第四代移动通信技术的特点

第四代移动通信技术发展概况研究

摘要

2012 年1 月18 日中国具有自主知识产权的通信标准TD-LTE 在正式成为4G 国际标准，这意味着下一代移动通信标准的全球竞争正式开始。从3G 时代开始，到现在中国自主的4G 标准正式成为国标，中国正在逐步建立自主的移动通信标准体系。中国的通信事业必须以标准为支点，占据全球通信竞争的制高点，从而带动整个国家信息产业的战略转型升级，才是中国发展4G 业务的意义所在。本文在阐述第四代移动通信定义、特点及主要应用技术的基础上，探讨了国内外4G技术的发展现状，并指出目前国内发展4G所面临的问题，并对4G前景做出展望。

关键词

4G 技术特点国内外现状前景挑战

4G综述

第四代移动通信技术可称为广带(Broadband)接入和分布网络，具有非对称超过2Mb／s的数据传输能力，对全速移动用户能提供1 50Mb／s的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入，广带无线局域网，移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)，集成不同模式的无线通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。其广带无线局域网(WLAN)能与B—ISDN和ATM兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网(IBCN)，他还能提供信息之外的定位定时，数据采集，远程控制等综合功能。

4G通讯技术应该具备以下的特点：(1)更大传输频宽。对大范围高速移动的使用者(最高2 50km／h)频宽需求为2Mbps，中速移动的使用者(60km／h)频宽需求为20Mbps，低速移动或室内静止的使用者频宽需求为100Mbps；(2)更高储存容量。由于传输频宽增大，因此资料储存容量至少需求为3G系统的10倍以上；(3)更高相容性。4G通信技术必须具备向下相容、开放介面、全球漫游、与网路互联、多元终端应用等，并能从3G通信技术平稳过渡至4G；(4)不同系统的无缝连接。行动使用者在移动中，特别是高速移动，也都能顺利使用通信系统，并在不同系统间进行无缝转换(Seamless Transitions)，传送高速多媒体资料等；(5)高度智慧化网路系统。4G网路必须是高度智慧、能随状况自行调整的网路系统，它须具备良好的弹性以满足不同环境与不同用户的通信需求；(6)整合性的便利服务。4G系统将个人通信，资讯传输、广播服务与多媒体娱乐等各项应用整合，提供更为广泛、便利、安全与个性化的服务。

综上所述，4G移动通信其技术主要是能够在各终端产品间发送、接收来自另一端的信号，并在多个不同的网路系统、平台与无线通讯介面之间找到最快速与最有效率的通信路径。以进行最即时的传输，接收与定位等动作。

4G移动通信的关键技术

(1)正交频分复用(OFDM)技术

第四代移动通信系统主要是以OFDM为核心技术。OFDM技术实际上是多载波调制的一种。OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：

(a)频谱利用率高，频谱效率比串行系统高近一倍。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，其频谱利用率可以接近Nyquist极限。

(b)抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，这样在每个子载波上的信号

时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，从而使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。

(c)适合高速数据传输。OFDM 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，应采用效率高的调制方式；而当信道条件差的时候，则应采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使得系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。

(d)抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM 由于采用了循环前缀，故对抗码间干扰的能力很强。

(2)智能天线技术

智能天线采用了空时多址(SDMA)的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，将主波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每个用户提供优质的上行链路和下行链路信号从而达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。被认为是未来移动通信的关键技术。

目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量、计算量大、信道模型简单、收敛速度较慢，在某些情况下甚至出现错误收敛等缺点，实际信道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实际跟踪。

(3)MIMO技术

MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。

3G与4G的对比

核心技术的对比分析

3G系统主要以CDMA为核心技术。CDMA是将相互正交的的码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统。由于利用相互正交(或尽可能正交)的码去调制信号，会将原用户信号频谱带宽扩展，因此CDMA通信系统是一种典型的扩频通信技术的应用。

4G主要是以正交频分复用(OFDM)为核心技术。实际上OFDM是MCMMulti—CarrierModulation，多载波调制的一种。其主要原理是：将待传输的高速串行数据经串并变换，变成在子信道上并行传输的低速数据流，再用相互正交的载波进行调制，然后叠加一起发送。接收端用相干载波进行相干接收，再经并串变换恢复为原高速数据。

OFDM与—般的频分复用的主要差别在于它的不同载波的频谱可以相互交叠，因此可以得到最佳的频谱利用率，同时，接收端只要采用正交解调的方法就可以恢复出有用的信息信号。OFDM技术具有良好的抗噪声性能和抗多径干扰的能力，可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，适合高速数据传输。OFDM网络结构高度可扩展，具有忘好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，抗衰落能力强，抗码间干扰(Isl)能力强，可以提供比目前无线数据技术质量更高(速率高、时延小)的服务和更好的性价比，能为4G无线网提供更好的方案。

体系结构的对比分析

3G网络是严格的分层结构，—般包括核心网、接入网和用户设备三部分。核心网负责中央交换、数据传输及业务提供，分为电路网和分组网两个服务区域。接入网负责移动用户接入到核心网中。3G支持多种空中链路协议，可以将不同的接入网与同一个核心网相连。3G的网络体系结构本质上是2G的延续，主要是电路交换模式，不适合与因特网互联。而且，它也不适合用来提供数据和多媒体业务的QoS保证。

3G采用的主要是蜂窝组网，它的核心网是在GSM系统的核心网GSM—MAP和AMPS，IS-95的核心网ANSI-41的基础上发展而来的，其空中接口与相应的2G系统后向兼容。由于3G的核心网是由2G系统演进而来，它不是处理TCP／IP数据包的最优系统，它的数据传输速率也无力处理众多包含大量图像的信息。

4G发展为数字广带(broadband)为基础的网络，采用统一的IP核心网，不同国家和地区之间的网络互联是在网络层上用IP协议进行的，而且各种接入网的接人方法和速率可以不同，从而解决了3G不能实现全球漫游的问题。4G移动通信系统的核心网是—个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用lP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

系统参数的对比分析

增加数据传输速率和提高频谱利用率是对现有移动通信系统提出的新的要求。移动通信从1 G到3G是按照高数据率、高移动性和无缝隙覆盖方向发展的，其目标是要实现高速数据、高话音容量、新业务、全球漫游、QoS，支持电路／分组交换和低成本。就目前看来，3G并没有完全达到预期目标并目在某些方面还困难重重。

4G则弥补了3G的不足，它采用全数字全IP技术，支持分组交换，将WLAN，Bluetooth等局域网融入广域网中，最为可能的介入方式为OFDM或MC—CDMA，这些使得其系统容量、频谱效率和传输速率大大提高，并与现存的CDMA标准、CDMA2000、TD-SCD-MA(即3G三大标准)兼容。4G采用了智能天线技术(SA)，这是一种波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线，具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能。

4G国内外发展现状

2.1.2 全球4G 发展综述

目前，全球范围内许多国家和地区都在加紧对4G 的研究和商用部署，各国通信组织、运营商和相关设备厂商都在积极推行4G 通信的产业布局，以便在未来能占据通信产业链的上游地位。

1）欧洲4G 发展现状

欧洲相对较早的进行4G 研究的有世界无线研究论坛（WWRF)和WINNER 项目小组。世界无线研究论坛(WWRF)由欧洲知名的四家移动设备生产厂家联合组成，并于2001 年8 月成立，其中包括阿尔卡特、爱立信、诺基亚和西门子。该组织主要研究4G 的发展方向和标准。WINNER 项目组的研究目标是实现4G 网络最大程度的易用性，WINNER 项目对于4G 的界定不同于WWRF，而是把4G 标准界定为一个融合多通信标准的综合标准。其计划分为三个阶段，第一阶段：需求分析，技术评估和初步系统设计；第二阶段：4G 的系统设计和性能评估过程，形成完善的技术方案;第三阶段：4G 系统优化和技术试验。欧洲在4G 商用上更是领先一步，北欧对于4G网络的建设相对较早，2009 年1 月，北欧最大的电信运营商TeliaSonera与中国华为公司合作建设了全球第一个LTE 标准的4G 商用网络，其位于挪威首都奥斯陆。2011年3 月份，瑞典运营商Hi3G 与中兴通讯签署了首个LTE TDD/FDD 双

模网络建设合同，4G 网络覆盖整个瑞典，这是全球首个大规模商用的LTE 双模网络，采用的是中兴的Uni-RAN SDR 平台。中兴公司提供了专业地布网支持，使4G 网络在2011 年12 月15 日实现商用。而目前看来，4G 网络的性能表现也远远好于预期。中兴通过部署的TD-LTE 和LTE FDD 两个系统，并采用了共BBU、共天馈系统、共GPS、共传输、共网管、共EPC 等融合方案，最大程度地实现了LTE TDD/FDD/UMTS 多模融合组网。4G 网络在瑞典三大城市的商用初期仅为用户提供无线上网业务，终端为中兴的多模数据卡MF880，同样支持TD-LTE/FDD/UMTS 等多种制式。Hi3G 对中兴提供的终端的可靠性表示了认可。

运营商为FDD LTE 配置了2x20MHz 的频谱；为TDD 配置了20MHz 的频谱，数据传输60%分配给下行，20%分配给上行，非常适应上下行非对称的业务需求。通过在斯德哥尔摩市区4G 网络的静态的下载使用调查显示，在这种频谱配置下，与FDD 相比，TD-LTE 的下载性能仅下降了19%，如果TD-LTE 使用与FDD 相同的40MHz 频谱，那么性能将极大地胜过FDD。TD-LTE4G 网络在延时方面的优化也好于FDD 网络，在相同密度站点的测试结果显示，TD-LTE 与FDD 网络相比，在接收基准信号的时延少了3dB 左右。也正是好于预期的表现，欧洲运营商将继续进行下一阶段更具规模的LTE 双模网络部署。

2）美国4G 发展现状

美国主推以WiMAX为制式的4G 标准，IEEE 组织负责主要的研究工作，且集中在WiMAX的802.16m 标准上[11]。2009 年年底IEEE 完成802.16m 标准的制定，其目标是设计一个全新的无线网络接入技术，符合国际电信联盟对4G 技术设定的要求，同时能够继续保持与现有移动WiMAX标准的互用性。802.16m 的传输速率目标为静态下达到1Gbit/s，动态下能够达到100Mbit/s，频谱利用率最高达到10bit/s/Hz，并将高清多媒体以及VoIP 等业务的性能全面发挥。

由于美国通信运营商众多，通信标准的不同，运营商方面对于4G 标准的选择有着各种不同的答案。下面介绍的是美国相对规模较大的运营商，它们也是大多数用户的主流选择。

（1）Verizon 是美国第一大运营商，在3G 方面主要以CDMA 制式为主，不过在进入4G 网络后采用了LTE 标准。2010 年12 月15 日，Verizon 在美国开展了4G大规模商业，其4G 网络遍及美国38 个大城市以及60 个商用机场。4G LTE 移动宽带网速最高可达目前Verizon 3G 网络的十倍，Verizon 还同步推出了第一款终端产品，名为LG VL600 的一个USB 调制解调器。此外来自于三星，HTC 和MOTO 的三款Android 手机，也已在CES 大展上推出。

（2）AT&T 是全美最大的电话电报公司，之前的3G 网络升级使其和Verizon 以及Sprint 站在了同一起跑线上。而此次在面对4G 网络大潮的来临，AT&T 面临竞争对手Verizon 全新4G 业务的影响，同样也采用了LTE 标准。AT&T 公司在美国巴尔的摩和达拉斯地区进行LTE 测试，同时制定了LTE 升级计划，它已完成2011 年开始进行商用部署，并在于同年中期正式推出LTE 的4G 商用服务。

（3）Sprint 电信公司是美国第三大移动运营商，同时也是WiMAX网络的坚定支持者。首款支持WiMax网络制式的4G 手机HTC EVO 4G 就是由Sprint 定制，这在当时被看作是一个4G 先期发展的缩影的预兆。而在2010 年12 月29 日Sprint 也在美国开始了4G WiMax网络的发展。虽然目前只有Sprint 公司采用了WiMax标准，但是WiMax的宽带移动化同样拥有着广阔的发展前景。

3）中国4G 发展综述

由于历史原因，中国在通信产业发展中一直处于相对落后的局面。中国又是一个人口大国，没有自主的通信标准，无论是运营商还是相关的下游产业都受制于人，无形中给用户带来了更大的使用成本，为了改变这种不利局面，我国政府及相关产业在3G 发展初期就对下一代通信技术进行了前瞻性的研究，积极参与了4G 国际标准的制定。2001 年，中国开启

了未来通用无线环境研究计划(简称FuTURE计划)，标志着中国4G 研究的正式开始，主要研究未来的无线通信的发展趋势与需求。

未来通用无线环境研究计划发展规划如下：

第一阶段：2001 年——2003 年关键技术攻关；

第二阶段：2003 年——2006 年系统和应用演示；

第三阶段：2006 年——2011 年外场试验和预商用。

2007 年——2012 年，我国在多个地区对自主开发的4G 移动技术进行了测试。

第一阶段的测试主要是系统设备和TD-LTE 单模终端的测试，测试工作全面验证了TD-LTE 的技术可行性，系统设备已经达到FDD 商用初期的水平，TD-LTE 单模终端具备试商用能力。第二规模试验则将进一步验证TD-LTE 关键技术和系统组网能力，促进产业链各环节研发和产业化进展。2012 年TD-LTE 将推出更多的多模终端，具有端到端试商用的能力。中国移动已经建成25 万个TD-SCDMA 基站，其中50%的TD-SCDMA 基站都可以平滑过渡到TD-LTE，中国移动可以根据用户需求扩展TD-LTE 基站数量。而在三期试验中，中国移动将在2013 年上半年将部署10000到20000 个TD-LTE 基站。2010 年，中国移动在广州、上海、南京、杭州、厦门、深圳6 个城市启动TD-LTE 规模技术试验，2012 年北京、天津、青岛三个城市也将进行规模试验。到2012 年底，中国移动在北京、天津、上海、南京、杭州、广州、深圳、厦门、青岛等城市将建设超过2 万个TD-LTE 基站。并计划2012 年在深圳、杭州等城市启动TD-LTE 试商用。

广州作为首批4G 商用试点城市之一，在首期试点实验期间，中国移动在广州建设了200 个室外基站、20 个室内基站，主要覆盖珠江新城和科学城区域；深圳也建设了200 个室外基站、20 个室内基站站，主要覆盖南山、福田、龙岗等人口密集区域。广东移动表示2012 年全省保守估计将建设3000 个站点以上，全面覆盖广州、深圳大部分核心城区。目前的TD-LTE 网络有两大进展，一是可支持FDD LTE 频段；二是可以实现从现有的网络进行升级，这将逐步扩大TD-LTE 的应用范围，为正式商用作好铺垫。2012 年3 月底，中国移动在杭州启动了TD-LTE 用户体验活动，体验用户无需认证就可直接接入4G 网络，并同时支持不同的运营商用户。通过测试大容量视频传输发现，4G 无线互联网连接速率完全满足高清视频传输需求。而在广东的实验数据表明，在目前网络配置下，TD-LTE 的数据下行峰值可以达到70Mbps，上行速率可达9Mbps。在测试期间，通过TD-LTE 和WLAN 无缝对接，用户可以根据现有的手机和号码就可以体验4G 网络。中国移动正在精心布局自主产权的4G 网络，但是全国性的TD-LTE 商用还需要2-3 年时间。通过实验与试商用，有效地反馈4G 网络应用效果和用户体验感受，能够及时反映大范围网布时可能出现的问题，有利于推动中国移动下一步TD-LTE 全国性商用。

4G面临的挑战

4G系统所运用的各种核心技术还不完善，这些技术的逐步完善是一个长期的过程。另外移动IP环境下的QoS所使用的综合业务／RSVP技术和区别型业务技术也是有待解决的重要问题之一。而且这些技术在移动lP平台上并不是最优的。

4G系统所标称的最大速度，在实际应用中，很难达到理论值。人们对未来的4G通信的需求是它的通信传输速度将会得到极大提升，从理论上说最高可达到1 00Mbps，但手机的传输速度将受到通信系统容量的限制。

4G的发展实施还要受到市场压力的影响。有专家预测，在10年以后，2G的多媒体服务将进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本成形，全球至少有25％以上的人1：3使用3G系统，到那时，整个行业正在消化吸收第三代技术，利用4G相关技术对3G进行改进与完善的工作也会同时进行。对于4G系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。另外在过渡过程中，号称5G的技术随时都有可能威胁到4G的盈利计划。

尽管第四代移动通信技术有着比3G更强的优越性，可要使4G投入到实际应用，需要对现有的移动通信基础设施进行更新改造，这将会引发一系列的资金、观念等问题，从而在一定程度上会减缓4G正式进入市场的速度。

虽然4G系统的发展道路是坎坷的，其中也充满了变数。但是随着新技术和新需求的不断出现，4G必然会取代3G，成为未来移动通信领域的主导技术，4G一定会使我们未来的移动通信事业前景广阔。

展望4G

目前移动通信已经基本达到了人与人的互联，全世界手机用户已经达到了45亿，并正在实现人与互联网的互联。3G技术使越来越多的人使用手机上网，4G技术的推广也使手机上网用户数量产生了质的飞跃。据预计，到达2013年，通过智能手机上网和其他能上网的手机数量更为可观，全世界通过手机上网的用户将超过电脑上网的用户数，创新高17．8亿。据全球移动通讯系统协会的预测，15年后将有500亿件物品被移动互联。在实现人与互联网交流之后，人类将迎来人与物、物与物之间互联的物联网时代。到时，将大大提高了手机的用途，“随时、随地、无所不在”将成为移动通信的基本特征。关于移动宽带的大会主论坛达成的统一意见认为，手机技术将成为移动通信领域的主角，未来竞争的焦点是开发手机的新用途。

如果说2G、3G通信对于人类信息化的发展是微不足道的话，那么未来的4G通信却给了人们真正的沟通自由，并彻底改变人们的生活方式甚至社会形态。第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信的大量信息透过宽频的信道传送出去的，比如包括语音、数据、影像等，为此未来的第四代移动通信系统也被称为“多媒体移动通信”。4G通信不仅仅是为了因为手机用户数量的逐渐增长，更重要的是，必须要应约多媒体的传输需求，同时还包括通信品质的要求。总结来说，改善现有通信质量的不足，必须容纳市场中庞大的用户数量，并且改善现有通信品质。

参考文献

[1]童晓鸿,林庆辉.4G移动通信关键技术与面临的问题[J].科学之友,2009,(36):152-153.

[2]李明浩.4G移动通信技术简析与发展预期[J].中小企业管理与科技,2010,(22):283-284.

[3]许志鹏.4G移动通信关键技术浅析[J].科技与生活,2009,(1):26.

[4]王建宙,胡国华.3G向4G的演化及4G的研究进展[J].科技信息,2009,(35):873-874.

[5]黄毓芯.4G争霸战——移动通信的新时代[J].宿州学院学报,2011,26(8):55-57.DOI:10.3969/j.issn.1673-2006.2011.08.017.

[6]孙鑫.研究4G移动通信关键技术与面临的问题[J].大陆桥视野(下半月),2011,(4):150.

[7]郭鑫.第四代移动通信（4G）关键技术[J].中国新技术新产品,2011,(21):26-26.

[8]管慧娟,石东新,刘鹏等.第四代移动通信技术探索[J].中国科技财富,2011,(8):169.