3G网络技术的优势及4G移动通信网络概况

移动通信和互联网是20世纪对经济和社会最有影响力的重大创新，是当今信息通信业发展最为迅速的技术和产业。自从1979年日本开放世界上第一个蜂窝移动通信网距今只有短短的30多年时间，移动通信得到快速发展，蜂窝移动用户于2011年年底接近60亿户，互联网用户达23亿左右。移动宽带网络沿着具有宽带化、智能化、泛在化、融合化等特点快速发展和演进。本小节首先介绍移动通信的发展历程，然后介绍3G技术，4G技术将在下节介绍。

1.移动通信的发展历程

至今移动通信发展已经历了四代：

第一代即1G，为模拟移动通信，20世纪80年代初投入商用，技术主要建立在频分多址（FDM）和蜂窝频率复用理论的基调上，代表技术是美国的TACS制式。

第二代即2G，为数字移动通信，20世纪80年代中后期投入商用，以欧洲提出的GSM和美国提出的CDMA技术为代表；20世纪90年代中期，2.5G投入商用，技术以GSM演进的GPRS和CDMA演进的CDMA1X为代表。第二代数字移动通信在技术和成本上获得了较好的解决，迅速地促进了移动通信的发展，显然，移动通信的繁荣是始于第二代数字移动通信。

第三代即3G，自2000年一些欧洲国家开始拍卖3G牌照以来，全球移动通信的热点一直围绕着3G。所谓3G，其实它的全称为3rd Generation，中文含义是指第三代数字通信技术。

根据国际电信联盟（ITU）定义，3G，一是全球化，即3G各系统间在设计上具有高度的互通性，使用共同的频段和全球统一的标准，能提供全球无缝漫游；二是综合化，能够提供多种业务，特别是能够支持多媒体业务和互联网业务，并有能力包含新的业务；三是个人化，用户使用全球唯一的个人号码。

3G与2G、1G的主要区别是在传输速率上的提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。从移动通信发展的趋势来分析，为了开拓新的频谱资源，最大限度地实现全球统一频段、统一制式和无缝漫游，应对中高速数据和多媒体业务的市场需求，以及进一步提高频谱效率、增加容量、降低成本、扭转ARPU下降的趋势，移动通信向第三代发展是必然趋势。

在3G标准的制定过程中，ITU首先组织专家组在充分研究分析2G发展中各种困扰问题的基础上，明确提出了3G的主要特点：

（1）3G是2G的演进和发展，不是重新建立一个移动通信网。

（2）能提供1G、2G所不能提供的各种宽带信息业务。

（3）具有多媒体业务功能，不仅能接收和发送语音、数据信息，而且还能接收和发送静态、动态图像及其他数据业务。

（4）能克服包括多径衰退、多址干扰、远近效应等技术难题。

（5）实现数据业务，主要是Internet所需要的不对称基于包交换（IP）的业务。

（6）具有高频谱利用率，解决全球存在的系统容量问题。

（7）系统设备低价位，业务服务高质量、低价位，能满足个人通信化的要求。

第四代即4GJTU提出4G应具有如下主要特点：

（1）高速传输（高峰时50～100Mbit/s，平均20Mbit/s）。

（2）大容量（约10倍于3G系统）。

（3）支持下一代互联网（IPv6，QoS）。

（4）无缝服务。

（5）灵活的网络结构。

（6）使用微波频段（3～6GHz）。

（7）低系统成本（3G系统的1/10～1/100）。

4G是目前传输速率最快的移动通信技术之一，要比已经投入商业运营的3G网络的传输速率快10倍。借助4G移动网络，用户可更顺畅地用手机上网，通过笔记本电脑完成一些需要更快传输速率和更高传输性能的任务，如网络电视播放、网络视频会议等。美国、瑞典、挪威等少数国家已开通4G移动通信网络。4G目前有两大国际标准，包括中国主导的TDLTE和欧美主导的FDD-LTE。

2.我国3G及其演进技术TD-LTE的迅速发展

伴随着全球3G技术和产业链的不断升级和成熟，全球移动市场已进入3G时代。截至2011年6月，全球3G用户数达到10亿，3G渗透率达到17.38%。同时智能终端增长明显加快，呈现出快速普及趋势。

我国政府自2009年1月正式向中国移动、中国电信、中国联通分别颁发TASCDMA、CDMA2000、WCDMA等3G经营许可证以来，我国三家运营企业带动产业链各方以数千亿元投资3G网络大规模建设，经过一年超常规速度建设即建成几乎覆盖我国所有城市和县城以及部分乡镇的3G网络，开创了全球电信发展史上建设规模最大、速度最快的新纪录。3年来，中国3G网络覆盖越来越广，质量越来越优，不仅为3G业务的发展创造了坚实的基础，还拉动了网络设备商、系统集成商、内容提供商以及终端制造业等多个行业的进展。

作为我国具有自主知识产权的TD-SCDMA网络建设，3G技术是我国自主创新的典范。据国家工业和信息化部公布的行业发展数据显示，截至2011年9月底，我国3G用户规模突破1亿户，3G用户渗透率达10.76%。按照国外3G发展经验，渗透率超过10%之后，市场发展将出现拐点，用户进入规模发展期。目前，我国3G产业链已发展成熟，商用覆盖不断晋级，3G业务日益增多，且步入3G用户规模发展的新阶段。

3.3G的主流标准

目前，国际电信联盟确定了四大3G标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX，WiMAX本节介绍前三种。

（1）WCDMA（W-CDMA）标准。

全称为Wideband CDMA，也称为CDMA DirectSpread，意为宽频码分多重存取，这是基于GSM网发展的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度会相当高。因此W-CDMA具有先天的市场优势。

WCDMA标准可支持384Kbit/s～2Mbit/s带宽的数据传输速率，即在高速移动状态下，可提供384Kbit/s的传输速率，在低速或在室内环境下则可提供高达2Mbit/s的传输速率。WCDMA已有R99、R4和R5三个版本，且还在不断更新。其中R99是一个相对成熟、稳定的版本。

WCDMA在欧洲又称UMTS（Universal Mobile Telecommunication System），是通用移动通信系统的英文缩写。UMTS由UTRAN（Universal Torrential RadioAccess Network，通用陆地无线接入网）和CN（CoreNetwork，核心网）组成。

（2）CDMA2000标准

CDMA2000是由窄带CDMA（CDMA IS95）技术发展的宽带CDMA技术，也称为CDMAMulti-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、朗讯和后来加入的韩国三星都参与其中，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。

CDMA原本仅供军方作为安全通信的技术。1993年CDMA被美国电信行业协会确定为蜂窝系统标准，1995年10月，和记电讯在中国香港推出第一例CDMA商用业务，仅一年后CDMA陆续在美国、韩国和秘鲁面市，并且用户迅速突破了100万。截至2011年6月，全球有325家运营商部署了CDMA2000网络，121家运营商推出了CDMA2000 1X/EV-DO网络，共有260家制造商为消费者提供了超过5733种基于CDMA技术的终端。截至2010年底，全球CDMA用户数达5.77亿，亚太和北美地区用户数分别达到3.39亿和1.69亿。(www.xing528.com)

该标准按照使用带宽可划分为IX系统和3X系统两类，IX系统使用1.25MHz带宽，因此提供的数据业务速率最高只能达到307Kbit/s，从某种角度来讲，CDMA2000 IX系统是从2.5G直接升至3G，具有建设成本低的特点。

在CDMA2000 IX系统以后，国际上比较公认的发展方向是1X/EV-D。和1X/EV-DV系统，其中1X/EV-DO系统重点提升了数据业务性能，将用户最高数据业务速率提高到2.4Mbit/s，而1X/EV-DV系统把数据业务最高速率提高到3.IMbit/s时，且进一步提高了语音业务的容纳量。

（3）TD-SCDMA标准。

全称为Time Division-Synchronous CDMA（时分同步CDMA），该标准是由我国独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。该标准属于CDMA TDD模式，除具备CDMA TDD的所有特点外，将智能天线、同步CDMA、软件无线电等当今国际领先技术融入其中，在频谱利用率、频率灵活性及成本等方面具有独特优势，这也是TD-SCDMA之所以被ITU接受的重要原因，TDSCDMA是我国百年通信史上第一次制定的国际标准，对我国通信业发展来说是一个重要的里程碑。

鉴于TD-SCDMA的技术特点，在商业运营模式上具有明显优势。首先是频谱利用率高，不但有利于降低用户接入及频谱使用的平均成本，而且特别适合人口居住密集的覆盖要求；其次是组网灵活，非常适合立体分层组网，可很好解决覆盖盲点以及室内深度覆盖问题，如采用智能天线可使小区覆盖范围相对更大。多天线技术可以为室内覆盖提供多个信号源，也可以用多个天线分别覆盖室内的不同区域或楼层。

再次是网络运行和维护成本低，这是由于TD-SCDMA的网络规划和优化相对简单，网络易于控制和掌握，在容量增加需对网络扩容时，二次网络规划方便，可大大降低网络扩容的费用。同时，由于TD-SCDMA采用接力切换而不是软切换技术，因此可节约15%～20%的网络传输资源，从而降低运营成本。

此外，由于TD-SCDMA采用软件无线电技术，在系统功能增加、技术升级时，只需进行软件升级而不需要更换硬件设备，这降低了网络维护与升级的成本。而TD-SCDMA采用多天线技术，在基站射频部分具有天然的容错能力，设备失效风险也就分散化，所以也降低了设备维修费用。另外，TD-SCDMA在商业运作模式上还具有易于提供差异化业务以及特别适合不对称数据业务和终端制造成本低等优点。

4.3G的多址技术

多址技术主要解决多个用户共享系统无线资源的问题。ITU在1999年最终确定了5种无线接口技术的标准，包括宽带码分多址（WCDMA）、CDMA2000、TD-SCDMA、TDMA SC和TDMA MC。其中，WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA是重点采用的技术。

对于使用者而言，较为容易使用的资源包括频率、时间、正交码三个方面，而分别对应的有三种基本的多址方式，即频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。在通信系统中，会发生空间跟时间的矛盾。而且当双方互相进行通信时，所占用的资源更是需要准确。主要采用双工方式来解决系统当中用户双向通信的问题。对应的两种双工方式当中，其中两种较好的方法是频率和时间，也就是频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。

如何选择不同的多址方式，其多取决于通信系统的应用环境和要求。在移动通信网络时代，用户数量和通信业务量的快速增长，如何在现有的优先的频率资源上提高使用率，如何能增大系统的容量就成了衡量的先决条件。

（1）频分多址和频分双工技术

在第一代通信系统中，采用频分多址和频分双工技术只是来提供模拟信号的传输。一对双工载波各自占用一个频率来构成一个双向物理信道，然后根据需要方式分配给不同的用户使用。对于频分多址技术，占用的信道带宽是固定的，传输速率相对比较稳定。但是由于它的频率规划相比较而言比较复杂，当传输多种不同类型以及传输的速率是随时改变的数据流时，在第三代移动通信系统中采纳频分多址技术的效率明显不髙。因此不适合在3G通信中采用频分多址技术。

（2）时分多址技术

在第二代数字移动通信系统中采用时分多址技术来作为传输话音及数据信号的技术。相对频分多址技术而言，它能够资源整合多个时隙，达到信道速率可变，并且不用像码分多址技术那样需要去严格控制功率。对于GSM蜂窝系统，移动台会在特定的频率和特定的时隙内，以猝发的方式向基站传输信息，而基站就会在相应的频率和相应的时隙内，以时分复用的方式向各个移动台传递信息。

时分多址技术比较容易与分组类型的多址接入技术相融合，来实现话音和数据的综合应用，如ATM。在时分复用中，多路信号可以在时间轴上互不重叠地穿插排列，实现同一条公共信道上进行传输。而时分多址技术存在的缺陷是每个载波都会倒换多个时隙，会造成周期性的功率包络的振荡。再加上由于频率及时隙指配和管理相对比较复杂，因此必须采用均衡技术来抗多径衰落。统计时分复用STDM是一种改进的时分复用，可以用来明显提高信道的使用率。时分多址的时隙分配是预先确定的，用户在传输信号期间一直是占用一个固定时隙，其接入开销少，无接入碰撞。但这种相对固定的信道对配对突发业务效率不高。而统计时分复用则使用STDM帧来传送复用的数据，当各用户有了数据就可以发往集中器中的输入缓存，然后集中器会按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，然后对于没有数据的就会直接跳过去。当一个帧当中的数据放满了，就可以发送出去。

STDM帧不是固定分配的时隙，则可按照需求动态来分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。从统计数据中可以看出，在输出的线路上面，某个用户所占用的时隙并不是周期性地出现的，而通过标记时隙“占用”与“空闲”达到信道的随机分配，实现了可变速率的接入，流量可以高达90%以上。研究结果阐明，改进后的时分多址技术基本适合3G的可变速率及需要传输多种数据类型的要求。

（3）码分多址技术

码分多址技术是另外一种共享信道的方法。它采用一组相互正交的码来区分不同信道，用以完成多个用户的资源共享。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各个用户使用经过特殊选择的不同的码型，因此在各个用户之间它们是不会相互造成干扰的。它具有频率规划简单、频谱效率高、软切换和宏分集、软容量、较小的频率复用簇数等优势。采用码分多址技术可以提高通话的语音质量和数据传输的可靠性，可以减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等。而第3G通信系统要提供从每秒几千比特到2Mbit/s的可变速率业务，其无线资源运行于多种环境，因此采用多射频（RF）信道带宽，开放灵活的无线接口码分多址方式可以满足第三代移动通信系统的设计要求。对应不同的基站与信道，CDMA系统分配给每个站的码片序列不仅必须保证各不相同，而且还必须互相正交。这样对不同的信号速率采用不同射频信号的码片（Chip）速率，才能达到信号传输速率的匹配。只有采用宽带码分多址技术才比较容易实现这种多速率的空中接口。

综上所述，时分多址和宽带码分多址是3G通信系统可以选择的多址方式，相比起来，宽带码分多址更容易达到3G通信系统的要求，实现更为容易。

5.3G技术的应用

中国最先普及的3G应用是“无线宽带上网”，六亿的手机用户随时随地手机上网。而无线互联网的流媒体业务将逐渐成为主导。3G的核心应用包括：

（1）宽带上网

宽带上网是3G手机的一项很重要的功能，如在手机上收发语音邮件、写博客、聊天、搜索、下载图铃等。3G时代的到来，手机逐渐变成随身携带的“小电脑”。

（2）视频通话

传统的语音通话已经是个“很弱”的功能了，视频通话和语音信箱等新业务是主流，传统的语音通话资费会降低，视觉冲击力强，快速直接的视频通话会更加普及和飞速发展。相信不少人都用过QQ、MSN或Skype的视频聊天功能，与远方的亲人、朋友“面对面”地聊天。之后，依靠3G网络的高速数据传输，3G手机用户也可以“面谈”了。当你用3G手机拨打视频电话时，不再是把手机放在耳边，而是面对手机，再戴上有线耳麦或蓝牙耳麦，你会在手机屏幕上看到对方影像，你自己也会被录制下来并传输给对方。

（3）手机电视

从运营商层面来说，3G“牌照”的发放解决了一个很大的技术障碍，TD和CMMB等标准的建设也推动了整个行业的发展。手机流媒体软件会成为3G时代最多使用的手机电视软件，在视频影像的流畅和画面质量上不断提升，突破技术瓶颈，正大规模被采用。

（4）无线搜索

对用户来说，这是比较实用的移动网络服务，能让人快速接受。随时随地用手机搜索已经成为更多手机用户一种平常的生活习惯。

（5）手机音乐

在无线互联网发展成熟的日本，手机音乐是最为亮丽的一道风景线，通过手机上网下载音乐是电脑的50倍。3G时代，只要在手机上安装一款手机音乐软件，就能通过手机网络，随时随地让手机变身音乐魔盒，轻松收纳无数首歌曲，下载速度更快，耗费流量几乎可以无视不计。

（6）手机购物

不少人都有在淘宝上购物的经历，但手机商城对不少人来说还是个新鲜事。事实上，移动电子商务是3G时代手机上网用户的最爱。目前90%的日本、韩国手机用户都已经习惯在手机上消费，甚至是购买大米、洗衣粉这样的日常生活用品。专家预测，中国未来手机购物会有一个高速增长期，用户只要开通手机上网服务，就可以通过手机查询商品信息，并在线支付购买产品。髙速3G可以让手机购物变得更实在，高质量的图片与视频会话能使商家与消费者的拉近距离，提高购物体验，让手机购物变为新主流。

（7）手机网游

与电脑的网游相比，手机网游的体验不太好，但方便携带，可随时随地可以玩，这种利用了零碎时间的网游是目前年轻人的新宠，也是3G时代的一个重要资本增长点。