通信工程專業導論結 課 論 文論文名稱 通信的發展史 所在學院 信息工程學院 專 業 通信工程 班 級 學 號 姓 名 授課教師 時 間 2017/1/3 世界移動通信發展史關鍵詞 通信的發展趨勢 5G將采用華為力挺的Polar摘要 現代移動通信技術的發展始于本世紀20年代，大致經歷了五個發展階段。1 .概述與總體趨勢移動通信可以說從無線電通信發明之日就產生了。1897年，MG馬可尼所完成的無線通信試驗就是在固定站與一艘拖船之間進行的，距離為18海里。現代移動通信技術的發展始于本世紀20年代，大致經歷了五個發展階段。第一階段 從本世紀20年代至40年代，為早期發展階段。在這期間，首先在短波幾個頻段上開發出專用移動通信系統，其代表是美國底特律市警察使用的車載無線電系統。該系統工作頻率為2MHz，到40年代提高到3040MHz,可以認為這個階段是現代移動通信的起步階段，特點是專用系統開發，工作頻率較低。第二階段 從40年代中期至60年代初期。在此期間內，公用移動通信業務開始問世。1946年，根據美國聯邦通信委員會(FCC)的計劃，貝爾系統在圣路易斯城建立了世界上第一個公用汽車電話網，稱為“城市系統”。當時使用三個頻道，間隔為120kHz，通信方式為單工，隨后，西德(1950年)、法國(1956年)、英國(1959年)等國相繼研制了公用移動電話系統。美國貝爾實驗室完成了人工交換系統的接續問題。這一階段的特點是從專用移動網向公用移動網過渡，接續方式為人工，網的容量較小。第三階段 從60年代中期至70年代中期。在此期間，美國推出了改進型移動電話系統(IMTS)，使用150MHz和450MHz頻段，采用大區制、中小容量，實現了無線頻道自動選擇并能夠自動接續到公用電話網。德國也推出了具有相同技術水平的B網。可以說，這一階段是移動通信系統改進與完善的階段，其特點是采用大區制、中小容量，使用450MHz頻段，實現了自動選頻與自動接續。第四階段 從70年代中期至80年代中期。這是移動通信蓬勃發展時期。1978年底，美國貝爾試驗室研制成功先進移動電話系統(AMPS)，建成了蜂窩狀移動通信網，大大提高了系統容量。1983年，首次在芝加哥投入商用。同年12月，在華盛頓也開始啟用。之后，服務區域在美國逐漸擴大。到1985年3月已擴展到47個地區，約10萬移動用戶。其它工業化國家也相繼開發出蜂窩式公用移動通信網。日本于1979年推出800MHz汽車電話系統(HAMTS)，在東京、神戶等地投入商用。西德于1984年完成C網，頻段為450MHz。英國在1985年開發出全地址通信系統(TACS)，首先在倫敦投入使用，以后覆蓋了全國，頻段為900MHz。法國開發出450系統。加拿大推出450MHz移動電話系統MTS。瑞典等北歐四國于1980年開發出NMT450移動通信網，并投入使用，頻段為450MHz。這一階段的特點是蜂窩狀移動通信網成為實用系統，并在世界各地迅速發展。移動通信大發展的原因，除了用戶要求迅猛增加這一主要推動力之外，還有幾方面技術進展所提供的條件。首先，微電子技術在這一時期得到長足發展，這使得通信設備的小型化、微型化有了可能性，各種輕便電臺被不斷地推出。其次，提出并形成了移動通信新體制。隨著用戶數量增加，大區制所能提供的容量很快飽和，這就必須探索新體制。在這方面最重要的突破是貝爾試驗室在70年代提出的蜂窩網的概念。蜂窩網，即所謂小區制，由于實現了頻率再用，大大提高了系統容量。可以說，蜂窩概念真正解決了公用移動通信系統要求容量大與頻率資源有限的矛盾。第三方面進展是隨著大規模集成電路的發展而出現的微處理器技術日趨成熟以及計算機技術的迅猛發展，從而為大型通信網的管理與控制提供了技術手段。第五階段 從 80年代中期開始。這是數字移動通信系統發展和成熟時期。以AMPS和TACS為代表的第一代蜂窩移動通信網是模擬系統。模擬蜂窩網雖然取得了很大成功，但也暴露了一些問題。例如，頻譜利用率低，移動設備復雜，費用較貴，業務種類受限制以及通話易被竊聽等，最主要的問題是其容量已不能滿足日益增長的移動用戶需求。解決這些問題的方法是開發新一代數字蜂窩移動通信系統。數字無線傳輸的頻譜利用率高，可大大提高系統容量。另外，數字網能提供語音、數據多種業務服務，并與ISDN等兼容。實際上，早在70年代末期，當模擬蜂窩系統還處于開發階段時，一些發達國家就接手數字蜂窩移動通信系統的研究。到80年代中期，歐洲首先推出了泛歐數字移動通信網(GSM)的體系。隨后，美國和日本也制定了各自的數字移動通信體制。泛歐網GSM已于1991年7月開始投入商用，預計1995年將覆蓋歐洲主要城市、機場和公路。可以說，在未來十多年內數字蜂窩移動通信將處于一個大發展時期，及有可能成為陸地公用移動通信的主要系統。與其它現代技術的發展一樣，移動通信技術的發展也呈現加快趨勢，目前，當數字蜂窩網剛剛進入實用階段，正方興未艾之時，關于未來移動通信的討論已如火如荼地展開。各種方案紛紛出臺，其中最熱門的是所謂個人移動通信網。關于這種系統的概念和結構，各家解釋并未一致。但有一點是肯定的，即未來移動通信系統將提供全球性優質服務，真正實現在任何時間、任何地點、向任何人提供通信服務這一移動通信的最高目標。傅立葉變換最早是在19世紀由法國的數學家J.B. Fourier提出，他認為任何信號（例如聲音，影像等）均可被分解為頻率、振幅。由于傅立葉變換的性質，可以把圖象或者信號在頻域中進行處. 理，從而達到簡化處理過程、增強處理效 對電信發展貢獻可想而知。2.Polar2016年11月14日至18日期間，3GPP RAN1 #87會議在美國Reno召開，本次會議其中一項內容是決定5G短碼塊的信道編碼方案，其中，提出了三種短碼編碼方案：Turbo碼、LDPC碼和Polar碼。關于這三種編碼方案之爭，這已經是5G標準的第二次較量。在2016年10月14日葡萄牙里斯本舉行的會議上，LDPC碼戰勝了Turbo碼和Polar碼，被采納為5G eMBB場景的數據信道的長碼塊編碼方案。在這個背景下，這一次關于短碼塊編碼方案的爭論更為激烈。因為LDPC碼已經拿下一局，出于實施復雜性考慮，整個移動通信系統采用單一的編碼方案更利于5G部署，比如，3G和4G采用的是Turbo碼，估計會有更多人支持LDPC碼。這樣一來，主要由美國企業主導的LDPC碼有可能一統5G天下，而華為等中國企業主導的Polar碼將前功盡棄。由于拋棄Turbo碼的呼聲較大，在上次會議失利之后，可以說Turbo碼基本大勢已去，本次5G編碼之爭最終演變為Polar碼和LDPC碼之間的拳擊爭霸賽，一場中美拳擊爭霸賽。最終，經過連續熬夜的激戰后，Polar碼終于在5G核心標準上扳回一局，成為5G eMBB場景的控制信道編碼方案。自此，經過兩次激戰，在5G eMBB場景上，Polar碼和LDPC碼二分天下，前者為信令信道編碼方案，后者為數據信道編碼方案。Polar碼和LDPC碼一起歷史性的走進蜂窩移動通信系統，而在3G和4G時代陪伴我們多年的Turbo碼再輸一局，留下了落魄而孤寂的背影。這確實是一個令人振奮的消息，如果說用力挽狂瀾來形容，我覺得并不為過。這對于主導Polar碼的華為和中國企業絕對利好，畢竟，多年在Polar碼上研發投入終于有了盼頭。但是，我們看到有些媒體的報道，恕我直言，太過浮夸。1. 不是“拿下5G時代”在5G eMBB場景上，Polar為信令信道編碼方案，LDPC碼為數據信道編碼方案，最多叫平分秋色。同時，后面還有很多路要走。我們在前文中提到的eMBB場景不過是5G應用的其中一個場景。3GPP定義了5G三大場景：eMBB，mMTC和URLLC，eMBB對應的是3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務，mMTC對應的是大規模物聯網業務，而URLLC對應的是如無人駕駛、工業自動化等需要低時延高可靠連接的業務。本次采納的編碼方案是針對其中eMBB場景，后續還將決定URLLC場景下的信道編碼方案，最后再決定mMTC場景（估計在2017年第一季度）。盡管此次采納Polar碼為后續標準話語權打下了堅實的基礎，但革命還未成功，同志仍需努力。2 .Polar碼不是華為的，LDPC也不是高通的這要從信道編碼的歷史說起。Turbo碼是由法國科學家C.Berrou和A.Glavieux發明。從1993年開始，通信領域開始對其研究。隨后，Turbo碼被3G和4G標準采納。LDPC碼是由MIT的教授 Robert Gallager在1962年提出，這是最早提出的逼近香農極限的信道編碼，不過，受限于當時環境，難以克服計算復雜性，隨后被人遺忘。直到1996年才引起通信領域的關注。后來，LDPC碼被WiFi標準采納。Polar碼是由土耳其比爾肯大學教授E. Arikan在2007年提出，2009年開始引起通信領域的關注。簡而言之，信道編碼是數學家們原創出理論，通信就是跟著數學家們跑，在他們的理論基礎上不斷研究試驗，使之落地于實際應用。為什么有些公司力挺Polar碼，有些公司力挺LDPC碼？這就像下賭注，看中了某種編碼技術，就開始對其研究，一旦賭贏了，那么我的研究成果就能快速落地應用，一旦輸了，只能從頭再來。比如，華為選擇了Polar碼，5G也選擇了Polar碼，這就意味著華為在5G領域更具影響力。當然，在研究中，一定也積累了不少專利。所以，盡管這次Polar碼贏了，但個人以為，媒體們不能因為太過興奮而忽略了數學家們的貢獻，更不能張冠李戴，有些東西是沒有國界的。3 .為何5G采納了Polar碼？這個小標題應該叫：5G為何采納了Polar碼和LDPC碼？又為何放棄了Trubo碼？先從什叫信道編碼說起。當我們拿起手機刷朋友圈時，數據通過無線信號在手機和基站間傳送。由于受到無線干擾、弱覆蓋等原因影響，我們手機發送的數據和基站接收到數據有時會不一致，比如，我們手機發送的1 0 0 1 0，而基站接收到的卻是1 1 0 1 0，為了糾錯，移動通信系統就引入了信道編碼技術。信道編碼，簡單的講，就是我們在有K比特的數據塊中插入冗余比特，形成一個更長的碼塊，這個碼塊的長度為N比特位，NK，N-K就是用于檢測和糾錯的冗余比特，編碼率R就是K/N。一個好的信道編碼，是在一定的編碼率下，能無限接入信道容量的理論極限。在過去幾十年里，出現了兩種接近容量極限的信道編碼技術：LDPC和Turbo碼，分別被3G和4G通信標準和WiFi標準采納。2007年，土耳其教授E. Arikan提出了Polar碼，被稱為是迄今發現的唯一一類能夠達到香農限的編碼方法。所以，這三種優秀的編碼技術均進入5G編碼標準的法眼，并引發了一場爭奪賽。為何這場爭奪賽這么激烈？都是KPI惹的禍。5G NR（New Radio）的KPI里，明確規定：峰值速率20Gbps、用戶面時延0.5ms（URLLC）。這個KPI定的太高，在4G基礎上提升了20倍。報告領導，不好完成。有多難呢？5G NR的下行峰值速率要求是20Gbps，由于手機（或基站）接收到的每一bit都要經過信道譯碼器，20Gbps就相當于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數據。舉個例子，20 Gbps就意味著譯碼吞吐量T為20 Gbps，假設譯碼迭代次數I為10次，處理器的時鐘頻率F為500 MHz，那么，I *T /F = 10*20G/500M=400，也就是說需要400個處理器并行工作。（備注：譯碼器是信道編碼最難實現的一環）這也是為何很多人選擇放棄3G和4G時代使用的Turbo碼的原因之一，因為4G的最大速率不過1Gbps，傳統Turbo碼通過迭代譯碼，本質上源于串行的內部結構，所以，有人認為Turbo遇上更高速率的5G時就遇到了瓶頸。比如LDPC譯碼器是基于并行的內部結構，這意味著譯碼的時候可以并行同時處理，不但能處理較大的數據量，還能減少處理時延。盡管可以采用外部并行的方式，但又帶來了時延問題。對于時延，出于技術宅的本能，也請容許我再啰嗦一下。5G NR的URLLC應用場景要求用戶面時延為0.5ms，這是4G 10ms的二十分之一。之所以要求這么高的時延，是因為我們在體驗增強現實、遠程控制和游戲等業務時，需要傳送到云端處理，并實時傳回，這一來回的過程時延一定要足夠低，低到用戶無法覺察到。另外，機器對時延比人類更敏感，對時延要求更高，尤其是5G的車聯網、自動工廠和遠程機器人等應用。空口0.5ms時延意味著物理層的時延不能超過50s，而物理層時延除了受譯碼影響，還受其它因素影響（比如同步），這就需要譯碼的處理時延一定要低于50s，越低越好。總得來說，這就好比春節的航班，人流太多，要把幾億中國人從南到北，從東向西轉移一次，“數據量”太大，這就需要多開航班，并且加快航行速度。“航班公司”5G NR表示鴨梨山大，而信道編碼表示壓力更大，層層傳遞嘛。但是，這點壓力還不夠，5G表示還能抗。剛才我們講了，3GPP定義了5G三大場景：eMBB，mMTC和URLLC，這些場景對應5G的AR、VR、車聯網、大規模物聯網、高清視頻等等各種應用，較之3/4G只有語音和數據業務，5G可繁忙多了。這就對5G信道編碼提出了更高要求，需支持更廣泛的碼塊長度和更多的編碼率。比如，短碼塊應用于物聯網，長碼塊應用于高清視頻，低編碼率應用于基站分布稀疏的農村站點，高編碼率應用于密集城區。如果大家都用同樣的編碼率，這就會造成數據比特浪費，進而浪費頻譜資源，這叫編碼的靈活性。另外，5G還得保障更高可靠性的通信。LTE對一般數據的空口誤塊率要求初始傳輸為10%，經過幾次重傳后，誤塊率如果低于1%即可。但是，5G要求誤塊率要降到十萬分之一。這就意味著，10萬個碼塊中，只允許信道譯碼器犯一次錯，最多只能有一個碼塊不能糾錯。綜上，決定5G采用哪種編碼方式的因素就是：譯碼吞吐量、時延、糾錯能力、靈活性，還有實施復雜性、成熟度和后向兼容性等。比較一下三種編碼的譯碼吞吐量、時延、糾錯能力、靈活性和實施復雜性，誰更強的呢？小編查閱了最新的大量文獻，結果是：被搞得暈頭轉向，一臉懵逼。這個問題太復雜了，公說公有理婆說婆有理。有人認為，Turbo碼達到了瓶頸，無法處理20Gbps高速率，然而，有廠家證明，基于全并行設計的Turbo譯碼器的譯碼吞吐量能到21.9 Gbps，處理時延可達0.24s，這也能滿足5G NR的20Gbps速率需求。比如，如果用譯碼器在譯碼每一bit時執行的Max，Min和Add操作的總次數來衡量計算復雜度，有人認為Polar碼和LDPC碼在計算復雜度上