移动通信的发展及关键技术介绍

李平安

(武汉理工大学信息工程学院， 湖北 武汉 430070)

移动通信的发展及关键技术介绍

李平安

(武汉理工大学信息工程学院， 湖北 武汉 430070)

在回顾移动通信发展历程的同时，介绍了从第1代(1G)到第4代(4G)蜂窝移动通信系统发展的背景以及各代移动通信系统的主要特点。详细讨论了3G和4G移动通信系统的关键技术，展望了5G及后续移动通信系统的发展趋势。

移动通信；3G；4G；5G

移动通信不仅是目前人们通信的主要手段，也是目前世界主要发达和发展中国家推动经济发展的主力军。移动通信对国民经济的贡献不仅在其自身庞大的产业链，也来自移动通信网络与互联网结合诞生的移动互联网给各行各业带来的巨大经济效益。

无线移动通信的起源可以追溯到1897年古列尔莫·马可尼第一次成功进行的横渡英吉利海峡船载移动通信试验[1]。从1978年美国在芝加哥和华盛顿分别进行2个最早的蜂窝系统——先进的移动电话服务(AMSP)和美国无线电话服务(ARTS)系统的测试至今，移动通信系统经历了4代的发展和演进。20世纪80年代，数字程控交换的使用以及综合业务数字网(ISDN)和智能网的出现给世界移动通信带来了蓬勃的发展。在我国，移动通信的高速发展起始于3G概念的出现。从2000年5月ITU宣布具有中国自主知识产权的TD-SCDMA标准与欧美为主体突出的WCDMA和CDMA-2000一起成为3G的3大主流标准技术[2]至今，不仅移动通信技术在我国得到了迅速发展，而且移动通信网络和业务在我国也突飞猛进。据工信部数据统计，截止2009年底我国大约有6.8亿的移动用户，到2013年底移动用户数已超过12亿，截止2016年9月已达到13.16亿。4G在我国的发展更是突出，从2013年12月工信部给具有我国自主知识产权的TD-LTE标准发放运营牌照到2016年7月底，我国的4G移动用户已超过了6亿。在2016年9月22日举办的“5G 创新发展高峰论坛”上，IMT-2020(5G)推进组5G 实验负责人、无线技术组副组长魏克军指出，我国已顺利完成了5G 技术研发试验的第1阶段，所涉及的关键技术包括大规模天线阵列、新型多载波、高频段通信、全双工、空间调制等技术。这标志着我国在移动通信的发展上从1G的旁观、2G的打工、3G的核心技术参与，已发展到4G的走在世界移动通信队伍的前列和5G的领先地位。

1 移动用户信号设计基础

观察和检测信号可以在时域也可以在频域进行，此外也与空域有关。对于移动通信，一个很重要特征是每个用户要实现与另外一端的通信都要通过该用户所在小区的基站来实现。换句话说，每个移动台在通信中无论是发射信号还是接收信号，都是与本移动台所在小区的基站(BS)进行双向通信来实现的，这就自然导致了若以一定的时间段来观察，存在多用户与一个基站同时通信。针对每个移动台，移动台发射时，移动台到基站的通信链路称为上行链路；移动台接收时，基站到移动台的通信链路称为下行链路。如果同时与一个基站通信的用户均采用相同的频率，这些来自或者到达不同用户的同频率的信号是同时存在的，只是各自功率的大小不同。基站或者移动台在检测某个移动用户(UE)的信号时，其他用户的信号对其就是一种干扰，这种干扰在移动通信中被称为多址干扰(MAI)。移动通信中，MAI是影响接收机对用户信号检测质量的主要因素。为了避免MAI，系统设计时可以将不同的用户信号安排在不同的时隙(t)或者不同的频段(f)进行传输，分别如图1和图2所示。除采用在时域或频域的信号设计来抑制MAI外，通过在空域对信号进行设计也可以减小MAI，如图3中，基站通过采用智能天线阵[1]产生空间波束分别指向不同的用户，若不同的UE针对基站具有足够的方向差，则可以有效地减少接收信号时的MAI。

图1 不同的移动台信号在不同的时隙进行 图2 不同的移动台信号在不同的频段进行

图3 在空域区分移动台信号

在移动通信系统中，不仅可以在不同的域(时域、频域及空域)中或者联合考虑多个域来设计信号的传输方式，也可以考虑在不同的域或联合考虑多个域来检测信号和处理信号。

不同UE的信号区分除采用上述的在某个信号域(或称信号空间)让不同UE的信号互不重叠外，还可以利用正交信号设计方法。对于用离散序列表示的信号，2个正交信号xi和yi满足：

(1)

式中，N为离散序列的长度。

2个相互正交的信号也称为完全不相关的信号，2个离散序列的相关系数定义为:

(2)

如果将用户的信号设计为相互正交，在接收机可以利用信号的正交性有效地减小MAI。

2 移动通信的发展历程

20世纪50年代和60年代，贝尔实验室创立了蜂窝系统理论[2]。通过使用蜂窝移动通信系统，通信频率可以被重复使用以支持更多的通信用户。AT&T公司分别在1947年和1968年向美国联邦通信委员会(FCC)递交了频谱需求的申请和蜂窝服务的建议。蜂窝系统的设计在20世纪60年代末才得以完成[3]，1978年，2个蜂窝系统——先进的移动电话服务(AMPS)和美国无线电话服务(ARTS)分别在芝加哥和华盛顿进行了现场测试。1982年，FCC终于为AMPS在800～900MHz频段的666双工信道分配了40MHz的频谱。AMPS是美国的第1个蜂窝移动通信系统，1983年在芝加哥由Ameritech公司首次进行了建网[4]。在日本，日本电话电报公司(NTT)在1979年建成了第1个能实际使用的蜂窝系统。在欧洲，爱立信1981年研发出北欧移动电话系统(NMTS)，并在瑞典投入了公共服务。AMPS和NMTS代表了第1代(1G)移动通信技术。第1代移动通信系统对语音采用的是模拟传输，通过采用频分多址(FDMA)技术，1G系统实现了多用户同时与基站(BS)进行无线通信。1G系统的用户信号设计主要靠让不同UE的信号位于不同的频道，其接收机的信号处理采用中心频率不同的模拟滤波器分别在不同的频段内提取关心用户的信号并消除相邻频道用户信号导致的MAI。此外，1G系统采用了频分双工(FDD)来处理上、下行链路的信号传输，即每个用户的上、下行链路信号分别位于不同的频段。图4展示了AMPS的频谱分配方案[5]。

图4 AMPS频谱分配方案

第2代(2G)蜂窝移动通信系统是全数字通信系统。相比于模拟系统，2G数字移动系统可以提供更大的系统容量和更高的通信安全性，并降低了系统成本和功耗。此外，2G系统还可以支持国际性漫游和其他新的服务。20世纪80年代初期，模拟蜂窝系统在欧洲经历了快速的增长，许多国家都研制出了属于自己的系统。这些系统互不兼容，导致了在欧洲各国移动电话系统不具备互操作性，每类设备的市场规模也因此都受到了限制。1982年，欧洲邮电协会成立了一个研究组，称为特别移动组(GSM)，来研发建立一个泛欧公众移动电话系统。1989年，GSM组的工作被转移到欧洲电信标准协会(ETSI)进行领导，且更名为全球移动通信系统(后来的GSM)。频谱分配在900MHz(上行：890～915MHz；下行：935～960MHz)频段的GSM商业服务开始于1991年，GSM数字移动通信系统采用了时分多址(TDMA)技术[6]。在北美，IS-54是北美第1个数字移动通信标准，是由美国电子工业联盟(EIA)和电信工业协会(TIA)于1990年完成标准化。在IS-54中，移动通信系统使用的频谱与AMPS中完全相同。事实上，IS-54的设计采用了双模制式，从而使得IS-54与已有的模拟AMPS网络保持了后向兼容。到1993年，美国的蜂窝网络再次面临达到系统容量极限，从而导致了一个新的数字蜂窝标准IS-136在美国推出。IS-136在语音信道和控制信道中均采用了TDMA技术[7]，而且在IS-54基础上还增加了一些新的功能，包括短信业务、电路交换数据功能和改进的压缩协议等。IS-54和IS-136通常被称为数字AMPS(D-AMPS)。2G系统均采用了FDD的双工方式，图5展示了基于FDD的TDMA原理。以基本的GSM系统为例，上行和下行链路各占25MHz的频谱各分成N=124个频道，即共有124对频道，每对频道的频率间隔为45MHz。GSM相邻频道间距为200kHz，上行和下行各频道的频率fU(n)、fD(n)的计算如下:

(3)

图5 TDMA的频道与时隙分配展示

图6 基本的DSSS通信系统演示

对于每个频道，传输1帧数据的时间段分为M个时隙，不同的时隙可以最多分配M个不同的用户使用，GSM中M=8。

在2G系统中，除TDMA系统外，还有一种码分多址(CDMA)数字蜂窝标准IS-95由美国高通公司在1995年推出[8]。通过使用CDMA体制，不同的用户可以同时同频与基站通信，IS-95可以提供比模拟网络大10多倍的网络容量[9]。CDMA系统是一种基于直接序列扩频谱(DSSS)通信的系统，不同的用户信号的扩频码相互之间具有正交性或者低的相关性，从而可以在接收机解扩后有效消除MAI。基本的DSSS通信系统基带发射机和接收机框图如图6所示，发射机和接收机均采用相同的扩频码分别用来进行扩频和解扩。

为了开发新一代的蜂窝系统以支持全球漫游和多媒体服务，国际电信联盟(ITU)于1985年启动了第3代移动通信(3G)的标准化过程。在1995年到1997年期间，3G被称为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)。 1997年3月，ITU将3G的名称更名为IMT-2000[10]。其中“2000”不但表示3G系统运行所处的频段，同时也表示2000年3G通信系统有望进入市场商用。1996年至1998年间，许多公司和地区性标准发展组织为IMT-2000向ITU提交了各自的系统设计方案，提案的评估于1998年完成。最后ITU从总共提出的17个竞争提案中整合出3个CDMA标准，即WCDMA、CDMA-2000和TD-SCDMA。WCDMA和CDMA-2000网络分别是GSM和IS-95的发展技术，而TD-SCDMA是由中国提出的一种全新的标准[11]。在TD-SCDMA中的“TD”代表时分双工(TDD)，而SCDMA意味着该系统采用的是一种同步的CDMA技术。

1998年，各个致力于WCDMA研发的区域性电信组织为了更好地在WCDMA技术上进行合作，联合组建了一个合作组织称为第3代移动通信合作伙伴计划(3GPP)组织[12]。3GPP组织初始的工作目的是介绍基于演进的GSM核心网络的3G系统WCDMA的技术规范和研究报告。3GPP2是另一个于1998年成立的合作伙伴组织，目的是推动CDMA-2000的研发及演进。2001年，NTT DoCoMo推出了最早商用的3G网络。2009年，TD-SCDMA开始在中国投入商用。基本的3G系统的最大数据速率可以达到2Mbps。在2000至2010年的中期，3GPP组织发展了一个增强型的3G协议，并在3GPP Release 5中颁布了其协议标准，即高速下行分组接入(HSDPA)协议[13,14]，它所提供的峰值速率高达42Mbps。在3GPP Release 6中，3GPP组织还发布了另一个协议HSUPA[13,14]， 即高速上行分组接入，用于提高WCDMA上行链路的数据传输速率。根据报告，HSUPA的峰值速率可以达到7.2Mbps。3GPP在2008年还发布了另外一个进一步增强的系统HSPA+，HSPA+所提供的峰值速率在下行链路可达84Mbps，在上行链路可达10.8Mbps。

图7 正交码扩频和PN码加扰技术展示

在CDMA系统中，为了有效抑制不同信道信号的相互干扰，不同的信道采用了正交码进行扩频，但正交码具有很差的自相关特性，不适合在接收机实现信号同步时使用，因此在CDMA系统中一般采用了正交码扩频和伪随机(PN)序列加扰的联合调制技术，图7展示了一种采用正交码和PN码联合调制的原理[1]。PN码具有良好的自相关特性，不仅适合用于系统进行同步捕获，也可以用于指示小区或者BS。同一个小区内不同信道采用不同的正交扩频码来区分信道，同小区内所有用户采用相同的PN码用于识别小区。不同的用户由于采用不同的码道进行信号传输，因此正交扩频码也自然用于区分用户。IS-95系统采用了Walsh码作为信道码，其扩频因子是固定的，即扩频码长度是固定的。3G系统采用了正交可变扩频因子(OVSF)码作为信道码，因此适合多速率的数据传输。

3GPP长期演进(LTE)是一个针对GSM/UMTS系统进行演进的新的移动通信协议。LTE的基本目标是提高无线移动网络的系统容量和数据传输速度，更进一步的目标是重新设计一个在网路架构上比3G网络结构更为简化、且其核心网是基于IP的新的移动通信网络，从而显著地减少网络传输延迟。LTE的标准化工作开始于2004年底，到2007年，所有LTE功能特征已得到了完成。在2008年，3GPP完成了大部分协议和性能指标的规范化，并在3GPP Release 8中颁布了其相关标准。根据3GPP Release 8协议，LTE系统在20MHz的带宽应达到支持100Mbps的下行链路峰值数据速率和50Mbps的上行链路峰值数据速率，且支持350km/h移动的数据通信。LTE标准还提供了极大的频谱灵活性，支持从1.4～20MHz 6种不同系统带宽，而且可以运行在不同的频段。与3G系统相比，LTE系统在改善小区边缘用户的性能和提高小区容量同时，还降低了系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。 此外，LTE系统支持100km半径的小区覆盖，并支持自适应调制与编码技术。

2008年3月，国际电信联盟无线电通信部(ITU-R)为4G标准制定一组协议，命名为IMT-Advanced规范，其中要求4G移动通信服务的峰值速度在高移动性环境下要达到100Mbps，在低速移动时达到1Gbps。LTE-Advanced是IMT-Advanced主要候选标准之一，由3GPP组织在2009年秋季向ITU-T正式提交，在2011年4月份冻结。3GPP LTE-Advanced的目标是全面达到并超过ITU对4G系统的指标要求。

IMT-Advanced蜂窝系统必须满足以下要求[15～17]：

1)基于全IP分组交换网络；

2)系统最大带宽为100MHz；

3)下行链路峰值速率为1Gbps，上行链路峰值速率为500Mbps；

4)下行链路和上行链路峰值频谱效率分别达到30bps/Hz和15bps/Hz；

5)下行链路和上行链路的系统频谱效率(平均频谱效率)分别达到3bps/Hz/cell和2bps/Hz/cell；

6)控制层面从空闲状态转换到连接状态的时延低于50ms，从休眠状态转换为连接状态的时延低于10ms，用户层面在FDD模式的时延小于5ms，在TDD模式的时延小于10ms；

图8 OFDM系统正交子载波频谱图演示

尽管LTE系统是3G的演进系统，但LTE系统在核心网和无线电空中接口协议上与3G相比均可以认为是全新的技术，因此在我国习惯上把LTE系统称为4G系统。LTE-Advanced系统是LTE系统的进一步演进，在国际上均称为4G系统。LTE和LTE-Advanced系统的空中接口协议中，其多址技术采用与3G的CDMA技术完全不相同的技术，下行链路采用正交频分多址(OFDMA) 技术[18,19]，上行链路采用的多址技术为单载波频分多址(SC-FDMA)[19,20]。这2种多址技术均基于正交频分复用(OFDM)技术[21,22]。OFDM系统的基本原理是将一个高速率的数据流通过串/并(S/P)转换，转换为N路并行传输的数据流加载到N个正交的子载波上进行传输，N路子载波对整个通信链路所占的频谱进行了频分和复用。利用一组正交的子载波传输多个数据流可以使得接收机在每个OFDM符号期间可以利用子载波之间的正交性、在消除子载波之间干扰的基础上，同时恢复N路子载波上所承载的N个独立的发射符号。OFDM系统的子载波频谱如图8所示，其中Rs代表OFDM符号的传输速率。

在LTE和LTE-Advanced系统的下行链路中，多址通信的实现是将整个子载波组所含的N路子载波分配给不同的用户使用。上行链路中，每个UE的基带信号先经过离散傅里叶变换(DFT)，再加载到分配给该用户的一个子载波分组上进行传输。这种多址技术被称为OFDMA技术。在LTE和LTE-Advanced系统的上行链路中，每个用户的信号经过离散傅里叶变换(DFT)，再加载到系统分配给自己的子载波分组上进行传输，这种技术被称为单载波频分多址(SC-FDMA)技术[1]。

3 3G和4G系统的关键技术

3G和4G系统之所以能支持高的数据速率、高的移动性、丰富的多媒体业务，其中最主要的贡献在于其先进的空中接口技术的采用和先进的物理层技术的使用。下面将介绍3G和4G系统所使用的部分关键技术。

3.1 3G系统的关键技术

DSSS-CDMA系统的优点来自于DSSS技术和CDMA技术各自优点的结合。DSSS技术本身具有适合于信号隐蔽传输、抑制窄带干扰、抗多径干扰和适用于CDMA传输的优点[1]，CDMA通信可以实现同时和同频的多址通信，因此与TDMA系统相比，DSSS-CDMA系统具有更大的频谱效率和系统容量。3G移动通信系统的关键技术许多都是围绕其多址技术CDMA诞生的，主要包括功率控制、RAKE接收、软切换和正交可变因子扩频。此外，中国提出的TD-SCDMA系统由于其采用了TDD和同步的CDMA技术，还具有智能天线阵技术和联合信号检测等关键技术。

1)功率控制技术 尽管CDMA系统采用了正交码作为信道码来减小不同码道信号在接收时的相互干扰，但由于多径衰落信道对信道传输的影响，接收信号在解扩后除存在码间干扰(ISI)外，还存在残余的MAI。为说明MAI的影响，假设系统具有M个用户，每个用户在时间[(i-1)T,iT]内的发射的符号为dk，其中T为符号周期，则每个用户信号经L径信道传播后接收的信号可以表示为:

(4)

式中，Ak,l表示第k个用户第l条路径的衰落系数；Ck(t)表示第k个用户的信道码信号；p(t)是扰码信号；τl代表第l条路径的时延(τ1=0)；n(t)是加性高斯白噪声(AWGN)。

若扩频码和扰码对符号周期具有归一化能量，解扩后，第i个符号周期，UE1的输出信号可以表示为:

(5)

式中，I1(t)、I2(t)和W(t)分别为ISI、MAI和AWGN分量:

(6)

(7)

(8)

由式(5)～(7)可见，即使采用正交码扩频，信号经过多径衰落信道后，接收信号中不可避免存在ISI和MAI。在CDMA系统中，当存在远近效应时，MAI对检测信号的影响尤其严重。所谓远近效应是指，离基站近的用户对离基站远的用户存在较大的MAI，因此可能导致远用户信号完全被MAI屏蔽的现象[1]。因此，CDMA系统的关键技术之一是功率控制。功率控制可以分为开环功率控制和闭环功率控制：开环功率控制是指通信的一端的收发机根据自己对信道质量的估计调整自己的发射功率的技术；闭环功率控制是接收机根据其信道质量估计通知发射机调整发射功率，基站根据自己对信道质量的评估，给每个发射用户发出功率调整指令，对相对远的用户，令其加大发射功率，近的用户让其降低发射功率，以维持接收信号中不同距离用户的功率的平衡。

图9 CDMA系统RAKE接收机示意图

图10 OVSF码的层结构和树结构

2)RAKE接收技术 在CDMA移动通信系统中，发射机发射的信号经过多径传播后到达接收机，会在接收机信号检测时产生式(6)所示的ISI。为了把不利的多径干扰变成有用的信号分量，在CDMA接收机的基带信号处理中，可以利用PN序列自相关特性，通过相关运算分别对每个可分辨的路径信号进行同步，进而采用某种优化的权值进行多路相干合并[23, 24]。图9展示了针对3条路径传播设计的RAKE接收机，其中βi(i=1,2,3)为RAKE接收机第i个“手指”上使用的加权系数，可以依靠某种优化的分集合并准则来设计，如最大比合并(MRC)准则[24]等。RAKE接收机可以比简单地单路匹配滤波器获得更大的输出信干噪比(SINR)，从而减小系统的误码率(BER)。

3)软切换 由于CDMA系统中相邻的基站可以采用相同的频率与用户通信，当某个用户进入2个相邻小区的切换区时，移动台可以采用RAKE接收技术同时接收2个小区基站的信号，因此，在CDMA系统可以采用所谓的软切换技术来完成切换。软切换过程中，处于切换过程的移动台不需要进行频道变更，且将同时与2个基站进行数据传输，直到完成切换。与TDMA系统中的硬切换相比，软切换用户不存在掉话间隙，也不会出现在小区边缘区域通信质量变差的现象。

4)正交可变因子扩频 3G是第1代使用OVSF码的网络。在OVSF码集里，编码产生的方式类似于Walsh序列产生的方式。所有OVSF码的产生或排列不仅仅基于层结构，也基于树结构[25]，如图10所示[1]。

在DSSS系统中，扩频因子SF是码片速率和符号速率的比值。对于固定的码片速率，扩频因子的长度取决于符号速率。根据扩频码的长度或者说扩频因子的值，OVSF码集中的每个码被安排在指定位置。第1层对应的扩频因子等于1，这意味着符号速率已达到了最大的码片速率，所以不需要扩频，因此使用最短长度为1的扩频码。最后一层对应于受系统制约的最小数据速率。在图10中，最后一层对应的扩频因子为4，这意味着由系统限定的最小符号速率等于最大码片速率的1/4。在第m+1层，子码的产生以第m层的母码为基础。在第m层，用Cm,n表示其第n个码。若m层扩频因子用Km表示，则在第m层总共有Km个码。此外，由于在m层中的每个母码在m+1层产生2个子码，m+1层2个子码的下标分别是k1=2(n-1)+1和k2=2n。子码和它的母码之间的关系是：

(9)

式中，Cm,n代表母码。

图11 上行链路智能天线阵技术演示

图12 下行链路智能天线阵技术演示

OVSF码树中的任何码的状态都可以由以下3种状态中的一种表示：繁忙、空闲和禁用[45]。已经分配给一个信道的码被称为占用码。未分配的码中可以被分配但还未被使用的码称为空码。未分配的码中不允许使用的码称为禁码。对应不同速率的数据流，系统可以选择合适长度的空码使用，这样使得3G系统适合多速率的数据传输，也自然适用不同的业务。

5) TD-SCDMA系统中的智能天线阵技术 在移动通信系统中，理论上基站可以采用天线阵列和阵列信号处理技术来减小不同空间方向(相对于基站)用户之间的相互干扰，从而提高通信系统的容量[26]。智能天线阵技术最基本的原理就是在发射或接收时，针对每个移动台，对每个天线发射(或接收)的信号赋予一个优化的复数权值后再进行发射(或者接收合并处理)，这样对每个用户产生一个指向波束，从而抑制MAI。图11和图12分别展示了上行链路和下行链路中的智能天线阵技术，其中，WKM代表针对移动台UEK的第M个无线上的加权值。在智能天线阵处理中，关键是每个天线上复数权值的设计。上行链路中，基站可以通过上行链路接收信号对每个用户的信道进行信道估计，进而用于天线阵接收权矢量的设计。但对于下行链路，基站需要利用每个用户反馈的下行链路信道估计来设计天线阵发射的权矢量。对高速率的宽带移动通信系统，移动台高频率地反馈信道估计给基站从频谱资源和实时信号处理的角度都是不可实现的。对于TD-SCDMA系统，由于采用TDD技术，其上行链路和下行链路使用相同频率，上、下行信道具有可逆性[1]，下行波束赋形可以采用前一上行时隙获得的信道估计来设计天线阵权矢量。

6)TD-SCDMA系统中的联合检测技术 在TD-SCDMA系统中，由于对多个用户采用了同步控制技术，多用户信号到达接收机时，时隙上是同步的，也就是说不同用户时隙的起始和终止时刻是对齐的，这就使得接收机在解扩信号时，可以利用所有用户的扩频码和信道估计，考虑多个符号联合的均衡。均衡器在实现所有用户信号解扩的同时，可以有效消除ISI和MAI。在上行链路信号检测时，基站将对每个接收的空时数据块采用均衡技术进行解扩。典型的块均衡算法有迫零算法和最小均方均衡算法[1]。TD-SCDMA中，采用块均衡技术的多用户信号检测技术称为联合信号检测技术。

3.2 4G系统的关键技术

移动通信每一代新系统诞生都是为了满足科技和社会发展的需求和因为现有网络的容量达到了瓶颈。具体的来讲是为了提高数据速率、支撑新业务、支撑更高的移动性和优化网络。对发展4G系统， 满足移动互联网的需要、提高数据速率、发展基于IP的核心网和减小网络时延是其主要的驱动力。为了达到4G系统所要求的性能指标，LTE和LTE- Advanced系统采用了许多先进的技术，笔者将主要介绍其中与空中接口和物理层处理有关的关键技术。

1)基于OFDM的多址技术 高数据速率的宽带多址无线通信中，影响信号正确接收的2个主要因素是多径传播导致的ISI和多址通信导致的MAI。在宽带无线传输中，当信号的带宽大于信道的相干带宽时，信道的单位冲激响应中会出现可分辨的多径分量，从而会导致接收机信号检测时出现ISI。OFDM系统中，高速的数据流经过S/P转换后变成多路低速的数据流同时加载到多个相互正交的子载波上进行传输。由于每个子载波上的数据速率远低于S/P转换前的数据速率，从而可以有效地抑制ISI。此外，OFDM系统非常适合用于多址通信，这是因为在发射机中OFDM调制的实现在信号处理上只需要进行一个简单的离散傅里叶反变换(IDFT)操作，相应的接收机中可采用一个离散傅里叶变换(DFT)实现解调[1,18]。由于IDFT的输入是多路并行的频域数据，只要将输入端分组后分配给不同的用户使用，就可以实现多址通信，而OFDM系统中子载波之间的正交性可以有效地减小MAI的影响。

在LTE和LTE-Advanced系统中，下行链路上将OFDM系统的子载波分组后分配给不同用户使用，实现了下行多址传输，即所谓的正交频分多址(OFDMA)技术；上行链路中，每个用户的基带数据符号流经分组、对每组数据进行DFT操作后，进而加载到系统分配给每个用户对应的子载波组上，这种多址技术称为单载波频分多址技术(SC-FDMA)。上行链路之所以没有采用OFDMA技术是因为OFDMA具有OFDM系统的一个主要缺点：高的峰均值功率比。高的峰均值功率比要求发射机的放大器具有很大的线性动态范围，不仅会增加成本，还严重降低系统的功率使用效率，这在上行链路中对手机来讲是极其不利的，因为用户购买和使用手机不仅要求手机便宜，而且要求电池寿命长。上行链路使用SC-FDMA技术可以有效地克服OFDM系统的该缺点[19,20]。

图13 MIMO系统演示

2)MIMO系统 在LTE和LTE-Advanced系统中，为了提高系统容量，采用了基于多天线的多输入多输出(MIMO)通信[27, 28]。所谓MIMO系统，是指发射机和接收机两端都配备了多天线，将发射端的多天线当作多路输入，接收端的多天线当作多路输出，从发射天线到接收天线的系统就是一个MIMO系统，如图13所示。假设发射机和接收机分别配置M和N个天线，每个发射天线到每个接收天线的传播为单路径(对应单个路径系数或者说单个路径增益)，一个M×N的MIMO信道可以用一个M×N维的信道矩阵来代表，如式(10)所示：

(10)

其每个元素为一个路径增益。

MIMO信道容量为[29, 30]:

(11)

式中,P为总的发射功率；P/M是对每个发送天线的功率；σ2为噪声的方差；“det(· )”表示求行列式运算。

尽管MIMO系统原本是指传输信道，但一般所指的MIMO系统都是指含MIMO传输的一个整体的通信系统。在移动通信中，若基站采用多天线构成的天线阵，移动台含多个天线，则基站和移动台之间的通信系统按信道的传输模式也属于MIMO系统，但一般所指的MIMO系统与3.1节介绍智能天线技术是不同的。MIMO系统中，发射和接收任何一端的天线间距均需要足够大，使得任何2个空间信道的衰落具有低的互相关性或者说相互独立[1, 29, 30]。这里所指的一个MIMO空间信道是一个发射天线到一个接收天线的传输信道。也就是说，智能天线阵系统利用了不同空间信道之间的高度相关性，但MIMO系统利用了不同空间信道之间的低相关性。

根据MIMO系统的应用方式，MIMO系统可以分为空间复用系统和空间分集系统。空间复用系统是指发射端加载到每个发射天线的数据流是相互对立的数据流，这样每个接收天线可以同时接收多个数据流的信号，接收机利用空间信道间低的互相关特性来分离和提取不同发射数据流的符号。对于接收端有多个天线时，采用空间复用发射方案的MIMO系统在接收端可以利用多天线接收的信号进行分集合并处理、取得空间分集增益提高传输质量。也就是说，对空间复用的MIMO系统，复用功能是发射端决定的，接收端采用多天线接收是起空间接收分集作用的。对空间分集MIMO系统，不同发射天线上发射的信号所承载的信息总体上来讲是相同的，或者说加载到不同发射天线的基带数据流原本来自同一数据流，如同一数据流经过不同时延后加载到不同发射天线，或同一数据流采用某种空时编码后加载到不同的发射天线等。这样的MIMO系统，在接收机中不仅可以采用分集合并技术获取多天线接收带来的接收分集增益，也可以获取多天线发射带来的发射分集增益。总的来说空间复用MIMO系统主要用于提高系统传输效率，而空间分集MIMO系统用于提高系统的传输质量。

LTE和LTE-Advanced系统中，空间分集模式总是与空时分组编码[31]结合使用的。典型的空时分组码是Alamouti的空时分组码[32]。对应一个发射数据流里2个连续时隙的复数符号[s1,s2]，Alamouti的空时编码的结果为:

(12)

其中，第1列的数据将在前后2个时隙依次加载到第1个发射天线，第2列的数据将在前后2个时隙依次加载到第2个发射天线。从式(12)可以看出，在一个编码块的时间内，2个发射天线的信号所含的信息数据是相同的。

图14 空间分集MIMO-OFDM系统展示

LTE和LTE-Advanced系统中的MIMO技术和OFDM技术是结合使用的，图14展示一种基于空时分组码的MIMO技术与OFDM调制相结合的MIMO-OFDM系统发射方案。在MIMO-OFDM系统中，由于空时分组编码方案在频域进行，也通常被称为空频分组编码。LTE系统中，基站最多为4个天线口，移动台最多为2个天线口；LTE-Advanced系统增加了基站和移动台允许使用的天线口，最大可以构成8×8的MIMO系统。在LTE-Advanced系统中，为了支撑下行链路8天线口的发射和上行链路的空间复用，采用了一系列增强的MIMO技术。

3)载波聚合技术 在LTE向LTE-Advanced的演进中，为了使系统能取得1 Gbps的下行峰值速率，需要将LTE系统20MHz的带宽扩展到100MHz，因此在LTE-Advanced系统中，提出了载波聚合技术[12, 34]。例如，一个100MHz带宽的系统可以用5个20MHz的分量载波(CC)通过载波聚合技术来实现。LTE-Advanced系统中的载波聚合是在MAC层以及更高层来完成的。分量载波可以处于同一个允许频段内也可以分布在不同的频段，在同一频段内的CC可以是连续的也可以是非连续的。LTE系统的频率栅格是100kHz，即载波的中心频率是100kHz的整数倍。对于相邻频带的载波聚合，为了实现与LTE系统的兼容以及保持子载波15kHz间隔的正交性，载波聚合技术在使用过程中要求被聚合的载波的中心频率要满足300kHz的整数倍。

4)多点协作传输 为了减小小区之间的相互干扰、增强小区边缘用户的通信质量或提高小区边缘的频谱效率，当用户处于小区边缘附近的区域时，系统可以采用与用户较近的2个相邻小区的基站，利用2个基站部分或全部天线，通过多点协作(CoMP)的方式与用户进行数据传输。CoMP传输在LTE-Advanced中的引入，使得LTE-Advanced系统在考虑CoMP通信需求时，必须考虑MIMO系统中的天线布放和考虑采用CoMP技术时多小区多天线的资源联合分配与调度。CoMP技术涉及的系统调度非常复杂，尽管在3GPP Release 11[35]中给出了该技术的相关协议，但具体的实施还是相当困难的，该技术有望在5G系统中进一步发展。

4 5G移动通信系统展望

2016年6月18日结束的ITU-R WP5D第22次会议确定了5G的名称为IMT-2020，还确定了5G的场景、能力和时间表等重要内容。5G的发展已经进入了技术研究和标准化的重要时期。在我国，2013年10月国家863计划“第五代移动通信系统研究开发”项目正式启动了5G移动通信系统的研发，目标是在2020年之前，系统地研究5G移动通信体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术，完成性能评估及原型系统设计，进行技术试验与测试，实现支持业务总速率10Gbps，将目前4G系统的频谱、功率效率提升10倍，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。由于5G发展是以移动互联网和物联网应用作为主要需求和驱动力，也决定了5G的重要特征包含大数据、高峰值速率、适合多种速率、支撑密集组网和异构网络部署。此外，由于现有移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下的频段，使得频谱资源十分拥挤，利用高频段，如毫米波频段，进行移动通信也成为了5G研究的一个重要方向。现在提出的比较典型的关键技术包括高频段传输、新型的大规模天线技术、密集组网、新型的多址接入技术、全双工通信和终端直接通信(D2D)等。

4.1 毫米波通信

为了使得5G和未来的移动通信系统支持移动互联网和物联网多种业务、多种速率和大数据的通信需求，利用毫米波段的频谱来补充移动通信系统的现有频谱显得非常重要。由于毫米波的传播具有传输距离短、穿透和绕射能力差，使得在考虑利用其进行移动通信时必须要考虑新型的网络架构、系统设计、基站尺寸和天线布放等一系列问题，同时还要考虑高、低频段在通信系统中的分工、合作与转换等问题。

4.2 密集网络部署、异构网络部署和新的大规模MIMO技术

为了满足5G和未来移动通信系统中更高数据率的通信、支撑毫米波通信、支持密集网络和异构网络部署、支持多点协作传输和无线电中继传输等，新的大规模天线技术的研究也是发展新移动通信系统的关键技术之一。为了支持5G和未来移动通信系统更高的峰值数据速率和更丰富的业务需求，MIMO系统的天线端口数与4G相比需要大的增加。此外，毫米波通信使得通信距离变短、基站必须小型化和密集布放、通信以视距传播为主，这些因素都需要在新的智能天线阵和MIMO技术中进行考虑。新的MIMO技术还需要研究独立和分组天线的调度，以支持多点分组协作通信和多速率、多频段通信。大规模天线和密集型组网还会导致空间多信道传输之间的相互干扰显著增加，MIMO系统的抗干扰研究也是非常重要的课题。

在5G和未来的移动通信系统中，为了支持大数据、高峰值数据速率和多种数据速率传输、支撑毫米波段通信和多频段通信，密集型网络和异构网络部署会给无线移动通信系统带来许多挑战性的课题。新的网络架构和系统设计、协作通信与抗干扰技术研究、复杂和多功能的系统管理与调度以及多模多功能智能终端的研发都是在未来移动通信发展中需要研究的重要技术。

4.3 全双工和新的多址接入

近年来，同时同频双工(即全双工)以及新的多址接入技术已成为了5G研发中的热点。全双工是指收发机可以同时同频收发信号，这可以极大提高系统的频谱效率和容量，但对收、发之间干扰消除技术提出了极大的挑战。为了满足未来系统更高峰值数据率的传输要求，新的多址的研究也非常重要。目前针对5G系统所研究的多址技术主要包括非正交多址(NOMA)技术[36]、稀疏码多址(SCMA)技术[37]、滤波器组多载波(FBMC)技术[38]等。

4.4 终端对终端(D2D)直接通信

传统的蜂窝通信系统的组网方式，是以基站为中心，以中继站作为补充实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动且数目有限，对通信系统的灵活性和系统容量都产生了很大的限制。终端直接通信，即终端对终端(D2D)通信，可以极大地提高系统容量，增强中继的灵活性，降低系统时延和加大网路覆盖。但D2D系统需要终端具有更丰富的功能，且对网络的管理和调度提出了一系列新的课题。

5 结语

从第1代蜂窝系统开始商用至今，移动通信系统发展仅仅才不到40年，但其发展规模和对经济发展的贡献却呈爆炸式地喷张，同时它还极大改变了现在人们的通讯模式和生活模式。每一代新系统的出现，都会极大地提高移动通信系统的容量，支持更高的数据传输速率和移动性，支持新的业务需求和更多的业务服务。移动通信系统的发展和演进主要体现在系统的空中接口技术，物理层技术和网络架构技术。在3G和4G的移动通信系统中，许多先进的信号传输和信号处理技术的应用有效地提升了系统的先进性。5G和未来的移动通信系统网络功能将更丰富、网络架构会更复杂、需要解决的关键技术也越来越多。网络的综合性和多样性、网络的复杂性、网络的智能性、极高数据率和多数据率传输、海量数据通信都会给未来移动通信系统研发带来诸多挑战。

[1]李平安，刘泉.宽带移动通信系统原理及应用(双语版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] MacDonald V H.The cellular concept[J].The Bell Systems Technical Journal, 1979，58(1)：15～43.

[3] Andrea G, dsmith.Wireless Communications[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4] Boucher N.Cellular Radio Handbook[M].Quantum Publishing, 1991.

[5] Rappaport T S.无线通信原理与应用(英文版)[M].北京：电子工业出版社，1999.

[6]Maloberti A.Radio transmission interface of the digital Pan Mobile system[Z].IEEE Vehicular Technology Conference,Orlando,FL, 1989: 712～717.

[7] Rath K，Uddenfeldt J.Capacity of digital cellular TDMA systems[J].IEEE Trans Veh Tech, 1991: 323～332.

[8] Padgett J E, Gumther C G, Hattori T. Overview of wireless personal communications[J].IEEE Commun, 2002: 104～111.

[9] Gilhousen K S. On the capacity of a cellular CDMA system[J].IEEE Trans Veh Tech, 1991: 302～312.

[10] ITU-R, International mobile telecommunications-2000 (IMT-2000)[S].

[11] 李世鹤.TDSCDMA-第三代移动通信系统[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[12] Dahlman E.4G移动通信技术权威指南[M].朱敏 译，北京：人民邮电出版社，2015.

[13] 彭木根, 王文博.TD-SCDMA移动通信系统-增强和演进[M].北京：机械工业出版社，2007.

[14] 张克平.LTE/LTE-Advanced-B3G/4G/B4G移动通信系统无线技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

[15] Rumney M.IMT-Advanced: 4G Wireless Takes Shape in an Olympic Year[J].Agilent Measurement Journal, 2008.

[16] ITU-R M.2134, requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s)[S].

[17] 3GPP TR 36.913 V10.0.0 LTE, requirements for further advancements for Evolved Universal [S].

[18]Bai B, Chen W, Cao Z, et al.Max-matching diversity in OFDMA systems[J].IEEE Transactions on Communications, 2010, 58(4): 1161～1171.

[19] Sari H.A brief history of OFDMA and SC-FDMA[Z].Keynote Speech on IEEE Mobile WiMAX Symposium, 2009.

[20] Holma, Toskala A.LTE for UMTS, OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access[M].John Wiley & Sons Ltd, 2009.

[21] Jian Tao，Ping’an Li.An improved SLM method for PAPR reduction in OFDM systems[Z].IET 3rd International Conference on Wireless, Mobile and Multimedia Networks (ICWMMN 2010), Beijing, 2010.

[22] Tubbax J, Come B, Perre L V D, et al.OFDM versus single carrier with cyclic prefix: A system based comparison[Z].In Proc.IEEE Vehicular Technology Conference, 2001.

[23] Ping’an Li，Letaief K B.A blind RAKE receiver with robust multiuser interference cancellation for DS/CDMA communications[J].IEEE Trans.on Communications, 2007, 55(9): 1793～1801.

[24] Zhang X J, Gong Y, Letaief K B.On the diversity gain in cooperative relaying channels with imperfect CSIT[J].IEEE Trans.on Communications, 2010, 58(4): 1273～1279.

[25] Adachi F.Tree-structured generation of orthogonal spreading codes with different lengths for forward link of DS-CDMA mobile Radio[J]. Electronics Letters, 1997(33):27～28.

[26] Janaswamy R.Radiowave Propagation and Smart Antennas for Wireless Communications[M].Kluwer Academic Publishers, 2000.

[27] 3GPP TR 25.996 V9.0.0, Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulations[S].

[28] 3GPP TS 36.213 V8.6.0, Physical layer procedures[S].

[29]Stankovi V.Multi-user MIMO Wireless Communications[D].Phd.Dissertation, Ilmenau University of Technology, 2006.

[30] Goldesmith A, Jafar S A, Vishwanath S.Capacity limits of MIMO channels[J].IEEE J.on Selected Areas in Communication, 2003, 21(5): 684～702.

[31] Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R.Space-Time codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction[J].IEEE Trans.on Information Theory, 1998, 44(2) :744～764.

[32] Alamouti S.A simple transmit diversity technique for wireless communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1998, 18(8):1451～1458.

[33] Yonis A Z, Abdullah M F L, Ghanim M.F.Effective carrier aggregation on the LTE-Advanced systems[J].International Journal of Advanced Science and Technology，2012.

[34] 3GPP TR 36.808, Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)[S].

[35] 3GPP TR 36.819 V11.2.0, Coordinated multi-point operation for LTE physical layer aspects[S].

[36] Ding Z, Yang Z, Fan P, et al.On the performance of non-orthogonal multiple access in 5G systems with randomly deployed users[J].IEEE Signal Processing Letters, 2014, 21(12):1501～1505.

[37] Yuzhe Jin, Young-Han Kim, Rao B D.Limits on Support Recovery of Sparse Signals via Multiple-Access Communication Techniques[J].IEEE Transactions on Information Theory, 2011, 57(12):7877～7892.

[38]Baltar L G, Slim I, Nossek J A.Efficient Filter Bank Multicarrier Realizations for 5G[Z]. IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Lisbon, Portugal, 2015.

[编辑] 易国华

2017-01-16

国家自然科学基金项目(61672395)。

李平安(1965-)，男，博士，教授，现主要从事通信与信号处理方面的研究工作,1015783188@qq.com。

TN929.53

A

1673-1409(2017)09-0001-12

[引著格式]李平安.移动通信的发展及关键技术介绍[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(9)：1～12.