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全球4G通信系統發展研究論文
摘要：本文首先對移動通信系統3G和4G進行了簡單比較，指出3G系統的局限性以及4G系統的優勢。接下來論述了中、美、日三國4G通信系統發展研究進展情況，最后對移動通信系統未來發展做出了展望。
關鍵詞：3G;4G;TD-LTE-Advanced;Wimax
自2009年1月7日，中國工業和信息化部向中國移動、中國電信和中國聯通分別頒發3G牌照以來，中國的3G用戶數在新增移動用戶數中的占比已超過半數，進入規模發展階段。
雖然與2G系統相比，3G系統能夠提供較高的數據速率(快速移動環境下，最高速率為144kb/s;室外到室內或步行環境下，最高速率為384kb/s;室內環境，最高速率為2Mb/s)，能支持多媒體業務，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務的需求;
b.難以提供具有多種QoS的各種速率的業務;
c.難以時限不同頻段的不同業務環境間的無縫漫游;
d.通信費用與2G相比并未降低，甚至更高。
鑒于3G系統的局限性，各國已在積極進行后3G通信系統(IMT-Advanced)的科研與實驗。與3G系統相比，IMT-Advanced具備以下優勢：a.更高的通信速率(1000Mbps)，更寬的網絡頻譜能夠更好的滿足用戶對高速多媒體業務的需求，可傳輸高質量視頻圖像，其圖像傳輸質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務，如無線區域環路(WLL)、數字視頻廣播(DVB)、數字音訊廣播(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，用戶可以根據自己的實際情況定制所需服務。
那么，4G通信系統在世界上的研發進展如何呢?下面，我們就通過中國、美國和日本三國的4G研發進展情況來對此了解一二。
1中國
1.1研發方面2001年，中國“國家863計劃”啟動了面向后三代/四代(B3G/4G)的移動通信發展研究計劃———未來通用無線環境研究計劃(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計，完成了支持分布式多天線接入的射頻系統的設計，初步研究了無線資源管理方案和上層協議，基本完成了基帶電路核心硬件和軟件的設計和測試。Future計劃二期，“TDD系統OFDM上行鏈路設計與實現及TDD技術集成”在2006年6月17日進行了正式驗收。該系統采用寬帶TDD OFDM MIMO技術，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、語音等業務。驗收結果表明該系統已達到了國際領先水平，這標志著我國在下一代移動通信系統的研究中取得了突破性進展。由武漢漢網、華中科技大學和上海交通大學聯手開發出的全IP移動通信技術，傳輸速度比3G快50倍，是國際公認的4G技術核心。
1.2外場技術演示和示范
2007年1月28日，在上海快速移動的測試車上，基于IPV6的高清電視等業務的演示十分流暢。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。這標志著我國第一個4G試驗網已經正式進入第三階段，即外場試驗和預商用計劃。
2009年10月5日至9日，日內瓦舉行國際電信聯盟主辦的“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)技術應用的最新產品。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，還設置了模擬車廂，展示這項技術在行進列車中的應用，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4G網絡TD-LTE演示網覆蓋至黃浦江兩岸9個場館以及江面游船。為觀博者提供世博園區內陸上和水上移動狀態下高清視頻監控、導航、視頻會議等服務;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、發放禮品券等。
1.3與其他國家的合作態勢
原中國信息產業部(現工業信息化部)與他國的4G合作研發始于2003年，當時與日本NTTDoCoMo簽訂了合作意向書，共同探討和研發4G技術;2004年10月，又與韓國達成協議，擴大技術合作范圍，共同支持對4G無線通信系統的研發。在Future計劃的支持下，一批中國研究機構作為合作伙伴參與了歐盟第六框架WINNER、MaGnet、MOCCA等國際上有關未來移動通信研究項目，并與一批跨國企業設立了一系列聯合研發項目。中科院計算所移動通信技術研發中心(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合實驗室，共同開發4G手機平臺，并解決未來手機技術應用方案;上海無線通信研究中心與37家歐洲知名廠商和研發機構結盟，加入歐盟最大的B3G項目“未來全球個人移動通信系統”的開發。2006年3月，中國、韓國和日本就進一步聯合研發4G移動通信標準一事達成共識。
1.4標準研發進展
2004年，中國在標準化組織3GPP提出了第三代移動通信TD-SCDMA的后續演進技術TD-LTE。2009年，在TD-LTE基礎上形成了TD-LTE-Advanced技術方案。TD-LTE-Advanced是中國繼TD-SCDMA之后，提出的具有自主知識產權的新一代移動通信技術。它吸納了TD-SCDMA的主要技術元素，但它將提供更寬的帶寬，可以進行更多的數據業務，它充分體現了我國通信產業界在寬帶無線移動通信領域的最新自主創新成果。
目前，TD-LTE-Advanced已獲得歐洲標準化組織3GPP和亞太地區通信企業的廣泛認可和支持。
2美國
新一代無線通信技術在美國及日本等發達國家已經進入密集的研發和市場化階段。據美國電氣電子工程學會(IEEE)最新公布的802.16無線寬帶技術草案文本，該機構目前正在研究一項無線傳輸新標準802.16m兼容WiMAX和4G。802.16m標準在快速移動狀態下的傳輸速率可達100Mbit/s。
美國AT&T早在2000年就推出了4GAccess網絡，它能配合EDGE技術進行上傳，并利用寬帶OFDM技術進行下載。AT&T的4GAccess網絡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建，第二階段則進行智能型天線的硬件構建。2004年2月，美國手機服務提供商Nextel通信公司與思科、北電網絡和IBM在北卡羅來納州羅利-達拉姆(RaleiGh Durham)地區試驗“4G”無線服務，這次“4G”試驗采用Flarion技術公司提供的每秒鐘下載速度達1.5Mb的設備，這項服務向臺式電腦、筆記本電腦、掌上電腦以及其他設備提供高速互聯網接入。
2009年1月6日，美國俄勒岡州波特蘭市正式開通4G移動互聯網業務，波特蘭因此成為美國西部首個邁入4G時代的城市。
推出這一業務的美國Clearwire公司稱，在波特蘭開通的4G網絡采用了WiMAX標準。這也是美國迄今第二個開通采用該標準4G網絡的城市。
美國東部巴爾的摩市去年10月曾開通類似網絡。據悉，通過這一網絡移動上網最快下載速度可達每秒4M字節。當地《俄勒岡人報》科技記者羅格韋在其博客中說，他的實地測評表明，通過4G網絡上網速度比利用蘋果iPhone手機通過3G網絡上網平均快4倍以上。
3日本
日本早在21世紀初就為4G的研發工作制定了詳細的發展計劃，并作為e-Japan計劃的一部分，提升到了國家戰略的高度。
2002年3月，日本最大通信運營商NTT DoCoMo公司在東京郊區的試驗室中建立一個下一代移動通信試驗網絡，該網絡的空中接口采用了基于可變擴展因子技術的正交頻率和碼分復用技術(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(4G)的無線接入系統的戶外試驗。
此次試驗中，日本NTTDoCoMo公司已經通過4+4和6+6天線MIMO技術在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，公司已經成功地以接近5Gbit/s的數據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據。2007年9月，NTT DoCoMo展示了一項試驗，在e-UTRA數據速率為200Mbit/s的情況下，功耗低于100mW。
2009年5月，日本總務省向NTT Docomo、軟銀移動、KDDI和e-Mobiel公司頒發了LTE牌照。按照日本政府為4G研發設定的目標，到2010年日本將實現比現有傳輸速率快100倍的移動通信系統。
綜上所述，4G移動通信系統無論在技術研究、標準化進程、產品試驗方面都有了很大的發展，其發展前景是相當可觀的。當然，4G系統要真正投入商用并非易事，會遇到技術、市場方面的各種困難。
4G網絡以IP為基礎，具有靈活的多媒體接入方式，將給產業鏈上的通信運營商、通信設備商、內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，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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