移動通信技術已經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段。每一代的發(fā)展都是技術的突破和觀念的創(chuàng)新。第一代起源于20世紀80年代，主要采用模擬和頻分多址(FDMA)技術。第二代(2G)起源于90年代初期，主要采用時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)技術。第三代移動通信系統(tǒng)(3G)可以提供更寬的頻帶，不僅傳輸話音，還能傳輸高速數(shù)據(jù)，從而提供快捷方便的無線應用。然而，第三代移動通信系統(tǒng)仍是基于地面標準不一的區(qū)域性通信系統(tǒng)，盡管其傳輸速率可高達2 Mb/s，但仍無法滿足多媒體通信的要求，因此，第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的研究隨之應運而生。

一、4G通信技術的概念

4G的定義到目前為止依然有待明確，它的技術參數(shù)、國際標準、網(wǎng)絡結構、乃至業(yè)務內容均未有明確說法。

在2002年底Wi-Fi熱潮中，Wi-Fi被視作4G技術。但4G技術的提倡者認為，4G與 Wi-Fi不同。2004年6月，市場研究公司Forrester的分析師預測，4G移動服務將是3G與WiMax結合在一起的技術。4G將提供以太網(wǎng)的接入速度（如10Mb/s）,并且通過在一部手機中把3G和WiMax技術結合在一起,提供集成無線局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的服務。WiMax（或者說是802.16標準）能夠提供無線寬帶網(wǎng)服務，最遠距離可達30英里，速率大約是10 Mb/s。在2004年富士通發(fā)布的白皮書中，將WiMAX指為“4G”無線技術。

另外，也有很多專家對LAS-CDMA十分看好，認為LAS-CDMA代表著4G水平。

4G到底是什么樣的技術呢？目前普遍描述如下：

4G是集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質量視頻圖像，它的圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下。4G系統(tǒng)能夠以100Mb/s的速率下載，比目前的撥號上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達到20Mb/s，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。而在用戶最為關注的價格方面，4G與固定寬帶網(wǎng)絡在價格方面不相上下，而且計費方式更加靈活機動，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務。此外，4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。

4G與3G之間的主要區(qū)別在于終端設備的類型、網(wǎng)絡拓撲的結構以及構成網(wǎng)絡的技術類型。終端設備除了手機之外應當包括頭戴式話機、PDA終端、膝上機、手表式話機、電視機、游戲機、DVD、零售機，甚至寵物機等等，凡是人所能構想的和能夠識別IP地址的無線電收發(fā)信機。其次，4G是由多種技術組成的，包括彼此似乎不相干的技術，如Wi-Fi、超寬帶無線電、便攜式電腦、軟件無線電等技術構成的高速全球通網(wǎng)絡。

與3G手機相比，4G手機的功能更強大，應用更廣泛。4G手機智能化程度更高，通話只是最最基本的功能之一，更多的功能體現(xiàn)在多媒體應用方面。

二、4G通信的關鍵技術

1.正交頻分復用（OFDM）

OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多窄的正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸，因此可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM還可以在不同的子信道上自適應地分配傳輸負荷，這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。OFDM技術還能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM系統(tǒng)中由于各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

移動通信信道的突出特點之一就是信道存在多徑時延擴展，它限制了數(shù)據(jù)速率的提高，因為如果數(shù)據(jù)速率高于信道的相關帶寬，信號將產(chǎn)生嚴重失真，信號傳輸質量大幅度下降。而OFDM技術由于具備上述特點，是對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N潛在的解決方案，在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統(tǒng)最為合適的多址方案，因此，OFDM技術已基本被公認為4G的核心技術之一。

OFDM技術主要的技術難點是系統(tǒng)中的頻率和時間同步，基于導頻符號輔助的信道估計，峰平比問題和多普勒頻偏的影響，以及基于OFDM、多載波技術的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的多址方案的研究。

2.智能天線(SA)與多入多出天線(MIMO)技術

智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調節(jié)等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束能在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信號，這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量，其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相關無線收發(fā)信機來實現(xiàn)射頻信號的接收和發(fā)射。同時通過基帶數(shù)字信號處理器，對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種：全自適應方式和基于多波束的波束切換方式。

多入多出天線MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統(tǒng)，該技術最早是由馬克尼（Guglielmo Marconi）于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。

信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，利用MIMO信道可成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。

利用MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實現(xiàn)空間復用增益的算法主要有貝爾實驗室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術得出的。目前MIMO技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。

3.軟件無線電技術

軟件無線電是利用數(shù)字信號處理軟件實現(xiàn)無線功能的技術，能在同一硬件平臺上利用軟件處理基帶信號，通過加載不同的軟件，可實現(xiàn)不同的業(yè)務性能。其優(yōu)點是：

（1）通過軟件方式，靈活完成硬件功能；

（2）具有良好的靈活性及可編程性；

（3）可代替昂貴的硬件電路，實現(xiàn)復雜的功能；

（4）對環(huán)境的適應性好，不會老化；

（5）便于系統(tǒng)升級，降低用戶設備費用。

軟件無線電技術被認為是可以將不同形式的通信技術有效聯(lián)系在一起的惟一技術。在4G移動通信系統(tǒng)中，軟件將會變得非常繁雜。為此專家們提議引入軟件無線電技術，將其作為從第二代移動通信通向第三代和第四代移動通信的橋梁。軟件無線電技術能夠將模擬信號的數(shù)字化過程盡可能地接近天線，即將A/D和D/A轉換器盡可能地靠近RF前端，利用軟件無線電技術進行信道分離、調制解調和信道編譯碼等工作。軟件無線電技術旨在建立一個無線電通信平臺，在平臺上運行各種軟件系統(tǒng)，以實現(xiàn)多通路、多層次和多模式的無線通信。因此應用軟件無線電技術，一個移動終端就可以實現(xiàn)其在不同系統(tǒng)和平臺之間暢通無阻的使用。

三、4G通信技術的主要優(yōu)勢

如果說2G、3G通信對于人類信息化的發(fā)展是足以稱道的話，那么未來的4G通信卻給了我們真正的溝通自由，并將徹底改變我們的生活方式甚至社會形態(tài)。目前正在研究中的4G通信具有以下的特征。

1.通信速度更快

由于人們研究4G通信的最初目的就是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問因特網(wǎng)的速率，因此4G通信給人印象最深刻的特征莫過于它具有更快的無線通信速度。從移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率作比較，第一代模擬式僅提供語音服務；第二代移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率只有9.6kb/s，最高可達32kb/s；而第三代移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達到2Mb/s；專家則預估，第四代移動通信系統(tǒng)可以達到10Mb/s至20Mb/s，甚至最高可以達到100Mb/s，這種速度將相當于目前手機的傳輸速度的1萬倍左右。

2.網(wǎng)絡頻譜更寬

要想使4G通信達到100Mb/s的傳輸，通信營運商必須在3G通信網(wǎng)絡的基礎上，進行大幅度的改造和研究，以便使4G網(wǎng)絡在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡的蜂窩系統(tǒng)的帶寬高出許多。據(jù)AT&T公司研究4G通信的專家們說，估計每個4G信道將占有100MHz的頻譜，相當于W-CDMA 3G網(wǎng)路的20倍。

3.通信更加靈活

從嚴格意義上說，4G手機的功能，已不能簡單劃歸“電話機”的范疇，畢竟語音的傳輸只是4G移動電話的功能之一而已，未來4G手機更應該算得上是一只小型電腦了。而且4G手機從外觀和式樣上，將有更新的突破，我們可以想象的是，眼鏡、手表、化妝盒、旅游鞋，以方便和個性為前提，任何一件你能看到的物品都有可能成為4G終端，只是目前我們還不知應該怎么稱呼它。未來的4G通信將使我們不僅可以隨時隨地通信，更可以雙向下載傳遞資料、圖畫、影像，當然更可以和從未謀面的陌生人網(wǎng)上聯(lián)線對打游戲。也許你將有被網(wǎng)上定位系統(tǒng)永遠鎖定無處遁形的苦惱，但是與它據(jù)此提供的地圖帶來的便利和安全相比，這簡直可以忽略不計。

4.智能性能更高

第四代移動通信的智能性更高，不僅表現(xiàn)在4G通信的終端設備的設計和操作具有智能化，例如對菜單和滾動操作的依賴程度將大大降低，更重要的4G手機可以實現(xiàn)許多難以想象的功能。例如，4G手機將能根據(jù)環(huán)境、時間以及其他設定的因素來適時地提醒手機的主人此時該做什么事，或者不該做什么事，4G手機可以將電影院票房資料，直接下載到PDA之上，這些資料能夠把目前的售票情況、座位情況顯示得清清楚楚，大家可以根據(jù)這些信息來進行在線購買自己滿意的電影票；4G手機可以被看作是一臺手提電視，用來看體育比賽之類的各種現(xiàn)場直播。

5.兼容性能更平滑

要使4G通信盡快地被人們接受，不但考慮它的功能強大外，還應該考慮到現(xiàn)有通信的基礎，以便讓更多的現(xiàn)有通信用戶在投資最少的情況下就能很輕易地過渡到4G通