4G网络技术概论与应用
4G网络技术应用
就在3G通信技术正处于酝酿之中时，更高的技术应用已经在实验室进行研发。因此在人们期待第三代移动通信系统所带来的优质服务的同时，第四代移动通信系统的最新技术也在实验室悄然进行当中。那么到底什么是4G通信呢？
到2009年为止人们还无法对4G通信进行精确地定义，有人说4G通信的概念来自其他无线服务的技术，从无线应用协定、全球袖珍型无线服务到3G；有人说4G通信是一个超越2010年以外的研究主题，4G通信是系统中的系统，可利用各种不同的无线技术；但不管人们对4G通信怎样进行定义，有一点人们能够肯定的是4G通信可能是一个比3G通信更完美的新无线世界，它可创造出许多消费者难以想象的应用。4G最大的数据传输速率超过100Mbit/s，这个速率是移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍。4G手机可以提供高性能的汇流媒体内容，并通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备。它也可以接受高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。此外，4G的无线即时连接等某些服务费用会比3G便宜。还有，4G有望集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。
4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。
与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。然而，在通话品质方面，移动电话消费者还是能接受的。随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100Mbit/s，简直是不可思议的事情。另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比2009年通信费用低。
4G通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度--据3G市场分三个阶段走的的发展计划，3G的多媒体服务在10年后进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统。在发达国家，3G服务的普及率更超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。
为了充分利用4G通信给人们带来的先进服务，人们还必须借助各种各样的4G终端才能实现，而不少通信营运商正是看到了未来通信的巨大市场潜力，他们已经开始把眼光瞄准到生产4G通信终端产品上，例如生产具有高速分组通信功能的小型终端、生产对应配备摄像机的可视电话以及电影电视的影像发送服务的终端，或者是生产与计算机相匹配的卡式数据通信专用终端。有了这些通信终端后，人们手机用户就可以随心所欲的漫游了，随时随地的享受高质量的通信了。
4G系统网络结构及其关键技术
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4G网络技术概论与应用
4G移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，预计都采用OFDM技术。4G移动通信对加速增长的广带无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公众的和专用的、室内和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务。通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段，使频谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构，以傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。移动通信会向数据化，高速化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动IP预计会成为未来移动网的主流业务。
五大技术标准
国际电信联盟(ITU)已经将WiMax、HSPA+、LTE正式纳入到4G标准里，加上之前就已经确定的LTE-Advanced 和WirelessMAN-Advanced这两种标准，目前4G标准已经达到了5种。
1. LTE：
LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。主要特点是 在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率，相对于3G网络大大的提高了小区的容量，同时将网络延迟大大降低：内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。并且这一标准也是3GPP长期演进(LTE)项目，是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，其演进的历史如下：
GSM-->GPRS-->EDGE-->WCDMA-->HSDPA/HSUPA-->HSDPA+/HSUPA+-->LTE长期演进
GSM：9K -->GPRS:42K--> EDGE:172K -->WCDMA：364k -->HSDPA/HSUPA:14.4M -->HSDPA+/HSUPA+:42M -->LTE:300M
由于目前的WCDMA网络的升级版HSPA和HSPA+均能够演化到LTE这一状态，包括中国自主的TD-SCDMA网络也将绕过HSPA直接向LTE演进，所以这一4G标准获得了最大的支持，也将是未来4G标准的主流。该网络提供媲美固定宽带的网速和移动网络的切换速度，网络浏览速度大大提升。
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2. LTE-Advanced：
LTE-Advanced： 从字面上看，LTE-Advanced就是LTE技术的升级版，那么为何两种标准都能够成为4G标准呢？LTE-Advanced的正式名称为 Further Advancements for E-UTRA，它满足 ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。LTE-Advanced是 一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命，相当于HSPA和WCDMA这样的关系。LTE-Advanced的相关特性如下： 带宽：100MHz
峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps 峰值频谱效率：下行30bps/Hz，上行15bps/Hz 针对室内环境进行优化 有效支持新频段和大带宽应用
峰值速率大幅提高，频谱效率有限的改进
如果严格的讲，LTE作为3.9G移动互联网技术，那么LTE-Advanced作为4G标准更加确切一些。LTE-Advanced的入围，包含 TDD和FDD两种制式，其中TD-SCDMA将能够进化到TDD制式，而WCDMA网络能够进化到FDD制式。移动主导的TD-SCDMA网络期望能够 直接绕过HSPA+网络而直接进入到LTE。
3. WiMax：
WiMax：WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，即全球微波互联接入，WiMAX的另一个名字是IEEE 802.16。WiMAX的技术起点较高，WiMax所能提供的最高接入速度是70M，这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。对无线网络来说，这的确是一个惊人的进步。WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高，这也是未来移动世界和固定网络的融合趋势。 802.16工作的频段采用的是无需授权频段，范围在2GHz至66GHz之间，而802.16a则是一种采用2G至11GHz无需授权频段的宽带无线接入系统，其频道带宽可根据需求在1.5M至20MHz范围进行调整，目前具有更好高速移动下无缝切换的IEEE 802.16m的技术正在研发。因此，802.16所使用的频谱可能比其它任何无线技术更丰富，WiMax具有以下优点：
(1)对于已知的干扰，窄的信道带宽有利于避开干扰，而且有利于节省频谱资源。 (2)灵活的带宽调整能力，有利于运营商或用户协调频谱资源。
(3)WiMax所能实现的50公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍，只要少数基站建设就能实现全城覆盖，能够使无线网络的覆盖面积大大提升。
不过WiMax网络在网络覆盖面积和网络的带宽上优势巨大，但是其移动性却有着先天的缺陷，无法满足高速(≧50km/h)下的网络的无缝链接，从这个意义上讲，WiMax还无法达到3G网络的水平，严格的说并不能算作移动通信技术，而仅仅是无线局域网的技术。但是WiMax的希望在于IEEE 802.11m技术上，将能够有效的解决这些问题，也正是因为有
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4G网络技术概论与应用
中国移动、因特尔、Sprint各大厂商的积极参与，WiMax成为呼声仅次于LTE的4G网络手机。关于IEEE 802.16m这一技术，我们将留在最后作详细的阐述。
4. HSPA+：高 速下行链路分组接入技术
HSPA+：高速下行链路分组接入技术(High Speed Downlink Packet Access)，而HSUPA即为高速上行链路分组接入技术，两者合称为HSPA技术，HSPA+是HSPA的衍生版，能够在HSPA网络上进行改造而升级到该网络，是一种经济而高效的4G网络。 从上文我们也可以了解到，HSPA+符合LTE的长期演化规范，将作为4G网络标准与其它的4G网络同时存在，它将很有利于目前全世界范围的WCDMA 网络和HSPA网络的升级与过度，成本上的优势很明显。对比HSPA网络，HSPA+在室内吞吐量约提高12.58% ，室外小区吞吐量约提高32.4%，能够适应高速网络下的数据处理，将是短期内4G标准的理想选择。目前联通已经在着手相关的规划，T-Mobile也开 通了这个4G网络，但是由于4G标准并没有被ITU完全确定下来，所以动作并不大。
5. WirelessMAN-Advanced：
WirelessMAN-Advanced：WirelessMAN- Advanced事实上就是WiMax的升级版，即IEEE 802.11m标准，802.16系列标准在IEEE正式称为WirelessMAN ，而
WirelessMAN-Advanced极为IEEE 802.16m。其中，802.16m最高可以提供1Gbps无线传输速率，还将兼容未来的4G无线网络 。802.16m可在“漫游”模式或高效率/强信号模式下提供1Gbps的下行速率。该标准还支持“高移动”模式，能够提供1Gbps速率。其优势如下：
1、提高网络覆盖，改建链路预算； 2、提高频谱效率； 3、提高数据和VOIP容量； 4、低时延&QoS增强；
5、功耗节省；
目前的WirelessMAN-Advanced有5种网络数据规格，其中极低速率为16kbps，低数率数据及低速多媒体为144kbps，中速多媒 体为2Mbps，高速多媒体为30Mbps超高速多媒体则达到了30Mbps--1Gbps。但是该标准可能会被率先被军方所采用，IEEE方面表示军方 的介入将能够促使WirelessMAN-Advanced更快的成熟和完善，而且军方的今天就是民用的明天。不论怎样，WirelessMAN- Advanced得到ITU的认可并成为4G标准的可能性极大。
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五大技术标准
LTE
LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准,它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行
326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。 LTE概念
LTE是英文Long Term Evolution的缩写。LTE也被通俗的称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。
研究
LTE的研究，包含了一些普遍认为很重要的部分，如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。
效果
3GPP长期演进(LTE)项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，这种以OFDM/MIMO为核心的技术可以被看作“准4G”技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h高速移动用户提供>100kbps的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25 MHz到20MHz多种带宽。 网络结构和核心技术
LTE采用由NodeB构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。与传统的3GPP接入网相比，LTE减少了RNC节点。名义上LTE是对3G的演进，但事实上它对3GPP的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的IP宽带网结构。
3GPP初步确定LTE的架构，也叫演进型UTRAN结构(E-UTRAN)。接入网主要由演进型NodeB(eNB)和接入网关(aGW)两部分构成。aGW是一个边界节点，若将其视为核心网的一部分，则接入网主要由eNB一层构成。eNB不仅具有原来NodeB的功能外，还能完成原来RNC的大部分功能，包括物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、
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