移動通信的發(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)

移動通信的發(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)

在回顧移動通信發(fā)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(tǒng)發(fā)展的背景以及各代移動通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。詳細(xì)討論了3G和4G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，展望了5G及后續(xù)移動通信系統(tǒng)的發(fā)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(fā)達(dá)和發(fā)展中國家推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主力軍。移動通信對國民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)不僅在其自身龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，也來自移動通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合誕生的移動互聯(lián)網(wǎng)給各行各業(yè)帶來的巨大經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jìn)行2個最早的蜂窩系統(tǒng)——先進(jìn)的移動電話服務(wù)(AMSP)和美國無線電話服務(wù)(ARTS)系統(tǒng)的測試至今，移動通信系統(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)給世界移動通信帶來了蓬勃的發(fā)展。在我國，移動通信的高速發(fā)展起始于3G概念的出現(xiàn)。從2000年5月ITU宣布具有中國自主知識產(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，不僅移動通信技術(shù)在我國得到了迅速發(fā)展，而且移動通信網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)在我國也突飛猛進(jìn)。據(jù)工信部數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)已超過12億，截止2016年9月已達(dá)到13.16億。4G在我國的發(fā)展更是突出，從2013年12月工信部給具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)發(fā)放運(yùn)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(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上，IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G 實驗負(fù)責(zé)人、無線技術(shù)組副組長魏克軍指出，我國已順利完成了5G 技術(shù)研發(fā)試驗的第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)志著我國在移動通信的發(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的走在世界移動通信隊伍的前列和5G的領(lǐng)先地位。

1 移動用戶信號設(shè)計基礎(chǔ)

觀察和檢測信號可以在時域也可以在頻域進(jìn)行，此外也與空域有關(guān)。對于移動通信，一個很重要特征是每個用戶要實現(xiàn)與另外一端的通信都要通過該用戶所在小區(qū)的基站來實現(xiàn)。換句話說，每個移動臺在通信中無論是發(fā)射信號還是接收信號，都是與本移動臺所在小區(qū)的基站(BS)進(jìn)行雙向通信來實現(xiàn)的，這就自然導(dǎo)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(fā)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(dá)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?；净蛘咭苿优_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(jī)對用戶信號檢測質(zhì)量的主要因素。為了避免MAI，系統(tǒng)設(shè)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(jìn)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(shè)計來抑制MAI外，通過在空域?qū)π盘栠M(jìn)行設(shè)計也可以減小MAI，如圖3中，基站通過采用智能天線陣[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(jìn)行 圖2 不同的移動臺信號在不同的頻段進(jìn)行

圖3 在空域區(qū)分移動臺信號

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

不同UE的信號區(qū)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(shè)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(guān)的信號，2個離散序列的相關(guān)系數(shù)定義為:

(2)

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

2 移動通信的發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代和60年代，貝爾實驗室創(chuàng)立了蜂窩系統(tǒng)理論[2]。通過使用蜂窩移動通信系統(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年向美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)遞交了頻譜需求的申請和蜂窩服務(wù)的建議。蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計在20世紀(jì)60年代末才得以完成[3]，1978年，2個蜂窩系統(tǒng)——先進(jìn)的移動電話服務(wù)(AMPS)和美國無線電話服務(wù)(ARTS)分別在芝加哥和華盛頓進(jìn)行了現(xiàn)場測試。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是美國的第1個蜂窩移動通信系統(tǒng)，1983年在芝加哥由Ameritech公司首次進(jìn)行了建網(wǎng)[4]。在日本，日本電話電報公司(NTT)在1979年建成了第1個能實際使用的蜂窩系統(tǒng)。在歐洲，愛立信1981年研發(fā)出北歐移動電話系統(tǒng)(NMTS)，并在瑞典投入了公共服務(wù)。AMPS和NMTS代表了第1代(1G)移動通信技術(shù)。第1代移動通信系統(tǒng)對語音采用的是模擬傳輸，通過采用頻分多址(FDMA)技術(shù)，1G系統(tǒng)實現(xiàn)了多用戶同時與基站(BS)進(jìn)行無線通信。1G系統(tǒng)的用戶信號設(shè)計主要靠讓不同UE的信號位于不同的頻道，其接收機(jī)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(nèi)提取關(guān)心用戶的信號并消除相鄰頻道用戶信號導(dǎo)致的MAI。此外，1G系統(tǒng)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(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，許多國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)致了在歐洲各國移動電話系統(tǒng)不具備互操作性，每類設(shè)備的市場規(guī)模也因此都受到了限制。1982年，歐洲郵電協(xié)會成立了一個研究組，稱為特別移動組(GSM)，來研發(fā)建立一個泛歐公眾移動電話系統(tǒng)。1989年，GSM組的工作被轉(zhuǎn)移到歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)進(jìn)行領(lǐng)導(dǎo)，且更名為全球移動通信系統(tǒng)(后來的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)開始于1991年，GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)采用了時分多址(TDMA)技術(shù)[6]。在北美，IS-54是北美第1個數(shù)字移動通信標(biāo)準(zhǔn)，是由美國電子工業(yè)聯(lián)盟(EIA)和電信工業(yè)協(xié)會(TIA)于1990年完成標(biāo)準(zhǔn)化。在IS-54中，移動通信系統(tǒng)使用的頻譜與AMPS中完全相同。事實上，IS-54的設(shè)計采用了雙模制式，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)致了一個新的數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)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(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(tǒng)演示

對于每個頻道，傳輸1幀數(shù)據(jù)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(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(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)頻碼分別用來進(jìn)行擴(kuò)頻和解擴(kuò)。

為了開發(fā)新一代的蜂窩系統(tǒng)以支持全球漫游和多媒體服務(wù)，國際電信聯(lián)盟(ITU)于1985年啟動了第3代移動通信(3G)的標(biāo)準(zhǔn)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(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，同時也表示2000年3G通信系統(tǒng)有望進(jìn)入市場商用。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(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是由中國提出的一種全新的標(biāo)準(zhǔn)[11]。在TD-SCDMA中的“TD”代表時分雙工(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(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(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開始在中國投入商用?；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)實現(xiàn)信號同步時使用，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。同一個小區(qū)內(nèi)不同信道采用不同的正交擴(kuò)頻碼來區(qū)分信道，同小區(qū)內(nèi)所有用戶采用相同的PN碼用于識別小區(qū)。不同的用戶由于采用不同的碼道進(jìn)行信號傳輸，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長期演進(jìn)(LTE)是一個針對GSM/UMTS系統(tǒng)進(jìn)行演進(jìn)的新的移動通信協(xié)議。LTE的基本目標(biāo)是提高無線移動網(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)計一個在網(wǎng)路架構(gòu)上比3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為簡化、且其核心網(wǎng)是基于IP的新的移動通信網(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，還降低了系統(tǒng)延遲，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于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，國際電信聯(lián)盟無線電通信部(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移動通信服務(wù)的峰值速度在高移動性環(huán)境下要達(dá)到100Mbps，在低速移動時達(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ITU對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)的時延低于50ms，從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換為連接狀態(tài)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(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高速率的數(shù)據(jù)流通過串/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個正交的子載波上進(jìn)行傳輸，N路子載波對整個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數(shù)據(jù)流可以使得接收機(jī)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(chǔ)上，同時恢復(fù)N路子載波上所承載的N個獨(dú)立的發(fā)射符號。OFDM系統(tǒng)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(tǒng)的下行鏈路中，多址通信的實現(xiàn)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(jīng)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(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，每個用戶的信號經(jīng)過離散傅里葉變換(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通信可以實現(xiàn)同時和同頻的多址通信，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)合信號檢測等關(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?shù)挠绊懀邮招盘栐诮鈹U(kuò)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(shè)系統(tǒng)具有M個用戶，每個用戶在時間[(i-1)T,iT]內(nèi)的發(fā)射的符號為dk，其中T為符號周期，則每個用戶信號經(jīng)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(shù)；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(kuò)頻碼和擾碼對符號周期具有歸一化能量，解擴(kuò)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(kuò)頻，信號經(jīng)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(tǒng)中，當(dāng)存在遠(yuǎn)近效應(yīng)時，MAI對檢測信號的影響尤其嚴(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環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制：開環(huán)功率控制是指通信的一端的收發(fā)機(jī)根據(jù)自己對信道質(zhì)量的估計調(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)量估計通知發(fā)射機(jī)調(diào)整發(fā)射功率，基站根據(jù)自己對信道質(zhì)量的評估，給每個發(fā)射用戶發(fā)出功率調(diào)整指令，對相對遠(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移動通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號經(jīng)過多徑傳播后到達(dá)接收機(jī)，會在接收機(jī)信號檢測時產(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分量，在CDMA接收機(jī)的基帶信號處理中，可以利用PN序列自相關(guān)特性，通過相關(guān)運(yùn)算分別對每個可分辨的路徑信號進(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3條路徑傳播設(shè)計的RAKE接收機(jī)，其中βi(i=1,2,3)為RAKE接收機(jī)第i個“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)則來設(shè)計，如最大比合并(MRC)準(zhǔn)則[24]等。RAKE接收機(jī)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(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)某個用戶進(jìn)入2個相鄰小區(qū)的切換區(qū)時，移動臺可以采用RAKE接收技術(shù)同時接收2個小區(qū)基站的信號，因此，在CDMA系統(tǒng)可以采用所謂的軟切換技術(shù)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(jìn)行頻道變更，且將同時與2個基站進(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是碼片速率和符號速率的比值。對于固定的碼片速率，擴(kuò)頻因子的長度取決于符號速率。根據(jù)擴(kuò)頻碼的長度或者說擴(kuò)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(yīng)的擴(kuò)頻因子等于1，這意味著符號速率已達(dá)到了最大的碼片速率，所以不需要擴(kuò)頻，因此使用最短長度為1的擴(kuò)頻碼。最后一層對應(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個碼。若m層擴(kuò)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(chǎn)生2個子碼，m+1層2個子碼的下標(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(yīng)不同速率的數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)可以選擇合適長度的空碼使用，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) 在移動通信系統(tǒng)中，理論上基站可以采用天線陣列和陣列信號處理技術(shù)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(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，針對每個移動臺，對每個天線發(fā)射(或接收)的信號賦予一個優(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)，這樣對每個用戶產(chǎn)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(shù)，其中，WKM代表針對移動臺UEK的第M個無線上的加權(quán)值。在智能天線陣處理中，關(guān)鍵是每個天線上復(fù)數(shù)權(quán)值的設(shè)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(jìn)行信道估計，進(jìn)而用于天線陣接收權(quán)矢量的設(shè)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(shè)計天線陣發(fā)射的權(quán)矢量。對高速率的寬帶移動通信系統(tǒng)，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(xiàn)的。對于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隙獲得的信道估計來設(shè)計天線陣權(quán)矢量。

6)TD-SCDMA系統(tǒng)中的聯(lián)合檢測技術(shù) 在TD-SCDMA系統(tǒng)中，由于對多個用戶采用了同步控制技術(shù)，多用戶信號到達(dá)接收機(jī)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(jī)在解擴(kuò)信號時，可以利用所有用戶的擴(kuò)頻碼和信道估計，考慮多個符號聯(lián)合的均衡。均衡器在實現(xiàn)所有用戶信號解擴(kuò)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(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)的多用戶信號檢測技術(shù)稱為聯(lián)合信號檢測技術(shù)。

3.2 4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

移動通信每一代新系統(tǒng)誕生都是為了滿足科技和社會發(fā)展的需求和因為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的容量達(dá)到了瓶頸。具體的來講是為了提高數(shù)據(jù)速率、支撐新業(yè)務(wù)、支撐更高的移動性和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。對發(fā)展4G系統(tǒng)， 滿足移動互聯(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)時延是其主要的驅(qū)動力。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(dǎo)致的ISI和多址通信導(dǎo)致的MAI。在寬帶無線傳輸中，當(dāng)信號的帶寬大于信道的相干帶寬時，信道的單位沖激響應(yīng)中會出現(xiàn)可分辨的多徑分量，從而會導(dǎo)致接收機(jī)信號檢測時出現(xiàn)ISI。OFDM系統(tǒng)中，高速的數(shù)據(jù)流經(jīng)過S/P轉(zhuǎn)換后變成多路低速的數(shù)據(jù)流同時加載到多個相互正交的子載波上進(jìn)行傳輸。由于每個子載波上的數(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，這是因為在發(fā)射機(jī)中OFDM調(diào)制的實現(xiàn)在信號處理上只需要進(jìn)行一個簡單的離散傅里葉反變換(IDFT)操作，相應(yīng)的接收機(jī)中可采用一個離散傅里葉變換(DFT)實現(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，每個用戶的基帶數(shù)據(jù)符號流經(jīng)分組、對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT操作后，進(jìn)而加載到系統(tǒng)分配給每個用戶對應(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)。上行鏈路之所以沒有采用OFDMA技術(shù)是因為OFDMA具有OFDM系統(tǒng)的一個主要缺點(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態(tài)范圍，不僅會增加成本，還嚴(yán)重降低系統(tǒng)的功率使用效率，這在上行鏈路中對手機(jī)來講是極其不利的，因為用戶購買和使用手機(jī)不僅要求手機(jī)便宜，而且要求電池壽命長。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個天線，每個發(fā)射天線到每個接收天線的傳播為單路徑(對應(yīng)單個路徑系數(shù)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(fā)射功率；P/M是對每個發(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)原本是指傳輸信道，但一般所指的MIMO系統(tǒng)都是指含MIMO傳輸?shù)囊粋€整體的通信系統(tǒng)。在移動通信中，若基站采用多天線構(gòu)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(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個空間信道的衰落具有低的互相關(guān)性或者說相互獨(dú)立[1, 29, 30]。這里所指的一個MIMO空間信道是一個發(fā)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(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)?？臻g復(fù)用系統(tǒng)是指發(fā)射端加載到每個發(fā)射天線的數(shù)據(jù)流是相互對立的數(shù)據(jù)流，這樣每個接收天線可以同時接收多個數(shù)據(jù)流的信號，接收機(jī)利用空間信道間低的互相關(guān)特性來分離和提取不同發(fā)射數(shù)據(jù)流的符號。對于接收端有多個天線時，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，對空間復(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。對空間分集MIMO系統(tǒng)，不同發(fā)射天線上發(fā)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(fā)射天線的基帶數(shù)據(jù)流原本來自同一數(shù)據(jù)流，如同一數(shù)據(jù)流經(jīng)過不同時延后加載到不同發(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的接收分集增益，也可以獲取多天線發(fā)射帶來的發(fā)射分集增益?？偟膩碚f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分組編碼[31]結(jié)合使用的。典型的空時分組碼是Alamouti的空時分組碼[32]。對應(yīng)一個發(fā)射數(shù)據(jù)流里2個連續(xù)時隙的復(fù)數(shù)符號[s1,s2]，Alamouti的空時編碼的結(jié)果為:

(12)

其中，第1列的數(shù)據(jù)將在前后2個時隙依次加載到第1個發(fā)射天線，第2列的數(shù)據(jù)將在前后2個時隙依次加載到第2個發(fā)射天線。從式(12)可以看出，在一個編碼塊的時間內(nèi)，2個發(fā)射天線的信號所含的信息數(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個天線口，移動臺最多為2個天線口；LTE-Advanced系統(tǒng)增加了基站和移動臺允許使用的天線口，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100MHz帶寬的系統(tǒng)可以用5個20MHz的分量載波(CC)通過載波聚合技術(shù)來實現(xiàn)。LTE-Advanced系統(tǒng)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(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。對于相鄰頻帶的載波聚合，為了實現(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，系統(tǒng)可以采用與用戶較近的2個相鄰小區(qū)的基站，利用2個基站部分或全部天線，通過多點(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，必須考慮MIMO系統(tǒng)中的天線布放和考慮采用CoMP技術(shù)時多小區(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移動通信系統(tǒng)展望

2016年6月18日結(jié)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(nèi)容。5G的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化的重要時期。在我國，2013年10月國家863計劃“第五代移動通信系統(tǒng)研究開發(fā)”項目正式啟動了5G移動通信系統(tǒng)的研發(fā)，目標(biāo)是在2020年之前，系統(tǒng)地研究5G移動通信體系架構(gòu)、無線組網(wǎng)、無線傳輸、新型天線與射頻以及新頻譜開發(fā)與利用等關(guān)鍵技術(shù)，完成性能評估及原型系統(tǒng)設(shè)計，進(jìn)行技術(shù)試驗與測試，實現(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10年移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。由于5G發(fā)展是以移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作為主要需求和驅(qū)動力，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)行移動通信也成為了5G研究的一個重要方向?，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和未來的移動通信系統(tǒng)支持移動互聯(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補(bǔ)充移動通信系統(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)行移動通信時必須要考慮新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)中的分工、合作與轉(zhuǎn)換等問題。

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和未來移動通信系統(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)展新移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了支持5G和未來移動通信系統(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和未來的移動通信系統(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)部署會給無線移動通信系統(tǒng)帶來許多挑戰(zhàn)性的課題。新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計、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)都是在未來移動通信發(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，同時同頻雙工(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)可以同時同頻收發(fā)信號，這可以極大提高系統(tǒng)的頻譜效率和容量，但對收、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)充實現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無法移動且數(shù)目有限，對通信系統(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

從第1代蜂窩系統(tǒng)開始商用至今，移動通信系統(tǒng)發(fā)展僅僅才不到40年，但其發(fā)展規(guī)模和對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)卻呈爆炸式地噴張，同時它還極大改變了現(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)，都會極大地提高移動通信系統(tǒng)的容量，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和移動性，支持新的業(yè)務(wù)需求和更多的業(yè)務(wù)服務(wù)。移動通信系統(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的移動通信系統(tǒng)中，許多先進(jìn)的信號傳輸和信號處理技術(shù)的應(yīng)用有效地提升了系統(tǒng)的先進(jìn)性。5G和未來的移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能將更豐富、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會更復(fù)雜、需要解決的關(guān)鍵技術(shù)也越來越多。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)通信都會給未來移動通信系統(tǒng)研發(fā)帶來諸多挑戰(zhàn)。

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[編輯] 易國華

2017-01-16

國家自然科學(xué)基金項目(61672395)。

李平安(1965-)，男，博士，教授，現(xiàn)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(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)介紹[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017,14(9)：1～12.