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最新4G移动通信文献综述
4G移动通信文献综述
4G移动通信技术综述
引言
移动通信已成为当代通信领域内的发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。
随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起。
尽管第三代移动通信（3G）标准比现有无线技术更强大，但也将面临竞争和标准不兼容等问题，第四代移动通信与第三代移动通信相比，将在技术和应用上有质的飞跃。
4G将适合所有的移动通信用户，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。
移动通信技术发展历程
所有技术的发展都不可能在一夜之间实现，从GSM、GPRS到3G再到第4代，需要不断演进，而且这些技术可以同时存在。
第一代移动通信系统是模拟通信系统，主要传输话音信号，采用蜂窝结构，频带在相隔一定距离的蜂窝上可重复使用，以此来提高系统的容量。
但模拟系统抗干扰能力差，频率复用有限，容量受限，不能进行移动通信的长途温游，只能是一种区域性的移动通信系统。
因此，第二代移动通信系统应运而生。
第二代移动通信系统主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。
主要业务是语音，其主特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。
它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。
典型的第二代系统有GSM和IS-95系统：
GSM最初是欧洲标准，随着GSM技术在全球的广泛应用，逐渐被认可为全球化的标准；IS-95是一个美国的移动通信网的标准，IS-95采用码分多址（CDMA）技术、自动功率控制技术、软切换技术，使得CDMA网络的容量比GSM网络更大，通信质量更高。
与1G相比，2G虽然在技术上有了很大的突破，容量也得到了很大的提高，但其主要的业务仍然是话音，越来越不能满足日常人们日益增长的移动数据业务需求。
为了缓解这一矛盾，先后在GSM网络上叠加了分组技术，GPRS的最高理论速率为171.2Kb/s,同时在CDMA技术的基础上也推出了CDMA2000-1X分组业务，CDMA2000-1X最高速率为153.6Kb/s。
无论是GPRS还是CDMA2000-1X,其速率都不能完全满足多媒体通信的需求，因此提高移动通信的速率，大力发展3G技术势在必行。
第三代移动通信系统与从前以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第二代移动通信技术相比，3G将有更宽的带宽，其传输速度最低为384K，最高为2M，带宽可达5MHz以上。
不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入Internet。
能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另个主要特点。
第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。
提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。
满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。
目前主流的第三代移动通信的三大标准为：
WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。
在上述通信技术发展的基础之上，无线通信技术最终将迈向4G通信技术时代。
4G的概念
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150Mb/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。
其主要技术要求是：
（1）通信速度提高，数据率超过UMTS，上网速率从2Mb/s提高到100Mb/s。
（2）以移动数据为主面向Internet大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以传统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。
（3）采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。
（4）发射功率比现有移动通信系统降低10～100倍，能够较好地解决电磁干扰问题。
（5）支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务。
4G的主要特点
1.通信速度更快
由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。
从移动通信系统数据传输速率作比较，第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps，如PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；专家则预估，第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps，甚至最高可以达到每秒高达100Mbps速度传输无线信息，这种速度会相当于2009年最新手机的传输速度的1万倍左右。
2.网络频谱更宽
要想使4G通信达到100Mbps的传输，通信营运商必须在3G通信网络的基础上，进行大幅度的改造和研究，以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的蜂窝系统的带宽高出许多。
据研究4G通信的AT&T的执行官们说，估计每个4G信道会占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA3G网络的20倍。
3.通信更加灵活
从严格意义上说，4G手机的功能，已不能简单划归“电话机”的范畴，毕竟语音资料的传输只是4G移动电话的功能之一而已，因此未来4G手机更应该算得上是一只小型电脑了，而且4G手机从外观和式样上，会有更惊人的突破，人们可以想象的是，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋，以方便和个性为前提，任何一件能看到的物品都有可能成为4G终端，只是人们还不知应该怎么称呼它。
未来的4G通信使人们不仅可以随时随地通信，更可以双向下载传递资料、图画、影像，当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏。
也许有被网上定位系统永远锁定无处遁形的苦恼，但是与它据此提供的地图带来的便利和安全相比，这简直可以忽略不计。
4.智能性能更高
第四代移动通信的智能性更高，不仅表现于4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化，例如对菜单和滚动操作的依赖程度会大大降低，更重要的4G手机可以实现许多难以想象的功能。
例如4G手机能根据环境、时间以及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么事，或者不该做什么事，4G手机可以把电影院票房资料，直接下载到PDA之上，这些资料能够把售票情况、座位情况显示得清清楚楚，大家可以根据这些信息来进行在线购买自己满意的电影票；4G手机可以被看作是一台手提电视，用来看体育比赛之类的各种现场直播。
5.兼容性能更平滑
要使4G通信尽快地被人们接受，不但考虑的它的功能强大外，还应该考虑到现有通信的基础，以便让更多的现有通信用户在投资最少的情况下就能很轻易地过渡到4G通信。
因此，从这个角度来看，未来的第四代移动通信系统应当具备全球漫游，接口开放，能跟多种网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。
6.提供各种增值服务
4G通信并不是从3G通信的基础上经过简单的升级而演变过来的，它们的核心建设技术根本就是不同的，3G移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而4G移动通信系统技术则以正交多任务分频技术（OFDM）最受瞩目，利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等方面的无线通信增殖服务；不过考虑到与3G通信的过渡性，第四代移动通信系统不会在未来仅仅只采用OFDM一种技术，CDMA技术会在第四代移动通信系统中，与OFDM技术相互配合以便发挥出更大的作用，甚至未来的第四代移动通信系统也会有新的整合技术如OFDM/CDMA产生，前文所提到的数字音讯广播，其实它真正运用的技术是OFDM/FDMA的整合技术，同样是利用两种技术的结合。
因此未来以OFDM为核心技术的第四代移动通信系统，也会结合两项技术的优点，一部分会是以CDMA的延伸技术。
7.实现高质量通信
尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但未来的4G通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖范围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，为此未来的第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信”。
第四代移动通信不仅仅是为了因应用户数的增加，更重要的是，必须要因应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。
总结来说，首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。
8.频率使用效率更高
相比第三代移动通信技术来说，第四代移动通信技术在开发研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术，例如一些光纤通信产品公司为了进一步提高无线因特网的主干带宽宽度，引入了交换层级技术，这种技术能同时涵盖不同类型的通信接口，也就是说第四代主要是运用路由技术（Routing）为主的网络架构。
由于利用了几项不同的技术，所以无线频率的使用比第二代和第三代系统有效得多。
按照最乐观的情况估计，这种有效性可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱做更多的事情，而且做这些事情的时候速度相当快。
研究人员说，下载速率有可能达到5Mbps到10Mbps。
9.通信费用更加便宜
由于4G通信不仅解决了与3G通信的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易地升级到4G通信，而且4G通信引入了许多尖端的通信技术，这些技术保证了4G通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式，因此相对其他技术来说，4G通信部署起来就容易迅速得多；同时在建设4G通信网络系统时，通信营运商们会考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运行者和用户的费用。
据研究人员宣称，4G通信的无线即时连接等某些服务费用会比3G通信更加便宜。
4G的关键技术
1.OFDM（正交频分复用）。
OFDM技术实际上是MCM（多载波调制）的一种。
其主要思想是：
将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。
正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。
而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
由于OFDM技术由于具备上述特点，是对高速数据传输的一种潜在的解决方案，因此被公认为4G的核心技术之一。
2.智能天线（SA）与多入多出天线（MIMO）技术。
智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。
智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术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接收和发射。
同时通过基带数字信号处理器，对各个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。
目前智能天线的工作方式主要有两种：
全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。
移动通信环境中的多径传播对通信的有效性与可靠性造成了严重的影响，而多输入多输出（M1MO）技术在通信链路两端均使用多个天线，发端将信源输出的串行码流转成多路并行子码流，分别通过不同的发射天线阵元同频、同时发送，接收方则利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性从混合信号中分离估计出原始子码流，这相当于频带资源重复利用，使频谱利用率和链路可靠性极大的提高。
3.软件无线电。
软件无线电（SoftwareDefinedRadio,简称SDR）,是采用数字信号处理技术,在可编程控制的通用硬件平台上,利用软件来定义实现无线电台的各部分功能:
包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。
即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。
其核心是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化,从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。
软件无线电是一种基于数字信号处理（DSP）芯片以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。
4.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网;同时核心网能把业务、控制和传输等分开。
采用IP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。
在4G通信系统中将取代IPv4协议，主要采用全分组方式IPv6技术，IPv6具有许多的优点，如：
有巨大的地址空间；支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式；能够提供不同水平的服务质量；更具有移动性。
4G所遇难题
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将会对此一直在争论不休。
2.技术难以实现
尽管未来的4G通信能够给人带来美好的明天，但是别指望立刻就能用上这种技术，大约还需要5年左右的时间这项技术才能发布。
据研究这项技术的开发人员而言，要实现4G通信的下载速度还面临着一系列技术问题。
例如，如何保证楼区、山区，及其它有障碍物等易受影响地区的信号强度等问题。
日本DoCoMo公司表示，为了解决这一问题，公司将对不同编码技术和传输技术进行测试。
另外在移交方面存在的技术问题，使手机很容易在从一个基站的覆盖区域进入另一个基站的覆盖区域时和网络失去联系。
由于第四代无线通信网络的架构相当复杂，这一问题显得格外突出。
不过，行业专家们表示，他们相信这一问题可以得到解决，但需要一定的时间。
3.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将会得到极大提升，从理论上说其所谓的每秒100MB的宽带速度，比目前手机信息传输速度每秒10KB要快1万多倍，但手机的速度将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。
据有关行家分析，4G手机将很难达到其理论速度。
如果速度上不去，4G手机就要大打折扣。
4.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将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将变得异常的脆弱。
5.设施难以更新
在部署4G通信网络系统之前，覆盖全球的大部分无线基础设施都是基于第三代移动通信系统建立的，如果要向第四代通信技术转移的话，那么全球的许多无线基础设施都需要经历着大量的变化和更新，这种变化和更新势必减缓4G通信技术全面进入市场、占领市场的速度。
而且到那时，还必须要求3G通信终端升级到能进行更高速数据传输及支持4G通信各项数据业务的4G终端，也就是说4G通信终端要能在4G通信网络建成后及时提供，不能让通信终端的生产滞后于网络建设。
但根据目前的事实来看，在4G通信技术全面进入商用之日算起的二三年后，消费者才有望用上性能稳定的4G通信手机。
6.其他相关困难
因为手机的功能越来越强大，而无线通信网络也变得越来越复杂，同样4G通信在功能日益增多的同时，它的建设和开发也将会遇到比以前系统建设更多的困难和麻烦。
例如每一种新的设备和技术推出时，其后的软件设计和开发必须及时能跟上步伐，才能使新的设备和技术得到很快推广和应用，但遗憾的是4G通信目前还只处于研究和开发阶段，具体的设备和用到的技术还没有完全成型，因此对应的软件开发也将会遇到困难；另外费率和计费方式对于4G通信的移动数据市场的发展尤为重要，例如WAP手机推出后，用户花了很多的连接时间才能获得信息，而按时间及信息内容的收费方式使用户难以承受，因此必须及早慎重研究基于4G通信的收费系统，以利于市场发展。
还有4G通信不仅需要区分语音流量和互联网数据，还需要具备能到数据传输速度很慢的第三代无线通信网络上平稳使用的性能，这就需要通信营运商们必须能找到一个很好的解决这些问题的方法，而要解决办法就必须首先在大量不同的设备上精确执行4G规范，要做到这一点，也需要花费好几年的时间。
况且到了4G通信真正开始推行时，熟悉4G通信业务的经验和专门技术人才还不多，这样同样也会延缓4G通信在市场上迅速推广的速度，因此到时对于设计、安装、运营、维护4G通信的专门技术人员还须早日进行培训。
4G国内外发展状况
从全球范围看，2010年是海外主流运营商规模建设4G的元年，多数机构预计海外4G投资时间还将持续3年左右。
近期，"谷歌光纤概念"开始在全球发酵，在美国国内成功推行的同时，谷歌光纤开始向非洲、东南亚等地推广，这给如火如荼的全球4G网络建设再次添柴加火。
截至2012年三季度，全球4G用户数已由2010年的380万发展至4370万，有机构预计至2016年全球4G用户可能超过10亿。
目前，美日韩在4G网络建设上已先行一步，欧洲及发展中国家也在积极部署，海外4G建网高潮已经拉开帷幕。
随着全球4G网络部署推进，运营商的资本支出规模正在高速增长。
根据iSuppli公司的报告，预计2013年全球4G技术的资本支出将达到243亿美元，相比2012年87亿美元增长率将达到惊人的179%。
JuniperResearch市场研究公司发布的最新报告显示，全球4GLTE服务收入增长迅猛，预计在2017年将突破3400亿美元（2013年预计只有750亿美元），约占当年全部移动服务收入（2G/3G/4G）的31%，表明4GLTE在服务高价值用户方面不断取得成功。
从目前的发展状况来看，大部分4GLTE收入（近70%）将来自北美、远东和中国市场。
不过，目前LTE网络的潜力尚未得到全面发挥，美国运营商在商用的LTE网络中仅仅提供了20Mbps的下载速率，远低于LTE的理论值75Mbps。
在国内，4G在技术标准、频率分配、终端准备、网络设备准备等方面已基本成熟。
近期，有消息称工信部初定的4G牌照发放方案是首先向3家运营商发放TD-LTE牌照，再向有意向建设FDD-LTE网络的运营商发放FDD-LTE牌照。
中国移动3G网络竞争处于劣势，急于推进4G建设，积极争取4G牌照的提前发放，并已经开始在13个主要城市展开扩大规模试验。
中国移动全面启动4G网络建设，其中包括：
2013年开始在国内100个城市进行TD-LTE（我国4G技术标准）设备采购，以及2013年建成TD-LTE基站规模超过20万个，即2013年新建基站18万个，据介绍，这一投资总额将达到约1800亿元。
国内中国移动采用的我国自主开发的TD-LTE技术虽还未明确的获得4G牌照，但中国移动在昨日的西班牙巴塞罗那召开的世界通信展（2013MWC）会议之后宣布，广州已建成3700个TD-LTE基站，深圳已建成3100个TD-LTE基站，目前TD-LTE网络已覆盖100个城市，并在广州、深圳两地宣布同步启动最大规模4G体验。
展望5G
相比之前的通信技术，5G增加了一些新的概念和课题，如多设备智能互联（Device-to-DeviceCommunication）、超密度网络（Ultra-DenseNetwork）、超可靠通信（Ultra-ReliableCommunication）等。
欧盟称，5G的需求来自于移动数据的爆炸性增长，未来十年内，移动数据量将增长1000倍、用户数据速率将增快100倍、同一时刻设备互联数量将增加100倍，因此，需极大提高未来的网络连接和数据处理能力，且需以低成本和可持续发展的方式来实现所有这些目标。
2013年5月12日，韩国三星公司宣布，成功开发出第5代移动通信（5G）的核心技术，其速率远高于当前的4GLTE技术；在测试中，在28GHz频段下，其下载速率达到了1Gbps，而当前4GLTE技术的数据传输速率为75Mbps。
三星称，其5G技术的理论下载速率可达10Gbps；在这样的速率下，用户只需1秒钟即可下载1部完整的电影。
业内人士认为，这是5G技术发展进程中的一个重要里程碑。
不过，该技术目前仍处于起步阶段，离实际商用还需很长时间。
三星称，该新技术有望在2020年开始部署。
欧盟日前正式启动METIS（MobileandWirelessCommunicationsEnablersfortheTwenty-Twenty（2020）InformationSociety）项目，着手5G研发，并称，2020年开始，通信技术将进入5G时代。
METIS项目投资总计达2700万欧元，第一阶段计划运行30个月。
项目研究组由爱立信、法国电信等通信设备商和运营商、宝马集团以及欧洲部分学术机构共29个成员组成，研究目标是为建立5G移动和无线通信系统奠定基础，为未来的移动通信和无线技术在需求、特性和指标上达成共识，在概念、雏形、关键技术组成上统一意见。
作为主要研究成员之一的爱立信公司称，5G不是一种网络技术，也不是几种新的无线接入技术，而是“以体验为中心”，通过多种无线接入技术的集成，为用户提供“极限体验”。
2013年2月，在西班牙巴塞罗那举行的世界移动通信大会上，爱立信公司展示了互联超级城市、“机遇之窗”玻璃2.0等5G概念应用雏形。
总结
本文从移动通信发展的几个历史性阶段引入了第四代移动通信系统，并从基本概念、技术要求、主要特点等几个方面全面介绍了4G，提出了实现4G移动通信需要解决的多项关键技术以及顺利实施4G通信所遇到的难题和国内外现阶段4G的发展状况。
我们有理由相信，第四代无线通信网络技术将会给我们未来的生活带来无限美好的期待！
参考资料
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[2]SteveRackley．吴怡，朱晓荣，宋铁成等译.无线网络技术原理与应用．北京：
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[3]董柱．未来无线通信技术以OFDM为核心．人民邮电报，2008-02-16（3）
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[6]4G网络建设将迎来爆发期.电缆网[引用日期2013-06-6]
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