1.1 移动通信系统进展

1.1.1 移动通信技术发展回顾

移动通信技术和互联网技术是20世纪末促进人类社会飞速发展的最重要的两项技术，它们给人们的生活方式、工作方式以及社会的政治、经济都带来了巨大的影响。移动通信技术在过去30多年时间里得到了迅猛发展，特别是进入20世纪90年代以后，地面蜂窝移动通信系统以异乎寻常的速度得到了大规模的普及应用，成为包括发达国家和发展中国家在内的全球2/3以上人口所使用的真正的公众移动通信系统。

移动通信以其通信终端的移动性为最基本的特征，从移动通信技术的发展历程来看，对移动通信系统动态特性的追求和满足是最重要的技术发展方向和研究线索。移动通信的动态特性主要包括3个方面：①信道的动态性，移动通信的传播信道具有开放性、环境复杂性和信道参量动态时变的特点；②用户的动态性，移动通信的用户具有移动性和个人化服务的特性；③业务的动态性，移动通信可提供各种业务类型服务并可动态选择[1]。

结合移动通信的动态特性和业务应用需求，可以把现代移动通信系统设计中通常需考虑的重要特性归纳如下：①无线频率资源的有限性，即无线频率资源是稀缺资源；②移动通信信道的复杂和时变的特性；③无线信道的开放性，使得系统中所有用户可独立地共享信道资源；④用户终端的移动性，用户可以处于移动、游牧或者固定状态；⑤用户激活的随机性，用户业务数据可以在任何时间、位置发起并进行通信；⑥用户数据的突发性，用户业务数据的激活期远小于静默期；⑦用户终端类型和业务的多样性以及不同系统之间的互联互通特性。随着信息与通信事业的不断发展，在现代移动通信系统中，这些特点将越来越明显、越来越普遍。

蜂窝概念的引入是解决移动通信系统容量和覆盖问题的一个重大突破。蜂窝系统的提出与实现，使得移动通信技术能够真正为广大公众提供服务。当然，蜂窝系统带来的好处是以复杂的网络及无线资源管理技术为代价的。这一点也是现代移动通信系统的另一个非常重要的特点。自1979年美国芝加哥第一台模拟蜂窝移动电话系统试验成功至今，移动通信系统已经经历了4个时代[5]，正向着第五代迈进[12]。

第一代移动通信系统是模拟蜂窝系统，它采用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术，典型特征见表1-1。第一代移动通信系统打破了传统的大区制无线电广播和无线电台的技术理念，基于蜂窝结构的频率复用组网方案，提升了频谱利用的效率，基本保证了移动场景下话音业务的连续性，为移动通信的快速普及和应用奠定了基础。典型的第一代通信系统有北美的高级移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）、英国的全接入通信系统（Total Access Communication System，TACS）等。第一代通信系统在20世纪80年代初实现了蜂窝网的商业化，并于90年代末退出历史舞台，是移动通信发展史上重要的里程碑。模拟蜂窝系统的缺点是容量小、业务种类单一（话音业务）、传输质量不高、保密性差、制式不统一，且设备难以小型化。

第二代移动通信系统是窄带数字蜂窝系统，它采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）或码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术，其典型特征见表1-2。典型的系统有欧洲的GSM（采用TDMA技术，20世纪90年代初期商用）系统、北美的IS-95（采用CDMA技术，20世纪90年代中期商用）系统等。第二代移动通信系统在容量和性能上都比第一代系统有了很大的提高，不仅可以提供话音业务，还可以提供低速数据业务。第二代移动通信系统使移动通信得到了广泛的应用和普及，取得了商业上的巨大成功。第二代移动通信系统的技术和性能还在不断地演进和提高，形成了全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）的演进版本通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）和增强型数据速率GSM演进（EDGE），以及CDMA的演进版本CDMA1x，以提供更高速率的电路和分组数据业务。从1990年商用到2014年，全球范围内通过第二代移动通信系统接入的用户数超过40亿户。

但是，由于第二代移动通信系统的主要技术存在固有局限，系统容量和所能提供的通信业务服务难以满足个人通信应用高速增长的需求。市场需求和技术进步，使得移动通信系统向第三代系统发展。

第三代移动通信系统开启了由以话音业务为主向以数据业务为主的移动通信发展时代的转变。第三代移动通信标准的讨论始于20世纪90年代，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在2000年5月召开的全球无线电大会（WRC-2000）上正式批准了第三代移动通信系统（International Mobile Telecommunication 2000，IMT-2000）的无线接口技术规范建议（IMT-RSCP），此规范建议了5种技术标准。其中，有两种是TDMA技术：SC-TDMA（美国的UMC-136）和MC-TDMA（欧洲的EP-DECT）；另外3种是CDMA技术：MC-CDMA（即cdma2000），DS-CDMA（即WCDMA）和CDMA TDD（包括TD-SCDMA和UTRA TDD）。2007年，IEEE基于OFDM技术提出的WiMAX标准成为另一种新的第三代移动通信标准。

3种CDMA技术分别受到两个国际标准化组织——3GPP（3rd Generation Partnership Project）和3GPP2的支持：3GPP负责DS-CDMA和CDMA TDD的标准化工作，分别称为3GPP FDD（Frequency Division Duplex，频分双工）和3GPP TDD（Time Division Duplex，时分双工）；3GPP2负责MC-CDMA，即cdma2000的标准化工作。由此形成了全球公认的第三代移动通信的3个国际标准及其商用系统，即WCDMA、TD-SCDMA和cdma2000。在中国，这3个标准的系统分别由中国移动（TD-SCDMA）、中国电信（cdma2000）和中国联通（WCDMA）建设和运营。IEEE支持的基于OFDM技术的WiMAX，在以往宽带接入技术的基础上发展起来，并在部分新兴运营商中得到了一定的部署和应用。

1998年，原信息产业部电信科学技术研究院（大唐电信科技产业集团）在原邮电部的领导和支持下，代表我国向ITU提出了第三代移动通信TD-SCDMA（Time Division Duplex-Synchronous CDMA）标准建议。1999年11月，在芬兰赫尔辛基举行的国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）会议上，TD-SCDMA标准提案被写入第三代移动通信无线接口技术规范的建议中。2000年5月，世界无线电行政大会正式批准接纳TD-SCDMA为第三代移动通信国际标准之一。这是我国第一次在国际上完整地提出自己的电信技术标准建议，是我国电信技术的重大突破。1999—2001年，3GPP组织开展了大量的技术融合和具体的规范制定工作。通过近两年国内外企业和机构的紧密合作，2001年3月，TD-SCDMA成为3GPP R4的一个组成部分，形成了完整的TD-SCDMA第三代移动通信国际标准。

以CDMA为最主要技术特征的第三代移动通信系统实现了更大的系统带宽，面向以分组交换为主的业务，更加广泛的话音、短信、多媒体和数据业务，初期设计目标为高速移动环境下支持144kbit/s，低速移动环境下支持2Mbit/s；后续版本中，陆续推出了高速下行分组接入（High Speed Downlink Packet Access，HSDPA）、高速上行分组接入（High Speed Uplink Packet Access，HSUPA）以及增强型高速分组接入（High Speed Packet Access+，HSPA+）特性，数据通信能力进一步提升。第三代数字蜂窝移动通信系统的典型特征见表1-3。

虽然第三代移动通信系统能够较好地支持数据业务的开展，但随着社会和经济的发展，人们对更高数据率的通信的需求越来越迫切。由于基于CDMA技术的第三代移动通信系统在支持更大带宽和多天线信号处理上存在复杂度较高等缺点，第四代移动通信系统标准化制定被提上议程。

3GPP于2005年3月正式启动了空口技术的长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目，并于2008年12月发布了LTE第一个商用版本R8系列规范，截至2014年年底，共发布了R9、R10、R11和R124个增强型规范，并将持续进行后续版本演进。虽然业界通常将LTE称为第四代移动通信标准，但严格意义上，LTE的R10以后的版本（也称为LTE-Advanced）才是真正满足ITU对第四代移动通信标准性能指标要求的规范。LTE-Advanced在LTE早期版本的基础上进一步增加了系统带宽（到100MHz），并通过多天线、中继等技术提升频谱效率和覆盖，增强系统性能。

LTE系统的目标是以OFDM和MIMO为主要技术基础，开发出满足更低传输时延、提供更高用户传输速率、增加容量和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、采用更大载波带宽，并优化分组数据域传输的移动通信标准。LTE/LTE-Advanced标准分为FDD和TDD两种模式，其中TDD模式作为TD-SCDMA系统的后续演进技术与标准，其核心技术由中国厂商所主导，也被称为TD-LTE/LTE-Advanced。

ITU针对4G移动通信系统提出了比之前的几代通信系统更高的要求。

●超高速率，低速移动环境下支持1Gbit/s，高移动环境下支持100Mbit/s的速率；

●超大带宽，最大支持100MHz系统带宽；

●超大容量，系统支持话音业务（VoIP）容量达到50用户/（MHz·小区），对应40MHz系统需要支持2000个用户；

●无缝覆盖能力，需要支持室内、密集城区、普通城区、郊区等场景的无缝覆盖，最高移动速率达350km/h；

●超高频谱效率和一致用户体验，对室内、密集城区、普通城区、郊区等场景的平均频谱效率和边缘频谱效率提出了苛刻的指标要求，见表1-4。

ITU第四代移动通信标准化历程如下：2005年10月，在芬兰赫尔辛基举行的WP8F第17次会议上，ITU-R WP8F正式将System Beyond IMT-2000命名为IMT-Advanced；2008年2月，ITU-R WP5D完成了IMT-Advanced的需求定义，发出了征集IMT-Advanced候选技术提案的通函；2009年10月，WP5D完成了候选技术提案的征集提交，并开始了后续评估和标准融合开发工作，中国提交了3GPP LTE-Advanced技术的TDD部分，即TD-LTE-Advanced技术；2010年10月，在中国重庆举办的ITU-R WP5D第九次会议上，3GPP开发的LTE-Advanced（包括TD-LTE-Advanced和LTE-Advanced FDD）和IEEE为主的OFDMA-WMAN-Advanced（WiMAX的演进版本）被正式采纳为全球4G核心标准；2012年1月，ITU正式发布了4G标准第一个版本。TD-LTE-Advanced成为继TD-SCDMA之后的又一个中国主导的移动通信国际标准。

LTE-Advanced以传统的2G及3G系统为基础，具有更强的产业基础，在后续的商用化进程中很快体现出了强劲的竞争力，成为目前业界主流的4G标准。OFDMA-WMANAdvanced由于缺乏主流运营商和产业链的支持，已经停止开发演进版本，已部署的网络系统将向TD-LTE-Advanced路线演进。2013年年底，我国同时向3家运营商正式发放了3张TD-LTE 4G牌照，截止到2014年12月，全球LTE用户数超过2亿户，我国TD-LTE用户数超过了8000万户。第四代移动通信技术的特征总结见表1-5。

1.1.2 5G发展趋势和驱动力

从业务和市场角度来说，移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大驱动力，将为5G发展提供广阔的前景。移动通信系统从传统的电路域话音业务逐渐拓展到移动宽带业务，其应用领域不断拓展。移动互联网颠覆了传统的移动通信模式，为用户提供了前所未有的使用体验，在5G时代，移动互联网应用的深度和广度将会得到更大扩展，深刻地影响人类社会生活的方方面面。物联网扩展了移动通信的应用范围，从人与人的通信延伸到人与物、物与物的智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。支持超高速率和超大流量密度为移动互联网的发展需求，而支持上千亿的海量物联网终端设备连接以及更加苛刻的时延可靠性要求为移动物联网的发展需求。1G到5G的支撑业务类型变化如图1-1所示。

从技术发展角度来说，纵观历代移动通信的发展历程，移动通信系统设计的趋势为：依托计算处理能力和设备器件水平的提升，不断利用更先进的信号处理技术，提升系统带宽，提高系统频谱效率和业务能力，满足人类社会信息通信的需求。

如图1-2所示，纵观1G到4G，为了提高频谱效率和传输速率，技术越来越复杂化和多样化，但是复杂度与集成电路和设备器件水平相匹配以使网络和终端成本可接受，由于计算和存储能力近年来以每18个月提升1倍的速度快速发展，那么，可以预测，2020年以后商用的5G技术的计算复杂度和对存储的要求相比4G将有约100倍的提升，我们可以充分利用这一空间来设计更先进的算法以提升链路性能。

从频谱资源来看，由于移动互联网和物联网应用的快速发展，未来超千倍的流量增长和千亿设备实时连接，以及为用户提供超高速速率体验，对频谱资源提出了极高的需求。5G将全面支持ITU WRC-15和WRC-19为移动通信新划分的频段以及WRC-07之前划分的现有频段，可支持的频率范围将为400MHz～100GHz。

对于5G系统，由于应用范围和领域的拓展，加上2G、3G和4G技术长期并存，5G将是一个多种空中接口融合的系统，通过多种接入技术和空口的有机融合满足未来社会方方面面的需求，例如包括待机10年成本极低的传感器接入，支持峰值速率Gbit/s级的虚拟现实业务的实时传递，及支持几百字节小数据分组的抄表业务，也需要支持ms级时延以及几乎100%可靠性的远程心脏搭桥手术操作业务。

1.1.3 5G愿景[16]

移动通信系统经历了30多年的发展，其应用已经非常普及，随着技术的进步，其应用会更加广泛。5G将以可持续发展的方式，满足未来超千倍的移动数据增长需求，并将为用户提供光纤般的接入速率、“零”时延的使用体验、千亿设备的连接能力、超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同时也将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，并最终实现“信息随心至，万物触手及”的5G愿景（如图1-3所示）。未来无线移动通信系统在人类社会中将发挥更加重要的作用，其愿景总结为以下4个方面。

（1）人类社会生态的无线信息流通系统（广泛应用领域）

移动通信技术将在未来社会的各个方面发挥重要作用，包括应对气候变暖、减少数字鸿沟、降低环境污染等，同时也将在公共安全、医疗卫生、现代教育、智能交通、智能电网、智慧城市、现代物流、现代农业、现代金融等领域发挥重要作用。

移动通信技术带动的智能终端和移动互联网应用，以及未来个人视听消费电子与IMT的结合，将对游戏娱乐、媒体和出版、报刊业以及广告业产生重要影响。基于有线和无线网络的电子商务和互联网金融，将对零售业和金融业产生重大影响。

移动通信技术将成为未来人类社会生态赖以正常运转的无线信息流通系统，如果缺少了这个系统的支撑，整个人类社会机器都将难以高效运转。

（2）连接世界的无线通道（泛在连接）

未来的移动通信技术将打破传统的人与人通信模式，成为连接世界万物的通道。有了这个通道，世界将变成一个泛在连接的智能高效社会。移动通信技术可以作为人的感官的延伸，扩展人的听觉、视觉到达世界的任何角落，使每个人可以与世界上所有的人和物建立直接的联系。

物联网或者器件连接是未来信息社会最重要的特征，移动通信技术由于其优越的系统性能、便捷的连接方式、巨大的规模效应等诸多优势，必将在未来的物联社会中发挥重要作用。

（3）人们生活的信息中心（丰富的应用）

从诞生以来，手机最重要的功能是人与人的基本沟通。对个人而言，未来手机的功能和形态将极大地拓展，休闲、娱乐、办公、旅游、购物、支付、银行、医疗、健康、出行、智能家居控制等个人生活的方方面面，都需要手机、平板电脑、可穿戴设备等各种形态的移动终端。移动终端甚至包含个人的信用、身份等重要信息。

移动终端将成为人们生活的信息中心，而未来的移动通信系统需要为这些功能提供便利、可靠、安全的通信保证。

（4）保证通信权利的基础设施（基础设施）

随着移动通信技术的快速发展以及规模效应的出现，通信对人类社会的重要性和价值将超越通信本身，为了保证社会的正常高效运转，未来移动通信将不再是其刚出现时的一种奢侈的服务。与水电供应设施类似，移动通信网络和设备将成为人类生活的基础设施，为人们提供基础性的服务。未来通信系统将超过现有的紧急通信范围，发挥其社会责任，提供更多的基本通信服务保证。当然，移动通信作为商业运营系统，将必不可少地提供更丰富多彩的高附加值业务，这也是促使技术进步的主要动力。