移动通信技术：物联网组成原理

3G虽然可以提供1G和2G所不能提供的各种宽带业务，能较快地处理声音、图像、音乐、视频等多种数据，是覆盖全球的移动多媒体通信系统。然而，3G没有全球统一标准，其语音交换结构延续了2G的电路交换，非纯IP形式；另外，视频的应用、安全方面也存在一定的缺陷。

在云计算、物联网技术的带动下，随着数据通信和多媒体业务需求的发展，第4代移动通信（以下简称4G）技术为适应运作需要而开始兴起。工信部加速推进4G商用部署，于2013年年底发放了TD的4G牌照；2015年初发放了FDD的4G牌照。4G技术给人们带来更加美好的未来。

1.4G技术介绍

到目前为止，4G技术还没有一个精确定义，但有一点可以肯定的是，4G是比3G更好的无线世界。4G技术可称为宽带接入和分布式网络，它将可能创造出用户难以想象的应用。数据速率的高速化是4G技术的一个明显特点，最大数据传输速率可以达到100Mbit/s，是3G的50倍，而且通信费用也会更低。此外，4G手机可以提供高性能的媒体内容，可以接收高分辨率的电视和电影节目，是宽带接入媒体系统，是多功能集成的宽带移动通信系统。4G技术可以在固定平台、无线和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网，可以提供定时定位、数据采集等综合功能。

2.4G技术的特点

相对于2G、3G技术，未来的4G技术将具有以下特征：

（1）通信速度快

依据移动通信数据传输速率进行比较，1G技术仅提供语音服务；2G技术的数据传输速率只有9.6Kbit/s，最高可达32Kbit/s；3G技术的数据传输速率是2Mbit/s；4G技术的则可达到10～20Mbit/s，甚至最高可达100Mbit/s。

（2）网络频谱宽

运营商必须在3G技术的基础上，进行大幅度的研究和改造，才能使4G到达100Mbit/s的传输速率。据业内人士说，每个4G信道大概将占有100MHz的频谱，这相当于20倍的WCDMA。同时，4G网络的核心网将全面采用分组交换技术，根据用户的需要来进行带宽分配，进而大大提高了无线频谱的利用率，实现真正意义上的宽带通信。

（3）通信更加灵活

4G系统能够自适应地分配资源，灵活处理变化的业务和信道条件，还具有很强的智能性、适应性和灵活性。因此，4G技术会给人们带来惊人的突破，不仅可以随地通信，还可以双向下载传递资料、图画和影像等。

（4）智能性能更好

与3G系统相比，不仅在终端设备的设计和操作上可以体现4G系统的智能性，而且4G系统还可以实现多种难以想象的功能。4G系统能根据语音、数据和多媒体等不同业务的需要而进行自适应地选择信道和资源分配，实现不同的QoS。

（5）兼容性能更平滑

4G系统将具备接口开放、全球漫游、多网络、终端多样化及能够从2G和3G时代平稳过渡等特点，可以让用户在投资最少的情况下轻易过渡到4G时代。

（6）实现高质量的多媒体通信

在IPv6等先进无线接入技术的支持下，4G系统支持各种空中接口，使得个人通信系统、信息系统及广播娱乐业务无缝集成在一起，进而满足3G通信尚不能达到的高速率和高分辨率的多媒体服务要求，并提供大量的无线多媒体通信服务（如语音、数据、影像等）透过宽频的信道传送出去。故此，4G系统也称为“多媒体移动通信”。

（7）手机终端的多样化(www.xing528.com)

未来的4G手机已不仅是“电话机”，更应该算是一台小型计算机了；而且4G手机在外观和式样上将有更加惊人的突破，各种物品都可能成为4G手机终端，甚至是眼镜、手表、旅游鞋、化妆盒等。

（8）通信费用更低

基于4G系统引入了尖端的通信技术，能够让更多的现有用户轻易地升级。另外，在建设4G网络的时候，运营商们将考虑在现有的基础上采用逐步引入的方法来有效降低费用，这就使得4G的某些费用要比3G更加便宜。另一方面，4G技术也存在着一些缺陷，如标准难以统一、技术实现难度大、容量受到限制、市场不好消化、设施不易更新及其他相关困难，这些还有待于进一步研究实施。

3.4G技术的关键

基于4G系统具有较高的频谱利用率和数据传输速率，提供多种多媒体业务，实现全球无缝漫游，而且具有更高的智能性、灵活性和安全性及更高的服务质量，为此，4G系统使用了不同于3G的许多新技术。4G系统的关键技术如下：

（1）正交频分复用（OFDM）技术

在高频段进行无线通信，会受到多普勒效应和多径衰落对信号的干扰。使用OFDM技术可以有效抑制这种衰落，提高信号性能。与3G系统的CDMA技术相比，OFDM技术有着显著不同，它是一种高速传输技术，基本原理是在频域内对传输的信道进行分解，达到信道均衡。由于无线信道的频率响应曲线大都是非平坦的，OFDM技术把给定信道分成许多正交子信道，并且每个子信道使用一个子载波调制，进而使各子载波并行传输。这样，一方面使得每个子信道变得相对平坦，某个时刻仅有少部分的信道受到多径衰落的影响；另一方面，使每个子信道上传输信号的带宽小于该信道的带宽，从而使得信号波形间的干扰也大大减小了。这就既减小了子载波间的相互干扰，又提高了频谱利用率，故可以认为OFDM技术是4G技术的核心。

（2）多输入多输出（MIMO）技术

MIMO技术利用多发射、多接收天线来进行空间分集，在空间上扩展传输通道从而提高数据传输速率，提高信道的可靠性，降低误码率。再者，MIMO技术能够将以往传统通信系统中被认为是有害因素的多径衰落作为一个有利因素加以运用，这样就可以成倍地提高无线信道容量，在发送功率与带宽不增加的情况下，频谱利用率能够被成倍地提高，达到高速通信的目的。

经过几年的不断努力，该技术已经越来越多地应用到各种无线通信系统中。4G系统中MIMO技术与OFDM技术结合使用，相互补充，成为现代无线通信系统的关键技术之一。其优点是，提高了空间分集增益，降低了码间干扰，提高了无线信道容量和频谱利用率。

（3）软件无线电技术

在4G系统中，为了真正实现“多媒体通信业务”，在各媒体和网络协议之间无缝漫游，软件无线电技术被认为是解决用户终端在不同通信环境中工作的关键技术。它以软件编程和DSP技术为核心，通过一个通用硬件平台将标准化、模块化的硬件功能单元融合在一起，从而实现无线数据的收发功能。

在系统组成上，软件无线电硬件部分包括天线、射频前端、D-A转换器件、数字信号处理器件等单元；软件无线电的灵魂是软件，它含有如无线信令和规则处理等多种软件，通过不同的软件程序来实现不同的功能。软件无线电具有灵活性、集中性和模块化的特点。

（4）切换技术

切换技术是指移动终端从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区，或者从一个移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC）进入另一个MSC服务区内，为保持移动用户的通信业务不中断而进行的一种综合技术。它是4G系统实现无缝漫游的基础。切换是蜂窝移动通信系统中用来保持用户移动可行的基本技术。它的实现方式可以分为硬切换、软切换、更软切换、接力切换等。有效的切换算法可以提高系统的容量、切换效率和QoS。在4G系统中，要充分发挥切换的优势，实现综合切换技术，为用户终端提供更人性化的服务。

4.4G技术的展望

一方面，从融合的角度看，4G技术意味着更多地参与方、技术、行业、应用的融合，不仅局限于电信行业，而是可以广泛应用于金融、教育、医疗、交通等行业；用户终端可以做更多的事情，如多媒体通信、远程控制等，或者互联网、局域网、广播网、电信网、卫星网等融为一体构成一个通播网，这样一来，无论使用什么终端，都可以享受高品质信息服务，向宽带无线化和无线宽带化演进，使4G渗透到生活的方方面面。另一方面，从用户需求来看，4G可以为用户提供更快的速度、更多的服务，移动通信从2G到4G再到将来的xG，其根本动力就是用户需求由语音服务向多媒体服务转变，进而激发运营商研发新技术，开拓新频段，提高频谱利用率，降低成本，从而进行改革转型。

有理由相信，4G技术将会给未来的生活带来无限美好的期待！