4GLTE技术在物联网终端技术研究中的应用

4G是英文fourth-generation的缩写，多指移动电话系统的第四代，也是3G之后的延伸。按照ITU定义的技术标准，静态传输速率达到IGbps，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。2012年1月，“中国创造”的TD-LTE-Advanced（下称“TDLTE-A”）被国际电信联盟确定成为第四代移动通信（下称“4G”）国际标准，与FDD-LTE-Advanced并列为4G国际标准，使得我国首次在4G移动通信标准这一前沿实现了从“追赶”到“引领”的重大跨越。

与3G网络相比，4G能为用户提供更高速率、更高质量和更加丰富的信息服务，进一步提升通信资源利用率，降低能耗水平。4G手机在高速移动状态下可达100Mbps的速率，可比3G标准速率2Mbps快50倍。因此，4G的商业应用，使得了越来越多且功能愈发强大的移动软件和移动应用问世。移动互联网、物联网等业务应用借助4G的到来实现了快速发展，使得每个人能够更加自由地享受信息时代的美好生活。

1.LTE简介

LTE是第三代合作伙伴计划3GPP（The 3rd Generation Partnership Project）于2004年11月启动的UMTS技术长期演进项目。LTE分为FDD方式的LTE和TDD方式的LTE，其中TDD方式的LTE又由于演进路线的不同分为LTE TDD1和LTE TDD2。我国从2005年开始推动LTE的TDD方案即LTE TDD2方式的研究并被3GPP接受，之后由我国大力推动并通过多方努力，目前两种TDD方式交融为一种即TD-LTE。TBLTE也被同时确定为TD-SCDMA标准的后续演进技术。

LTE项目是3G技术标准的演进，在接入技术上比起3G有了一定的改进和增强。这个标准采用频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）等先进的无线传输技术、扁平网络结构和全IP系统架构。LTE系统的峰值速率可以超过200Mbit/s，系统带宽最大为20MHz，传输延时缩短，频谱效率也有所提高，是一项重大的革新。一方面，LTE在几年内都具有一定的竞争优势，另一方面也为3GPP标准向IMT-Advanced阶段演进打下了坚实的基础。LTE作为一个将被广泛应用的通信标准，已经在全球范围内获得了广泛的关注，也必然会成为我国通信产业界关注的焦点。

2.LTE关键技术

在LTE采用的各种技术中，最核心的技术是OFDM和MIMO，这两种技术是今后无线通信技术的核心技术，会得到快速发展和大量应用。

（1）DOFDM技术

对于无线移动通信来说，选择适当的调制和多址接入方式以实现良好的系统性能至关重要。在2G通信系统，主要采用的是频分复用和时分复用，3G通信系统则引入了码分复用。LTE则采用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分多路复用）技术。

OFDM作为多载波调制（MCM）的一种，核心能力是将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样既减少了子信道之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。与传统的多载波调制（MCM）相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性。通过添加循环前缀，能够克服多径时延带来的符号间干扰。通过将宽带信道划分为多个窄带的子载波（子载波宽度小于信道相干带宽），可以较为有效地对抗信道的频率选择性衰落，有利于简化信道估计，并且不需要复杂的信道均衡，特别适合5MHz以上的宽带移动通信系统。由于OFDM的子载波衰落情况相对平坦，十分适合与MIMO技术相结合，极大地提高了系统性能。

（2）MIMO技术

MIMO（多入多出技术，Multiple-Input Multiple-Output），最早由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来遏制信道衰落。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因而它能够在不增加所占用的信号带宽和传输功率的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。

MIMO有多种具体工作方式。通常终端的能力将成为限制MIMO使用的主要瓶颈。例如接收天线数目。同时MIMO的多种工作模式会根据适合的应用情况，完成相互间的转换，但考虑到信道开销的问题，应控制转换频率。LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，也在考虑4×4的高阶天线配置。(www.xing528.com)

在未来的宽带无线通信系统中存在两个最严苛的挑战：多径衰落信道和带宽效率。将MIMO与OFDM技术相结合形成MIMO-OFDM系统，这样可以充分利用二者的优势，而又互相弥补不足之处。一方面，MIMOOFDM系统不仅有很高的频谱利用率，且在OFDM基础上合理地开发了空间资源，可以提供更高的数据速率，提高系统容量，改善系统性能。另一方面，加入了OFDM调制技术的MIMO系统在抗多径方面表现出了很大的优势，使得MIMO系统可以较为有效地对抗信道的频率选择性衰落，因为单纯的MIMO系统在平坦衰落信道中可以利用传播中的多径分量，但是对于频率选择性衰落信道，还显得无能为力。一般认为，基于OFDM的MIMO系统具有逼近极限的系统容量和良好的抗衰落特点，当前正在成为无线通信的一个研究热点。

3.LTE应用前景

在移动通信技术向宽带化演进的大潮中，LTE被越来越多的移动运营商选择为实施宽带化演进的路径。近段时间以来，LTE在移动运营商、设备制造商的共同驱动下，商用化进程明显加快。

（1）将LTE引入手机

LTE技术的系统部署灵活，能够支持多种带宽，可实现上行50M、下行250M的业务承载能力，这样就可以在数据流量较大的3G核心区域部署LTE，逐步替代3G进而实现LTE网络的全国覆盖。届时将有可能实现LTE手机终端，手机上网速度更快，手机看电影、手机会议、手机远程教学都有可能实现，那时人们的生活会更便利，更舒适。

（2）用LTE部署石油和天然气

开采石油和天然气是风险性比较高的行业，用LTE网络部署石油和天然气企业，将会解决很多以前不容易解决的难题。LTE网络可降低无线网络时延，这样就可为该网络提供大宽带低延迟的数据，从而提高远程操作的安全性、可视性和工作效率。

在油气田开采方面，基于LTE的无线宽带网络也有很好的发展前景。对于油气田这样的高风险行业，油田开采所需的数据必须经过快速高效的传输和处理，如钻井的实时深度，钻井里的压力大小，油泵的输出流量等这些关系油田生产安全的重要数据都必须传回到数据中心进行严格的计算，然后相应的数据又必须传回到各个钻井队里去，以便石油工人很好地保护设备正常运行。

（3）LTE应用于公安执勤通信

将LTE技术引入到公安通信领域，确保指挥中心与终端设备可以共享实时信息。凭借无线通信设备、车载终端和手持LTE数据设备构成协作式设备组合，使一体化多媒体指挥中心与现场警员共享实时信息，从而可以实现公共安全所需要的先进通信能力。

如交通警察配备手持LTE数据设备，则可以实时地把所执勤的路段交通信息传回到多媒体指挥中心，然后将指挥中心对此事件做出的决定传输到交警的手持LTE设备中，以便告知交警对相关交通事件的处理方式，从而起到快速处理交通事故的作用。同时指挥中心也可以通过LTE网络把相关的路段信息发送到车载LTE终端上去，可以让驾驶员实时了解路况信息，以便选择最佳的出行路段。这样，交警指挥中心人员将能更好地把握现场情况，提高决策效率，保障人民的生命财产安全。