4G

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4G(Fourth Generation Communications System,第四代移动通信系统)

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什么是4G

  4G第三代移动通信系统的延续(Beyond 3G),是一种设想用来替代3G蜂窝的第四代无线蜂窝系统。

  4G集3G与WLAN于一体,能够以100 Mbps的速度下载,4G的速度与3G相比快4.10倍。4G通信技术具备向下相容、全球漫游、与网络互联、多元终端应用等,并能从3G通信技术平稳过渡至4G。4G网络应用包括移动视频直播、移动/便携游戏、基于云计算的运用、“增强现实”导航等领域。[1]

4G的特点[2]

  与3G相比,4G移动通信系统的技术有许多超越之处,主要有以下特点。

  (1)高速率。对于大范围高速移动用户(250km/h),数据传输速率为2Mbit/s;对于中速移动用户(60kin/h),数据速率为20Mbit/s;对于低速移动用户(室内或步行者),数据传输速率为100Mbit/s。

  (2)以数字宽带技术为主。在4G移动通信系统中,信号以毫米波为主要传输波段,蜂窝小区也会相应小很多,很大程度上提高用户容量,但同时也会引起一系列技术上的难题。

  (3)良好的兼容性。4G移动通信系统实现全球统一的标准,让所有移动通信运营商的用户享受共同的4G服务,真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信

  (4)较强的灵活性。4G移动通信系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配,能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求,采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常发送与接收,有很强的智能性、适应性和灵活性。

  (5)多类型用户共存。4G移动通信系统能根据动态的网络和变化的信道条件进行自适应处理,使低速与高速的用户以及各种各样的用户设备能够共存与互通,从而满足系统多类型用户的需求

  (6)多种业务的融合。4G移动通信系统支持更丰富的移动业务,包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等,使用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务。将个人通信信息系统、广播和娱乐等行业结合成一个整体,更加安全、方便地向用户提供更广泛的服务与应用。

  (7)先进技术的应用。4G移动通信系统以几项突破性技术为基础,如:OFDM多址接入方式、智能天线和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机和多用户检测技术等。

  (8)高度自组织、自适应的网络。4G移动通信系统是一个完全自治、自适应的网络,拥有对结构自我管理能力,以满足用户在业务和容量方面不断变化的需求。

4G的关键技术[3]

  4G网络系统有以下几个关键技术:

  (1)OFDMA技术。未来无线多媒体业务既要求数据传输速率高,又要保证传输质量,这就要求所采用的调制解调技术要有较高的信元速率及较长的码元周期,OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技术正满足这一需求。OFDMA是一种无线环境下的高速传输技术,无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,其主要思想就是在频域内将给定通道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,各子载波并行传输,这样尽管总的通道是非平坦的,但每个子通道是相对平坦的。且在各子通道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道带宽,大大消除信号波形间的干扰。OFDMA技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落和窄带干扰,从而减小各子载波间的相互干扰,提高频谱利用率。

  (2)软件无线电软件无线电是将标准化、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。通过不同软件程序,在硬件平台上实现在不同系统中利用单一终端漫游。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器,尽可能多地用软件来定义无线功能。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(SA)。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。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,在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点。实际通道条件下,当干扰较多、多径严重,特别是通道快速时变时,很难对某一用户进行实时跟踪。在基于预多波束的切换波束工作方式下,全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖,各组权值对应的波束有不同的主瓣指向,相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠,接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式,与自适应方式相比它显然更容易实现,是未来智能天线技术发展的方向。

  (4)MIMO技术MIMO是指在基站移动终端都有多个天线。MIMO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。空问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。MIMO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嗣。

4G和3G系统的比较[4]

表 4G和3G系统的比较
特征4G3G
业务特性融合数据与语音、多媒体优先考虑语音
网络接入多种异构接入单一接入
频率范围2-8GHz,800MHz1.6-2.5GHz
速率20-100Mbit/s385kbit/s-2Mbit/s
带宽100+MHz5-20MHz
接入方式OFDMWCDMA/TD/CDMA2000/WiMAX
交换方式包交换包交换/电路交换
IP性能IPv6多版本

我国4G进展程度[4]

  我国早在2001年就启动了面向后三代/四代(B3G/4G)的移动通信发展研究计划——未来通用无线环境研究计划(Future Technology for Universal Radio Environment,简称FuTURE计划)。其主要目标是面向未来10年无线通信领域的发展趋势与需求,重点突破新一代移动通信系统关键技术,逐步建立一个集大范围蜂窝移动通信、区域性宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境,为中国未来无线与移动通信产业的跨越式发展创造条件。该计划的实施不仅培养了大量移动通信超前研发人才,显著增强了我国移动通信可持续发展能力,更推动了我国未来通信产业发展。当前,我国4G技术的研究已经实现了与国际同步。

全球4G发展概况[5]

  目前,国际电联提出的4G基本技术要求是在移动状态下达到速率为100Mbit/s,静态和慢移动状态下达到速率为1Gbit/s。与现有的移动通信技术相比,4G的传输速度可提高1000倍。

  在世界范围内,开发4G手机已有近10年的历史。近年来,各国的研发速度不断加快。在4G手机研究领域,阿尔卡特爱立信诺基亚西门子4大电信巨头组建了世界无线研究论坛(WWRF),聚集了100多个成员,其中包括世界许多著名学院和电信运营商,明确提出了开发4G的时间表:4G技术标准将在2006年以后出现,在与3G技术充分融合之后,在2010~2012年投入运营。

  作为第3代移动通信的领先者,日本的4G研发紧密进行。早在21世纪初,日本就为4G的研发工作制定了详细的发展计划,并作为“e-Japan”计划的一部分提升到国家战略的高度。按照日本的计划,在2005年之前,日本的研究重点在基础通信技术层面,同时积极参与国际标准化工作;2005年之后,4G的研究目标转移到了具体系统实现层面。日本政府为4G研发设定的目标是,到2010年实现比现有传输速率快100倍的移动通信系统。韩国的移动技术后来居上,韩国三星LG不断追赶世界先进水平,三星电子与20余家大学合作,强化研发第4代移动通信技术,在4G领域已拥有100余件相关专利,计划在2009年率先完成4G系统的商用化,并积极投入国际4G标准制定的活动之中。同时,从2000年11月起就开始研发4G移动通信技术的日本著名NTT DoCoMo公司与三星公司合作,已经正式启动5G手机的研发,预定在2020年左右推出相关产品并投人使用。

  事实上,中日韩三国早就希望联手开发4G,并期望能把研究成果作为全球标准。并且中日民间形式的合作早已开始,NTT DoCoMo在北京设立研发中心与我国的一所大学共同研发4G,并取得实质性进展。中国政府与日本政府合作开发4G,双方可以实现双赢的效果:一方面,中方可以获得资金和技术方面的支持,弥补我国在这两方面的先天性缺陷;另一方面,我国将是未来全球最大的移动市场。双方一旦成为4G标准的制定者,日方即可率先取得进入我国市场的通行证。

  全球7大电信巨头中国移动通信公司KPN移动公司Orange公司、SprintNextel公司、T-Mobile国际公司、沃达丰公司以及日本的NTT DoCoMo公司已经组成了一个行业组织,旨在制定第4代移动通信标准,并让该标准的制定工作与目前存在的一些标准组织相互协调。

4G网络系统的几个技术标准[3]

  目前,4G系统以LTE、WiMAX及UMB三大标准为主,其中WiMAX(IEEE 802.16)近年来在Intel的大力推广下颇受重视,尤其在ITU宣布批准WiMAX成为ITU移动无线标准后,更是备受看好成为4G主要标准。至于LTE(Long Term Evolution)在获得GSM协会的宣布支持下,加上美国电信业者AT&TVerizon相继宣布4G采用此技术后,未来前景后势看涨;UMB(Ultra Mobile Broadband)则是由高通(Qualcomm)主推,本来认为在CDMA为主的美国市场可望居于领先地位,但在Verizon宣布以LTE为主后,发展落后于WiMAX及LTE之后。

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参考文献

  1. 韩雪峰.谈政策和技术对医院信息化建设的影响[J].中国医学教育技术,2011(3)
  2. 李世银,宋金玲编著.通信原理.人民邮电出版社,2009
  3. 3.0 3.1 李永忠编著.现代通信原理与技术.国防工业出版社,2010
  4. 4.0 4.1 何林娜主编.数字移动通信技术.机械工业出版社,2010
  5. 高丽华编著.新媒体经营.机械工业出版社,2009
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42.81.42.* 在 2015年9月26日 18:21 发表

有什么软件可以有4G信号

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