第四代移动通信技术
摘 要：通信技术日新月异，给人们带来不少享受。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、在我们还没有完全享受3G移动通信系统商所带来服务的同时,4G移动通信技术已向我们袭来。 关键字：4G；LTE；通信技术
1引言
所谓4G技术是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。
2 简介
4G即是第四代移动电话行动通信标准（fourth generation of mobile phone mobile communications standards，缩写为4G），也是3G之后的延伸。这套无线通信标准，从技术标准的角度看，按照ITU的定义，静态传输速率达到1Gbps，用户在 高速移动状态下可以达到100Mbps，就可以作为4G的技术之一。
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，4G LTE系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快50倍，上传的速度也能达到50Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而4G LTE Advanced采用载波聚合技术，下行峰值速度可达150Mbps。到底比之前的网络速度有多快，根据下表一目了然。
蜂窝制式 GSM CDMA WCDMA TD-SCDMA CDMA-2000 TD-LTE FDD-LTE 下行速率 236 kbps 153 kbps 14.4 Mbps 2.8 Mbps 3.1 Mbps 100 Mbps 150 Mbps 上行速率 118 kbps 153 kbps 5.76 Mbps 2.2 Mbps 1.8 Mbps 50 Mbps 40 Mbps 表1 无线蜂窝制式上下行速率
在此需要注意的是“4G”这个说法频频见诸媒体，但4G并不等于LTE，在ITU (国际电联)的定义里，任何达到或超过100Mbps的无线数据网络系统都可以称为4G，所以实际上，4G现在至少包含了LTE和WiMAX两大不同类型的无线数据网络。
3 通信网络标准
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LTE Advanced（长期演进技术升级版）：是LTE的增强，完全向后兼容LTE，通常通过在LTE上通过软件升级即可，升级过程类似于从WCDMA升级到 HSPA。峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps。是第一批被国际电信联盟承认的4G标准，也是事实上的唯一主流4G标准。 WiMAX-Advanced（全球互通微波存取升级版）：即IEEE 802.16m是WiMAX的增强，由美国Intel所主导，接收下行与上行最高速率可达到300Mbps，在静止定点接收可高达1Gbps。也是国际电 信联盟承认的4G标准，不过随着英特尔于2010年退出，WiMAX技术也逐渐被运营商放弃，并开始将设备升级为LTE，WiMAX论坛也于2012年将 TD-LTE纳入WiMAX 2.1规范。
这一看，这与我们现在所说的4G网络还是有距离的，实际上我们现在所说的4G网络，只可以算是准4G，是3G网络向4G网络后续演进的一个过程。现在，LTE、WiMax是谈论得最多的两种4G技术，实际这两者只能算是准4G技术，是3G向4G 演进的必经之路。一般来说，现在的4G网络就是指LTE网络。WiMax的前身是WiFi，但覆盖范围比WiFi要广得多。LTE的定位是移动通信宽带化，WiMax是将宽带无线化。它俩是竞争对手，但LTE阵营强大的多。其中LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）技术便是3G的演进，通常被称作3.9G，包括TDD、FDD两种双工模式，TD-LTE是LTE的TDD版本，而 FDD-LTE是LTE的FDD版本。LTE是3GPP2004年启动的项目，分为FDD-LTE、TD-LTE，前者由欧美主导，后者由我国主导，2007年工信部把TDD-LTE命名为TD-LTE。
2G GSM-（EDGE） CDMA 2000(1X) 3G TD-SCDMA(HSPA) WCDMA(HSPA) CDMA 2000(EvDo) 表２ 4G网络的正常演进形态
4G TDD-LTE FDD-LTE FDD-LTE 4 通信网络制式
4.1 TD-LTE和FDD-LTE
TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，分时长期演进）是基于3GPP长期演进技术（LTE）的一种通讯技术与标准，属于LTE的一个分支。该技术由上海贝尔、诺基亚西门子 通信、大唐电信、华为技术、中兴通讯、中国移动、高通、ST-Ericsson等共同开发。
TD-LTE也叫LTE TDD，TDD即指时分双工（Time-division duplex）。值得注意的是，中国媒体普遍将TD-LTE宣传为中国国产标准，事实上其技术属于LTE（长期演进技术）。中国政府和企业是TD-LTE 的主要推动者。TD-LTE的升级版叫做TD-LTE Advanced，这才是真正的4G标准。
TD-LTE与TD-SCDMA实际上没有关系，TD-SCDMA是CDMA（码分多址）技术，TD-LTE是OFDM（正交频分复用）技术。两者从编解码、帧格式、空口、信令，到网络架构，都不一样。
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FDD-LTE（Long TermEvolution，频分双工）是该LTE技术的双工模式之一，应用FDD式的LTE即为FDD-LTE。由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个 厂家的利益等因素，FDD-LTE的标准化与产业发展都领先于TDD-LTE。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。
FDD模式的特点是在分离（上下行频率间隔190MHz）的两个对称频率信道上，系统进行接收和传送，用保证频段来分离接收和传送信道。FDD模式的优点是采用包交换等技术，可突破二代发展的瓶颈，实现高速数据业务，并可提高频谱利用率，增加系统容量。
总的来说，TD-LTE和FDD-LTE是两种不同的4G网络制式，FDD-LTE是最早提出来的LTE系统模式，其发展目前也是最为成熟的一种，在世界各国推广的LTE系统模式中也最为普遍，备受广大的网络基础设备厂商和终端生产商的支持，高通就是FDD-LTE主要支持者和芯片供应商之一，值得一提的是几乎现在所有存在商业化LTE网络的国家，都在使用LTE-FDD系统，目前全球只有中国移动和日本SoftBank Mobile宣布采用TD-LTE 4G技术，而中国联通、电信则宣布采用的是FDD-LTE技术。 4.2 网络制式区别：TD-LTE与FDD-LTE的技术差异
TD-LTE是时分多址的LTE，FDD-LTE是频分多址的LTE。简单的说，时分就是不同的用户占用不同的时间，而频分是不同的用户占用不同的频率。
频分双工（FDD）和时分双工（TDD）是两种不同的双工方式。FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。 FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路。FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。
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两者的工作原理区别：TDD用时间来分离接收和发送S信道。在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。
从上图的英文版可以看到，横坐标为时间轴，而竖坐标为频率轴。DL代表下行数据，而UL代表上行数据。FDD方式下，上行数据与下行数据在同一对称频率上，需要
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同时传输，优势在于频率宽度大，数据传输速度快。但如果遇到非对称业务，如下载东西等，下行数据会远远大于上行，因此上行数据的频率信道便会被占 用。TDD方式下，上下行数据在同一时间里面并不需要一起传输，因此其可以根据上下行的数据大小动态进行分配，对于频率信道的利用率更好。 4.3 TD-LTE和FDD-LTE哪个好？
4G有TD-LTE和FDD-LTE两种标准，在中国移动4G专区中介绍，其4G网络的理论峰值速率可以达到下行100Mbps，而中国联通则表示未来拿到FDD牌照，峰值网速可以达到150Mbps。FDD比TD-LTE速度更快吗？这两大标准之间有何区别呢？实际上，TD-LTE和FDD-LTE两大标准都是基于LTE的不同分支，相似度超过90%，它们最大的差异在于FDD-LTE采用的是频分双工，TD-LTE则是时分双工。谁更好呢？
1. FDD-LTE速度更快。打个比方，频分双工就好比双车道通行，手机想上网必须要建立上行和下行通道。例如，你点击微信，手机会通过上行通道发送一个请求，然后微信服务器通过下行通道，把你最新的未读消息传到你的手机上。一般情况下，我们使用下行（下载）的时间比较多，而上行（上传）的时间较少。为了建立起上行和下行的通道，FDD通过频率来分割，在两个对称频率上，一个管下载，一个管上传。就好像是双车道，两个方向的汽车互不干扰，畅通无阻。TD-LTE的时分双工就好比单车道分时通行。它只用一个频率，既负责上传，又负责下载，通过时间来控制交通（时分双工），一会让下载的流量通过，一会又让上传的流量通过。因为是“单行道”上跑双向“车流”，表现在手机端，会比FDD网速慢一些。目前，FDD理论下行速度为150Mbps，TD-LTE理论下行速度为100Mbps。
2.TD-LTE更省资源：TD-LTE的好处是比FDD-LTE省了一个频率占用，资源利用率更高。还是以交通举例，我们在生活中遇到过这种情况：上班高峰期，进城方向的交通拥堵不堪，旁边出城方向的马路上却车流稀少。这无疑是一种资源的浪费。在手机上网过程中，这种现象更普遍：人们使用手机，更多的是阅读、观赏和下载，很少的时间用于上传。因此，如果手机的无线网络是可见的，你会发现下载通道上数据川流不息，上传通道却很少被使用。TD-LTE将上传和下载通道合并为一个，然后通过时间来灵活控制，例如分配给下载的时间占70%，上传占30%，这样，你会发现整个通道的车流总是满的，资源利用率更高。但不可忽视的是，TD-LTE为了避免干扰，需要预留较大保护带，也会消耗一些资源。总的来说，TD-LTE节省频道资源，适合热点集中区域覆盖；FDD的理论最高速度更快，基站覆盖更广，适合郊区、公路铁路等广域覆盖。两者混合组网，是更好的选择。工信部在发放4G牌照的时候，也表明了让三大运营商混合组网的态度，未来电信和联通极有可能获得TD-LTE和FDD-LTE的两张牌照。
5 国内外LTE网络频段分布
既然是无线网络系统，就必须占用频段，需要说明的是这些频段实质上并非随机分配，而是被硬性划分的，这主要是由于频率资源的有限导致，目前我国主要由信息产业部负责相关事宜。越高的频段，越会增加网络覆盖的成本，对系统设备和终端的技术要求也更高。从目前各国规划的LTE频段来看，北美以700MHz为主、2100MHz为辅，西欧主要采用800MHz及2600MHz，东欧则采用800MHz、1800MHz、2300MHz
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及2600MHz，亚太以1800MHz及2100MHz为主，中东及非洲则以800MHz及2600MHz为主。
2013年12月4日下午，工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通正式发放了第四代移动通信业务牌照（即4G牌照），中国移动、中国电信、中国联通三家均获得TD-LTE牌照，此举标志着中国电信产业正式进入了4G时代。
工业和信息化部对TD-LTE频谱规划使用做了详细说明：中国移动获得130MHz频谱资源，分别为1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz；中国联通获得40MHz频谱资源，分别为2300-2320 MHz、2555-2575 MHz；中国电信获得40MHz频谱资源，分别为2370-2390 MHz、2635-2655 MHz。
6 主要优势与缺陷
6.1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通信却给了人们真正的沟通自由，并彻底改变人们的生活方式甚至社会形态。4G通信的优势有：
通信速度快，第四代移动通信系统最高可以达到100Mbps；网络频谱更宽，每个4G信道会占有100MHz的频谱；通信更加灵活，未来的4G通信使人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；智能性能更高；兼容性能更平滑，未来的第四代移动通信系统具备全球漫游，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；提供各种增值服务；实现更高质量的多媒体通信；频率使用效率更高；通信费用更加便宜。 6.2缺陷
标准难以统一，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会对此一直在争论不休；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；容量受到限制，4G通信传输速度从理论上说其所谓的每秒100MB的宽带速度，，但手机的速度会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；市场难以消化，第三代移动通信还处在未完全发展的阶段，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；设施难以更新，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。
7 总结
本文分析了4G的网络标准和网络制式,解读了TD-LTE和FDD-LTE的原理，并对其进行了对比，分析了各自的优缺点及讨论了TD-LTE与FDD-LTE哪个好的问题，还分析了国内外LTE网络频段分布，最后总结出4G的主要优势和存在缺陷。
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第四代移动通信技术论文
