全球4G通訊系統發展研究論文
全球4G通訊系統發展研究論文
摘要：本文首先對移動通訊系統3G和4G進行了簡單比較，指出3G系統的侷限性以及4G系統的優勢。接下來論述了中、美、日三國4G通訊系統發展研究進展情況，最後對移動通訊系統未來發展做出了展望。
關鍵詞：3G;4G;TD-LTE-Advanced;Wimax
自2009年1月7日，中國工業和資訊化部向中國移動、中國電信和中國聯通分別頒發3G牌照以來，中國的3G使用者數在新增移動使用者數中的佔比已超過半數，進入規模發展階段。
雖然與2G系統相比，3G系統能夠提供較高的資料速率(快速移動環境下，最高速率為144kb/s;室外到室內或步行環境下，最高速率為384kb/s;室內環境，最高速率為2Mb/s)，能支援多媒體業務，但它依然存在一些侷限性：a.通訊速率不能夠滿足使用者對高速多媒體業務的需求;
b.難以提供具有多種QoS的各種速率的業務;
c.難以時限不同頻段的不同業務環境間的無縫漫遊;
d.通訊費用與2G相比並未降低，甚至更高。
鑑於3G系統的侷限性，各國已在積極進行後3G通訊系統(IMT-Advanced)的科研與實驗。與3G系統相比，IMT-Advanced具備以下優勢：a.更高的通訊速率(1000Mbps)，更寬的網路頻譜能夠更好的滿足使用者對高速多媒體業務的需求，可傳輸高質量影片影象，其影象傳輸質量堪與高畫質晰度電視相比;
b.終端更加多樣化、智慧化;
c.可提供更多型別，具有多種QoS的各種速率的增值業務，如無線區域環路(WLL)、數字影片廣播(DVB)、數字音訊廣播(DAB)等;
d.通訊成本的降低帶來通訊費用的降低。計費方式更加靈活，使用者可以根據自己的實際情況定製所需服務。
那麼，4G通訊系統在世界上的研發進展如何呢?下面，我們就透過中國、美國和日本三國的4G研發進展情況來對此瞭解一二。
1中國
1.1研發方面2001年，中國“國家863計劃”啟動了面向後三代/四代(B3G/4G)的行動通訊發展研究計劃———未來通用無線環境研究計劃(簡稱Future計劃)。Future計劃一期，完成了六種無線傳輸鏈路方案的設計，完成了支援分散式多天線接入的射頻系統的設計，初步研究了無線資源管理方案和上層協議，基本完成了基帶電路核心硬體和軟體的設計和測試。Future計劃二期，“TDD系統OFDM上行鏈路設計與實現及TDD技術整合”在2006年6月17日進行了正式驗收。該系統採用寬頻TDD OFDM MIMO技術，相容TD-SCDMA，峰值速率可達122Mbit/s，頻譜利用率為7.1bit/s/Hz，支援高畫質晰影片點播、FTP高速下載、Internet、語音等業務。驗收結果表明該系統已達到了國際領先水平，這標誌著我國在下一代移動通訊系統的研究中取得了突破性進展。由武漢漢網、華中科技大學和上海交通大學聯手開發出的`全IP移動通訊技術，傳輸速度比3G快50倍，是國際公認的4G技術核心。
1.2外場技術演示和示範
2007年1月28日，在上海快速移動的測試車上，基於IPV6的高畫質電視等業務的演示十分流暢。工作人員在上海延安西路高架做了2km長的覆蓋，車輛在真實的路況中以50km/h的時速行駛，獲得的下行速率為20～90Mbps，上行最高也可達80Mbps。這標誌著我國第一個4G試驗網已經正式進入第三階段，即外場試驗和預商用計劃。
2009年10月5日至9日，日內瓦舉行國際電信聯盟主辦的“2009年世界電信展”。中國移動、中興、大唐等中國公司展示了TD長期演進(TD-LTE)技術應用的最新產品。中國移動公司展臺，一個大螢幕實時播放遠在萬里之外的上海黃埔江的畫面。另外，還設定了模擬車廂，展示這項技術在行進列車中的應用，乘客透過面前的大螢幕可與遠方客人進行影片對話。
2010年上海世博會，中國移動搭建的準4G網路TD-LTE演示網覆蓋至黃浦江兩岸9個場館以及江面遊船。為觀博者提供世博園區內陸上和水上移動狀態下高畫質影片監控、導航、視訊會議等服務;高科技機器人“天線海寶”還能為遊客帶來歌舞表演、測量體溫、發放禮品券等。
1.3與其他國家的合作態勢
原中國資訊產業部(現工業資訊化部)與他國的4G合作研發始於2003年，當時與日本NTTDoCoMo簽訂了合作意向書，共同探討和研發4G技術;2004年10月，又與韓國達成協議，擴大技術合作範圍，共同支援對4G無線通訊系統的研發。在Future計劃的支援下，一批中國研究機構作為合作伙伴參與了歐盟第六框架WINNER、MaGnet、MOCCA等國際上有關未來行動通訊研究專案，並與一批跨國企業設立了一系列聯合研發專案。中科院計算所移動通訊技術研發中心(MCR)與瑞薩科技公司合作，在上海張江高科技園建立行動通訊聯合實驗室，共同開發4G手機平臺，並解決未來手機技術應用方案;上海無線通訊研究中心與37家歐洲知名廠商和研發機構結盟，加入歐盟最大的B3G專案“未來全球個人移動通訊系統”的開發。2006年3月，中國、韓國和日本就進一步聯合研發4G行動通訊標準一事達成共識。
1.4標準研發進展
2004年，中國在標準化組織3GPP提出了第三代行動通訊TD-SCDMA的後續演進技術TD-LTE。2009年，在TD-LTE基礎上形成了TD-LTE-Advanced技術方案。TD-LTE-Advanced是中國繼TD-SCDMA之後，提出的具有自主智慧財產權的新一代移動通訊技術。它吸納了TD-SCDMA的主要技術元素，但它將提供更寬的頻寬，可以進行更多的資料業務，它充分體現了我國通訊產業界在寬頻無線行動通訊領域的最新自主創新成果。
目前，TD-LTE-Advanced已獲得歐洲標準化組織3GPP和亞太地區通訊企業的廣泛認可和支援。
2美國
新一代無線通訊技術在美國及日本等發達國家已經進入密集的研發和市場化階段。據美國電氣電子工程學會(IEEE)最新公佈的802.16無線寬頻技術草案文字，該機構目前正在研究一項無線傳輸新標準802.16m相容WiMAX和4G。802.16m標準在快速移動狀態下的傳輸速率可達100Mbit/s。
美國AT&T早在2000年就推出了4GAccess網路，它能配合EDGE技術進行上傳，並利用寬頻OFDM技術進行下載。AT&T的4GAccess網路升級計劃分為兩個階段，第一階段是行動電話基地臺的軟體構建，第二階段則進行智慧型天線的硬體構建。2004年2月，美國手機服務提供商Nextel通訊公司與思科、北電網路和IBM在北卡羅來納州羅利-達拉姆(RaleiGh Durham)地區試驗“4G”無線服務，這次“4G”試驗採用Flarion技術公司提供的每秒鐘下載速度達1.5Mb的裝置，這項服務向臺式電腦、膝上型電腦、掌上電腦以及其他裝置提供高速網際網路接入。
2009年1月6日，美國俄勒岡州波特蘭市正式開通4G移動網際網路業務，波特蘭因此成為美國西部首個邁入4G時代的城市。
推出這一業務的美國Clearwire公司稱，在波特蘭開通的4G網路採用了WiMAX標準。這也是美國迄今第二個開通採用該標準4G網路的城市。
美國東部巴爾的摩市去年10月曾開通類似網路。據悉，透過這一網路移動上網最快下載速度可達每秒4M位元組。當地《俄勒岡人報》科技記者羅格韋在其部落格中說，他的實地測評表明，透過4G網路上網速度比利用蘋果iPhone手機透過3G網路上網平均快4倍以上。
3日本
日本早在21世紀初就為4G的研發工作制定了詳細的發展計劃，並作為e-Japan計劃的一部分，提升到了國家戰略的高度。
2002年3月，日本最大通訊運營商NTT DoCoMo公司在東京郊區的試驗室中建立一個下一代行動通訊試驗網路，該網路的空中介面採用了基於可變擴充套件因子技術的正交頻率和碼分複用技術(VSF/OFCDM)。同年10月，NTT DoCoMo表示，該公司已成功完成第四代(4G)行動通訊的傳輸實驗。此實驗是在室內進行，下傳和上傳速率分別可達到100Mb/s和20Mb/s。2003年5月28日，NTT DoCoMo宣佈進行第四代移動通訊系統(4G)的無線接入系統的戶外試驗。
此次試驗中，日本NTTDoCoMo公司已經透過4+4和6+6天線MIMO技術在100MHz頻寬下分別驗證了1Gbit/s(室外試驗)和2.5Gbit/s的峰值傳輸速度。
2006年12月25日，NTTDoCoMo表示，公司已經成功地以接近5Gbit/s的資料傳輸速度向一個移動速度為每小時10公里的接收裝置傳輸了資料。2007年9月，NTT DoCoMo展示了一項試驗，在e-UTRA資料速率為200Mbit/s的情況下，功耗低於100mW。
2009年5月，日本總務省向NTT Docomo、軟銀移動、KDDI和e-Mobiel公司頒發了LTE牌照。按照日本政府為4G研發設定的目標，到2010年日本將實現比現有傳輸速率快100倍的移動通訊系統。
綜上所述，4G移動通訊系統無論在技術研究、標準化程序、產品試驗方面都有了很大的發展，其發展前景是相當可觀的。當然，4G系統要真正投入商用並非易事，會遇到技術、市場方面的各種困難。
4G網路以IP為基礎，具有靈活的多媒體接入方式，將給產業鏈上的通訊運營商、通訊裝置商、內容提供商帶來巨大的商機，也能為使用者提供隨時隨地、簡單易用的通訊服務，在不久的未來必然會登上舞臺，使未來的通訊生活更加豐富。