4G网络通信简述

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  摘 要 通信技术日新月异,给人们带来不少享受。随着数据通信与多媒体业务需求的发展,适应移动数据、在我们还没有完全享受3G移动通信系统商所带来服务的同时,4G移动通信技术的研究已经在逐步的进行着。本文简要分析了4G网络通信技术的架构并初步探讨了4G事业的发展现状。
  关键词 4G 网络通信 简述
  随着3G在我国的商用以来,用户在使用手机电视和视频通话方面,出现信号不稳,视频通话效果不好等问题。人们开始期望4G能够解决这些问题,能够提供更高的数据速率,更大的容量和带宽。从而使4G比3G更接近个人通信,在技术上比3G更完善。所谓4G技术是第四代移动通信及其技术的简称,是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载,比拨号上网快2000倍,上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面,4G与固定宽带网络在价格方面不相上下,而且计费方式更加灵活机动,用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外,4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到整个地区。很明显,4G有着不可比拟的优越性。
  一、4G网络结构
  三层网络结构:
  4G系统针对各种不同业务的接入系统,通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。4G网络结构可分为三层:物理网络层、中间环境层、应用网络层。
  (1)物理网络层提供接入和路由选择功能。
  (2)中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。
  (3)物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的,使发展和提供新的服务变得更容易,提供无缝高数据率的无线服务,并运行于多个频带,这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端,跨越多个运营商和服务商,提供更大范围服务。
  二、4G网络中的关键技术
  1、OFDM
  OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术。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技术的有很多优点: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;抗衰落能力强;抗码间干扰(ISI)能力强。
  2、软件无线电
  软件无线电(SDR)是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。其中心思想是使宽带模数转换器(A/D)及数模转换器(D/A)等先进的模块尽可能地靠近射频天线的要求。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH)、现场可编程器件(FPGA)、数字信号处理(DSP)等。
  3、智能天线技术(SA)
  智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能,被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,既能改善信号质量又能增加传输容量。其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发,同时,通过基带数字信号处理器,对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并,实现上行波束赋形。
  4、多输入多输出(MIMO)技术
  多输入多输出技术(MIM0)是指在基站和移动终端都有多个天线。MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发射端使用多副天线,充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个子信道发射信号,使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益,已成为该领域的研究热点。MIM0技术可提供很高的频谱利用率,且其空间分集可显著改善无线信道的性能,提高无线系统的容量及覆盖范围。
  5、基于IP的核心网
  4G移动通信系统的核心网是一个基于全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網;同时核心网能把业务、控制和传输等分开。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。
  三、3G与4G的比较
  正当第三代移动通信(3G)正在国内全面铺开的时候,比3G提速十倍以上的新一代移动通信技术TD—LTE,在上海世博会上闪亮登场:高清视频通话,实时展会直播,高速移动上网……多种移动宽带服务,不仅实现了对5.28平方公里的世博园区的完整覆盖,而且还实现了黄浦江水面以及信息通信馆、世博中心等11个重要场馆室内覆盖。
  在这个全球首个“准4G”TD—LTE规模演示网获得成功之后,中国移动又在国内三个城市进行扩大规模的实验试用。引人注目的是,TD—LTE已聚集了大批中外企业,如大唐、华为、中兴、上海贝尔、摩托罗拉,以及创毅视讯、海思等国内外网络设备商与芯片厂商。
  种种迹象表明,3G尚在发力,4G已悄然逼近,且伸手可及。   由于目前 3G采用很多先进性的技术, 将来4G在很大程度上进一步融合 3G现有的技术。比如,智能天线,软件无线电,联合检测,功率控制等。虽然4G继承了3G的许多技术,但是在指标和技术方面有诸多区别。
  1、技术指标方面
  3G提供了高速数据,在图象传输上,其静止传输速率达到2Mbps,高速移动时的传输速率达到114Kbps,慢速移动时的传输速率达到384kbps, 带宽可以达到5MHz以上UMT采用WCDMA技术,利用正教码区分用户,有FDD和TDD两种双工方式。
  4G的性能指标是:
  (1)数据速率从2Mbps到100Mpbs
  (2)容量达到第 3 代系统的 5~10 倍 ,传输质量相当于甚至优于第 3 代系统。广带局域网应能与宽带综合业务数据网 (B - ISDN)和异步传送模式 (ATM)兼容 ,实现广带多媒体通信 ,形成综合广带通信网
  (3)条件相同时小区覆盖范围等于或大于第 3 代系统。
  (4)具有不同速率間的自动切换能力 ,以保证通信质量。
  (5)网络的每比特成本要比第 3 代低。
  2、业务描述
  速度比3G快10倍以上,让互联网和移动终端融为一体;3G是手机通话为主,附带上网;4G是移动上网为主,附带通话。
  “其实叫4G并不太准确,这是一种通俗的说法,4G到目前并没有完整的定义。”中兴通讯LTE终端负责人张亮说到:“4G是相对于3G说的,是指第四代移动通信技术,目前国际电联还没有确定统一的标准,但是LTE(Long Term Evolution)技术应该是主要的方向。”
  “上海世博会推出的TD—LTE被认为是‘准4G’或者3.9G,它的传输速率达到了每秒70兆,大概是现有3G技术的20多倍”,中兴通讯LTE项目总工程师刘宏春说:“未来的4G在这个基础上会更快,会超过每秒100兆,乃至1G,能够实现比现在的3G提速几十倍,比拨号上网快几千倍,能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。”
  不管未来对4G通信怎样定义,有一点可以肯定:4G时代将是一个比3G时代更完美的新无线世界,可创造出许多消费者难以想象的应用:用手机代替卫星传输,实时传输高清晰度视频图像……
  4G与3G相比,就是解决了带宽问题,速度会有几十倍的提高,系统性能显著提高,包括用户体验到的速率、系统时延、高速移动下的接入等,而且会大大提高诸如视频流以及网络戏等应用的性能,满足人们的实际需求。
  在3G时代,手机还是以通话为主,上网是附带的功能;而到了4G时代,会把宽带互联网搬到手机上,消费者会以移动上网为主,通话功能则退居其次。
  3、我国4G事业前景
  4G与3G有一个很大的不同,就是标准逐步统一。当年,国际电信联盟曾确定了10种3G候选技术,2001年正式批准其中的5项为国际标准。经过市场选择,最后TD—SCDMA、WCDMA和CDMA 2000三种主流技术成功实现商用。2007年10月,WiMax也成功获得国际电联的批准,跻身3G标准之列。
  但在4G国际标准制定中,国际电信联盟在候选技术阶段只确定了两种候选技术,实现了技术聚焦。这意味着未来的4G标准只有2种甚至1种,如果采用其他的技术,都不能被称为4G。这两种技术是LTE—Advanced和802.16m,每种又都有两种制式:时分双工(TDD)和频分双工(FDD)。
  我国主推的TD—LTE继承LTE TDD制式的优点,又与时俱进地引入了MIMO(多入多出技术)与OFDM(正交频分复用技术),在系统带宽、网络时延、移动性方面都有了跨越式提高。TD—LTE使用了国际电联定义的4G时代的一部分关键技术,是我国TD—SCDMA的后续演进技术,继承了TD—SCDMA系统大量中国自主知识产权。以中国移动为代表的中国企业在TD—SCDMA标准化、产业化、规模部署经验的基础上,主导了TD—LTE的标准化和产业化发展,已经打造了初步产业链条,吸引了众多厂商的加入。
  据介绍,TD—LTE的增强技术,即TD—LTE Advanced已经于去年被确立为4G标准的候选技术。从国际情况来看,TD被国际上大的制造商和一部分运营商所认可,再加上中国手机用户和互联网用户的巨大吸引力,很多专家预计,到今年10月国际电联确认4G国际标准时,TD—LTE Advanced将很有希望入选。
  4、4G会取代3G?
  4G将首先覆盖热点和发达地区,未来我国将形成2G、3G和4G并存的局面,而不是简单升级替换。4G面对的是高端的数据服务,是对3G有效的补充。考虑到成本和需求,一定是从热点城市和发达地区布网开始,不可能全国布网。
  3G的商用没有将2G完全替代掉,而4G也一样替代不了3G。中国是一个情况复杂的大国,当4G时代,很多用户还会继续使用3G网络,使用2G的也将有大批用户。4G也不可能大范围建网,至多在一些对数据信息需求量大的特大城市布网,比如上海、北京等,其他城市3G已经够用了。“相信在4G之后的10年内,我们都不会看到3G退出市场。”
  运营商未来会在4G和3G之间找出一种平衡关系,如在覆盖上怎么交叉、各占多大的比率等等。就像现在中国移动GSM用户最多,覆盖面最广,而TD—SCDMA在某些区域实际上就是在2G和3G之间进行轮换服务。在未来的4G时代,情况会与此类似。在不同的地区,选择4G服务的消费者也会出现在4G、3G和2G之间平滑切换的情况。
  四、4G发展瓶颈
  1、标准难以统一
  虽然从理论上讲,3G手机用户在全球范围都可以进行移动通信,但是由于没有统一的国际标准,各种移动通信系统彼此互不兼容,给手机用户带来诸多不便。因此,开发第四代移动通信系统必须首先解决通信制式等需要全球统一的标准化问题,而世界各大通信厂商会对此一直在争论不休。   2、容量受到限制
  人们对未来的4G通信的印象最深的莫过于它的通信传输速度会得到极大提升,从理论上说其所谓的每秒100MB的宽带速度,比2009年最新手机信息传输速度每秒10KB要快1万多倍,但手机的速度会受到通信系统容量的限制,如系统容量有限,手机用户越多,速度就越慢。据有关专家分析,4G手机会很难达到其理论速度。如果速度上不去,4G手机就要大打折。Heavy Reading4G/LTE Insider的研究分析师兼该报告的作者蒂姆?克倫德尔(Tim Kridel)指出:“无线接入网络的拥堵并不是一个刚刚出现的、令世界各地的无线运营商头疼的新问题,而是个早就存在的大麻烦。除非移动运营商也能够采取积极措施,减少和控制无线接入网络的拥堵问题,否则就算转向4G也不会明显改善网络的性能。”
  3、市场难以消化
  有专家预测在10年以后,第三代移动通信的多媒体服务会进入第三个发展阶段,此时覆盖全球的3G网络已经基本建成,全球25%以上人口使用第三代移动通信系统,第三代技术仍然在缓慢地进入市场,到那时整个行业正在消化吸收第三代技术,对于第四代移动通信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,如果4G通信因为系统或终端的短缺而导致延迟的话,那么号称5G的技术随时都有可能威胁到4G的赢利计划,此时4G漫长的投资回收和赢利计划会变得异常的脆弱。
  五、总结
  综上,我们可以看出4G中除了核心网络之外,其他的很多的设备和技术,都可以利用3G中所采用的技术资源和设备,改进原有的硬件设施,对原有的软件进行升级融合,再加上4G的关键技术,使得3G平滑过渡到4G,并且能够最大限度的降低通信建设的投资资本。虽然我国在4G研究上已经取得可喜的成果,但仍有很多难题有待解决。对于我国能否从现有的TD-CDMA平滑过渡到4G,形成4G标准并商用化,让我们拭目以待。
  参考文献:
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  (作者单位:江西外语外贸职业学院)
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