原理篇

第1章
TD-LTE系统总述

1.1 移动通信技术发展

1.1.1 移动通信发展史

通信的发展始于远古，在本书中，通信是指以电磁波信号的形式，借助无线电波、电缆、光缆等媒介实现的两点间的远距离信息交换，交换双方之间采用单向或双向方式。

基于电磁系统的电信通信系统以有线电报的实验成功为标志，在19世纪30年代后得到迅速发展；1876年贝尔发明电话，人类社会进入电信时代；1899年，第一封收费电报的拍发，标志着无线电通信实用阶段的到来。以“点”和“画”表示的摩尔斯电码，虽然形式上属于数字信号，但在之后的近百年内并未获得发展壮大的机会，模拟信号通信系统一直占据着统治地位，广播、电视、电话等均采用模拟通信系统。

有线通信干扰小、失真小、信号相对稳定，但其设备必须通过固定设备连接，难以满足某些场合的通信需求。无线通信采用电磁波携载信息，更加灵活，通信双方不必固定地点，大大方便了个人通信，因此逐渐成为研究与应用的重点。

移动通信的雏形在20世纪中期已被开发出来，包括步话机、对讲机等，这些早期的无线通信主要应用于军事或特种领域，仅能在少数特殊人群中使用且携带不便。近几十年来，无线通信技术在民用领域发展迅猛，先后出现了蜂窝移动通信系统、微波通信、卫星通信、固定宽带无线接入、802.x系列无线接入标准、本地多点分配系统（LMDS，Local Multipoint Distribution System）、多信道多点分配系统（MMDS，Multichannel Multipoint Distribution System）等技术。其中蜂窝移动通信的出现影响了全球数十亿人的生活方式，它的发展先后经历了模拟移动通信、数字移动通信、第三代移动通信系统（3G）以及后3G阶段。

1.第一代移动通信系统（1G）

第一代蜂窝移动电话系统是模拟蜂窝移动电话系统，主要特征是用模拟方式传输模拟信号，美国、英国和日本都先后开发了各自的系统。

随着对电磁波研究的深入和大规模集成电路的问世，移动电话首先被制造出来，移动终端设备的研制成功带动了对于网络结构的探索。20世纪70年代初，蜂窝系统覆盖小区的概念和相关理论由贝尔实验室提出后，立即得到迅速发展，很快进入了实用阶段，移动通信跨入了第一代模拟蜂窝移动电话系统的时代。

1978年年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1983年，AMPS首次在芝加哥投入商用；同年12月，在华盛顿也开始启用；之后，服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区，约10万移动用户。日本、德国等其他国家也陆续开发了蜂窝式公用移动通信网。1979年，800MHz汽车电话系统（HAMTS）在东京等地正式投入商用。1984年西德建成C网，频段为450MHz。1985年，英国开发的全地址通信系统（TACS）在伦敦投入使用，并在之后覆盖了全国，频段为900MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450MHz移动电话系统（MTS）。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网，并投入使用，频段为450MHz。

2.第二代移动通信系统（2G）

第一代模拟制系统解决了移动通信系统的有无问题，但它们在应用中的各种缺点也不断浮现出来，包括系统间没有公共接口、难以互通、频谱利用率低、系统容量小，安全性差、容易被窃听等。

为克服模拟通信的上述缺点，数字技术被引入到蜂窝移动通信系统，并在20世纪八九十年代得到了长足发展，称之为第二代移动通信系统。2G系统提供了更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游。2G的制式主要有GSM、CDMA（IS-95）、D-AMPS等，其中GSM与CDMA系统应用广泛。

（1）GSM/GPRS/EDGE

GSM数字移动通信系统最早起源于欧洲。1982年，北欧国家要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范，并提交了建议书。在那之后，欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会为制定有关的标准和建议书成立了“移动特别小组”（Group Special Mobile），简称“GSM”。1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。1990年，该小组完成了GSM900的规范，共产生了约130项建议书，这些建议书分为12个系列。

1991年，第一个GSM系统在欧洲开通，GSM更名为“全球移动通信系统”（Global System for Mobile Communications），移动通信从此进入第二代数字移动通信时代。同年，移动特别小组制定了名为DCS1800系统的1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范。该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，它们绝大部分是通用的，二者可通称为GSM系统，因此规范仅将GSM900和DCS1800之间的差别加以描述。

在这之后，为了实现对数据业务的支持，GSM体制制定了GPRS与EDGE这两种标准。

通用分组无线业务（GPRS，General Packet Radio Service）由GSM Phase 2.1版本定义，是为适应移动数据接入需求的增长而产生的。由于GPRS支持中低速的数据传输，常被称作一种2.5G的技术，支持9.05～171.2kbit/s的接入速率。

增强型数据速率GSM演进技术（EDGE，Enhanced Data Rate for GSM Evolution）介于GPRS与3G之间，也常被称作2.75G的技术。它在GSM系统中采用了多时隙操作和8PSK调制，能够支持300kbit/s的数据速率接入，匹敌cdma 1x。

（2）IS-95/cdma2000 1x

在2G时代，CDMA技术和GSM技术几乎是同时开始发展的。cdma2000标准是一个体系结构，称为cdma2000 family，它包含一系列子标准。由cdma One向3G演进的途径为：cdma One（IS-95A/B）→cdma2000 1x→cdma2000 1x EV。其中cdma2000 1x属于准3G技术，cdma2000 1x EV之后均属于标准的三代技术。

1993年，高通公司提出了CDMA第一个商用标准，被美国TIA/EIA定为IS-95A（TIA/EIA INTERIM STANDARD/95A）标准。1994年，第一个CDMA商用网络在中国香港地区（香港和记电讯）开通。1995年，CDMA（IS-95A）在韩国、美国、澳大利亚等国得到大规模应用。

从技术角度来说，IS-95A技术属于第二代移动通信技术，主要支持语音业务。IS-95A商用几年以后，市场对数据业务的需求逐渐显现。在这种情况下，美国电信工业协会（TIA）制定了IS-95B标准。IS-95B通过将多个低速信道捆绑在一起来提供中高速的数据业务，可提供的理论最大比特速率为115kbit/s，实际只能实现64kbit/s。但是从技术角度来说，IS-95B并没有引入新技术，所以通常将IS-95B也作为第二代移动通信技术。

cdma2000 1x是由IS-95A/B标准演进而来的，由3GPP2负责具体标准化工作。cdma2000 1x在IS-95的基础上升级空中接口，可在1.25MHz带宽内提供307.2kbit/s高速分组数据速率。cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。cdma2000在标准研究的前期，提出了1x和3x的发展策略，但随后的研究表明，1x和1x增强型技术（1x EV）代表了未来的发展方向。

cdma2000 1x仅能提供准3G的数据业务，目前发表的版本包括以下两种。

Rev.0：1999年10月发布，Rev.0沿用了基于ANSI-41D的核心网，在无线接入网和核心网的基础上增加了支持分组业务的网络实体，其单载波速率最高可达153.6kbit/s。

Rev.A：2000年7月发布，与Rev.0相比没有网络结构上的变化，增加了对业务特征的信令支持，如新的公共信道、QoS协商、增强鉴权、加密、话音业务和分组业务并发业务。Rev.A单载波速率最高可以达到307.2kbit/s。

3.第三代移动通信系统

第三代移动通信系统（3G）的技术发展和商用进程是近年来全球移动通信产业领域最为关注的热点问题之一。

3G在ITU的正式名称是IMT-2000，其前身为1985年提出的FPLMTS（未来公共陆地移动通信系统）。ITU在1996年年底确定了第三代移动通信系统的基本框架，包括业务需求、工作频带、网络过渡要求和无线传输技术的评估方法等，FPLMTS也更名为IMT-2000，其用意是希望在2000年前后投入商用、最高速率达到2000kbit/s并工作在2000MHz频段。

IMT-2000的目标是：

●频段、标准全球统一无缝覆盖；

●频谱效率高、服务质量高、保密性能好；

●多媒体业务速率达到2Mbit/s，包括室内环境（2Mbit/s）和步行环境（384kbit/s）以及车速环境（144kbit/s）；

●易于从第二代系统过渡和演进。

1999年10月ITU在赫尔辛基举行的会议确定了以下5种3G方案：

●IMT-2000 CDMA DS（Direct Spread），即欧洲和日本的UTRA FDD（WCDMA）；

●IMT-2000 CDMA MC（Multi-Carrier），即美国的cdma2000；

●IMT-2000 CDMA TC（Time-Code），即欧洲的UTRA TDD和中国的TD-SCDMA；

●IMT-2000 TDMA SC（Single Carrier），即美国的UWC-136；

●IMT-2000 FDMA/TDMA FT（Frequency Time），即欧洲的DECT。

经过融合和发展，形成了3种最具代表性的3G技术标准，分别是TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000。其中TD-SCDMA属于时分双工（TDD）模式，是由中国提出的3G技术标准；而WCDMA和cdma2000属于频分双工（FDD）模式。

在3G的商用发展过程中，又发展出两大标准化论坛：一个是推广WCDMA和TD-SCDMA标准的3GPP标准化论坛，另一个是推广cdma2000标准的3GPP2论坛。

（1）WCDMA

WCDMA是由3GPP具体制定的，基于GSM MAP核心网，UTRAN（UMTS陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统，先后发布了Release 99（简称R99）、R4、R5、R6、R7等多个版本。

WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mchip/s，载波带宽为5MHz。先期提出的R99/R4版本，在5MHz的带宽内可提供最高384kbit/s的用户数据传输速率。

R5版本引入了下行链路增强技术，即高速下行分组接入（HSDPA，High Speed Downlink Packet Access）技术，其在5MHz的带宽内可提供最高14.4Mbit/s的下行数据传输速率。而在R6版本中则引入了上行链路增强技术，即高速上行分组接入（HSUPA，High Speed Uplink Packet Access）技术，其在5MHz的带宽内可提供最高约6Mbit/s的上行数据传输速率。

除了上述标准版本之外，3GPP从2004年即开始了长期演进（LTE，Long Term Evolution）技术的研究，其基于OFDM、MIMO等技术，致力于无线接入技术向“高数据速率、低延迟和优化分组数据应用”方向演进。

（2）cdma2000

cdma2000 1x提供高速分组数据业务的能力还是有限的。在向着更高的目标迈进的道路上，又出现了cdma2000 1x EV技术。EV代表“Evolution”，有两方面的含义：一方面是比原有的技术容量更大而且性能更好；另一方面是和原有技术后向兼容。

韩国、日本是cdma2000 1x EV商用网络的领军者。2002年1月，韩国SKT开通全球首个EV-DO商用网，紧随其后的是韩国KTF与日本KDDI。

在技术发展上，cdma2000 1x EV-DO逐步成熟并投入商用，cdma2000 1x EV-DV以及与cdma2000 1x同时提出的cdma2000 3x技术基本被市场所抛弃，大部分cdma2000 1x网络通过升级到EV-DO而跨入3G时代。

EV-DO的演进又可以进一步细分为Rev.0、Rev.A、Rev.B以及Rev.C/D等不同阶段，上下行最高分别支持1.8/3.1Mbit/s速率的EV-DO Rev.A网络已广泛部署。

（3）TD-SCDMA

TD-SCDMA（Time Division-Synchronization Code Division Multiple Access）也就是时分同步码分多址接入。从2001年3月开始，TD-SCDMA被正式融入3GPP的R4版本中。

TD-SCDMA采用不需成对频率的TDD双工模式并选用FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式，使用1.28Mchip/s的低码片速率，扩频带宽为1.6MHz。TD-SCDMA同时采用了上行同步、智能天线、接力切换、联合检测、动态信道分配等先进技术。在R4版本中，TD-SCDMA在1.6MHz的带宽内，最高可为用户提供384kbit/s的数据传输速率。

在R5版本中，TD-SCDMA引入了HSDPA技术，在1.6MHz带宽上其理论峰值速率可达到2.8Mbit/s。另外，通过多载波捆绑的方式能够进一步提高HSDPA系统中单用户峰值速率。目前，3GPP、CCSA等组织也正在进行TD-SCDMA上行链路增强（HSUPA）的研究和标准制定工作。

1.1.2 3G的应用

移动通信由模拟制转换到数字技术（2G系统取代1G系统）时，能够为用户带来全新的体验和服务，技术上的差异是最主要的吸引力。但向3G过渡的过程中，用户更关心的是运营商究竟能够提供怎样的服务，服务质量如何，是不是能够满足自身的需求。

3G技术的频谱效率是2G的1.5～3倍，再加上频谱带宽的成倍增长，语音与数据传输能力大幅提高。3G的应用可提高用户的工作学习效率和生活质量，但如果不能推出吸引用户的服务，同样不能被用户接受。受制于成本、商业模式、内容、需求等多种因素，3G应用的进程一度并不顺利。

随着因特网和移动通信网之间的相互联结日益紧密，手机功能也逐步从简单的语言工具转变为数据信息终端，移动数据业务成为新的业务增长点。虽然话音业务在相当长的时期内仍是移动通信的主要业务，但随着3G的出现，信息资讯、实时视音频、移动商务等移动多媒体业务得到了快速发展。3G的核心应用包括以下内容。

（1）移动宽带接入

为计算机用户提供在3G移动通信网络覆盖范围内任何地点的高速无线上网服务，让用户可以发送和接收带大附件的电子邮件、享受实时互动游戏、收发高分辨率的图片和视频、下载视频和音乐等。

（2）手机宽带上网

进入移动互联网时代，手机宽带上网是一项重要的功能，通过手机收发语音邮件、写博客、聊天、搜索、下载图片/铃声等，让手机变成个人的小计算机。

（3）手机办公

利用手机的移动信息化软件，建立手机与计算机互联互通的企业软件应用系统，摆脱时间和场所局限，随时进行随身化的公司管理和沟通。

（4）无线搜索

许多计算机用户都将百度、谷歌等搜索引擎设置为浏览器的主页，或者将其快捷方式放在最明显且便于操作的位置，由此可见搜索服务在人们的生活中扮演着很重要的角色。而从需求方面来看，手机上网与PC端上网没有明显的区别，手机的移动性反而使得搜索更加便捷。对用户来说，这是比较实用的移动网络服务，也能让人快速接受。随时随地用手机搜索将会变成更多手机用户的一种生活习惯。

（5）手机阅读

在丰富的资源和便携性下，越来越多的用户加入到手机电子阅读中，手机阅读成为用户在地铁上和闲暇时光中最为常见的应用之一。手机阅读已经成为移动互联网用户使用频率较高的应用之一，每天阅读一次及以上的用户占比达到45%。

（6）视频通话

传统的语音通话资费降低，而视觉冲击力强、快速直接的视频通话会更加普及和飞速发展。

（7）手机电视与流媒体

3G流媒体是指以“流”的形式运行的数字媒体，运用可变带宽技术在3G网络中实现欣赏连续的音频和视频节目。移动视频也被认为是未来电信市场的最大热点，CMMB等标准的建设推动了手机电视行业的发展，手机流媒体软件应用也越来越多，在视频影像的流畅和画面质量上不断提升、突破技术瓶颈，真正实现了大规模应用。

（8）手机音乐下载

直接用手机下载喜欢的音乐是一项深受年轻用户喜爱的3G应用。3G的网络速率可以让用户摆脱用计算机传输到手机的麻烦方式，直接用手机下载喜欢的歌曲。在一些无线互联网发展成熟的国家，选择手机上网下载音乐的人是使用计算机下载的50倍。

（9）手机购物

手机购物与计算机上网购物类似，只不过载体从计算机变成了上网手机，利用手机上网实现网购的过程，属于移动电子商务。事实上，移动电子商务是3G时代手机上网用户的最爱。利用3G网络，用户只要开通手机上网服务，就能够在手机上查询商品信息，并可以在线支付和购买产品。

（10）手机网络游戏

手机网络游戏虽不如计算机网络游戏的体验好，但手机携带方便、游戏可以随时进行，这种网络游戏利用了零碎的时间，受到年轻人欢迎，能够成为3G时代的一个重要增长点。3G时代之后，游戏平台会更加稳定和快速，兼容性更高、可玩性更强，让用户在游戏的视觉和效果方面感觉更好。

1.1.3 未来移动通信的发展趋势

从提供基本的移动话音，到短消息、WAP等低速数据业务，再发展到移动宽带所支持的各种高速无线上网、娱乐、计算与移动信息服务，在多种技术融合与发展的基础上，以用户为中心的移动通信系统逐渐浮现。技术的发展与业务的应用相互促进，未来的移动通信呈现出以下特征。

（1）移动宽带化趋势明显

移动通信领域经过多年的内部自我发展，开始面临外部非电信业技术领域的影响与挑战。802.16/WiMAX的提出，促使整个无线通信领域开始了新一轮的技术发展，加速了蜂窝移动通信技术演进的步伐。正是为了对应WiMAX标准的竞争，3GPP启动了长期演进计划。显而易见，长期演进计划的目标首先是提高蜂窝移动网的宽带接入能力。

（2）ONELTE将成为4G主流

第三代移动通信技术有效提升了移动数据带宽，但高速大流量的数据通信仍有其局限性，过高的比特成本成为3G的瓶颈。2010年，第四代移动通信技术LTE的出现较好地解决了低成本高速数据的通信问题。从目前的需求上看，个人移动终端已基本饱和，LTE及其后续演进版本在相当长的一段时间内能够满足个人的数据需求，即容量瓶颈还未出现。

目前，LTE虽然有两个标准（TDD与FDD），但很多设备商与运营商一致呼吁“ONELTE”，也就是TDD/FDD融合组网。爱立信的某位专家报告中提到，TDD与FDD在技术上95%是一致的，在爱立信内部，LTE产品只用一套标准。由于国家分配了TDD与FDD的频率资源，中国电信和中国联通有融合组网需求。同时，由于未来GSM退网后的频谱已划分为FDD方式，中国移动也有融合组网的需求。现在载波聚合技术已日趋成熟并走向商用，充分利用频谱资源，能带来更高峰值速率的业务体验。此外，终端的5模10频已不是融合组网的障碍，因此未来ONELTE（TDD/FDD融合组网）将成为主流。

（3）物联网的加速发展及其对移动互联网的影响

各类新颖的可穿戴设备的出现直接推动了物联网的繁荣。以远程心电监测为例，客户将一个长2cm的传感器（内置SIM卡）贴在自己的胸腔，就能通过手机App读取自己的心电情况，并分析异常状况。显然，戴一个传感器要比经常去人山人海的医院做心电监测方便得多。此外，各类移动医疗、车联网、儿童手环、智能贴片、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用的爆发式增长。

物联网主要面向物与物、人与物的通信，不仅涉及普通个人用户，而且涵盖了大量不同类型的行业用户。物联网业务类型非常丰富多样，业务特征也差异巨大。对于智能家居、智能电网、环境监测、智能农业和智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和大量小数据分组频发；视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求时延达到毫秒级和接近100%的可靠性。此外，大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域，因此要求移动通信网络的覆盖能力进一步增强。

无论是对于移动互联网还是物联网，用户在不断追求高质量业务体验的同时也有更低的成本、更高的安全性、更低的功耗、绿色环保等要求。

（4）融合成为趋势

纵观全球通信业的发展，融合正在成为不可阻挡的趋势。总体来看，整个产业正处在重大转型期。从运营上来看，全球电信运营商陆续成为同时拥有固网和移动网的全业务运营商；从网络层面来看，多种网络、技术和业务的融合趋势日益明显；从技术上看，信息通信技术正处于更新换代的关键时期，以IPv6技术为代表的下一代互联网呼之欲出，3G演进技术发展迅猛，FMC（固定网与移动网之间的融合）技术发展使融合成为可能；从通信业务来看，传统的话音业务正向宽带数据业务转变，更引人注目的是，互联网向电信网的延伸明显加速。

信息通信业务呈现出宽带化、移动化、IP化和融合化特征，其中移动通信和互联网是发展最快、影响最大的两个领域。这两个领域的融合，催生出蓬勃发展的移动互联网。人们为了及时获取和传输信息，对移动过程中的快速接入的需求越来越高。于是，移动网与互联网融合成为必然的历史趋势。移动互联网以其丰富的应用已逐渐渗透到人们的生活、工作等各个领域，包括短信、铃声和图像的下载、手机游戏、视频应用、移动音乐、位置服务、手机支付等移动互联网应用的迅猛发展，正在深刻地改变着信息时代人们的生活。

（5）“云化”将融入生产、生活的各方面

“云”的最终归属是“大数据”，因为“云化”必然导致数据集中到某个或数个“资源池”。“云计算”是大数据的应用和实现方式，只有“云化”才能经济高效地实现大数据的商用落地。

对于企业而言，“云化”将充分利用计算资源，提高信息安全。以拥有6万研发人员（占比40%）的某企业为例，其员工所使用的办公用计算机其实只是一台显示器以及数据线，每一个代码操作都实时存储在资源池中，员工下班后能根据需要申请后台运算、测试相关程序代码，第二天早上就可以得知运算和测试结果，这样能充分利用计算资源，尽可能减少浪费。此外，员工所有的行为都在内部资源池中进行，可以充分保障企业整体的信息安全。

对于个人而言，“虚拟手机”将成为趋势。手机打开后只能点击一个“桌面应用程序”，所有操作在进入该应用程序后进行，用户的视频、图像、文件数据均实时通过网络同步到“云平台”，手机实际上就等于显示器+计算器，不需要任何存储资源。这样不仅能够节省手机成本，还可以提高安全性，不怕手机丢失。当LTE普及到一定程度，手机端及各类个人终端“云化”将成为一种普遍的生活方式。

对运营商而言。移动通信的核心网可以通过“云化”降低部署与维护成本，灵活地配置指令及资源。这意味着网络运维人员会大幅度减少，同时随着电子渠道的普及，一线客户服务人员也会大幅减少。此外，“云化”能将应用与能力平台、控制平台分离。