4G时代

4G
通信技术的日新月异,的确为我们带来了不少享受。随着数据通信与多媒体业务需求的发展,适应移动数据、
移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起,用户也因此有理由期待这种第四代移动通信技术
将会给我们带来更加美好的未来。说到第四代移动通信技术,不少人肯定不是很清楚,本文将从五个方面向大
家详细介绍这种技术。
第四代通信技术的发展背景
大家知道,所有技术的发展都不可能在一夜之间实现,从 GSM、GPRS 到 4 代,需要不断演进,而且这些技术可
以同时存在。我们都知道最早的移动通信电话是采用的模拟蜂窝通信技术,这种技术只能提供区域性话音业
务,而且通话效果差、保密性能也不好,用户的接听范围也是很有限。随着移动电话迅猛发展,用户增长迅
速,传统的通信模式已经不能满足人们通信的需求,在这种情况下就出现了 GSM 通信技术,该技术用的是窄带
TDMA,允许在一个射频(即‘蜂窝’)同时进行 8 组通话。它是根据欧洲标准而确定的频率范围在 900~
1800MHz 之间的数字移动电话系统,频率为 1800MHz 的系统也被美国采纳。GSM 是 1991 年开始投入使用的。到
1997 年底,已经在 100 多个国家运营,成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM 数字网也具有较强的保密性和抗干
扰性,音质清晰,通话稳定,并具备容量大,频率资源利用率高,接口开放,功能强大等优点。不过它能提供
的数据传输率仅为 9.6kbi/s,和五、六年前用固定电话拨号上网的速度相当,而当时的 iternet 几乎只提供
                    t                                 n
纯文本的信息。而时下正流行的数字移动通信手机是第二代(2G),一般采用 GSM 或 CDMA 技术。第二代手机
除了可提供所谓“全球通”话音业务外,已经可以提供低速的数据业务了,也就是收发短消息之类。虽然从理
论上讲,2G 手机用户在全球范围都可以进行移动通信,但是由于没有统一的国际标准,各种移动通信系统彼
此互不兼容,给手机用户带来诸多不便。
针对 GSM 通信出现的缺陷,人们在 2000 年又推出了一种新的通信技术 GPRS,该技术是在 GSM 的基础上的一种
过渡技术。GPRS 的推出标志着人们在 GSM 的发展史上迈出了意义最重大的一步,GPRS 在移动用户和数据网络
之间提供一种连接,给移动用户提供高速无线 IP 和 X.25 分组数据接入股务。
在这之后,通信运营商们又将推出 EDGE 技术,这种通信技术是一种介于现有的第二代移动网络与第三代移动
网络之间的过渡技术,因此也有人称它为“二代半”技术,它有效提高了 GPRS 信道编码效率的高速移动数据
标准,它允许高达 384KbPs 的数据传输速率,可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。EDGE 提供了一
个从 GPRS 到第三代移动通信的过渡性方案,从而使现有的网络运营商可以最大限度地利用现有的无线网络设
备,在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供个人多媒体通信业务。
在新兴通信技术的不断推动之下,象征着 3G 通信的标志技术 WCDMA 也将成为未来通信技术的主流。该技术能
为用户带来了最高 2Mbi/s 的数据传输速率,在这样的条件下,现在计算机中应用的任何媒体都能通过无线网
                  t
络轻松的传递。WCDMA 通过有效的利用宽频带,不仅能顺畅的处理声音、图象数据、与互联网快速连接;此外
WCDMA 和 MPEG-4 技术结合起来还可以处理真实的动态图象。人们之间沟通的瓶颈将由现在的网络传输速率转
变为各种新型应用的提供:如何让无线网络更好的为人们服务而不是给人们带来骚扰,如何让每个人都能从信
息的海洋中快速的得到自己需要的信息,如何能够方便的携带、使用各种终端设备,各种终端设备之间如何更
好的自动协同工作等等。在上述通信技术的基础之上,无线通信技术最终将迈向 4G 通信技术时代。
从无线通信系统的发展历程来看,第一代移动通信系统的任务已经达成,而现阶段是第二代移动通信系统的时
代,今后十年将会是 3G 移动通信系统正兴的时期,或许到了十年以后将会是第四代移动通信的天下。但我们
不难发现每一个不同的移动通信系统均会有重复性的时间点,大约每十年就有一项技术更新,不过随着通信科
技的日新月异,或许转变会更快、时间也会更短。对于移动通信服务业者、系统设备供货商或其他相关产业来
说,必须随时注意移动通信技术的变化,以因应市场需求。
第四代通信技术的概念介绍
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。因此在我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?
到目前为止人们还无法对 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,有一点我们能够肯定的是 4G 通信将
是一个比 3G 通信更完美的新无线世界,它将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 100Mbi/s,这个速率是目前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 手机将可
       t
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
将比 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。如果说现在的 3G 能为我们提供一个高速传输的无线通信环境的话,那么
4G 通信将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,
目前的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 100Mbi/s,简直是不可思议
                                                t
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 通信费用也要比目前的通信费用低。
4G 通信技术将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 年后将进入第三个发展
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
服务的普及率更将超过 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 通信给我们带来的先进服务,我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,他们现在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,我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。
第四代通信技术的主要优势
如果说 2G、3G 通信对于人类信息化的发展是微不足道的话,那么未来的 4G 通信却给了我们真正的沟通自由,
并将彻底改变我们的生活方式甚至社会形态。目前正在构思中的 4G 通信具有下面的特征:
1、通信速度更快
由于人们研究 4G 通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问 Internet 的速率,因此 4G 通信
给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。从移动通信系统数据传输速率作比较,第一代模拟
式仅提供语音服务;第二代数位式移动通信系统传输速率也只有 9.6Kbps,最高可达 32Kbps,如 PHS;而第三
代移动通信系统数据传输速率可达到 2Mbps;专家则预估,第四代移动通信系统可以达到 10Mbps 至 20Mbps,
甚至最高可以达到每秒高达 100Mbps 速度传输无线信息,这种速度将相当于目前手机的传输速度的 1 万倍左
右。
2、网络频谱更宽
要想使 4G 通信达到 100Mbps 的传输,通信营运商必须在 3G 通信网络的基础上,进行大幅度的改造和研究,以
便使 4G 网络在通信带宽上比 3G 网络的蜂窝系统的带宽高出许多。据研究 4G 通信的 AT&T 的执行官们说,估计
每个 4G 信道将占有 100MHz 的频谱,相当于 W-CDMA 3G 网路的 20 倍。
3、通信更加灵活从严格意义上说,4G 手机的功能,已不能简单划归“电话机”的范畴,毕竟语音资料的传输
只是 4G 移动电话的功能之一而已,因此未来 4G 手机更应该算得上是一只小型电脑了,而且 4G 手机从外观和
式样上,将有更惊人的突破,我们可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋,以方便和个性为前提,任何
一件你能看到的物品都有可能成为 4G 终端,只是目前我们还不知应该怎么称呼它。未来的 4G 通信将使我们不
仅可以随时随地通信,更可以双向下载传递资料、图画、影像,当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打
游戏。也许你将有被网上定位系统永远锁定无处遁形的苦恼,但是与它据此提供的地图带来的便利和安全相
比,这简直可以忽略不计。
4、智能性能更高
第四代移动通信的智能性更高,不仅表现在 4G 通信的终端设备的设计和操作具有智能化,例如对菜单和滚动
操作的依赖程度将大大降低,更重要的 4G 手机可以实现许多难以想象的功能。例如 4G 手机将能根据环境、时
间以及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么事,或者不该做什么事,4G 手机可以将电影院
票房资料,直接下载到 PDA 之上,这些资料能够把目前的售票情况、座位情况显示得清清楚楚,大家可以根据
这些信息来进行在线购买自己满意的电影票;4G 手机可以被看作是一台手提电视,用来看体育比赛之类的各
种现场直播。
5、兼容性能更平滑
要使 4G 通信尽快地被人们接受,不但考虑的它的功能强大外,还应该考虑到现有通信的基础,以便让更多的
现有通信用户在投资最少的情况下就能很轻易地过渡到 4G 通信。因此,从这个角度来看,未来的第四代移动
通信系统应当具备全球漫游,接口开放,能跟多种网络互联,终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。
6、提供各种增殖服务
4G 通信并不是从 3G 通信的基础上经过简单的升级而演变过来的,它们的核心建设技术根本就是不同的,3G 移
动通信系统主要是以 CDMA 为核心技术,而 4G 移动通信系统技术则以正交多任务分频技术(OFDM)最受瞩目,利
用这种技术人们可以实现例如无线区域环路(WLL)、数字音讯广播(DAB)等方面的无线通信增殖服务;不过考虑
到与 3G 通信的过渡性,第四代移动通信系统不会在未来仅仅只采用 OFDM 一种技术,CDMA 技术将会在第四代
移动通信系统中,与 OFDM 技术相互配合以便发挥出更大的作用,甚至未来的第四代移动通信系统也会有新的
整合技术如 OFDM/CDMA 产生,前文所提到的数字音讯广播,其实它真正运用的技术是 OFDM/FDMA 的整合技术,
同样是利用两种技术的结合。因此未来以 OFDM 为核心技术的第四代移动通信系统,也将会结合两项技术的优
点,一部份将是以 CDMA 的延伸技术。
7、实现更高质量的多媒体通信
尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信,但未来的 4G 通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在
覆盖范围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要,第四代移动通信系统提供的无线
多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去,为此未来的第四代移动通信系
统也称为“多媒体移动通信”。第四代移动通信不仅仅是为了因应用户数的增加,更重要的是,必须要因应多
媒体的传输需求,当然还包括通信品质的要求。总结来说,首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通
信品质不良,以及达到高速数据传输的要求。
8、频率使用效率更高
相比第三代移动通信技术来说,第四代移动通信技术在开发研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技
术,例如一些光纤通信产品公司为了进一步提高无线因特网的主干带宽宽度,引入了交换层级技术,这种技术
能同时涵盖不同类型的通信接口,也就是说第四代主要是运用路由技术(Routig)为主的网络架构。由于利用了
                                          n
几项不同的技术,所以无线频率的使用比第二代和第三代系统有效得多。按照最乐观的情况估计,这种有效性
可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱做更多的事情,而且做这些事情的时候速度相当快。研究人员
说,下载速率有可能达到 5Mbps 到 10Mbps。
9、通信费用更加便宜
由于 4G 通信不仅解决了与 3G 通信的兼容性问题,让更多的现有通信用户能轻易地升级到 4G 通信,而且 4G 通
信引入了许多尖端的通信技术,这些技术保证了 4G 通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式,因此相对
其他技术来说,4G 通信部署起来就容易迅速得多;同时在建设 4G 通信网络系统时,通信营运商们将考虑直接
在 3G 通信网络的基础设施之上,采用逐步引入的方法,这样就能够有效地降低运行者和用户的费用。据研究
人员宣称,4G 通信的无线即时连接等某些服务费用将比 3G 通信更加便宜。
第四代通信技术存在的缺陷
对于现在的人来说,未来的 4G 通信的确显得很神秘,不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来
发明的最复杂的技术系统,的确第四代无线通信网络在具体实施的过程中出现大量令人头痛的技术问题,大概
一点也不会使人们感到意外和奇怪,第四代无线通信网络存在的技术问题多和互联网有关,并且需要花费好几
年的时间才能解决。总的来说,要顺利、全面地实施 4G 通信,将可能遇到下面的一些困难:
1、标准难以统一
虽然从理论上讲,3G 手机用户在全球范围都可以进行移动通信,但是由于没有统一的国际标准,各种移动通
信系统彼此互不兼容,给手机用户带来诸多不便。因此,开发第四代移动通信系统必须首先解决通信制式等需
要全球统一的标准化问题,而世界各大通信厂商将会对此一直在争论不休。
2、技术难以实现
尽管未来的 4G 通信能够给人带来美好的明天,但是别指望立刻就能用上这种技术,大约还需要 5 年左右的时
间这项技术才能发布。据研究这项技术的开发人员而言,要实现 4G 通信的下载速度还面临着一系列技术问
题。例如,如何保证楼区、山区,及其它有障碍物等易受影响地区的信号强度等问题。日本 DoCoMo 公司表
示,为了解决这一问题,公司将对不同编码技术和传输技术进行测试。另外在移交方面存在的技术问题,使手
机很容易在从一个基站的覆盖区域进入另一个基站的覆盖区域时和网络失去联系。由于第四代无线通信网络的
架构相当复杂,这一问题显得格外突出。不过,行业专家们表示,他们相信这一问题可以得到解决,但需要一
定的时间。
3、容量受到限制
人们对未来的 4G 通信的印象最深的莫过于它的通信传输速度将会得到极大提升,从理论上说其所谓的每秒
100MB 的宽带速度,比目前手机信息传输速度每秒 10KB 要快 1 万多倍,但手机的速度将受到通信系统容量的
限制,如系统容量有限,手机用户越多,速度就越慢。据有关行家分析,4G 手机将很难达到其理论速度。如
果速度上不去,4G 手机就要大打折扣。
4、市场难以消化
有专家预测在 10 年以后,第三代移动通信的多媒体服务将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,第三代技术仍然在缓慢地进入市场,到那时整个行业
正在消化吸收第三代技术,对于第四代移动通信系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。另外,在过渡过程
中,如果 4G 通信因为系统或终端的短缺而导致延迟的话,那么号称 5G 的技术随时都有可能威胁到 4G 的赢利
计划,此时 4G 漫长的投资回收和赢利计划将变得异常的脆弱。
5、设施难以更新
在部署 4G 通信网络系统之前,覆盖全球的大部分无线基础设施都是基于第三代移动通信系统建立的,如果要
向第四代通信技术转移的话,那么全球的许多无线基础设施都需要经历着大量的变化和更新,这种变化和更新
势必减缓 4G 通信技术全面进入市场、占领市场的速度。而且到那时,还必须要求 3G 通信终端升级到能进行更
高速数据传输及支持 4G 通信各项数据业务的 4G 终端,也就是说 4G 通信终端要能在 4G 通信网络建成后及时提
供,不能让通信终端的生产滞后于网络建设。但根据目前的事实来看,在 4G 通信技术全面进入商用之日算起
的二三年后,消费者才有望用上性能稳定的 4G 通信手机。
6、其他相关困难
因为手机的功能越来越强大,而无线通信网络也变得越来越复杂,同样 4G 通信在功能日益增多的同时,它的
建设和开发也将会遇到比以前系统建设更多的困难和麻烦。例如每一种新的设备和技术推出时,其后的软件设
计和开发必须及时能跟上步伐,才能使新的设备和技术得到很快推广和应用,但遗憾的是 4G 通信目前还只处
于研究和开发阶段,具体的设备和用到的技术还没有完全成型,因此对应的软件开发也将会遇到困难;另外费
率和计费方式对于 4G 通信的移动数据市场的发展尤为重要,例如 WAP 手机推出后,用户花了很多的连接时间
才能获得信息,而按时间及信息内容的收费方式使用户难以承受,因此必须及早慎重研究基于 4G 通信的收费
系统,以利于市场发展。还有 4G 通信不仅需要区分语音流量和互联网数据,还需要具备能到数据传输速度很
慢的第三代无线通信网络上平稳使用的性能,这就需要通信营运商们必须能找到一个很好的解决这些问题的方
法,而要解决办法就必须首先在大量不同的设备上精确执行 4G 规范,要做到这一点,也需要花费好几年的时
间。况且到了 4G 通信真正开始推行时,熟悉 4G 通信业务的经验和专门技术人才还不多,这样同样也会延缓
4G 通信在市场上迅速推广的速度,因此到时对于设计、安装、运营、维护 4G 通信的专门技术人员还须早日进
行培训。
第四代通信技术的发展展望
在新一代技术刚推出市场之后,更高的技术应用已经在实验室进行研发。目前日本的 NTT DoCoMo 公司已经表
示,4G 通信的试验网络已经部署在公司的横须贺研发园内,该网络集结了试验基站和移动终端,同时 NTT
DoCoMo 公司还表示,4G 通信服务将于 2010 年推出,网络的下载速度可以达到 100Mbps,上载速度为 20Mbps。
美国 AT&T 公司推出的 4G 通信网络的试验,据说可以配合目前的 EDGE 进行无线上传,并通过 OFDM 技术达到快
速下载的目的。美国 AT&T 公司声称大约还需要五年,这项技术才能发布;再有十年左右的时间,4G 才能真正
投入到商用阶段。在去年二月份,欧洲的四家移动设备生产商——阿尔卡特、爱立信、诺基亚和西门子组成了
世界无线研究论坛(WWRF),以研究 3G 以后的发展方向。WWRF 预计 4G 技术将在 2010 年开始投入应用。这一代
通信技术可以将不同的无线局域网络和通信标准,手机信号,无线电通信和电视广播以及卫星通信结合起来,
这样手机用户就可以随心所欲的漫游了。目前在欧洲地区,无线区域回路与数字音讯广播已针对其室内
(Indoor)应用而进行相关的研发,测试项目包括 10Mbps 与 MPEG 影像传输应用,而第四代移动通信技术则将会
是现有两项研发技术的延伸,先从室内技术开始,再逐渐扩展到室外的移动通信网路。爱立信公司的一位高级
官员表示,该公司在经济不景气的情况下不会减少研发第四代无线通讯技术的预算的,该公司的负责人同时表
示,该公司的研发工作具有 3-10 年的前瞻性,暂时的需求不振不会使该公司放慢研究的速度。
国际电信联盟无线电通信部也已经达成共识,将把移动通信系统同其他系统结合起来,在 2010 年之前是数据
传输数率达到 100Mbps。对于更高级的 3G 系统,ITU 决定同时发展 IMT-2000 的两个标准——提高数据包和声
音文件的传输速率——被日本 NTT DoCoMo 和 J-Phone 两家公司采用的 WCDMA 将能最大达到 8Mbps 的下在速
率,而 CDMA2000 系统也将达到 2.4Mbps 的速率。同时 ITU 对外发表声明说目前第四代移动通信的频段尚未被
讨论与制订,不过原则上将会是以高频段频谱为主,另外也将会使用到微波相关的技术与频段。
我们有理由相信,第四代无线通信网络技术将会给我们未来的生活带来无限美好的期待!