5G通訊技術詳解

　　在CES2017和MWC2017上都吸睛無數(shù)的5G技術，已經成為2017年最熱門的詞匯之一。然而由于它“技術”的屬性，很多網友仍對它有疑惑和不解：什么是5G?和4G有什么區(qū)別?什么時候能用上?以及，它是否只是刺激商業(yè)市場的一次言過其實的網絡提速?學習啦小編想用本篇文章，通過對理論層面通俗的解釋和在實踐層面廠家產品以及動作的解讀，回答兩個問題：什么是5G?我們正處于哪個階段?下面跟著小編一起來看看吧。

　　5G通訊技術詳解

　　拋開技術名詞，通俗的理解什么是5G

　　5G就是第五代移動網絡(cellular networking，也稱“蜂窩網絡”)。然而，5G目前并沒有一個明確的標準和一個確切的定義。但是有一個方面達成了共識，那就是使用“毫米”級的波長(mmWave，也稱作“毫米波”)。

　　仔細翻看高中物理課本你會回憶起這樣一句話“波長越小，頻率越高”。我們收聽的電臺，比如“88.7”，就是頻率，意思是這個電臺通過88.7 MHz的頻率段傳遞信息。路由器使用的“2.4 GHz”也是頻率，意思是通過2.4 GHz的頻率段傳遞信息。毫米波對應的頻率段大概是30 GHz到300 GHz。

　　但是用高頻率段傳遞信息有什么用呢?研究發(fā)現(xiàn)，頻率越高，能夠承載的信息就越多。所以電臺這樣87.5 MHz到108.0 MHz的頻率段只傳遞聲音信息。而到了2.4 GHz的頻率段，聲音、圖像、視頻都能綽綽有余的承載。當達到37 GHz、39 GHz這樣高的頻率段時，人們預計，做到清晰、流暢、低延時的VR直播不會是問題。

　　詳解：5G是什么?多久才能來?

　　但是高頻段也有它的缺點，最為致命的就是穿透性特別差。你可以想一想路由器和收音電臺的區(qū)別：當隔著幾道墻時，路由器信號就有明顯的衰減了，而電臺的信號卻覆蓋了一座城市。

　　這就意味著5G的普及需要非常多，非常非常多的天線，以克服穿透性差的問題。另外，不管是運營商的設備還是消費者的終端都需要根據(jù)這些天線進行改變。

　　此外，想要充分發(fā)揮5G的優(yōu)勢，不僅僅是從基站到終端的改變，包括筆者在內的很多網友都忽視了一方面：運營商的網絡轉型。

　　5G網絡既要應對超高速的移動寬帶需求、也要滿足智能駕駛和工業(yè)物聯(lián)網設備對穩(wěn)定性和時延的苛刻要求(注：如果網絡數(shù)據(jù)時延能沖50ms縮短到1ms，就會讓一輛時速60km的自動駕駛車輛的反應距離從1m縮短至1.6cm。這會大大的加強此類應用的可用性和安全性。)，還要包容海量的物聯(lián)網設備。這就需要運營商及時調動不同資源予以支持，而現(xiàn)有的架構相對封閉，滿足不了5G網絡“靈活”和“多樣化”的需求。

　　5G時代的到來需要從端到端，從內到外的變革。這也是為什么雖然5G預計在2020年才能實現(xiàn)商用的原因之一。

　　說回MWC，通過英特爾，來看看我們正處于變革的哪個階段

　　詳解：5G是什么?多久才能來?

　　簡單了解概念只是回答了“什么是5G?”，想要了解5G多久才能來，就需要去關注重點廠商的產品和動作。

　　此次選擇以“英特爾”在MWC2017的產品和動作為軸，來審視一下我們目前處于這場變革的哪個階段。原因有二：

　　一是我們與英特爾有合作交流，能夠獲取更多一些關于5G方面的信息。

　　二是英特爾同高通、AT&T、華為等一樣，確實是5G方面的領先者之一，它在5G領域側重的“智慧城市”、“無人駕駛”、“虛擬和增強現(xiàn)實”、“萬物互聯(lián)”都是焦點產業(yè)，而此次“5G+網絡轉型”的主題也證明了，它想通過自身，極力的推動這場變革。

　　總之，這是一把很好的標尺。

　　IT之家詳解：5G是什么?多久才能來?

　　首先，英特爾此次發(fā)布了三類產品：

　　一是“第三代移動試驗平臺”，它能夠達到5G標準的低延時以及10Gps數(shù)據(jù)流的要求。支持3.3-4.2GHz、28GHz和39GHz的頻段，對高頻段和低頻段都有覆蓋。

　　這個平臺主要是做5G的終端，它是一個更快地集成和測試5G設備和無線接入點的高性能開發(fā)平臺。英特爾目前也正在與全球運營商合作，利用這個新的試驗平臺進行5G開發(fā)、原型設計和測試，并進一步升級這個平臺。

　　二是“英特爾XMM 7560調制解調器”，14納米技術制造，高度集成，6模35頻(即支持6種通訊模式，35個工作頻段)，面向下一代LTE Advanced(嚴格意義上“4G”)設備。

　　這個產品就是可以理解成我們常說的手機基帶。它的上上一代產品英特爾XMM 7360曾在iPhone7系列上使用。這個產品主要還是著力于4G，可以理解成為5G技術做技術儲備。

　　三是移動邊緣計算產品組合(Mobile Edge Computing, MEC)，移動邊緣計算主要創(chuàng)造高性能、低延遲與高帶寬的網絡環(huán)境。

　　由于人們想在5G時代全面推行”無人駕駛“、”萬物互聯(lián)“等應用，如果只做5G無線技術方面的革新，而運營商不做網絡轉型，人們所暢想的在5G時代下全面發(fā)展的”無人駕駛“、”萬物互聯(lián)“等應用就無法達成和實現(xiàn)。英特爾的這個產品組合服務于就是通訊服務供應商，幫助它們進行網絡轉型的產品。

　　通過這幾款產品我們發(fā)現(xiàn)，我們其實處在通向5G時代的初期，一個有著大體概念的摸索階段。產品的思路以進一步開發(fā)5G，做技術儲備為主。英特爾的這幾款產品代表目前還是在為進入5G的變革打基礎。

　　詳解：5G是什么?多久才能來?

　　其次，英特爾還宣布了自己的幾項動作，主要圍繞著“平臺”和“互通性”：

　　與愛立信聯(lián)手推出5G創(chuàng)新者計劃，聚焦工業(yè)物聯(lián)網;與諾基亞合作設立了兩個5G解決方案的實驗室，以測試和加快新無線技術的商業(yè)就緒，支持5G服務的發(fā)展;AT&T合作共同推動物聯(lián)網設備快速上市、獲得認證并接入網絡。

　　與愛立信實現(xiàn)第一個Pre-5G空中無線互通性，對應用層面不同產品、系統(tǒng)之間的相互配合提供了解決辦法;參與了諾基亞第一個符合5GTF接口的連接的發(fā)布，對之后商用制定標準有推動作用。

　　通過這幾個動作可以看到，以英特爾為例的行業(yè)領先者“抱團合作”，為更多的企業(yè)能夠加入5G的變革提供平臺和資源。我們雖然處在通向5G時代的初期，但卻是在一個“加速度”的狀態(tài)，越來越多的力量融入到行業(yè)領先者建立的平臺和團隊里。

　　通過總結，我們發(fā)現(xiàn)5G時代還需要幾年才能到來，我們仍處于通向5G時代的初期，但是勢頭正盛。以英特爾為代表的行業(yè)領先者，通過自身的產品以及行動，引領著更多廠商進入到這場變革中來。

　　你還記得你使用2G網絡或3G網絡時是什么樣子嗎?當經歷了2G到3G，3G到4G的體驗之后，我們有理由期待5G帶給我們更多的可能性。

　　4G通信技術介紹

　　第四代移動電話行動通信標準，指的是第四代移動通信技術，外語縮寫：4G。該技術包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式(嚴格意義上來講，LTE只是3.9G，盡管被宣傳為4G無線標準，但它其實并未被3GPP認可為國際電信聯(lián)盟所描述的下一代無線通訊標準IMT-Advanced，因此在嚴格意義上其還未達到4G的標準。只有升級版的LTE Advanced才滿足國際電信聯(lián)盟對4G的要求)。

　　4G是集3G與WLAN于一體，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質量、音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100Mbps以上的速度下載，比目前的家用寬帶ADSL(4兆)快25倍，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。此外，4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。

　　產生背景

　　隨著數(shù)據(jù)通信與多媒體業(yè)務需求的發(fā)展，適應移動數(shù)據(jù)、移動計算及移動多媒體運作需要的第四代移動通信開始興起，因此有理由期待這種第四代移動通信技術給人們帶來更加美好的未來。另一方面，4G也因為其擁有的超高數(shù)據(jù)傳輸速度，被中國物聯(lián)網校企聯(lián)盟譽為機器之間當之無愧的“高速對話”。

　　發(fā)展歷史

　　研發(fā)階段

　　2001年12月～2003年12月，開展Beyond 3G/4G蜂窩通信空中接口技術研究，完成Beyond 3G/4G系統(tǒng)無線傳輸系統(tǒng)的核心硬、軟件研制工作，開展相關傳輸實驗，向ITU提交有關建議;

　　2004年1月～2005年12月，使Beyond 3G/4G空中接口技術研究達到相對成熟的水平，進行與之相關的系統(tǒng)總體技術研究(包括與無線自組織網絡、游牧無線接入網絡的互聯(lián)互通技術研究等)，完成聯(lián)網試驗和演示業(yè)務的開發(fā)，建成具有Beyond 3G/4G技術特征的演示系統(tǒng)，向ITU提交初步的新一代無線通信體制標準;

　　2006年1月～2010年12月，設立有關重大專項，完成通用無線環(huán)境的體制標準研究及其系統(tǒng)實用化研究，開展較大規(guī)模的現(xiàn)場試驗。[1]

　　運行階段

　　2010年是海外主流運營商規(guī)模建設4G的元年，多數(shù)機構預計海外4G投資時間還將持續(xù)3年左右。

　　2012年國家工業(yè)和信息化部部長苗圩表示：4G的腳步越來越近，4G牌照在一年左右時間中就會下發(fā)。

　　2013年，"谷歌光纖概念"開始在全球發(fā)酵，在美國國內成功推行的同時，谷歌光纖開始向非洲、東南亞等地推廣，給全球4G網絡建設再次添柴加火。同年8月，國務院總理李克強日前主持召開國務院常務會議，要求提升3G網絡覆蓋和服務質量，推動年內發(fā)放4G牌照。12月4日正式向三大運營商發(fā)布4G牌照，中國移動、中國電信和中國聯(lián)通均獲得TD-LTE牌照，不過中國聯(lián)通和中國電信熱切期待的FDD-LTE牌照，暫未發(fā)放。[2-3]

　　2013年12月18日，中國移動在廣州宣布，將建成全球最大4G網絡。2013年年底前，北京、上海、廣州、深圳等16個城市可享受4G服務;預計到2014年年底，4G網絡將覆蓋超過340個城市。[4]

　　2014年1月，京津城際高鐵作為全國首條實現(xiàn)移動4G網絡全覆蓋的鐵路，實現(xiàn)了300公里時速高鐵場景下的數(shù)據(jù)業(yè)務高速下載，一部2G大小的電影只需要幾分鐘。原有的3G信號也得到增強。[5]

　　2014年1月20日，中國聯(lián)通已在珠江三角洲及深圳等十余個城市和地區(qū)開通42M，實現(xiàn)全網升級，升級后的3G網絡均可以達到42M標準，同時將在今年年內完成全國360多個城市和大部分地區(qū)3G網絡的42M升級。

　　2014年7月21日中國移動在召開的新聞發(fā)布會上又提出包括持續(xù)加強4G網絡建設、實施清晰透明的訂購收費、大力治理垃圾信息等六項服務承諾。中移動表示，將繼續(xù)降低4G資費門檻。[6]

　　截至2015年12月底，全國電話用戶總數(shù)達到15.37億戶，其中移動電話用戶總數(shù)13.06億戶，4G用戶總數(shù)達3.86225億戶，4G用戶在移動電話用戶中的滲透率為29.6%。[7]

　　核心技術

　　接入方式和多址方案

　　(正交頻分復用)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術，其主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個

　　4G

　　4G

　　子載波進行調制，各子載波并行傳輸。盡管總的信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬。OFDM技術的優(yōu)點是可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率，可實現(xiàn)低成本的單波段接收機。OFDM的主要缺點是功率效率不高。

　　調制與編碼技術

　　4G移動通信系統(tǒng)采用新的調制技術，如多載波正交頻分復用調制技術以及單載波自適應均衡技術等調制方式，以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動通信系統(tǒng)采用更高級的信道編碼方案(如Turbo碼、級連碼和LDPC等)、自動重發(fā)請求(ARQ)技術和分集接收技術等，從而在低Eb/N0條件下保證系統(tǒng)足夠的性能。

　　高性能的接收機

　　4G移動通信系統(tǒng)對接收機提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實現(xiàn)容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以計算出，對于3G系統(tǒng)如果信道帶寬為5MHz，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB;而對于4G系統(tǒng)，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數(shù)據(jù)，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統(tǒng)，由于速率很高，對接收機的性能要求也要高得多。

　　智能天線技術

　　智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調節(jié)等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線應用數(shù)字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的。這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量。

　　MIMO技術

　　(多輸入多輸出)技術是指利用多發(fā)射、多接收天線進行空間分集的技術，它采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經證明，當不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關時，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。例如：當接收天線和發(fā)送天線數(shù)目都為8根，且平均信噪比為20dB時，鏈路容量可以高達42bps/Hz，這是單天線系統(tǒng)所能達到容量的40多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術是實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質量的空間分集技術。在無線頻譜資源相對匱乏的今天，　MIMO系統(tǒng)已經體現(xiàn)出其優(yōu)越性，也會在4G移動通信系統(tǒng)中繼續(xù)應用。

　　軟件無線電技術

　　軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結構的新技術。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯編碼軟件、調制解調算法軟件等。軟件無線電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網絡和空中接口。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現(xiàn)各種應用的可變QoS。

　　基于IP的核心網

　　移動通信系統(tǒng)的核心網是一個基于全IP的網絡，同已有的移動網絡相比具有根本性的優(yōu)點，即：可以實現(xiàn)不同網絡間的無縫互聯(lián)。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務，能同已有的核心網和PSTN兼容。核心網具有開放的結構，能允許各種空中接口接入核心網;同時核心網能把業(yè)務、控制和傳輸?shù)确珠_。采用IP后，所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網絡(CN)協(xié)議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設計核心網絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協(xié)議。

　　多用戶檢測技術

　　多用戶檢測是寬帶通信系統(tǒng)中抗干擾的關鍵技術。在實際的CDMA通信系統(tǒng)中，各個用戶信號之間存在一定的相關性，這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產生的多址干擾固然很小，可是隨著用戶數(shù)的增加或信號功率的增大，多址干擾就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個主要干擾。傳統(tǒng)的檢測技術完全按照經典直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理，因而抗多址干擾能力較差;多用戶檢測技術在傳統(tǒng)檢測技術的基礎上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠近效應問題，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量。隨著多用戶檢測技術的不斷發(fā)展，各種高性能又不是特別復雜的多用戶檢測器算法不斷提出，在4G實際系統(tǒng)中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。[8]

　　網絡結構

　　4G移動系統(tǒng)網絡結構可分為三層：物理網絡層、中間環(huán)境層、應用網絡層。物理網絡層提供接入和路由選擇功能，它們由無線和核心網的結合格式完成。中間環(huán)境層的功能有QoS映射、地址變換和完全性管理等。

　　物理網絡層與中間環(huán)境層及其應用環(huán)境之間的接口是開放的，它使發(fā)展和提供新的應用及服務變得更為容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務，并運行于多個頻帶。[9]

　　4G特點

　　優(yōu)勢

　　通信速度快

　　由于人們研究4G通信的最初目的就是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問Internet的速率，因此4G通信給人印象最深刻的特征莫過于它具有更快的無線通信速度。

　　從移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率作比較，第一代模擬式僅提供語音服務;第二代數(shù)位式移動通信系統(tǒng)傳輸速率也只有9.6Kbps，最高可達32Kbps，如PHS;第三代移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達到2Mbps;而第四代移動通信系統(tǒng)傳輸速率可達到20Mbps，甚至最高可以達到高達100Mbps，這種速度會相當于2009年最新手機的傳輸速度的1萬倍左右,第三代手機傳輸速度的50倍。

　　網絡頻譜寬

　　要想使4G通信達到100Mbps的傳輸，通信營運商必須在3G通信網絡的基礎上，進行大幅度的改造和研究，以便使4G網絡在通信帶寬上比3G網絡的蜂窩系統(tǒng)的帶寬高出許多。據(jù)研究4G通信的AT&T的執(zhí)行官們說，估計每個4G信道會占有100MHz的頻譜，相當于W-CDMA3G網絡的20倍。

　　通信靈活

　　從嚴格意義上說，4G手機的功能，已不能簡單劃歸“電話機”的范疇，畢竟語音資料的傳輸只是4G移動電話的功能之一而已，因此未來4G手機更應該算得上是一只小型電腦了，而且4G手機從外觀和式樣上，會有更驚人的突破，人們可以想象的是，眼鏡、手表、化妝盒、旅游鞋，以方便和個性為前提，任何一件能看到的物品都有可能成為4G終端，只是人們還不知應該怎么稱呼它。

　　未來的4G通信使人們不僅可以隨時隨地通信，更可以雙向下載傳遞資料、圖畫、影像，當然更可以和從未謀面的陌生人網上聯(lián)線對打游戲。也許有被網上定位系統(tǒng)永遠鎖定無處遁形的苦惱，但是與它據(jù)此提供的地圖帶來的便利和安全相比，這簡直可以忽略不計。

　　智能性能高

　　第四代移動通信的智能性更高，不僅表現(xiàn)于4G通信的終端設備的設計和操作具有智能化，例如對菜單和滾動操作的依賴程度會大大降低，更重要的4G手機可以實現(xiàn)許多難以想象的功能。

　　例如4G手機能根據(jù)環(huán)境、時間以及其他設定的因素來適時地提醒手機的主人此時該做什么事，或者不該做什么事，4G手機可以把電影院票房資料，直接下載到PDA之上，這些資料能夠把售票情況、座位情況顯示得清清楚楚，大家可以根據(jù)這些信息來進行在線購買自己滿意的電影票;4G手機可以被看作是一臺手提電視，用來看體育比賽之類的各種現(xiàn)場直播。LG G3支持雙卡，支持2014年的主流4G，并內置可拆卸式3000毫安時電池。[10]

　　兼容性好

　　要使4G通信盡快地被人們接受，不但考慮的它的功能強大外，還應該考慮到現(xiàn)有通信的基礎，以便讓更多的現(xiàn)有通信用戶在投資最少的情況下就能很輕易地過渡到4G通信。

　　因此，從這個角度來看，未來的第四代移動通信系統(tǒng)應當具備全球漫游，接口開放，能跟多種網絡互聯(lián)，終端多樣化以及能從第二代平穩(wěn)過渡等特點。

　　提供增值服務

　　4G通信并不是從3G通信的基礎上經過簡單的升級而演變過來的，它們的核心建設技術根本就是不同的，3G移動通信系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術，而4G移動通信系統(tǒng)技術則以正交多任務分頻技術(OFDM)最受矚目，利用這種技術人們可以實現(xiàn)例如無線區(qū)域環(huán)路(WLL)、數(shù)字音訊廣播(DAB)等方面的無線通信增值服務;不過考慮到與3G通信的過渡性，第四代移動通信系統(tǒng)不會在未來僅僅只采用OFDM一種技術，CDMA技術會在第四代移動通信系統(tǒng)中，與OFDM技術相互配合以便發(fā)揮出更大的作用，甚至未來的第四代移動通信系統(tǒng)也會有新的整合技術如OFDM/CDMA產生，前文所提到的數(shù)字音訊廣播，其實它真正運用的技術是OFDM/FDMA的整合技術，同樣是利用兩種技術的結合。

　　因此未來以OFDM為核心技術的第四代移動通信系統(tǒng)，也會結合兩項技術的優(yōu)點，一部分會是以CDMA的延伸技術。

　　高質量通信

　　盡管第三代移動通信系統(tǒng)也能實現(xiàn)各種多媒體通信，為此未來的第四代移動通信系統(tǒng)也稱為“多媒體移動通信。

　　第四代移動通信不僅僅是為了因應用戶數(shù)的增加，更重要的是，必須要因應多媒體的傳輸需求，當然還包括通信品質的要求?？偨Y來說，首先必須可以容納市場龐大的用戶數(shù)、改善現(xiàn)有通信品質不良，以及達到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　頻率效率高

　　相比第三代移動通信技術來說，第四代移動通信技術在開發(fā)研制過程中使用和引入許多功能強大的突破性技術，例如一些光纖通信產品公司為了進一步提高無線因特網的主干帶寬寬度，引入了交換層級技術，這種技術能同時涵蓋不同類型的通信接口，也就是說第四代主要是運用路由技術(Routing)為主的網絡架構。

　　由于利用了幾項不同的技術，所以無線頻率的使用比第二代和第三代系統(tǒng)有效得多。

　　按照最樂觀的情況估計，這種有效性可以讓更多的人使用與以前相同數(shù)量的無線頻譜做更多的事情，而且做這些事情的時候速度相當快。研究人員說，下載速率有可能達到5Mbps到10Mbps。

　　費用便宜

　　由于4G通信不僅解決了與3G通信的兼容性問題，讓更多的現(xiàn)有通信用戶能輕易地升級到4G通信，而且4G通信引入了許多尖端的通信技術，這些技術保證了4G通信能提供一種靈活性非常高的系統(tǒng)操作方式，因此相對其他技術來說，4G通信部署起來就容易迅速得多;同時在建設4G通信網絡系統(tǒng)時，通信營運商們會考慮直接在3G通信網絡的基礎設施之上，采用逐步引入的方法，這樣就能夠有效地降低運行者和用戶的費用。據(jù)研究人員宣稱，4G通信的無線即時連接等某些服務費用會比3G通信更加便宜。

　　對于人們來說，未來的4G通信的確顯得很神秘，不少人都認為第四代無線通信網絡系統(tǒng)是人類有史以來發(fā)明的最復雜的技術系統(tǒng)。的確，第四代無線通信網絡在具體實施的過程中出現(xiàn)大量令人頭痛的技術問題，大概一點也不會使人們感到意外和奇怪。第四代無線通信網絡存在的技術問題多和互聯(lián)網有關，并且需要花費好幾年的時間才能解決。

　　缺陷

　　標準多

　　雖然從理論上講，3G手機用戶在全球范圍都可以進行移動通信，但是由于沒有統(tǒng)一的國際標準，各種移動通信系統(tǒng)彼此互不兼容，給手機用戶帶來諸多不便。因此，開發(fā)第四代移動通信系統(tǒng)必須首先解決通信制式等需要全球統(tǒng)一的標準化問題，而世界各大通信廠商會對此一直在爭論不休。

　　技術難

　　盡管未來的4G通信能夠給人帶來美好的明天，現(xiàn)已研究出來，但并未普及。據(jù)研究這項技術的開發(fā)人員而言，要實現(xiàn)4G通信的下載速度還面臨著一系列技術問題。

　　例如，如何保證樓區(qū)、山區(qū)，及其它有障礙物等易受影響地區(qū)的信號強度等問題。日本DoCoMo公司表示，為了解決這一問題，公司會對不同編碼技術和傳輸技術進行測試。另外在移交方面存在的技術問題，使手機很容易在從一個基站的覆蓋區(qū)域進入另一個基站的覆蓋區(qū)域時和網絡失去聯(lián)系。

　　[11] 由于第四代無線通信網絡的架構相當復雜，這一問題顯得格外突出。

　　不過，行業(yè)專家們表示，他們相信這一問題可以得到解決，但需要一定的時間。

　　容量受限

　　人們對未來的4G通信的印象最深的莫過于它的通信傳輸速度會得到極大提升，從理論上說其所謂的每秒100Mbps的寬帶速度(約為每秒12.5MB)，比2009年最新手機信息傳輸速度每秒10KB要快1000多倍，但手機的速度會受到通信系統(tǒng)容量的限制，如系統(tǒng)容量有限，手機用戶越多，速度就越慢。據(jù)有關行家分析，4G手機會很難達到其理論速度。如果速度上不去，4G手機就要大打折扣。

　　市場難以消化

　　有專家預測在10年以后，第三代移動通信的多媒體服務會進入第三個發(fā)展階段，此時覆蓋全球的3G網絡已經基本建成，全球25%以上人口使用第三代移動通信系統(tǒng)，第三代技術仍然在緩慢地進入市場，到那時整個行業(yè)正在消化吸收第三代技術，對于第四代移動通信系統(tǒng)的接受還需要一個逐步過渡的過程。

　　另外，在過渡過程中，如果4G通信因為系統(tǒng)或終端的短缺而導致延遲的話，那么號稱5G的技術隨時都有可能威脅到4G的贏利計劃，此時4G漫長的投資回收和贏利計劃會變得異常的脆弱。

　　設施更新慢

　　在部署4G通信網絡系統(tǒng)之前，覆蓋全球的大部分無線基礎設施都是基于第三代移動通信系統(tǒng)建立的，如果要向第四代通信技術轉移的話，那么全球的許多無線基礎設施都需要經歷著大量的變化和更新，這種變化和更新勢必減緩4G通信技術全面進入市場、占領市場的速度。

　　而且到那時，還必須要求3G通信終端升級到能進行更高速數(shù)據(jù)傳輸及支持4G通信各項數(shù)據(jù)業(yè)務的4G終端，也就是說4G通信終端要能在4G通信網絡建成后及時提供，不能讓通信終端的生產滯后于網絡建設。但根據(jù)某些事實來看，在4G通信技術全面進入商用之日算起的二三年后，消費者才有望用上性能穩(wěn)定的4G通信手機。

　　其他

　　因為手機的功能越來越強大，而無線通信網絡也變得越來越復雜，同樣4G通信在功能日益增多的同時，它的建設和開發(fā)也會遇到比以前系統(tǒng)建設更多的困難和麻煩。

　　例如每一種新的設備和技術推出時，其后的軟件設計和開發(fā)必須及時能跟上步伐，才能使新的設備和技術得到很快推廣和應用，但遺憾的是4G通信還只處于研究和開發(fā)階段，具體的設備和用到的技術還沒有完全成型，因此對應的軟件開發(fā)也會遇到困難;另外費率和計費方式對于4G通信的移動數(shù)據(jù)市場的發(fā)展尤為重要，例如WAP手機推出后，用戶花了很多的連接時間才能獲得信息，而按時間及信息內容的收費方式使用戶難以承受，因此必須及早慎重研究基于4G通信的收費系統(tǒng)，以利于市場發(fā)展。

　　4G性能

　　第四代移動通信系統(tǒng)可稱為廣帶 (Broadband) 接入和分布網絡，具有非對稱的超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，數(shù)據(jù)率超過UMTS，是支持高速數(shù)據(jù)率(2～20Mb/s)連接的理想模式，上網速度從2Mb/s提高到

　　3G與4G

　　3G與4G

　　100Mb/s，具有不同速率間的自動切換能力。

　　第四代移動通信系統(tǒng)是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，在業(yè)務上、功能上、頻帶上都與第三代系統(tǒng)不同，會在不同的固定和無線平臺及跨越不同頻帶的網絡運行中提供無線服務，比第三代移動通信更接近于個人通信。第四代移動通信技術可把上網速度提高到超過第三代移動技術50倍，可實現(xiàn)三維圖像高質量傳輸。

　　4G移動通信技術的信息傳輸級數(shù)要比3G移動通信技術的信息傳輸級數(shù)高一個等級。對無線頻率的使用效率比第二代和第三代系統(tǒng)都高得多，且抗信號衰落性能更好，其最大的傳輸速度會是 “i-mode”服務的10000倍。除了高速信息傳輸技術外，它還包括高速移動無線信息存取系統(tǒng)、移動平臺的拉技術、安全密碼技術以及終端間通信技術等，具有極高的安全性，4G終端還可用作諸如定位、告警等。

　　4G手機系統(tǒng)下行鏈路速度為100mbps，上行鏈路速度為30mbps。其基站天線可以發(fā)送更窄的無線電波波束，在用戶行動時也可進行跟蹤，可處理數(shù)量更多的通話。

　　第四代移動電話不僅音質清晰，而且能進行高清晰度的圖像傳輸，用途會十分廣泛。在容量方面，可在FDMA、TDMA、CDMA的基礎上引入空分多址 (SDMA)，容量達到3G的5～10倍。另外，可以在任何地址寬帶接入互聯(lián)網，包含衛(wèi)星通信，能提供信息通信之外的定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網絡(基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng))。

　　其廣帶無線局域網 (WLAN) 能與B-ISDN和ATM兼容，實現(xiàn)廣帶多媒體通信，形成綜合廣帶通信網 (IBCN)，通過IP進行通話。能全速移動用戶能提供150Mb/s的高質量的影像服務，實現(xiàn)三維圖像的高質量傳輸，無線用戶之間可以進行三維虛擬現(xiàn)實通信。

　　能自適應資源分配，處理變化的業(yè)務流、信道條件不同的環(huán)境，有很強的自組織性和靈活性。能根據(jù)網絡的動態(tài)和自動變化的信道條件，使低碼率與高碼率的用戶能夠共存，綜合固定移動廣播網絡或其他的一些規(guī)則，實現(xiàn)對這些功能體積分布的控制。

　　支持交互式多媒體業(yè)務，如視頻會議、無線因特網等，提供更廣泛的服務和應用。4G系統(tǒng)可以自動管理、動態(tài)改變自己的結構以滿足系統(tǒng)變化和發(fā)展的要求。用戶可能使用各種各樣的移動設備接入到4G系統(tǒng)中，各種不同的接入系統(tǒng)結合成一個公共的平臺，它們互相補充、互相協(xié)作以滿足不同的業(yè)務的要求，移動網絡服務趨于多樣化，最終會演變?yōu)樯鐣隙嘈袠I(yè)、多部門、多系統(tǒng)與人們溝通的橋梁。

　　4G標準

　　LTE

　　LTE (Long Term Evolution，長期演進) 項目是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的唯一標準。根據(jù)4G牌照發(fā)布的規(guī)定，國內三家運營商中國移動、中國電信和中國聯(lián)通，都拿到了TD-LTE制式的4G牌照。

　　主要特點是在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s的峰值速率，相對于3G網絡大大的提高了小區(qū)的容量，同時將網絡延遲大大降低：內部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100ms。并且這一標準也是3GPP長期演進 (LTE) 項目，是近兩年來3GPP啟動的最大的新技術研發(fā)項目，其演進的歷史如下：

　　GSM-->GPRS-->EDGE-->WCDMA-->HSDPA/HSUPA-->HSDPA+/HSUPA+-->FDD-LTE長期演進

　　GSM：9K -->GPRS:42K--> EDGE:172K -->WCDMA：364k -->HSDPA/HSUPA:14.4M -->HSDPA+/HSUPA+:42M -->FDD-LTE:300M

　　由于WCDMA網絡的升級版HSPA和HSPA+均能夠演化到FDD-LTE這一狀態(tài)，所以這一4G標準獲得了最大的支持，也將是未來4G標準的主流。TD-LTE與TD-SCDMA實際上沒有關系不能直接向TD-LTE演進。該網絡提供媲美固定寬帶的網速和移動網絡的切換速度，網絡瀏覽速度大大提升。

　　LTE終端設備當前有耗電太大和價格昂貴的缺點，按照摩爾定律測算，估計至少還要6年后，才能達到當前3G終端的量產成本。

　　LTE-Advanced

　　LTE-Advanced：從字面上看，LTE-Advanced就是LTE技術的升級版，那么為何兩種標準都能夠成為4G標準呢?LTE-Advanced的正式名稱為 Further Advancements for E-UTRA，它滿足 ITU-R的IMT-Advanced技術征集的需求，是3GPP形成歐洲IMT-Advanced技術提案的一個重要來源。LTE-Advanced是 一個后向兼容的技術，完全兼容LTE，是演進而不是革命，相當于HSPA和WCDMA這樣的關系。LTE-Advanced的相關特性如下：

　　帶寬：100MHz

　　峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps

　　峰值頻譜效率：下行30bps/Hz，上行15bps/Hz

　　針對室內環(huán)境進行優(yōu)化

　　有效支持新頻段和大帶寬應用

　　峰值速率大幅提高，頻譜效率有限的改進

　　如果嚴格的講，LTE作為3.9G移動互聯(lián)網技術，那么LTE-Advanced作為4G標準更加確切一些。LTE-Advanced的入圍，包含 TDD和FDD兩種制式，其中TD-SCDMA將能夠進化到TDD制式，而WCDMA網絡能夠進化到FDD制式。移動主導的TD-SCDMA網絡期望能夠 直接繞過HSPA+網絡而直接進入到LTE。

　　WiMax

　　WiMax：WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access)，即全球微波互聯(lián)接入，WiMAX的另一個名字是IEEE 802.16。WiMAX的技術起點較高，WiMax所能提供的最高接入速度是70M，這個速度是3G所能提供的寬帶速度的30倍。

　　對無線網絡來說，這的確是一個驚人的進步。WiMAX逐步實現(xiàn)寬帶業(yè)務的移動化，而3G則實現(xiàn)移動業(yè)務的寬帶化，兩種網絡的融合程度會越來越高，這也是未來移動世界和固定網絡的融合趨勢。

　　802.16工作的頻段采用的是無需授權頻段，范圍在2GHz至66GHz之間，而802.16a則是一種采用2G至11GHz無需授權頻段的寬帶無線接入系統(tǒng)，其頻道帶寬可根據(jù)需求在1.5M至20MHz范圍進行調整，具有更好高速移動下無縫切換的IEEE 802.16m的技術正在研發(fā)。因此，802.16所使用的頻譜可能比其它任何無線技術更豐富，WiMax具有以下優(yōu)點：

　　(1)對于已知的干擾，窄的信道帶寬有利于避開干擾，而且有利于節(jié)省頻譜資源。

　　(2)靈活的帶寬調整能力，有利于運營商或用戶協(xié)調頻譜資源。

　　(3)WiMax所能實現(xiàn)的50公里的無線信號傳輸距離是無線局域網所不能比擬的，網絡覆蓋面積是3G發(fā)射塔的10倍，只要少數(shù)基站建設就能實現(xiàn)全城覆蓋，能夠使無線網絡的覆蓋面積大大提升。

　　不過WiMax網絡在網絡覆蓋面積和網絡的帶寬上優(yōu)勢巨大，但是其移動性卻有著先天的缺陷，無法滿足高速(≧50km/h)下的網絡的無縫鏈接，從這個意義上講，WiMax還無法達到3G網絡的水平，嚴格地說并不能算作移動通信技術，而僅僅是無線局域網的技術。

　　但是WiMax的希望在于IEEE 802.11m技術上，將能夠有效的解決這些問題，也正是因為有中國移動、英特爾、Sprint各大廠商的積極參與，WiMax成為呼聲僅次于LTE的4G網絡手機。關于IEEE 802.16m這一技術，我們將留在最后作詳細的闡述。

　　Wimax當前全球使用用戶大約800萬，其中60%在美國。Wimax其實是最早的4G通信標準，大約出現(xiàn)于2000年。

　　Wireless MAN

　　WirelessMAN-Advanced：WirelessMAN- Advanced事實上就是WiMax的升級版，即IEEE 802.16m標準，802.16系列標準在IEEE正式稱為WirelessMAN ，而WirelessMAN-Advanced即為IEEE 802.16m。其中，802.16m最高可以提供1Gbps無線傳輸速率，還將兼容未來的4G無線網絡。802.16m可在“漫游”模式或高效率/強信號模式下提供1Gbps的下行速率。該標準還支持“高移動”模式，能夠提供1Gbps速率。其優(yōu)勢如下：

　　1.提高網絡覆蓋，改建鏈路預算;

　　2.提高頻譜效率;

　　3.提高數(shù)據(jù)和VOIP容量;

　　4.低時延&QoS增強;

　　5.功耗節(jié)省;

　　WirelessMAN-Advanced有5種網絡數(shù)據(jù)規(guī)格，其中極低速率為16kbps，低數(shù)率數(shù)據(jù)及低速多媒體為144kbps，中速多媒 體為2Mbps，高速多媒體為30Mbps超高速多媒體則達到了30Mbps--1Gbps。

　　但是該標準可能會被率先被軍方所采用，IEEE方面表示軍方 的介入將能夠促使WirelessMAN-Advanced更快的成熟和完善，而且軍方的今天就是民用的明天。不論怎樣，WirelessMAN- Advanced得到ITU的認可并成為4G標準的可能性極大。

　　國際標準

　　2012年1月18日下午5時，國際電信聯(lián)盟在2012年無線電通信全會全體會議上，正式審議通過將LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced(802.16m)技術規(guī)范確立為IMT-Advanced(俗稱“4G”)國際標準，中國主導制定的TD-LTE-Advanced和FDD-LTE-Advance同時并列成為4G國際標準。

　　4G國際標準工作歷時三年。從2009年初開始，ITU在全世界范圍內征集IMT-Advanced候選技術。2009年10月，ITU共計征集到了六個候選技術，分別來自北美標準化組織IEEE的802.16m、日本3GPP的FDD-LTE-Advance、韓國(基于802.16m)和中國(TD-LTE-Advanced)、歐洲標準化組織3GPP(FDD-LTE-Advance)。

　　4G國際標準公布有兩項標準分別是LTE-Advance和IEEE，一類是LTE-Advance的FDD部分和中國提交的TD-LTE-Advanced的TDD部分，總基于3GPP的LTE-Advance。另外一類是基于IEEE 802.16m的技術。

　　ITU在收到候選技術以后，組織世界各國和國際組織進行了技術評估。在2010年10月份，在中國重慶，ITU-R下屬的WP5D工作組最終確定了IMT-Advanced的兩大關鍵技術，即LTE-Advanced和802.16m。中國提交的候選技術作為LTE-Advanced的一個組成部分，也包含在其中。在確定了關鍵技術以后，WP5D工作組繼續(xù)完成了電聯(lián)建議的編寫工作，以及各個標準化組織的確認工作。此后WP5D將文件提交上一級機構審核，SG5審核通過以后，再提交給全會討論通過。

　　在此次會議上，TD-LTE正式被確定為4G國際標準，也標志著中國在移動通信標準制定領域再次走到了世界前列，為TD-LTE產業(yè)的后續(xù)發(fā)展及國際化提供了重要基礎。

　　日本軟銀、沙特阿拉伯STC、mobily、巴西sky Brazil、波蘭Aero2等眾多國際運營商已經開始商用或者預商用TD-LTE網絡。印度Augere預計2012年2月開始預商用。審議通過后，將有利于TD-LTE技術進一步在全球推廣。同時，國際主流的電信設備制造商基本全部支持TD-LTE，而在芯片領域，TD-LTE已吸引17家廠商加入，其中不乏高通等國際芯片市場的領導者。

　　速率對比

　　無線蜂窩技術：CDMA2000 1x/EVDo;GSM EDGE;TD-SCDMA HSPA;WCDMA HSPA;TD-LTE;FDD-LTE

　　4G網絡的下行速率能達到100Mbps～150Mbps，比3G快20倍～30倍，上傳的速度也能達到20Mbps～40Mbps。這種速率能滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。有人曾這樣比較3G和4G的網速，3G的網速相當于“高速公路”，4G的網速相當于“磁懸浮”。

　　多模多頻芯片

　　支持LTE/3G多模多頻是LTE終端的明確發(fā)展方向，也是國內運營商的發(fā)展思路。目前國內某些運營商已經公開表示將建設TDD/FDD融合組網，這對多模多頻也提出了很高要求。[12] 中國移動也多次強調，TDD/FDD混合組網、支持5模10頻、5模12頻及Band 41是中國移動發(fā)展LTE智能終端的重點。[13]

　　關于多模多頻，業(yè)界普遍認為頻段不統(tǒng)一是當今全球LTE終端設計的最大障礙——當前，全球2G、3G 和4G LTE網絡頻段的多樣性對移動終端開發(fā)構成了挑戰(zhàn)。全球2G和3G技術各采用4到5個不同的頻段，加上4G LTE，網絡頻段的總量將近40個。要支持多模多頻，首先就需要終端集成能同時支持多種制式和頻段的芯片。

　　芯片標準

　　從4G芯片的發(fā)展來看，4G芯片應該具備高度集成、多模多頻、強大的數(shù)據(jù)與多媒體處理能力。全球4G手機大多數(shù)采用高通的芯片。博通、Marvell、英特爾、聯(lián)發(fā)科、聯(lián)芯科技、創(chuàng)毅視訊、展迅、海思等芯片廠商也有4G基帶芯片產品推出，主要運用于MIFI、CPE等數(shù)據(jù)終端中。

　　在2013年8月初最新公布的中國移動2013年度TD-LTE終端采購的芯片使用上，采用高通芯片的比例超過60%，甚至有的預期稱可能會占到中國移動2013年所有采購的4G終端產品的70%左右。

　　高通的LTE芯片強調高集成度和多模多頻支持，高通所有LTE芯片組均同時支持LTETDD和LTE FDD，而在LTE/3G多模方面，以第三代調制解調器Gobi MDM9x25為例，支持LTERel10、HSPA+ Rel10、1x/DO、TD-SCDMA、GSM/EDGE;此外強調“高集成”和“單芯片”的驍龍800系列處理器也集成了Gobi 9x25調制解調方案。而目前有超過150款采用高通第三代調制解調方案的智能終端正在研發(fā)中。 此外，2013年年初推出的RF360前端解決方案還首次實現(xiàn)單個終端支持所有LTE制式和頻段的設計，支持七種網絡制式(FDD、TD-LTE、WCDMA、EV-DO、CDMA1x、TD-SCDMA和GSM/EDGE)。