本节先来认识4G,了解4G的概念和技术标准,以及4G的应用前景。
到目前为止,人们还无法对4G通信进行精确地定义,有人说4G通信的概念来自其他无线服务的技术,从无线应用协定、全球无线服务到4G;有人说4G通信是系统中的系统,可利用各种不同的无线技术;但不管人们对4G通信怎样定义,有一点能够肯定的是,4G通信将是一个比3G通信更完美的新无线世界,它将创造出许多消费者难以想象的应用。
4G手机可以提供高性能的汇流媒体内容,并通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备。它也可以接受高分辨率的电影和电视节目,从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。此外,4G的无线即时连接等某些服务费用将比3G便宜。还有,4G有望集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信,移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。
4G通信技术并没有脱离以前的通信技术,而是以传统通信技术为基础,并利用了一些新的通信技术,来不断地提高无线通信的网络效率和功能。如果说现在的3G能提供一个高速传输的无线通信环境的话,那么4G通信将是一种超高速无线网络,一种不需要电缆的信息超级高速公路,这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实际连线。
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。然而,在通话品质方面,目前的移动电话消费者还是能接受的。随着技术的发展与应用,现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。数据通信速度高速化的确是一个很大的优点,它的最大数据传输速率达到了100Mbps,这个速率是目前移动电话数据传输速率的1万倍,也是3G移动电话速率的50倍,简直是不可思议的事情。另外,由于技术的先进性确保了成本投资的大大降低,未来的4G通信费用也要比目前的通信费用低。
1.4G技术标准
4G网络是3G网络的演进,但却并非是基于3G网络简单升级形成。从技术角度来说,4G网络的核心与3G网络的核心是两种完全不同的技术。3G网络主要以CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)为核心技术,而4G网络则是以OFDM(Orchogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分调制)和MIMO(Multiply-Input Multiply-Output,多入多出)技术为核心。按照国际电信联盟的定义,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。
目前4G标准只有两个,分别为LTE Advanced与WiMAX-Advanced(全球互通微波存取升级版)。其中,LTE-Advanced是LTE技术的升级版,在特性方面,LTE-Advanced向后完全兼容LTE,其原理类似HSPA升级至WCDMA这样的关系。
而WiMAX-Advanced即IEEE 802.16m,是WiMAX的升级版,由美国Intel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,也是电信联盟承认的4G标准。
4G标准的演进过程如图1-1所示。
图1-1 4G标准的演进过程
实际上,目前接触的LTE并非真正的4G网络,虽然上百兆的速度远超3G网络,但与ITU(International Telecommunication Union,国际电信联盟)提出的1Gbps的4G技术要求还有很大距离,因此,目前的LTE也经常被称为3.9G。
LTE根据其具体的实现细节、采用的技术手段和研发组织的差别形成了许多分支,其中主要的两大分支是TDD-LTE与FDD-LTE版本。中国移动采用的TD-LTE就是TDD-LTE版本,同时 也是由中国主导研制推广的版本,而 FDD-LTE则是由美国主导研制推广的版本。
2.4G的双工模式
目前4G有两种双工模式,分别是TDD-LTE和FDD-LTE。
(1)TDD-LTE和FDD-LTE的工作原理
TDD-LTE(Time Division Long Term Evolution,分时长期演进)是由阿尔卡特-朗讯、诺基亚、西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通信、中国移动等共同开发的第四代(4G)移动通信技术与标准。
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,另外的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。
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。因此,FDD必须采用成对的频率,依靠频率来区分上下行链路,其单方向的资源在时间上是连续的。在优势方面,FDD在支持对称业务时,可以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。
FDD及TDD双工方式如图1-2所示。
图1-2 FDD及TDD双工方式
(2)FDD和TDD的共用性
LTE FDD和TDD拥有相同的核心网,相同的高层设计,只在“何时”处理任务方面有微小的差异,但是工作的内容、方式和原理均相同,如图1-3所示。
图1-3 TDD和FDD的微小差异
LTE是全球统一的标准,因此无线行业能够充分利用全球统一的庞大的LTE生态系统实现规模化效应,从而可低成本和高效率地打造相通的FDD/TDD基础设施产品和终端。庞大的LTE生态系统如图1-4所示。
图1-4 庞大的LTE生态系统
LTE FDD和TDD设备通用性如图1-5所示。
图1-5 LTE FDD和TDD设备通用性
LTE FDD和TDD内在的紧密互通使运营商能够利用拥有的全部频谱资源,通过相同的基础建设实施融合的FDD/TDD网络,如图1-6所示。
图1-6 LTE FDD和TDD基站的融合性
在突破了网速这个瓶颈之后,视频类业务将成为最具推动力的4G应用,但适合4G网络的应用并不会局限在“高清视频播放”这个框框里。网速越快,越能催生新产品、新应用的爆发,更多的行业将被带入智能时代。
1.新闻回传
对于广大新闻工作者,尤其是电视台的记者们来说,4G高速网络将成为他们的得力助手。
在未来的电视现场直播过程中,记者无需再使用体型庞大的电视转播车,只要在肩扛摄像机的传输模块上插入4G上网卡,并连接到当地运营商的4G网络上,就可以在拍摄画面的同时,把高清影像传回到后方。
实际上,利用4G网络的“即摄即传”技术已经在国内一些地方电视台得到使用。比如,深圳卫视的新闻直播节目,在今年报道国庆长假出行状况时,就使用了当地移动公司的4G网络,从直播效果来看,直播画面与现场实况的时间误差不超过1秒。
可以预见的是,在4G高速网络商用普及之后,这项技术将会更频繁地应用于体育赛事、重大活动的电视直播中。电视台和互联网视频类节目,都将逐步进入无线高清直播时代。
2.智能交通
在4G高速网络环境下,实时拍摄、即时传送的道路监控画面,将帮助交警更及时、更便捷地管理城市交通。
比如,部署在交通枢纽、主要路段、高速公路的移动摄像头,可以通过4G网络,把拍摄的路况视频实时回传到交通指挥中心,后方就可以及时作出道路交通状况的判断,并采取相应的处理措施。
在4G网络部署较快的广州、深圳等城市,当地的交通管理部门已经在部分区域尝试使用TD-LTE 4G网络,通过部署在警务车上的车载型摄像头,把现场拍摄的高清视屏实时回传到指挥中心。
这类应用可适用于警用摩托、巡逻警车等流动警备车,通过车载终端可以作为定点视频之外的监控管理盲点。这种智能的监控手段,不仅可以帮助交管部门快速处理交通突发状况,也可以更好地缓解城市交通拥堵问题。
3.车联网
说到智能交通,就不可避免地要说说跟交通有关的另一个热门名词——智能汽车。
众所周知,未来的汽车必定会向智能汽车的方向发展,而构成智能汽车的三大要素是互联化、自动化和电气化。其中排在首位的要素就是要“联网”,也就是业界经常提到的“车联网”。
简单来说,让汽车连接网络,就是要实现对汽车动态信息的实时提取,并根据车主的需要,对车辆进行监控或提供服务。
2010年,中国移动联合上海贝尔推出了全球第一款TD-LTE概念车,而这个概念车就是车联网概念的一个实体应用,它可解决“智能交通”、“安全救助”等一系列问题。不过,受限于当时国内4G网络并没有商用的情况,这项应用长期停留在概念阶段。
4.智能安防
利用4G网络的高速度、低时延等特性,未来的安防工作也可以变得更加智能。
比如,在居民小区里、大型展会或体育赛事现场,安防人员以往使用的各种定点监控设备,可以变成可移动的高清视频监控设备。
在需要监控的区域,安防人员可以通过车载高清摄像头,利用4G网络实时回传现场拍摄的高清视频。
按照不同场合的实际需求,还可以在安防人员的工作服上配备一套小型摄像机、便携式的视频编码器。通过这样一套简易的装备,每个安防人员都可变成一个流动监控头,并通过4G高速网络,把监控拍摄的画面实时回传到后方。
5.智能家居
使用移动高速网络的“智能家居”也是在很多年前就已经被提出来的概念,国内运营商也曾在部分省市推出了类似的应用,但这一市场并没有被真正打开。
中国移动物联网基地在2010年曾推出了一款名为“宜居通”的产品,通过安装在家中的传感器,实时采集被监控物件的状态,并将采集到的信息通过移动网络传送到用户的手机上。同时,用户还可以通过手机向家中的传感器发出指令,调节家里各种物件的状态。
当时运营商的设想是:第一步实现用户可以随时了解家庭的安全状况;第二步实现手机对家用电器的远程操控,比如,用户可以在回家之前打开空调、热水器;第三步,实现手机对家庭的全掌控。
不过,实现智能家居是一个庞杂的过程,不仅需要高速的移动网络,还需要全产业链的智能化改造。在4G商用普及、高速网络问题被解决了之后,实现智能家居应该为时不远了。
4G商用给通信行业以及周边产业带来了无限商机,尤其是给移动互联网行业带来了巨大的想象空间。但4G商用只是为各类新应用、新产品的爆发铺平了一条超级高速公路,未来在这条超级高速公路上跑什么样的车,怎么跑,还需要业界的进一步探讨和尝试。
1.iPhone 5S手机
iPhone 5S手机使用苹果公司的iOS 7操作系统,外形如图1-7所示。
图1-7 iPhone 5S手机
2.三星i9505(GALAXY S4 LTE版)
三星i9505在网络上可同时支持FDD-LTE、WCDMA、GSM多种模式,外形如图1-8所示。
图1-8 三星Galaxy S4外形
3.华为Ascend P7(电信版)
华为Ascend P7(电信版)正面搭载了一块5.0英寸1080P分辨率IPS屏幕,采用in-cell技术,正反面机身覆盖第三代康宁大猩猩玻璃。看上去不仅仅美观且相当大气。搭载主频为1.8GHz的海思Kirin 910T四核处理器,搭配2GB RAM+16GB ROM组合。
华为Ascend P7(电信版)设有1300万像素后置+800万像素前置摄像头组合,主摄像头采用F2.0光圈,索尼4代堆栈式传感器。以及2500mAh容量电池。支持TD-LTE、TD-SCDMA、GSM、FDD-LTE、WCDMA(后两者仅在国际漫游时支持),外观如图1-9所示。
图1-9 华为Ascend P7(电信版)