4G技術
基於IP協議的高速蜂窩移動網
4G技術又稱IMT-Advanced技術。准4G標準,是業內對TD技術向4G的最新進展的TD-LTE-Advanced稱謂。世界很多組織給4G下了不同的定義,而ITU代表了傳統移動蜂窩運營商對4G的看法,認為4G是基於IP協議的高速蜂窩移動網,現有的各種無線通信技術從現有3G演進,並在3GLTE階段完成標準統一。
在2005年10月的ITU-RWP8F第17次會議上,ITU給了4G技術一個正式的名稱IMT-Advanced。按照ITU的定義,當前的WCDMA、HSDPA等技術統稱為IMT-2000技術;未來新的空中介面技術,叫做IMT-Advanced技術。IMT-Advanced標準繼續依賴3G標準組織已發展的多項新定標準加以延伸,如IP核心網、開放業務架構及IPv6。同時,其規劃又必須滿足整體系統架構能夠由3G系統演進到未來4G架構的需求。
從2009年初開始,ITU在全世界範圍內徵集IMT-Advanced候選技術。2009年10月,ITU共計徵集到了六個候選技術。這六個技術基本上可以分為兩大類,一是基於3GPP的LTE的技術,我國提交的TD-LTE-Advanced是其中的TDD部分。另外一類是基於IEEE 802.16m的技術。
ITU在收到候選技術以後,組織世界各國和國際組織進行了技術評估。在2010年10月份,在我國重慶,ITU-R下屬的WP5D工作組最終確定了IMT-Advanced的兩大關鍵技術,即LTE-Advanced和802.16m。我國提交的候選技術作為LTE-Advanced的一個組成部分,也包含在其中。在確定了關鍵技術以後,WP5D工作組繼續完成了電聯建議的編寫工作,以及各個標準化組織的確認工作。此後WP5D將文件提交上一級機構審核,SG5審核通過以後,再提交給全會討論通過。
TD-LTE-Advanced是我國自主知識產權3G標準TD-SCDMA的發展和演進技術。TD-SCDMA技術於2000年正式成為3G標準之一,但在過去發展的十二年中,TD-SCDMA並沒有成為真正意義上得“國際”標準,無論是在產業鏈發展,國際發展等方面都非常滯后,而TD-LTE的發展明顯要好得多。
據了解,2010年9月,為適應TD-SCDMA演進技術TD-LTE發展及產業發展的需要,我國加快了TD-LTE產業研發進程,工業和信息化部率先規劃2570MHz~2620MHz(共50MHz)頻段用於TDD方式的IMT系統,在良好實施TD-LTE技術試驗的基礎上,於2011年初在廣州、上海、杭州、南京、深圳、廈門六城市進行了TD-LTE規模技術試驗;2011年底在北京啟動了TD-LTE規模技術試驗演示網建設。與此同時,隨著國內規模技術試驗的順利進展,國際電信運營企業和製造企業紛紛看好TD-LTE發展前景。
2012年1月18日,國際電信聯盟在2012年無線電通信全會全體會議上,正式審議通過將LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced(802.16m)技術規範確立為IMT-Advanced(俗稱“4G”)國際標準,我國主導制定的TD-LTE-Advanced同時成為IMT-Advanced國際標準。
日本軟銀、沙烏地阿拉伯STC、mobily、巴西sky Brazil、波蘭Aero2等眾多國際運營商已經開始商用或者預商用TD-LTE網路。印度Augere預計2012年2月開始預商用。審議通過後,將有利於TD-LTE技術進一步在全球推廣。同時,國際主流的電信設備製造商基本全部支持TD-LTE,而在晶元領域,TD-LTE已吸引17家廠商加入,其中不乏高通等國際晶元市場的領導者。
4G通信技術也被稱為第四代移動通信技術,第四代通信技術集3G與WLAN為一體,可以在一定程度上實現數據、音頻、視頻的快速傳輸,比以往我國家用的ADSL家用寬頻快25倍,第四代通信技術是在數據通訊、多媒體業務的背景下產生的,我國是在2001年開始研發4G技術,在2011年正式的投入使用,截止到2015年底,我國4G用戶總數達到3.8億,發展到現在第四代通信技術中包括正交頻分復用、調製與編碼技術、智能天線技術、MIMO技術、軟體無線電技術、多用戶檢測技術等核心的技術。
4G移動通信技術具有的優勢有很多,主要體現在以下幾方面,首先4G移動通信技術的數據傳輸速率較快,可以達到100Mbit/s,與3G通信技術相比,是其20倍。其次,4G通信技術具有較強的抗干擾能力,可以利用正交分頻多任務技術,進行多種增值服務,防止信號對其造成的干擾。最後,4G通信技術的覆蓋能力較強,在傳輸的過程中智能性極強。
但是在4G技術發展的進程中,也存在許多亟待解決的問題,首先就是第四代通信技術的容量有限,雖然4G技術的信息傳輸速率較快,但是系統容量受到限制,隨著手機等智能化設備的廣泛普及,4G手機的運行速度將會越來越慢,這就成為5G技術發展的主要推動力。其次,4G通信技術設備更新速度較慢,這就在一定程度上阻礙了4G移動通信技術佔領市場的速度,這時一旦5G技術興起就會對其進行取代。
4G技術全方位優於上一代技術,具體來講它的優勢特徵就體現在以下4個方面。
1.極強的信號傳播能力
近年來,3G技術在我國通信市場中已經成熟,但其所能覆蓋的面積有限,基本上無法實現全方位信號接收,很多情況下容易出現通信質量低下的現實問題。而4G技術則完美地解決了這一問題。它擁有極強的信號傳播能力,在滿足常規通信功能要求的同時,也能滿足某些高圖畫質量要求的電視業務及視頻會議功能要求。目前,國內的移動通信運營商所採用的是3G與4G混合服務的通信模式,在滿足基本通信功能的基礎上也為用戶提供高質量數據信息交換服務,實現多媒體通信。
2.極快的傳輸速度
4G技術擁有較快的通信傳輸速度,這是因為它的網路頻寬在2~8 GHz。這一數據相當於3G網路通信通用頻寬的20倍左右。在上行速度方面,4G也能達到3G的20倍以上(20 MB/s)。從整體表現來看,4G技術的接入能力更強,這保證了它始終擁有較快的傳輸速度,規避了傳統通信技術存在的速率缺陷劣勢,如此速度環境下的4G通信也更流暢。
3.極高的智能化水平
4G技術是典型的高智能水平技術。它的高智能化主要體現在它的應用功能方面,比如它擁有自主選擇和處理能力。舉個例子,4G手機可時刻根據用戶需求提供個性化定製服務,比如人們比較常用的地理位置定位。雖然該技術在3G網路上就已經有所體現,但4G技術支持下的地理位置定位則更精確、更快速,可為用戶提供導航設備一般的定位系統服務,非常便利。
4.極靈活的通信方式
4G移動通信技術背景下的各種通信工具顯然更靈活,通信方式種類更多,比如它就已經不再局限於傳統語音通信模式,而是擁有全新的視頻通信模式。這是對通信網路終端服務的完善過程。為了體現通信方式的靈活性,這種高智能化的通信模式隨時隨地都可以展開,不受時間、空間等環境的限制。基於這一功能,4G通信技術也將手機與多媒體平台及計算機電腦上的所有功能都串聯起來,讓手機用戶僅僅依靠一隻手機就能實現更多種類的通信方式應用,使得人們的社交活動變得更加高效率,社交內容也越來越豐富精彩。
5、兼容性好
要使4G通信儘快地被人們接受,不但考慮的它的功能強大外,還應該考慮到現有通信的基礎,以便讓更多的現有通信用戶在投資最少的情況下就能很輕易地過渡到4G通信。
因此,從這個角度來看,未來的第四代移動通信系統應當具備全球漫遊,介面開放,能跟多種網路互聯,終端多樣化以及能從第二代平穩過渡等特點。
6、提供增值服務
4G通信並不是從3G通信的基礎上經過簡單的升級而演變過來的,它們的核心建設技術根本就是不同的,3G移動通信系統主要是以CDMA為核心技術,而4G移動通信系統技術則以正交多任務分頻技術(OFDM)最受矚目,利用這種技術人們可以實現例如無線區域環路(WLL)、數字音訊廣播(DAB)等方面的無線通信增值服務;不過考慮到與3G通信的過渡性,第四代移動通信系統不會在未來僅僅只採用OFDM一種技術,CDMA技術會在第四代移動通信系統中,與OFDM技術相互配合以便發揮出更大的作用,甚至未來的第四代移動通信系統也會有新的整合技術如OFDM/CDMA產生,前文所提到的數字音訊廣播,其實它真正運用的技術是OFDM/FDMA的整合技術,同樣是利用兩種技術的結合。
因此未來以OFDM為核心技術的第四代移動通信系統,也會結合兩項技術的優點,一部分會是以CDMA的延伸技術。
7、高質量通信
儘管第三代移動通信系統也能實現各種多媒體通信,為此未來的第四代移動通信系統也稱為“多媒體移動通信。
第四代移動通信不僅僅是為了因應用戶數的增加,更重要的是,必須要因應多媒體的傳輸需求,當然還包括通信品質的要求。總結來說,首先必須可以容納市場龐大的用戶數、改善現有通信品質不良,以及達到高速數據傳輸的要求。
8、頻率效率高
相比第三代移動通信技術來說,第四代移動通信技術在開發研製過程中使用和引入許多功能強大的突破性技術,例如一些光纖通信產品公司為了進一步提高無線網際網路的主幹帶寬寬度,引入了交換層級技術,這種技術能同時涵蓋不同類型的通信介面,也就是說第四代主要是運用路由技術(Routing)為主的網路架構。
由於利用了幾項不同的技術,所以無線頻率的使用比第二代和第三代系統有效得多。
按照最樂觀的情況估計,這種有效性可以讓更多的人使用與以前相同數量的無線頻譜做更多的事情,而且做這些事情的時候速度相當快。研究人員說,下載速率有可能達到5Mbps到10Mbps。
4G技術的主要技術指標如下:
1.數據速率從3G的2Mb/s提高到100Mb/s,移動速率從步行到車速,甚至更快。
2.在覆蓋範圍、通信質量、系統造價上滿足3G所不能達到的支持高速率數據和高解析度多媒體的服務的需要。廣帶區域網應能與寬頻綜合業務數據(B-ISDN)和非同步傳輸模式(ATM)兼容,實現廣帶多媒體通信,形成綜合廣帶通信網。
3.對全速移動用戶能夠提供150Mb/s的高質量的影像多媒體業務。
1、標準多
雖然從理論上講,3G手機用戶在全球範圍都可以進行移動通信,但是由於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、容量受限
人們對未來的4G通信的印象最深的莫過於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100Mbps的寬頻速度(約為每秒12.5MB),比2009年最新手機信息傳輸速度每秒10KB要快1000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。據有關行家分析,4G手機會很難達到其理論速度。如果速度上不去,4G手機就要大打折扣。
3、其他
因為手機的功能越來越強大,而無線通信網路也變得越來越複雜,同樣4G通信在功能日益增多的同時,它的建設和開發也會遇到比以前系統建設更多的困難和麻煩。
例如每一種新的設備和技術推出時,其後的軟體設計和開發必須及時能跟上步伐,才能使新的設備和技術得到很快推廣和應用,但遺憾的是4G通信還只處於研究和開發階段,具體的設備和用到的技術還沒有完全成型,因此對應的軟體開發也會遇到困難;另外費率和計費方式對於4G通信的移動數據市場的發展尤為重要,例如WAP手機推出后,用戶花了很多的連接時間才能獲得信息,而按時間及信息內容的收費方式使用戶難以承受,因此必須及早慎重研究基於4G通信的收費系統,以利於市場發展。
4G通信系統的這些特點,決定了它將採用一些不同於3G的技術。對於4G中將使用的核心技術,業界並沒有太大的分歧。總結起來,有以下幾種。
正交頻分復用OFDM技術
OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術,其主要思想就是在頻域內將給定通道分成許多正交子通道,在每個子通道上使用一個子載波進行調製,各子載波并行傳輸。儘管總的通道是非平坦的,即具有頻率選擇性,但是每個子通道是相對平坦的,在每個子通道上進行的是窄帶傳輸,信號帶寬小於通道的相應帶寬。OFDM技術的優點是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,可實現低成本的單波段接收機。
軟體無線電
軟體無線電的基本思想是把儘可能多的無線及個人通信功能通過可編程軟體來實現,使其成為一種多工作頻段、多工作模式、多信號傳輸與處理的無線電系統。也可以說,是一種用軟體來實現物理層連接的無線通信方式。
智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能,是未來移動通信的關鍵技術。智能天線應用數字信號處理技術,產生空間定向波束,使天線主波束對準用戶信號到達方向,旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向,達到充分利用移動用戶信號並消除或抑制干擾信號的目的。這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量。
多輸入多輸出MIMO技術
MIMO技術是指利用多發射、多接收天線進行空間分集的技術,它採用的是分立式多天線,能夠有效地將通信鏈路分解成為許多并行的子通道,從而大大提高容量。資訊理論已經證明,當不同的接收天線和不同的發射天線之間互不相關時,MIMO系統能夠很好地提高系統的抗衰落和雜訊性能,從而獲得巨大的容量。在功率帶寬受限的無線通道中,MIMO技術是實現高數據速率、提高系統容量、提高傳輸質量的空間分集技術。
基於IP的核心網
4G移動通信系統的核心網是一個基於全IP的網路,可以實現不同網路間的無縫互聯。核心網獨立於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,能允許各種空中介面接入核心網;同時核心網能把業務、控制和傳輸等分開。採用IP后,所採用的無線接入方式和協議與核心網路(CN)協議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入協議相兼容,因此在設計核心網路時具有很大的靈活性,不需要考慮無線接入究竟採用何種方式和協議。
調製與編碼技術
4G移動通信系統採用新的調製技術,如多載波正交頻分復用調製技術及單載波自適應均衡技術等調製方式,以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動通信系統採用更高級的通道編碼方案(如Turbo碼、級連碼和LDPC等)、自動重發請求(ARQ)技術和分集接收技術等,從而在低Eb/NO條件下保證系統足夠的性能。
高性能的接收機
4G移動通信系統對接收機提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的通道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理,可以計算出,對於3G系統如果通道帶寬為5MHz,數據速率為2Mb/s,所需的SNR為1.2dB;而對於4G系統,要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數據,則所需要的SNR為12dB。可見對於4G系統,由於速率很高,對接收機的性能要求也要高得多。
多用戶檢測技術
多用戶檢測是寬頻CDMA通信系統中抗干擾的關鍵技術。在實際的CDMA通信系統中,各個用戶信號之間存在一定的相關性,這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產生的多址干擾固然很小,可是隨著用戶數的增加或信號功率的增大,多址干擾就成為寬頻CDMA通信系統的一個主要干擾。傳統的檢測技術完全按照經典直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理,因而抗多址干擾能力較差;多用戶檢測技術在傳統檢測技術的基礎上,充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進行檢測,從而具有優良的抗干擾性能,解決了遠近效應問題,降低了系統對功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源,顯著提高系統容量。隨著多用戶檢測技術的不斷發展,各種高性能又不是特別複雜的多用戶檢測器演演算法不斷提出,在4G實際系統中採用多用戶檢測技術將是切實可行的。
2007年,中國政府面向國內組織開展了4G技術方案徵集遴選。經過2年多的攻關研究,最終中國產業界達成共識,在TD-LTE基礎上形成了TD-LTE-Advanced技術方案。
目前,國際上主流的4G技術主要是LTE-Advanced和802.16m兩種技術,TD-LTE技術方案屬於LTE-Advanced技術。LTE-Advanced得到國際主要通信運營企業和製造企業的廣泛支持。法國電信、德國電信、美國AT&T、日本NTT、韓國KT、中國移動、愛立信、諾基亞、華為、中興等明確表態支持LTE-Advanced。802.16m也獲得部分晶元、網路產品製造企業如英特爾、思科等的聯合推薦。
國際電信聯盟確定LTE-Advanced和802.16m為4G國際標準候選技術。工信部表示,這必將對未來4G國際標準和產業發展產生重大影響。
根據工作計劃,國際電信聯盟下一步將對兩種候選技術進行分析評估和試驗驗證,並於2010年10月最終決定4G國際標準。
4G技術在通信領域得到了很廣泛的應用,縮短了人與人之間的距離,同時在電視直播或者智能手機中的應用也非常廣。
利用4G網路進行電視信號的傳輸,一方面可以降低傳輸的成本,另一方面提高電視信號的質量和速度,甚至實現超長距離的傳輸。由於運營商架設了許多信號傳輸的中轉站,同時傳輸的設備價格適中,所以運營商有能力在大中城市、城鎮和農村進行用地規劃並放置設備,這樣一來,電視信號的傳播基本沒有盲區,能夠達到家家戶戶都能看電視的目的。4G通信技術能夠突破山區複雜地形的制約,同時受自然災害的影響比較小,所以在地形情況比較複雜、氣候條件比較差的地區進行直播時,4G通信技術是個很好的選擇。
在大中型醫院中,醫院為了為醫護人員與病人之間建立比較完善的溝通系統,所以在醫院內部設置了依靠移動醫療服務的綜合信息化解決系統,也就是移動醫護。利用移動醫護系統,醫護人員可以藉助手持的智能終端設備更加準確並有效的開展對病人的診療工作,如果病人有需求或者有突髮狀況,可以直接通過手持設備對醫生進行呼叫,這一切都是基於醫院內部設立的無線通訊信號和專門的信息傳輸線路來實現的。通過4G技術,醫護人員和病人之間的溝通更加方便,一方面可以提高醫護人員的工作效率和質量,另一方面可以避免延誤病情,從根本上減少醫院發生醫患糾紛的現象,推動醫院真正成為救死扶傷的機構,不會因為救治不及時而導致病人出現意外。
隨著經濟的不斷發展,科技也日新月異。在中國,智能手機基本已經普及到大中小城市人民的手中。通過使用智能手機,人們可以了解到外部世界,同時可以認識到自己生活的環境和外界環境的差異。智能手機中大多採用了4G通信技術,通過使用該技術,手機的通話質量能夠得到很好的提升。除了在通話方面有了很大的進步之外,其它數據的傳輸質量和速度也有了很大的提高。比如,4G智能手機可以進行網際網路購票,同時智能地根據用戶的出行信息為用戶安排更加合理的出行路線,還會提醒用戶所到目的地的天氣狀況等等。通過4G智能手機,使用者可以通過網際網路進行查閱對自己有用的信息和資料,同時將這些資料下載到自己的手機上,能夠隨時隨地閱讀學習。
綜上所述,在智能設備日益普及和網際網路技術不斷進步的情況之下,信息技術也迎來了一個很重要的發展機會。通過使用4G通信技術,人們的生活水平能夠提升到一個新的層次,隨著新技術的不斷開發和運用,人們也會享受到更加優質的服務。
10年內4G不會取代3G
電信分析師付亮2009年10月26日對記者表示,現在看LTE-Advanced支持的廠商多一些,但預計最後4G國際標準制定還需要多方妥協,包括不同技術方案之間的兼容問題,但目前還很難說最終哪一種技術會成為國際標準。
與TD-SCDMA 3G標準相比,TD-LTE更為開放,吸引了多家企業參與研發和技術跟蹤,TD-LTE與其他國際上同類技術的差距在縮小。“TD由於前期無論是企業還是政府投入的資源都很少,導致商用步伐比其他國家標準CDMA2000和WCDMA要晚好幾年,但是國家已經意識到這一問題,對TD-LTE非常重視,未來比較樂觀。”
付亮也認為,如果TD-LTE最終成為國際標準,參與各方會集中更多資源來推動TD-LTE產業化,將加速產業鏈的商用化進程。付亮表示,TD技術當時主要集中在大唐和國家的科研院所手裡,而TD-LTE參與方則非常廣泛,包括華為、中興、中移動、愛立信等多方都參與TD-LTE的技術研發,企業越多對這項技術產業化越有好處。“如果產業鏈成熟、建網成本低,其他國家可能也會採用這一技術建網,有助於TD-LTE的國際化。”
中國剛剛開展3G商用,國際上已經在緊鑼密鼓確定4G國際標準。付亮表示,技術標準確立到最終商用化還需要很長時間,3G標準確立到最終商用也經歷了差不多10年。“未來10年都無法看到3G退出市場,4G建網不可能完全替代3G,4G也不可能全球大範圍建網,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、北京等城市,其他人口少的城市3G已經夠用了。”
TD-LTE-Advanced簡介
TD-LTE-Advanced(LTE-Advanced TDD制式)是中國繼TD-SCDMA之後,提出的具有自主知識產權的新一代移動通信技術。它吸納了TD-SCDMA的主要技術元素,體現了我國通信產業界在寬頻無線移動通信領域的最新自主創新成果。2004年,中國在標準化組織3GPP提出了第三代移動通信TD-SCDMA的後續演進技術TD-LTE,主導完成了相關技術標準。
目前,TD-LTE-Advanced已獲得歐洲標準化組織3GPP和亞太地區通信企業的廣泛認可和支持。在4G國際標準制定過程中,TD-LTE-Advanced將面臨其他候選技術的挑戰。中國將全力推動TD-LTE-Advanced成為4G國際標準,積極推進相關產業發展。
回顧第三代移動通信標準(3G),國際電信聯盟曾確定了10種候選技術,並批准其中的5項為國際標準。經過市場選擇,最後TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000三種主流技術成功實現商用。在4G國際標準制定中,國際電信聯盟在候選技術階段確定兩種候選技術,成功實現了技術聚焦,進一步明確了4G國際標準的技術路線,這必將對未來4G國際標準和產業發展產生重大影響。
4G技術發展特徵及趨勢分析
業界關於下一代移動通信網路技術的叫法很多,4G只是一個通用的名稱,除此之外,還有B3G、BeyondIMT-2000、IMT-Advanced技術等名稱。不同組織在對4G技術的設想上存在著很大的差異。
ITU統一4G概念
2013年2月25日到28日,世界移動通信大會在西班牙召開,這是通信行業最大的盛會。在今年的大會上,4G或者說3G的長期演進技術——LTE,一直是各大公司關注的焦點。不管是世界各大運營商展示他們的新技術和新設備,還是各大電子廠商發布新產品,他們都不可避免地談到“4G”和“LTE”,因為這是當今網路技術的一個主要潮流。
會上,擁有全球最多移動用戶數量的中國移動亮相展會並演示了TD―LTE成果,成為展會的一個亮點。中國移動董事長奚國華正式發布了有關TD-LTE的“雙百”計劃:2013年,中國移動在國內的4G網路覆蓋將超過100個城市,4G終端採購將超過100萬部。他表示,2013年,TD-LTE網路建設計劃覆蓋全國地市級以上的100個城市,基站數量超過20萬個,覆蓋人口超過5億,網路建成后將成為目前為止全球最大的4G網路。
中國移動總裁李躍也信心滿滿地表示,4G和3G的唯一不同就是網速,是3G的50倍,最起碼100M,成本也比3G還低,這是為何全球爭相發展4G的原因。
分析人士稱,中移動加碼投資4G網路建設,將使一批設備廠商或終端手機製造商走出業績低谷,並帶動包括製造商、運營商及產品線在內的全產業鏈的升級。據業界測算,4G投資將直接拉動通信全產業鏈投資逾5000億元人民幣。