第4讲4G网络技术.docx
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第4讲4G网络技术
第4讲4G网络技术
1概述
第四代移动通信技术。
4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。
4G系统能够以100Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。
很明显，4G有着不可比拟的优越性。
背景
作为一项新兴技术，CDMACDMA2000正迅速风靡全球并已占据18%的无线市场。
截止2012年，全球CDMA2000用户已超过2.56亿，遍布70个国家的156家运营商已经商用3GCDMA业务。
包含高通授权LICENSE的安可信通信技术有限公司在内全球有数十家OEM厂商推出EVDO移动智能终端·
随着通信技术日新月异，给人们带来不少享受。
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，因此有理由期待这种第四代移动通信技术给人们带来更加美好的未来。
另一方面，4G也因为其拥有的超高数据传输速度，被中国物联网校企联盟誉为机器之间当之无愧的“高速对话”。
它是根据欧洲标准而确定的频率范围在900～1800MHz之间的数字移动电话系统，频率为1800MHz的系统也被美国采纳。
GSM是1991年开始投入使用的。
到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。
GSM数字网也具有较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。
不过它能提供的数据传输率仅为9.6kbit/s，和用固定电话拨号上网的速度相当，而当时的internet几乎只提供纯文本的信息。
而时下正流行的数字移动通信手机是第二代（2G），一般采用GSM或CDMA技术。
在新兴通信技术的不断推动之下，象征着3G通信的标志技术WCDMA已经成为了通信技术的主流。
该技术能为用户带来了最高2Mbit/s的数据传输速率，在这样的条件下，计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松的传递。
WCDMA通过有效的利用宽频带，不仅能顺畅的处理声音、图像数据还能与互联网快速连接；此外WCDMA和MPEG-4技术结合起来还可以处理真实的动态图像。
人们之间沟通的瓶颈会由网络传输速率转变为各种新型应用的提供：
如何让无线网络更好的为人们服务而不是给人们带来骚扰，如何让每个人都能从信息的海洋中快速的得到自己需要的信息，如何能够方便的携带、使用各种终端设备，各种终端设备之间如何更好的自动协同工作等等。
在上述通信技术的基础之上，无线通信技术最终可能迈向4G通信技术时代。
概念
就在3G通信技术正处于酝酿之中时，更高的技术应用已经在实验室进行研发。
因此在人们期待第三代移动通信系统所带来的优质服务的同时，第四代移动通信系统的最新技术也在实验室悄然进行当中。
那么到底什么是4G通信呢？
到2009年为止人们还无法对4G通信进行精确地定义，有人说4G通信的概念来自其他无线服务的技术，从无线应用协定、全球袖珍型无线服务到3G；有人说4G通信是一个超越2010年以外的研究主题，4G通信是系统中的系统，可利用各种不同的无线技术；但不管人们对4G通信怎样进行定义，有一点人们能够肯定的是4G通信可能是一个比3G通信更完美的新无线世界，它可创造出许多消费者难以想象的应用。
4G最大的数据传输速率超过100Mbit/s，这个速率是移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍。
4G手机可以提供高性能的汇流媒体内容，并通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备。
它也可以接受高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。
此外，4G的无线即时连接等某些服务费用会比3G便宜。
还有，4G有望集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。
4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。
如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。
与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。
然而，在通话品质方面，移动电话消费者还是能接受的。
随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。
数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100Mbit/s，简直是不可思议的事情。
另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比2009年通信费用低。
4G通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：
提高移动装置无线访问互联网的速度--据3G市场分三个阶段走的的发展计划，3G的多媒体服务在10年后进入第三个发展阶段。
在发达国家，3G服务的普及率更超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。
为了充分利用4G通信给人们带来的先进服务，人们还必须借助各种各样的4G终端才能实现，而不少通信营运商正是看到了未来通信的巨大市场潜力，他们已经开始把眼光瞄准到生产4G通信终端产品上，例如生产具有高速分组通信功能的小型终端、生产对应配备摄像机的可视电话以及电影电视的影像发送服务的终端，或者是生产与计算机相匹配的卡式数据通信专用终端。
有了这些通信终端后，人们手机用户就可以随心所欲的漫游了，随时随地的享受高质量的通信了。
系统网络结构及其关键技术
4G移动系统网络结构可分为三层：
物理网络层、中间环境层、应用网络层。
物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。
中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。
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，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。
这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。
第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。
第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。
OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。
例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，预计都采用OFDM技术。
4G移动通信对加速增长的宽带无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公众的和专用的、室内和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务。
通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段，使频谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构，以傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。
移动通信会向数据化，高速化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动IP预计会成为未来移动网的主流业务。
2优势与缺陷
优势
如果说2G、3G通信对于人类信息化的发展是微不足道的话，那么未来的4G通信却给了人们真正的沟通自由，并彻底改变人们的生活方式甚至社会形态。
2009年在构思中的4G通信具有下面的特征：
1：
通信速度快
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；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；而第四代移动通信系统传输速率可达到20Mbps，甚至最高可以达到高达100Mbps，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,第三代手机传输速度的50倍。
2：
网络频谱宽
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：
兼容性好
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：
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，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：
频率效率高
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：
费用便宜
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。
对于人们来说，未来的4G通信的确显得很神秘，不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来发明的最复杂的技术系统。
的确，第四代无线通信网络在具体实施的过程中出现大量令人头痛的技术问题，大概一点也不会使人们感到意外和奇怪。
第四代无线通信网络存在的技术问题多和互联网有关，并且需要花费好几年的时间才能解决。
缺陷
总的来说，要顺利、全面地实施4G通信，可能遇到下面的一些困难的：
1：
标准多
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会对此一直在争论不休。
2：
技术难
尽管未来的4G通信能够给人带来美好的明天，现已研究出来，但并未普及。
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，公司会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：
容量受限
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会得到极大提升，从理论上说其所谓的每秒100Mbps的宽带速度（约为每秒12.5MB），比2009年最新手机信息传输速度每秒10KB要快1000多倍，但手机的速度会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手机会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会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会变得异常的脆弱。
5：
设施更新慢
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。
但根据某些事实来看，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
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。
3牌照
2013年12月4日下午，工业和信息化部（以下简称“工信部”）向中国联通、中国电信、中国移动正式发放了第四代移动通信业务牌照（即4G牌照），中国移动、中国电信、中国联通三家均获得TD-LTE牌照，此举标志着我国电信产业正式进入了4G时代。
有关部门对TD-LTE频谱规划使用做了详细说明：
中国移动获得130MHz频谱资源，分别为1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；中国联通获得40MHz频谱资源，分别为2300-2320MHz、2555-2575MHz；中国电信获得40MHz频谱资源，分别为2370-2390MHz、2635-2655MHz。
[2]
4中国联通
中国联通总经理陆益民:
2013年底全网中国联通SSPA加双载波42兆,国际上很多国家,21兆叫4G网络。
中国联通今天为止早就为4G建设,打好非常好的网络基础。
大家不要觉得中国联通没有声音,2013年年底大家可以享受42兆网络,和4G感受不到差别。
[3]
4G！
4G!
4G是指集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。
4G系统能够以100Mbps-150Mbps的速度下载，不同的运营商采用不同的4G技术，速度通常与3G相比快20~30倍。
4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，采用了一些新的通信技术，来提高无线通信的网络效率和功能。
ITU（国际电联）已经将WiMax、HSPA+、LTE正式纳入到4G标准里，加上之前就已经确定的LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced这两种标准，4G标准已经达到了5种。
截止到2013年12月份LTE已然成为4G全球标准，包括FDD-LTE和TDD-LTE两种制式。
13年3月，全球67个国家已部署163张LTE商用网络，其中154张FDD-LTE商用网络，15张TD-LTE商用网络，6家运营商部署双模网络，中国联通采用FDD-LTE制式进入4G时代。
联通抢滩4G
如果说传统通信对于人类信息化的发展是微不足道的话，那么未来的4G通信将给人们真正的沟通自由，并彻底改变人们的生活方式甚至社会形态。
4G时代，中国联通的网络将在五个方面继续保持领先优势。
多：
手机终端更多
手机终端多。
由于中国联通4G标准采用全球主流的FDD-LTE标准，全球绝大多数手机生产厂商均支持这一标准，所以可供用户选择的手机终端品种非常丰富，像苹果、三星、黑莓、诺基亚、摩托罗拉等国际知名品牌以及众多国内知名品牌手机均可选择。
使用用户多。
由于FDD-LTE标准是国际主流4G通信技术，全球FDD-LTE用户数超过1亿用户万户，占全球4G用户90%以上。
全球运营商多。
截至2013年3月，全球67个国家已部署163张LTE商用网络，其中154张FDD-LTE商用网络这意味着中国联通4G用户出境漫游时无需更换号码和手机，便能在全球任何地方方便快捷地使用4G优质高速网络。
快：
上网速度更快
专家则预估，第四代移动通信系统可以达到100Mbps至150Mbps，这种速度会相当于3G手机的传输速度的20-30倍左右。
从2010年开始，中国联通就要求新增的WCDMA基站必须支持平缓演进至FDD-LTE。
截止到2013年12月中国联通3G基站总数达33.1万个，已在2012年全部升级至HSPA+的3.75G网络，下行峰值最高速率达21Mbps。
截止到2013年12月中国联通已经全部开通了HSPA+网络，是能够在HSPA网络上进行改造而升级的一种经济而高效的4G网络，且符合LTE的长期演化规范，将作为4G网络标准与其它的4G网络同时存在，它将很有利于全世界范围的WCDMA网络和HSPA网络的升级与过渡，成本上的优势很明显，是短期内4G标准的理想选择。
同时为了应对竞争和用户的需求，中国联通在国内部分城市全面建设LTE-FDD实验网络，网速达到150M，在4G时代继续领跑，卫冕速度之王。
省：
费用更便宜
中国联通现有WCDMA网络，支持平缓演进至FDD-LTE，建设成本更低，只需简单升级即可平滑演进至FDD-LTE，相对其他4G网络标准升级成本更低，解决了与3G通信的兼容性问题，让更多现有通信用户能轻易地升级到4G通信,同时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。
FDD-LTE是全球4G的主流标准，更多用户的选择，意味着更丰富的终端，更便宜的价格，让您可以更低成本畅享4G生活。
iPhone5、NewiPad、三星GalaxyS、NokiaLumia等一大批支持FDD-LTE的明星终端已经上市，用户可以不换号、不换卡，只需手机支持FDD-LTE，就可以轻松享受4G带来的生活便捷。
广：
全球漫游和应用广
服务应用广。
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”。
中国联通的4G时代，将以最丰富的终端、最成熟的技术、最畅快的网速、最广泛的漫游、最实惠的价格，给广大用户敞开一幅绚烂多彩的移动互联生活画卷和移动互联体验的无穷魅力。
[4]
5中国电信
中国电信已完成了其4G试点城市中TD-LTE基站示范站的安装及开通调测，开通了在试点城市的首个TD-LTE示范站，实现了基础数据业务的服务。
6中国移动
2013年以来，中国移动启动了20万个基站的建设和100万部终端的采购，体验用户接近4万人。
2013年10月，中国移动获准在全国326个城市开展TD-LTE扩大规模试验。
中国移动称，该公司已在全国范围内启动了TD-LTE的商用部署工作，将建成全球规模最大的4G网络，并将努力推动4G的融合发展。
按照中国移动的计划，在2013年底前，该公司可向北京、杭州、广州、深圳、青岛、南昌、南京、温州、厦门、上海、天津、沈阳、成都等城市的用户提供4G服务。
7标准
LTE
LTE（LongTermEvolution,长期演进）项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。
主要特点是在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率，相对于3G网络大大的提高了小区的容量，同时将网络延迟大大降低：
内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。
并且这一标准也是3GPP长期演进（LTE）项目，是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，
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