作者：丁丹
出版社：电子工业出版社
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SC-CFDMA无线传输技术试读：
前言
纵观移动通信的发展脉络，其每一次更新换代既是技术的发展，又是用户体验的发展，也是用户需求的发展。1G解决户外移动话音通信，2G增加了低速数据业务，3G进一步提供高速多媒体业务，4G 则实现了移动互联网。未来，人们对移动通信的需求将进一步增加，一方面，预计未来10年移动通信数据流量将呈爆发式增长，将达到当前的数百倍甚至更多，而且追求极致的使用体验，要求获得与光纤相似的接入速率、媲美本地操作的实时体验、随时随地的宽带接入能力；另一方面，伴随着移动物联网（Internet of Things，IoT）产业浪潮，车联网、智能家居、移动医疗等将会推动移动互联网和物联网相互融合形成新型“跨界业务”，数以千亿的设备将接入无线网络，形成“万物互联”新局面，实现“信息随心至、万物触手及”的美好愿景，由此催生了 5G 移动通信。这些发展动因给无线传输技术带来了更新、更高的要求，包括用户数量、数据吞吐量、抗干扰能力、资源分配灵活性、组网能力、实现复杂度等方面。在当前诸多无线传输技术中，OFDM具有较高的传输效率、多用户适应能力以及资源分配灵活性；CDMA则具有较强的多用户和抗干扰能力。因此，将OFDM技术和CDMA技术相结合、综合二者优势，是实现满足日益旺盛的通信需求的一种可行途径。
SC-CFDMA（Single Carrier Code-Frequency Division Multiple Access，单载波码分、频分多址）即 SC-FDMA 技术与 CDMA 技术结合的产物，也可视为一种呈现单载波特性的特殊MC-CDMA，具有较低的PAPR。CDMA扩频技术是用更宽的频带换取通信的可靠性和抗干扰能力；SC-FDMA则是通过对各用户数据进行DFT预编码，将普通OFDMA转变为一种时域、宽带调制技术，物理上仍然以多个正交子载波来划分频率资源，但其波形呈现单载波特性，避免了传统OFDMA的高PAPR问题。除了具备低PAPR的特点，SC-CFDMA的扩频处理使得它能够和传统的扩频技术一样有效对抗窄带干扰，且在对抗部分带宽干扰方面比传统扩频方式更为有效。由于结合了正交子载波和扩频码两种多用户复用手段，SC-CFDMA系统对用户数量变化的适应能力较强，这在用户数量和业务需求多变的场合下就显得更有利。传统的扩频技术需要采用RAKE接收技术来对抗多径衰落，实现起来比较复杂；而由于子载波面临平坦衰落、接收端采用频域均衡等原因，正交多载波技术本身就有对抗多径衰落的能力，与扩频技术相结合后比单纯采用RAKE接收的扩频系统性能还要优越，实现也更为简单。在信道资源分配动态性、灵活性方面，CDMA虽然能够通过采用正交可变扩频因子码改变各用户的传输速率，但必须按2的幂次分挡位改变；而在SC-CFDMA体制中，可通过改变用户占用的子载波数量来调整数据速率，这种方式比改变扩频码周期长度更为灵活和方便，不受限于2的幂次。所以，SC-CFDMA通信技术能够满足多用户、大容量、抗干扰、资源分配灵活的需求，适用于军、民用移动通信。
全书共6章，第1章全面总结了地面移动通信以及卫星移动通信的发展，包括发展动因、技术体制以及系统特点；第2章介绍了OFDM和SC-FDMA技术基础知识，在此基础上引出SC-CFDMA技术，分析SC-CFDMA传输模型和传输性能，并提出了SC-2DCFDMA技术；第3～5章分别探讨SC-CFDMA的载波同步、符号同步和样值同步三大技术难题，深入分析了同步偏差对系统性能带来的影响，提出了有效的载波、符号、样值同步方法，仿真验证了相关方法的性能。第6章展望了SC-CFDMA在移动通信、卫星通信、电力线通信、水声通信以及巡航导弹组网通信等方面的应用前景。
本书的写作得益于作者所在团队成员的鼎力相助，全书由丁丹撰写，陈宜文参与了第2、6章部分内容的撰写，柴黎、倪淑燕、姜明勇参与了第1、6章部分内容的撰写，李云涛、赵阳、李兆铭为本书部分仿真实验做出了贡献，廖育荣、程乃平教授审阅全书并提出了宝贵建议。作者团队在国内外重要学术期刊上发表论文30余篇，提交国家、国防发明专利10余项，本书正是在上述研究成果基础上完成，并得到了装备预研、863 等多项课题资助。此外，本书在写作过程中参考了有关书籍和文献（见本书列出的参考文献），在此向这些作者一并致谢。
本书脉络清晰、深入浅出，且具有一定创新性，可作为通信与信息类专业高年级本科生及相关专业硕士生、博士生的教学用书或参考书，也可供无线通信领域从事研究与开发的科研人员、工程技术人员参考。
由于作者水平所限，加之时间仓促，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。第1章 移动通信发展1.1 地面移动通信发展
从1864年英国物理学家麦克斯韦（J.C.Maxwell）预言电磁波的存在，到20世纪80年代“大哥大”横行江湖，再到今天移动通信市场空前繁荣，地面移动通信的发展历程可分为5代。1.1.1 第1代（1G）移动通信
1.发展动因
20世纪20年代到70年代，移动通信实现了从军事专用通信向民用商业化通信的转变，连接方式从人工交换升级为自动交换方式。在此基础上，为进一步提升系统容量，实现区域多用户话音移动通信，贝尔实验室于1978年提出并成功研制了模拟蜂窝移动通信系统，并于20世纪80年代被广泛使用。
2.技术体制
1G蜂窝移动通信采用基于频分复用（Frequency Division Multiplex，FDM）的模拟通信技术。1G蜂窝移动通信由多个独立开发的系统组成，相应体制标准较多，很多国家都制定了自己的体制，最具代表性的模拟蜂窝通信系统包括美国的AMPS、英国的TACS、西德的C-450等，如表1-1所示。表1-1 第1代模拟蜂窝电话系统的主要参数续表
我国于1986年开始投资建设1G蜂窝移动通信网络，引进了美国摩托罗拉（Motorola）公司TACS标准的模拟蜂窝移动通信系统，作为A网；同时引进了瑞典爱立信（Ericsson）公司TACS标准的模拟蜂窝移动通信系统，作为B网。1987年11月，广东省首先开通了移动电话业务，出现了中国第1位手持“大哥大”的用户。1996年，实现了A网和B网的漫游。2011年，我国模拟蜂窝移动通信网络关闭。
1G典型系统采用的技术体制及主要参数如下：
➢ 频段—大多为800MHz和900MHz；
➢ 频带宽度—典型值为25MHz；
➢ 单信道带宽—典型值为30kHz或25kHz，可细分至6.25kHz以提升网络容量；
➢ 话音带宽—3.1kHz；
➢ 调制—模拟调频（Frequency Modulation，FM）；
➢ 小区复用—小区间采用7色FDM，小区内辅以扇区化；
➢ 前反向双工—频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）；
➢ 切换方式—网络控制、终端辅助。
3.系统特点
1G模拟蜂窝移动通信网络实现了区域多用户话音移动通信，在20世纪80年代得到了大规模发展，但存在如下弱点：
➢ 频谱利用率不高，容量受限；
➢ 覆盖范围小、制式太多、互不兼容，不支持全球漫游；
➢ 模拟体制，保密性差、通话质量不高、不提供数据业务；
➢ 无法与通信的数字化发展相适应，数字承载业务很难发展；
➢ 终端笨重。
这些弱点妨碍了其进一步发展，因此由于日益激烈的市场竞争和技术竞争，1G模拟蜂窝移动通信在20世纪90年代逐步被2G数字蜂窝移动通信所取代。1.1.2 第2代（2G）移动通信
1.发展动因
随着数字通信技术的发展和用户对通信容量、业务种类、全球漫游、安全保密等方面的追求，从20世纪80年代中期开始，2G数字蜂窝移动通信系统取代了1G模拟蜂窝移动通信系统。由于 2G 采用了更为先进的数字通信技术，使得网络容量、业务类型、漫游能力、安全性能等均有了很大提高，实现了全球、移动、数字通信，不仅能传输语音，而且能提供低速数据业务，又成为窄带数字移动通信系统。
2.技术体制
2G蜂窝移动通信的体制标准较1G更为统一，最具代表性的2G体制包括欧洲的全球移动通信系统（Global System for Mobile communication，GSM）、北美的码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、20 世纪末欧洲电信标准学会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）推出的GSM升级版—通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS），以及EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增强数据速率GSM演进），各系统主要参数如表1-2所示。表1-2 第2代数字蜂窝系统的主要参数
我国的数字蜂窝移动通信网的大力发展是从 20 世纪末开始的。1994 年，中国联通率先开始建设数字蜂窝移动通信网，1994年底，广东首先开通GSM数字移动电话网（俗称 G 网）。G 网工作频率是 900MHz，为了满足不断增长的通信容量，后来又建设了DCS1800移动通信系统的网（即D网），D网采用的是GSM900标准，不同的是工作频率为1800MHz，使用双频手机就可以在G网和D网中漫游通话。在2000年，中国联通启动了CDMA移动电话网（即C网）建设。2004年出现了 GSM/CDMA双模手机，双模手机用户可以自由选择使用G网和C网进行通信。目前我国应用的移动通信网主要是G网（主要运营商是中国移动与中国联通）和C网（主要由中国联通运营）。2001年，中国移动开通GPRS业务，标志着中国无线通信进入2.5G时代。经过短短20年的发展，我国已成为全球移动通信用户最多的国家，中国移动不仅是中国规模最大的移动通信运营商，也是拥有全球最大网络规模和用户规模的移动通信运营商。
GSM、GPRS、EDGE采用的技术体制及主要参数如下：
➢ 频段—900MHz、1800MHz；
➢ 单信道带宽—200kHz；
➢ 话音带宽—8kHz；
➢ 数据速率—GSM为9.6～14.4Kbps，GPRS最高为171.2Kbps分组交换速率；
➢ 话音速率—13Kbps；
➢ 调制—GMSK；
➢ 纠错码—卷积码；
➢ 复用—TDMA；
➢ 双工—FDD；
➢ 小区—小区间4色复用，小区内分3扇区；
➢ 切换—硬切换；
➢ 交换—GSM为电路交换，GPRS为分组交换；
➢ 保密—鉴权、加密；
➢ 话音编码—规则脉冲长期线性激励预测（RPE-LTP）；
➢ 其他—跳频（217h/s）、时域均衡、话音间断传输。
GPRS是在GSM系统软硬件基础上发展起来的分组交换系统，EDGE则为GPRS到3G 的过渡性技术体制，它们与 GSM 工作频率一致，为 2G 向 3G 过渡的网络系统，所以有人将GPRS称为2.5G移动通信系统，EDEG则称为2.75G移动通信系统。
CDMA采用的技术体制和主要参数如下：
➢ 频段—800MHz；
➢ 单信道带宽—1.23MHz；
➢ 码片速率—1.2288Mcps；
➢ 数据速率—RS1支持1.2/2.4/4.8/9.6Kbps，RS2支持1.8/3.6/7.2/14.4Kbps；
➢ 话音带宽—8kHz；
➢ 同样覆盖面积下，CDMA所需基站数比GSM少80%；
➢ 调制—下行QPSK，上行OQPSK；
➢ 纠错码—卷积码；
➢ 多址方式—CDMA；
➢ 双工—FDD；
➢ 小区复用—复用因子为1；
➢ 切换—软切换；
➢ 容量—软容量；
➢ 话音编码—码激励线性预测的可变速率混合编码算法（QCELP）；
➢ 其他—RAKE、话音间断传输、功率控制。
3.系统特点
GSM、GPRS蜂窝移动通信系统具有如下优点：
➢ 频谱利用率达1.35bps/Hz，高于1G；
➢ 系统容量比1G提高4～5倍；
➢ 统一标准，实现漫游；
➢ 业务比1G多样，如短信、GPRS上网；
➢ 安全性、保密性强于1G。
CDMA蜂窝移动通信系统具有如下优点：
➢ 频率规划简单，网络规划、扩展灵活；
➢ 系统容量大，没有绝对的用户数量限制；同样条件下，CDMA 系统容量为 GSM的4～6倍，为模拟系统的20倍；
➢ 保密性好，采用扩频码；
➢ 话音编码速率可变，适应不同信道条件。
尽管 2G 数字蜂窝移动通信基本实现了全球移动数字通信，其功能、性能明显优于1G模拟蜂窝移动通信，但仍存在以下不足：
➢ 漫游—与1G模拟蜂窝移动通信相比，2G漫游能力明显增强，但仍未实现真正的全球漫游。
➢ 系统容量—2G数字蜂窝移动通信系统容量实现了大幅增长，达到1G模拟蜂窝移动通信的4～6倍，但仍然难以适应日益增长的用户需求。
➢ 其他—此外，2G的不足还包括切换掉话、接入速率不足、编码质量低等。1.1.3 第3代（3G）移动通信
1.发展动因
由于 2G 移动通信难以提供高速数据业务、无法实现真正的全球漫游、系统容量与用户规模增长之间的矛盾日益凸显，20 世纪 80 年代中期，国际电联（International Telecommunication Union，ITU）开始研发3G移动通信技术，旨在实现能够全球漫游、适应多种环境、提供足够容量的宽带多媒体移动通信。
2.技术体制
1996年，ITU确定了3G移动通信系统正式名称为IMT-2000，其含义为预期该系统在 2000年左右投入使用，工作于 2000MHz频段，最高传输速率为 2000Kbit/s。随后，各国、各组织竞相向ITU提出自己的3G标准。1999年11月，ITU最终确定了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大体制标准，如表1-3所示。表1-3 3G移动通信技术体制对比
续表
WCDMA由欧洲和日本提出，基于2G的GSM演进，所以受到GSM运营商的支持，鉴于 GSM 的市场占有率，其全球漫游能力最强、影响范围最广。CDMA2000 由美国提出，基于2G的CDMA演进，技术成熟度高，但由于市场占有率的缘故，其全球漫游能力一般。TD-SCDMA则由中国提出，是中国在通信领域的第一个全球标准，受到中国政府的大力扶持，其空中接口采用了一系列先进技术，支持上下行不对称业务，频谱利用率最高。
3.系统特点
相比2G，3G移动通信具有以下特点：
➢ 可实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能；
➢ 能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务；
➢ 采用自适应多速率传输，适应不同信道条件；
➢ 除了进行普通的寻呼和通信外，还可上网读报、查信息、下载文件和图片；
➢ 由于带宽的提高，第三代移动通信系统还可以传输图像，提供可视电话业务。
然而，由于3G核心网尚未脱离2G核心网结构，所以普遍认为3G是一个从窄带移动通信向未来宽带移动通信的过渡。1.1.4 第4代（4G）移动通信
1.发展动因
纵观移动通信从 1G、2G 到 3G 的发展过程，是从窄带语音业务到宽带多媒体业务发展的过程。手机设备微型化、人性化、功能多，能够提供多样化通信、娱乐、生活服务等业务，已成为人们社会生活不可或缺的部分。与此同时，用户不断追求更高的网速、更多的业务、更优的体验，致使 2G、3G提供的数据通信业务逐渐不能满足需求，无论是数据速率还是业务类型都已达到系统的极限，需寻找突破性的空中接口技术和网络接口。
在此背景下，4G突破传统意义上的“数据通信”理念，将数字移动通信和互联网有机融合，形成“宽带移动互联网”。用户可在户外接入因特网，享受宽带网络带来的便利。“滴滴打车”、“微信理财”、“美团外卖”等新型业务极大地改变了人们的生活方式，同时也催生了“手机依赖症”、“低头族”等社会现象。
2.技术体制
2004年12月，在3GPP（3rd Generation Partnership Project，第3代合作伙伴计划）多伦多会议上，正式立项并启动了 LTE（Long Term Evolution，长期演进）标准，以OFDM/MIMO为核心技术，目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统，可以视为“准4G”或3.9G。2008年，LET标准化基本完成，其主要技术和参数分别如表1-4和表1-5所示。表1-4 LTE主要技术表1-5 LTE主要参数续表
● TDD-LTE与FDD-LTE
TDD-LTE 和 FDD-LTE 分别是 4G 两种不同的制式，一个是时分一个是频分。简单来说，TDD-LTE上下行在同一个频点时隙分配；FDD-LTE上下行通过不同的频点区分。就其技术特点来说，没有谁领先之分。
时分双工技术（Time Division Duplexing，TDD）是移动通信技术使用的双工技术之一，与FDD相对应。在TDD模式的移动通信系统中，基站到移动台之间的上行和下行通信使用同一频率信道（即载波）的不同时隙，用时间来分离接收和发送信道，某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站。基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。TD-LTE 上行理论速率为 50Mbit/s，下行理论速率为100Mbit/s。
FDD模式的特点是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保证频段来分离接收和发送信道。LTE系统中，上下行频率间隔可以达到190MHz。FDD（频分双工）是LTE技术支援的两种双工模式之一，应用FDD（频分双工）式的LTE即为FDD-LTE。由于无线技术的差异、使用频段的不同及各个厂家的利益等因素，FDD-LTE的标准化与产业发展都领先于TDD-LTE。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。FDD-LTE上行理论速率为40Mbit/s，下行理论速率为150Mbit/s。
相对3G的3种标准，4G的TDD-LTE和FDD-LTE差异更小，兼容性更平滑，更易于全球漫游。
● LTE-Advanced
从字面上看，LTE-Advanced 就是 LTE 技术的升级版，那么为何两种标准都能够成为4G标准呢？LTE-Advanced的正式名称为Further Advancements for E-UTRA，它满足ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。LTE-Advanced是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命，相当于HSPA和WCDMA这样的关系。LTE-Advanced的相关特性如下：
➢ 带宽—100MHz；
➢ 峰值速率—下行1Gbit/s，上行500Mbit/s；
➢ 峰值频谱效率—下行30bps/Hz，上行15bps/Hz；
➢ 针对室内环境进行优化；
➢ 有效支持新频段和大带宽应用；
➢ 峰值速率大幅提高，频谱效率的有限改进。
如果严格讲，LTE作为3.9G移动互联网技术，那么LTE-Advanced作为4G标准更加确切一些。LTE-Advanced的入围，包含TDD和FDD两种制式，其中TD-SCDMA将能够进化到TDD制式，而WCDMA网络能够进化到FDD制式。移动主导的TD-SCDMA网络期望能够直接绕过HSPA+网络而直接进入到LTE。
3.系统特点
相比3G，4G移动通信系统的主要优势包括：
➢ 通信速率高，达3G的50倍，提供高质量通信；
➢ 通信更灵活，随时随地通信、上网；
➢ 更高质量多媒体通信，语音、数据、图像等大量信息通过宽频信道传输；
➢ 与生活更紧密融合，使生活更便利；
➢ 兼容性更平滑，全球漫游能力更强。1.1.5 第5代（5G）移动通信
1.发展动因
纵观从1G到4G的发展脉络，移动通信每一次更新换代都是为了解决当时最主要的需求。1G解决户外移动话音通信，2G增加了低速数据业务，3G进一步提供高速多媒体业务，4G则实现了移动互联网。移动通信的发展既是技术的发展，又是用户体验的发展，也是用户需求的发展。未来，人们对移动通信的需求将进一步增加：一方面，预计未来10 年移动通信数据流量将呈爆发式增长，将达到 2010 年的数百倍甚至更多，而且追求极致的使用体验，要求获得与光纤相似的接入速率、媲美本地操作的实时体验、随时随地的宽带接入能力；另一方面，伴随着移动物联网（Internet of Things，IoT）产业浪潮，车联网、智能家居、移动医疗等将会推动移动互联网和物联网相互融合形成新型“跨界业务”，数以千亿的设备将接入无线网络，实现“万物互联”。“移动互联网+物联网”的发展动因给 4G 移动通信系统带来了巨大挑战，包括吞吐量、时延、链路密度、组网能力、成本、复杂度、能量损耗和服务质量等方面。由此，5G应运而生。未来的5G移动通信系统，不能再用某项单一的业务能力或者某个典型的技术特征来定义，而应是面向业务应用和用户体验的智能网络，通过技术演进和创新，满足未来包含广泛数据和连接的各种业务快速发展的需要，提升用户体验，实现“信息随心至、万物触手及”的美好愿景。
2.技术体制
5G已成为全球移动通信产业关注的焦点，参与5G技术体制标准制定的主要国际组织包括ITU、3GPP、NGMN（Next Generation Mobile Network，下一代移动通信网络）以及我国的IMT-2020推进组。其中，ITU是移动通信领域最权威的国际组织之一，它为全球移动通信技术的发展做出了重要贡献。在4G技术体制的发展过程中，ITU和3GPP是相关标准制定的最重要的2个组织。所以在5G标准制定过程中，ITU和3GPP将依然扮演重要的角色，但其他新兴的组织也将围绕5G标准的制定发挥积极作用。
到目前为止，5G移动通信系统的预期能力和候选技术如表1-6所示。表1-6 5G预期能力和候选技术
当前，对 5G各种纷繁复杂的愿景、设想和竞争都已开始聚焦。在国内，华为、中兴、爱立信等研究机构参与了工信部组织的 2016 [1]年 5G 技术研发试验第一阶段测试，主要围绕 5G的 8个关键技术开展，如表 1-7所示。从 2017年开始，运营商、设备商以及相关产业链将结合 5G 研发试验第一阶段测试结果，对 5G 关键技术进行突破。表1-7 5G技术研发试验第一阶段测试结果分析续表
5G研发试验第一阶段测试结果验证了 5G相关 8项关键技术的能力和优势，同时也揭示了存在的问题和后续研究的着力点。5G会和 4G一样，是一个长期演进的多种技术的组合，现有的研究成果已经让人们体验到超高速率、零时延、超大连接、信息融合等部分 5G的特性，但这并不是 5G的全部，随着各种研究的不断深入，5G关键支撑技术将从 2017 年开始逐步得以明确，并进入实质性的标准化研究与制定阶段，最终在 2020年前后实际商用部署，5G将为人们的日常生产生活提供更加便利的通信条件。（1）大规模天线：四点问题亟需突破，信道估计及建模、导频污染、FDD部署及商业成本是大规模天线技术成熟关键。
大规模多天线技术（Massive MIMO）被认为是5G的关键技术之一，是唯一可以十倍、百倍提升系统容量的无线技术。相比于以前的单一天线及4G广泛使用的4/8天线系统，大规模多天线技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域等）提升频谱利用效率和能量利用效率；多维天线阵列可以自适应地调整各个天线阵子的相位和功率，显著提高MIMO系统的空间分辨率；多天线阵子的动态组合，天然可以应用波束赋形技术，从而让能量较小的波束集中在一块小型区域，将信号强度集中于特定方向和特定用户群，因此可以显著降低小区内自干扰、邻区干扰，提高用户信号载干比。
结合 5G 技术试验的测试过程及结果，大规模多天线技术的以下关键问题仍需要进一步研究：
① 信道估计及建模。天线阵子的动态组合及分配和用户终端的移动性，导致传统的发射端位置固定的信道估计和建模方式不再适用。多个用户在地理位置的随机分布将显著影响天线阵子的分配，基站需要依赖信道的移动性和能量在空间的连续性尽快做出最优或者较优的信道估计。信道能量在空间的分布不均匀、不同的散射体和反射体的回波只对不同的天线阵子可见，意味着信道的相关性将难以预测，衰落将呈现非静态特征。
② 导频污染，上行信道估计容易被相邻小区的非正交序列干扰，基于受污染的信道估计的下行链路波束赋形将会对使用同一个导频序列的终端造成持续的定向干扰，从而降低系统容量。
③ FDD系统的部署。FDD系统发展 Massive MIMO，需要考虑信道估计的优化算法、CSI反馈增强及干扰控制、降低反馈占用的资源量的一系列尚未得到解决的问题。
④ 商业化的部署与成本控制。由于5G基站天线数目将极大增长，大规模天线系统会需要使用大量的天线阵子，工业生产时必然有严格的成本控制要求，反过来需要在理论上解决不同场景下最优的天线数量这一课题。大规模多天线系统的设计、制造、工程、安装、人力等成本均需有进一步的减少，才能在商业化部署中不受制约。（2）新型多址：竞争激烈，15种技术全球竞争，中国三种方案要胜出还需加紧突破关键技术问题。
3GPP RAN1在2016年中的会议已决定：eMBB场景的多址接入方式应基于正交的多址方式，非正交的多址技术只限于mMTC的上行场景。这就意味着，eMBB的多址技术将更可能采用DFT-S-FDMA和OFDMA。而华为SCMA、中兴MUSA和大唐的PDMA等将在2017年竞争mMTC的上行多址方案。
SCMA、MUSA、PDMA和NOMA等非正交多址方案均依赖于SIC技术，该技术虽然有良好的信号检测性能，但如果要应用在5G系统中，仍需要解决：①5G的大连接数需求迫使人们设计更复杂的SIC接收机，这就要求系统在可接受的功耗水平内装配更强的信号处理能力的芯片；②功率域、空域、编码域单独或联合地编码传输，要求SIC技术具有不断对用户的特征进行排序的强大能力；③多级处理过程中，SIC 技术有可能带来较大的处理时延，必须通过优化算法来降低负面影响。
此外，各个候选的多址接入技术也都具有一定的技术局限。以SCMA为例，仍存在的问题主要有：①代价合理的码本设计；②低复杂度的接收及SIC算法；③系统处理速率和链路预算的优化；④大量用户在短时间接入时，SCMA会带来峰值平均功率比过高的问题。
目前，一共有15种非正交多址技术的候选方案在竞争，如果中国的三种方案想获得成功，仍需尽快解决各自候选方案中潜在的技术问题，才能增大中选的可能。（3）高频段通信：需统一划定，高频段的物理特性和高昂成本待解决，统一频段将是不见硝烟的战争。
未来5G系统将面向6GHz以下和6GHz以上全频段布局，以综合满足网络对容量、覆盖、性能等方面的要求。
目前，6GHz以下的低频段拥挤不堪，6GHz以上的高频段研发不足，这是对未来海量 5G 频谱需求最大的挑战：①高频段频谱信道具有很多新的特征，比如高路损、高散射和对动态环境敏感等，需要理论界进一步的研究。②元器件成本高，对 RF 功能组件的成本控制不利，也对移动终端提出了新的要求。③最重要的是，需要全球统一划定可以使用的高频段，识别出 6GHz～100GHz 当中的最佳频谱。所谓的“最佳”，就是不仅具备优秀物理特性，还要适合国际间的协调，同时也要照顾到目前军队、卫星通信及其他行业的实际使用情况。可以预见到，全球统一的高频段频谱的划定也必然是一场不见硝烟的技术战争。（4）新型多载波：三种技术呼声最高，三种技术各有优劣，越简单越有市场。
5G新空口多载波技术将全面满足移动互联网和物联网的业务需求。选择新的波形类型时有许多因素要考虑，包括频谱效率、时延、计算复杂度、能量效率、相邻信道共存性能和实施成本。截至目前，业内呼声最高的3个候选技术是：F-OFDM、FB-OFDM和UF-OFDM。这三种多载波技术的共同点是：均采用了滤波器机制，具有较低的带外泄露，可以减少保护带开销。子带间能量隔离不再需要严格的时间同步，有益于减少同步信令开销。但良好的滤波器设计及滤波器输入参数是三种技术的实现关键。最优的滤波器设计，要求是带内近似平坦并且带外陡降，滤波器所带来的信噪比和误包率损失可忽略，而陡降的带外泄露也可以大幅降低保护带的开销。此外，还需要考虑实现复杂度、算法复杂度等约束条件。
FB-OFDM 原理方案中所使用的滤波器组是以每个子载波为粒度的。通过优化的原型滤波器设计，FB-OFDM 可以极大地抑制信号的旁瓣，而且与 UF-OFDM 类似，FB-OFDM也通过去掉CP的方式来降低开销。UF-OFDM和F-OFDM方案中的滤波器组都是以一个子带为粒度的。两者主要差别是：一方面，UF-OFDM 使用的滤波器阶数较短，F-OFDM需要使用较长的滤波器阶数；另一方面，UF-OFDM不需要使用CP，而考虑到后向兼容的问题F-OFDM仍然需要CP，其信号处理流程与传统的OFDM基本相同。FB-OFDM 旁瓣水平低，降低了对同步的严格要求，但是滤波器的冲激响应长度很长，所以 FB-OFDM 的帧较长，不适用于短包类通信业务。UF-OFDM 是对一组连续的子载波进行滤波处理，可以使用较短滤波器长度，支持短包类业务，但UF-OFDM没有CP，因此对需要松散时间同步以节约能源的应用场景不适合。（5）先进编码调制：Polar码还需锤炼，LDPC与Polar编码难分伯仲，Polar码后来居上还要看技术与生态的成熟度。
3GPP RAN1 在 2016年 10月里斯本会议和 11月里诺会议中已形成如下决议：①eMBB场景的上行和下行数据信道均采用flexible LDPC编码方案；②eMBB场景的上行控制信道采用Polar编码方案；③eMBB场景的下行控制信道倾向于采用Polar编码方案而不是 TBCC（咬尾卷积码）方案，但仍需在以后会议中确认；④uRLLC 和 mMTC场景的数据信道和控制信道的编码方案需要进一步研究。
Turbo Code 2.0、LDPC、Polar编码方案各有千秋，在编码效率上均可以接近或“达到”香农容量，并且有着低的编码和译码复杂度，对芯片的性能要求和功耗都不高。但由于LDPC和Polar编码更适应5G的高速率，低时延、大容量数据传输及多种场景的要求，事实上Turbo编码方案已经退出了竞争。
在2017年，uRLLC和mMTC场景的数据信道和控制信道的编码方案将是LDPC和Polar编码方案的双雄竞争，从技术角度而言，LDPC 和 Polar 编码方案难分伯仲。究竟在哪种场景、哪种信道选择哪种编码方案，市场、专利、产业链成熟度等恐怕是更重要的砝码。这里需要提到的是，LDPC 码由于提出时间最早，其相关的专利已纷纷到期或接近到期，而Polar码最为年轻，专利年限相对较长。此外，LDPC已经在众多领域得到了广泛应用，产业成熟度非常高，而 Polar 码由于年限较短，暂时还没有明确的技术标准，也谈不上有多少应用。由此看来，Polar码如果想应用在uRLLC和mMTC场景中，难度较大。（6）全双工：模型深入分析验证，全双工虽好，但自身干扰烦恼，五大问题待解决。
全双工技术可以使通信终端设备能够在同一时间同一频段发送和接收信号，理论上，比传统的TDD或FDD模式能提高一倍的频谱效率，同时还能有效降低端到端的传输时延和减小信令开销。全双工技术的核心问题是如何有效地抑制和消除强烈的自干扰。
5G第一阶段测试实验室测试系统是少天线和小带宽，且实验室无线环境较纯净，而未来商业部署后，必然面临着多邻居小区的同频异频干扰、异构异制式小区干扰、多种类型的天线、100MHz 以上的带宽和其他难以预料的复杂干扰，对于这样情况下的全双工系统的工作原理、自干扰的消除算法、信道及干扰的数学建模还缺乏深入的理论分析和系统的实验验证。
再看全双工技术与基站系统的融合方面，引入全双工系统后，需要解决：①物理层的全双工帧结构、数据编码、调制、功率分配、波束赋形、信道估计、均衡等问题；②MAC层的同步、检测、侦听、冲突避免、ACK/NACK等问题；③调整或设计更高层的协议，确保全双工系统中干扰协调策略、网络资源管理等；④与Massive MIMO技术的有效结合、接收、反馈等问题及如何在此条件下优化MIMO算法；⑤考虑到4G空口的演进，全双工和半双工之间动态切换的控制面优化，以及对现有帧结构和控制信令的优化问题也需要进一步研究。
未来大规模商业部署时，需要考虑制造成本，那么在 RF 及电路元器件设计及制造时，自干扰消除电路需满足宽频（大于 100MHz）、功耗低、尺寸利于安装，且可支持Massive MIMO所需的多天线（多于64根）。（7）超密集组网：现实场景效果待验，5G小区边界剧增，切换信令呈二次方增长，对超密集组网的SON技术还缺乏共识。
超密集异构组网技术可以促使终端在部分区域内捕获更多的频谱，距离各个发射节点距离也更近，提升了业务的功率效率、频谱效率，大幅度提高了系统容量，并天然地保证了业务在各种接入技术和各覆盖层次间的负荷分担。但在超密集部署场景下，由于各个发射节点间距较小，网络间的干扰将不可避免，主要类型有：同频干扰、共享频谱资源干扰、不同覆盖层次间的干扰、邻区终端干扰等。在现实场景下，如何有效进行节点协作、干扰消除、干扰协调成为重点解决的问题，现在业内已经提出了一系列方案，如虚拟层技术、小区动态分簇等，但均没有经过实际验证，效果有待检验。
超密集地部署网络发射节点，使得小区边界数量剧增，加之小区边界更不规则，导致更频繁、更为多样的切换，原有的 4G 分布式切换算法会使其小区间交互控制信令负荷随着小区密度的增加以二次方趋势增长，极大地增加了网络控制信令负荷。超密集部署场景下的切换算法是必须解决的问题。
超密集部署的发射节点状态的随机变化，使得网络拓扑和干扰类型也随机动态变化，加上多样化的用户业务需求保障，同时为了降低网络部署、运营维护复杂度和成本，提高网络质量，超密集组网技术必须配合更智能的，能统一实现多种无线接入制式和覆盖层次的自配置、自优化、自愈合的网络自组织技术。就当前的研究成果来看，超密集部署场景下的SON技术（自配置、自优化、自愈合功能）是业内缺乏共识，也是亟待解决的关键技术点。（8）组网关键技术：网络切片已获验证，SDN/NFV虽然功能强大，但不能解决5G所有问题，不同场景的大量问题还待解决。
随着软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等技术的逐步成熟，5G组网技术已能实现控制功能和转发功能的分离，以及网元功能和物理实体的解耦，从而实现网络资源的智慧感知和实时调配，以及网络连接和网络功能的按需提供和适配。原本业界普遍担心的网络切片技术，也由其发起者爱立信在第一阶段测试中通过原型机进行了实验室验证，测试中实现了基于爱立信提出的在切片管理三层架构（业务管理层、切片管理层、共享基础设施/资源层）下，完整的网络切片生命周期管理全过程，其中包含基于切片Blueprint的切片构建和激活，运行状态监控、更新、迁移、共享、扩容、缩容，以及删除切片等。此外，还验证了目前 3GPP 标准中主流的切片选择方案；以及根据不同的业务需求，切片在多数据中心的灵活部署等场景。
SDN 和 NFV 的组合虽然功能强大，但仍然不能解决所有的问题，由于现实中存在多种传统网络，5G的新型网络架构将不得不考虑如何解决异构网络之间的兼容性问题、如何规范编程接口、如何发现灵活有效的控制策略、如何进行不同架构网络协议适配、南北向接口的数据规范、数据采集处理等一系列问题。
5G是移动宽带网和物联网的有机组合，因此机器间通信技术、车联网、情景感知技术、C-RAN和D-RAN组网技术等领域也是其组成部分。就已知的研究成果来看，这些领域中仍然存在着大量的问题需要进一步的研究，并最终拿出可以在实际场景部署的商用解决方案。
3.系统特点
5G移动通信系统能够满足未来移动互联网和物联网巨量增长带来的苛刻需求，其在性能方面的大幅提升将全面提升用户体验。光纤接入的速率，“零”时延的用户体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度，超高连接密度和超高移动性等，都将极大地提升移动互联网和物联网的影响力。此外，5G在效能和成本效率方面超百倍的提升，也将使移动通信的应用更加深入和普及，为相关新技术和新业务提供更广阔的发展平台，并最终实现“信息随心至、万物触手及”的5G愿景。
然而，相比前几代技术，5G 在技术成熟度、标准化和产业化等方面还面临较大的挑战：
➢ 技术不成熟
目前，大规模多天线技术适用场景的信道模型尚不清晰；全双工技术仍需在大规模组网条件下进行深入验证；SDN技术在无线接入网络中面临资源分片和信道隔离、切换等技术挑战；FBMC、SCMA、MUSA、PDMA等新型波形技术的性能还有待进一步验证。
➢ 频谱短缺
IMT 给中国划分的频率总计为 687MHz，其中时分双工总计 345MHz，频分双工总计342MHz。根据中国IMT 2020预测，到2020年我国频谱需求为1350～1810MHz，频谱短缺将十分严重。为了拓展更多的频谱资源，以达到 20Gbps 的需求，一方面需要政府机构科学规划频谱资源，为 5G 开辟新的频谱；另一方面需要采用新技术去提升频谱使用效率。
➢ 技术融合困难
与 2G、3G、4G 不同，5G 不再以某项代表性技术为标志，而将是一个多技术、多网络、多业务融合的复杂网络，需要在实施融合的过程中不断深入探讨。
➢ 能耗的挑战
5G将带来用户流量的激增（1000倍于4G的数据流量），必然要求每bit成本要显著降低（1/1000），相应的设备比特能耗效率就要提升1000倍。这对5G的网络架构、空口传输、核心网数据分发和网络管理等技术带来了巨大挑战。
➢ 终端设备的挑战
5G作为多技术融合的系统，必然要求5G终端设备支持更多不同的无线制式，因此多模终端的研发是现实挑战，包括成本、散热、电池等因素。
➢ 业务适配的挑战
5G要支持的业务繁多，而且各种业务的需求千差万别，在设计上存在诸多矛盾，如：既满足低速海量连接，又支持高速移动场景；既满足超低时延需求，又满足小包突发业务场景。因此，如何制定统一的通信协议来满足业务灵活性，将面临极大挑战。1.2 卫星移动通信发展1.2.1 卫星移动通信特点
卫星移动通信是指利用卫星的转发，为移动用户之间或移动用户与固定用户之间提供区域或全球范围的话音、数据、多媒体等服务。目前，地面移动通信基础设施已能为陆地主要区域提供较好的通信服务，但由于全球地理范围广、环境复杂，对于海洋、空中、沙漠、偏远山区、海岛等区域，尤其是在抢险救灾和军事应用条件下，地面移动通信往往无法提供服务；卫星移动通信则是地面移动通信的补充和扩展，是实现全球网络无缝覆盖不可或缺的通信手段。按照卫星移动通信轨道分布情况，现阶段卫星移动通信系统主要有两种，低轨（Low Earth Orbit，LEO）卫星星座移动通信系统和地球同步（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星移动通信系统。
地球同步卫星移动通信系统出现较早，从20世纪七十年代至今已发展了几代，经历从模拟到数字，从窄带到宽带，从电路交换到IP交换，从单波束到多点波束的发展。由于运行在地球同步轨道，单星覆盖范围大、星体相对固定，只需3颗卫星即可实现除两极之外的全球覆盖。地球同步轨道卫星移动通信系统的典型代表有海事卫星（Inmarsat）和瑟拉亚（Thuraya）卫星。由于轨道高、通信距离长，地球同步轨道移动通信卫星存在链路损耗大、传输时延长、单星成本高、无法覆盖两极地区、轨位资源紧张等弱点。相比之下，低轨卫星星座移动通信系统具有传输时延小、实时性好、发射难度低、传播衰减小、抗毁性强等优点，适用于建立全球无缝覆盖的移动通信系统。因此，20 世纪 90年代中期，一些低轨移动通信卫星应运而生，典型代表有铱星（Iridium）、全球星（Globalstar）、轨道通信卫星（Orbcomm）等。然而，低轨卫星移动通信系统也存在着对卫星数量要求高、星座复杂、管控难度大、维护费用高的问题。
由于地球同步轨道卫星移动通信系统和低轨卫星星座移动通信系统在设计思想、技术手段、应用领域等方面都存在明显区别，分别代表了卫星移动通信领域内两种不同的发展方向，各有其优势和不足，任何一方都不可能完全代替另一方。因此，两种系统应为互相补充的关系，需协调发展。
当前，卫星移动通信系统主要特点包括：
➢ 频段方面，多采用L、S或Ka频段，有利于用户终端的小型化；
➢ 体制方面，多采用地面移动通信2G或3G体制；
➢ 通信容量方面，多为几kbps到几百kbps的窄带业务；
➢ 载荷方面，多采用星上处理（OBP，on board processing），部分仍为透明转发。1.2.2 卫星移动通信技术体制发展
1.卫星移动通信面临的技术难题
卫星移动通信具有覆盖范围大、作用距离远、组网灵活、不受地面设备限制、受地理条件和通信距离影响小等优势；然而，与地面移动通信相比，卫星移动通信面也面临着波束覆盖范围大、信号传输时延长、星上处理资源受限、传播衰减大等问题。
由于上述原因，在过去的几十年中，卫星移动通信往往是作为地面移动通信的辅助或补充，其服务区域局限于诸如海域、山区以及受[2]灾地区等，这些都是地面移动通信网络无法触及的。欲在移动通信领域发挥更大的作用，卫星移动通信必须克服的技术难题可以划分为网络层和物理层两类。网络层的难题包括：时延相对较大、丢包率相对较高、链路不对称等，从而导致常用的TCP/IP协议不再适用，于[3][4]是出现了一些诸如增强型TCP/IP、延迟与中断容错网络（Delay-And-Disruption-Tolerant Networking）等更适合于卫星移动通信的协议。实际上，卫星移动通信的发展需要对各层的算法和协议进行改进。文献[5]对这些问题进行了详细的综述。物理层的难题包括：城市密集区域鲜有直射信号、频率和功率资源受限、链路开放易受干扰、通信容量需求越来越高、星上处理能力受载荷能力限制、与地面移动通信系统难以完全兼容、系统建成后体制更新和业务拓展难度大等。
2.卫星移动通信技术体制发展路线
由于市场繁荣、商业利润和用户需求的不断推动，地面移动通信始终引领着通信技术的发展，并且注重吸收国际上通信技术研究的最新成果，如3G中的CDMA技术、4G中的OFDM、MIMO技术等；相比之下，卫星移动通信总体上是不断跟随地面移动通信体制的演变而更新换代，如图1.1所示。图1.1 卫星移动通信跟随地面移动通信发展路线图
ETSI 从 2001 年开始制定地球同步卫星移动通信标准 [6]GMR-1（Geostationary Earth Orbit Mobile Radio interface），该标准由第二代地面移动通信GSM标准衍化而来，也命名为 GMR release 1。2005年，EISI参照地面移动通信 GPRS标准，制定了 GMPRS （GEO-Mobile Packet Radio Service，GEO卫星移动分组服务）标准，也命名为GMR release 2。2012年的版本GMR-1 3G则基于地面移动通信GPRS的升级版EDGE改进而来，也命名为GMR release 3。当地面移动通信发展至3G时代，ETSI并未推出与之相对应的卫星移动通信3G标准，而ITU-R则在IMT-2000的卫星空口技术规范M.1850中给出了与地面 3G 兼容的技术体制标准。随着地面移动通信 4G 的发展，ITU 于 2012 年拟定了IMT-advanced计划，制定了卫[7]星无线接口远景和需求草案M.2176，指出了未来卫星移动通信体制发展的趋势和需求；并基于此，于 2013 年发布了卫星无线接口具体[8]规范M.2047。该标准基于3GPP LTE技术，能与地面4G移动通信系统保持最大程度兼容。
3.ETSI GMR-1技术标准
GMR-1技术标准介绍了基于电路交换模式的卫星移动通信无线接口细则，是根据地面移动通信2G GSM技术体制标准、结合卫星移动通信特点改进而来。GMR-1标准基于频分双工，采用TDMA/FDMA多址接入模式，支持接入GSM核心网，能够提供与GSM相兼容的服务并且重复利用GSM网络基础设施。在GMR-1标准下，用户可使用双模终端在GMR-1卫星移动通信网络和GSM地面移动通信网络之间漫游，提供高频谱效率话音、延迟容忍传真、最高 9.6Kbps 的非透明数据、短信、小区广播、定位、强渗透力警报以及单跳端到端呼叫等移动通信服务。
基于GMR-1体制标准的典型卫星移动通信系统是阿联酋的Thuraya系统，目前广泛用于欧洲、非洲、亚洲和中东等约 140 个国家。GMR-1 标准后续有两次更新，分别是2002年和2005年，对应版本分别为1.2.1版和1.3.1版。
4.ETSI GMPRS技术标准
2003年，ETSI根据地面移动通信2G GPRS技术体制标准、结合卫星移动通信特点对GMR-1标准进行改进，发布了GMPRS标准，增加了分组交换能力并改进了空中接口，且支持接入 GSM/GPRS 核心网。GMPRS 标准为便携式终端提供 IP 数据服务，可在GMPRS 卫星移动通信网络和 GPRS 地面移动通信网络之间漫游，吞吐量和频谱效率均高于GMR-1。
GMPRS的2.1.1版本支持高达144Kbps的双向分组数据传输、用户间QoS差异化以及链路动态自适应。出版于2005年的GMPRS 2.2.1版本能够向手持终端提供窄带数据分组服务，下行链路数据速率可达 64Kbps，上行链路数据速率可达 28.8Kbps。出版于2008年的GMPRS 2.3.1版本能够向A5打印纸大小的便携式终端提供宽带分组数据服务，下行链路速率提升至 444Kbps，上行链路数据速率则高达 202Kbps。在使用外置天线的条件下，该上行链路数据速率可进一步提升至400Kbps。GMPRS 2.3.1版本吸收了LDPC码、32-APSK调制等当时较为先进的物理层技术，从而能够提供双向流媒体服务。GMPRS技术体制标准发布后，Thuraya系统也做出了相应升级。
5.ETSI GMR-1 3G技术标准
最新的GMR-1 3G发布于2011年，基于3GPP R6协议架构，最高吞吐量可达592kbps，支持与3G地面移动通信核心网连接，但其空中接口并未采用WCDMA、CDMA2000或TD-SCDMA 等地面移动通信 3G 技术，而是保留了地面移动通信 2G（EDGE）中的TDMA/FDMA体制，并根据卫星移动通信环境进行了相应改进。这一方面是因为带宽、功率资源的限制，ETSI认为卫星移动通信只能提供“类似于”地面移动通信3G的服务；另一方面也是基于前向兼容的考虑。
GMR-1 3G 的无线网和核心网之间采用 Iu-PS 接口，目的是提供前瞻性的 IMS（IP Multimedia System，IP多媒体子系统）服务。GMR-1 3G空口的特点包括：
➢ 采用零字节包头压缩的高频谱效率、多速率VoIP（Voice over IP）；
➢ 高达592kbps的吞吐量；
➢ 多种载波带宽可调；
➢ 支持多种终端类型：手持、PDA、车载、便携和固定；
➢ 支持IP多媒体业务；
➢ 用户和应用差异化QoS；
➢ 动态链路自适应；
➢ 兼容IPv6；
➢ 支持卫星和地面网络之间切换；
➢ 支持非接入（Non-Access Stratum，NAS）协议。
GMR-1 3G工作于FDD模式，适应信道带宽为31.25kHz～312.5kHz，提供精细的频谱粒度，从而有利于不同系统之间的频谱分配。应用GMR-1 3G技术体制标准的典型代表有Inmarsat BGAN、Skyterra、Terrestar等。
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