1.1　移动通信系统技术演进

1899年11月美国“圣保罗”号邮船在向东行驶时，收到了来自150km外的怀特岛发来的无线电报，莫尔斯电码的嘀嘀嗒嗒声像婴儿呱呱坠地的啼哭声，向世人宣告：一个新生事物——“移动通信”就此诞生了。1900年1月23日，波罗的海霍格兰岛附近的一群遇难渔民通过无线电呼叫而得救，移动通信第一次在海上证明了它对人类的价值。随后的几十年间，移动通信发展比较缓慢，主要处于用于军政乃至民用的专网阶段。直到1974年，美国的贝尔实验室成功地提出了蜂窝（Cellular）的概念，随后移动通信进入了公众移动通信发展的新阶段。

蜂窝移动通信技术的发展至今已有30余年的历史。移动通信产业的迅速发展，远远超出了人们对它的预测，截止到2018年6月，全球移动用户总数已超过78亿，移动通信也经历了从第一代到第四代的发展，并正在向第五代演进，如图1-1所示。

在20世纪80年代初，第一代移动通信技术开始得到应用。到1992年1月，芬兰运营商Oy Radiolinja Ab建成第一个商用GSM网络。2001年10月，日本NTTDoCoMo开通了第一个WCDMA商用网络。2009年12月，北欧运营商TeliaSonera在瑞典斯德哥尔摩正式商用全球首个LTE网络。移动通信的发展经历了从模拟到数字、从低速率到高速率的发展历程，移动通信技术也逐步实现第一代向第四代演进，并且即将步入第五代移动通信（5th Generation Mobile Networks，5G）元年。下面将分别对第一代到第四代移动通信系统的特点和能力进行比较概括的描述，并简要介绍其中的技术特点；关于网络向5G的演进将在本书的最后一章专门进行介绍。

1.1.1　第一代移动通信系统

第一代移动通信系统也简称为1G（1st Generation Mobile Networks），以1978年美国贝尔实验室研究开发的模拟蜂窝移动通信系统——先进移动通信系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）为标志。同一时期，英国、日本、德国以及北欧也分别开发了自己的第一代移动通信系统。第一代移动通信系统的主要标准主要有美国的AMPS、欧洲的TACS（Total Access Communication System），英国的E-TACS（Extended TACS），北欧的NMT-450（Nordic Mobile Telephone 450）和NMT-900，日本的NTT（Nippon Telegraph and Telephone）和JTACS/NTACS（Japanese TACS and Narrowband TACS）等。1987年，中国首个TACS制式的模拟移动电话系统建成。之后，AMPS系统也曾被引入中国。第一代移动通信系统的各个标准的主要系统参数如表1-1所示。

由表1-1可以看出，世界各国开发的系统都各不相同：分别采用不同的频带、不同的基站和移动台协议。由于制式的不统一，限制了移动通信的长途漫游，使得第一代移动通信系统只能是一种区域性移动通信系统。第一代移动通信的主要特点归纳如下：

（1）用户的接入方式采用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术，当一个呼叫建立以后，该呼叫在呼叫结束以前一直占用这个频段。

（2）调制方式为调频（Frequency Modulation，FM）。

（3）业务种类单一，主要是话音业务。

（4）系统的保密性差。

（5）频谱效率较低，有限频谱资源和用户容量之间的矛盾十分突出。

正是由于第一代模拟移动通信系统频谱利用率低，而且价格昂贵、设备复杂、业务种类受限、制式太多且不兼容，同时，随着移动用户的增加系统容量的问题日益突出等诸多缺点，以高容量、低功耗、全球漫游和切换能力为目标的第二代数字移动通信系统的研究就提上了日程。

1.1.2　第二代移动通信系统

第二代移动通信系统简称为2G，相对于1G的频分多址，2G主要采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术，同时也采用了数字化技术和新的调制方式。2G主要包括下面几种标准：

（1）1991年美国提出的D-AMPS（Digital Advanced Mobile Phone System）。

（2）1992年欧洲推出商用的GSM（Global System for Mobile Communication）。

（3）1993年日本提出的PDC（Personal Digital Cellular）。

（4）1993年美国提出的IS-95，即N-CDMA（Narrowband Code Division Multiple Access）。

第二代移动通信系统各种标准的主要系统参数如表1-2所示。

由于新的数字调制方式以及语音编码方式的应用，加上采用了时分或码分多址等多项技术，使得第二代移动通信相对于1G来说，有了很大的进步。第二代数字蜂窝系统除了能提供语音服务之外，还能够提供短消息和低速数据业务。简单概括一下，第二代数字移动通信主要具有下列优点：

（1）频谱利用率高，有利于提高系统容量。

（2）采用了新的调制方式，如GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying）、QPSK等。

（3）能提供多种业务，提高了通信系统的通用性。

（4）抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。

（5）能实现更有效、灵活的网络管理和控制。

（6）便于实现通信的安全保密。

（7）可降低设备成本和减少用户手机的体积和质量。

我国自1993年开始建设2G网络，目前已经建设成为世界上最大的移动通信网络。移动通信的巨大发展，除来源于市场的驱动外，还要有相应的技术力量做后盾，以满足人们不断增长的数据需求。由于第二代移动通信只能提供传统的话音和中低速数据业务，而人们对于多媒体数据业务以及宽带化、智能化、个人化的综合全球通信业务的需求却不可能通过2G得到满足。因此，为解决上述矛盾而产生的第三代移动通信系统成为继2G移动通信领域的下一个热点。

1.1.3　第三代移动通信系统

第三代移动通信系统也简称3G，又被国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）称为IMT-2000（International Mobile Telecommunications in 2000），意指在2000年左右开始商用并工作在2000MHz频段上的国际移动通信系统。IMT-2000的标准化工作开始于1985年，当时被国际电联称为未来陆地移动通信系统（the Future Public Land Mobile Telecommunications System，FPLMTS），1996年更名为IMT-2000，在欧洲被称为通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）。第三代移动通信大致经过了以下发展历程^[2]：

（1）1985—1994年，明确概念和目标，提出FPLMTS。

（2）1991年，ITU-R正式成立TG8/1工作组，负责标准的制定。

（3）1992年，WARC92在2GHz频段上分配了230MHz给FPLMTS使用。

（4）1992—1998年，确定评估方法和程序。

（5）1998年6月30日前征集IMT2000-RTT技术方案。

（6）1998年7月—1999年3月，评选确定方案和基本参数。

（7）1999年3月，完成IMT-2000关键参数部分的标准化。

（8）1999年11月，完成IMT-2000的技术规范部分。

（9）2000年，完成IMT-2000的全部网络规范。

1992年，世界无线电行政大会（World Administrative Radio Conference，WARC）根据ITU-R对于IMT-2000的业务量和所需频谱的估计，划分了230MHz带宽给IMT-2000，1885~2025MHz以及2110~2200MHz为全球基础上可用于IMT-2000的业务频段。1980~2010MHz和2170~2200MHz为卫星移动业务频段，共60MHz，其余170MHz为陆地移动业务频段，其中对称频段是2×60MHz，不对称的频段是50MHz。

与现有的第二代移动通信系统相比，第三代移动通信除了能提供话音业务之外，还可以提供网页浏览、收发电子邮件、使用可视电话、视频点播等多媒体业务。IMT-2000的关键特性和目标是提供全球无缝覆盖，并且具有全球漫游业务。主要包括以下五个方面：

（1）全球漫游。用户不再限制于一个地区和一个网络，而能在整个系统和全球漫游。这意味着真正地实现随时随地的个人通信。

（2）适应多种环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起。

（3）能提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音、可变速率的数据、高分辨率的图像等多种业务。

（4）足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。质量和保密功能对这一代移动通信技术提出更高的要求。

（5）便于过渡、演进。由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。

为实现上述目标，IMT-2000对3G无线传输技术提出了以下要求：

（1）高速率的数据传输以支持多媒体业务，即下行室内环境至少2Mb/s、室外步行环境至少384kb/s、室外车辆环境至少144kb/s。

（2）传输速率按需分配。

（3）上下行链路能适应不对称业务的需求。

（4）简单的小区结构和易于管理的信道结构。

（5）灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施。

1998年6月，各国标准化组织向国际电信联盟提交了各自的无线传输技术候选方案。共有16种候选技术，包括10种地面技术和6种卫星技术。在上述技术中，以码分多址技术作为第三代移动通信的主要候选多址技术。最有代表性的3G主流技术有三种，分别是CDMA2000技术、WCDMA技术和TD-SCDMA技术。其中，WCDMA是欧洲和日本支持的方案，CDMA2000是由美国高通提出的方案，我国提出的TD-SCDMA采用了TDMA和CDMA混合接入方案。

3G技术目前仍为当今移动互联网的主要承载技术之一，我国3G牌照于2009年1月开始发放给三大运营商。3G无线传输技术的具体技术参数如表1-3所示。

1.1.4　第四代移动通信系统

从用户需求来说，未来将需要更高的速率来支持各种应用，如视频（高清）、在线游戏、云计算应用等。移动通信从2G、3G到4G的发展过程，也是从支持低速语音业务到高速数据业务的过程。

ITU-R的5D工作组ITU-R WP5D除负责维持IMT-2000规范外，还参与后IMT-2000系统的相关工作，后IMT-2000系统的相关工作被称为IMT-Advanced。4G移动通信系统是按照IMT-Advanced（International Mobile Telecommunications Advanced）所定义的，必须满足国际电信联盟所设定的要求。IMT-Advanced主要特性如下：

（1）在保证低成本、多业务的基础上，满足世界范围内功能性的高度融合。

（2）满足IMT内部与固网业务的兼容。

（3）具有与其他无线接入系统的互通能力。

（4）提供高质量移动业务。

（5）提供能全球漫游的用户终端。

（6）提供用户友好型应用程序、业务和设备。

（7）具有增强型峰值数据速率以支持高级业务和应用程序，例如低速移动业务需达到1Gb/s的速率，高速移动业务需达到100Mb/s的速率。

ITU-R在2010年10月宣布，IMT-Advanced包括的主要4G技术为两种：

（1）3GPP提交的LTE-Advanced技术（又称LTE-A或者LTE+）。在3GPP协议R8中定义的LTE并不能满足IMT-Advanced的全部要求，因此LTE（R8）有时也被称为3.9G或准4G。而LTE-Advanced是3GPP更晚版本（R10）中定义的，是为满足4G要求特别设计的。这里顺便说明一下，Advanced这个标签主要是为了突出LTE的R10与IMT-Advanced的关系。实际上LTE的开发工作是3GPP的一项持续性工作，LTE（R8）和LTE-Advanced（LTE R10）均为LTE后续演进中的一个步骤。

（2）WiMAX 802.16m。802.16m由IEEE和WiMAX论坛定义。

主流无线接入技术的演进路线如图1-2所示，此处略掉了后续向5G的演进部分。

WCDMA的主流演进方向是由WCDMA→HSDPA/HSUPA→HSPA+→LTE，然后演进到4G（LTE-Advanced）。TD-SCDMA的主流演进方向与WCDMA类似。一般HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）被称作3.5G的技术，HSUPA（High Speed Uplink Packet Access）被称作3.75G的技术。HSPA+并不是演进到LTE或4G必须过渡的路线，该阶段引入自适应波束成形和多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）等天线阵处理技术，可将下行和上行峰值速率分别提高到28Mb/s和11Mb/s左右。而LTE采用了很多应用于4G的技术，被称为3.9G技术。

CDMA的主流演进方向是由CDMA2000 1x EV-DO Rev.0→1x EV-DO Rev.A→1x EV-DO Rev.B→LTE，然后演进到4G（LTE-Advanced）。1x EV-DO Rev.B采用多载波技术，不是CDMA演进到LTE或4G的必须过渡路线，该技术可将下行和上行峰值速率分别提高到14.7Mb/s和5.4Mb/s左右。

从物理层关键技术来看，1x EV-DO与HSPA非常类似，两者采用了很多相似的技术来提高数据业务的频谱利用率，如自适应调制和编码方式（Adaptive Modulation and Coding，AMC）、动态信道评估、混合自动重传请求（Hybrid Automatic Retransmission Request，HARQ）等机制。

WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access），又称全球微波互联接入，是WiMAX论坛参考WLAN（Wireless Local Area Network，无线局域网）在全球市场成功的模式而在IEEE的802.16系列标准的基础上进行定义的。802.16在设计之初（802.16a/d），是定位在固定无线传输的一种宽带技术标准，目标是提供最后一公里的宽带无线接入服务。2005年12月7日最终冻结的802.16e（正式名称叫802.16-2005，也称为WiMAX R1.0）标准在原来802.16d的基础上增加了移动性，保证802.16e接入设备能够在基站之间切换，从而也成为新一代宽带无线接入标准，而且是具有移动性的标准，一般也称作Mobile WiMAX。2010年3月，802.16e R1.5版本发布。2010年11月，802.16m标准发布，也被称作WirelessMAN-Advanced或者WiMAX 2.0，是继802.16e后的第二代移动WiMAX国际标准。802.16m已被国际电信联盟认定为4G技术，该标准可支持超过300Mb/s的下行速率。

从LTE与WiMAX的标准制定时间来看，WiMAX标准的发布时间为2005年，较LTE的2009年时间更早，而且WiMAX在标准上的领先也是3GPP组织制定LTE标准的主要推动力之一。

表1-4简要对比了LTE（R8）与WiMAX（802.16e R1.5）的主要技术。从中可以看到，LTE与WiMAX均基于OFDM，基本特性非常相似。从网络结构来看，LTE与WiMAX均为扁平网络架构，适合蜂窝组网，但WCDMA/TD-SCDMA更易于向LTE演进。在技术不分伯仲的情况下，运营商和厂商的支持力度将成为左右标准前进方向的重要力量。

从厂商的支持来看，几乎所有芯片厂商都转向支持LTE，包括原WiMAX阵营和CDMA阵营；全球主要的通信设备厂商都支持FDD-LTE；在TD-LTE方面，除中国本土设备厂商外，爱立信、诺西、阿朗等均参与和支持。而WiMAX方面则除英特尔和思科外，厂商支持显得力不从心。从运营商目前格局来看，传统移动运营商更倾向于支持LTE，几乎全部的WCDMA、TD-SCDMA运营商和大部分CDMA2000运营商都选择了LTE作为未来演进方向；而少数固网运营商或新兴运营商则对WiMAX更感兴趣。

1. LTE标准进展

2004年12月3GPP雅典会议决定由3GPP RAN工作组负责开展LTE研究。LTE各协议版本路线如图1-3所示，虚线对应的时间点是相应版本冻结完成时间。2009年3月，3GPP定义的LTE标准已列入3GPP R8正式标准，R8标准是LTE的初始版本，制定了LTE的体系架构和物理层关键技术，支持的LTE下行峰值速率大于100Mb/s，频谱效率达到每赫兹1.7b/s。R9版本对LTE的功能进行了增强和完善，主要支持LTE家庭基站、管理和安全方面的性能，以及LTE自组织网络（Self-Organising Network，SON）功能，并增强了跨制式的互操作功能。R10是LTE-Advanced的初始版本，即3GPP的4G相关要求，对LTE系统进行了一定的修改来满足4G需求，包括载波聚合、协作多点（CoMP）、分层异构网络（HeNet）以及无线中继技术（Relay）。R10支持的下行峰值速率大于1Gb/s，频谱效率达到每赫兹3.7b/s。R11是LTE-Advanced的增强版本，包括上下行MIMO增强、载波聚合增强、小区间干扰消除增强等。在R12版本中，逐渐把重点转移到LTE后演进的主要技术，有时被简称为LTE-B，例如基于有源天线的3D波束赋形技术、基于Massive MIMO的大规模多天线赋形技术、多天线／多小区增强协作技术、LTE-Hi高频段新载波设计技术（3GHz以上）、能耗感知技术等。R13版本于2016年6月冻结，进一步进行增强型载波聚合、增强型机器通信（e-MTC）、增强型MIMO技术和增强型的多用户传输技术标准化；后续R14、R15转入5G技术演进，2018年6月，5G的第一个独立组网（Stand Alone，SA）标准版本R15已冻结。

2. LTE技术需求

LTE技术是3G技术的演进，是3G与4G技术之间的一个过渡，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的关键技术。在20MHz频谱带宽下LTE能够提供下行100Mb/s与上行50Mb/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。LTE包括FDD-LTE和TD-LTE两种技术标准。

LTE将大大提升用户对移动通信业务的体验，为运营商带来更大的技术优势和成本优势，大大提升了运营商的利润空间，巩固蜂窝移动技术的主导地位，有助于改善目前通信业务的IPR格局。无论后续市场的需求还是作为未来十年一个具有较强竞争力的技术需求，LTE都得到了全球移动运营商的一致关注。

LTE的设计目标主要包括以下内容：

（1）带宽灵活配置：支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz多种带宽。

（2）高峰值数据速率：在20MHz带宽下支持下行100Mb/s、上行50Mb/s的峰值速率。

（3）低时延：支持更简单、扁平的网络结构，将用户面时延降低到5ms以下、控制面时延降低到100ms以内。

（4）高频谱效率：有效提高频谱效率，为3GPP R6版本的2~4倍。

（5）提高了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率，OFDM支持的单频率网络技术可提供高效率的多播服务。

（6）强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP系统的协同运作，支持自组织网络（SON）操作。

（7）降低空中接口和网络架构的成本。

（8）实现合理的终端复杂度、成本和耗电。

（9）支持增强的IP多媒体子系统（IP Multimedia Sub-system，IMS）和核心网；尽可能保证后向兼容，有效地支持多种业务类型，取消电路域业务，电路域业务在分组域业务中实现，例如采用VoIP等。

（10）优化系统为低移动速度终端提供服务，同时也应支持高移动速度终端。

（11）支持增强型的广播多播业务。

（12）系统应该能工作在对称和非对称频段，尽可能简化处于相邻频带运营商共存的问题。

为达到预订的设计目标，LTE技术的关键技术包括如下几个方面：

（1）3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行采用OFDM技术，上行采用SC-FDMA技术。

（2）下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式，上行主要采用BPSK、QPSK、8PSK和16QAM。

（3）在信道编码方面，LTE主要考虑Turbo码。在MIMO方面，LTE的基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也考虑更多的天线配置（最多4×4）。已被采用的MIMO技术包括空间复用（SM）、空分多址（SDMA）、预编码（Pre-coding）、秩自适应（Rank Adaptation，RA），以及开环发射分集（STTD，主要用于控制信令的传输）等。上行将采用一种特殊的SDMA技术，即已被WiMAX采用的虚拟（Virtual）MIMO技术。另外，LTE也采用小区干扰抑制技术提高小区边缘的数据速率和系统容量等。

（4）在切换方面，除了LTE系统内的切换，也正在考虑不同频率之间和不同系统（如与其他3GPP系统、WLAN系统等）的切换。

LTE-A作为LTE的平滑演进技术，能够提供更高的峰值速率和吞吐量，LTE-A将在100MHz频谱带宽的情况下，具有下行峰值速率能够达到1Gb/s，上行应当超过500Mb/s的能力。LTE-A引入载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、多天线增强（Enhanced MIMO）、多点协作传输（Coordinated Multi-Point Tx&Rx，CoMP）、中继（Relay）等关键技术，能大大提高无线通信系统的峰值数据速率与峰值频谱效率，在本书第4章中将对这四种关键技术进行专门介绍。鉴于LTE-A是LTE的演进版本，在网络优化的重点内容方面具有共性，因此在本书后续章节中，除非专门刻意区分LTE-A和LTE的区别，否则均指二者共性的部分。

3. TD-LTE和FDD-LTE技术对比

在无线通信中有两种工作方式：频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）和时分双工（Time Division Duplex，TDD）。通过双工的工作方式，收发双方能同时完成发送和接收工作。FDD与TDD如图1-4所示。

FDD的特点是在分离的两个对称频率信道上，系统同时进行接收和发送。通常称基站到移动台的链路为下行链路（或者前向链路），而移动台到基站的链路为上行链路（或者反向链路）。采用频分双工的模式，上行链路和下行链路分别采用了不同的频段。通常，上行载波移动设备发射的频率较低。这样做的目的是因为高频率要比低频率受到衰减的影响大，因此这允许手机使用更低的发射功率，从而降低手机复杂度及成本。某些系统也提供了半双工FDD方式，该方式使用了两个频率。但是移动设备只能发射或接收，即不能同时发射和接收。由于不要求双工滤波器，因此这种方式可以降低移动设备的复杂性。

TDD的特点是利用同一频率信道的不同时隙来完成接收和发送的工作。即上行链路和下行链路工作在相同的频段，但是采用不同的时隙。TDD的一个优势就是它能够提供非对称上下行分配，适用于不对称的上下行数据传输速率。同时，TDD能使用各种频率资源，不需要成对的频段。由于上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用诸如波束赋形等新技术，达到提高性能的目的。但是TDD系统也具有一些问题，例如在满足终端的移动性支持方面与FDD相比具有很大的差距，在覆盖能力上也明显不如FDD模式。在频谱效率方面，TDD中存在GP开销及HARQ反馈延迟等影响，TDD略低于FDD。

根据华为公司的技术分析，TD-LTE与FDD-LTE具有90%的相同点，在基础技术方面完全相同，其不同点本质都是由TDD和FDD双工方式差异而来。如图1-5所示，TD-LTE与FDD-LTE的高层信令相同，如NAS、RRC，层2的PDCP、RLC、MAC也相同；二者的主要区别在于物理层的帧结构、时分设计、同步、多天线技术模式等方面。鉴于此，本书在进行描述时，除非特别注明TD-LTE或者FDD-LTE的相关特性，LTE均指二者的共性部分。

TD-LTE与FDD-LTE技术的相同点与不同点分别如表1-5和表1-6所示，在后续章节中将会对其中提到的相关特性进行解释。