4G之途 改变未来的高速无线互联

“如果我们要在无线宽带方面重现过去十年的‘移动奇迹’，我们需要充分利用4G将带来的更快的速率优势，通过创造性的新应用和新业务带来下一波令人振奋的创新浪潮。”

——哈玛德•图雷博士（Dr. Hamadoun Toure）, 国际电信联盟秘书长

从2G到3G，移动通信行业实现了从单纯的语音通讯到数据业务的跨越，3G的商用化也催生了一个全新的移动互联世界，悄然地改变着传统互联网以PC为中心的构成。这种结构的改变，给我们带来直接的影响就是：各类方便的移动应用层出不穷，我们仅需要智能手机就能够随时随地获取到包括天气、票务、出行和微信交流等各种信息，也可以用智能手机来收发邮件、阅读文档及浏览网页等传统商用任务，而不再需要到办公室打开PC后才能查询，整个社会的运行效率悄然提升。当然，假如你是游戏爱好者，3G也让掌上游戏变得无比便利，用户可以方便地通过3G网络、从软件商店中下载喜欢的游戏——手机游戏的品质固然无法同任天堂的专业掌机相比，但任天堂们会郁闷地发现，传统、守旧的掌机越来越不受欢迎，手机游戏市场却高速膨胀。

从某种意义上说，3G重新改造了互联网，移动互联的概念第一次变成真切的现实，而移动互联网表现出的强劲势头也表明，一个新的时代由此降临。此时，更先进的4G技术也开始迈向了商用化，高达100Mb/s的超高速接入将无线互联带入一个崭新的天地，而这也意味着应用模式的巨大转变：云计算取代单机计算成为主流，信息流的获取方式也将从用户搜索寻取到自动推送，基础设施的进化不断孕育出新的商业机会，也预示着一个新时代的开始。

1G到3G：从移动通讯到移动互联

早的移动通讯采用模拟技术，声音信号调制在模拟的载波上传输，它的缺点自然是在传输距离、语音质量方面不尽如人意，加上终端价格和通话费用都极其高昂，民用领域应用较少，模拟制式也被视为“1G”（当时并没有1G这个称呼）。

3G将互联网带入移动时代，也带动了手机业的变革。

“2G”时代是从GSM制式开始的，它是第一代数字化的无线通信技术。GSM是欧洲制定的标准，它的频率范围在900MHz～1800MHz之间，该技术用的是窄带TDMA方式，运行在一个射频内同时进行8组通话，也被称为蜂窝移动电话。GSM于1991年开始进入商用阶段，到1997年底在全球100多个国家运营，成为当时事实性的标准。同模拟通讯相比，GSM具有音质清晰、通话稳定的特点，抗干扰能力、保密性和容量都较强。GSM的生命力非常旺盛，以其广泛的网络覆盖和低廉的资费，直到现在都依然是无线通讯系统的主流。

同属于第二代技术还有美国高通公司的CDMA标准。CDMA其实是一项军用技术，在二战期间，盟军由于战争保密的需要开发了这项技术，在战时被广泛应用于军事抗干扰通信。后来高通公司对这项技术进行改造，使之成为商用的蜂窝移动通信技术。

在上个世纪90年代末，互联网和2G移动通信都已在发达国家获得广泛普及，下一代无线通信标准提上日程。2000年，国际电联正式公布了3G标准的三个候选技术：欧洲-日本派系的WCDMA、美国高通的CDMA 2000以及我国政府牵头提交的TD-SCDMA。

早研究3G标准的当属欧洲电信标准委员会（ETSI），在GSM商用化之后他们就着手3G技术的探讨，当时有几种备选方案都是基于直接序列扩频码分多址（Direct Sequence——Code Division Multiple Access），这项技术是将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘、然后获得了一个宽带扩频信号进行传输，信号接收方采用相同的算法进行解码还原。在欧洲研究这项技术的同时，日本NTT DoCoMo的3G研究也基于相似的宽带码分多址技术，后来这两者进行融合、发展成第三代移动通信系统的一个预案，国际电联接纳了该方案作为3G标准的一部分，这也就是WCDMA。

与此同时，高通公司所提出的CDMA2000方案也获得国际电联的认可。CDMA2000是高通之前CDMA系统的自然升级，它可以平滑地保持向下兼容，并且在速度方面具有优势。“CDMA2000”这个名称属于美国通讯行业协会(TIA-USA)的注册商标，并不是像CDMA一样只是通用的术语。CDMA2000发展出包括1X、1X-RTT、1X-EV等多个不同的方案，1X只是作为该技术的核心，1X-RTT提供高153.6Kb/s数据速率、也因此仅被视为2.5G规范，真正意义上的3G标准则是1X-EV模式，它能够支持支持高3.1Mb/s的下行数据速率和1.8Mb/s的上行速率。

CDMA2000一直在持续发展中，它也将以平滑升级的方式进入到4G时代。不过，在市场占有率方面CDMA2000就明显比WCDMA逊色，只在北美和亚洲的韩国居于主导地位。除了高通公司以外，参与该标准的还有摩托罗拉、朗讯以及后来的韩国，由于韩国将CDMA 2000提升到战略性国策的地位，现在已经成为该标准的主导方。

TD-SCDMA标准其实源自德国西门子公司所制定的TD-CDMA标准，但欧洲只愿意施行一个标准，西门子的这项方案在WCDMA竞争中失利便被放弃。恰好在这时，我国希望能在3G时代掌握一项技术标准，遂引入西门子的这项技术，并将其更名为TD-SCDMA。大唐电信接手了TD-SCDMA的后续研究，西门子公司依然对这项技术提供技术支持，因此准确地说，TDS CDMA应该是中德联手产生的3G标准。

移动通信技术的发展过程

TD-SCDMA采用时分双工机制，上行和下行信道特征基本一致，可以对两者的比例进行灵活调整，特别适合互联网业务中上行数据少而下行数据多的场合。再者，TD-SCDMA不需要成对的频带。在频率资源的划分上比WCDMA和CDMA2000更加灵活。TD-SCDMA的缺点也很明显，它在终端允许移动速度和小区覆盖范围等方面均落后，并且只能同时在线500人，在容量方面存在劣势。

从2006年开始，罗马尼亚、法国、韩国、日本等地都有一些运营商都相继开通过TD-SCDMA试验网，但大规模的商用仅限于中国——实力强的中国移动获得TD-SCDMA牌照，但由于标准支持者较少、终端设备缺乏等因素的制约，TD-SCDMA在国内的推广情况一直不温不火，TD标准要想获得广泛的应用，恐怕绝非易事。

4G将要实现的目标

3G标准初的设计目标是2Mb/s～4Mb/s级别的无线接入能力，在十几年前这的确是了不起的目标。但互联网信息的高速膨胀超乎当时的想象，用户对于网络速度的要求也几乎无止境。当3G刚刚进入商用化的时候，以提升性能为目的的增强性技术就开始涌现，这主要就是“高速下行链路分组接入技术（High Speed Downlink Packet Access）”，也就是我们常说的HSDPA。

HSDPA仍然基于3G基础技术，但它支持一项名为HS-DSCH的通讯技术，HS-DSCH的全称为“High Speed Downlink Shared Channel”，意思是“高速下行链路共享信道”，该通道专门用于数据传输，而不需要像之前3G系统一样数据信号和语音信号共享相同的通道。同时，不同的用户在时分和码分上动态共享这一数据信道的编码和传送，并可实现系统级的优调度机制。调制技术方面，HSDPA采用了16QAM调制技术，其峰值速率能力是QPSK（WCDMA 3GPP R99在下行传输中采用的调制技术）的两倍，频带利用率比传统的QPSK更高。在HSDPA的帮助下，3G网络可以提供14.4Mb/s的下行速率——虽然用户在实际接入中不可能达到这项标准，但实现2Mb/s左右的速率不成问题，这也能满足时下移动宽带的需求了。

与HSDPA并立的是HSUPA，不过它针对的是数据的上传，可以支持高5.7Mb/s的上传速率，在云计算应用逐渐兴起的今天，上传性能也显得越来越重要，毕竟未来用户的文档、照片、音乐、通讯录等各类文件都可以通过云端同步，更快的上传性能有助于提升用户体验。

HSDPA和HSUPA也被并称为HSPA，这项3G增强技术可适用于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三项标准，其中TD版的技术就称为TD-HSDPA，业界也有人将HSPA称为3.5G技术，至少在某种程度上，它们表明了通往4G时代的方向。

4G标准的制定，无疑应该着眼今后十年、乃至二十年的需求，这意味着新标准将具备史无前例的前瞻性，同时，从2G到3G过渡的高昂成本让所有电信企业不堪重负，3G到4G的平滑过渡就成为业界的共识。在性能方面，未来十年100Mb/s级别的高速互联网将成为标准，云计算应用从新颖概念变成标准，互联网成为类似于电力、用水一样必不可缺的基础设施，而4G标准必须具备可承载这些应用的足够性能。

国际电联各成员一般都默认4G标准要求具备100Mb/s的下载速度，上传速度也能达到20Mb/s，从而满足所有用户对于各类无线服务的要求。再者，3G时代过多的技术标准给运营商带来不必要的负担，各成员都希望4G时代尽量做到标准和设备层面的统一。

准4G技术：HSPA+实现平滑升级

经过漫长的磋商，国际电联正式确立了4G标准的候选技术，它们包括HSPA+、LTE、LTE-Advanced、WiMAX和WirelessMAN-Advanced等五种，这么多技术显然与4G要求的单一标准背道而驰。不过，其中有前途、也几乎确定会成为4G标准的只有LTE体系。

HSPA+、LTE、LTE-Advanced三项标准可以认为是同一种，它们代表了从3G到4G的不同阶段。这项演进是非常自然的：从现有的HSPA平滑升级到HSPA+，网速提升42Mb/s级别（HSPA+R8版本）和84Mb/s级别（R9版本）；接着再升级至LTE，可达到高300Mb/s的峰值速率；后前进到LTE-Advanced（高级版LTE），它可以带来高达1Gb/s的惊人性能。

HSPA+属于现行HSPA技术的改进版，运营商只需要对HSPA进行软件升级就能够方便地演进到HSPA+，是一种相当经济和高效的方案。HSPA+体系的演进路线也非常清晰：现有的WCDMA和TD-SCDMA都可以升级至HSPA，之后进入到HSPA+体系——HSPA+分别有R7（即Rel-7）、R8（即Rel-8）、R9（即Rel-9）等多个演进版本，其中R7版的下行/上行峰值分别为28Mb/s、11Mb/s，R8版本的下行峰值则提升至42Mb/s，R9版进一步提升到84Mb/s下行和22Mb/s上行，R9之后的版本将能R99在下行传输中采用的调制技术）的两倍，频带利用率比传统的QPSK更高。在HSDPA的帮助下，3G网络可以提供14.4Mb/s的下行速率—虽然用户在实际接入中不可能达到这项标准，但实现2Mb/s左右的速率不成问题，这也能满足时下移动宽带的需求了。

与HSDPA并立的是HSUPA，不过它针对的是数据的上传，可以支持高5.7Mb/s的上传速率，在云计算应用逐渐兴起的今天，上传性能也显得越来越重要，毕竟未来用户的文档、照片、音乐、通讯录等各类文件都可以通过云端同步，更快的上传性能有助于提升用户体验。HSDPA和HSUPA也被并称为HSPA，这项3G增强技术可适用于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三项标准，其中TD版的技术就称为TD-HSDPA，业界也有人将HSPA称为3.5G技术，至少在某种程度上，它们表明了通往4G时代的方向。

4G标准的制定，无疑应该着眼今后十年、乃至二十年的需求，这意味着新标准将具备史无前例的前瞻性，同时，从2G到3G过渡的高昂成本让所有电信企业不堪重负，3G到4G的平滑过渡就成为业界的共识。在性能方面，未来十年100Mb/s级别的高速互联网将成为标准，云计算应用从新颖概念变成标准，互联网成为类似于电力、用水一样必不可缺的基础设施，而4G标准必须具备可承载这些应用的足够性能。

国际电联各成员一般都默认4G标准要求具备100Mb/s的下载速度，上传速度也能达到20Mb/s，从而满足所有用户对于各类无线服务的要求。再者，3G时代过多的技术标准给运营商带来不必要的负担，各成员都希望4G时代尽量做到标准和设备层面的统一。

准4G技术：HSPA+实现平滑升级

经过漫长的磋商，国际电联正式确立了4G标准的候选技术，它们包括HSPA+、LTE、LTE-Advanced、WiMAX和WirelessMAN-Advanced等五种，这么多技术显然与4G要求的单一标准背道而驰。不过，其中有前途、也几乎确定会成为4G标准的只有LTE体系。

HSPA+各个版本的演进情况

HSPA+、LTE、LTE-Advanced三项标准可以认为是同一种，它们代表了从3G到4G的不同阶段。这项演进是非常自然的：从现有的HSPA平滑升级到HSPA+，网速提升42Mb/s级别（HSPA+R8版本）和84Mb/s级别（R9版本）；接着再升级至LTE，可达到高300Mb/s的峰值速率；后前进到LTE-Advanced（高级版LTE），它可以带来高达1Gb/s的惊人性能。

HSPA+属于现行HSPA技术的改进版，运营商只需要对HSPA进行软件升级就能够方便地演进到HSPA+，是一种相当经济和高效的方案。HSPA+体系的演进路线也非常清晰：现有的WCDMA和TD-SCDMA都可以升级至HSPA，之后进入到HSPA+体系—HSPA+分别有R7（即Rel-7）、R8（即Rel-8）、R9（即Rel-9）等多个演进版本，其中R7版的下行/上行峰值分别为28Mb/s、11Mb/s，R8版本的下行峰值则提升至42Mb/s，R9版进一步提升到84Mb/s下行和22Mb/s上行，R9之后的版本将能终用户的实际上行速率至少可达到4.5Mb/s。

HSPA+提升速度的四大关键技术

HSPA+的出色表现令它获得广泛的支持，截至2011年6月，全球共有69个国家部署了超过136个HSPA+网络，并且57个在建设当中，运营WCDMA网络的中国联通也朝着HSPA+迁移—对于已经升级到HSPA的运营商来说，HSPA+是一个很好的选择。HSPA+不仅可以大限度地兼容 HSPA系统，还可以很小的投资升级网络以达到LTE等同的性能；加上HSPA+采用与3G相同的带宽和频段，这都会极大降低网络部署的难度，使其商用进程更加迅速。

但对于仅仅部署WCMA和TD-SCDMA基本型的运营商来说，如果LTE标准化和商用化进程较为顺利，那么跳过HSPA+、直接演进到LTE也是个诱人的选项——从目前的情况来看，大多数运营商都属于此种情况。如中国移动的TDS CDMA便是如此，虽然它们也在研究TD-HSPA+技术，但决策方已决定直接演进到性能更优的LTE方案，以挽回在3G竞争中的不利局面。中国移动主导的TD-LTE标准也以其优异的性能表现、获得诸多国际电信巨头的支持，基本被国际电联确定为4G标准之一，这或许意味着TD阵营将在4G时代大有作为。

LTE：革命性的4G候选

作为“3.9G”，HSPA+将会很好地完成平滑升级的使命，但TDSCDMA和CDMA2000阵营的3G运营商更希望能够一步到位，通过性能来吸引用户。LTE体系就成为电信业聚焦的重点，LTE以其100Mb/s的起步性能和1Gb/s的演进潜力令人怦然心动，也正因为如此，LTE才被公认为是4G时代的核心标准。

LTE的全称是Long Term Evolution，意为“长期演进”，LTE项目始于2004年12月3GPP在多伦多举行的会议。提出这项计划旨在对抗当时WiMAX带来的挑战，以打造出一种超越WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000的新一代无线通信系统，确保在未来10年内还能继续领先。

LTE一度有过很多种技术提案，视其原理不同可以分为单载波和多载波体系，单载波方式便是采用OFDM（正交频分多址）+MIMO的组合方案，多载波则为类似HSPA+ R9的多波传输方案。在多次磋商之后，LTE也达成共识，即首先发展高效率的单载波方案，未来可以在后续演进中加入多载波机制。单载波的LTE系统主要有三大关键性技术：一是采用OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple)技术，二就是采用MIMO多入多出技术。三就是扁平网络。

HSPA+ R9版采用多信道捆绑的方式，实现性能的再次翻倍。

OFDM将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，这些不同的子载波集再分配给不同的用户以实现多址。同时，OFDM系统可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用。由于不同用户占用互不重叠的子载波集，在理想同步情况下，系统并不存在多用户间的干扰，每个用户都能独享一段“干净”的带宽。MIMO多入多出技术我们在前面介绍过，在LTE系统中，它仍然提供多路复用增益、分集增益和阵列增益，复用增益实现多个数据流的并行传输；分集增益通过对子通道信号的合并、提高了数据的可靠性；阵列增益则提高频率利用率、扩大了网络的覆盖范围。LTE另外一项关键技术就是扁平网络。现行的3G系统都采用三层传输结构，多层节点必然意味着较高的时延，而LTE将网络结构缩减为enodeB（基站）和ePC（核心网）两层，原先的RNC（中央控制节点）则被精简，借此获得更快的响应。

在具体的商用实现上，LTE共有FDD-LTE和TD-LTE两套解决方案，前者为WCDMA阵营提出，采用频分多工方式，它的特点是在分离(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-LTE的优点是采用包交换等技术，可实现高速数据业务和提高频谱利用率、增加系统容量。但FDD必须采用成对的频率，即在每2x5MHz的带宽内提供一组业务——该方式在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在非对称的分组交换工作时，频谱利用率则大大降低。致命的是，由于互联网应用基本都是下行高、上行低的非对称模式，FDD-LTE此时的频谱利用率降低了40%。

TD-LTE则由我国TD-SCDMA阵营提出，它采用TDD时分多工方式，即用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中，发送/接收使用同一频率载波的不同时隙来传递信号，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终端，另外的时间由终端发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。TDD双工方式具有如下优势：能够灵活配置频率，充分利用FDD系统不易使用的零散频段；可以通过调整上下行时隙转换点，提高下行时隙比例，很好地支持非对称业务；同时具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，接收数据时也不需要收发隔离器，降低了设备成本。这些优势让TD-LTE方案表现出很强的竞争力，获得广泛的国际支持。沃达丰、软银、Devas、Clearwire、法国电信、德国电信等国际运营商都在深入研究TD-LTE，预计今年将会有5个左右TDLTE试验网开通。

LTE的标准制定进程，从多个方案精简到后的两个方案。

鉴于上一代TD-SCDMA其实只是“中国标准”的尴尬，TD-LTE这一次将真正成长为国际性标准，这对于国内电信工业是巨大的鼓舞。不过TD-LTE的目标并非与FDD-LTE相互竞争，相反业内希望它能够与FDD进行融合形成统一标准，FDD独特的技术特性占整体标准15%左右。而由于这两者天然的相似性，全球主要系统厂家的设备均为LTE FDD/TDD共平台，高通等主流芯片企业均在研发LTE FDD/TDD共芯片的产品，测试认证体系也是完全一体，这些都意味着LTE FDD/TDD将会融合在一起。或许运营商可以根据需要选择经济有效的方案，但终端用户可以无视这种差异、同时实现两种网络的支持。

OFDM实质是一个多载波系统，把串行的数据流转化成并行的数据流，每一条并行的数据流的码率都很低，使用多载波对这些并行的数据流进行调制。

必须提到的是，无论FDD-LTE还是TD-LTE，它们都和现行的WCDMA和TD-SCDMA没有任何关系——与其说LTE是“演进”，不如说是一种“革命”更贴切一些，当然这种“革命”并不意味着现有3G设备都要报废重来，相反他们可以很好地在现有基础上作一些升级即可满足要求，过渡的成本远不如从2G到3G那样高昂。

作为LTE的后续，LTE-Advanced其实也出现在4G标准的视线中，某种程度上说这才是真正意义的4G标准：LTE-Advanced在100MHz带宽时可以实现高达1Gb/s的峰值下行速率，上行速率也达到500Mb/s，这样的速度我们今天显然是很难想象的。LTE Advanced的技术规格是在2008年5月确定，它的主要新技术包括多频段协同与频谱整合、协同多点传输、上行则用OFDMA来代替LTE的SC-FDMA，对此我们不作过多的涉及。

4G的商用化进程

4G标准尚未尘埃落定，商用化的进程却先已展开。其实早在2010年3月，瑞典Telia就在首都斯德哥尔摩升级LTE网络，为用户提供80Mb/s的无线宽带接入服务。而澳洲电讯（Telstra）则在2011年8月29日推出首个商用LTE服务，并逐步实现悉尼、墨尔本和布里斯班等城市商业中心区（CBD）的覆盖，尽管这更多属于试用性质，但也标志着应用进程的开始。

国际电联日前在日内瓦发起呼吁，希望全球移动运营商迅速部署基于4G技术的移动宽带网络。同时，它还敦促各国政府在税收方面进行减免，以推进4G的发展进程。

LTE的全IP扁平网络，现有3G中的RNC节点被精简，网络共享、负载均衡、系统的响应均获得显著提升。

在我国，中国移动是对LTE态度积极的运营商，TD-SCDMA网络的种种问题让这家电信老大吃尽苦头，这一次它们将翻身砝码压在TD-LTE标准中。截至2011年9月份，广州、深圳、上海、厦门等6个城市的规模试验网都已开始建设，着手于商业应用的测试。而在2012年，TD-LTE规模试验和部署将全面扩大，如果试验网进展顺利，那么中国移动将于2013年在深圳、杭州等城市启动TD-LTE试商用，这也意味着中国的4G到来时间将早于我们的预计。

TD-LTE的推进思路是与FDD-LTE进行融合，令硬件产品可以同时支持两套标准，这种思路也为国际电信业界的认同。

我们也应该看到，受到资费等问题的制约，3G和2G将长久地并存。同样，4G与3G、2G也是如此，4G在高速互联方面的优势令用户难以拒绝，它也将带来无线互联网的一次革命，但面对可以预见的高昂资费，4G要想进入普及任重道远。