下行鏈路峰值速率為1Gbps，上行鏈路峰值速率為500Mbps；

4)下行鏈路和上行鏈路峰值頻譜效率分別達到30bps/Hz和15bps/Hz；

5)下行鏈路和上行鏈路的系統頻譜效率(平均頻譜效率)分別達到3bps/Hz/cell和2bps/Hz/cell；

6)控制層面從空閑狀態轉換到連接狀態的時延低于50ms，從休眠狀態轉換為連接狀態的時延低于10ms，用戶層面在FDD模式的時延小于5ms，在TDD模式的時延小于10ms；

圖8 OFDM系統正交子載波頻譜圖演示

盡管LTE系統是3G的演進系統，但LTE系統在核心網和無線電空中接口協議上與3G相比均可以認為是全新的技術，因此在我國習慣上把LTE系統稱為4G系統。LTE-Advanced系統是LTE系統的進一步演進，在國際上均稱為4G系統。LTE和LTE-Advanced系統的空中接口協議中，其多址技術采用與3G的CDMA技術完全不相同的技術，下行鏈路采用正交頻分多址(OFDMA) 技術[18,19]，上行鏈路采用的多址技術為單載波頻分多址(SC-FDMA)[19,20]。這2種多址技術均基于正交頻分復用(OFDM)技術[21,22]。OFDM系統的基本原理是將一個高速率的數據流通過串/并(S/P)轉換，轉換為N路并行傳輸的數據流加載到N個正交的子載波上進行傳輸，N路子載波對整個通信鏈路所占的頻譜進行了頻分和復用。利用一組正交的子載波傳輸多個數據流可以使得接收機在每個OFDM符號期間可以利用子載波之間的正交性、在消除子載波之間干擾的基礎上，同時恢復N路子載波上所承載的N個獨立的發射符號。OFDM系統的子載波頻譜如圖8所示，其中Rs代表OFDM符號的傳輸速率。

在LTE和LTE-Advanced系統的下行鏈路中，多址通信的實現是將整個子載波組所含的N路子載波分配給不同的用戶使用。上行鏈路中，每個UE的基帶信號先經過離散傅里葉變換(DFT)，再加載到分配給該用戶的一個子載波分組上進行傳輸。這種多址技術被稱為OFDMA技術。在LTE和LTE-Advanced系統的上行鏈路中，每個用戶的信號經過離散傅里葉變換(DFT)，再加載到系統分配給自己的子載波分組上進行傳輸，這種技術被稱為單載波頻分多址(SC-FDMA)技術[1]。

3 3G和4G系統的關鍵技術

3G和4G系統之所以能支持高的數據速率、高的移動性、豐富的多媒體業務，其中最主要的貢獻在于其先進的空中接口技術的采用和先進的物理層技術的使用。下面將介紹3G和4G系統所使用的部分關鍵技術。

3.1 3G系統的關鍵技術

DSSS-CDMA系統的優點來自于DSSS技術和CDMA技術各自優點的結合。DSSS技術本身具有適合于信號隱蔽傳輸、抑制窄帶干擾、抗多徑干擾和適用于CDMA傳輸的優點[1]，CDMA通信可以實現同時和同頻的多址通信，因此與TDMA系統相比，DSSS-CDMA系統具有更大的頻譜效率和系統容量。3G移動通信系統的關鍵技術許多都是圍繞其多址技術CDMA誕生的，主要包括功率控制、RAKE接收、軟切換和正交可變因子擴頻。此外，中國提出的TD-SCDMA系統由于其采用了TDD和同步的CDMA技術，還具有智能天線陣技術和聯合信號檢測等關鍵技術。

1)功率控制技術 盡管CDMA系統采用了正交碼作為信道碼來減小不同碼道信號在接收時的相互干擾，但由于多徑衰落信道對信道傳輸的影響，接收信號在解擴后除存在碼間干擾(ISI)外，還存在殘余的MAI。為說明MAI的影響，假設系統具有M個用戶，每個用戶在時間[(i-1)T,iT]內的發射的符號為dk，其中T為符號周期，則每個用戶信號經L徑信道傳播后接收的信號可以表示為:

(4)

式中，Ak,l表示第k個用戶第l條路徑的衰落系數；Ck(t)表示第k個用戶的信道碼信號；p(t)是擾碼信號；τl代表第l條路徑的時延(τ1=0)；n(t)是加性高斯白噪聲(AWGN)。

若擴頻碼和擾碼對符號周期具有歸一化能量，解擴后，第i個符號周期，UE1的輸出信號可以表示為:

(5)

式中，I1(t)、I2(t)和W(t)分別為ISI、MAI和AWGN分量:

(6)

(7)

(8)

由式(5)～(7)可見，即使采用正交碼擴頻，信號經過多徑衰落信道后，接收信號中不可避免存在ISI和MAI。在CDMA系統中，當存在遠近效應時，MAI對檢測信號的影響尤其嚴重。所謂遠近效應是指，離基站近的用戶對離基站遠的用戶存在較大的MAI，因此可能導致遠用戶信號完全被MAI屏蔽的現象[1]。因此，CDMA系統的關鍵技術之一是功率控制。功率控制可以分為開環功率控制和閉環功率控制：開環功率控制是指通信的一端的收發機根據自己對信道質量的估計調整自己的發射功率的技術；閉環功率控制是接收機根據其信道質量估計通知發射機調整發射功率，基站根據自己對信道質量的評估，給每個發射用戶發出功率調整指令，對相對遠的用戶，令其加大發射功率，近的用戶讓其降低發射功率，以維持接收信號中不同距離用戶的功率的平衡。

圖9 CDMA系統RAKE接收機示意圖

圖10 OVSF碼的層結構和樹結構

2)RAKE接收技術 在CDMA移動通信系統中，發射機發射的信號經過多徑傳播后到達接收機，會在接收機信號檢測時產生式(6)所示的ISI。為了把不利的多徑干擾變成有用的信號分量，在CDMA接收機的基帶信號處理中，可以利用PN序列自相關特性，通過相關運算分別對每個可分辨的路徑信號進行同步，進而采用某種優化的權值進行多路相干合并[23, 24]。圖9展示了針對3條路徑傳播設計的RAKE接收機，其中βi(i=1,2,3)為RAKE接收機第i個“手指”上使用的加權系數，可以依靠某種優化的分集合并準則來設計，如最大比合并(MRC)準則[24]等。RAKE接收機可以比簡單地單路匹配濾波器獲得更大的輸出信干噪比(SINR)，從而減小系統的誤碼率(BER)。

3)軟切換 由于CDMA系統中相鄰的基站可以采用相同的頻率與用戶通信，當某個用戶進入2個相鄰小區的切換區時，移動臺可以采用RAKE接收技術同時接收2個小區基站的信號，因此，在CDMA系統可以采用所謂的軟切換技術來完成切換。軟切換過程中，處于切換過程的移動臺不需要進行頻道變更，且將同時與2個基站進行數據傳輸，直到完成切換。與TDMA系統中的硬切換相比，軟切換用戶不存在掉話間隙，也不會出現在小區邊緣區域通信質量變差的現象。

4)正交可變因子擴頻 3G是第1代使用OVSF碼的網絡。在OVSF碼集里，編碼產生的方式類似于Walsh序列產生的方式。所有OVSF碼的產生或排列不僅僅基于層結構，也基于樹結構[25]，如圖10所示[1]。

在DSSS系統中，擴頻因子SF是碼片速率和符號速率的比值。對于固定的碼片速率，擴頻因子的長度取決于符號速率。根據擴頻碼的長度或者說擴頻因子的值，OVSF碼集中的每個碼被安排在指定位置。第1層對應的擴頻因子等于1，這意味著符號速率已達到了最大的碼片速率，所以不需要擴頻，因此使用最短長度為1的擴頻碼。最后一層對應于受系統制約的最小數據速率。在圖10中，最后一層對應的擴頻因子為4，這意味著由系統限定的最小符號速率等于最大碼片速率的1/4。在第m+1層，子碼的產生以第m層的母碼為基礎。在第m層，用Cm,n表示其第n個碼。若m層擴頻因子用Km表示，則在第m層總共有Km個碼。此外，由于在m層中的每個母碼在m+1層產生2個子碼，m+1層2個子碼的下標分別是k1=2(n-1)+1和k2=2n。子碼和它的母碼之間的關系是：

(9)

式中，Cm,n代表母碼。

圖11 上行鏈路智能天線陣技術演示

圖12 下行鏈路智能天線陣技術演示

OVSF碼樹中的任何碼的狀態都可以由以下3種狀態中的一種表示：繁忙、空閑和禁用[45]。已經分配給一個信道的碼被稱為占用碼。未分配的碼中可以被分配但還未被使用的碼稱為空碼。未分配的碼中不允許使用的碼稱為禁碼。對應不同速率的數據流，系統可以選擇合適長度的空碼使用，這樣使得3G系統適合多速率的數據傳輸，也自然適用不同的業務。

5) TD-SCDMA系統中的智能天線陣技術 在移動通信系統中，理論上基站可以采用天線陣列和陣列信號處理技術來減小不同空間方向(相對于基站)用戶之間的相互干擾，從而提高通信系統的容量[26]。智能天線陣技術最基本的原理就是在發射或接收時，針對每個移動臺，對每個天線發射(或接收)的信號賦予一個優化的復數權值后再進行發射(或者接收合并處理)，這樣對每個用戶產生一個指向波束，從而抑制MAI。圖11和圖12分別展示了上行鏈路和下行鏈路中的智能天線陣技術，其中，WKM代表針對移動臺UEK的第M個無線上的加權值。在智能天線陣處理中，關鍵是每個天線上復數權值的設計。上行鏈路中，基站可以通過上行鏈路接收信號對每個用戶的信道進行信道估計，進而用于天線陣接收權矢量的設計。但對于下行鏈路，基站需要利用每個用戶反饋的下行鏈路信道估計來設計天線陣發射的權矢量。對高速率的寬帶移動通信系統，移動臺高頻率地反饋信道估計給基站從頻譜資源和實時信號處理的角度都是不可實現的。對于TD-SCDMA系統，由于采用TDD技術，其上行鏈路和下行鏈路使用相同頻率，上、下行信道具有可逆性[1]，下行波束賦形可以采用前一上行時隙獲得的信道估計來設計天線陣權矢量。

6)TD-SCDMA系統中的聯合檢測技術 在TD-SCDMA系統中，由于對多個用戶采用了同步控制技術，多用戶信號到達接收機時，時隙上是同步的，也就是說不同用戶時隙的起始和終止時刻是對齊的，這就使得接收機在解擴信號時，可以利用所有用戶的擴頻碼和信道估計，考慮多個符號聯合的均衡。均衡器在實現所有用戶信號解擴的同時，可以有效消除ISI和MAI。在上行鏈路信號檢測時，基站將對每個接收的空時數據塊采用均衡技術進行解擴。典型的塊均衡算法有迫零算法和最小均方均衡算法[1]。TD-SCDMA中，采用塊均衡技術的多用戶信號檢測技術稱為聯合信號檢測技術。

3.2 4G系統的關鍵技術

移動通信每一代新系統誕生都是為了滿足科技和社會發展的需求和因為現有網絡的容量達到了瓶頸。具體的來講是為了提高數據速率、支撐新業務、支撐更高的移動性和優化網絡。對發展4G系統， 滿足移動互聯網的需要、提高數據速率、發展基于IP的核心網和減小網絡時延是其主要的驅動力。為了達到4G系統所要求的性能指標，LTE和LTE- Advanced系統采用了許多先進的技術，筆者將主要介紹其中與空中接口和物理層處理有關的關鍵技術。

1)基于OFDM的多址技術 高數據速率的寬帶多址無線通信中，影響信號正確接收的2個主要因素是多徑傳播導致的ISI和多址通信導致的MAI。在寬帶無線傳輸中，當信號的帶寬大于信道的相干帶寬時，信道的單位沖激響應中會出現可分辨的多徑分量，從而會導致接收機信號檢測時出現ISI。OFDM系統中，高速的數據流經過S/P轉換后變成多路低速的數據流同時加載到多個相互正交的子載波上進行傳輸。由于每個子載波上的數據速率遠低于S/P轉換前的數據速率，從而可以有效地抑制ISI。此外，OFDM系統非常適合用于多址通信，這是因為在發射機中OFDM調制的實現在信號處理上只需要進行一個簡單的離散傅里葉反變換(IDFT)操作，相應的接收機中可采用一個離散傅里葉變換(DFT)實現解調[1,18]。由于IDFT的輸入是多路并行的頻域數據，只要將輸入端分組后分配給不同的用戶使用，就可以實現多址通信，而OFDM系統中子載波之間的正交性可以有效地減小MAI的影響。

在LTE和LTE-Advanced系統中，下行鏈路上將OFDM系統的子載波分組后分配給不同用戶使用，實現了下行多址傳輸，即所謂的正交頻分多址(OFDMA)技術；上行鏈路中，每個用戶的基帶數據符號流經分組、對每組數據進行DFT操作后，進而加載到系統分配給每個用戶對應的子載波組上，這種多址技術稱為單載波頻分多址技術(SC-FDMA)。上行鏈路之所以沒有采用OFDMA技術是因為OFDMA具有OFDM系統的一個主要缺點：高的峰均值功率比。高的峰均值功率比要求發射機的放大器具有很大的線性動態范圍，不僅會增加成本，還嚴重降低系統的功率使用效率，這在上行鏈路中對手機來講是極其不利的，因為用戶購買和使用手機不僅要求手機便宜，而且要求電池壽命長。上行鏈路使用SC-FDMA技術可以有效地克服OFDM系統的該缺點[19,20]。

圖13 MIMO系統演示

2)MIMO系統 在LTE和LTE-Advanced系統中，為了提高系統容量，采用了基于多天線的多輸入多輸出(MIMO)通信[27, 28]。所謂MIMO系統，是指發射機和接收機兩端都配備了多天線，將發射端的多天線當作多路輸入，接收端的多天線當作多路輸出，從發射天線到接收天線的系統就是一個MIMO系統，如圖13所示。假設發射機和接收機分別配置M和N個天線，每個發射天線到每個接收天線的傳播為單路徑(對應單個路徑系數或者說單個路徑增益)，一個M×N的MIMO信道可以用一個M×N維的信道矩陣來代表，如式(10)所示：

(10)

其每個元素為一個路徑增益。

MIMO信道容量為[29, 30]:

(11)

式中,P為總的發射功率；P/M是對每個發送天線的功率；σ2為噪聲的方差；“det(· )”表示求行列式運算。

盡管MIMO系統原本是指傳輸信道，但一般所指的MIMO系統都是指含MIMO傳輸的一個整體的通信系統。在移動通信中，若基站采用多天線構成的天線陣，移動臺含多個天線，則基站和移動臺之間的通信系統按信道的傳輸模式也屬于MIMO系統，但一般所指的MIMO系統與3.1節介紹智能天線技術是不同的。MIMO系統中，發射和接收任何一端的天線間距均需要足夠大，使得任何2個空間信道的衰落具有低的互相關性或者說相互獨立[1, 29, 30]。這里所指的一個MIMO空間信道是一個發射天線到一個接收天線的傳輸信道。也就是說，智能天線陣系統利用了不同空間信道之間的高度相關性，但MIMO系統利用了不同空間信道之間的低相關性。

根據MIMO系統的應用方式，MIMO系統可以分為空間復用系統和空間分集系統。空間復用系統是指發射端加載到每個發射天線的數據流是相互對立的數據流，這樣每個接收天線可以同時接收多個數據流的信號，接收機利用空間信道間低的互相關特性來分離和提取不同發射數據流的符號。對于接收端有多個天線時，采用空間復用發射方案的MIMO系統在接收端可以利用多天線接收的信號進行分集合并處理、取得空間分集增益提高傳輸質量。也就是說，對空間復用的MIMO系統，復用功能是發射端決定的，接收端采用多天線接收是起空間接收分集作用的。對空間分集MIMO系統，不同發射天線上發射的信號所承載的信息總體上來講是相同的，或者說加載到不同發射天線的基帶數據流原本來自同一數據流，如同一數據流經過不同時延后加載到不同發射天線，或同一數據流采用某種空時編碼后加載到不同的發射天線等。這樣的MIMO系統，在接收機中不僅可以采用分集合并技術獲取多天線接收帶來的接收分集增益，也可以獲取多天線發射帶來的發射分集增益。總的來說空間復用MIMO系統主要用于提高系統傳輸效率，而空間分集MIMO系統用于提高系統的傳輸質量。

LTE和LTE-Advanced系統中，空間分集模式總是與空時分組編碼[31]結合使用的。典型的空時分組碼是Alamouti的空時分組碼[32]。對應一個發射數據流里2個連續時隙的復數符號[s1,s2]，Alamouti的空時編碼的結果為:

(12)

其中，第1列的數據將在前后2個時隙依次加載到第1個發射天線，第2列的數據將在前后2個時隙依次加載到第2個發射天線。從式(12)可以看出，在一個編碼塊的時間內，2個發射天線的信號所含的信息數據是相同的。

圖14 空間分集MIMO-OFDM系統展示

LTE和LTE-Advanced系統中的MIMO技術和OFDM技術是結合使用的，圖14展示一種基于空時分組碼的MIMO技術與OFDM調制相結合的MIMO-OFDM系統發射方案。在MIMO-OFDM系統中，由于空時分組編碼方案在頻域進行，也通常被稱為空頻分組編碼。LTE系統中，基站最多為4個天線口，移動臺最多為2個天線口；LTE-Advanced系統增加了基站和移動臺允許使用的天線口，最大可以構成8×8的MIMO系統。在LTE-Advanced系統中，為了支撐下行鏈路8天線口的發射和上行鏈路的空間復用，采用了一系列增強的MIMO技術。

3)載波聚合技術 在LTE向LTE-Advanced的演進中，為了使系統能取得1 Gbps的下行峰值速率，需要將LTE系統20MHz的帶寬擴展到100MHz，因此在LTE-Advanced系統中，提出了載波聚合技術[12, 34]。例如，一個100MHz帶寬的系統可以用5個20MHz的分量載波(CC)通過載波聚合技術來實現。LTE-Advanced系統中的載波聚合是在MAC層以及更高層來完成的。分量載波可以處于同一個允許頻段內也可以分布在不同的頻段，在同一頻段內的CC可以是連續的也可以是非連續的。LTE系統的頻率柵格是100kHz，即載波的中心頻率是100kHz的整數倍。對于相鄰頻帶的載波聚合，為了實現與LTE系統的兼容以及保持子載波15kHz間隔的正交性，載波聚合技術在使用過程中要求被聚合的載波的中心頻率要滿足300kHz的整數倍。

4)多點協作傳輸 為了減小小區之間的相互干擾、增強小區邊緣用戶的通信質量或提高小區邊緣的頻譜效率，當用戶處于小區邊緣附近的區域時，系統可以采用與用戶較近的2個相鄰小區的基站，利用2個基站部分或全部天線，通過多點協作(CoMP)的方式與用戶進行數據傳輸。CoMP傳輸在LTE-Advanced中的引入，使得LTE-Advanced系統在考慮CoMP通信需求時，必須考慮MIMO系統中的天線布放和考慮采用CoMP技術時多小區多天線的資源聯合分配與調度。CoMP技術涉及的系統調度非常復雜，盡管在3GPP Release 11[35]中給出了該技術的相關協議，但具體的實施還是相當困難的，該技術有望在5G系統中進一步發展。

4 5G移動通信系統展望

2016年6月18日結束的ITU-R WP5D第22次會議確定了5G的名稱為IMT-2020，還確定了5G的場景、能力和時間表等重要內容。5G的發展已經進入了技術研究和標準化的重要時期。在我國，2013年10月國家863計劃“第五代移動通信系統研究開發”項目正式啟動了5G移動通信系統的研發，目標是在2020年之前，系統地研究5G移動通信體系架構、無線組網、無線傳輸、新型天線與射頻以及新頻譜開發與利用等關鍵技術，完成性能評估及原型系統設計，進行技術試驗與測試，實現支持業務總速率10Gbps，將目前4G系統的頻譜、功率效率提升10倍，滿足未來10年移動互聯網流量增加1000倍的發展需求。由于5G發展是以移動互聯網和物聯網應用作為主要需求和驅動力，也決定了5G的重要特征包含大數據、高峰值速率、適合多種速率、支撐密集組網和異構網絡部署。此外，由于現有移動通信傳統工作頻段主要集中在3GHz以下的頻段，使得頻譜資源十分擁擠，利用高頻段，如毫米波頻段，進行移動通信也成為了5G研究的一個重要方向。現在提出的比較典型的關鍵技術包括高頻段傳輸、新型的大規模天線技術、密集組網、新型的多址接入技術、全雙工通信和終端直接通信(D2D)等。

4.1 毫米波通信

為了使得5G和未來的移動通信系統支持移動互聯網和物聯網多種業務、多種速率和大數據的通信需求，利用毫米波段的頻譜來補充移動通信系統的現有頻譜顯得非常重要。由于毫米波的傳播具有傳輸距離短、穿透和繞射能力差，使得在考慮利用其進行移動通信時必須要考慮新型的網絡架構、系統設計、基站尺寸和天線布放等一系列問題，同時還要考慮高、低頻段在通信系統中的分工、合作與轉換等問題。

4.2 密集網絡部署、異構網絡部署和新的大規模MIMO技術

為了滿足5G和未來移動通信系統中更高數據率的通信、支撐毫米波通信、支持密集網絡和異構網絡部署、支持多點協作傳輸和無線電中繼傳輸等，新的大規模天線技術的研究也是發展新移動通信系統的關鍵技術之一。為了支持5G和未來移動通信系統更高的峰值數據速率和更豐富的業務需求，MIMO系統的天線端口數與4G相比需要大的增加。此外，毫米波通信使得通信距離變短、基站必須小型化和密集布放、通信以視距傳播為主，這些因素都需要在新的智能天線陣和MIMO技術中進行考慮。新的MIMO技術還需要研究獨立和分組天線的調度，以支持多點分組協作通信和多速率、多頻段通信。大規模天線和密集型組網還會導致空間多信道傳輸之間的相互干擾顯著增加，MIMO系統的抗干擾研究也是非常重要的課題。

在5G和未來的移動通信系統中，為了支持大數據、高峰值數據速率和多種數據速率傳輸、支撐毫米波段通信和多頻段通信，密集型網絡和異構網絡部署會給無線移動通信系統帶來許多挑戰性的課題。新的網絡架構和系統設計、協作通信與抗干擾技術研究、復雜和多功能的系統管理與調度以及多模多功能智能終端的研發都是在未來移動通信發展中需要研究的重要技術。

4.3 全雙工和新的多址接入

近年來，同時同頻雙工(即全雙工)以及新的多址接入技術已成為了5G研發中的熱點。全雙工是指收發機可以同時同頻收發信號，這可以極大提高系統的頻譜效率和容量，但對收、發之間干擾消除技術提出了極大的挑戰。為了滿足未來系統更高峰值數據率的傳輸要求，新的多址的研究也非常重要。目前針對5G系統所研究的多址技術主要包括非正交多址(NOMA)技術[36]、稀疏碼多址(SCMA)技術[37]、濾波器組多載波(FBMC)技術[38]等。

4.4 終端對終端(D2D)直接通信

傳統的蜂窩通信系統的組網方式，是以基站為中心，以中繼站作為補充實現小區覆蓋，而基站及中繼站無法移動且數目有限，對通信系統的靈活性和系統容量都產生了很大的限制。終端直接通信，即終端對終端(D2D)通信，可以極大地提高系統容量，增強中繼的靈活性，降低系統時延和加大網路覆蓋。但D2D系統需要終端具有更豐富的功能，且對網絡的管理和調度提出了一系列新的課題。

5 結語

從第1代蜂窩系統開始商用至今，移動通信系統發展僅僅才不到40年，但其發展規模和對經濟發展的貢獻卻呈爆炸式地噴張，同時它還極大改變了現在人們的通訊模式和生活模式。每一代新系統的出現，都會極大地提高移動通信系統的容量，支持更高的數據傳輸速率和移動性，支持新的業務需求和更多的業務服務。移動通信系統的發展和演進主要體現在系統的空中接口技術，物理層技術和網絡架構技術。在3G和4G的移動通信系統中，許多先進的信號傳輸和信號處理技術的應用有效地提升了系統的先進性。5G和未來的移動通信系統網絡功能將更豐富、網絡架構會更復雜、需要解決的關鍵技術也越來越多。網絡的綜合性和多樣性、網絡的復雜性、網絡的智能性、極高數據率和多數據率傳輸、海量數據通信都會給未來移動通信系統研發帶來諸多挑戰。

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[編輯] 易國華

2017-01-16

國家自然科學基金項目(61672395)。

李平安(1965-)，男，博士，教授，現主要從事通信與信號處理方面的研究工作,1015783188@qq.com。

TN929.53

A

1673-1409(2017)09-0001-12

[引著格式]李平安.移動通信的發展及關鍵技術介紹[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(9)：1～12.