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全球4G通信系統(tǒng)發(fā)展研究論文
摘要：本文首先對移動通信系統(tǒng)3G和4G進行了簡單比較，指出3G系統(tǒng)的局限性以及4G系統(tǒng)的優(yōu)勢。接下來論述了中、美、日三國4G通信系統(tǒng)發(fā)展研究進展情況，最后對移動通信系統(tǒng)未來發(fā)展做出了展望。
關(guān)鍵詞：3G;4G;TD-LTE-Advanced;Wimax
自2009年1月7日，中國工業(yè)和信息化部向中國移動、中國電信和中國聯(lián)通分別頒發(fā)3G牌照以來，中國的3G用戶數(shù)在新增移動用戶數(shù)中的占比已超過半數(shù)，進入規(guī)模發(fā)展階段。
雖然與2G系統(tǒng)相比，3G系統(tǒng)能夠提供較高的數(shù)據(jù)速率(快速移動環(huán)境下，最高速率為144kb/s;室外到室內(nèi)或步行環(huán)境下，最高速率為384kb/s;室內(nèi)環(huán)境，最高速率為2Mb/s)，能支持多媒體業(yè)務(wù)，但它依然存在一些局限性：a.通信速率不能夠滿足用戶對高速多媒體業(yè)務(wù)的需求;
b.難以提供具有多種QoS的各種速率的業(yè)務(wù);
c.難以時限不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無縫漫游;
d.通信費用與2G相比并未降低，甚至更高。
鑒于3G系統(tǒng)的局限性，各國已在積極進行后3G通信系統(tǒng)(IMT-Advanced)的科研與實驗。與3G系統(tǒng)相比，IMT-Advanced具備以下優(yōu)勢：a.更高的通信速率(1000Mbps)，更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜能夠更好的滿足用戶對高速多媒體業(yè)務(wù)的需求，可傳輸高質(zhì)量視頻圖像，其圖像傳輸質(zhì)量堪與高清晰度電視相比;
b.終端更加多樣化、智能化;
c.可提供更多類型，具有多種QoS的各種速率的增值業(yè)務(wù)，如無線區(qū)域環(huán)路(WLL)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、數(shù)字音訊廣播(DAB)等;
d.通信成本的降低帶來通信費用的降低。計費方式更加靈活，用戶可以根據(jù)自己的實際情況定制所需服務(wù)。
那么，4G通信系統(tǒng)在世界上的研發(fā)進展如何呢?下面，我們就通過中國、美國和日本三國的4G研發(fā)進展情況來對此了解一二。
1中國
1.1研發(fā)方面2001年，中國“國家863計劃”啟動了面向后三代/四代(B3G/4G)的移動通信發(fā)展研究計劃———未來通用無線環(huán)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(shè)計，完成了支持分布式多天線接入的射頻系統(tǒng)的設(shè)計，初步研究了無線資源管理方案和上層協(xié)議，基本完成了基帶電路核心硬件和軟件的設(shè)計和測試。Future計劃二期，“TDD系統(tǒng)OFDM上行鏈路設(shè)計與實現(xiàn)及TDD技術(shù)集成”在2006年6月17日進行了正式驗收。該系統(tǒng)采用寬帶TDD OFDM MIMO技術(shù)，兼容TD-SCDMA，峰值速率可達122Mbit/s，頻譜利用率為7.1bit/s/Hz，支持高清晰視頻點播、FTP高速下載、Internet、語音等業(yè)務(wù)。驗收結(jié)果表明該系統(tǒng)已達到了國際領(lǐng)先水平，這標(biāo)志著我國在下一代移動通信系統(tǒng)的研究中取得了突破性進展。由武漢漢網(wǎng)、華中科技大學(xué)和上海交通大學(xué)聯(lián)手開發(fā)出的全IP移動通信技術(shù)，傳輸速度比3G快50倍，是國際公認(rèn)的4G技術(shù)核心。
1.2外場技術(shù)演示和示范
2007年1月28日，在上海快速移動的測試車上，基于IPV6的高清電視等業(yè)務(wù)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(biāo)志著我國第一個4G試驗網(wǎng)已經(jīng)正式進入第三階段，即外場試驗和預(yù)商用計劃。
2009年10月5日至9日，日內(nèi)瓦舉行國際電信聯(lián)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(shù)應(yīng)用的最新產(chǎn)品。中國移動公司展臺，一個大屏幕實時播放遠在萬里之外的上海黃埔江的畫面。另外，還設(shè)置了模擬車廂，展示這項技術(shù)在行進列車中的應(yīng)用，乘客通過面前的大屏幕可與遠方客人進行視頻對話。
2010年上海世博會，中國移動搭建的準(zhǔn)4G網(wǎng)絡(luò)TD-LTE演示網(wǎng)覆蓋至黃浦江兩岸9個場館以及江面游船。為觀博者提供世博園區(qū)內(nèi)陸上和水上移動狀態(tài)下高清視頻監(jiān)控、導(dǎo)航、視頻會議等服務(wù);高科技機器人“天線海寶”還能為游客帶來歌舞表演、測量體溫、發(fā)放禮品券等。
1.3與其他國家的合作態(tài)勢
原中國信息產(chǎn)業(yè)部(現(xiàn)工業(yè)信息化部)與他國的4G合作研發(fā)始于2003年，當(dāng)時與日本NTTDoCoMo簽訂了合作意向書，共同探討和研發(fā)4G技術(shù);2004年10月，又與韓國達成協(xié)議，擴大技術(shù)合作范圍，共同支持對4G無線通信系統(tǒng)的研發(fā)。在Future計劃的支持下，一批中國研究機構(gòu)作為合作伙伴參與了歐盟第六框架WINNER、MaGnet、MOCCA等國際上有關(guān)未來移動通信研究項目，并與一批跨國企業(yè)設(shè)立了一系列聯(lián)合研發(fā)項目。中科院計算所移動通信技術(shù)研發(fā)中心(MCR)與瑞薩科技公司合作，在上海張江高科技園建立移動通信聯(lián)合實驗室，共同開發(fā)4G手機平臺，并解決未來手機技術(shù)應(yīng)用方案;上海無線通信研究中心與37家歐洲知名廠商和研發(fā)機構(gòu)結(jié)盟，加入歐盟最大的B3G項目“未來全球個人移動通信系統(tǒng)”的開發(fā)。2006年3月，中國、韓國和日本就進一步聯(lián)合研發(fā)4G移動通信標(biāo)準(zhǔn)一事達成共識。
1.4標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)進展
2004年，中國在標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP提出了第三代移動通信TD-SCDMA的后續(xù)演進技術(shù)TD-LTE。2009年，在TD-LTE基礎(chǔ)上形成了TD-LTE-Advanced技術(shù)方案。TD-LTE-Advanced是中國繼TD-SCDMA之后，提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代移動通信技術(shù)。它吸納了TD-SCDMA的主要技術(shù)元素，但它將提供更寬的帶寬，可以進行更多的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它充分體現(xiàn)了我國通信產(chǎn)業(yè)界在寬帶無線移動通信領(lǐng)域的最新自主創(chuàng)新成果。
目前，TD-LTE-Advanced已獲得歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP和亞太地區(qū)通信企業(yè)的廣泛認(rèn)可和支持。
2美國
新一代無線通信技術(shù)在美國及日本等發(fā)達國家已經(jīng)進入密集的研發(fā)和市場化階段。據(jù)美國電氣電子工程學(xué)會(IEEE)最新公布的802.16無線寬帶技術(shù)草案文本，該機構(gòu)目前正在研究一項無線傳輸新標(biāo)準(zhǔn)802.16m兼容WiMAX和4G。802.16m標(biāo)準(zhǔn)在快速移動狀態(tài)下的傳輸速率可達100Mbit/s。
美國AT&T早在2000年就推出了4GAccess網(wǎng)絡(luò)，它能配合EDGE技術(shù)進行上傳，并利用寬帶OFDM技術(shù)進行下載。AT&T的4GAccess網(wǎng)絡(luò)升級計劃分為兩個階段，第一階段是移動電話基地臺的軟件構(gòu)建，第二階段則進行智能型天線的硬件構(gòu)建。2004年2月，美國手機服務(wù)提供商Nextel通信公司與思科、北電網(wǎng)絡(luò)和IBM在北卡羅來納州羅利-達拉姆(RaleiGh Durham)地區(qū)試驗“4G”無線服務(wù)，這次“4G”試驗采用Flarion技術(shù)公司提供的每秒鐘下載速度達1.5Mb的設(shè)備，這項服務(wù)向臺式電腦、筆記本電腦、掌上電腦以及其他設(shè)備提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入。
2009年1月6日，美國俄勒岡州波特蘭市正式開通4G移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，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(yè)務(wù)的美國Clearwire公司稱，在波特蘭開通的4G網(wǎng)絡(luò)采用了WiMAX標(biāo)準(zhǔn)。這也是美國迄今第二個開通采用該標(biāo)準(zhǔn)4G網(wǎng)絡(luò)的城市。
美國東部巴爾的摩市去年10月曾開通類似網(wǎng)絡(luò)。據(jù)悉，通過這一網(wǎng)絡(luò)移動上網(wǎng)最快下載速度可達每秒4M字節(jié)。當(dāng)?shù)亍抖砝諏藞蟆房萍加浾吡_格韋在其博客中說，他的實地測評表明，通過4G網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)速度比利用蘋果iPhone手機通過3G網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)平均快4倍以上。
3日本
日本早在21世紀(jì)初就為4G的研發(fā)工作制定了詳細的發(fā)展計劃，并作為e-Japan計劃的一部分，提升到了國家戰(zhàn)略的高度。
2002年3月，日本最大通信運營商NTT DoCoMo公司在東京郊區(qū)的試驗室中建立一個下一代移動通信試驗網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的空中接口采用了基于可變擴展因子技術(shù)的正交頻率和碼分復(fù)用技術(shù)(VSF/OFCDM)。同年10月，NTT DoCoMo表示，該公司已成功完成第四代(4G)移動通信的傳輸實驗。此實驗是在室內(nèi)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宣布進行第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的無線接入系統(tǒng)的戶外試驗。
此次試驗中，日本NTTDoCoMo公司已經(jīng)通過4+4和6+6天線MIMO技術(shù)在100MHz帶寬下分別驗證了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(jīng)成功地以接近5Gbit/s的數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)。2007年9月，NTT DoCoMo展示了一項試驗，在e-UTRA數(shù)據(jù)速率為200Mbit/s的情況下，功耗低于100mW。
2009年5月，日本總務(wù)省向NTT Docomo、軟銀移動、KDDI和e-Mobiel公司頒發(fā)了LTE牌照。按照日本政府為4G研發(fā)設(shè)定的目標(biāo)，到2010年日本將實現(xiàn)比現(xiàn)有傳輸速率快100倍的移動通信系統(tǒng)。
綜上所述，4G移動通信系統(tǒng)無論在技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化進程、產(chǎn)品試驗方面都有了很大的發(fā)展，其發(fā)展前景是相當(dāng)可觀的。當(dāng)然，4G系統(tǒng)要真正投入商用并非易事，會遇到技術(shù)、市場方面的各種困難。
4G網(wǎng)絡(luò)以IP為基礎(chǔ)，具有靈活的多媒體接入方式，將給產(chǎn)業(yè)鏈上的通信運營商、通信設(shè)備商、內(nèi)容提供商帶來巨大的商機，也能為用戶提供隨時隨地、簡單易用的通信服務(wù)，在不久的未來必然會登上舞臺，使未來的通信生活更加豐富。
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