4G

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4G(Fourth Generation Communications System,第四代移動通信系統)

　　4G是第三代移動通信系統的延續(Beyond 3G)，是一種設想用來替代3G蜂窩的第四代無線蜂窩系統。

　　4G集3G與WLAN於一體，能夠以100 Mbps的速度下載，4G的速度與3G相比快4．10倍。4G通信技術具備向下相容、全球漫游、與網路互聯、多元終端應用等，並能從3G通信技術平穩過渡至4G。4G網路應用包括移動視頻直播、移動／便攜游戲、基於雲計算的運用、“增強現實”導航等領域。^[1]

　　與3G相比，4G移動通信系統的技術有許多超越之處，主要有以下特點。

　　(1)高速率。對於大範圍高速移動用戶(250km／h)，數據傳輸速率為2Mbit／s；對於中速移動用戶(60kin／h)，數據速率為20Mbit／s；對於低速移動用戶(室內或步行者)，數據傳輸速率為100Mbit／s。

　　(2)以數字寬頻技術為主。在4G移動通信系統中，信號以毫米波為主要傳輸波段，蜂窩小區也會相應小很多，很大程度上提高用戶容量，但同時也會引起一系列技術上的難題。

　　(3)良好的兼容性。4G移動通信系統實現全球統一的標準，讓所有移動通信運營商的用戶享受共同的4G服務，真正實現一部手機在全球的任何地點都能進行通信。

　　(4)較強的靈活性。4G移動通信系統採用智能技術使其能自適應地進行資源分配，能對通信過程中不斷變化的業務流大小進行相應處理而滿足通信要求，採用智能信號處理技術對通道條件不同的各種複雜環境進行信號的正常發送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。

　　(5)多類型用戶共存。4G移動通信系統能根據動態的網路和變化的通道條件進行自適應處理，使低速與高速的用戶以及各種各樣的用戶設備能夠共存與互通，從而滿足系統多類型用戶的需求。

　　(6)多種業務的融合。4G移動通信系統支持更豐富的移動業務，包括高清晰度圖像業務、會議電視、虛擬現實業務等，使用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務。將個人通信、信息系統、廣播和娛樂等行業結合成一個整體，更加安全、方便地向用戶提供更廣泛的服務與應用。

　　(7)先進技術的應用。4G移動通信系統以幾項突破性技術為基礎，如：OFDM多址接入方式、智能天線和空時編碼技術、無線鏈路增強技術、軟體無線電技術、高效的調製解調技術、高性能的收發信機和多用戶檢測技術等。

　　(8)高度自組織、自適應的網路。4G移動通信系統是一個完全自治、自適應的網路，擁有對結構的自我管理能力，以滿足用戶在業務和容量方面不斷變化的需求。

　　4G網路系統有以下幾個關鍵技術：

　　(1)OFDMA技術。未來無線多媒體業務既要求數據傳輸速率高，又要保證傳輸質量，這就要求所採用的調製解調技術要有較高的信元速率及較長的碼元周期，OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技術正滿足這一需求。OFDMA是一種無線環境下的高速傳輸技術，無線通道的頻率響應曲線大多是非平坦的，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，各子載波並行傳輸，這樣儘管總的通道是非平坦的，但每個子通道是相對平坦的。且在各子通道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小於通道帶寬，大大消除信號波形間的干擾。OFDMA技術的最大優點是能對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾，從而減小各子載波間的相互干擾，提高頻譜利用率。

　　(2)軟體無線電。軟體無線電是將標準化、模塊化的硬體功能單元經一通用硬體平臺，利用軟體載入方式來實現各類無線電通信系統的一種開放式結構的技術。通過不同軟體程式，在硬體平臺上實現在不同系統中利用單一終端漫游。其核心思想是在儘可能靠近天線的地方使用寬頻A／D和D／A變換器，儘可能多地用軟體來定義無線功能。其軟體系統包括各類無線信令規則與處理軟體、信號流變換軟體、調製解調演算法軟體、通道糾錯編碼軟體、信源編碼軟體等。軟體無線電技術主要涉及數字信號處理硬體(DSPH)、現場可編程器件(FPGA)、數字信號處理(DSP)等。

　　(3)智能天線(SA)。智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數字波束調節等功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束可在空間域內抑制交互干擾，增強特殊範圍內想要的信號，既能改善信號質量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發信機來實現射頻信號的收發。同時，通過基帶數字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定演算法進行合併，實現上行波束賦形。目前，智能天線的工作方式主要有全自適應方式和基於預多波束的波束切換方式。全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言，各種演算法均存在所需數據量、計算量大，通道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點。實際通道條件下，當干擾較多、多徑嚴重，特別是通道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。在基於預多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務是挑選一個作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實現，是未來智能天線技術發展的方向。

　　(4)MIMO技術。MIMO是指在基站和移動終端都有多個天線。MIMO技術為系統提供空間復用增益和空間分集增益。空間復用是在接收端和發射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個子通道發射信號，使容量隨天線數量的增加而線性增加。空問分集有發射分集和接收分集兩類。基於分集技術與通道編碼技術的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領域的研究熱點。MIMO技術可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線通道的性能，提高無線系統的容量及覆蓋範嗣。

　　我國早在2001年就啟動了面向後三代／四代(B3G／4G)的移動通信發展研究計劃——未來通用無線環境研究計劃(Future Technology for Universal Radio Environment，簡稱FuTURE計劃)。其主要目標是面向未來10年無線通信領域的發展趨勢與需求，重點突破新一代移動通信系統關鍵技術，逐步建立一個集大範圍蜂窩移動通信、區域性寬頻無線接入和短程無線連接為一體的通用無線電環境，為中國未來無線與移動通信產業的跨越式發展創造條件。該計劃的實施不僅培養了大量移動通信超前研發人才，顯著增強了我國移動通信可持續發展能力，更推動了我國未來通信產業發展。當前，我國4G技術的研究已經實現了與國際同步。

　　目前，國際電聯提出的4G基本技術要求是在移動狀態下達到速率為100Mbit／s，靜態和慢移動狀態下達到速率為1Gbit／s。與現有的移動通信技術相比，4G的傳輸速度可提高1000倍。

　　在世界範圍內，開發4G手機已有近10年的歷史。近年來，各國的研發速度不斷加快。在4G手機研究領域，阿爾卡特、愛立信、諾基亞和西門子4大電信巨頭組建了世界無線研究論壇(WWRF)，聚集了100多個成員，其中包括世界許多著名學院和電信運營商，明確提出了開發4G的時間表：4G技術標准將在2006年以後出現，在與3G技術充分融合之後，在2010～2012年投入運營。

　　作為第3代移動通信的領先者，日本的4G研發緊密進行。早在21世紀初，日本就為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國家戰略的高度。按照日本的計劃，在2005年之前，日本的研究重點在基礎通信技術層面，同時積极參与國際標準化工作；2005年之後，4G的研究目標轉移到了具體系統實現層面。日本政府為4G研發設定的目標是，到2010年實現比現有傳輸速率快100倍的移動通信系統。南韓的移動技術後來居上，南韓三星和LG不斷追趕世界先進水平，三星電子與20餘家大學合作，強化研發第4代移動通信技術，在4G領域已擁有100餘件相關專利，計劃在2009年率先完成4G系統的商用化，並積極投入國際4G標準制定的活動之中。同時，從2000年11月起就開始研發4G移動通信技術的日本著名NTT DoCoMo公司與三星公司合作，已經正式啟動5G手機的研發，預定在2020年左右推出相關產品並投人使用。

　　事實上，中日韓三國早就希望聯手開發4G，並期望能把研究成果作為全球標準。並且中日民間形式的合作早已開始，NTT DoCoMo在北京設立研發中心與我國的一所大學共同研發4G，並取得實質性進展。中國政府與日本政府合作開發4G，雙方可以實現雙贏的效果：一方面，中方可以獲得資金和技術方面的支持，彌補我國在這兩方面的先天性缺陷；另一方面，我國將是未來全球最大的移動市場。雙方一旦成為4G標準的制定者，日方即可率先取得進入我國市場的通行證。

　　全球7大電信巨頭中國移動通信公司、KPN移動公司、Orange公司、SprintNextel公司、T-Mobile國際公司、沃達豐公司以及日本的NTT DoCoMo公司已經組成了一個行業組織，旨在制定第4代移動通信標準，並讓該標準的制定工作與目前存在的一些標準組織相互協調。

　　目前，4G系統以LTE、WiMAX及UMB三大標準為主，其中WiMAX(IEEE 802．16)近年來在Intel的大力推廣下頗受重視，尤其在ITU宣佈批准WiMAX成為ITU移動無線標準後，更是備受看好成為4G主要標準。至於LTE(Long Term Evolution)在獲得GSM協會的宣佈支持下，加上美國電信業者AT&T及Verizon相繼宣佈4G採用此技術後，未來前景後勢看漲；UMB(Ultra Mobile Broadband)則是由高通(Qualcomm)主推，本來認為在CDMA為主的美國市場可望居於領先地位，但在Verizon宣佈以LTE為主後，發展落後於WiMAX及LTE之後。

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