李平安

(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

移動(dòng)通信的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)介紹

李平安

(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

在回顧移動(dòng)通信發(fā)展歷程的同時(shí)，介紹了從第1代(1G)到第4代(4G)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的背景以及各代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。詳細(xì)討論了3G和4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，展望了5G及后續(xù)移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

移動(dòng)通信；3G；4G；5G

移動(dòng)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(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主力軍。移動(dòng)通信對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)不僅在其自身龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，也來(lái)自移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合誕生的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)給各行各業(yè)帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益。

無(wú)線移動(dòng)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(jìn)行的橫渡英吉利海峽船載移動(dòng)通信試驗(yàn)[1]。從1978年美國(guó)在芝加哥和華盛頓分別進(jìn)行2個(gè)最早的蜂窩系統(tǒng)——先進(jìn)的移動(dòng)電話服務(wù)(AMSP)和美國(guó)無(wú)線電話服務(wù)(ARTS)系統(tǒng)的測(cè)試至今，移動(dòng)通信系統(tǒng)經(jīng)歷了4代的發(fā)展和演進(jìn)。20世紀(jì)80年代，數(shù)字程控交換的使用以及綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)和智能網(wǎng)的出現(xiàn)給世界移動(dòng)通信帶來(lái)了蓬勃的發(fā)展。在我國(guó)，移動(dòng)通信的高速發(fā)展起始于3G概念的出現(xiàn)。從2000年5月ITU宣布具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)與歐美為主體突出的WCDMA和CDMA-2000一起成為3G的3大主流標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)[2]至今，不僅移動(dòng)通信技術(shù)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展，而且移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)在我國(guó)也突飛猛進(jìn)。據(jù)工信部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2009年底我國(guó)大約有6.8億的移動(dòng)用戶，到2013年底移動(dòng)用戶數(shù)已超過(guò)12億，截止2016年9月已達(dá)到13.16億。4G在我國(guó)的發(fā)展更是突出，從2013年12月工信部給具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)發(fā)放運(yùn)營(yíng)牌照到2016年7月底，我國(guó)的4G移動(dòng)用戶已超過(guò)了6億。在2016年9月22日舉辦的“5G 創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上，IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G 實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人、無(wú)線技術(shù)組副組長(zhǎng)魏克軍指出，我國(guó)已順利完成了5G 技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)的第1階段，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線陣列、新型多載波、高頻段通信、全雙工、空間調(diào)制等技術(shù)。這標(biāo)志著我國(guó)在移動(dòng)通信的發(fā)展上從1G的旁觀、2G的打工、3G的核心技術(shù)參與，已發(fā)展到4G的走在世界移動(dòng)通信隊(duì)伍的前列和5G的領(lǐng)先地位。

1 移動(dòng)用戶信號(hào)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

觀察和檢測(cè)信號(hào)可以在時(shí)域也可以在頻域進(jìn)行，此外也與空域有關(guān)。對(duì)于移動(dòng)通信，一個(gè)很重要特征是每個(gè)用戶要實(shí)現(xiàn)與另外一端的通信都要通過(guò)該用戶所在小區(qū)的基站來(lái)實(shí)現(xiàn)。換句話說(shuō)，每個(gè)移動(dòng)臺(tái)在通信中無(wú)論是發(fā)射信號(hào)還是接收信號(hào)，都是與本移動(dòng)臺(tái)所在小區(qū)的基站(BS)進(jìn)行雙向通信來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這就自然導(dǎo)致了若以一定的時(shí)間段來(lái)觀察，存在多用戶與一個(gè)基站同時(shí)通信。針對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)發(fā)射時(shí)，移動(dòng)臺(tái)到基站的通信鏈路稱為上行鏈路；移動(dòng)臺(tái)接收時(shí)，基站到移動(dòng)臺(tái)的通信鏈路稱為下行鏈路。如果同時(shí)與一個(gè)基站通信的用戶均采用相同的頻率，這些來(lái)自或者到達(dá)不同用戶的同頻率的信號(hào)是同時(shí)存在的，只是各自功率的大小不同?；净蛘咭苿?dòng)臺(tái)在檢測(cè)某個(gè)移動(dòng)用戶(UE)的信號(hào)時(shí)，其他用戶的信號(hào)對(duì)其就是一種干擾，這種干擾在移動(dòng)通信中被稱為多址干擾(MAI)。移動(dòng)通信中，MAI是影響接收機(jī)對(duì)用戶信號(hào)檢測(cè)質(zhì)量的主要因素。為了避免MAI，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以將不同的用戶信號(hào)安排在不同的時(shí)隙(t)或者不同的頻段(f)進(jìn)行傳輸，分別如圖1和圖2所示。除采用在時(shí)域或頻域的信號(hào)設(shè)計(jì)來(lái)抑制MAI外，通過(guò)在空域?qū)π盘?hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)也可以減小MAI，如圖3中，基站通過(guò)采用智能天線陣[1]產(chǎn)生空間波束分別指向不同的用戶，若不同的UE針對(duì)基站具有足夠的方向差，則可以有效地減少接收信號(hào)時(shí)的MAI。

圖1 不同的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)在不同的時(shí)隙進(jìn)行 圖2 不同的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)在不同的頻段進(jìn)行

圖3 在空域區(qū)分移動(dòng)臺(tái)信號(hào)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，不僅可以在不同的域(時(shí)域、頻域及空域)中或者聯(lián)合考慮多個(gè)域來(lái)設(shè)計(jì)信號(hào)的傳輸方式，也可以考慮在不同的域或聯(lián)合考慮多個(gè)域來(lái)檢測(cè)信號(hào)和處理信號(hào)。

不同UE的信號(hào)區(qū)分除采用上述的在某個(gè)信號(hào)域(或稱信號(hào)空間)讓不同UE的信號(hào)互不重疊外，還可以利用正交信號(hào)設(shè)計(jì)方法。對(duì)于用離散序列表示的信號(hào)，2個(gè)正交信號(hào)xi和yi滿足：

(1)

式中，N為離散序列的長(zhǎng)度。

2個(gè)相互正交的信號(hào)也稱為完全不相關(guān)的信號(hào)，2個(gè)離散序列的相關(guān)系數(shù)定義為:

(2)

如果將用戶的信號(hào)設(shè)計(jì)為相互正交，在接收機(jī)可以利用信號(hào)的正交性有效地減小MAI。

2 移動(dòng)通信的發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代和60年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)立了蜂窩系統(tǒng)理論[2]。通過(guò)使用蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，通信頻率可以被重復(fù)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(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)遞交了頻譜需求的申請(qǐng)和蜂窩服務(wù)的建議。蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在20世紀(jì)60年代末才得以完成[3]，1978年，2個(gè)蜂窩系統(tǒng)——先進(jìn)的移動(dòng)電話服務(wù)(AMPS)和美國(guó)無(wú)線電話服務(wù)(ARTS)分別在芝加哥和華盛頓進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。1982年，F(xiàn)CC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(guó)的第1個(gè)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，1983年在芝加哥由Ameritech公司首次進(jìn)行了建網(wǎng)[4]。在日本，日本電話電報(bào)公司(NTT)在1979年建成了第1個(gè)能實(shí)際使用的蜂窩系統(tǒng)。在歐洲，愛(ài)立信1981年研發(fā)出北歐移動(dòng)電話系統(tǒng)(NMTS)，并在瑞典投入了公共服務(wù)。AMPS和NMTS代表了第1代(1G)移動(dòng)通信技術(shù)。第1代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音采用的是模擬傳輸，通過(guò)采用頻分多址(FDMA)技術(shù)，1G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多用戶同時(shí)與基站(BS)進(jìn)行無(wú)線通信。1G系統(tǒng)的用戶信號(hào)設(shè)計(jì)主要靠讓不同UE的信號(hào)位于不同的頻道，其接收機(jī)的信號(hào)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(nèi)提取關(guān)心用戶的信號(hào)并消除相鄰頻道用戶信號(hào)導(dǎo)致的MAI。此外，1G系統(tǒng)采用了頻分雙工(FDD)來(lái)處理上、下行鏈路的信號(hào)傳輸，即每個(gè)用戶的上、下行鏈路信號(hào)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(dòng)通信系統(tǒng)是全數(shù)字通信系統(tǒng)。相比于模擬系統(tǒng)，2G數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)可以提供更大的系統(tǒng)容量和更高的通信安全性，并降低了系統(tǒng)成本和功耗。此外，2G系統(tǒng)還可以支持國(guó)際性漫游和其他新的服務(wù)。20世紀(jì)80年代初期，模擬蜂窩系統(tǒng)在歐洲經(jīng)歷了快速的增長(zhǎng)，許多國(guó)家都研制出了屬于自己的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)互不兼容，導(dǎo)致了在歐洲各國(guó)移動(dòng)電話系統(tǒng)不具備互操作性，每類設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模也因此都受到了限制。1982年，歐洲郵電協(xié)會(huì)成立了一個(gè)研究組，稱為特別移動(dòng)組(GSM)，來(lái)研發(fā)建立一個(gè)泛歐公眾移動(dòng)電話系統(tǒng)。1989年，GSM組的工作被轉(zhuǎn)移到歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)進(jìn)行領(lǐng)導(dǎo)，且更名為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(后來(lái)的GSM)。頻譜分配在900MHz(上行：890～915MHz；下行：935～960MHz)頻段的GSM商業(yè)服務(wù)開(kāi)始于1991年，GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)[6]。在北美，IS-54是北美第1個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，是由美國(guó)電子工業(yè)聯(lián)盟(EIA)和電信工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)于1990年完成標(biāo)準(zhǔn)化。在IS-54中，移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的頻譜與AMPS中完全相同。事實(shí)上，IS-54的設(shè)計(jì)采用了雙模制式，從而使得IS-54與已有的模擬AMPS網(wǎng)絡(luò)保持了后向兼容。到1993年，美國(guó)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)再次面臨達(dá)到系統(tǒng)容量極限，從而導(dǎo)致了一個(gè)新的數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)IS-136在美國(guó)推出。IS-136在語(yǔ)音信道和控制信道中均采用了TDMA技術(shù)[7]，而且在IS-54基礎(chǔ)上還增加了一些新的功能，包括短信業(yè)務(wù)、電路交換數(shù)據(jù)功能和改進(jìn)的壓縮協(xié)議等。IS-54和IS-136通常被稱為數(shù)字AMPS(D-AMPS)。2G系統(tǒng)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(tǒng)為例，上行和下行鏈路各占25MHz的頻譜各分成N=124個(gè)頻道，即共有124對(duì)頻道，每對(duì)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(jì)算如下:

(3)

圖5 TDMA的頻道與時(shí)隙分配展示

圖6 基本的DSSS通信系統(tǒng)演示

對(duì)于每個(gè)頻道，傳輸1幀數(shù)據(jù)的時(shí)間段分為M個(gè)時(shí)隙，不同的時(shí)隙可以最多分配M個(gè)不同的用戶使用，GSM中M=8。

在2G系統(tǒng)中，除TDMA系統(tǒng)外，還有一種碼分多址(CDMA)數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)IS-95由美國(guó)高通公司在1995年推出[8]。通過(guò)使用CDMA體制，不同的用戶可以同時(shí)同頻與基站通信，IS-95可以提供比模擬網(wǎng)絡(luò)大10多倍的網(wǎng)絡(luò)容量[9]。CDMA系統(tǒng)是一種基于直接序列擴(kuò)頻譜(DSSS)通信的系統(tǒng)，不同的用戶信號(hào)的擴(kuò)頻碼相互之間具有正交性或者低的相關(guān)性，從而可以在接收機(jī)解擴(kuò)后有效消除MAI?；镜腄SSS通信系統(tǒng)基帶發(fā)射機(jī)和接收機(jī)框圖如圖6所示，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均采用相同的擴(kuò)頻碼分別用來(lái)進(jìn)行擴(kuò)頻和解擴(kuò)。

為了開(kāi)發(fā)新一代的蜂窩系統(tǒng)以支持全球漫游和多媒體服務(wù)，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)于1985年啟動(dòng)了第3代移動(dòng)通信(3G)的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程。在1995年到1997年期間，3G被稱為未來(lái)公眾陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)(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(tǒng)運(yùn)行所處的頻段，同時(shí)也表示2000年3G通信系統(tǒng)有望進(jìn)入市場(chǎng)商用。1996年至1998年間，許多公司和地區(qū)性標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展組織為IMT-2000向ITU提交了各自的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提案的評(píng)估于1998年完成。最后ITU從總共提出的17個(gè)競(jìng)爭(zhēng)提案中整合出3個(gè)CDMA標(biāo)準(zhǔn)，即WCDMA、CDMA-2000和TD-SCDMA。WCDMA和CDMA-2000網(wǎng)絡(luò)分別是GSM和IS-95的發(fā)展技術(shù)，而TD-SCDMA是由中國(guó)提出的一種全新的標(biāo)準(zhǔn)[11]。在TD-SCDMA中的“TD”代表時(shí)分雙工(TDD)，而SCDMA意味著該系統(tǒng)采用的是一種同步的CDMA技術(shù)。

1998年，各個(gè)致力于WCDMA研發(fā)的區(qū)域性電信組織為了更好地在WCDMA技術(shù)上進(jìn)行合作，聯(lián)合組建了一個(gè)合作組織稱為第3代移動(dòng)通信合作伙伴計(jì)劃(3GPP)組織[12]。3GPP組織初始的工作目的是介紹基于演進(jìn)的GSM核心網(wǎng)絡(luò)的3G系統(tǒng)WCDMA的技術(shù)規(guī)范和研究報(bào)告。3GPP2是另一個(gè)于1998年成立的合作伙伴組織，目的是推動(dòng)CDMA-2000的研發(fā)及演進(jìn)。2001年，NTT DoCoMo推出了最早商用的3G網(wǎng)絡(luò)。2009年，TD-SCDMA開(kāi)始在中國(guó)投入商用?；镜?G系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到2Mbps。在2000至2010年的中期，3GPP組織發(fā)展了一個(gè)增強(qiáng)型的3G協(xié)議，并在3GPP Release 5中頒布了其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即高速下行分組接入(HSDPA)協(xié)議[13,14]，它所提供的峰值速率高達(dá)42Mbps。在3GPP Release 6中，3GPP組織還發(fā)布了另一個(gè)協(xié)議HSUPA[13,14]， 即高速上行分組接入，用于提高WCDMA上行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率。根據(jù)報(bào)告，HSUPA的峰值速率可以達(dá)到7.2Mbps。3GPP在2008年還發(fā)布了另外一個(gè)進(jìn)一步增強(qiáng)的系統(tǒng)HSPA+，HSPA+所提供的峰值速率在下行鏈路可達(dá)84Mbps，在上行鏈路可達(dá)10.8Mbps。

圖7 正交碼擴(kuò)頻和PN碼加擾技術(shù)展示

在CDMA系統(tǒng)中，為了有效抑制不同信道信號(hào)的相互干擾，不同的信道采用了正交碼進(jìn)行擴(kuò)頻，但正交碼具有很差的自相關(guān)特性，不適合在接收機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步時(shí)使用，因此在CDMA系統(tǒng)中一般采用了正交碼擴(kuò)頻和偽隨機(jī)(PN)序列加擾的聯(lián)合調(diào)制技術(shù)，圖7展示了一種采用正交碼和PN碼聯(lián)合調(diào)制的原理[1]。PN碼具有良好的自相關(guān)特性，不僅適合用于系統(tǒng)進(jìn)行同步捕獲，也可以用于指示小區(qū)或者BS。同一個(gè)小區(qū)內(nèi)不同信道采用不同的正交擴(kuò)頻碼來(lái)區(qū)分信道，同小區(qū)內(nèi)所有用戶采用相同的PN碼用于識(shí)別小區(qū)。不同的用戶由于采用不同的碼道進(jìn)行信號(hào)傳輸，因此正交擴(kuò)頻碼也自然用于區(qū)分用戶。IS-95系統(tǒng)采用了Walsh碼作為信道碼，其擴(kuò)頻因子是固定的，即擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度是固定的。3G系統(tǒng)采用了正交可變擴(kuò)頻因子(OVSF)碼作為信道碼，因此適合多速率的數(shù)據(jù)傳輸。

3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)是一個(gè)針對(duì)GSM/UMTS系統(tǒng)進(jìn)行演進(jìn)的新的移動(dòng)通信協(xié)議。LTE的基本目標(biāo)是提高無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸速度，更進(jìn)一步的目標(biāo)是重新設(shè)計(jì)一個(gè)在網(wǎng)路架構(gòu)上比3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化、且其核心網(wǎng)是基于IP的新的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而顯著地減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲。LTE的標(biāo)準(zhǔn)化工作開(kāi)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(xié)議和性能指標(biāo)的規(guī)范化，并在3GPP Release 8中頒布了其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)3GPP Release 8協(xié)議，LTE系統(tǒng)在20MHz的帶寬應(yīng)達(dá)到支持100Mbps的下行鏈路峰值數(shù)據(jù)速率和50Mbps的上行鏈路峰值數(shù)據(jù)速率，且支持350km/h移動(dòng)的數(shù)據(jù)通信。LTE標(biāo)準(zhǔn)還提供了極大的頻譜靈活性，支持從1.4～20MHz 6種不同系統(tǒng)帶寬，而且可以運(yùn)行在不同的頻段。與3G系統(tǒng)相比，LTE系統(tǒng)在改善小區(qū)邊緣用戶的性能和提高小區(qū)容量同時(shí)，還降低了系統(tǒng)延遲，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100ms。 此外，LTE系統(tǒng)支持100km半徑的小區(qū)覆蓋，并支持自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)。

2008年3月，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部(ITU-R)為4G標(biāo)準(zhǔn)制定一組協(xié)議，命名為IMT-Advanced規(guī)范，其中要求4G移動(dòng)通信服務(wù)的峰值速度在高移動(dòng)性環(huán)境下要達(dá)到100Mbps，在低速移動(dòng)時(shí)達(dá)到1Gbps。LTE-Advanced是IMT-Advanced主要候選標(biāo)準(zhǔn)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(jié)。3GPP LTE-Advanced的目標(biāo)是全面達(dá)到并超過(guò)ITU對(duì)4G系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

IMT-Advanced蜂窩系統(tǒng)必須滿足以下要求[15～17]：

1)基于全I(xiàn)P分組交換網(wǎng)絡(luò)；

2)系統(tǒng)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(dá)到30bps/Hz和15bps/Hz；

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

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

圖8 OFDM系統(tǒng)正交子載波頻譜圖演示

盡管LTE系統(tǒng)是3G的演進(jìn)系統(tǒng)，但LTE系統(tǒng)在核心網(wǎng)和無(wú)線電空中接口協(xié)議上與3G相比均可以認(rèn)為是全新的技術(shù)，因此在我國(guó)習(xí)慣上把LTE系統(tǒng)稱為4G系統(tǒng)。LTE-Advanced系統(tǒng)是LTE系統(tǒng)的進(jìn)一步演進(jìn)，在國(guó)際上均稱為4G系統(tǒng)。LTE和LTE-Advanced系統(tǒng)的空中接口協(xié)議中，其多址技術(shù)采用與3G的CDMA技術(shù)完全不相同的技術(shù)，下行鏈路采用正交頻分多址(OFDMA) 技術(shù)[18,19]，上行鏈路采用的多址技術(shù)為單載波頻分多址(SC-FDMA)[19,20]。這2種多址技術(shù)均基于正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)[21,22]。OFDM系統(tǒng)的基本原理是將一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流通過(guò)串/并(S/P)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為N路并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流加載到N個(gè)正交的子載波上進(jìn)行傳輸，N路子載波對(duì)整個(gè)通信鏈路所占的頻譜進(jìn)行了頻分和復(fù)用。利用一組正交的子載波傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流可以使得接收機(jī)在每個(gè)OFDM符號(hào)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(chǔ)上，同時(shí)恢復(fù)N路子載波上所承載的N個(gè)獨(dú)立的發(fā)射符號(hào)。OFDM系統(tǒng)的子載波頻譜如圖8所示，其中Rs代表OFDM符號(hào)的傳輸速率。

在LTE和LTE-Advanced系統(tǒng)的下行鏈路中，多址通信的實(shí)現(xiàn)是將整個(gè)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(gè)UE的基帶信號(hào)先經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換(DFT)，再加載到分配給該用戶的一個(gè)子載波分組上進(jìn)行傳輸。這種多址技術(shù)被稱為OFDMA技術(shù)。在LTE和LTE-Advanced系統(tǒng)的上行鏈路中，每個(gè)用戶的信號(hào)經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換(DFT)，再加載到系統(tǒng)分配給自己的子載波分組上進(jìn)行傳輸，這種技術(shù)被稱為單載波頻分多址(SC-FDMA)技術(shù)[1]。

3 3G和4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3G和4G系統(tǒng)之所以能支持高的數(shù)據(jù)速率、高的移動(dòng)性、豐富的多媒體業(yè)務(wù)，其中最主要的貢獻(xiàn)在于其先進(jìn)的空中接口技術(shù)的采用和先進(jìn)的物理層技術(shù)的使用。下面將介紹3G和4G系統(tǒng)所使用的部分關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 3G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

DSSS-CDMA系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)自于DSSS技術(shù)和CDMA技術(shù)各自優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合。DSSS技術(shù)本身具有適合于信號(hào)隱蔽傳輸、抑制窄帶干擾、抗多徑干擾和適用于CDMA傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)[1]，CDMA通信可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)和同頻的多址通信，因此與TDMA系統(tǒng)相比，DSSS-CDMA系統(tǒng)具有更大的頻譜效率和系統(tǒng)容量。3G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)許多都是圍繞其多址技術(shù)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(kuò)頻。此外，中國(guó)提出的TD-SCDMA系統(tǒng)由于其采用了TDD和同步的CDMA技術(shù)，還具有智能天線陣技術(shù)和聯(lián)合信號(hào)檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。

1)功率控制技術(shù) 盡管CDMA系統(tǒng)采用了正交碼作為信道碼來(lái)減小不同碼道信號(hào)在接收時(shí)的相互干擾，但由于多徑衰落信道對(duì)信道傳輸?shù)挠绊懀邮招盘?hào)在解擴(kuò)后除存在碼間干擾(ISI)外，還存在殘余的MAI。為說(shuō)明MAI的影響，假設(shè)系統(tǒng)具有M個(gè)用戶，每個(gè)用戶在時(shí)間[(i-1)T,iT]內(nèi)的發(fā)射的符號(hào)為dk，其中T為符號(hào)周期，則每個(gè)用戶信號(hào)經(jīng)L徑信道傳播后接收的信號(hào)可以表示為:

(4)

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

若擴(kuò)頻碼和擾碼對(duì)符號(hào)周期具有歸一化能量，解擴(kuò)后，第i個(gè)符號(hào)周期，UE1的輸出信號(hào)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(jiàn)，即使采用正交碼擴(kuò)頻，信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑衰落信道后，接收信號(hào)中不可避免存在ISI和MAI。在CDMA系統(tǒng)中，當(dāng)存在遠(yuǎn)近效應(yīng)時(shí)，MAI對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響尤其嚴(yán)重。所謂遠(yuǎn)近效應(yīng)是指，離基站近的用戶對(duì)離基站遠(yuǎn)的用戶存在較大的MAI，因此可能導(dǎo)致遠(yuǎn)用戶信號(hào)完全被MAI屏蔽的現(xiàn)象[1]。因此，CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是功率控制。功率控制可以分為開(kāi)環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制：開(kāi)環(huán)功率控制是指通信的一端的收發(fā)機(jī)根據(jù)自己對(duì)信道質(zhì)量的估計(jì)調(diào)整自己的發(fā)射功率的技術(shù)；閉環(huán)功率控制是接收機(jī)根據(jù)其信道質(zhì)量估計(jì)通知發(fā)射機(jī)調(diào)整發(fā)射功率，基站根據(jù)自己對(duì)信道質(zhì)量的評(píng)估，給每個(gè)發(fā)射用戶發(fā)出功率調(diào)整指令，對(duì)相對(duì)遠(yuǎn)的用戶，令其加大發(fā)射功率，近的用戶讓其降低發(fā)射功率，以維持接收信號(hào)中不同距離用戶的功率的平衡。

圖9 CDMA系統(tǒng)RAKE接收機(jī)示意圖

圖10 OVSF碼的層結(jié)構(gòu)和樹結(jié)構(gòu)

2)RAKE接收技術(shù) 在CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑傳播后到達(dá)接收機(jī)，會(huì)在接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生式(6)所示的ISI。為了把不利的多徑干擾變成有用的信號(hào)分量，在CDMA接收機(jī)的基帶信號(hào)處理中，可以利用PN序列自相關(guān)特性，通過(guò)相關(guān)運(yùn)算分別對(duì)每個(gè)可分辨的路徑信號(hào)進(jìn)行同步，進(jìn)而采用某種優(yōu)化的權(quán)值進(jìn)行多路相干合并[23, 24]。圖9展示了針對(duì)3條路徑傳播設(shè)計(jì)的RAKE接收機(jī)，其中βi(i=1,2,3)為RAKE接收機(jī)第i個(gè)“手指”上使用的加權(quán)系數(shù)，可以依靠某種優(yōu)化的分集合并準(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)，如最大比合并(MRC)準(zhǔn)則[24]等。RAKE接收機(jī)可以比簡(jiǎn)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(tǒng)的誤碼率(BER)。

3)軟切換 由于CDMA系統(tǒng)中相鄰的基站可以采用相同的頻率與用戶通信，當(dāng)某個(gè)用戶進(jìn)入2個(gè)相鄰小區(qū)的切換區(qū)時(shí)，移動(dòng)臺(tái)可以采用RAKE接收技術(shù)同時(shí)接收2個(gè)小區(qū)基站的信號(hào)，因此，在CDMA系統(tǒng)可以采用所謂的軟切換技術(shù)來(lái)完成切換。軟切換過(guò)程中，處于切換過(guò)程的移動(dòng)臺(tái)不需要進(jìn)行頻道變更，且將同時(shí)與2個(gè)基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直到完成切換。與TDMA系統(tǒng)中的硬切換相比，軟切換用戶不存在掉話間隙，也不會(huì)出現(xiàn)在小區(qū)邊緣區(qū)域通信質(zhì)量變差的現(xiàn)象。

4)正交可變因子擴(kuò)頻 3G是第1代使用OVSF碼的網(wǎng)絡(luò)。在OVSF碼集里，編碼產(chǎn)生的方式類似于Walsh序列產(chǎn)生的方式。所有OVSF碼的產(chǎn)生或排列不僅僅基于層結(jié)構(gòu)，也基于樹結(jié)構(gòu)[25]，如圖10所示[1]。

在DSSS系統(tǒng)中，擴(kuò)頻因子SF是碼片速率和符號(hào)速率的比值。對(duì)于固定的碼片速率，擴(kuò)頻因子的長(zhǎng)度取決于符號(hào)速率。根據(jù)擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度或者說(shuō)擴(kuò)頻因子的值，OVSF碼集中的每個(gè)碼被安排在指定位置。第1層對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻因子等于1，這意味著符號(hào)速率已達(dá)到了最大的碼片速率，所以不需要擴(kuò)頻，因此使用最短長(zhǎng)度為1的擴(kuò)頻碼。最后一層對(duì)應(yīng)于受系統(tǒng)制約的最小數(shù)據(jù)速率。在圖10中，最后一層對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻因子為4，這意味著由系統(tǒng)限定的最小符號(hào)速率等于最大碼片速率的1/4。在第m+1層，子碼的產(chǎn)生以第m層的母碼為基礎(chǔ)。在第m層，用Cm,n表示其第n個(gè)碼。若m層擴(kuò)頻因子用Km表示，則在第m層總共有Km個(gè)碼。此外，由于在m層中的每個(gè)母碼在m+1層產(chǎn)生2個(gè)子碼，m+1層2個(gè)子碼的下標(biāo)分別是k1=2(n-1)+1和k2=2n。子碼和它的母碼之間的關(guān)系是：

(9)

式中，Cm,n代表母碼。

圖11 上行鏈路智能天線陣技術(shù)演示

圖12 下行鏈路智能天線陣技術(shù)演示

OVSF碼樹中的任何碼的狀態(tài)都可以由以下3種狀態(tài)中的一種表示：繁忙、空閑和禁用[45]。已經(jīng)分配給一個(gè)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(duì)應(yīng)不同速率的數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)可以選擇合適長(zhǎng)度的空碼使用，這樣使得3G系統(tǒng)適合多速率的數(shù)據(jù)傳輸，也自然適用不同的業(yè)務(wù)。

5) TD-SCDMA系統(tǒng)中的智能天線陣技術(shù) 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，理論上基站可以采用天線陣列和陣列信號(hào)處理技術(shù)來(lái)減小不同空間方向(相對(duì)于基站)用戶之間的相互干擾，從而提高通信系統(tǒng)的容量[26]。智能天線陣技術(shù)最基本的原理就是在發(fā)射或接收時(shí)，針對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)，對(duì)每個(gè)天線發(fā)射(或接收)的信號(hào)賦予一個(gè)優(yōu)化的復(fù)數(shù)權(quán)值后再進(jìn)行發(fā)射(或者接收合并處理)，這樣對(duì)每個(gè)用戶產(chǎn)生一個(gè)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(shù)，其中，WKM代表針對(duì)移動(dòng)臺(tái)UEK的第M個(gè)無(wú)線上的加權(quán)值。在智能天線陣處理中，關(guān)鍵是每個(gè)天線上復(fù)數(shù)權(quán)值的設(shè)計(jì)。上行鏈路中，基站可以通過(guò)上行鏈路接收信號(hào)對(duì)每個(gè)用戶的信道進(jìn)行信道估計(jì)，進(jìn)而用于天線陣接收權(quán)矢量的設(shè)計(jì)。但對(duì)于下行鏈路，基站需要利用每個(gè)用戶反饋的下行鏈路信道估計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)天線陣發(fā)射的權(quán)矢量。對(duì)高速率的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，移動(dòng)臺(tái)高頻率地反饋信道估計(jì)給基站從頻譜資源和實(shí)時(shí)信號(hào)處理的角度都是不可實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于TD-SCDMA系統(tǒng)，由于采用TDD技術(shù)，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(shí)隙獲得的信道估計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)天線陣權(quán)矢量。

6)TD-SCDMA系統(tǒng)中的聯(lián)合檢測(cè)技術(shù) 在TD-SCDMA系統(tǒng)中，由于對(duì)多個(gè)用戶采用了同步控制技術(shù)，多用戶信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)，時(shí)隙上是同步的，也就是說(shuō)不同用戶時(shí)隙的起始和終止時(shí)刻是對(duì)齊的，這就使得接收機(jī)在解擴(kuò)信號(hào)時(shí)，可以利用所有用戶的擴(kuò)頻碼和信道估計(jì)，考慮多個(gè)符號(hào)聯(lián)合的均衡。均衡器在實(shí)現(xiàn)所有用戶信號(hào)解擴(kuò)的同時(shí)，可以有效消除ISI和MAI。在上行鏈路信號(hào)檢測(cè)時(shí)，基站將對(duì)每個(gè)接收的空時(shí)數(shù)據(jù)塊采用均衡技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)。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(shù)的多用戶信號(hào)檢測(cè)技術(shù)稱為聯(lián)合信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。

3.2 4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

移動(dòng)通信每一代新系統(tǒng)誕生都是為了滿足科技和社會(huì)發(fā)展的需求和因?yàn)楝F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的容量達(dá)到了瓶頸。具體的來(lái)講是為了提高數(shù)據(jù)速率、支撐新業(yè)務(wù)、支撐更高的移動(dòng)性和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。對(duì)發(fā)展4G系統(tǒng)， 滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的需要、提高數(shù)據(jù)速率、發(fā)展基于IP的核心網(wǎng)和減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是其主要的驅(qū)動(dòng)力。為了達(dá)到4G系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)，LTE和LTE- Advanced系統(tǒng)采用了許多先進(jìn)的技術(shù)，筆者將主要介紹其中與空中接口和物理層處理有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

1)基于OFDM的多址技術(shù) 高數(shù)據(jù)速率的寬帶多址無(wú)線通信中，影響信號(hào)正確接收的2個(gè)主要因素是多徑傳播導(dǎo)致的ISI和多址通信導(dǎo)致的MAI。在寬帶無(wú)線傳輸中，當(dāng)信號(hào)的帶寬大于信道的相干帶寬時(shí)，信道的單位沖激響應(yīng)中會(huì)出現(xiàn)可分辨的多徑分量，從而會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)ISI。OFDM系統(tǒng)中，高速的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)S/P轉(zhuǎn)換后變成多路低速的數(shù)據(jù)流同時(shí)加載到多個(gè)相互正交的子載波上進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)低于S/P轉(zhuǎn)換前的數(shù)據(jù)速率，從而可以有效地抑制ISI。此外，OFDM系統(tǒng)非常適合用于多址通信，這是因?yàn)樵诎l(fā)射機(jī)中OFDM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)在信號(hào)處理上只需要進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的離散傅里葉反變換(IDFT)操作，相應(yīng)的接收機(jī)中可采用一個(gè)離散傅里葉變換(DFT)實(shí)現(xiàn)解調(diào)[1,18]。由于IDFT的輸入是多路并行的頻域數(shù)據(jù)，只要將輸入端分組后分配給不同的用戶使用，就可以實(shí)現(xiàn)多址通信，而OFDM系統(tǒng)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(tǒng)中，下行鏈路上將OFDM系統(tǒng)的子載波分組后分配給不同用戶使用，實(shí)現(xiàn)了下行多址傳輸，即所謂的正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)；上行鏈路中，每個(gè)用戶的基帶數(shù)據(jù)符號(hào)流經(jīng)分組、對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT操作后，進(jìn)而加載到系統(tǒng)分配給每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的子載波組上，這種多址技術(shù)稱為單載波頻分多址技術(shù)(SC-FDMA)。上行鏈路之所以沒(méi)有采用OFDMA技術(shù)是因?yàn)镺FDMA具有OFDM系統(tǒng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)：高的峰均值功率比。高的峰均值功率比要求發(fā)射機(jī)的放大器具有很大的線性動(dòng)態(tài)范圍，不僅會(huì)增加成本，還嚴(yán)重降低系統(tǒng)的功率使用效率，這在上行鏈路中對(duì)手機(jī)來(lái)講是極其不利的，因?yàn)橛脩糍?gòu)買和使用手機(jī)不僅要求手機(jī)便宜，而且要求電池壽命長(zhǎng)。上行鏈路使用SC-FDMA技術(shù)可以有效地克服OFDM系統(tǒng)的該缺點(diǎn)[19,20]。

圖13 MIMO系統(tǒng)演示

2)MIMO系統(tǒng) 在LTE和LTE-Advanced系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)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(tǒng)，是指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩端都配備了多天線，將發(fā)射端的多天線當(dāng)作多路輸入，接收端的多天線當(dāng)作多路輸出，從發(fā)射天線到接收天線的系統(tǒng)就是一個(gè)MIMO系統(tǒng)，如圖13所示。假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別配置M和N個(gè)天線，每個(gè)發(fā)射天線到每個(gè)接收天線的傳播為單路徑(對(duì)應(yīng)單個(gè)路徑系數(shù)或者說(shuō)單個(gè)路徑增益)，一個(gè)M×N的MIMO信道可以用一個(gè)M×N維的信道矩陣來(lái)代表，如式(10)所示：

(10)

其每個(gè)元素為一個(gè)路徑增益。

MIMO信道容量為[29, 30]:

(11)

式中,P為總的發(fā)射功率；P/M是對(duì)每個(gè)發(fā)送天線的功率；σ2為噪聲的方差；“det(· )”表示求行列式運(yùn)算。

盡管MIMO系統(tǒng)原本是指?jìng)鬏斝诺?，但一般所指的MIMO系統(tǒng)都是指含MIMO傳輸?shù)囊粋€(gè)整體的通信系統(tǒng)。在移動(dòng)通信中，若基站采用多天線構(gòu)成的天線陣，移動(dòng)臺(tái)含多個(gè)天線，則基站和移動(dòng)臺(tái)之間的通信系統(tǒng)按信道的傳輸模式也屬于MIMO系統(tǒng)，但一般所指的MIMO系統(tǒng)與3.1節(jié)介紹智能天線技術(shù)是不同的。MIMO系統(tǒng)中，發(fā)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(gè)空間信道的衰落具有低的互相關(guān)性或者說(shuō)相互獨(dú)立[1, 29, 30]。這里所指的一個(gè)MIMO空間信道是一個(gè)發(fā)射天線到一個(gè)接收天線的傳輸信道。也就是說(shuō)，智能天線陣系統(tǒng)利用了不同空間信道之間的高度相關(guān)性，但MIMO系統(tǒng)利用了不同空間信道之間的低相關(guān)性。

根據(jù)MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用方式，MIMO系統(tǒng)可以分為空間復(fù)用系統(tǒng)和空間分集系統(tǒng)。空間復(fù)用系統(tǒng)是指發(fā)射端加載到每個(gè)發(fā)射天線的數(shù)據(jù)流是相互對(duì)立的數(shù)據(jù)流，這樣每個(gè)接收天線可以同時(shí)接收多個(gè)數(shù)據(jù)流的信號(hào)，接收機(jī)利用空間信道間低的互相關(guān)特性來(lái)分離和提取不同發(fā)射數(shù)據(jù)流的符號(hào)。對(duì)于接收端有多個(gè)天線時(shí)，采用空間復(fù)用發(fā)射方案的MIMO系統(tǒng)在接收端可以利用多天線接收的信號(hào)進(jìn)行分集合并處理、取得空間分集增益提高傳輸質(zhì)量。也就是說(shuō)，對(duì)空間復(fù)用的MIMO系統(tǒng)，復(fù)用功能是發(fā)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(duì)空間分集MIMO系統(tǒng)，不同發(fā)射天線上發(fā)射的信號(hào)所承載的信息總體上來(lái)講是相同的，或者說(shuō)加載到不同發(fā)射天線的基帶數(shù)據(jù)流原本來(lái)自同一數(shù)據(jù)流，如同一數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)不同時(shí)延后加載到不同發(fā)射天線，或同一數(shù)據(jù)流采用某種空時(shí)編碼后加載到不同的發(fā)射天線等。這樣的MIMO系統(tǒng)，在接收機(jī)中不僅可以采用分集合并技術(shù)獲取多天線接收帶來(lái)的接收分集增益，也可以獲取多天線發(fā)射帶來(lái)的發(fā)射分集增益?？偟膩?lái)說(shuō)空間復(fù)用MIMO系統(tǒng)主要用于提高系統(tǒng)傳輸效率，而空間分集MIMO系統(tǒng)用于提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。

LTE和LTE-Advanced系統(tǒng)中，空間分集模式總是與空時(shí)分組編碼[31]結(jié)合使用的。典型的空時(shí)分組碼是Alamouti的空時(shí)分組碼[32]。對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)射數(shù)據(jù)流里2個(gè)連續(xù)時(shí)隙的復(fù)數(shù)符號(hào)[s1,s2]，Alamouti的空時(shí)編碼的結(jié)果為:

(12)

其中，第1列的數(shù)據(jù)將在前后2個(gè)時(shí)隙依次加載到第1個(gè)發(fā)射天線，第2列的數(shù)據(jù)將在前后2個(gè)時(shí)隙依次加載到第2個(gè)發(fā)射天線。從式(12)可以看出，在一個(gè)編碼塊的時(shí)間內(nèi)，2個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)所含的信息數(shù)據(jù)是相同的。

圖14 空間分集MIMO-OFDM系統(tǒng)展示

LTE和LTE-Advanced系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)是結(jié)合使用的，圖14展示一種基于空時(shí)分組碼的MIMO技術(shù)與OFDM調(diào)制相結(jié)合的MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射方案。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，由于空時(shí)分組編碼方案在頻域進(jìn)行，也通常被稱為空頻分組編碼。LTE系統(tǒng)中，基站最多為4個(gè)天線口，移動(dòng)臺(tái)最多為2個(gè)天線口；LTE-Advanced系統(tǒng)增加了基站和移動(dòng)臺(tái)允許使用的天線口，最大可以構(gòu)成8×8的MIMO系統(tǒng)。在LTE-Advanced系統(tǒng)中，為了支撐下行鏈路8天線口的發(fā)射和上行鏈路的空間復(fù)用，采用了一系列增強(qiáng)的MIMO技術(shù)。

3)載波聚合技術(shù) 在LTE向LTE-Advanced的演進(jìn)中，為了使系統(tǒng)能取得1 Gbps的下行峰值速率，需要將LTE系統(tǒng)20MHz的帶寬擴(kuò)展到100MHz，因此在LTE-Advanced系統(tǒng)中，提出了載波聚合技術(shù)[12, 34]。例如，一個(gè)100MHz帶寬的系統(tǒng)可以用5個(gè)20MHz的分量載波(CC)通過(guò)載波聚合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。LTE-Advanced系統(tǒng)中的載波聚合是在MAC層以及更高層來(lái)完成的。分量載波可以處于同一個(gè)允許頻段內(nèi)也可以分布在不同的頻段，在同一頻段內(nèi)的CC可以是連續(xù)的也可以是非連續(xù)的。LTE系統(tǒng)的頻率柵格是100kHz，即載波的中心頻率是100kHz的整數(shù)倍。對(duì)于相鄰頻帶的載波聚合，為了實(shí)現(xiàn)與LTE系統(tǒng)的兼容以及保持子載波15kHz間隔的正交性，載波聚合技術(shù)在使用過(guò)程中要求被聚合的載波的中心頻率要滿足300kHz的整數(shù)倍。

4)多點(diǎn)協(xié)作傳輸 為了減小小區(qū)之間的相互干擾、增強(qiáng)小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量或提高小區(qū)邊緣的頻譜效率，當(dāng)用戶處于小區(qū)邊緣附近的區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)可以采用與用戶較近的2個(gè)相鄰小區(qū)的基站，利用2個(gè)基站部分或全部天線，通過(guò)多點(diǎn)協(xié)作(CoMP)的方式與用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CoMP傳輸在LTE-Advanced中的引入，使得LTE-Advanced系統(tǒng)在考慮CoMP通信需求時(shí)，必須考慮MIMO系統(tǒng)中的天線布放和考慮采用CoMP技術(shù)時(shí)多小區(qū)多天線的資源聯(lián)合分配與調(diào)度。CoMP技術(shù)涉及的系統(tǒng)調(diào)度非常復(fù)雜，盡管在3GPP Release 11[35]中給出了該技術(shù)的相關(guān)協(xié)議，但具體的實(shí)施還是相當(dāng)困難的，該技術(shù)有望在5G系統(tǒng)中進(jìn)一步發(fā)展。

4 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)展望

2016年6月18日結(jié)束的ITU-R WP5D第22次會(huì)議確定了5G的名稱為IMT-2020，還確定了5G的場(chǎng)景、能力和時(shí)間表等重要內(nèi)容。5G的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化的重要時(shí)期。在我國(guó)，2013年10月國(guó)家863計(jì)劃“第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目正式啟動(dòng)了5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)，目標(biāo)是在2020年之前，系統(tǒng)地研究5G移動(dòng)通信體系架構(gòu)、無(wú)線組網(wǎng)、無(wú)線傳輸、新型天線與射頻以及新頻譜開(kāi)發(fā)與利用等關(guān)鍵技術(shù)，完成性能評(píng)估及原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)與測(cè)試，實(shí)現(xiàn)支持業(yè)務(wù)總速率10Gbps，將目前4G系統(tǒng)的頻譜、功率效率提升10倍，滿足未來(lái)10年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。由于5G發(fā)展是以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作為主要需求和驅(qū)動(dòng)力，也決定了5G的重要特征包含大數(shù)據(jù)、高峰值速率、適合多種速率、支撐密集組網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署。此外，由于現(xiàn)有移動(dòng)通信傳統(tǒng)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(jìn)行移動(dòng)通信也成為了5G研究的一個(gè)重要方向?，F(xiàn)在提出的比較典型的關(guān)鍵技術(shù)包括高頻段傳輸、新型的大規(guī)模天線技術(shù)、密集組網(wǎng)、新型的多址接入技術(shù)、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(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)支持移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)多種業(yè)務(wù)、多種速率和大數(shù)據(jù)的通信需求，利用毫米波段的頻譜來(lái)補(bǔ)充移動(dòng)通信系統(tǒng)的現(xiàn)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(jìn)行移動(dòng)通信時(shí)必須要考慮新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基站尺寸和天線布放等一系列問(wèn)題，同時(shí)還要考慮高、低頻段在通信系統(tǒng)中的分工、合作與轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。

4.2 密集網(wǎng)絡(luò)部署、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署和新的大規(guī)模MIMO技術(shù)

為了滿足5G和未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中更高數(shù)據(jù)率的通信、支撐毫米波通信、支持密集網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署、支持多點(diǎn)協(xié)作傳輸和無(wú)線電中繼傳輸?shù)?，新的大?guī)模天線技術(shù)的研究也是發(fā)展新移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了支持5G和未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)更高的峰值數(shù)據(jù)速率和更豐富的業(yè)務(wù)需求，MIMO系統(tǒng)的天線端口數(shù)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(shù)中進(jìn)行考慮。新的MIMO技術(shù)還需要研究獨(dú)立和分組天線的調(diào)度，以支持多點(diǎn)分組協(xié)作通信和多速率、多頻段通信。大規(guī)模天線和密集型組網(wǎng)還會(huì)導(dǎo)致空間多信道傳輸之間的相互干擾顯著增加，MIMO系統(tǒng)的抗干擾研究也是非常重要的課題。

在5G和未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了支持大數(shù)據(jù)、高峰值數(shù)據(jù)速率和多種數(shù)據(jù)速率傳輸、支撐毫米波段通信和多頻段通信，密集型網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署會(huì)給無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)性的課題。新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、協(xié)作通信與抗干擾技術(shù)研究、復(fù)雜和多功能的系統(tǒng)管理與調(diào)度以及多模多功能智能終端的研發(fā)都是在未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展中需要研究的重要技術(shù)。

4.3 全雙工和新的多址接入

近年來(lái)，同時(shí)同頻雙工(即全雙工)以及新的多址接入技術(shù)已成為了5G研發(fā)中的熱點(diǎn)。全雙工是指收發(fā)機(jī)可以同時(shí)同頻收發(fā)信號(hào)，這可以極大提高系統(tǒng)的頻譜效率和容量，但對(duì)收、發(fā)之間干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。為了滿足未來(lái)系統(tǒng)更高峰值數(shù)據(jù)率的傳輸要求，新的多址的研究也非常重要。目前針對(duì)5G系統(tǒng)所研究的多址技術(shù)主要包括非正交多址(NOMA)技術(shù)[36]、稀疏碼多址(SCMA)技術(shù)[37]、濾波器組多載波(FBMC)技術(shù)[38]等。

4.4 終端對(duì)終端(D2D)直接通信

傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，是以基站為中心，以中繼站作為補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無(wú)法移動(dòng)且數(shù)目有限，對(duì)通信系統(tǒng)的靈活性和系統(tǒng)容量都產(chǎn)生了很大的限制。終端直接通信，即終端對(duì)終端(D2D)通信，可以極大地提高系統(tǒng)容量，增強(qiáng)中繼的靈活性，降低系統(tǒng)時(shí)延和加大網(wǎng)路覆蓋。但D2D系統(tǒng)需要終端具有更豐富的功能，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理和調(diào)度提出了一系列新的課題。

5 結(jié)語(yǔ)

從第1代蜂窩系統(tǒng)開(kāi)始商用至今，移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展僅僅才不到40年，但其發(fā)展規(guī)模和對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)卻呈爆炸式地噴張，同時(shí)它還極大改變了現(xiàn)在人們的通訊模式和生活模式。每一代新系統(tǒng)的出現(xiàn)，都會(huì)極大地提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和移動(dòng)性，支持新的業(yè)務(wù)需求和更多的業(yè)務(wù)服務(wù)。移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展和演進(jìn)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的空中接口技術(shù)，物理層技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)。在3G和4G的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，許多先進(jìn)的信號(hào)傳輸和信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用有效地提升了系統(tǒng)的先進(jìn)性。5G和未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能將更豐富、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會(huì)更復(fù)雜、需要解決的關(guān)鍵技術(shù)也越來(lái)越多。網(wǎng)絡(luò)的綜合性和多樣性、網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)的智能性、極高數(shù)據(jù)率和多數(shù)據(jù)率傳輸、海量數(shù)據(jù)通信都會(huì)給未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)研發(fā)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。

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[編輯] 易國(guó)華

2017-01-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61672395)。

李平安(1965-)，男，博士，教授，現(xiàn)主要從事通信與信號(hào)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(dòng)通信的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)介紹[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(9)：1～12.