1.2 宽带移动通信系统演进
目前，移动通信技术的演进路径主要有三条：① WCDMA和TD-SCDMA，均从HSPA演进至HSPA+，进而到LTE、LTE+；② cdma2000沿着EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最终到UMB、UMB+；③ IEEE 802.16m的WiMAX路线，如图1.1所示。从既有的资源基础来看，无疑LTE将成为演进的主力。作为3GPP标准，LTE可提供高达50Mbps的上行速度和100Mbps的下行速度，并将为移动网络带来许多技术优势。此外，其带宽的选择范围将扩大到1.25～20MHz，这将满足不同网络运营商的需求，使它们能够分配不同的带宽，而且还允许运营商根据频谱提供不同的业务。LTE还将提高3G网络的频谱效率，允许运营商在给定的带宽上提供更多数据和语音业务。
图1.1 宽带无线移动通信系统演进过程
1.2.1 3GPP演进系统
1. 3GPP标准化组织简介
第三代合作伙伴计划（3rdGeneration Partnership Project，3GPP）是一个成立于1998年12月的标准化机构，目前，其成员包括欧洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、中国的CCSA、韩国的TTA和北美的ATIS。
3GPP最初的目标是在ITU的IMT-2000计划范围内制定以GSM核心网为基础，UTRA（FDD为WCDMA技术，TDD为TD-CDMA技术）为无线接口的第三代技术规范。它致力于GSM到UMTS（WCDMA）的演化，虽然GSM到WCDMA空中接口差别很大，但是其核心网采用了GPRS的框架，因此仍然保持一定的延续性。
2. 3GPP演进系统标准化过程
从图1.1中也可以看出，3GPP标准的演进到目前为止一共经历了四个阶段：从GSM到3G的WCDMA，到HSPA（高速分组接入）和HSPA+，又从R8的LTE，再到当前的LTE+。虽然直观上来看整个过程的演进趋势是移动通信系统的宽带化、数据化、分组化，但由于3GPP在移动通信领域占据了既有的优势地位，因此在其标准的演进和产业升级的时间安排和工作节奏上有自己的考虑。
一方面，从HSPA到HSPA+，3GPP一贯推行后向兼容的稳健路线；另一方面，3GPP的主要成员公司也在按部就班地为IMT-Advanced的标准化作准备。在高速分组接入（HSPA、HSPA+）和IMT-Advanced之间，原本并没有LTE的位置，但基于OFDM技术的WiMAX标准的横空出世，迫使3GPP的移动通信厂商不得不团结起来快速跟进，为了使3GPP标准相对其他无线标准保持长期的优势，而不遗余力地投入了UMTS技术的演进版本——LTE的标准化工作，进而到现在的LTE+。
3.3GPP演进系统技术指标
首先，WCDMA系统的主要技术指标是：
✧ FDD双工方式，上行频段1920～1980MHz，下行2110～2170MHz；
✧ 5MHz带宽，帧长10ms，码片速率为3.84 Mcps；
✧ 支持高速数据传输（慢速移动时为384 kbps，室内走动时为2Mbps）；
✧ 异步BS，支持可变速传输。
而对于3GPP短中期演进系统HSPA，它主要是WCDMA系统的增强技术，因而帧长变为下行短帧2ms、上行帧10ms/2ms，在数据速率上提高至下行14.4Mbps，上行5.76Mbps。
而HSPA+的系统吞吐量进一步提高，下行峰值速率达到42Mbps，上行峰值速率也提升到28Mbps。
3GPP LTE系统的主要技术指标为：
✧ 终端支持的最大下行数据率为10～300Mbps，最大上行净数据率为5～75Mbps；
✧ 支持FDD和TDD的双工方式；
✧ 包括15个FDD频段和8个TDD频段；
✧ 支持1.25～20MHz的可变带宽；
✧ 用户面延迟（UE→RNC→UE）小于10ms，控制面延迟小于100ms；
✧ 支持2GHz频段下的350km/h高速移动。
而3GPP LTE+的技术指标将进一步提高，主要包括：
✧ 更高的峰值速率：下行1 Gbps，上行500Mbps；
✧ 更高的峰值频谱效率：下行30 bps/Hz，上行15 bps/Hz；
✧ 覆盖范围：与R8的相同；
✧ 移动性：低速进一步优化，支持高速移动至350km/h（在某些频带也许甚至达到500km/h）；
✧ 更低的传输延迟：
● 控制平面时延：从“空闲状态”转移到“连接状态”的时延应该小于50m；
● 用户平面时延：比R8要低；
✧ 更高的平均频谱效率和小区边缘效率：
● 支持有效的全业务类型的精确QoS控制；
● 平均频谱效率2.4～3.7 bps/Hz（下行）和1.2～2 bps/Hz（上行）；
● 小区边缘频谱效率0.04～0.07 bps/Hz/用户，下行0.07～0.12 bps/Hz/用户。
✧ 支持灵活分级的带宽：
● 支持分级的频谱带宽；
● 最大分级带宽可达100MHz，满足各种频谱部署需求；
✧ 支持频谱聚合方式：
● 研究支持连续的频谱聚合方式；
● 支持非连续的频谱聚合方式。
4.3GPP演进系统特点
3GPP演进系统主要遵循移动宽带化的思路，支持的带宽越来越大，从而要求其多址技术和传输技术进一步发展，其中WCDMA可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务，基站之间无需同步，优化的分组数据传输方式，支持不同载频之间的切换，上、下行快速功率控制，反向采用导频辅助的相干检测，充分考虑了信号设计对EMC的影响，并且WCDMA在高速数据业务上更具有优势。而3GPP在短中期演进中，首先在R5中引进了HSDPA，主要通过引入新的物理层技术（如专用控制信道、自适应编码调制技术和NodeB的MAC-hs功能）以获得更高的下行传输峰值速率。在R6下行中引进HSDPA+，通过MIMO提高空间分集和空分复用，以获得更高的下行峰值速率，而在R6上行中引入HSUPA，利用HSDPA的相关技术（如基于NodeB的快速调度、HARQ技术、2ms短帧等）获得更高的上行峰值传输速率。而WCDMA-HSPA+的进一步演进向LTE平滑过渡。在3GPP LTE中考虑对空中接口技术的优化，使用了基于OFDM的频分多址技术，并与多天线技术相结合，进一步降低时延、提高用户数据速率、提高系统容量和覆盖和降低运营商的成本。与第三代移动通信系统相比，3GPP LTE在物理层传输技术、空中接口协议和网络结构等方面都发生了革命性的变化，并为了应对WiMAX等无线通信标准的竞争，对移动性和网络架构方面进行了针对性的优化。而为了进一步满足ITU IMT-Advanced（4G）的标准化要求，3GPP针对性地提出了LTE-Advanced，在LTE基础上进行了扩充、增强、完善，该系统的主要特点是获得更高的系统容量，以LTE网络架构为基础，进一步降低网络运营的成本。
1.2.2 3GPP2演进系统
1.3GPP2标准化组织简介
3GPP2（第三代合作伙伴计划2）组织于1999年1月成立，由北美TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起，主要是制定以ANSI-41 核心网为基础、cdma2000为无线接口的第三代技术规范。其声称致力于使ITU的IMT-2000计划中的（3G）移动电话系统规范在全球发展，实际上它是从2G的CDMA One或者IS-95 发展而来的cdma2000标准体系的标准化机构，它受到拥有多项CDMA关键技术专利的高通公司的支持。
2.3GPP2演进系统标准化过程
3GPP2的标准主要是在2G IS-95A/B基础上发展至cdma2000 1x，而从2000～2006年，其在cdma2000发展方向及标准的研究主要集中在1x EV方面（其中1x表示1个1.25MHz载波，EV意为演进），包括1x EV-DO（也称为高速分组数据HRPD）和xE V-DV两个体系和趋势，其中，1x EV-DO专门为高速无线分组数据业务设计，x EV-DV系统则能够提供混合的高速数据和语音业务。
近期，3GPP2在DO Rev.B的标准工作基本完成之后，开始了下一阶段的工作，其目标是进一步提高系统传输频谱效率，同时满足运营商对于网络演进、网络部署、业务融合过渡和性能方面的相关需求。2006年6月，与LTE几乎同期启动，在多家公司相关技术提案的基础上，3GPP2会议制定和明确了AIE第二阶段空中接口标准的技术框架并开始具体的标准化工作，即cdma2000 1x EV-DO Rev.C，被命名为超移动宽带（Ultra Mobile Broadband，UMB）标准。UMB可与现有的cdma2000 IX和1x EV-DO系统兼容，但在数据传输速率、延迟性、覆盖度、移动能力及布建弹性等方面都更具优势。另外，UMB能够提供更大的带宽、频段和波段选择范围，以及网络的可升级性和灵活性。3GPP2在2007年下半年完成了UMBv2.0的标准规范，但由于在LTE的压力之下，在2008年10月，高通正式停止了UMB相关的开发和推动，并在同期3GPP2宣布不再向ITU-R提交IMT-Advanced技术提案。
3.3GPP2演进系统技术指标
首先，cdma2000系统的主要技术指标包括：
✧ FDD/TDD的双工方式，工作频段为450 /800/1900/2100MHz；
✧ 支持1.25/3.75MHz带宽，帧长为10ms/5ms，码片速率为1.228/3.68 Mcps；
✧ 峰值速率可达300 kbps。
而cdma2000的短中期演进主要有两个版本，即cdma2000 1x EV-DO Rev.A和cdma2000 1x EV-DO Rev.B。随着多媒体数据业务及变速率业务的发展，对系统带宽和QoS保证等方面的要求也不断提高。其中cdma2000 1x EV-DO Rev.A版本将前向链路峰值速率提高到3.072Mbps，将反向链路的峰值速率提高到1.8432Mbps。而EV-DO Rev.B进一步提升前向及反向传输速率，并且后向兼容cdma2000 1x和1x EV-DO网络及终端设备；从峰值速率和QoS等方面增强用户体验；降低单比特开销，这对运营商而言意味着更低的成本。
而3GPP2的长期演进系统UMB的主要技术指标包括：
✧ 高数据率：峰值前向和反向数据速率分别为288Mbps和75Mbps（采用20MHz信道带宽）；
✧ 高数据容量：在所有环境下，如固定、步行和高达300km/h的移动环境，既可以传输高容量的语音业务，也可以传输宽带数据业务；
✧ 低时延：平均14.3ms的空口时延和最小限度的时延抖动，以支持VoIP、手机对讲和其他时延敏感业务；
✧ 高VoIP容量：采用20MHz带宽，在不降低并发的数据业务吞吐量的情况下，单扇区可支持1000个并发VoIP用户；
✧ 大覆盖：与现有蜂窝网络等价的广域网覆盖，包括可支持无缝漫游的泛在覆盖和支持热点应用的非连续覆盖；
✧ 完全移动性：在UMB设计的所有方面都具备内在无缝切换所需的鲁棒的移动性支持；
✧ 融合的接入网：支持融合接入网部署，该网络是基于IP的无线接入网，支持多种接入技术，并具备先进的网络性能，如增强的QoS，仅用少量的网络节点和低时延等；
✧ 多播传输：为丰富的多媒体业务提供高速多播传输方式；
✧ 部署灵活性：支持从1.25MHz到20MHz，以150kHz递增的可变带宽部署，其频段包括450MHz、700MHz、850MHz、1700MHz、1900MHz、1700/2100MHz（先进无线服务频段）、1900/2100MHz（IMT频段）和2500MHz（3G扩展频段），基于IP的UMB无线接入网络还支持与现存电路交换网络之间的互操作。
4.3GPP2演进系统特点
cdma2000主要考虑了美国和韩国现有的IS-95商用系统的兼容性，采用了IS-95的软切换和功率控制技术，帧长同样为20ms，需要基站之间同步，相对WCDMA系统的改进主要在于：反向信道采用连续导频方式，反向信道相干接收，前向信道发送分集，充分考虑了信号设计对EMC的影响等。
而3GPP2第一阶段的演进为cdma2000 1x EV-DO Rev.B，系统支持更灵活的载波部署方案，并且混合频率复用方式使得EV-DO Rev.B系统可以利用非对称或者零散频带，以提高系统频带配置的灵活性和多样性，在数据调制方式上增加了64QAM。其目标是采用多载波CDMA技术和其他增强技术，提高系统吞吐量和频谱效率，尽量保持对现有技术标准的后向兼容，以期在最短的时间投入市场。
而第二阶段的演进UMB系统的目标是采用更宽的带宽以及OFDM、MIMO等新型技术，在第一阶段演进的基础上进一步提高吞吐量和频谱利用率，降低端到端传输时延，以保持对3GPP LTE和WiMAX等其他宽带系统的技术优势。UMB针对宽带无线移动环境和实时应用需求优化，是全球领先的移动宽带OFDMA技术解决方案。UMB采用了完善的控制和信令机制、无线资源管理、自适应反向链路干扰管理和先进的多天线技术，如多输入多输出、空分多址和波束成型技术等，使其获得优异的性能。此外，为了满足泛在和广普的接入要求，UMB还支持与现有的cdma2000 1x和1x EV-DO系统之间的切换和无缝操作。
1.2.3 WiMAX演进系统
1.WiMAX标准化组织简介
20世纪90年代，宽带无线接入技术快速发展起来了，但市场一直没有快速扩大，一个很重要的原因就是没有统一的标准。1999年，IEEE成立了802.16工作组来专门研究宽带固定无线接入技术规范，目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准，而为了促进该标准的成功制定，诺基亚、Harris（Intersil）与Ensemble发起成立了WiMAX论坛，意图在全球范围推广这一标准。WiMAX论坛的主席单位为英特尔公司，论坛主席由该公司的宽带无线部的行销总裁Ron Resnick担任。领导小组由13家公司组成，包括中国的中兴通讯。高级会员大约95个，包括中国的华为公司。另外，还包括270余家的一般成员。其中，运营商数量已经近200家，其中包括中国网通。目前，论坛组织设立了8个工作组。
2.WiMAX演进系统标准化过程
2001年年底，IEEE 802.16工作组发布了其第一套标准：IEEE 802.16。随着各种问题的出现和技术的进步，WiMAX标准在不断地演进，如表1.1所示WiMAX标准演进，目前已经演进到IEEE 802.16m，其中已经发布的标准数量达到7个，另外还有5个正在制订中。
表1.1 WiMAX标准演进
在上述的一系列标准中，物理层标准包括IEEE 802.16a、IEEE 802.16d和IEEE 802.16e，其中IEEE 802.802.16d标准（发布名称为IEEE 802.16-2004）是IEEE 802.802.16、IEEE 802.802.16a和IEEE 802.802.16c的整合和修订版本，主要对工作于2～6GHz频段的固定无线接入系统空中接口的物理层（PHY）和支持多种业务类型的媒质接入层（MAC）进行了规范；而IEEE 802.16e标准（发布名称为IEEE 802.16-2005）则是为了支持移动性而制定的标准，它增加了对小于6GHz许可频段移动无线接入的支持，支持用户站以120km/h的速度移动。与IEEE 802.16d技术相比，IEEE 802.16e对PHY层的OFDMA方式进行了扩展，并支持基站或扇区间的高层切换功能。
除了上述两大基本规范外，IEEE 802.16标准组织同时还着手制定其他的辅助规范，包括正在发展的IEEE 802.16系列标准，如IEEE 802.16f、IEEE 802.16g、IEEE 802.16h、IEEE 802.16i、IEEE 802.16k、IEEE 802.16j等版本。IEEE 802.16j是为了改善IEEE 802.16网络的覆盖而制定的，其中定义了中继站和基站的多跳中继功能，它对吞吐量以及系统容量都有很大的提升。在IEEE 802.16标准系列中，目前最受关注的是IEEE 802.16m标准。作为IEEE 802.16的长期演进版本，IEEE 802.16m的目标是成为下一代移动通信技术中的主流技术之一，跻身于ITU的IMT-Advanced标准行列。
3.WiMAX演进系统技术指标
WiMAX中主要的物理层规范IEEE 802.16e标准的技术指标如下：
✧ 工作频段：2～6GHz；
✧ 信道带宽：1.25～20MHz；
✧ 双工方式：TDD和FDD；
✧ 采用OFDMA的空中接口方式；
✧ 峰值速率：10MHz带宽，30Mbps；
✧ 覆盖范围：数千米，与频段有关；
✧ 移动性：支持最高的移动速度为120km/h。
而IEEE 802.16m的主要技术指标将进一步提高，主要包括：
✧ 信道带宽：在某些特殊情况下可支持高达100MHz带宽；
✧ 静止1 Gbps，移动100Mbps；
✧ 最高可支持的移动速度为350km/h；
✧ 支持MIMO和自适应天线阵列两种不同的多天线实现方式；
✧ Chase合并，异步HARQ和非自适应HARQ。
4.WiMAX演进系统特点
IEEE 802.16标准体系中目前获得商用的主要有两种标准，包括IEEE 802.16d和IEEE 802.16e。IEEE 802.16d是固定无线接入的空中接口，应用于2～11GHz非视距（NLOS）传输和10～66GHz视距（LOS）传输，对2～66GHz频段的空中接口物理层和MAC层进行了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相应的多个物理层。根据使用频段的不同，分别有不同的物理层技术与之相对应，如单载波（SC）、OFDM（256点）、OFDMA（2048点）。其中，10～66GHz固定无线接入系统主要采用单载波调制技术，而对于2～11GHz频段的系统，将主要采用OFDM和OFDMA技术。同时，为了能够向后平滑过渡到支持移动性的IEEE 802.16e标准，IEEE 802.16d增加了部分功能与支持用户移动性相关的功能，如HARQ。
IEEE 802.16e是IEEE 802.16d的进一步延伸，物理层实现方式与IEEE 802.16d是基本一致的，主要差别是对OFDMA进行了扩展。在IEEE 802.16d中，仅规定了2048点OFDMA，而在IEEE 802.16e中，可以支持2048点、1024点、512点和128点，以适应不同地理区域从20MHz到1.25MHz的信道带宽差异。为了对用户移动性的支持，在IEEE 802.16d的基础上还加入了切换、QoS、安全等新特性。IEEE 802.16d用于固定和游牧应用场景，IEEE 802.16e用于便携和移动场景，同时支持固定场景。
而IEEE 802.16m则是兼容现有IEEE 802.16e，并满足下一代移动网络IMT-Advanced需求。因此，IEEE 802.16m标准考虑在IEEE 802.16原有标准的基础上来实现，通过对IEEE 802.16原有标准的增补，进一步提高系统吞吐量和传输速率。基于IEEE 802.16e的移动WiMAX技术在物理层采用了MIMO/波束赋形以及OFDMA等先进技术，可以提供较好的移动宽带无线接入。由于采用了MIMO/OFDM等4G的核心技术，移动WiMAX在某些方面已经具有了4G的特征，因此IEEE 802.16m可以在移动WiMAX技术的基础上进行修改来达到演进的要求。此外，IEEE 802.16m还要满足关于频谱效率、实时业务、数据融合、标准接口及计费等关键功能要求。