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通信工程專業(yè)導(dǎo)論結(jié) 課 論 文論文名稱 通信的發(fā)展史 所在學(xué)院 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 班 級 學(xué) 號 姓 名 授課教師 時 間 2017/1/3 世界移動通信發(fā)展史關(guān)鍵詞 通信的發(fā)展趨勢 5G將采用華為力挺的Polar摘要 現(xiàn)代移動通信技術(shù)的發(fā)展始于本世紀(jì)20年代，大致經(jīng)歷了五個發(fā)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(fā)明之日就產(chǎn)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(jìn)行的，距離為18海里?，F(xiàn)代移動通信技術(shù)的發(fā)展始于本世紀(jì)20年代，大致經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。第一階段 從本世紀(jì)20年代至40年代，為早期發(fā)展階段。在這期間，首先在短波幾個頻段上開發(fā)出專用移動通信系統(tǒng)，其代表是美國底特律市警察使用的車載無線電系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為2MHz，到40年代提高到3040MHz,可以認(rèn)為這個階段是現(xiàn)代移動通信的起步階段，特點是專用系統(tǒng)開發(fā)，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(nèi)，公用移動通信業(yè)務(wù)開始問世。1946年，根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的計劃，貝爾系統(tǒng)在圣路易斯城建立了世界上第一個公用汽車電話網(wǎng)，稱為“城市系統(tǒng)”。當(dāng)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(tǒng)。美國貝爾實驗室完成了人工交換系統(tǒng)的接續(xù)問題。這一階段的特點是從專用移動網(wǎng)向公用移動網(wǎng)過渡，接續(xù)方式為人工，網(wǎng)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(jìn)型移動電話系統(tǒng)(IMTS)，使用150MHz和450MHz頻段，采用大區(qū)制、中小容量，實現(xiàn)了無線頻道自動選擇并能夠自動接續(xù)到公用電話網(wǎng)。德國也推出了具有相同技術(shù)水平的B網(wǎng)?？梢哉f，這一階段是移動通信系統(tǒng)改進(jìn)與完善的階段，其特點是采用大區(qū)制、中小容量，使用450MHz頻段，實現(xiàn)了自動選頻與自動接續(xù)。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(fā)展時期。1978年底，美國貝爾試驗室研制成功先進(jìn)移動電話系統(tǒng)(AMPS)，建成了蜂窩狀移動通信網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)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(wù)區(qū)域在美國逐漸擴(kuò)大。到1985年3月已擴(kuò)展到47個地區(qū)，約10萬移動用戶。其它工業(yè)化國家也相繼開發(fā)出蜂窩式公用移動通信網(wǎng)。日本于1979年推出800MHz汽車電話系統(tǒng)(HAMTS)，在東京、神戶等地投入商用。西德于1984年完成C網(wǎng)，頻段為450MHz。英國在1985年開發(fā)出全地址通信系統(tǒng)(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(fā)出450系統(tǒng)。加拿大推出450MHz移動電話系統(tǒng)MTS。瑞典等北歐四國于1980年開發(fā)出NMT450移動通信網(wǎng)，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(wǎng)成為實用系統(tǒng)，并在世界各地迅速發(fā)展。移動通信大發(fā)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(shù)進(jìn)展所提供的條件。首先，微電子技術(shù)在這一時期得到長足發(fā)展，這使得通信設(shè)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(shù)量增加，大區(qū)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(wǎng)的概念。蜂窩網(wǎng)，即所謂小區(qū)制，由于實現(xiàn)了頻率再用，大大提高了系統(tǒng)容量。可以說，蜂窩概念真正解決了公用移動通信系統(tǒng)要求容量大與頻率資源有限的矛盾。第三方面進(jìn)展是隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展而出現(xiàn)的微處理器技術(shù)日趨成熟以及計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，從而為大型通信網(wǎng)的管理與控制提供了技術(shù)手段。第五階段 從 80年代中期開始。這是數(shù)字移動通信系統(tǒng)發(fā)展和成熟時期。以AMPS和TACS為代表的第一代蜂窩移動通信網(wǎng)是模擬系統(tǒng)。模擬蜂窩網(wǎng)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(shè)備復(fù)雜，費用較貴，業(yè)務(wù)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(fā)新一代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。數(shù)字無線傳輸?shù)念l譜利用率高，可大大提高系統(tǒng)容量。另外，數(shù)字網(wǎng)能提供語音、數(shù)據(jù)多種業(yè)務(wù)服務(wù)，并與ISDN等兼容。實際上，早在70年代末期，當(dāng)模擬蜂窩系統(tǒng)還處于開發(fā)階段時，一些發(fā)達(dá)國家就接手?jǐn)?shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的研究。到80年代中期，歐洲首先推出了泛歐數(shù)字移動通信網(wǎng)(GSM)的體系。隨后，美國和日本也制定了各自的數(shù)字移動通信體制。泛歐網(wǎng)GSM已于1991年7月開始投入商用，預(yù)計1995年將覆蓋歐洲主要城市、機(jī)場和公路?？梢哉f，在未來十多年內(nèi)數(shù)字蜂窩移動通信將處于一個大發(fā)展時期，及有可能成為陸地公用移動通信的主要系統(tǒng)。與其它現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展一樣，移動通信技術(shù)的發(fā)展也呈現(xiàn)加快趨勢，目前，當(dāng)數(shù)字蜂窩網(wǎng)剛剛進(jìn)入實用階段，正方興未艾之時，關(guān)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(wǎng)。關(guān)于這種系統(tǒng)的概念和結(jié)構(gòu)，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(tǒng)將提供全球性優(yōu)質(zhì)服務(wù)，真正實現(xiàn)在任何時間、任何地點、向任何人提供通信服務(wù)這一移動通信的最高目標(biāo)。傅立葉變換最早是在19世紀(jì)由法國的數(shù)學(xué)家J.B. Fourier提出，他認(rèn)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(zhì)，可以把圖象或者信號在頻域中進(jìn)行處. 理，從而達(dá)到簡化處理過程、增強處理效 對電信發(fā)展貢獻(xiàn)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(nèi)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(guān)于這三種編碼方案之爭，這已經(jīng)是5G標(biāo)準(zhǔn)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(zhàn)勝了Turbo碼和Polar碼，被采納為5G eMBB場景的數(shù)據(jù)信道的長碼塊編碼方案。在這個背景下，這一次關(guān)于短碼塊編碼方案的爭論更為激烈。因為LDPC碼已經(jīng)拿下一局，出于實施復(fù)雜性考慮，整個移動通信系統(tǒng)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(yè)主導(dǎo)的LDPC碼有可能一統(tǒng)5G天下，而華為等中國企業(yè)主導(dǎo)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?yōu)镻olar碼和LDPC碼之間的拳擊爭霸賽，一場中美拳擊爭霸賽。最終，經(jīng)過連續(xù)熬夜的激戰(zhàn)后，Polar碼終于在5G核心標(biāo)準(zhǔn)上扳回一局，成為5G eMBB場景的控制信道編碼方案。自此，經(jīng)過兩次激戰(zhàn)，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(shù)據(jù)信道編碼方案。Polar碼和LDPC碼一起歷史性的走進(jìn)蜂窩移動通信系統(tǒng)，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(dǎo)Polar碼的華為和中國企業(yè)絕對利好，畢竟，多年在Polar碼上研發(fā)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(shù)據(jù)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(yīng)用的其中一個場景。3GPP定義了5G三大場景：eMBB，mMTC和URLLC，eMBB對應(yīng)的是3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，mMTC對應(yīng)的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，而URLLC對應(yīng)的是如無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延高可靠連接的業(yè)務(wù)。本次采納的編碼方案是針對其中eMBB場景，后續(xù)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(xù)標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)打下了堅實的基礎(chǔ)，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(xué)家C.Berrou和A.Glavieux發(fā)明。從1993年開始，通信領(lǐng)域開始對其研究。隨后，Turbo碼被3G和4G標(biāo)準(zhǔn)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(nóng)極限的信道編碼，不過，受限于當(dāng)時環(huán)境，難以克服計算復(fù)雜性，隨后被人遺忘。直到1996年才引起通信領(lǐng)域的關(guān)注。后來，LDPC碼被WiFi標(biāo)準(zhǔn)采納。Polar碼是由土耳其比爾肯大學(xué)教授E. Arikan在2007年提出，2009年開始引起通信領(lǐng)域的關(guān)注。簡而言之，信道編碼是數(shù)學(xué)家們原創(chuàng)出理論，通信就是跟著數(shù)學(xué)家們跑，在他們的理論基礎(chǔ)上不斷研究試驗，使之落地于實際應(yīng)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(shù)，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(yīng)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(lǐng)域更具影響力。當(dāng)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(shù)學(xué)家們的貢獻(xiàn)，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(biāo)題應(yīng)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(dāng)我們拿起手機(jī)刷朋友圈時，數(shù)據(jù)通過無線信號在手機(jī)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(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和基站接收到數(shù)據(jù)有時會不一致，比如，我們手機(jī)發(fā)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(tǒng)就引入了信道編碼技術(shù)。信道編碼，簡單的講，就是我們在有K比特的數(shù)據(jù)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(xiàn)了兩種接近容量極限的信道編碼技術(shù)：LDPC和Turbo碼，分別被3G和4G通信標(biāo)準(zhǔn)和WiFi標(biāo)準(zhǔn)采納。2007年，土耳其教授E. Arikan提出了Polar碼，被稱為是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一類能夠達(dá)到香農(nóng)限的編碼方法。所以，這三種優(yōu)秀的編碼技術(shù)均進(jìn)入5G編碼標(biāo)準(zhǔn)的法眼，并引發(fā)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(guī)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(chǔ)上提升了20倍。報告領(lǐng)導(dǎo)，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(jī)（或基站）接收到的每一bit都要經(jīng)過信道譯碼器，20Gbps就相當(dāng)于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數(shù)據(jù)。舉個例子，20 Gbps就意味著譯碼吞吐量T為20 Gbps，假設(shè)譯碼迭代次數(shù)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(xiàn)的一環(huán)）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(tǒng)Turbo碼通過迭代譯碼，本質(zhì)上源于串行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以，有人認(rèn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)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(shù)宅的本能，也請容許我再啰嗦一下。5G NR的URLLC應(yīng)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(xiàn)實、遠(yuǎn)程控制和游戲等業(yè)務(wù)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(jī)器對時延比人類更敏感，對時延要求更高，尤其是5G的車聯(lián)網(wǎng)、自動工廠和遠(yuǎn)程機(jī)器人等應(yīng)用?？湛?.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?？偟脕碚f，這就好比春節(jié)的航班，人流太多，要把幾億中國人從南到北，從東向西轉(zhuǎn)移一次，“數(shù)據(jù)量”太大，這就需要多開航班，并且加快航行速度?！昂桨喙尽?G 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(yīng)5G的AR、VR、車聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、高清視頻等等各種應(yīng)用，較之3/4G只有語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，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(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，長碼塊應(yīng)用于高清視頻，低編碼率應(yīng)用于基站分布稀疏的農(nóng)村站點，高編碼率應(yīng)用于密集城區(qū)。如果大家都用同樣的編碼率，這就會造成數(shù)據(jù)比特浪費，進(jìn)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(shù)據(jù)的空口誤塊率要求初始傳輸為10%，經(jīng)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(fù)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(fù)雜性，誰更強的呢？小編查閱了最新的大量文獻(xiàn)，結(jié)果是：被搞得暈頭轉(zhuǎn)向，一臉懵逼。這個問題太復(fù)雜了，公說公有理婆說婆有理。有人認(rèn)為，Turbo碼達(dá)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(shè)計的Turbo譯碼器的譯碼吞吐量能到21.9 Gbps，處理時延可達(dá)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(zhí)行的Max，Min和Add操作的總次數(shù)來衡量計算復(fù)雜度，有人認(rèn)為Polar碼和LDPC碼在計算復(fù)雜度上