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前几代移动通信的演进 | 带你读《5G-NR信道编码》之二

简介: 本章节介绍了前几代移动通信的演进,带你感受移动通信的进化之路。
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序言

背景介绍

遥想 2014 年,第五代移动通信系统(5G)之花 [1] 开遍全球,香溢 四海。如今,几年过去了,5G 之果挂满枝头,硕果累累。其中, 最大的果实当属信道编码。而其中的低密度校验码(LDPC) [2] 和极化 码(Polar Code) [3] 格外突出。 有鉴于此,作者努力打造了这本《5G-NR 信道编码》书籍,希望 能解开读者对 5G-NR 信道编码技术的疑惑。
第五代移动通信系统(5G)之花如图 1-1 所示。 第 1 章先介绍前几代移动通信的演进,然后介绍 5G 新无线电接入技术(5G、 NR、5G-NR)的系统要求 [4],接着简要地介绍 5G-NR 的信道编码技术,最 后介绍本书写作的目的和篇章结构。
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| 1.1 前几代移动通信的演进 |

移动通信,或者称为蜂窝通信,始于美国电话电报公司(AT&T)贝尔实 验室 1968 年的发明。它类似六边形的蜂窝状小区(Cell)结构:这些小区环 环相扣,构成连续覆盖的大范围网络。由于小区之间可以复用相同的频谱资 源,所以,整个网络的容量得到极大的提升。基于这一原理,摩托罗拉公司 (Motorola)于 1973 年在其实验系统中实现了上述移动通信系统,成为业界的 先驱。在之后的近 40 年中,移动通信以其随身、灵活、方便等的特点,得到迅 猛发展。移动通信逐渐改变着人们的生活方式,它在全球许多国家中的渗透率 已超过 90%,其技术已经历了四代的演进,如表 1-1 所示。
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第一代移动通信系统(1G,1st Generation Mobile Communication)的 多址技术是频分多址(FDMA),主要支持语音服务。每个用户的物理层资源是 固定的频率划分,采用模拟幅度调制(AM,Amplitude Modulation),与传统的铜线电话或调幅广播电台(AM)类似。模拟的语音信号没有经过信息压缩,语音信息没有信道编码的纠错保护,发射功率也无有效的控制。这导致资源利 用率低、系统容量小、通信质量差(如,有串音—一个有时候能听到其他用户的通话)。由于当时的模拟器件难以集成,终端(俗称“大哥大”)的硬件成本高、体积重量大、价格昂贵,从而使得其普及程度很低。
第二代移动通信系统(2G,2nd Generation Mobile Communication)的多址技 术以时分多址(TDMA)为主(FDMA+TDMA),其基本业务是语音。使用得 最广泛的 2G 制式是欧盟主导制定的全球移动通信系统(GSM,Global System of Mobile Communications)。在 GSM 中,无线资源被划分成若干个 200 kHz 带宽的窄带(FDMA),每个窄带中多个用户按照时隙(Time Slot)复用资源 (TDMA)。GSM 中的模拟语音信号经过信源压缩变成数字信号,数字化语音信号进入信道编码环节进行防错保护。然后,编码之后的语音数据采用数字调制, 调制后的信号在发射时使用功率控制技术。这些技术使得传输效率大为提高, 系统容量和通信质量也有很大的提升。GSM 的信道编码主要采用分组码和卷积 码,算法复杂度较低,性能中等。
第 三 代 移 动 通 信 系 统(3G,3rd Generation Mobile Communication) 广泛采用码分多址技术(CDMA)。这使得信道的抗干扰能力大为增强。相 邻小区可以完全复用相同的频率,从而提升了系统容量。码分多址 2000 系 列(cdma2000、cdma2000EV-DO、cdma2000EV-DV) 和 宽 带 码 分 多 址(WCDMA)是 3G 的两大标准。cdma2000 系列主要在北美、韩国和中国 等地区使用,其载波频带宽度为 1.25 MHz,相应的国际标准组织是 3GPP2。 WCDMA 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。WCDMA 已经在世界范围广泛使用(如欧洲、韩国、中国等)。其载波 频带宽度为 5 MHz。为适应更高速率的要求(3G 的初期目标为 2Mbit/s), cdma2000 和 WCDMA 各自都有演进版,分别是 Evolution Data Optimized (EV-DO)和(HSPA,High Speed Packet Access)。3G 还有一套标准:时 分同步码分多址(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。
3G 容量的提高在很大程度上得益于码分多址系统的软频率复用、功率控 制技术和 Turbo 码的使用。1993 年这个信道编码领域的重大突破(Turbo 码)使得无线链路性能逼近香农极限容量(Shannon’s Limit)。在短短几年间, Turbo 码得到广泛应用,并掀起了对随机编码和迭代译码的研究热潮。
第四代移动通信系统(4G,4th Generation Mobile Communication)最 标志性的技术是正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA)。这也体 现了移动通信技术发展的必然趋势。首先,用户期望能有更高的数据速率。根据香农容量公式 C=B·log2(1+SNR),提高带宽可以迅速地提高数据速率(容 量)。这迫使 4G 使用更大的带宽(如,20 MHz)。相对 CDMA 系统,OFDM/ OFDMA 系统能更灵活地使用更大的带宽。
在 4G 标准制定的初期,世界范围内存在三大标准:超宽带移动通信(UMB, Ultra Mobile Broadband)、全球微波互联接入(WiMAX,基于 IEEE802.16) 和长期演进(LTE)。UMB 于 2007 年年底已基本完成标准制定。但由于运营 商缺乏兴趣,UMB 目前没有应用。WiMAX 早在 2007 年就形成标准。但由于 产业联盟过于松散、商业模式不够健全,WiMAX 的应用较少。
LTE 的第一个的版本号是 Release 8(Rel-8),于 2007 年 9 月完成。由于运营商的广泛兴趣,LTE 逐渐成为全球最主流的 4G 移动通信标准。版本 8 LTE 还不是严格意义的 4G 标准(俗称为“3.9G”;HSDPA 俗称为“3.5G”; 4G 的目标为 100 Mbit/s;Rel-8 的 LTE 在 20 MHz 单载波、单天线下的峰 值速率为 75 Mbit/s)。所以,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 Release 10,其性能指标完全达到 IMT-Advanced 的要求(Rel-10 的 LTE 在 5 个 20 MHz 的带宽、单天线下的峰值速率为 375 Mbit/s)。
LTE-Advanced 引入了一系列的空口技术,这些技术包括: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、终端之间的直通通信等。这 些技术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 明显的提升。这些技术不仅适用于以宏站为主的同构网,而且也适用于由宏站和 低功率节点所组成的异构网。
LTE/LTE-Advanced 在信道编码方面基本上沿用 3G 所用的 Turbo 码作 为数据信道的前向纠错码。LTE 在 Turbo 码的结构上有一些优化,一定程度 地降低了解码复杂度且提高了性能。控制信道采用咬尾卷积码,相比经典的卷积码,降低了开销。

1.2 第五代移动通信系统(5G-NR)的系统要求

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