第 1 章 背景介紹
前幾代蜂窩通信基本上都是采用正交多址的方式。在第五代移動 通信中，非正交多址作為實體層的關鍵基礎技術，彌補了正交 多址的不足，更加有效地支援 5G 豐富的部署場景：eMBB、URLLC 和 mMTC。不僅可以增加下行排程系統的頻譜效率，還能大大提升上行免 排程場景下的使用者連接配接數和系統吞吐。
| 1.1 前幾代蜂窩通信的演進 |
無線資源是有限的，蜂窩通信從發展之初就一直以提高頻譜利用效率為目 标。AT&T 貝爾實驗室于 1968 年提出蜂窩通信的思想，即采用類似蜂窩六邊形 的小區，彼此相連，構成連續覆寫的網絡。小區之間可以複用頻譜資源，使網 絡的容量成倍增長。在這幾十年中，蜂窩通信飛速發展，頻譜效率、使用者速率 以及系統容量都有若幹數量級的增加，其間經曆了四代的演進。雖然年代的劃 分需要在最高速率、系統帶寬、系統容量/頻譜效率、業務等方面有較大的飛躍， 但是每次的更疊都是以新的多址技術為标志，如表 1-1 所示。
第一代蜂窩通信的多址技術是頻分複用（FDMA），僅支援語音服務。每 個使用者的無線資源按固定的頻率劃分，采用模拟幅度調制（Amplitude Modulation，AM），無法采用資訊壓縮和信道編碼來糾錯，對發射功率也缺乏 有效的控制，是以頻譜效率低下。以北美的制式為例，每條通道單獨要占 30 kHz 帶寬，通話容量十分有限。模拟器件難以內建，終端的硬體成本高，體積大， 普及度很低。
第二代蜂窩通信的多址技術以時分複用（TDMA）為主，基本業務是語音 通話，使用最廣泛的制式是歐盟主導制定的全球移動通信系統（Global System of Mobile Communications，GSM）标準。GSM 中将無線資源先劃分成若幹個 200 kHz 窄帶，每個窄帶中允許多個使用者根據時隙（Time Slot）複用資源。為 降低鄰近小區間頻率複用造成的幹擾，保證小區邊緣的通話性能，GSM 系統通 常将相鄰的 7 個或 11 個小區組成一簇，簇内各小區的頻率不能重複，頻率複用 隻能以簇為機關。第二代蜂窩通信系統中的語音信号經過信源壓縮後數字化， 采用數字調制和功率控制，并通過信道編碼進行糾錯保護，使得傳輸效率大大 提高，系統容量也有很大提升。在第二代蜂窩通信的後期出現另外一種制式： 高通公司（Qualcomm Inc.）的 IS-95，主要在北美部署。IS-95 是第一個使用碼 分複用（Code Division Multiple Access，CDMA）的直接序列頻率擴充（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）的商用标準，可以被看作是第三代蜂窩通信 的前奏。
第三代蜂窩通信廣泛采用擴充碼分複用。使得信道的抗幹擾能力大大增 強。相鄰小區可以完全複用頻率，進而提升了系統容量。cdma2000/EV-DO 和 UMTS/HSPA 是第三代蜂窩通信的兩大标準。cdma2000/EV-DO 主要在北美、 南韓、中國等使用，載波頻帶寬度為 1.25 MHz，相應的國際标準組織是 3GPP2。 UMTS/HSPA 的國際标準組織是 3GPP，其中，歐洲的廠商和營運商起着重要作 用，已經在世界範圍廣泛使用，其載波頻帶寬度為 5 MHz，是以又稱 Wideband CDMA (WCDMA)。為适應更高速率的資料業務要求，CDMA 和 UMTS 分頭演 進，分别是 Evolution Data Optimized（EV-DO）和 High Speed Packet Access （HSPA），二者都融入了時分複用的技術，采用相對較短的時隙。第三代蜂窩 通信還有一套标準：TD-SCDMA (Time Division Synchronous CDMA)，主要由 中國公司和一些歐洲公司制定，屬于 3GPP 标準的一部分。TD-SCDMA 在中國 有大規模部署。
第四代蜂窩通信是正交頻分複用（OFDM），這裡有一定的技術必然性。 首先，4G 的帶寬在終端側至少是 20 MHz，遠遠超過 3G 的帶寬。大帶寬意味 着更精細的時間采樣粒度和更多的多徑分量，如果仍然采用 CDMA，會産生嚴重的多徑間幹擾。盡管先進接收機可用來降低多徑幹擾，但是其複雜度過高。相 反，OFDM 将寬帶劃分成多個正交的超窄帶（又稱子載波），每個子載波中的信 道相對平坦，信号的解調無須複雜的均衡或幹擾消除，大大降低了接收器的研發/ 生産成本。低成本的 OFDM 接收器也大大降低了多天線接收器的複雜度，尤其 對于大帶寬系統。可以說，OFDM 的引入極大地促進了多天線技術在第四代蜂窩 通信中的應用，對鍊路和系統容量的提升起了重要作用。4G 中也包含了時分複 用，時隙長度比 3G 的更短，而且部分控制信道和參考信号采用碼分複用。
第四代蜂窩通信标準制定的初期，世界範圍記憶體在三大标準：UMB、 WiMAX 和 LTE。UMB 是 Ultra Mobile Broadband 的簡稱，其核心技術起始于 高通對 IEEE 802.20 的研究，之後在 3GPP2 與朗訊科技（Lucent Technologies）、 北電（Nortel）和三星（Samsung）等公司一起制定技術細節，2007 年年底基本 完成。但由于 Verizon 等幾家大的營運商對之缺乏興趣，其後續的标準化和推 廣工作在 2008 年後就停止了。WiMAX 可以看成是 Wi-Fi 向廣域蜂窩通信的一 個延伸，早在 2007 年就完成了第一版的标準，起初 Sprint 等營運商計劃部署。 但由于 Sprint 本身的經營狀況不佳，再加上産業聯盟過于松散，商業模式不夠 健全，WiMAX 并未被廣泛應用。
LTE 的第一期的版本号是 8（Release 8），于 2008 年完成。由于 UMB 标 準化工作的停止和 WiMAX 标準的被邊緣化，LTE 逐漸成為全球最主流的 4G 蜂窩通信标準。從 2009 年起，3GPP 開始了對 LTE-Advanced 的标準化。作為 一個重大的技術邁進，LTE-Advanced 标準的版本編号是 10（Release 10），其 性能名額完全達到 IMT-Advanced（4G）的要求。
除了 OFDM 和多天線技術，LTE/LTE-Advanced 還引入了一系列的空口技 術，如載波聚合、小區間幹擾消除抑制、無線中繼、下行控制信道增強、終端 直通通信、支援非授權載波、窄帶物聯網（NB-IoT）等，使得其系統的綜合頻 譜效率、峰值速率、網絡吞吐量、覆寫等有了一個較明顯的躍進。不僅适用于 以宏站為主的同構網，在宏站/低功率節點所組成的異構網當中也起了巨大的作 用，并服務更多的業務應用。
| 1.2 第五代蜂窩通信的系統要求 |