第 1 章 背景介绍
前几代蜂窝通信基本上都是采用正交多址的方式。在第五代移动 通信中，非正交多址作为物理层的关键基础技术，弥补了正交 多址的不足，更加有效地支持 5G 丰富的部署场景：eMBB、URLLC 和 mMTC。不仅可以增加下行调度系统的频谱效率，还能大大提升上行免 调度场景下的用户连接数和系统吞吐。
| 1.1 前几代蜂窝通信的演进 |
无线资源是有限的，蜂窝通信从发展之初就一直以提高频谱利用效率为目 标。AT&T 贝尔实验室于 1968 年提出蜂窝通信的思想，即采用类似蜂窝六边形 的小区，彼此相连，构成连续覆盖的网络。小区之间可以复用频谱资源，使网 络的容量成倍增长。在这几十年中，蜂窝通信飞速发展，频谱效率、用户速率 以及系统容量都有若干数量级的增加，其间经历了四代的演进。虽然年代的划 分需要在最高速率、系统带宽、系统容量/频谱效率、业务等方面有较大的飞跃， 但是每次的更迭都是以新的多址技术为标志，如表 1-1 所示。 
第一代蜂窝通信的多址技术是频分复用（FDMA），仅支持语音服务。每 个用户的无线资源按固定的频率划分，采用模拟幅度调制（Amplitude Modulation，AM），无法采用信息压缩和信道编码来纠错，对发射功率也缺乏 有效的控制，所以频谱效率低下。以北美的制式为例，每条通道单独要占 30 kHz 带宽，通话容量十分有限。模拟器件难以集成，终端的硬件成本高，体积大， 普及度很低。
第二代蜂窝通信的多址技术以时分复用（TDMA）为主，基本业务是语音 通话，使用最广泛的制式是欧盟主导制定的全球移动通信系统（Global System of Mobile Communications，GSM）标准。GSM 中将无线资源先划分成若干个 200 kHz 窄带，每个窄带中允许多个用户根据时隙（Time Slot）复用资源。为 降低邻近小区间频率复用造成的干扰，保证小区边缘的通话性能，GSM 系统通 常将相邻的 7 个或 11 个小区组成一簇，簇内各小区的频率不能重复，频率复用 只能以簇为单位。第二代蜂窝通信系统中的语音信号经过信源压缩后数字化， 采用数字调制和功率控制，并通过信道编码进行纠错保护，使得传输效率大大 提高，系统容量也有很大提升。在第二代蜂窝通信的后期出现另外一种制式： 高通公司（Qualcomm Inc.）的 IS-95，主要在北美部署。IS-95 是第一个使用码 分复用（Code Division Multiple Access，CDMA）的直接序列频率扩展（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）的商用标准，可以被看作是第三代蜂窝通信 的前奏。
第三代蜂窝通信广泛采用扩展码分复用。使得信道的抗干扰能力大大增 强。相邻小区可以完全复用频率，从而提升了系统容量。cdma2000/EV-DO 和 UMTS/HSPA 是第三代蜂窝通信的两大标准。cdma2000/EV-DO 主要在北美、 韩国、中国等使用，载波频带宽度为 1.25 MHz，相应的国际标准组织是 3GPP2。 UMTS/HSPA 的国际标准组织是 3GPP，其中，欧洲的厂商和运营商起着重要作 用，已经在世界范围广泛使用，其载波频带宽度为 5 MHz，所以又称 Wideband CDMA (WCDMA)。为适应更高速率的数据业务要求，CDMA 和 UMTS 分头演 进，分别是 Evolution Data Optimized（EV-DO）和 High Speed Packet Access （HSPA），二者都融入了时分复用的技术，采用相对较短的时隙。第三代蜂窝 通信还有一套标准：TD-SCDMA (Time Division Synchronous CDMA)，主要由 中国公司和一些欧洲公司制定，属于 3GPP 标准的一部分。TD-SCDMA 在中国 有大规模部署。
第四代蜂窝通信是正交频分复用（OFDM），这里有一定的技术必然性。 首先，4G 的带宽在终端侧至少是 20 MHz，远远超过 3G 的带宽。大带宽意味 着更精细的时间采样粒度和更多的多径分量，如果仍然采用 CDMA，会产生严重的多径间干扰。尽管先进接收机可用来降低多径干扰，但是其复杂度过高。相 反，OFDM 将宽带划分成多个正交的超窄带（又称子载波），每个子载波中的信 道相对平坦，信号的解调无须复杂的均衡或干扰消除，大大降低了接收器的研发/ 生产成本。低成本的 OFDM 接收器也大大降低了多天线接收器的复杂度，尤其 对于大带宽系统。可以说，OFDM 的引入极大地促进了多天线技术在第四代蜂窝 通信中的应用，对链路和系统容量的提升起了重要作用。4G 中也包含了时分复 用，时隙长度比 3G 的更短，而且部分控制信道和参考信号采用码分复用。
第四代蜂窝通信标准制定的初期，世界范围内存在三大标准：UMB、 WiMAX 和 LTE。UMB 是 Ultra Mobile Broadband 的简称，其核心技术起始于 高通对 IEEE 802.20 的研究，之后在 3GPP2 与朗讯科技（Lucent Technologies）、 北电（Nortel）和三星（Samsung）等公司一起制定技术细节，2007 年年底基本 完成。但由于 Verizon 等几家大的运营商对之缺乏兴趣，其后续的标准化和推 广工作在 2008 年后就停止了。WiMAX 可以看成是 Wi-Fi 向广域蜂窝通信的一 个延伸，早在 2007 年就完成了第一版的标准，起初 Sprint 等运营商计划部署。 但由于 Sprint 本身的经营状况不佳，再加上产业联盟过于松散，商业模式不够 健全，WiMAX 并未被广泛应用。
LTE 的第一期的版本号是 8（Release 8），于 2008 年完成。由于 UMB 标 准化工作的停止和 WiMAX 标准的被边缘化，LTE 逐渐成为全球最主流的 4G 蜂窝通信标准。从 2009 年起，3GPP 开始了对 LTE-Advanced 的标准化。作为 一个重大的技术迈进，LTE-Advanced 标准的版本编号是 10（Release 10），其 性能指标完全达到 IMT-Advanced（4G）的要求。
除了 OFDM 和多天线技术，LTE/LTE-Advanced 还引入了一系列的空口技 术，如载波聚合、小区间干扰消除抑制、无线中继、下行控制信道增强、终端 直通通信、支持非授权载波、窄带物联网（NB-IoT）等，使得其系统的综合频 谱效率、峰值速率、网络吞吐量、覆盖等有了一个较明显的跃进。不仅适用于 以宏站为主的同构网，在宏站/低功率节点所组成的异构网当中也起了巨大的作 用，并服务更多的业务应用。
