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全球4G通信系统发展研究论文
摘要：本文首先对移动通信系统3G和4G进行了简单比较，指出3G系统的局限性以及4G系统的优势。接下来论述了中、美、日三国4G通信系统发展研究进展情况，最后对移动通信系统未来发展做出了展望。
关键词：3G;4G;TD-LTE-Advanced;Wimax
自2009年1月7日，中国工业和信息化部向中国移动、中国电信和中国联通分别颁发3G牌照以来，中国的3G用户数在新增移动用户数中的占比已超过半数，进入规模发展阶段。
虽然与2G系统相比，3G系统能够提供较高的数据速率(快速移动环境下，最高速率为144kb/s;室外到室内或步行环境下，最高速率为384kb/s;室内环境，最高速率为2Mb/s)，能支持多媒体业务，但它依然存在一些局限性：a.通信速率不能够满足用户对高速多媒体业务的需求;
b.难以提供具有多种QoS的各种速率的业务;
c.难以时限不同频段的不同业务环境间的无缝漫游;
d.通信费用与2G相比并未降低，甚至更高。
鉴于3G系统的局限性，各国已在积极进行后3G通信系统(IMT-Advanced)的科研与实验。与3G系统相比，IMT-Advanced具备以下优势：a.更高的通信速率(1000Mbps)，更宽的网络频谱能够更好的满足用户对高速多媒体业务的需求，可传输高质量视频图像，其图像传输质量堪与高清晰度电视相比;
b.终端更加多样化、智能化;
c.可提供更多类型，具有多种QoS的各种速率的增值业务，如无线区域环路(WLL)、数字视频广播(DVB)、数字音讯广播(DAB)等;
d.通信成本的降低带来通信费用的降低。计费方式更加灵活，用户可以根据自己的实际情况定制所需服务。
那么，4G通信系统在世界上的研发进展如何呢?下面，我们就通过中国、美国和日本三国的4G研发进展情况来对此了解一二。
1中国
1.1研发方面2001年，中国“国家863计划”启动了面向后三代/四代(B3G/4G)的移动通信发展研究计划———未来通用无线环境研究计划(简称Future计划)。Future计划一期，完成了六种无线传输链路方案的设计，完成了支持分布式多天线接入的射频系统的设计，初步研究了无线资源管理方案和上层协议，基本完成了基带电路核心硬件和软件的设计和测试。Future计划二期，“TDD系统OFDM上行链路设计与实现及TDD技术集成”在2006年6月17日进行了正式验收。该系统采用宽带TDD OFDM MIMO技术，兼容TD-SCDMA，峰值速率可达122Mbit/s，频谱利用率为7.1bit/s/Hz，支持高清晰视频点播、FTP高速下载、Internet、语音等业务。验收结果表明该系统已达到了国际领先水平，这标志着我国在下一代移动通信系统的研究中取得了突破性进展。由武汉汉网、华中科技大学和上海交通大学联手开发出的全IP移动通信技术，传输速度比3G快50倍，是国际公认的4G技术核心。
1.2外场技术演示和示范
2007年1月28日，在上海快速移动的测试车上，基于IPV6的高清电视等业务的演示十分流畅。工作人员在上海延安西路高架做了2km长的覆盖，车辆在真实的路况中以50km/h的时速行驶，获得的下行速率为20～90Mbps，上行最高也可达80Mbps。这标志着我国第一个4G试验网已经正式进入第三阶段，即外场试验和预商用计划。
2009年10月5日至9日，日内瓦举行国际电信联盟主办的“2009年世界电信展”。中国移动、中兴、大唐等中国公司展示了TD长期演进(TD-LTE)技术应用的最新产品。中国移动公司展台，一个大屏幕实时播放远在万里之外的上海黄埔江的画面。另外，还设置了模拟车厢，展示这项技术在行进列车中的应用，乘客通过面前的大屏幕可与远方客人进行视频对话。
2010年上海世博会，中国移动搭建的准4G网络TD-LTE演示网覆盖至黄浦江两岸9个场馆以及江面游船。为观博者提供世博园区内陆上和水上移动状态下高清视频监控、导航、视频会议等服务;高科技机器人“天线海宝”还能为游客带来歌舞表演、测量体温、发放礼品券等。
1.3与其他国家的合作态势
原中国信息产业部(现工业信息化部)与他国的4G合作研发始于2003年，当时与日本NTTDoCoMo签订了合作意向书，共同探讨和研发4G技术;2004年10月，又与韩国达成协议，扩大技术合作范围，共同支持对4G无线通信系统的研发。在Future计划的支持下，一批中国研究机构作为合作伙伴参与了欧盟第六框架WINNER、MaGnet、MOCCA等国际上有关未来移动通信研究项目，并与一批跨国企业设立了一系列联合研发项目。中科院计算所移动通信技术研发中心(MCR)与瑞萨科技公司合作，在上海张江高科技园建立移动通信联合实验室，共同开发4G手机平台，并解决未来手机技术应用方案;上海无线通信研究中心与37家欧洲知名厂商和研发机构结盟，加入欧盟最大的B3G项目“未来全球个人移动通信系统”的开发。2006年3月，中国、韩国和日本就进一步联合研发4G移动通信标准一事达成共识。
1.4标准研发进展
2004年，中国在标准化组织3GPP提出了第三代移动通信TD-SCDMA的后续演进技术TD-LTE。2009年，在TD-LTE基础上形成了TD-LTE-Advanced技术方案。TD-LTE-Advanced是中国继TD-SCDMA之后，提出的具有自主知识产权的新一代移动通信技术。它吸纳了TD-SCDMA的主要技术元素，但它将提供更宽的带宽，可以进行更多的数据业务，它充分体现了我国通信产业界在宽带无线移动通信领域的最新自主创新成果。
目前，TD-LTE-Advanced已获得欧洲标准化组织3GPP和亚太地区通信企业的广泛认可和支持。
2美国
新一代无线通信技术在美国及日本等发达国家已经进入密集的研发和市场化阶段。据美国电气电子工程学会(IEEE)最新公布的802.16无线宽带技术草案文本，该机构目前正在研究一项无线传输新标准802.16m兼容WiMAX和4G。802.16m标准在快速移动状态下的传输速率可达100Mbit/s。
美国AT&T早在2000年就推出了4GAccess网络，它能配合EDGE技术进行上传，并利用宽带OFDM技术进行下载。AT&T的4GAccess网络升级计划分为两个阶段，第一阶段是移动电话基地台的软件构建，第二阶段则进行智能型天线的硬件构建。2004年2月，美国手机服务提供商Nextel通信公司与思科、北电网络和IBM在北卡罗来纳州罗利-达拉姆(RaleiGh Durham)地区试验“4G”无线服务，这次“4G”试验采用Flarion技术公司提供的每秒钟下载速度达1.5Mb的设备，这项服务向台式电脑、笔记本电脑、掌上电脑以及其他设备提供高速互联网接入。
2009年1月6日，美国俄勒冈州波特兰市正式开通4G移动互联网业务，波特兰因此成为美国西部首个迈入4G时代的城市。
推出这一业务的美国Clearwire公司称，在波特兰开通的4G网络采用了WiMAX标准。这也是美国迄今第二个开通采用该标准4G网络的城市。
美国东部巴尔的摩市去年10月曾开通类似网络。据悉，通过这一网络移动上网最快下载速度可达每秒4M字节。当地《俄勒冈人报》科技记者罗格韦在其博客中说，他的实地测评表明，通过4G网络上网速度比利用苹果iPhone手机通过3G网络上网平均快4倍以上。
3日本
日本早在21世纪初就为4G的研发工作制定了详细的发展计划，并作为e-Japan计划的一部分，提升到了国家战略的高度。
2002年3月，日本最大通信运营商NTT DoCoMo公司在东京郊区的试验室中建立一个下一代移动通信试验网络，该网络的空中接口采用了基于可变扩展因子技术的正交频率和码分复用技术(VSF/OFCDM)。同年10月，NTT DoCoMo表示，该公司已成功完成第四代(4G)移动通信的传输实验。此实验是在室内进行，下传和上传速率分别可达到100Mb/s和20Mb/s。2003年5月28日，NTT DoCoMo宣布进行第四代移动通信系统(4G)的无线接入系统的户外试验。
此次试验中，日本NTTDoCoMo公司已经通过4+4和6+6天线MIMO技术在100MHz带宽下分别验证了1Gbit/s(室外试验)和2.5Gbit/s的峰值传输速度。
2006年12月25日，NTTDoCoMo表示，公司已经成功地以接近5Gbit/s的数据传输速度向一个移动速度为每小时10公里的接收装置传输了数据。2007年9月，NTT DoCoMo展示了一项试验，在e-UTRA数据速率为200Mbit/s的情况下，功耗低于100mW。
2009年5月，日本总务省向NTT Docomo、软银移动、KDDI和e-Mobiel公司颁发了LTE牌照。按照日本政府为4G研发设定的目标，到2010年日本将实现比现有传输速率快100倍的移动通信系统。
综上所述，4G移动通信系统无论在技术研究、标准化进程、产品试验方面都有了很大的发展，其发展前景是相当可观的。当然，4G系统要真正投入商用并非易事，会遇到技术、市场方面的各种困难。
4G网络以IP为基础，具有灵活的多媒体接入方式，将给产业链上的通信运营商、通信设备商、内容提供商带来巨大的商机，也能为用户提供随时随地、简单易用的通信服务，在不久的未来必然会登上舞台，使未来的通信生活更加丰富。
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