4.2 4G

4G即第四代移动电话行动通信标准，泛指第四代移动通信技术。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式（严格意义上来讲，4G只是3.5G，LTE尽管被宣传为4G无线标准，但它其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通信标准IMT-Advanced，因此，在严格意义上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求）。4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、音频、视频和图像等。4G能够以100Mb/s以上的速率下载，比目前的家用宽带ADSL（4Mb/s）快20多倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。

4.2.1 技术层面

4G通常被用来描述相对于3G的下一代通信网络，但很少有人明确4G的含义。实际上，4G在开始阶段也是由众多自主技术提供商和电信运营商合力推出的，技术和效果也参差不齐。后来，国际电信联盟（ITU）重新定义了4G的标准——符合100Mb/s传输数据速率。达到这个标准的通信技术，理论上都可以被称为4G。

不过，由于这个极限峰值的传输速率要建立在大于20MHz带宽系统上，几乎没有运营商可以做到，所以ITU将LTE-TDD、LTE-FDD、WiMAX，以及HSPA+4种技术定义于现阶段4G的范畴。值得注意的是，它其实不符合国际电信联盟对下一代无线通信的标准（IMT-Advanced）定义，只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求。但对于用户来说，由于现有的HSPA+（中国联通使用）在速率上被归到4G中，在宣传上会有一定的误导，在使用体验，尤其是峰值速度上与另外三家还是有很大的区别。所以，4G只是一种代名词，技术只是实现手段，最终达成的效果才具有实际意义。

4.2.2 概念

4G技术支持100~150Mb/s的下行网络带宽，也就是说，4G意味着用户可以体验到12.5~18.75MB/s的下行速度。这其中特别要注意的是，我们常看到一些媒体甚至通信公司宣传4G能带来100MB/s的疾速体验，显然这种说法是错误的——在传输过程中为了保证信息传输的正确性需要在传输的每字节之间增加校验码，而且要将Mb/s换算成人们常用的MB/s还需要除以8，所以实际速度会小些。

支持4G技术的移动设备可以提供高性能的流媒体内容，并通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备。它也可以接收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。

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，并利用一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境，那么4G通信会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境连线。

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率。然而，在通话品质方面，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。

数据通信速率的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100MB/s，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减少，未来的4G通信费用要比2009年通信费用低。

4G通信技术是继第三代通信以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度——据3G市场分3个阶段走的发展计划，3G的多媒体服务在10年后进入第三个发展阶段。在发达国家，3G服务的普及率超过60%，这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。

为了充分利用4G通信给人们带来的先进服务，人们还必须借助各种各样的4G终端才能实现，例如，生产具有高速分组通信功能的小型终端、生产对应配备摄像机的可视电话以及电影、电视的影像发送服务的终端，或者是生产与计算机相匹配的卡式数据通信专用终端。有了这些通信终端后，手机用户就可以随心所欲地漫游了，随时随地享受高质量的通信。

4.2.3 系统网络结构

4G移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。

OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。例如，无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等都采用OFDM技术。

4.2.4 关键技术

4G移动通信对加速增长的宽带无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公用的和专用的、室内和室外的多种无线系统和网络提供无缝的服务。

通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段，使频谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构，以傅里叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。移动通信会向数据化、高速化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动IP预计会成为未来移动网的主流业务。

4.2.5 4G国际标准

2012年1月18日下午5时，国际电信联盟在2012年无线电通信全会全体会议上，正式审议通过将LTE-Advanced和Wireless MAN-Advanced（802.16m）技术规范确立为IMT-Advanced（俗称4G）国际标准，中国主导制定的TD-LTE-Advanced和FDD-LTE-Advance同时并列成为4G国际标准。

4G国际标准工作历时三年。从2009年初开始，ITU在全世界范围内征集IMT-Advanced候选技术。2009年10月，ITU共计征集到了6个候选技术，分别来自北美（802.16m）、日本（FDD-LTE-Advance）、韩国（802.16m）、中国（TD-LTE-Advanced），以及欧洲3GPP（FDD-LTE-Advance）。

4G国际标准公布有两项标准，分别是LTE-Advance和IEEE：一类是LTE-Advance的FDD部分和中国提交的TD-LTE-Advanced的TDD部分；另外一类是基于IEEE 802.16m的技术。

ITU收到候选技术以后，组织世界各国和国际组织进行技术评估。2010年10月，在中国重庆，ITU-R下属的WP5D工作组最终确定了IMT-Advanced的两大关键技术，即LTE-Advanced和IEEE 802.16m。中国提交的候选技术作为LTE-Advanced的一个组成部分，也包含在其中。在确定了关键技术以后，WP5D工作组继续完成了国际电信联盟建议的编写工作，以及各个标准化组织的确认工作。此后WP5D将文件提交上一级机构审核，SG5审核通过以后，再提交给全会讨论通过。

在此次会议上，TD-LTE正式被确定为4G国际标准，也标志着中国在移动通信标准制定领域再次走到了世界前列，为TD-LTE产业的后续发展及国际化提供了重要基础。

日本的软银、沙特阿拉伯的STC和Mobily、巴西的Sky Brazil、波兰的Aero2等众多国际运营商已经开始商用或者预商用TD-LTE网络。审议通过后，将有利于TD-LTE技术进一步在全球推广。同时，国际主流的电信设备制造商基本全部支持TD-LTE，而在芯片领域，TD-LTE已吸引17家厂商加入，其中不乏高通等国际芯片市场的领导者。

1．LTE

LTE（Long Term Evolution）项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。根据4G牌照发布的规定，国内三家运营商，中国移动、中国电信和中国联通，都拿到了TD-LTE制式的4G牌照。

LTE的主要特点是在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mb/s与上行50Mb/s的峰值速率，相对于3G网络大大地提高了小区的容量，同时将网络延迟大大降低：内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。并且这一标准也是3GPP长期演进（LTE）项目，是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，其演进的历史如下：GSM→GPRS→EDGE→WCDMA→HSDPA/HSUPA→HSDPA+/HSUPA+→FDD-LTE。长期演进：GSM：9k→GPRS：42k→EDGE：172k→WCDMA：364k→HSDPA/HSUPA：14.4M→HSDPA+/HSUPA+：42M→FDD-LTE：300M。

由于WCDMA网络的升级版HSPA和HSPA+均能够演化到FDD-LTE这一状态，所以这一4G标准获得了最大的支持，也是未来4G标准的主流。TD-LTE与TD-SCDMA实际上没有关系，不能直接向TD-LTE演进。该网络提供媲美固定宽带的网速和移动网络的切换速度，网络浏览速度大大提升。

2．LTE-Advanced

从字面上看，LTE-Advanced就是LTE技术的升级版，那么为何两种标准都能够成为4G标准呢？LTE-Advanced的正式名称为Further Advancements for E-UTRA，它满足ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。LTE-Advanced是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命，相当于HSPA和WCDMA这样的关系。LTE-Advanced的相关特性如下。

带宽：100MHz。

峰值速率：下行1Gb/s，上行500Mb/s。

峰值频谱效率：下行30b/s/Hz，上行15b/s/Hz。

针对室内环境进行优化。

有效支持新频段和大带宽应用。

峰值速率大幅提高，频谱效率有限改进。

严格地讲，如果LTE作为3.9G移动互联网技术，那么LTE-Advanced作为4G标准更加确切一些。LTE-Advanced的入围，包含TDD和FDD两种制式，其中，TD-SCDMA将能够进化到TDD制式，而WCDMA网络能够进化到FDD制式。移动主导的TD-SCDMA网络期望能够直接绕过HSPA+网络而直接进入LTE。

3．WiMAX

WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）即全球微波互连接入，WiMAX的另一个名字是IEEE 802.16。WiMAX的技术起点较高，WiMAX能提供的最高接入速率是70Mb/s，这个速率是3G所能提供的宽带速率的30倍。对无线网络来说，这的确是惊人的进步。WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高，这也是未来移动世界和固定网络的融合趋势。

IEEE 802.16工作的频段采用的是无须授权频段，范围在2~66GHz，而IEEE 802.16a是一种采用2~11GHz无须授权频段的宽带无线接入系统，其频道带宽可根据需求在1.5~20MHz范围进行调整，具有更好高速移动下无缝切换的IEEE 802.16m技术正在研发。因此，IEEE 802.16所使用的频谱可能比其他任何无线技术更丰富，WiMAX具有以下优点。

（1）对于已知的干扰，窄的信道带宽有利于避开干扰，并且有利于节省频谱资源。

（2）灵活的带宽调整能力，有利于运营商或用户协调频谱资源。

（3）WiMAX实现的50km的无线信号传输距离是无线局域网不能比拟的，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍，只要少数基站建设就能实现全城覆盖，能够使无线网络的覆盖面积大大提升。

不过，WiMAX网络在网络覆盖面积和网络的带宽上优势巨大，但是其移动性却有先天的缺陷，无法满足高速（≥50km/h）下网络的无缝连接。从这个意义上讲，WiMAX还无法达到3G网络的水平，严格地说并不能算作移动通信技术，而仅仅是无线局域网技术。但是，WiMAX的希望是IEEE 802.11m技术，该技术将能够有效地解决这些问题，也正是因为有中国移动、英特尔、Sprint各大厂商的积极参与，WiMAX成为呼声仅次于LTE的4G网络手机。关于IEEE 802.16m这一技术，我们将留在最后详细阐述。WiMAX当前全球使用用户大约800万，其中60%在美国。WiMAX其实是最早的4G通信标准，大约出现于2000年。

4．Wireless MAN

Wireless MAN-Advanced事实上就是WiMAX的升级版，即IEEE 802.16m标准，802.16系列标准在IEEE正式称为Wireless MAN，而Wireless MAN-Advanced即为IEEE 802.16m。其中，IEEE 802.16m最高可以提供1Gb/s的无线传输速率，还将兼容未来的4G无线网络。IEEE 802.16m可在“漫游”模式或高效率／强信号模式下提供1Gb/s的下行速率。该标准还支持“高移动”模式，能够提供1Gb/s速率。其优势如下。

（1）提高网络覆盖。

（2）提高频谱效率。

（3）提高数据和VOIP容量。

（4）低时延和QoS增强。

（5）功耗节省。

Wireless MAN-Advanced有5种网络数据规格，其中极低速率为16kb/s，低速率数据及低速多媒体为144kb/s，中速多媒体为2Mb/s，高速多媒体为30Mb/s，超高速多媒体则达到了30Mb/s~1Gb/s。

IEEE方面表示军方的介入将能够促使Wireless MAN-Advanced更快地成熟和完善，而且军方的今天就是民用的明天。不论怎样，Wireless MAN-Advanced得到ITU的认可并成为4G标准的可能性极大。

4.2.6 性能

第四代移动通信系统可称为广带（broadband）接入和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力，数据率超过UMTS，是支持高速数据率（2~20Mb/s）连接的理想模式，上网速率从2Mb/s提高到100Mb/s，具有不同速率间的自动切换能力。

第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，在业务上、功能上、频带上都与第三代通信系统不同，能够在各种类型通信平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，比第三代移动通信更接近于个人通信。第四代移动通信技术可把上网速度提高到超过第三代移动技术50倍，可实现三维图像高质量传输。

4G移动通信技术的信息传输级数要比3G移动通信技术的信息传输级数高一个等级。对无线频率的使用效率比第二代和第三代通信系统都高得多，且抗信号衰落性能更好，其最大的传输速率是i-mode服务的10000倍。除了高速信息传输技术外，它还包括高速移动无线信息存取系统、安全密码技术以及终端间通信技术等，具有极高的安全性，4G终端还可用作诸如定位、告警等。

4G手机系统下行链路速率为100Mb/s，上行链路速率为30Mb/s。其基站天线可以发送更窄的无线电波波束，在用户移动时也可进行跟踪，可处理数量更多的通话。

第四代移动电话不仅音质清晰，而且能进行高清晰度的图像传输，用途十分广泛。在容量方面，可在FDMA、TDMA、CDMA的基础上引入空分多址（SDMA），容量达到3G的5~10倍。另外，可以在任何地址宽带接入互联网，包含卫星通信，能提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。

其广带无线局域网（WLAN）能与B-ISDN和ATM兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网（IBCN），通过IP进行通话。能全速移动用户能提供150Mb/s的高质量的影像服务，实现三维图像的高质量传输，无线用户之间可以进行三维虚拟现实通信。

能自适应资源分配，处理变化的业务流、信道条件不同的环境，有很强的自组织性和灵活性。能根据网络的动态和自动变化的信道条件，使低码率与高码率的用户能够共存，综合固定移动广播网络或其他的一些规则，实现对这些功能体积分布的控制。

支持交互式多媒体业务，如视频会议、无线因特网等，提供更广泛的服务和应用。4G系统可以自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。用户可能使用各种各样的移动设备接入到4G系统中，各种不同的接入系统组合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作以满足不同业务的要求，移动网络服务趋于多样化，最终会演变为社会上多行业、多部门、多系统与人们沟通的桥梁。