3G向4G的演化.docx

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3G向4G的演化

3G向4G的演化

摘要：

本论文先是由单个的3G技术和4G技术进行论述再将两者进行综合论述并得出结论。

目前3G还处于起步阶段，但其发展前景十分看好，随着通信网络和技术的不断发展，3G技术环境下电信增值业务进入了高速发展，业务范围持续扩大，经营主体趋向多元，经营模式日益创新的新阶段，论文介绍了3G（第三代移动通信系统）的含义及技术的基本特点，分析了3G技术在通信中的应用，并且对4G的网络结构和4G的关键技术，在此基础上详细讨论了目前全球以及我国的4G技术进展及面临的问题，并对4G的前景进行了预测。

关键词：

3G技术；通信；技术标准；功率；速率；4G关键技术；OFDMSAMIMOSDR4G发展现状

前言：

自有近代通信以来，人们就一直追求通信的自由，无线通信的大众化，如第1代移动通信（1G）、第2代移动通信（2G）部分的满足了人们的这种愿望，但随着互联网和多媒体技术的兴起，人们对移动通信提出了更高的要求，于是第3代移动通信（3G）引弓待发，而第4代移动通信（4G）的理论与实践方面的报道已可谓热烈。

2009年1月7日，国家工业和信息化部颁发3G牌照，标志着移动通信市场的3G移动互联网时代正式在中国拉开帷幕，它是将无线通信、互联网等和多媒体通信结合的新一代移动通信技术，这是2009年至今一个炙手可热的话题，一项新的科学技术往往改变一个时代，新技术的出现和应用往往也是媒体产生变革原始的、也是最重要的推动力，几百年来人类传播领域的变化已经充分证明了这一点：

印刷术的推广使报纸由少数人的消遣成为大众传媒；电报的出现让通讯社得以产生并发展到今天；无线广播技术的广泛应用让受众由读者变成了听众，广播也因此成为了它那个时代影响力最大的大众传媒；近十多年来，互联网技术的广泛应用，已经而且正在深刻影响和改变着人们的传播方式，而现在3G业务的风靡全球，也迫使我们不得不重新定位人际传播，进一步分析人际传播媒介变化对人际传播造成的影响。

根据国际电联的工作安排，2009年将集中征集4G技术标准，2010年会推出第一个4G版本，并在2011年世界无线电通信大会上通过，4G预计2015年左右投入商用，4G技术的飞速发展使得广大用户享受更新、更快捷、更丰富的通信生活成为可能。

一、3G的含义

3G是英文3rdGeneration的缩写，指第三代移动通信技术。

相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、TDMA等数字手机（2G），第三代手机一般的讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2MBps（兆字节/秒）、384KBps（千字节/秒）以及144KBps的传输速度。

二、3G技术基本特点

从目前已确立的3G标准分析，其网络特征主要体现在无线接口技术上，蜂窝移动通信系统的无线技术包括小区复用、多址/双工方式、应用频段、调制技术、射频信道参数、信道编码及纠错技术、帧结构、物理信道结构和复用模式等诸多方面，纵观3G无线技术演变，一方面它并非完全抛弃了2G，而是充分借鉴了2G网络运营经验，在技术上兼顾了2G的成熟应用技术，另一方面，根据IMT-2000确立的目标，未来3G系统所采用无线技术应具有高频谱利用率、高业务质量、适应多业务环境，并具有较好的网络灵活性和全覆盖能力。

3G在无线也是很超前。

三、3G的技术标准

国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定W-CDMA、CDMA2000和TDS-CDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通讯计划》（简称IMT-2000）。

W-CDMA即Wide-bandCDMA，也称为CDMADirectSpread，意为宽频分码多重存取，其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高，因此W-CDMA具有先天的市场优势。

CDMA2000也称为CDMAMulti-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，日前，中国电信集团公司获得增加基于CDMA2000技术制式的3G业务经营许可，中国电信在收购了中国联通CDMA网络之后，启动了44个重点城市的网络优化工程，并于去年年底前完成了340多个城市的CDMA网络建设工作，满足了82个无线城市的无线上网需求，中国电信还发布了“天翼”品牌并启动了189号段放号，由于之前所采购的设备都支持CDMA2000制式，中国电信不需要重新建设网络，在3G牌照发放后，只需进行软件升级，中国电信就会在第一时间里建设起一个全国覆盖的3G网络。

TD-SCDMA是由中国大陆独自制定的3G标准，该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势，另外，由于中国内的庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。

三种标准比较和在中国的境况

目前国际电联接受的3G标准主要有以下三种：

WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。

CDMA是CodeDivisionMultipleAccess（码分多址）的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础，第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。

第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。

CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

中国移动与中国联通在移动通信市场的竞争日趋激烈，竞争领域从原先的话音业务发展到增值业务。

伴随着移动增值业务的不断发展，迈向3G（3rdGeneration，第三代移动通信）则是两大移动运营商的必然选择，与前两代系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持144kb/s，步行慢速移动环境中支持384kb/s，静止状态下支持2Mb/s，其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。

1、WCDMA

全称为WidebandCDMA，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进 一步融合。

该标准提出了GSM（2G）—GPRS—EDGE—WCDMA（3G）的演进策略。

GPRS是GeneralPacketRadioService（通用分组无线业务）的简称，EDGE是EnhancedDatarateforGSMEvolution（增强数据速率的GSM演进）的简称，这两种技术被称为代移动通信技术。

目前中国移动正在采用这一方案向3G过渡，并已将原有的GSM网络升级为GPRS网络。

2、CDMA2000

CDMA2000是由窄带CDMA（CDMAIS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，由美国主推，该标准提出了从CDMAIS95（2G）—CDMA20001x—CDMA20003x（3G）的演进策略。

CDMA20001x被称为代移动通信技术。

CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。

目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMAIS95网络。

3、TD-SCDMA

全称为TimeDivision-SynchronousCDMA（时分同步CDMA），是由我国大唐电信公司提出的3G标准，该标准提出不经过代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。

但目前大唐电信公司还没有基于这一标准的可供商用的产品推出。

三个技术标准的比较

WCDMA、CDMA2000与TD—SCDMA都属于宽带CDMA技术，宽带CDMA进一步拓展了标准的CDMA概念，在一个相对更宽的频带上扩展信号，从而减少由多径和衰减带来的传播问题，具有更大的容量，可以根据不同的需要使用不同的带宽，具有较强的抗衰落能力与抗干扰能力，支持多路同步通话或数据传输，且兼容现有设备，WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA都能在静止状态下提供2Mbit/s的数据传输速率，但三者的一些关键技术仍存在着较大的差别，性能上也有所不同。

1、双工模式

WCDMA与CDMA2000都是采用FDD（频分数字双工）模式，TD-SCDMA采用TDD（时分数字双工）模式，FDD是将上行（发送）和下行（接收）的传输使用分离的两个对称频带的双工模式，需要成对的频率，通过频率来区分上、下行，对于对称业务（如语音）能充分利用上下行的频谱，但对于非对称的分组交换数据业务（如互联网）时，由于上行负载低，频谱利用率则大大降低，TDD是将上行和下行的传输使用同一频带的双工模式，根据时间来区分上、下行并进行切换，物理层的时隙被分为上、下行两部分，不需要成对的频率，上下行链路业务共享同一信道，可以不平均分配，特别适用于非对称的分组交换数据业务（如互联网），TDD的频谱利用率高，而且成本低廉，但由于采用多时隙的不连续传输方式，基站发射峰值功率与平均功率的比值较高，造成基站功耗较大，基站覆盖半径较小，同时也造成抗衰落和抗多普勒频移的性能较差，当手机处于高速移动的状态下时通信能力较差，WCDMA与CDMA2000能够支持移动终端在时速500公里左右时的正常通信，而TD-SCDMA只能支持移动终端在时速120公里左右时的正常通信，TD-SCDMA在高速公路及铁路等高速移动的环境中处于劣势。

2、码片速率与载波带宽

WCDMA（FDD-DS）采用直接序列扩频方式，其码片速率为s。

CDMA20001x与CDMA20003x的区别在于载波数量不同，CDMA20001x为单载波，码片速率为s，CDMA20003x为三载波，其码片速率为×3＝s。

TD-SCDMA的码片速率为s。

码片速率高能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集，可以有效地解决多径问题和衰落问题，WCDMA在这方面最具优势。

载波带宽方面，WCDMA采用了直接序列扩谱技术，具有5MHz的载波带宽，CDMA20001x采用了的载波带宽，CDMA20003x利用三个载波的合并形成的载波带宽，TD-SCDMA采用三载波设计，每载波具有HZ的带宽。

载波带宽越高，支持的用户数就越多，在通信时发生网塞的可能性就越小，在这方面WCDMA具有比较明显的优势。

TD－SCDMA系统仅采用s的码片速率，采用TDD双工模式，因此只需占用单一的带宽，就可传送2Mbit/s的数据业务。

而WCDMA与CDMA2000要传送2Mbit/s的数据业务，均需要两个对称的带宽，分别作为上、下行频段，因而TD-SCDMA对频率资源的利用率是最高的。

3、智能天线技术

智能天线技术是TD-SCDMA采用的关键技术，已由大唐电信申请了专利，目前WCDMA与CDMA2000都还没有采用这项技术，智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性，TD－SCDMA智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性（无线环境和传输条件相同）而获得的，智能天线还可以减少小区间及小区内的干扰，智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。

4、越区切换技术

WCDMA与CDMA2000都采用了越区“软切换”技术，即当手机发生移动或是目前与手机通信的基站话务繁忙使手机需要与一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系，而是先与新的基站连接后，再中断与原基站的联系，这是经典的CDMA技术。

“软切换”是相对于“硬切换”而言的。

FDMA和TDMA系统都采用“硬切换”技术，先中断与原基站的联系，再与新的基站进行连接，因而容易产生掉话，由于软切换在瞬间同时连接两个基站，对信道资源占用较大，而TD-SCDMA则是采用了越区“接力切换”技术，智能天线可大致定位用户的方位和距离，基站和基站控制器可根据用户的方位和距离信息，判断用户是否移动到应切换给另一基站的临近区域，如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换目的。

接力切换是一种改进的硬切换技术，可提高切换成功率，与软切换相比可以减少切换时对邻近基站信道资源的占用时间。

在切换的过程中，需要两个基站间的协调操作。

WCDMA无需基站间的同步，通过两个基站间的定时差别报告来完成软切换，CDMA2000与TD-SCDMA都需要基站间的严格同步，因而必须借助GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）等设备来确定手机的位置并计算出到达两个基站的距离，由于GPS依赖于卫星，CDMA2000与TD-SCDMA的网络布署将会受到一些限制，而WCDMA的网络在许多环境下更易于部署，即使在地铁等GPS信号无法到达的地方也能安装基站，实现真正的无缝覆盖，而且GPS是美国的系统，若将移动通信系统建立在GPS可靠工作的基础上，将会受制于美国的GPS政策，有一定的风险。

5、与第二代系统的兼容性

WCDMA由GSM网络过渡而来，虽然可以保留GSM核心网络，但必须重新建立WCDMA的接入网，并且不可能重用GSM基站，CDMA20003x从CDMAIS95、CDMA20001x过渡而来，可以保留原有的CDMAIS95设备，TD-SCDMA系统的的建设只需在已有的GSM网络上增加TD-SCDMA设备即可，三种技术标准中，WCDMA在升级的过程中耗资最大。

移动运营商的3G策略

目前全球已经颁发了73个WCDMA运营牌照，13个CDMA2000运营牌照，我国的3G牌照尚未发放，中国移动、中国联通等运营商将采用何种技术标准目前仍未确定，不久前信息产业部已经对WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA的使用频率进行了规划，预示着这三种标准在我国都将被采用。

在2G与3G之间衍生出了技术。

技术突破了2G电路交换技术对数据传输速率的制约，引入了分组交换技术，从而使数据传输速率有了质的突破，是一种介于2G与3G之间的过渡技术，目前中国移动已经建成了代的GPRS网络，正朝着WCDMA的方向发展。

中国联通在发展了GSM网络后突然转向发展CDMAIS95网络，正朝着CDMA2000的方向发展，虽然CDMA2000在升级的过程中节省投资，但由于中国联通是由GSM网络改而发展CDMAIS95网络，其网络成本投入也相当大。

由于中国联通的CDMA网络建设起步较晚，目前尚未建成代的CDMA20001x网络，在与中国移动的代业务竞争上处于劣势，今年10月1日，中国移动正式推出了基于代网络的彩信业务（MMS，多媒体信息服务），该业务能在手机短信中加载声音、图像、视频等多媒体信息，利用GPRS网络能达到约40Kbit/s的传送速度，揭开了移动多媒体时代的序幕，具有彩屏和弦内置数码相机等新功能的手机立刻走俏市场，为应对中国移动的彩信业务，广东联通不久前推出了彩e业务，但中国联通的CDMAIS95网络只能基于电路交换方式提供s的传送速度，对多媒体信息的发送形成瓶颈，迅速发展代的CDMA20001x网络已经成为中国联通的当务之急。

中国移动的GPRS推出至今，较为成功MMS业务是基于GPRS带宽的多媒体业务，而直接利用GPRS手机与电脑连接上网的用户数始终不多，毕竟具有移动上网需求的人还只是少数，目前代的GPRS或CDMA20001x已经可以提供40Kbit/s左右的数据传输速率，能基本满足声音、图像、简短的视频等多媒体信息传输的带宽要求，移动上网的主要用途是对时间要求非常紧迫的收发E-Mail等公务，而不是下载视频等的娱乐活动，目前的带宽也可以基本满足。

GPRS或CDMA20001x的理论传输速率都在150kbit/s左右，今后随着网络的不断升级，其实际传输速率将逐步接近这一数值，可对移动多媒体及移动上网业务提供更强有力的支撑。

四、3G技术的应用

当前，一些移动流媒体业务已经能够在网络上实现，3G网络将为移动业务发展提供更有效的支撑，由于3G网络拥有更高的数据传输速率和数据业务支撑能力，3G运营商不仅可以向用户提供高质量的语音业务，而且还能够提供高速率的流媒体业务。

从全球来看，随着3G商用进程的加快，日本和韩国以及欧美地区的一些移动运营商已相继推出了基于移动流媒体技术的视频业务，移动流媒体业务已成为3G网络的核心业务和热点业务，从实际应用的情况来看，移动流媒体可提供点播、直播、下载播放三种业务形式，其中，点播应用主要包括电影片花、精彩片断、MTV等；直播包括电视节目、视频监控、重大赛事、音乐现场会等；下载播放比较适合于那些非在线、对音视频质量要求较高的多媒体节目。

目前国人对手机、电脑等移动高速上网的需求都在增长，相对于其它业务，移动宽带很可能短时间内成为3G的主流应用，中国电信日前推出的“天翼”品牌，主打“互联网手机”概念，就是充分利用目前CDMA网络峰值传输速率能达到的优势，为用户打造高速率、全域覆盖、使用便捷的手机互联网体验，满足用户互联网商务、娱乐、生活、信息咨询等需求，作为回应，中国移动大幅降低了手机GPRS上网费。

很显然，在3G时代，三大运营商在围绕移动宽带展开竞争的同时，也必将为消费者带来更丰富、更实惠的差异化应用。

第三代移动通信系统是一种能提供多种类型!

高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相容，并以小型便携式终端而闻名于世。

在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统“由于其诸多优点，第三代移动通信系统对全世界电信行业工作者及信息社会越来越具吸引力”作为第三代移动通信的主导技术，近来发展迅速，在第三代移动通信系统个技术标准中，最具竞争力而迅速的发展。

相比于2G、等通信技术，3G通信的优势主要表现在：

（1）智能化、多媒体化趋势明显

由于3G网络能够提供内容丰富的多媒体业务和下载业务等，因此，对3G终端而言，需要对其配备更大、更清晰和3D显示效果更逼真的显示屏，以便用户更好地欣赏移动多媒体业务要配备像素更高的摄像头以拍摄更清晰的图像，以增强图片的感观效果;要提供更大的存储空间，来储蓄下载而来的更多图片和音视频文件等，总之，以数据业务功能强大为特征的3G业务对其终端的要求将日益苛刻，3G要真正实现所预期的业务发展效果，加强3G终端的研发将一直成为3G发展阶段的重要主题之一。

（2）单模、双模和多模终端共存

多种3G技术体制并存以及第三代移动通信发展初期，第二代移动通信不会在短期内退出市场的现实情况，决定了未来的移动终端必将是单模、双模和多模终端共存的局面，目前市场上已有GSM/WCDMA、GSM/cdma2000、cdma20001X/1XEV-D0双模终端；随着TD——SCDMA标准的正式商用，未来支持TD-SCDMA网络和其他网络的双模手机或多模手机也可能会出现，对3G终端的功能要求不断提高3G的技术特性，决定了3G网络能够提供更为智能化、多样化、个性化的移动业务，这就要求3G移动终端的功能日益增强，不仅要支持现有话音业务、短信业务、窄带数据业务等，同时应支持以多媒体业务和高速数据业务为代表的宽带通信业务等。

大致可以分为四类：

（1）互式业务，包括网络电话、移动银行、可视电话和可视会议等；

（2）点对点业务，包括多媒体短信、电子邮件、WEB、远程医院等；（3）单向信息业务，包括数字报纸、出版、远程教育、视频购物、移动音频播放器、移动视频播放器、视频点播和卡拉OK等；（4）多点广播业务，包括信息递送、GPS汽车导航、移动收音机和手机电视等。

从中可以看出，3G不仅给手机带来新的人际传播方式如可视电话、多媒体短信和电子邮件等，还同时使手机拥有了手机电视、数字报纸、出版和信息递送等大众传播媒介的功能。

总之，3G应用的成熟是一个渐进过程，有待于在发展中不断完善，相信在启动3G之后，随着市场规模的不断扩大，3G的应用必定能逐步地走向成熟和丰富，我们完全有理由相信，随着3G牌照的发放，无线数据增值业务将为我们带来一个无限美好的未来，手机电视等移动流媒体业务将成为未来移动运营商新的市场增长点。

五、4G网络中的关键技术

4G系统针对各种不同业务的接人系统，通过多媒体接入连接到基于口的核心网中，基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游，4G网络结构可分为三层：

物理网络层、中间环境层、应用网络层。

（1）物理网络层提供接入和路南选择功能；

（2）中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等；

（3）物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的。

使发展和提供新的服务变得更容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带，这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端，跨越多个运营商和服务商，提供更大范围服务。

据国际电信联盟定义，4G技术是可为移动中的用户提供100Mb/S的数据传输、为静止的用户提供1Gb/S的数据传输的无线通讯技术，包含OFDM、智能天线（SA）与多人多出天线（MIMO）技术、软件无线电技术（SDR）三大关键技术。

OFDM技术被认为是第4代移动通信的核心技术

OFDM技术实际上是MCM的一种，其主要思想是：

将信道分成若干正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

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频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。

OFDM允许各载波间频率互相混叠，并采用了基于载波频率正交的FFT调制，由于在各个载波的中心频点处，没有其它载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。

尽管还是频分复用，但OFDM不再通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其它系统的优点之一，OFDM的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其它载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。

OFDM的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目，能够提高数据的传送速率，OFDM每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性，OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。

OFDM的关键技术

信道估计

信道估计在OFDM系统中占有重要地位，信道估计器的设计主要有两个问题：

一是导频信息的选择。

由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送；二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。

在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。

信道编码和交织

为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法，对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术（交织就是把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大），交织技术能减小信道中错误的相关性。

实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。

在OFDM