1.1 地基無線通信系統概述

從1947年美國貝爾實驗室提出移動通信的概念[1]至今，移動通信技術在近30年取得了突飛猛進的發展，成為現代地基通信網中不可缺少的通信手段之一。本節我們將首先概述地基移動通信的4個時代的發展歷程及其關鍵技術。

1.1.1 第一代移動通信系統

第一代移動通信系統（1G）誕生于集成電路、微型計算機和微處理器技術得到快速發展的20世紀70年代至80年代。1978年，美國貝爾實驗室推出了蜂窩式模擬移動通信系統，使得移動通信進入了個人領域。1983年，美國的高級移動電話業務（Advanced Mobile Phone Service，AMPS）[1]投入商用。AMPS系統采用7小區復用模式，并可在需要時采用“扇區化”和“小區分裂”來提高容量。與此同時，歐洲和日本也相繼建立了各自的移動通信網絡。其中包括英國的擴展式全向訪問通信系統（Extended Total Access Communication System，ETACS）和日本的窄帶完全接入通信系統（Narrowband Total Access Communication System，NTACS）等。這個時期的無線通信系統主要采用的是模擬調制和頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技術。毫無疑問，第一代移動通信系統存在著諸多缺點，如用戶容量受限制、系統擴容困難、調制方式混雜、不能實現國際漫游、保密性差、通話質量不高和不能提供數據業務等。

1.1.2 第二代移動通信系統

1992年，隨著第一個數字蜂窩移動通信網絡——全球移動通信系統（Global System for Mobile communications，GSM）的問世，移動通信跨入了第二代（2G）。由于性能優越，使得其在全球范圍內迅速擴張。1993年，中國的第一個全數字移動電話GSM系統建成開通，之后中國電信和中國聯通都采用了GSM。GSM系統主要有以下幾個特點：微蜂窩小區結構；語音信號數字化；采用新的調制方式（GMSK、QPSK等）；采用頻分多址（FDMA）或時分多址（TDMA）；具有很高的頻譜利用率；高保密性等。

1995年，美國的高通公司（Qualcomm）提出了另一種采用碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）方式的數字蜂窩系統技術解決方案——IS-95 CDMA[1]，目前分別在中國香港、韓國、北美等國家和地區投入使用，用戶反映良好。CDMA系統主要有以下幾個特點：用戶的接入方式采用碼分多址；軟容量、軟切入、系統容量大；抗多徑衰落；可采用語音激活、分集接收等先進技術。

相較于1G系統，2G系統具有更高的頻譜利用率、更強的保密性能、更好的語音質量。發展至今，2G體制標準日趨完善，技術也相對成熟。但隨著人們對數據業務的需求不斷提高，2G系統所提供的速率已不能滿足需求，從而需要有更強的系統支持高速的移動通信。

1.1.3 第三代移動通信系統

第三代移動通信系統的概念由ITU于1985年提出，命名為未來公共陸地移動通信系統（Future Public Land Mobile Telecommunications System，FPLMTS）；1996年更名為國際移動通信-2000（International Mobile Telecommunications 2000，IMT-2000）系統，即該系統工作在2000MHz頻段，且能提供最高2000kbit/s的數據傳輸速率。3G的目的是實現蜂窩移動通信的統一標準，建立全球普及的無縫漫游系統，同時支持高質量的多媒體業務，增強網絡容量以及多種用戶管理的能力。因此，IMT-2000對3G技術提出的要求有：高數據傳輸速率——衛星鏈路的速率最小9.6 kbit/s、市內環境至少2 Mbit/s、室外步行和車輛環境分別至少是384 kbit/s和144 kbit/s；傳輸速率按需分配；上下行鏈路能適應不對稱業務的需求；簡單的小區結構和易于管理的信道結構；靈活的頻率和無線資源管理、系統配置和服務設施；能夠將無線網和有線網結合起來，試圖達到與有線網一樣的傳輸質量。

2007年10月19日，ITU正式批準了基于IEEE 802.16的全球微波互聯接入系統（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMax）成為3G的標準。WCDMA和cdma 2000已經在全球范圍內規模化商用，我國也于2008年開始了基于TD-SCDMA 3G系統的商用?？墒?G還是有其局限性：由于受多用戶干擾，CDMA難以達到很高的通信速率；由于空中接口對核心網的限制，3G所能提供服務速率的動態范圍不大，不能滿足各種業務類型的要求；分配給3G的頻率資源已經趨于飽和；3G所采用的語音交換架構仍承襲了2G的電路交換，而不是純IP方式；流媒體的應用也不盡如人意等。因此，需要引入更先進的技術來進一步提升移動業務的質量。

1.1.4 第四代移動通信系統

伴隨著前三代移動通信系統和智能移動終端的迅猛發展，用戶對于業務的需求也從以話音為主轉變為以高速數據流為主的類互聯網通信模式。隨著用戶對傳輸速率需求的不斷增長，人們開始在前三代移動通信系統的基礎上開發新一代系統以更好地支持高速寬帶移動通信服務。2007年世界無線電大會為IMT-Advanced分配了頻譜，并于2008年3月開始征集IMT-Advanced標準，至2009年10月一共征集到6個候選提案，可分別歸為3GPP的LTE-Advanced[2]和IEEE 802.16m[3]兩大陣營。目前4G移動通信技術國際標準主要有FDD-LTE、FDD-LTE-Advance、TD-LTE以及TD-LTE-Advanced。其中，TD-LTE和TD-LTE-Advanced是中國主導制定的4G國際標準。

LTE是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術作為其無線演進技術，LTE移動通信系統在20 MHz頻譜帶寬下能提供下行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是我國主導的4G國際標準，中國移動就采用了TD-LTE。

LTE-Advanced分為FDD-LTE-Advanced和TD-LTE-Advanced，它針對室內環境進行了技術優化，并采用了載波聚合等技術，能夠彈性分配頻譜，以獲得更寬的頻譜帶寬，能有效支持新頻段和大帶寬應用。其在100 MHz頻譜帶寬下能提供下行1 Gbit/s、上行500 Mbit/s的峰值速率。

WiMax是IEEE 802.16標準，能提供最高接入速度70 Mbit/s，其工作頻段范圍為無須授權的2～66GHz頻段。MiMax的主要優點有：①有利于避開已知干擾；②有利于節省頻譜資源；③靈活的帶寬調整能力有利于運營商協調頻譜資源；④能夠實現無線信號傳輸距離達50 km。但其在移動性能方面無法滿足高速下的無線網絡無縫銜接。因此WiMax并不能算是無線移動通信技術，而只能算是無線寬帶局域網技術。

Wireless MAN-Advanced是WiMax的升級版，即IEEE 802.16m標準，其具有在高速移動下無縫切換的能力，能有效解決WiMax的移動性能問題。IEEE 802.16m兼容4G網絡，其優勢在于：①擴大網絡覆蓋面，實現網絡無縫銜接；②提高頻譜效率；③在漫游模式或高效率/強信號模式下可提供1 Gbit/s的無線傳輸速率等。

1.1.5 第五代移動通信系統

第五代移動通信系統（5G）是繼4G之后，為了滿足智能終端的快速普及和移動互聯網的高速發展而正在研發的下一代無線移動通信系統，是面向2020年以后人類信息社會需求的無線移動通信系統。

5G 已經成為國內外移動通信系統領域的研究熱點。2013年，由包括我國華為公司等在內的 29 個參加方共同承擔的第 7 框架計劃啟動了面向 5G 研發的METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the 2020 Information Society）項目[4]。我國“863”計劃也分別于2013年6月和2014年3月啟動了5G重大項目一期和二期研發課題。目前，世界各國正就5G的發展愿景、應用需求、候選頻段、關鍵技術指標等進行廣泛的研討，力求在2015年世界無線電大會前后達成共識，并于2016年后啟動有關標準化進程[5]。

對于 5G 的未來愿景和應用，學術界和產業界都進行了相關的描述，從中可總結出人們對未來5G的技術需求。相對于傳統的移動通信網絡，5G應具備如下基本特征：①數據流量增長1 000倍；②聯網設備數目擴大100倍；③峰值速率至少為10 Gbit/s；④用戶可獲得速率達10 Mbit/s，特殊用戶需求達100 Mbit/s；⑤時延短、可靠性高；⑥頻譜利用率高；⑦網絡耗能低等。

目前，關于5G的關鍵技術仍處于研究和發展階段，如大規模MIMO技術、波束成形技術以及協同無線通信技術等都將可能成為5G的關鍵技術。

MIMO技術可以有效提升無線通信的頻譜效率，獲得接收分集增益（Receive Diversity Gain，RDG），因而被公認是下一代移動通信系統的核心技術。一個典型的M×N的MIMO系統如圖1-1所示。

由于每根接收天線都會收到來自所有發射天線信號的疊加，因此接收信號可以表示為

其中，yn、hnm、sm以及nn分別表示第n根接收天線的接收信號、第m根發送天線到第n根接收天線的信道增益、第m根發送天線的發送信號以及第n根接收天線的噪聲。從式（1-1）可以看出，每一個發送信號在接收端都會有N個備份，這就是所謂的接收分集。但是，來自不同發送天線的信號在接收端就形成了干擾。為了在接收端檢測出所發送的信號，必須把來自不同發送天線的信號提取出來。因此，MIMO接收機的檢測算法是MIMO系統不可或缺的重要組成部分。

除此之外，波束成形（Beamforming）技術也是實現空間分集增益的關鍵技術。波束成形技術在方向性天線陣雷達、聲吶水生定位和分類、超聲波光學成像、地球物理勘探以及石油探測、生物醫學和無線通信領域都有著廣泛的應用。在發送端，利用波束成形技術對天線陣列中的各個天線發送信號進行適當加權，以產生具有指向性的虛擬波束，從而達到增強期望信號并抑制干擾，提高通信容量和質量的目的；在接收端，來自不同接收天線的信號在接收機中進行組合，從而達到相干疊加，提高信號的接收質量。波束成形技術可劃分為兩大類，即基于天線陣列（Antenna Array）的陣列波束成形和基于信號預處理（Pre-Processing）的多天線波束成形，它們分別利用了不同天線信道的空間相關性和獨立性。陣列波束成形技術是利用空間信道的強相關性以及電磁波的干涉原理，通過對多根天線輸出信號的相關性進行幅度和相位加權，使信號在某個方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，以增強目標信號的同時抑制干擾；多天線波束成形技術則是利用了不同天線信道間的獨立性提高系統的空間分集增益。

對于蜂窩通信系統來說，當用戶處于小區邊緣時，將收到來自相鄰小區基站的信號，傳統的方法是簡單地將相鄰小區基站的信號視為干擾信號。由于這種導致競爭的策略會大幅降低通信性能，因此在5G通信系統中，協作多點（Coordinated Multipoint，CoMP）技術引起了廣泛關注。CoMP 技術是通過相鄰基站間移動用戶信道信息和數據信息的交互，對被干擾用戶采取一定的干擾避免策略或者多個基站對移動用戶進行聯合傳輸，從而增加邊緣用戶的吞吐量和高數據傳輸率的覆蓋面積，減少邊緣用戶的干擾，提高小區吞吐量。下行CoMP可分為兩類：聯合處理（Joint Processing，JP）和聯合傳輸（Joint Transmission，JT）。在聯合處理中，協作簇不僅共享信道信息，還共享數據信息，對用戶數據進行聯合預處理，消除基站間的干擾；在聯合傳輸中，用戶終端同時接收由多個傳輸節點發送的數據信息，并對這些信息進行合并，從而提高接收信號的質量。

綜上所述，1G～5G 的核心技術可以依次體現為FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA以及MIMO技術，分別利用了頻率、時間、碼元、空間等資源來提高系統的頻譜效率。面對未來日益增長的通信需求，用戶對多媒體業務需求的增大和互聯網技術的迅猛發展，如何實現隨時、隨地的大容量數據傳輸已成為當前無線通信面臨的重要問題?？紤]到未來對空基、天基無線通信系統的利用方面仍存在較廣闊的空間，如何從天空地一體化角度出發構建天空地一體化移動互聯網已成為當前移動通信網絡發展的主要趨勢。下面，我們將概述天基與空基通信系統。