淺談4G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

摘 要：4G移動(dòng)通信系統(tǒng)以其通信速度快、增值服務(wù)多、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬和智能性能高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一躍成為3G網(wǎng)絡(luò)的延伸。文章首先簡(jiǎn)單介紹了4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念，同時(shí)詳細(xì)描述了4G系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，最后討論了4G移動(dòng)通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展過(guò)程中面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 4G；3G；移動(dòng)通信；發(fā)展現(xiàn)狀

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和蘋果、三星等智能手機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用，移動(dòng)通信的發(fā)展日新月異。為了實(shí)現(xiàn)“任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)能夠與任何其他人進(jìn)行任何類型的通信”[1]的美好目標(biāo)，移動(dòng)通信至今已經(jīng)歷了數(shù)代的發(fā)展。以大哥大為代表的1G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在“任何地方”進(jìn)行通話，解決了用戶的基本通信需求；到了2G時(shí)代，以GSM、CDMA為代表的2G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從模擬到數(shù)字通信的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變，其廣闊的地域覆蓋使得在“任何地點(diǎn)”進(jìn)行實(shí)時(shí)通話的目標(biāo)成為現(xiàn)實(shí)，同時(shí)提供的低速率數(shù)據(jù)傳輸能力，使得“任何類型”的信息交換成為可能；但隨著視頻、多媒體數(shù)據(jù)等高速率業(yè)務(wù)的急劇增長(zhǎng)，2G已經(jīng)力不從心，因此3G應(yīng)運(yùn)而生。以TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000為標(biāo)準(zhǔn)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）在頻率利用率和系統(tǒng)容量方面有了較大幅度的提升，使得“任何類型”的無(wú)線寬帶多媒體業(yè)務(wù)得以實(shí)現(xiàn)。至此，移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)了最初的美好夢(mèng)想，但由于三大標(biāo)準(zhǔn)之間的不兼容，導(dǎo)致3G無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球無(wú)線漫游。為此各國(guó)已開(kāi)始迅速發(fā)展第四代移動(dòng)通信，旨在實(shí)現(xiàn)“無(wú)線的寬帶化”[2]。本文將重點(diǎn)對(duì)4G的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展可能面臨的問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 4G概述

4G（4rd-generation）是通信行業(yè)從業(yè)人員對(duì)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。作為3G網(wǎng)絡(luò)的延伸，4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率都有了極大幅度的提升。國(guó)際電信聯(lián)盟要求，在靜止或者低速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，4G的下行峰值速率理論上能夠達(dá)到1Gbit/s，實(shí)現(xiàn)了從“M”數(shù)量級(jí)到“G”數(shù)量級(jí)的巨大轉(zhuǎn)變；在高速移動(dòng)狀態(tài)下，下行峰值速率可以達(dá)到100Mbit/s，比現(xiàn)有的撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，是3G網(wǎng)絡(luò)下行速度的3-5倍，同時(shí)上行傳輸速率為20 Mbit/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了3G網(wǎng)絡(luò)的上下行傳輸速率，足以滿足不同用戶對(duì)高速率無(wú)線綜合業(yè)務(wù)的要求[3]。在峰值頻譜效率方面，4G下行30bps/Hz，上行15bps/Hz，是3G頻譜利用率的5-10倍。此外，4G還具有通信服務(wù)多元化、計(jì)費(fèi)方式靈活等諸多優(yōu)勢(shì)。目前，4G已在即時(shí)移動(dòng)視頻、云端游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)和智能家居等方面得到了成功應(yīng)用。

2 4G國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1全球4G發(fā)展現(xiàn)狀

自2009年在瑞典首次推出全球的第一個(gè)4G LTE網(wǎng)絡(luò)以來(lái)，各個(gè)國(guó)家都在大力研究和推進(jìn)4G的發(fā)展，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)五種之多，包括LTE-Advanced、WirelessMAN-Advanced、WiMax、HSPA+和LTE。根據(jù)全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)提供的報(bào)告，截止2013年9月份，全球共81個(gè)國(guó)家和地區(qū)已成功建設(shè)213張4G商用網(wǎng)絡(luò)。預(yù)計(jì)全球的4G用戶數(shù)量將在2016年底突破9億人。目前，美國(guó)、韓國(guó)和日本等國(guó)家在4G發(fā)展上都呈現(xiàn)出了勢(shì)如破竹、百花齊放之態(tài)。

以美國(guó)為例，其4G市場(chǎng)出現(xiàn)了三分天下的局面。美國(guó)最大電信運(yùn)營(yíng)商Verizon采用了LTE，網(wǎng)絡(luò)覆蓋近百個(gè)城市，覆蓋率高達(dá)95%，現(xiàn)向LTE-Advanced演進(jìn)；另一家競(jìng)爭(zhēng)力極強(qiáng)的運(yùn)營(yíng)商AT&T采取HSPA+和LTE技術(shù)并駕齊驅(qū)，其4G網(wǎng)絡(luò)已在424個(gè)市場(chǎng)進(jìn)行了部署，傳輸速率能夠達(dá)到3G網(wǎng)絡(luò)的4倍和10倍[4]。韓國(guó)和日本的4G發(fā)展也非常領(lǐng)先。韓國(guó)在2011年首次推出了4G LTE的服務(wù)，宣布正式進(jìn)入4G時(shí)代。到目前為止，該國(guó)已經(jīng)成為全球4G普及率最高的國(guó)家，覆蓋本國(guó)人口的62%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)日本、澳大利亞等其他4G技術(shù)發(fā)展較好的國(guó)家。此外，日本將LTE速度快、終端多等諸多優(yōu)勢(shì)塑造成了自身4G網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特魅力，在全球的4G網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)樹一幟。日本運(yùn)營(yíng)商為了占據(jù)更大的市場(chǎng)份額，往往會(huì)推出多種4G優(yōu)惠套餐，導(dǎo)致年輕用戶每隔幾個(gè)月都會(huì)進(jìn)行一次攜號(hào)轉(zhuǎn)網(wǎng)，這使得移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入了白熱化階段，當(dāng)然運(yùn)營(yíng)商也從中收益頗多。各個(gè)國(guó)家在未來(lái)的4G發(fā)展中仍是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

2.2我國(guó)4G發(fā)展現(xiàn)狀

2013年12月4日，國(guó)家工業(yè)和信息化部分別向中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通三大電信運(yùn)營(yíng)商正式頒發(fā)了4G（TD-LTE）牌照，另外，中國(guó)聯(lián)通與中國(guó)電信還各獲得一張F(tuán)DD-LTE牌照，宣告我國(guó)正式進(jìn)入4G時(shí)代。與歐美、韓國(guó)和日本等國(guó)家相比，我國(guó)的4G發(fā)展雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，截至今年2月底，中國(guó)移動(dòng)的4G用戶數(shù)量已達(dá)134萬(wàn)，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋城市接近100個(gè)，部分省份（浙江等）已實(shí)現(xiàn)所有地級(jí)市的全面覆蓋。預(yù)計(jì)到今年年底，中國(guó)移動(dòng)滿足商用的4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋城市將達(dá)到344個(gè)。在用戶終端方面，今年前三個(gè)月能夠上市的4G終端已超過(guò)27款，包括三星、華為等十幾種知名品牌。中國(guó)電信也在今年2月份正式開(kāi)啟了4G商用。與中國(guó)移動(dòng)相比，中國(guó)電信對(duì)4G智能終端具有更高的技術(shù)要求，希望終端在支持TD-LTE的同時(shí)能夠兼容FDD-LTE。步伐較為緩慢的中國(guó)聯(lián)通在今年3月底才陸續(xù)傳出4G商用的消息，預(yù)計(jì)今年年底開(kāi)通4G服務(wù)的城市將達(dá)到300個(gè)。隨著國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商的4G商用，4G智能終端廠商也再次迎來(lái)春天。工信部消息稱2014年國(guó)內(nèi)的4G手機(jī)出貨量將達(dá)到7240萬(wàn)部，用戶總量將突破3000萬(wàn)戶。縱觀國(guó)內(nèi)4G技術(shù)的發(fā)展，已呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展景象，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日本、韓國(guó)和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。因此，中國(guó)的4G發(fā)展仍然是任重道遠(yuǎn)。

3 4G未來(lái)發(fā)展面臨的難題

3.1標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球的4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已有五種之多，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題已成為各大運(yùn)營(yíng)商面臨的最大難題。由于在4G的發(fā)展過(guò)程中沒(méi)有類似于3GPP的行業(yè)組織，各大通信運(yùn)營(yíng)商或者廠商各表一枝，缺乏溝通和協(xié)調(diào)，目前尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這必將導(dǎo)致各種4G通信系統(tǒng)之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)兼容，無(wú)法實(shí)現(xiàn)攜號(hào)轉(zhuǎn)網(wǎng)，給4G用戶帶來(lái)很多不變。因此，如何盡快解決全球范圍內(nèi)通信制式缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題將會(huì)是未來(lái)4G發(fā)展的重中之重。

3.2容量受到限制

4G技術(shù)帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)是無(wú)線傳輸速率的大幅度提升，理論上最大下行速率可達(dá)100Mbit/s。但手機(jī)的速度會(huì)受到4G系統(tǒng)容量的限制，如系統(tǒng)容量有限，手機(jī)用戶越多，速度就越慢。因此4G手機(jī)的速率往往會(huì)大大折扣，很難達(dá)到100Mbit/s的理想速率。例如，在4G LTE網(wǎng)速位居第一的國(guó)家——瑞典，其下行平均速率剛剛達(dá)到21.1Mbit/s。排名全球第二和第三的香港和丹麥的平均下載速度僅為19.6Mbit/s和19.1Mbit/s。因此，只有最大幅度對(duì)4G通信系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，才能實(shí)現(xiàn)4G的超高傳輸速率。

3.3設(shè)施更新難度大

4G網(wǎng)絡(luò)建立之前，大部分的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施均建立在3G系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上。在3G—LTE—LTE-Advanced的演進(jìn)過(guò)程中，按照通信行業(yè)的規(guī)則制定者—3GPP的要求，LTE-Advanced與LTE之間實(shí)現(xiàn)了較好的前后向兼容性，但從3G系統(tǒng)發(fā)展到LTE并不順利。因?yàn)?G的空中接口技術(shù)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的改變，如MIMO技術(shù)等，LTE無(wú)法完成與3G系統(tǒng)的后向兼容性。從WCDMA到LTE，都必須對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或者直接更換。由于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量巨大，因此系統(tǒng)更新難度加大，更新成本大幅度增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

4G技術(shù)在全球開(kāi)展已有近五年的時(shí)間，已經(jīng)為全球通信行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了翻天覆地的變化。隨著4G技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們的要求越來(lái)越高，想法也越來(lái)越多， 4G技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步成熟和完善并順利完成從3G到4G的平滑過(guò)渡。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：賀利娜（1986-），女，漢族，河南濟(jì)源人，助教，碩士，主要從事移動(dòng)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及GPS定位等研究。