1.1 地基无线通信系统概述

从1947年美国贝尔实验室提出移动通信的概念[1]至今，移动通信技术在近30年取得了突飞猛进的发展，成为现代地基通信网中不可缺少的通信手段之一。本节我们将首先概述地基移动通信的4个时代的发展历程及其关键技术。

1.1.1 第一代移动通信系统

第一代移动通信系统（1G）诞生于集成电路、微型计算机和微处理器技术得到快速发展的20世纪70年代至80年代。1978年，美国贝尔实验室推出了蜂窝式模拟移动通信系统，使得移动通信进入了个人领域。1983年，美国的高级移动电话业务（Advanced Mobile Phone Service，AMPS）[1]投入商用。AMPS系统采用7小区复用模式，并可在需要时采用“扇区化”和“小区分裂”来提高容量。与此同时，欧洲和日本也相继建立了各自的移动通信网络。其中包括英国的扩展式全向访问通信系统（Extended Total Access Communication System，ETACS）和日本的窄带完全接入通信系统（Narrowband Total Access Communication System，NTACS）等。这个时期的无线通信系统主要采用的是模拟调制和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术。毫无疑问，第一代移动通信系统存在着诸多缺点，如用户容量受限制、系统扩容困难、调制方式混杂、不能实现国际漫游、保密性差、通话质量不高和不能提供数据业务等。

1.1.2 第二代移动通信系统

1992年，随着第一个数字蜂窝移动通信网络——全球移动通信系统（Global System for Mobile communications，GSM）的问世，移动通信跨入了第二代（2G）。由于性能优越，使得其在全球范围内迅速扩张。1993年，中国的第一个全数字移动电话GSM系统建成开通，之后中国电信和中国联通都采用了GSM。GSM系统主要有以下几个特点：微蜂窝小区结构；语音信号数字化；采用新的调制方式（GMSK、QPSK等）；采用频分多址（FDMA）或时分多址（TDMA）；具有很高的频谱利用率；高保密性等。

1995年，美国的高通公司（Qualcomm）提出了另一种采用码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）方式的数字蜂窝系统技术解决方案——IS-95 CDMA[1]，目前分别在中国香港、韩国、北美等国家和地区投入使用，用户反映良好。CDMA系统主要有以下几个特点：用户的接入方式采用码分多址；软容量、软切入、系统容量大；抗多径衰落；可采用语音激活、分集接收等先进技术。

相较于1G系统，2G系统具有更高的频谱利用率、更强的保密性能、更好的语音质量。发展至今，2G体制标准日趋完善，技术也相对成熟。但随着人们对数据业务的需求不断提高，2G系统所提供的速率已不能满足需求，从而需要有更强的系统支持高速的移动通信。

1.1.3 第三代移动通信系统

第三代移动通信系统的概念由ITU于1985年提出，命名为未来公共陆地移动通信系统（Future Public Land Mobile Telecommunications System，FPLMTS）；1996年更名为国际移动通信-2000（International Mobile Telecommunications 2000，IMT-2000）系统，即该系统工作在2000MHz频段，且能提供最高2000kbit/s的数据传输速率。3G的目的是实现蜂窝移动通信的统一标准，建立全球普及的无缝漫游系统，同时支持高质量的多媒体业务，增强网络容量以及多种用户管理的能力。因此，IMT-2000对3G技术提出的要求有：高数据传输速率——卫星链路的速率最小9.6 kbit/s、市内环境至少2 Mbit/s、室外步行和车辆环境分别至少是384 kbit/s和144 kbit/s；传输速率按需分配；上下行链路能适应不对称业务的需求；简单的小区结构和易于管理的信道结构；灵活的频率和无线资源管理、系统配置和服务设施；能够将无线网和有线网结合起来，试图达到与有线网一样的传输质量。

2007年10月19日，ITU正式批准了基于IEEE 802.16的全球微波互联接入系统（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMax）成为3G的标准。WCDMA和cdma 2000已经在全球范围内规模化商用，我国也于2008年开始了基于TD-SCDMA 3G系统的商用。可是3G还是有其局限性：由于受多用户干扰，CDMA难以达到很高的通信速率；由于空中接口对核心网的限制，3G所能提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业务类型的要求；分配给3G的频率资源已经趋于饱和；3G所采用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换，而不是纯IP方式；流媒体的应用也不尽如人意等。因此，需要引入更先进的技术来进一步提升移动业务的质量。

1.1.4 第四代移动通信系统

伴随着前三代移动通信系统和智能移动终端的迅猛发展，用户对于业务的需求也从以话音为主转变为以高速数据流为主的类互联网通信模式。随着用户对传输速率需求的不断增长，人们开始在前三代移动通信系统的基础上开发新一代系统以更好地支持高速宽带移动通信服务。2007年世界无线电大会为IMT-Advanced分配了频谱，并于2008年3月开始征集IMT-Advanced标准，至2009年10月一共征集到6个候选提案，可分别归为3GPP的LTE-Advanced[2]和IEEE 802.16m[3]两大阵营。目前4G移动通信技术国际标准主要有FDD-LTE、FDD-LTE-Advance、TD-LTE以及TD-LTE-Advanced。其中，TD-LTE和TD-LTE-Advanced是中国主导制定的4G国际标准。

LTE是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术作为其无线演进技术，LTE移动通信系统在20 MHz频谱带宽下能提供下行100 Mbit/s（TD-LTE）或150 Mbit/s（FDD-LTE）、上行50 Mbit/s（TD-LTE）或40 Mbit/s（FDD-LTE）的峰值速率。TD-LTE是我国主导的4G国际标准，中国移动就采用了TD-LTE。

LTE-Advanced分为FDD-LTE-Advanced和TD-LTE-Advanced，它针对室内环境进行了技术优化，并采用了载波聚合等技术，能够弹性分配频谱，以获得更宽的频谱带宽，能有效支持新频段和大带宽应用。其在100 MHz频谱带宽下能提供下行1 Gbit/s、上行500 Mbit/s的峰值速率。

WiMax是IEEE 802.16标准，能提供最高接入速度70 Mbit/s，其工作频段范围为无须授权的2～66GHz频段。MiMax的主要优点有：①有利于避开已知干扰；②有利于节省频谱资源；③灵活的带宽调整能力有利于运营商协调频谱资源；④能够实现无线信号传输距离达50 km。但其在移动性能方面无法满足高速下的无线网络无缝衔接。因此WiMax并不能算是无线移动通信技术，而只能算是无线宽带局域网技术。

Wireless MAN-Advanced是WiMax的升级版，即IEEE 802.16m标准，其具有在高速移动下无缝切换的能力，能有效解决WiMax的移动性能问题。IEEE 802.16m兼容4G网络，其优势在于：①扩大网络覆盖面，实现网络无缝衔接；②提高频谱效率；③在漫游模式或高效率/强信号模式下可提供1 Gbit/s的无线传输速率等。

1.1.5 第五代移动通信系统

第五代移动通信系统（5G）是继4G之后，为了满足智能终端的快速普及和移动互联网的高速发展而正在研发的下一代无线移动通信系统，是面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统。

5G 已经成为国内外移动通信系统领域的研究热点。2013年，由包括我国华为公司等在内的 29 个参加方共同承担的第 7 框架计划启动了面向 5G 研发的METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the 2020 Information Society）项目[4]。我国“863”计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了5G重大项目一期和二期研发课题。目前，世界各国正就5G的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标等进行广泛的研讨，力求在2015年世界无线电大会前后达成共识，并于2016年后启动有关标准化进程[5]。

对于 5G 的未来愿景和应用，学术界和产业界都进行了相关的描述，从中可总结出人们对未来5G的技术需求。相对于传统的移动通信网络，5G应具备如下基本特征：①数据流量增长1 000倍；②联网设备数目扩大100倍；③峰值速率至少为10 Gbit/s；④用户可获得速率达10 Mbit/s，特殊用户需求达100 Mbit/s；⑤时延短、可靠性高；⑥频谱利用率高；⑦网络耗能低等。

目前，关于5G的关键技术仍处于研究和发展阶段，如大规模MIMO技术、波束成形技术以及协同无线通信技术等都将可能成为5G的关键技术。

MIMO技术可以有效提升无线通信的频谱效率，获得接收分集增益（Receive Diversity Gain，RDG），因而被公认是下一代移动通信系统的核心技术。一个典型的M×N的MIMO系统如图1-1所示。

由于每根接收天线都会收到来自所有发射天线信号的叠加，因此接收信号可以表示为

其中，yn、hnm、sm以及nn分别表示第n根接收天线的接收信号、第m根发送天线到第n根接收天线的信道增益、第m根发送天线的发送信号以及第n根接收天线的噪声。从式（1-1）可以看出，每一个发送信号在接收端都会有N个备份，这就是所谓的接收分集。但是，来自不同发送天线的信号在接收端就形成了干扰。为了在接收端检测出所发送的信号，必须把来自不同发送天线的信号提取出来。因此，MIMO接收机的检测算法是MIMO系统不可或缺的重要组成部分。

除此之外，波束成形（Beamforming）技术也是实现空间分集增益的关键技术。波束成形技术在方向性天线阵雷达、声呐水生定位和分类、超声波光学成像、地球物理勘探以及石油探测、生物医学和无线通信领域都有着广泛的应用。在发送端，利用波束成形技术对天线阵列中的各个天线发送信号进行适当加权，以产生具有指向性的虚拟波束，从而达到增强期望信号并抑制干扰，提高通信容量和质量的目的；在接收端，来自不同接收天线的信号在接收机中进行组合，从而达到相干叠加，提高信号的接收质量。波束成形技术可划分为两大类，即基于天线阵列（Antenna Array）的阵列波束成形和基于信号预处理（Pre-Processing）的多天线波束成形，它们分别利用了不同天线信道的空间相关性和独立性。阵列波束成形技术是利用空间信道的强相关性以及电磁波的干涉原理，通过对多根天线输出信号的相关性进行幅度和相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加，在其他方向形成相位抵消，以增强目标信号的同时抑制干扰；多天线波束成形技术则是利用了不同天线信道间的独立性提高系统的空间分集增益。

对于蜂窝通信系统来说，当用户处于小区边缘时，将收到来自相邻小区基站的信号，传统的方法是简单地将相邻小区基站的信号视为干扰信号。由于这种导致竞争的策略会大幅降低通信性能，因此在5G通信系统中，协作多点（Coordinated Multipoint，CoMP）技术引起了广泛关注。CoMP 技术是通过相邻基站间移动用户信道信息和数据信息的交互，对被干扰用户采取一定的干扰避免策略或者多个基站对移动用户进行联合传输，从而增加边缘用户的吞吐量和高数据传输率的覆盖面积，减少边缘用户的干扰，提高小区吞吐量。下行CoMP可分为两类：联合处理（Joint Processing，JP）和联合传输（Joint Transmission，JT）。在联合处理中，协作簇不仅共享信道信息，还共享数据信息，对用户数据进行联合预处理，消除基站间的干扰；在联合传输中，用户终端同时接收由多个传输节点发送的数据信息，并对这些信息进行合并，从而提高接收信号的质量。

综上所述，1G～5G 的核心技术可以依次体现为FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA以及MIMO技术，分别利用了频率、时间、码元、空间等资源来提高系统的频谱效率。面对未来日益增长的通信需求，用户对多媒体业务需求的增大和互联网技术的迅猛发展，如何实现随时、随地的大容量数据传输已成为当前无线通信面临的重要问题。考虑到未来对空基、天基无线通信系统的利用方面仍存在较广阔的空间，如何从天空地一体化角度出发构建天空地一体化移动互联网已成为当前移动通信网络发展的主要趋势。下面，我们将概述天基与空基通信系统。