1.1 移動通信系統進展

1.1.1 移動通信技術發展回顧

移動通信技術和互聯網技術是20世紀末促進人類社會飛速發展的最重要的兩項技術，它們給人們的生活方式、工作方式以及社會的政治、經濟都帶來了巨大的影響。移動通信技術在過去30多年時間里得到了迅猛發展，特別是進入20世紀90年代以后，地面蜂窩移動通信系統以異乎尋常的速度得到了大規模的普及應用，成為包括發達國家和發展中國家在內的全球2/3以上人口所使用的真正的公眾移動通信系統。

移動通信以其通信終端的移動性為最基本的特征，從移動通信技術的發展歷程來看，對移動通信系統動態特性的追求和滿足是最重要的技術發展方向和研究線索。移動通信的動態特性主要包括3個方面：①信道的動態性，移動通信的傳播信道具有開放性、環境復雜性和信道參量動態時變的特點；②用戶的動態性，移動通信的用戶具有移動性和個人化服務的特性；③業務的動態性，移動通信可提供各種業務類型服務并可動態選擇[1]。

結合移動通信的動態特性和業務應用需求，可以把現代移動通信系統設計中通常需考慮的重要特性歸納如下：①無線頻率資源的有限性，即無線頻率資源是稀缺資源；②移動通信信道的復雜和時變的特性；③無線信道的開放性，使得系統中所有用戶可獨立地共享信道資源；④用戶終端的移動性，用戶可以處于移動、游牧或者固定狀態；⑤用戶激活的隨機性，用戶業務數據可以在任何時間、位置發起并進行通信；⑥用戶數據的突發性，用戶業務數據的激活期遠小于靜默期；⑦用戶終端類型和業務的多樣性以及不同系統之間的互聯互通特性。隨著信息與通信事業的不斷發展，在現代移動通信系統中，這些特點將越來越明顯、越來越普遍。

蜂窩概念的引入是解決移動通信系統容量和覆蓋問題的一個重大突破。蜂窩系統的提出與實現，使得移動通信技術能夠真正為廣大公眾提供服務。當然，蜂窩系統帶來的好處是以復雜的網絡及無線資源管理技術為代價的。這一點也是現代移動通信系統的另一個非常重要的特點。自1979年美國芝加哥第一臺模擬蜂窩移動電話系統試驗成功至今，移動通信系統已經經歷了4個時代[5]，正向著第五代邁進[12]。

第一代移動通信系統是模擬蜂窩系統，它采用頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技術，典型特征見表1-1。第一代移動通信系統打破了傳統的大區制無線電廣播和無線電臺的技術理念，基于蜂窩結構的頻率復用組網方案，提升了頻譜利用的效率，基本保證了移動場景下話音業務的連續性，為移動通信的快速普及和應用奠定了基礎。典型的第一代通信系統有北美的高級移動電話系統（Advanced Mobile Phone System，AMPS）、英國的全接入通信系統（Total Access Communication System，TACS）等。第一代通信系統在20世紀80年代初實現了蜂窩網的商業化，并于90年代末退出歷史舞臺，是移動通信發展史上重要的里程碑。模擬蜂窩系統的缺點是容量小、業務種類單一（話音業務）、傳輸質量不高、保密性差、制式不統一，且設備難以小型化。

第二代移動通信系統是窄帶數字蜂窩系統，它采用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）或碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技術，其典型特征見表1-2。典型的系統有歐洲的GSM（采用TDMA技術，20世紀90年代初期商用）系統、北美的IS-95（采用CDMA技術，20世紀90年代中期商用）系統等。第二代移動通信系統在容量和性能上都比第一代系統有了很大的提高，不僅可以提供話音業務，還可以提供低速數據業務。第二代移動通信系統使移動通信得到了廣泛的應用和普及，取得了商業上的巨大成功。第二代移動通信系統的技術和性能還在不斷地演進和提高，形成了全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）的演進版本通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）和增強型數據速率GSM演進（EDGE），以及CDMA的演進版本CDMA1x，以提供更高速率的電路和分組數據業務。從1990年商用到2014年，全球范圍內通過第二代移動通信系統接入的用戶數超過40億戶。

但是，由于第二代移動通信系統的主要技術存在固有局限，系統容量和所能提供的通信業務服務難以滿足個人通信應用高速增長的需求。市場需求和技術進步，使得移動通信系統向第三代系統發展。

第三代移動通信系統開啟了由以話音業務為主向以數據業務為主的移動通信發展時代的轉變。第三代移動通信標準的討論始于20世紀90年代，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）在2000年5月召開的全球無線電大會（WRC-2000）上正式批準了第三代移動通信系統（International Mobile Telecommunication 2000，IMT-2000）的無線接口技術規范建議（IMT-RSCP），此規范建議了5種技術標準。其中，有兩種是TDMA技術：SC-TDMA（美國的UMC-136）和MC-TDMA（歐洲的EP-DECT）；另外3種是CDMA技術：MC-CDMA（即cdma2000），DS-CDMA（即WCDMA）和CDMA TDD（包括TD-SCDMA和UTRA TDD）。2007年，IEEE基于OFDM技術提出的WiMAX標準成為另一種新的第三代移動通信標準。

3種CDMA技術分別受到兩個國際標準化組織——3GPP（3rd Generation Partnership Project）和3GPP2的支持：3GPP負責DS-CDMA和CDMA TDD的標準化工作，分別稱為3GPP FDD（Frequency Division Duplex，頻分雙工）和3GPP TDD（Time Division Duplex，時分雙工）；3GPP2負責MC-CDMA，即cdma2000的標準化工作。由此形成了全球公認的第三代移動通信的3個國際標準及其商用系統，即WCDMA、TD-SCDMA和cdma2000。在中國，這3個標準的系統分別由中國移動（TD-SCDMA）、中國電信（cdma2000）和中國聯通（WCDMA）建設和運營。IEEE支持的基于OFDM技術的WiMAX，在以往寬帶接入技術的基礎上發展起來，并在部分新興運營商中得到了一定的部署和應用。

1998年，原信息產業部電信科學技術研究院（大唐電信科技產業集團）在原郵電部的領導和支持下，代表我國向ITU提出了第三代移動通信TD-SCDMA（Time Division Duplex-Synchronous CDMA）標準建議。1999年11月，在芬蘭赫爾辛基舉行的國際電信聯盟無線電通信部門（ITU-R）會議上，TD-SCDMA標準提案被寫入第三代移動通信無線接口技術規范的建議中。2000年5月，世界無線電行政大會正式批準接納TD-SCDMA為第三代移動通信國際標準之一。這是我國第一次在國際上完整地提出自己的電信技術標準建議，是我國電信技術的重大突破。1999—2001年，3GPP組織開展了大量的技術融合和具體的規范制定工作。通過近兩年國內外企業和機構的緊密合作，2001年3月，TD-SCDMA成為3GPP R4的一個組成部分，形成了完整的TD-SCDMA第三代移動通信國際標準。

以CDMA為最主要技術特征的第三代移動通信系統實現了更大的系統帶寬，面向以分組交換為主的業務，更加廣泛的話音、短信、多媒體和數據業務，初期設計目標為高速移動環境下支持144kbit/s，低速移動環境下支持2Mbit/s；后續版本中，陸續推出了高速下行分組接入（High Speed Downlink Packet Access，HSDPA）、高速上行分組接入（High Speed Uplink Packet Access，HSUPA）以及增強型高速分組接入（High Speed Packet Access+，HSPA+）特性，數據通信能力進一步提升。第三代數字蜂窩移動通信系統的典型特征見表1-3。

雖然第三代移動通信系統能夠較好地支持數據業務的開展，但隨著社會和經濟的發展，人們對更高數據率的通信的需求越來越迫切。由于基于CDMA技術的第三代移動通信系統在支持更大帶寬和多天線信號處理上存在復雜度較高等缺點，第四代移動通信系統標準化制定被提上議程。

3GPP于2005年3月正式啟動了空口技術的長期演進（Long Term Evolution，LTE）項目，并于2008年12月發布了LTE第一個商用版本R8系列規范，截至2014年年底，共發布了R9、R10、R11和R124個增強型規范，并將持續進行后續版本演進。雖然業界通常將LTE稱為第四代移動通信標準，但嚴格意義上，LTE的R10以后的版本（也稱為LTE-Advanced）才是真正滿足ITU對第四代移動通信標準性能指標要求的規范。LTE-Advanced在LTE早期版本的基礎上進一步增加了系統帶寬（到100MHz），并通過多天線、中繼等技術提升頻譜效率和覆蓋，增強系統性能。

LTE系統的目標是以OFDM和MIMO為主要技術基礎，開發出滿足更低傳輸時延、提供更高用戶傳輸速率、增加容量和覆蓋、減少運營費用、優化網絡架構、采用更大載波帶寬，并優化分組數據域傳輸的移動通信標準。LTE/LTE-Advanced標準分為FDD和TDD兩種模式，其中TDD模式作為TD-SCDMA系統的后續演進技術與標準，其核心技術由中國廠商所主導，也被稱為TD-LTE/LTE-Advanced。

ITU針對4G移動通信系統提出了比之前的幾代通信系統更高的要求。

●超高速率，低速移動環境下支持1Gbit/s，高移動環境下支持100Mbit/s的速率；

●超大帶寬，最大支持100MHz系統帶寬；

●超大容量，系統支持話音業務（VoIP）容量達到50用戶/（MHz·小區），對應40MHz系統需要支持2000個用戶；

●無縫覆蓋能力，需要支持室內、密集城區、普通城區、郊區等場景的無縫覆蓋，最高移動速率達350km/h；

●超高頻譜效率和一致用戶體驗，對室內、密集城區、普通城區、郊區等場景的平均頻譜效率和邊緣頻譜效率提出了苛刻的指標要求，見表1-4。

ITU第四代移動通信標準化歷程如下：2005年10月，在芬蘭赫爾辛基舉行的WP8F第17次會議上，ITU-R WP8F正式將System Beyond IMT-2000命名為IMT-Advanced；2008年2月，ITU-R WP5D完成了IMT-Advanced的需求定義，發出了征集IMT-Advanced候選技術提案的通函；2009年10月，WP5D完成了候選技術提案的征集提交，并開始了后續評估和標準融合開發工作，中國提交了3GPP LTE-Advanced技術的TDD部分，即TD-LTE-Advanced技術；2010年10月，在中國重慶舉辦的ITU-R WP5D第九次會議上，3GPP開發的LTE-Advanced（包括TD-LTE-Advanced和LTE-Advanced FDD）和IEEE為主的OFDMA-WMAN-Advanced（WiMAX的演進版本）被正式采納為全球4G核心標準；2012年1月，ITU正式發布了4G標準第一個版本。TD-LTE-Advanced成為繼TD-SCDMA之后的又一個中國主導的移動通信國際標準。

LTE-Advanced以傳統的2G及3G系統為基礎，具有更強的產業基礎，在后續的商用化進程中很快體現出了強勁的競爭力，成為目前業界主流的4G標準。OFDMA-WMANAdvanced由于缺乏主流運營商和產業鏈的支持，已經停止開發演進版本，已部署的網絡系統將向TD-LTE-Advanced路線演進。2013年年底，我國同時向3家運營商正式發放了3張TD-LTE 4G牌照，截止到2014年12月，全球LTE用戶數超過2億戶，我國TD-LTE用戶數超過了8000萬戶。第四代移動通信技術的特征總結見表1-5。

1.1.2 5G發展趨勢和驅動力

從業務和市場角度來說，移動互聯網和物聯網是未來移動通信發展的兩大驅動力，將為5G發展提供廣闊的前景。移動通信系統從傳統的電路域話音業務逐漸拓展到移動寬帶業務，其應用領域不斷拓展。移動互聯網顛覆了傳統的移動通信模式，為用戶提供了前所未有的使用體驗，在5G時代，移動互聯網應用的深度和廣度將會得到更大擴展，深刻地影響人類社會生活的方方面面。物聯網擴展了移動通信的應用范圍，從人與人的通信延伸到人與物、物與物的智能互聯，使移動通信技術滲透至更加廣闊的行業和領域。支持超高速率和超大流量密度為移動互聯網的發展需求，而支持上千億的海量物聯網終端設備連接以及更加苛刻的時延可靠性要求為移動物聯網的發展需求。1G到5G的支撐業務類型變化如圖1-1所示。

從技術發展角度來說，縱觀歷代移動通信的發展歷程，移動通信系統設計的趨勢為：依托計算處理能力和設備器件水平的提升，不斷利用更先進的信號處理技術，提升系統帶寬，提高系統頻譜效率和業務能力，滿足人類社會信息通信的需求。

如圖1-2所示，縱觀1G到4G，為了提高頻譜效率和傳輸速率，技術越來越復雜化和多樣化，但是復雜度與集成電路和設備器件水平相匹配以使網絡和終端成本可接受，由于計算和存儲能力近年來以每18個月提升1倍的速度快速發展，那么，可以預測，2020年以后商用的5G技術的計算復雜度和對存儲的要求相比4G將有約100倍的提升，我們可以充分利用這一空間來設計更先進的算法以提升鏈路性能。

從頻譜資源來看，由于移動互聯網和物聯網應用的快速發展，未來超千倍的流量增長和千億設備實時連接，以及為用戶提供超高速速率體驗，對頻譜資源提出了極高的需求。5G將全面支持ITU WRC-15和WRC-19為移動通信新劃分的頻段以及WRC-07之前劃分的現有頻段，可支持的頻率范圍將為400MHz～100GHz。

對于5G系統，由于應用范圍和領域的拓展，加上2G、3G和4G技術長期并存，5G將是一個多種空中接口融合的系統，通過多種接入技術和空口的有機融合滿足未來社會方方面面的需求，例如包括待機10年成本極低的傳感器接入，支持峰值速率Gbit/s級的虛擬現實業務的實時傳遞，及支持幾百字節小數據分組的抄表業務，也需要支持ms級時延以及幾乎100%可靠性的遠程心臟搭橋手術操作業務。

1.1.3 5G愿景[16]

移動通信系統經歷了30多年的發展，其應用已經非常普及，隨著技術的進步，其應用會更加廣泛。5G將以可持續發展的方式，滿足未來超千倍的移動數據增長需求，并將為用戶提供光纖般的接入速率、“零”時延的使用體驗、千億設備的連接能力、超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性等多場景的一致服務，業務及用戶感知的智能優化，同時也將為網絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，并最終實現“信息隨心至，萬物觸手及”的5G愿景（如圖1-3所示）。未來無線移動通信系統在人類社會中將發揮更加重要的作用，其愿景總結為以下4個方面。

（1）人類社會生態的無線信息流通系統（廣泛應用領域）

移動通信技術將在未來社會的各個方面發揮重要作用，包括應對氣候變暖、減少數字鴻溝、降低環境污染等，同時也將在公共安全、醫療衛生、現代教育、智能交通、智能電網、智慧城市、現代物流、現代農業、現代金融等領域發揮重要作用。

移動通信技術帶動的智能終端和移動互聯網應用，以及未來個人視聽消費電子與IMT的結合，將對游戲娛樂、媒體和出版、報刊業以及廣告業產生重要影響?；谟芯€和無線網絡的電子商務和互聯網金融，將對零售業和金融業產生重大影響。

移動通信技術將成為未來人類社會生態賴以正常運轉的無線信息流通系統，如果缺少了這個系統的支撐，整個人類社會機器都將難以高效運轉。

（2）連接世界的無線通道（泛在連接）

未來的移動通信技術將打破傳統的人與人通信模式，成為連接世界萬物的通道。有了這個通道，世界將變成一個泛在連接的智能高效社會。移動通信技術可以作為人的感官的延伸，擴展人的聽覺、視覺到達世界的任何角落，使每個人可以與世界上所有的人和物建立直接的聯系。

物聯網或者器件連接是未來信息社會最重要的特征，移動通信技術由于其優越的系統性能、便捷的連接方式、巨大的規模效應等諸多優勢，必將在未來的物聯社會中發揮重要作用。

（3）人們生活的信息中心（豐富的應用）

從誕生以來，手機最重要的功能是人與人的基本溝通。對個人而言，未來手機的功能和形態將極大地拓展，休閑、娛樂、辦公、旅游、購物、支付、銀行、醫療、健康、出行、智能家居控制等個人生活的方方面面，都需要手機、平板電腦、可穿戴設備等各種形態的移動終端。移動終端甚至包含個人的信用、身份等重要信息。

移動終端將成為人們生活的信息中心，而未來的移動通信系統需要為這些功能提供便利、可靠、安全的通信保證。

（4）保證通信權利的基礎設施（基礎設施）

隨著移動通信技術的快速發展以及規模效應的出現，通信對人類社會的重要性和價值將超越通信本身，為了保證社會的正常高效運轉，未來移動通信將不再是其剛出現時的一種奢侈的服務。與水電供應設施類似，移動通信網絡和設備將成為人類生活的基礎設施，為人們提供基礎性的服務。未來通信系統將超過現有的緊急通信范圍，發揮其社會責任，提供更多的基本通信服務保證。當然，移動通信作為商業運營系統，將必不可少地提供更豐富多彩的高附加值業務，這也是促使技術進步的主要動力。