通信工程专业导论

1、通信工程专业导论结课论文论文名称通信的发展史所在学院信息工程学院专业通信工程班级学号姓名授课教师时间2017/1/3世界移动通信发展史关键词通信的发展趋势5G 将采用华为力挺的Polar摘要现代移动通信技术的发展始于本世纪20 年代，大致经历了五个发展阶段。1 .概述与总体趋势移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897 年， M·G·马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18 海里。现代移动通信技术的发展始于本世纪20 年代，大致经历了五个发展阶段。第一阶段从本世纪 20 年代至 40 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段

2、上开发出专用移动通信系统， 其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。 该系统工作频率为 2MHz ，到 40 年代提高到 3040MHz, 可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。第二阶段 从 40 年代中期至 60 年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。 1946 年，根据美国联邦通信委员会 (FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为 “城市系统 ”。当时使用三个频道，间隔为 120kHz，通信方式为单工，随后，西德 (1950 年)、法国 (1956 年 )、英国 (1959年 )等国相继研制了公用移动电

3、话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡， 接续方式为人工，网的容量较小。第三阶段从 60 年代中期至 70 年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统 (IMTS) ，使用 150MHz 和 450MHz 频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的B 网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz 频段，实现了自动选频与自动接续。第四阶段从 70 年代中期至 80 年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，

4、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，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。其它工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于 1979 年推出 800MHz 汽车电话系统 (HAMTS) ，在东京、神户等地投入商用。西德于 1984 年完成 C 网，频段为 450MHz 。英国在 1985 年开发出全地址通信系统 (TACS) ，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为900MHz 。法国开发

5、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 。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统， 并在世界各地迅速发展。 移动通信大发展的原因， 除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外， 还有几方面技术进展所提供的条件。 首先，微电子技术在这一时期得到长足发展， 这使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次，提出并形成了移动通信新体制。 随着用户数量增加， 大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔试验室在 70 年

6、代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展， 从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。第五阶段从 80 年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。以AMPS 和 TACS 为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。 模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等， 最主要的问题是其容量已不能满足日益增长

7、的移动用户需求。 解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与 ISDN 等兼容。实际上，早在 70 年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时， 一些发达国家就接手数字蜂窝移动通信系统的研究。到 80 年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网 (GSM)的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。泛欧网 GSM 已于 1991年 7 月开始投入商用， 预计 1995 年将覆盖欧洲主要城市、 机场和公路。 可以说，在未来十多年内数字蜂窝移动通信将处于一个大发展时期， 及有可能成为陆

8、地公用移动通信的主要系统。与其它现代技术的发展一样， 移动通信技术的发展也呈现加快趋势， 目前，当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段， 正方兴未艾之时， 关于未来移动通信的讨论已如火如荼地展开。 各种方案纷纷出台， 其中最热门的是所谓个人移动通信网。 关于这种系统的概念和结构， 各家解释并未一致。 但有一点是肯定的， 即未来移动通信系统将提供全球性优质服务， 真正实现在任何时间、 任何地点、 向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。傅立叶变换最早是在 19 世纪由法国的数学家 J.B. Fourier 提出，他认为任何信号（例如声音，影像等）均可被分解为频率、振幅。由于傅立叶变换的性质，可以把图象

9、或者信号在频域中进行处 . 理，从而达到简化处理过程、增强处理效 对电信发展贡献可想而知。2.Polar2016 年 11 月 14 日至 18 日期间， 3GPP RAN1 #87 会议在美国 Reno 召开，本次会议其中一项内容是决定 5G 短码块的信道编码方案，其中，提出了三种短码编码方案： Turbo 码、 LDPC 码和 Polar 码。关于这三种编码方案之争， 这已经是 5G 标准的第二次较量。 在 2016 年 10 月 14 日葡萄牙里斯本举行的会议上， LDPC 码战胜了 Turbo 码和 Polar 码，被采纳为 5G eMBB 场景的数据信道的长码块编码方案。在这个背景下

10、， 这一次关于短码块编码方案的争论更为激烈。因为 LDPC 码已经拿下一局，出于实施复杂性考虑， 整个移动通信系统采用单一的编码方案更利于5G 部署，比如， 3G 和 4G 采用的是 Turbo 码，估计会有更多人支持 LDPC 码。这样一来，主要由美国企业主导的 LDPC 码有可能一统 5G 天下，而华为等中国企业主导的 Polar 码将前功尽弃。由于抛弃 Turbo 码的呼声较大，在上次会议失利之后，可以说Turbo 码基本大势已去，本次 5G 编码之争最终演变为Polar 码和 LDPC 码之间的拳击争霸赛，一场中美拳击争霸赛。最终，经过连续熬夜的激战后，Polar 码终于在5G 核心标

11、准上扳回一局，成为5G eMBB 场景的控制信道编码方案。自此，经过两次激战，在5G eMBB 场景上， Polar 码和 LDPC 码二分天下，前者为信令信道编码方案，后者为数据信道编码方案。Polar 码和 LDPC 码一起历史性的走进蜂窝移动通信系统，而在3G 和 4G 时代陪伴我们多年的Turbo 码再输一局，留下了落魄而孤寂的背影。这确实是一个令人振奋的消息，如果说用力挽狂澜来形容，我觉得并不为过。这对于主导 Polar 码的华为和中国企业绝对利好，毕竟，多年在Polar 码上研发投入终于有了盼头。但是，我们看到有些媒体的报道，恕我直言，太过浮夸。1. 不是 “拿下 5G 时代 ”在

12、 5G eMBB 场景上，Polar 为信令信道编码方案， LDPC 码为数据信道编码方案，最多叫平分秋色。同时，后面还有很多路要走。我们在前文中提到的 eMBB 场景不过是 5G 应用的其中一个场景。 3GPP 定义了5G 三大场景： eMBB ， mMTC 和 URLLC ，eMBB 对应的是 3D/超高清视频等大流量移动宽带业务， mMTC 对应的是大规模物联网业务， 而 URLLC 对应的是如无人驾驶、工业自动化等需要低时延高可靠连接的业务。本次采纳的编码方案是针对其中eMBB 场景，后续还将决定 URLLC 场景下的信道编码方案，最后再决定mMTC 场景（估计在2017 年第一季度）

13、。尽管此次采纳 Polar 码为后续标准话语权打下了坚实的基础，但革命还未成功，同志仍需努力。2 .Polar 码不是华为的， LDPC 也不是高通的这要从信道编码的历史说起。Turbo 码是由法国科学家 C.Berrou 和 A.Glavieux 发明。从 1993 年开始，通信领域开始对其研究。随后， Turbo 码被 3G 和 4G 标准采纳。LDPC 码是由 MIT 的教授 Robert Gallager在 1962 年提出，这是最早提出的逼近香农极限的信道编码，不过，受限于当时环境，难以克服计算复杂性，随后被人遗忘。直到 1996 年才引起通信领域的关注。后来，LDPC 码被 WiF

14、i 标准采纳。Polar 码是由土耳其比尔肯大学教授E. Arikan 在 2007 年提出， 2009 年开始引起通信领域的关注。简而言之，信道编码是数学家们原创出理论， 通信就是跟着数学家们跑， 在他们的理论基础上不断研究试验，使之落地于实际应用。为什么有些公司力挺 Polar 码，有些公司力挺 LDPC 码？这就像下赌注，看中了某种编码技术， 就开始对其研究， 一旦赌赢了， 那么我的研究成果就能快速落地应用，一旦输了，只能从头再来。 比如，华为选择了 Polar 码，5G 也选择了 Polar 码，这就意味着华为在 5G 领域更具影响力。当然，在研究中，一定也积累了不少专利。所以，尽管这

15、次 Polar 码赢了，但个人以为，媒体们不能因为太过兴奋而忽略了数学家们的贡献，更不能张冠李戴，有些东西是没有国界的。3 .为何 5G 采纳了 Polar 码？这个小标题应该叫： 5G 为何采纳了 Polar 码和 LDPC 码？又为何放弃了 Trubo 码？先从什叫信道编码说起。 当我们拿起手机刷朋友圈时， 数据通过无线信号在手机和基站间传送。 由于受到无线干扰、 弱覆盖等原因影响， 我们手机发送的数据和基站接收到数据有时会不一致，比如，我们手机发送的 1 0 0 1 0，而基站接收到的却是 1 1 0 1 0，为了纠错，移动通信系统就引入了信道编码技术。信道编码，简单的讲，就是我们在有K

16、 比特的数据块中插入冗余比特，形成一个更长的码块，这个码块的长度为 N 比特位， N>K ，N-K 就是用于检测和纠错的冗余比特，编码率 R 就是 K/N 。一个好的信道编码，是在一定的编码率下，能无限接入信道容量的理论极限。在过去几十年里，出现了两种接近容量极限的信道编码技术： LDPC 和 Turbo 码，分别被 3G 和 4G 通信标准和 WiFi 标准采纳。 2007 年，土耳其教授 E. Arikan 提出了 Polar 码，被称为是迄今发现的唯一一类能够达到香农限的编码方法。所以，这三种优秀的编码技术均进入5G 编码标准的法眼，并引发了一场争夺赛。为何这场争夺赛这么激烈？都是

17、KPI 惹的祸。5G NR（New Radio）的 KPI 里，明确规定：峰值速率 20Gbps、用户面时延 0.5ms（ URLLC ）。这个 KPI 定的太高，在 4G 基础上提升了 20 倍。报告领导，不好完成。有多难呢？ 5G NR 的下行峰值速率要求是 20Gbps，由于手机（或基站）接收到的每一 bit 都要经过信道译码器， 20Gbps 就相当于译码器每秒钟要处理几十亿 bit 数据。举个例子， 20 Gbps 就意味着译码吞吐量 T 为 20 Gbps，假设译码迭代次数I 为10 次，处理器的时钟频率 F 为 500 MHz ，那么， I *T /F = 10*20G/500M

18、=400，也就是说需要 400 个处理器并行工作。（备注：译码器是信道编码最难实现的一环）这也是为何很多人选择放弃 3G 和 4G 时代使用的 Turbo 码的原因之一， 因为 4G 的最大速率不过 1Gbps，传统 Turbo 码通过迭代译码，本质上源于串行的内部结构，所以，有人认为 Turbo 遇上更高速率的 5G 时就遇到了瓶颈。比如 LDPC 译码器是基于并行的内部结构， 这意味着译码的时候可以并行同时处理， 不但能处理较大的数据量， 还能减少处理时延。 尽管可以采用外部并行的方式， 但又带来了时延问题。对于时延，出于技术宅的本能，也请容许我再啰嗦一下。5G NR 的 URLLC 应用

19、场景要求用户面时延为0.5ms，这是 4G 10ms 的二十分之一。之所以要求这么高的时延， 是因为我们在体验增强现实、 远程控制和游戏等业务时，需要传送到云端处理， 并实时传回，这一来回的过程时延一定要足够低，低到用户无法觉察到。另外，机器对时延比人类更敏感，对时延要求更高，尤其是 5G 的车联网、自动工厂和远程机器人等应用。空口 0.5ms 时延意味着物理层的时延不能超过 50s，而物理层时延除了受译码影响，还受其它因素影响 （比如同步），这就需要译码的处理时延一定要低于 50s，越低越好。总得来说，这就好比春节的航班，人流太多，要把几亿中国人从南到北，从东向西转移一次， “数据量 ”太大

20、，这就需要多开航班，并且加快航行速度。“航班公司 ” 5G NR表示鸭梨山大，而信道编码表示压力更大，层层传递嘛。但是，这点压力还不够， 5G 表示还能抗。刚才我们讲了， 3GPP 定义了 5G 三大场景： eMBB ，mMTC 和 URLLC ，这些场景对应 5G 的 AR 、VR 、车联网、大规模物联网、高清视频等等各种应用，较之 3/4G 只有语音和数据业务， 5G 可繁忙多了。这就对 5G 信道编码提出了更高要求， 需支持更广泛的码块长度和更多的编码率。比如，短码块应用于物联网， 长码块应用于高清视频， 低编码率应用于基站分布稀疏的农村站点， 高编码率应用于密集城区。 如果大家都用同样

21、的编码率， 这就会造成数据比特浪费，进而浪费频谱资源，这叫编码的灵活性。另外， 5G 还得保障更高可靠性的通信。LTE 对一般数据的空口误块率要求初始传输为 10%，经过几次重传后，误块率如果低于 1%即可。但是， 5G 要求误块率要降到十万分之一。这就意味着， 10 万个码块中，只允许信道译码器犯一次错，最多只能有一个码块不能纠错。综上，决定 5G 采用哪种编码方式的因素就是：译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性，还有实施复杂性、成熟度和后向兼容性等。比较一下三种编码的译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性和实施复杂性，谁更强的呢？小编查阅了最新的大量文献，结果是：被搞得晕头转向，一脸懵逼。这个问题太复杂了，公说公有理婆说婆有理。有人认为， Turbo 码达到了瓶颈，无法处理20Gbps高速率，然而，有厂家证明，基于全并行设计的Turbo 译码器的译码吞吐量能到21.9 Gbps，处理时延可达0.24 s，这也能满足 5G NR 的 20Gbps速率需求。比如，如果用译码器在译码每一 bit 时执行的 Max ，Min 和 Add 操作的总次数来衡量计算复杂度，有人认为 Polar 码和 LDPC 码在计算复杂度上优于 Turbo 码。比如，有人