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前几代蜂窝通信的演进 | 带你读《5G非正交多址技术》之一

简介: 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。

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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。
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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。

| 1.2 第五代蜂窝通信的系统要求 |

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