4G網絡通信簡述

摘 要 通信技術日新月異，給人們帶來不少享受。隨著數據通信與多媒體業務需求的發展，適應移動數據、在我們還沒有完全享受3G移動通信系統商所帶來服務的同時，4G移動通信技術的研究已經在逐步的進行著。本文簡要分析了4G網絡通信技術的架構并初步探討了4G事業的發展現狀。

關鍵詞 4G 網絡通信 簡述

隨著3G在我國的商用以來，用戶在使用手機電視和視頻通話方面，出現信號不穩，視頻通話效果不好等問題。人們開始期望4G能夠解決這些問題，能夠提供更高的數據速率，更大的容量和帶寬。從而使4G比3G更接近個人通信，在技術上比3G更完善。所謂4G技術是第四代移動通信及其技術的簡稱，是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質量視頻圖像以及圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下的技術產品。4G系統能夠以100Mbps的速度下載，比撥號上網快2000倍，上傳的速度也能達到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。而在用戶最為關注的價格方面，4G與固定寬帶網絡在價格方面不相上下，而且計費方式更加靈活機動，用戶完全可以根據自身的需求確定所需的服務。此外，4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區。很明顯，4G有著不可比擬的優越性。

一、4G網絡結構

三層網絡結構：

4G系統針對各種不同業務的接入系統，通過多媒體接入連接到基于IP的核心網中。基于IP技術的網絡結構使用戶可實現在3G、4G、WLAN及固定網間無縫漫游。4G網絡結構可分為三層：物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。

（1）物理網絡層提供接入和路由選擇功能。

（2）中間環境層的功能有網絡服務質量映射、地址變換和完全性管理等。

（3）物理網絡層與中間環境層及其應用環境之間的接口是開放的，使發展和提供新的服務變得更容易，提供無縫高數據率的無線服務，并運行于多個頻帶，這一服務能自適應于多個無線標準及多模終端，跨越多個運營商和服務商，提供更大范圍服務。

二、4G網絡中的關鍵技術

1、OFDM

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復用技術。其主要原理是：將待傳輸的高速串行數據經串并變換， 變成在子信道上并行傳輸的低速數據流， 再用相互正交的載波進行調制， 然后疊加一起發送。接收端用相干載波進行相干接收， 再經并串變換恢復為原高速數據。

OFDM技術的有很多優點：可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率；適合高速數據傳輸；抗衰落能力強；抗碼間干擾（ISI）能力強。

2、軟件無線電

軟件無線電（SDR）是將標準化、模塊化的硬件功能單元經一通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各類無線電通信系統的一種開放式結構的技術。其中心思想是使寬帶模數轉換器（A/D）及數模轉換器（D/A）等先進的模塊盡可能地靠近射頻天線的要求。其軟件系統包括各類無線信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、調制解調算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無線電技術主要涉及數字信號處理硬件（DSPH）、現場可編程器件（FPGA）、數字信號處理（DSP）等。

3、智能天線技術（SA）

智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應陣列天線。智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數字波束調節等功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束可在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信號，既能改善信號質量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發信機來實現射頻信號的收發，同時，通過基帶數字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現上行波束賦形。

4、多輸入多輸出（MIMO）技術

多輸入多輸出技術（MIM0）是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術為系統提供空間復用增益和空間分集增益。空間復用是在接收端和發射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個子信道發射信號，使容量隨天線數量的增加而線性增加。空間分集有發射分集和接收分集兩類?；诜旨夹g與信道編碼技術的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領域的研究熱點。MIM0技術可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統的容量及覆蓋范圍。

5、基于IP的核心網

4G移動通信系統的核心網是一個基于全IP的網絡，可以實現不同網絡間的無縫互聯。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，能同已有的核心網和PSTN兼容。核心網具有開放的結構，能允許各種空中接口接入核心網；同時核心網能把業務、控制和傳輸等分開。IP與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。

三、3G與4G的比較

正當第三代移動通信（3G）正在國內全面鋪開的時候，比3G提速十倍以上的新一代移動通信技術TD—LTE，在上海世博會上閃亮登場：高清視頻通話，實時展會直播，高速移動上網……多種移動寬帶服務，不僅實現了對5.28平方公里的世博園區的完整覆蓋，而且還實現了黃浦江水面以及信息通信館、世博中心等11個重要場館室內覆蓋。

在這個全球首個“準4G”TD—LTE規模演示網獲得成功之后，中國移動又在國內三個城市進行擴大規模的實驗試用。引人注目的是，TD—LTE已聚集了大批中外企業，如大唐、華為、中興、上海貝爾、摩托羅拉，以及創毅視訊、海思等國內外網絡設備商與芯片廠商。

種種跡象表明，3G尚在發力，4G已悄然逼近，且伸手可及。

由于目前 3G采用很多先進性的技術， 將來4G在很大程度上進一步融合 3G現有的技術。比如，智能天線，軟件無線電，聯合檢測，功率控制等。雖然4G繼承了3G的許多技術，但是在指標和技術方面有諸多區別。

1、技術指標方面

3G提供了高速數據，在圖象傳輸上，其靜止傳輸速率達到2Mbps，高速移動時的傳輸速率達到114Kbps，慢速移動時的傳輸速率達到384kbps， 帶寬可以達到5MHz以上UMT采用WCDMA技術，利用正教碼區分用戶，有FDD和TDD兩種雙工方式。

4G的性能指標是：

（1）數據速率從2Mbps到100Mpbs

（2）容量達到第 3 代系統的 5～10 倍 ，傳輸質量相當于甚至優于第 3 代系統。廣帶局域網應能與寬帶綜合業務數據網 （B - ISDN）和異步傳送模式 （ATM）兼容 ，實現廣帶多媒體通信 ，形成綜合廣帶通信網

（3）條件相同時小區覆蓋范圍等于或大于第 3 代系統。

（4）具有不同速率間的自動切換能力 ，以保證通信質量。

（5）網絡的每比特成本要比第 3 代低。

2、業務描述

速度比3G快10倍以上，讓互聯網和移動終端融為一體；3G是手機通話為主，附帶上網；4G是移動上網為主，附帶通話。

“其實叫4G并不太準確，這是一種通俗的說法，4G到目前并沒有完整的定義。”中興通訊LTE終端負責人張亮說到：“4G是相對于3G說的，是指第四代移動通信技術，目前國際電聯還沒有確定統一的標準，但是LTE（Long Term Evolution）技術應該是主要的方向?！?/p>

“上海世博會推出的TD—LTE被認為是‘準4G’或者3.9G，它的傳輸速率達到了每秒70兆，大概是現有3G技術的20多倍”，中興通訊LTE項目總工程師劉宏春說：“未來的4G在這個基礎上會更快，會超過每秒100兆，乃至1G，能夠實現比現在的3G提速幾十倍，比撥號上網快幾千倍，能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求?！?/p>

不管未來對4G通信怎樣定義，有一點可以肯定：4G時代將是一個比3G時代更完美的新無線世界，可創造出許多消費者難以想象的應用：用手機代替衛星傳輸，實時傳輸高清晰度視頻圖像……

4G與3G相比，就是解決了帶寬問題，速度會有幾十倍的提高，系統性能顯著提高，包括用戶體驗到的速率、系統時延、高速移動下的接入等，而且會大大提高諸如視頻流以及網絡戲等應用的性能，滿足人們的實際需求。

在3G時代，手機還是以通話為主，上網是附帶的功能；而到了4G時代，會把寬帶互聯網搬到手機上，消費者會以移動上網為主，通話功能則退居其次。

3、我國4G事業前景

4G與3G有一個很大的不同，就是標準逐步統一。當年，國際電信聯盟曾確定了10種3G候選技術，2001年正式批準其中的5項為國際標準。經過市場選擇，最后TD—SCDMA、WCDMA和CDMA 2000三種主流技術成功實現商用。2007年10月，WiMax也成功獲得國際電聯的批準，躋身3G標準之列。

但在4G國際標準制定中，國際電信聯盟在候選技術階段只確定了兩種候選技術，實現了技術聚焦。這意味著未來的4G標準只有2種甚至1種，如果采用其他的技術，都不能被稱為4G。這兩種技術是LTE—Advanced和802.16m，每種又都有兩種制式：時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）。

我國主推的TD—LTE繼承LTE TDD制式的優點，又與時俱進地引入了MIMO（多入多出技術）與OFDM（正交頻分復用技術），在系統帶寬、網絡時延、移動性方面都有了跨越式提高。TD—LTE使用了國際電聯定義的4G時代的一部分關鍵技術，是我國TD—SCDMA的后續演進技術，繼承了TD—SCDMA系統大量中國自主知識產權。以中國移動為代表的中國企業在TD—SCDMA標準化、產業化、規模部署經驗的基礎上，主導了TD—LTE的標準化和產業化發展，已經打造了初步產業鏈條，吸引了眾多廠商的加入。

據介紹，TD—LTE的增強技術，即TD—LTE Advanced已經于去年被確立為4G標準的候選技術。從國際情況來看，TD被國際上大的制造商和一部分運營商所認可，再加上中國手機用戶和互聯網用戶的巨大吸引力，很多專家預計，到今年10月國際電聯確認4G國際標準時，TD—LTE Advanced將很有希望入選。

4、4G會取代3G？

4G將首先覆蓋熱點和發達地區，未來我國將形成2G、3G和4G并存的局面，而不是簡單升級替換。4G面對的是高端的數據服務，是對3G有效的補充?？紤]到成本和需求，一定是從熱點城市和發達地區布網開始，不可能全國布網。

3G的商用沒有將2G完全替代掉，而4G也一樣替代不了3G。中國是一個情況復雜的大國，當4G時代，很多用戶還會繼續使用3G網絡，使用2G的也將有大批用戶。4G也不可能大范圍建網，至多在一些對數據信息需求量大的特大城市布網，比如上海、北京等，其他城市3G已經夠用了?！跋嘈旁?G之后的10年內，我們都不會看到3G退出市場?！?/p>

運營商未來會在4G和3G之間找出一種平衡關系，如在覆蓋上怎么交叉、各占多大的比率等等。就像現在中國移動GSM用戶最多，覆蓋面最廣，而TD—SCDMA在某些區域實際上就是在2G和3G之間進行輪換服務。在未來的4G時代，情況會與此類似。在不同的地區，選擇4G服務的消費者也會出現在4G、3G和2G之間平滑切換的情況。

四、4G發展瓶頸

1、標準難以統一

雖然從理論上講，3G手機用戶在全球范圍都可以進行移動通信，但是由于沒有統一的國際標準，各種移動通信系統彼此互不兼容，給手機用戶帶來諸多不便。因此，開發第四代移動通信系統必須首先解決通信制式等需要全球統一的標準化問題，而世界各大通信廠商會對此一直在爭論不休。

2、容量受到限制

人們對未來的4G通信的印象最深的莫過于它的通信傳輸速度會得到極大提升，從理論上說其所謂的每秒100MB的寬帶速度，比2009年最新手機信息傳輸速度每秒10KB要快1萬多倍，但手機的速度會受到通信系統容量的限制，如系統容量有限，手機用戶越多，速度就越慢。據有關專家分析，4G手機會很難達到其理論速度。如果速度上不去，4G手機就要大打折。Heavy Reading4G/LTE Insider的研究分析師兼該報告的作者蒂姆？克倫德爾（Tim Kridel）指出：“無線接入網絡的擁堵并不是一個剛剛出現的、令世界各地的無線運營商頭疼的新問題，而是個早就存在的大麻煩。除非移動運營商也能夠采取積極措施，減少和控制無線接入網絡的擁堵問題，否則就算轉向4G也不會明顯改善網絡的性能?！?/p>

3、市場難以消化

有專家預測在10年以后，第三代移動通信的多媒體服務會進入第三個發展階段，此時覆蓋全球的3G網絡已經基本建成，全球25%以上人口使用第三代移動通信系統，第三代技術仍然在緩慢地進入市場，到那時整個行業正在消化吸收第三代技術，對于第四代移動通信系統的接受還需要一個逐步過渡的過程。另外，在過渡過程中，如果4G通信因為系統或終端的短缺而導致延遲的話，那么號稱5G的技術隨時都有可能威脅到4G的贏利計劃，此時4G漫長的投資回收和贏利計劃會變得異常的脆弱。

五、總結

綜上，我們可以看出4G中除了核心網絡之外，其他的很多的設備和技術，都可以利用3G中所采用的技術資源和設備，改進原有的硬件設施，對原有的軟件進行升級融合，再加上4G的關鍵技術，使得3G平滑過渡到4G，并且能夠最大限度的降低通信建設的投資資本。雖然我國在4G研究上已經取得可喜的成果，但仍有很多難題有待解決。對于我國能否從現有的TD-CDMA平滑過渡到4G，形成4G標準并商用化，讓我們拭目以待。

參考文獻：

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（作者單位：江西外語外貿職業學院）