移動通信技術已經歷了三個主要發展階段。每一代的發展都是技術的突破和觀念的創新。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(3G)可以提供更寬的頻帶，不僅傳輸話音，還能傳輸高速數據，從而提供快捷方便的無線應用。然而，第三代移動通信系統仍是基于地面標準不一的區域性通信系統，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(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、國際標準、網絡結構、乃至業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和廣域網的服務。WiMax（或者說是802.16標準）能夠提供無線寬帶網服務，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系統能夠以100Mb/s的速率下載，比目前的撥號上網快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。很明顯，4G有著不可比擬的優越性。
4G與3G之間的主要區別在于終端設備的類型、網絡拓撲的結構以及構成網絡的技術類型。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，它限制了數據速率的提高，因為如果數據速率高于信道的相關帶寬，信號將產生嚴重失真，信號傳輸質量大幅度下降。而OFDM技術由于具備上述特點，是對高速數據傳輸的一種潛在的解決方案，在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統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、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能，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信機來實現射頻信號的接收和發射。同時通過基帶數字信號處理器，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，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。根據收發兩端天線數量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統。
信道容量隨著天線數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，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復雜度最優的就是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一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。
MIMO系統在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統依然是無能為力。目前解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術，還有一種是利用OFDM。大多數研究人員認為OFDM技術是4G的核心技術，4G需要極高頻譜利用率的技術，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎上合理開發空間資源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的數據傳輸速率。另外ODFM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網絡(SFN)可以用于寬帶OFDM系統，依靠多天線來實現，即采用由大量低功率發射機組成的發射機陣列消除陰影效應，來實現完全覆蓋。
3.軟件無線電技術
軟件無線電是利用數字信號處理軟件實現無線功能的技術，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，可實現不同的業務性能。其優點是：
（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，實現復雜的功能；
（4）對環境的適應性好，不會老化；
（5）便于系統升級，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系在一起的惟一技術。在4G移動通信系統中，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，以實現多通路、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其在不同系統和平臺之間暢通無阻的使用。
三、4G通信技術的主要優勢
如果說2G、3G通信對于人類信息化的發展是足以稱道的話，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。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。從移動通信系統數據傳輸速率作比較，第一代模擬式僅提供語音服務；第二代移動通信系統數據傳輸速率只有9.6kb/s，最高可達32kb/s；而第三代移動通信系統數據傳輸速率可達到2Mb/s；專家則預估，第四代移動通信系統可以達到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通信網絡的基礎上，進行大幅度的改造和研究，以便使4G網絡在通信帶寬上比3G網絡的蜂窩系統的帶寬高出許多。據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上聯線對打游戲。也許你將有被網上定位系統永遠鎖定無處遁形的苦惱，但是與它據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手機可以實現許多難以想象的功能。例如，4G手機將能根據環境、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，還應該考慮到現有通信的基礎，以便讓更多的現有通信用戶在投資最少的情況下就能很輕易地過渡到4G通信。因此，從這個角度來看，未來的第四代移動通信系統應當具備全球漫游，接口開放，能跟多種網絡互聯，終端多樣化,以及能從第二代、第三代平穩過渡等特點。
6.提供各種增殖服務
4G通信并不是從3G通信的基礎上經過簡單的升級而演變過來的，它們的核心技術根本就是不同的。3G移動通信系統主要是以CDMA為核心技術，而4G移動通信系統技術則以正交頻分復用技術(OFDM)最受矚目，利用這種技術人們可以實現例如無線區域環路(WLL)、數字視頻廣播(DVB)、數字音訊廣播(DAB)等方面的無線通信增殖服務。
7.實現更高質量的多媒體通信
盡管第三代移動通信系統也能實現各種多媒體通信，但未來的4G通信能滿足第三代移動通信尚不能達到的,在覆蓋范圍、通信質量、通信價格上支持的,高速數據和高分辨率多媒體服務的需要。第四代移動通信系統提供的無線多媒體通信服務（包括語音、數據、影像等大量信息）通過寬頻的信道傳送出去，因此，第四代移動通信系統也稱為“多媒體移動通信”。第四代移動通信不僅僅是為了應對用戶數的增加，更重要的是，必須要應對多媒體的傳輸需求，當然還包括通信品質的要求。總而言之，首先必須可以容納市場龐大的用戶數、改善現有通信品質不良，以及達到高速數據傳輸的要求。
8.頻率使用效率更高
相比第三代移動通信技術來說，第四代移動通信技術在開發研制過程中使用和引入許多功能強大的突破性技術。由于利用了幾項不同的技術，所以無線頻率的使用比第二代和第三代系統有效得多。按照最樂觀的情況估計，這種有效性可以讓更多的人使用與以前相同數量的無線頻譜做更多的事情，而且做這些事情的時候速度相當快。
9.通信費用更加便宜
由于4G通信不僅解決了與3G通信的兼容性問題，讓更多的現有通信用戶能輕易地升級到4G通信，而且4G通信引入了許多尖端的通信技術，這些技術保證了4G通信能提供一種靈活性非常高的系統操作方式，因此相對其他技術來說，4G通信部署起來就容易、迅速得多；同時在建設4G通信網絡系統時，通信營運商們將考慮直接在3G通信網絡的基礎設施之上，采用逐步引入的方法，這樣就能夠有效地降低運營者和用戶的費用。據研究人員宣稱，4G通信的無線即時連接等某些服務費用將比3G通信更加便宜。
四、4G通信技術的發展概況
在世界范圍內，開發4G手機已有10多年的歷史，近年來，各國的研發速度不斷加快。在4G手機研究領域，阿爾卡特、愛立信、諾基亞和西門子四大電信巨頭組建了世界無線研究論壇（WWRF），已聚集100多個成員，明確提出了開發4G的時間表：4G技術標準將在2006年以后出現，在與3G技術充分融合之后，在2010年至2012年投入運營。目前，世界發達國家都在積極進行4G技術規格的研究制定，以期在全球4G規格制定中能享有發言權。
美國 AT&T早在2000年就推出了4G Acces網絡，它能配合EDGE技術進行上傳，并利用寬帶OFDM技術進行下載。AT&T的4G Access網絡升級計劃分為兩個階段，第一階段是移動電話基地臺的軟件構建，第二階段則進行智能型天線的硬件構建。2004年2月，美國手機服務提供商Nextel通信公司與思科、北電網絡和IBM在北卡羅來納州羅利－達拉姆(Raleigh Durham)地區試驗 “4G”無線服務，這次“4G”試驗采用Flarion技術公司提供的每秒鐘下載速度達1.5Mb的設備，這項服務向臺式電腦、筆記本電腦、掌上電腦以及其他設備提供高速互聯網接入。
歐洲 世界上最大的電信基礎設施提供商愛立信公司2000年就開始著手研制第四代移動通信系統。它是與美國加利福尼亞大學合作開發4G技術的。加利福尼亞大學已經正式成立了加州通信和信息技術學會，并由該大學的圣迭戈分校和歐文分校合作管理。目前該學會已經得到愛立信公司1200萬美元的投資，加州通信和信息技術學會將在4G技術、先進天線系統、新一代移動因特網、電力放大器技術和無線訪問網絡等領域內進行深入研究。愛立信公司預計，第四代移動通信系統大約會在2011年正式投入運營，并計劃在目前所有通信網絡都以IP技術為基礎時，開始建設第二階段的第三代移動通信網。第三代移動網的互聯網連接速率最高可達2 Mb/s，比目前快200倍，而第四代技術的傳輸速率將最高可達100 Mb/s
日本 2002年10月，日本最大通信運營商NTT DoCoMo表示，該公司已成功完成第四代(4G)移動通信的傳輸實驗。此實驗是在室內進行，下傳和上傳速率分別可達到100 Mb/s和20 Mb/s。下傳是指衛星傳送信息至地面，上傳則是地面傳送信息至衛星。此數據遠遠超越頂級ADSL約12 Mb/s的高速網際網路連接速率。NTT DoCoMo于2003年5月28日宣布進行第四代移動通信系統（4G）的無線接入系統的戶外試驗。NTT DoCoMo通過戶外試驗驗證以下技術：
（1）高效控制數據包發送順序的技術；
（2）根據電波狀況控制調制方式及糾錯編碼率的技術；
（3）根據通信信號控制數據發送次數的技術；
（4）使電波能夠定向發送、接收數據的技術。
NTT DoCoMo社長立川敬二2004年5月13日在東京發表演講時宣布，在4G室外試驗中，實現了20 Mb/s的高速通信。日本官方宣稱，日本計劃于2005年開發4G，到2010年開始商用化。
韓國 韓國政府吸收了自己在開發2G技術時，放松了對3G開發的教訓，日前與移動通信設備公司及服務公司合資成立了下一代移動通信技術開發協會，著手進行4G等未來移動通信服務技術的開發研究。該協會還將聚集產、學、研的專家，成立未來移動通信企劃委員會，負責推動4G規劃、3G服務及系統改進、針對無線網絡專用通信的TDD（Time Division Duplex）方案設計和高速數據通信（Hight Data Rate）等領域的研究。韓國三星在2004年8月23日 “三星4G論壇”稱：三星電子計劃從2010年開始，全面引進第四代手機（4G）服務。目前三星電子已取得220余項4G移動通信相關專利，并與NTT DoCoMo等全球性信息通信公司在4G領域展開主導權之爭。
印度 2004年5月，印度新任信息技術和通信部部長Dayanidhi Maran表示，由于到目前為止還沒有發現3G技術可以節省開支，印度準備跳過3G技術直接采用4G無線技術。目前，印度移動電話服務提供商正在提供基于GSM、GPRS或者CDMA技術的移動通信服務。Maran表示：“3G標準一直在發展，但是并沒有證明可以節省開支。因此，我們計劃跳過3G技術，開發4G技術。印度擁有龐大的市場和高級的技術，有機會成為這個領域重要的參與者。我們將在這個領域建立一個最好的國家中心。”
中國 2002年3月，華中科技大學、武漢漢網高技術有限公司與上海交通大學共同投標的“蜂窩移動通信系統無線傳輸鏈路技術研究項目”意味著我國正式啟動了開發新一代無線移動通信系統（即4G）的步伐。我國信息產業部2003年與日本NTT DoCoMo簽訂了合作意向書，表示中國希望與日本合作共同探討和研發4G技術，并于北京建立DoCoMo（北京）通信研究所。2004年10月20日， 據韓國信息通信部公布的信息顯示，中韓兩國10月20日達成協議，擴大技術合作范圍，共同支持對4G無線通信系統的研發。兩國將聯合開發速度更快、功能更強大的手機。用戶可以使用這種手機來觀看電影。外國觀察家宣稱，由于中國的移動用戶數已達到世界第一，故到2008年舉辦奧運會之前，中國完全有可能跳過3G而直接部署4G。這樣做是否可行，正在進行探討。
2004年9月，由14家無線運營商、手機廠商以及基礎設備廠商組成的無限移動訪問(unlicensed mobile access)組織發布了無限移動訪問標準草案，旨在實現移動設備在蜂窩式網絡和無線數據網絡間的無縫轉換。這一組織的初始成員包括Cingular、阿爾卡特、AT&T無線、T-Mobile美國、西門子、索尼-愛立信、Kineto無線、諾基亞以及摩托羅拉。該組織發表聲明指出，無限移動訪問標準通過寬帶IP連接，可以有效的同GSM和GPRS蜂窩式語音和數據網絡協同工作。這一標準允許訪問蜂窩式網絡的設備檢測并切換到無限網絡，例如Wi-Fi網絡上，而在這個過程中能夠繼續保持通話和數據傳輸。同時，如果用戶漫游出了WLAN有效區域，基于無限移動訪問標準的設備可以檢測到蜂窩式網絡，而通話或數據傳輸不會中斷。無限移動訪問組織稱，該機構目前正同3GPP標準組織緊密合作，力爭早日推出無限移動訪問標準的正式版本。Meta Group分析師大衛-威利斯(David Willis)表示：“第四代無線網絡將整合各種不同類型的技術，而這一標準則是邁向4G的重要一步。
五、4G通信技術面臨的挑戰
要順利地把4G系統投入實際應用，會遇到技術和市場等很多方面的挑戰。
1.標準難以統一
雖然從理論上講，3G手機用戶在全球范圍都可以進行移動通信，但是由于沒有統一的國際標準，各種移動通信系統彼此互不兼容，給手機用戶帶來諸多不便。因此，開發第四代移動通信系統必須首先解決通信制式等需要全球統一的標準化問題，而世界各大通信廠商將會對此爭論不休。
2.技術難以實現
4G系統所運用的各種核心技術還不完善，而這些技術的逐步完善是一個長期的過程。例如，核心網的移動IP技術，對于第四代移動通信系統而言，移動IP技術缺乏實時位置管理和快速無縫切換機制的支持。另外移動IP環境下的QoS所使用的綜合業務、RSVP技術和區別型業務技術也是有待解決的重要問題之一。而且這些技術在移動IP平臺上并不是最優的。
3.容量受到限制
人們對未來的4G通信的印象最深的莫過于它的通信傳輸速度將會得到極大提升，從理論上說其所謂的100 Mb/s的寬帶速率，比目前手機信息傳輸速率10 kb/s要快1萬多倍，但手機的速度將受到通信系統容量的限制，如系統容量有限，手機用戶越多，速度就越慢。據有關行家分析，4G手機將很難達到其理論速度。如果速度上不去，4G手機就要大打折扣。
4.市場難以消化
有專家預測在2010年以后，第三代移動通信的多媒體服務將進入第三個發展階段，此時覆蓋全球的3G網絡已經基本建成，全球25%以上人口使用第三代移動通信系統，到那時整個行業正在消化吸收第三代技術，對于第四代移動通信系統的接受還需要一個逐步過渡的過程。另外，在過渡過程中，如果4G通信因為系統或終端的短缺而導致延遲的話，那么號稱5G的技術隨時都有可能威脅到4G的贏利計劃，此時4G漫長的投資回收和贏利計劃將變得異常的脆弱。
5.設施難以更新
在部署4G通信網絡系統之前，覆蓋全球的大部分無線基礎設施都是基于第三代移動通信系統建立的，如果要向第四代通信技術轉移的話，那么全球的許多無線基礎設施都需要經歷著大量的變化和更新，這將會引發一系列的資金、觀念等問題，這種變化和更新勢必減緩4G通信技術全面進入市場、占領市場的速度。而且到那時，還必須要求3G通信終端升級到能進行更高速數據傳輸及支持4G通信各項數據業務的4G終端，也就是說4G通信終端要能在4G通信網絡建成后及時提供，不能讓通信終端的生產滯后于網絡建設。但根據目前的事實來看，在4G通信技術全面進入商用之日算起的二三年后，消費者才有望用上性能穩定的4G通信手機。
雖然4G系統的發展道路是坎坷的，但是隨著新技術和新需求的不斷出現，4G必然會成為未來移動通信領域的主導，使未來通信前景更美好。
