1.5 4G：移動互聯網

移動用戶在21世紀的前十年急劇增長。2002年達到第一個十億用戶的里程碑，并在2010年用戶突破50億。第四代蜂窩系統的另一個推動力是移動寬帶帶來的流量爆炸式增長。在蜂窩網絡中，數據流量首次超過了語音流量，3G網絡很快飽和。此外，移動設備上基于互聯網服務的激增對優化語音通信的蜂窩網絡提出了重大挑戰。自2.5G系統以來，蜂窩網絡必須同時運行兩個并行的基礎設施：一個用于數據服務的分組交換網絡，另一個用于語音呼叫的電路交換網絡。

3GPP、3GPP2、WiMAX和IEEE等3G標準化組織致力于使用先進的空口技術和全IP網絡基礎設施，將3G標準提升到4G。為保證UMTS的競爭力，3GPP于2004年啟動了LTE空口研究項目，也稱為演進通用陸地無線接入（Evolved Universal Terrestrial Radio Access，E-UTRA）。2008年12月，LTE空口及其核心網（Evolved Packet Core，EPC）的第一個版本（Release 8）發布，隨后是2009年12月凍結的增強版本（Release 9）。與IMT-2000的開發類似，ITU-R WP5D定義了4G系統的最低技術要求，2008年命名為International Mobile Telecommunications Advanced（IMT-Advanced）。但由于LTE不能完全符合IMT-Advanced的需求，例如低移動性場景峰值數據速率要求1Gbit/s，高移動性場景峰值數據速率要求100Mbit/s，3GPP從2009年開始繼續研究長期演進的增強版本（LTE-Advanced）。同時，IEEE和WiMAX論壇繼續推進WiMAX標準的發展。為了滿足IMT-Advanced的要求，WirelessMAN-Advanced（也稱為Mobile WiMAX Release 2.0）協議于2011年完成。IEEE 802.16e-2005引入了非常重要的增強功能，形成了IEEE 802.16m-2011新協議。IEEE和WiMAX論壇向ITU申請將IEEE 802.16m-2011作為IMT-Advanced提案之一，并與LTE-Advanced競爭。

2010年10月，ITU-R完成了對6個備選方案的評估，同意兩個行業開發的技術作為全球4G標準，如圖1.4所示。M.2012建議書［ITU-RM.2012，2012］確定了IMT-Advanced的地面空口技術并提供了詳細的空口協議。

1.5.1 LTE-Advanced

3GPP于2004年年底啟動了長期演進（LTE）研究項目，旨在開發一種專用于分組交換數據傳輸的顛覆性無線接入技術。該研究的重點是確定LTE的技術要求。2005年6月發布的重要成果包括低延遲、小區邊緣的高數據速率和頻譜靈活性。2005年12月，3GPP無線接入網（Radio Access Network，RAN）全體會議決定LTE的下行鏈路應基于正交頻分多址接入（OFDMA），上行鏈路應基于單載波頻分多址接入（SC-FDMA）。2008年12月，LTE空口及其核心網EPC的第一個版本（Release 8）完成，隨后于2009年12月凍結了增強版本（Release 9）。LTE是一個顛覆性的協議，其設計沒有限制向后兼容性，以便靈活采用新的技術特性。它可以在FDD或TDD模式下運行，分別稱為LTE FDD和TD-LTE，其具有低延遲和扁平系統架構的特征。基于20MHz的信號帶寬，下行鏈路的峰值數據速率達到300Mbit/s，上行鏈路的峰值數據速率達到75Mbit/s。2009年12月，TeliaSonera在斯堪的納維亞半島的兩個首都斯德哥爾摩和奧斯陸推出了全球首個商用LTE移動服務，網絡設備由愛立信和華為提供［Astely et al.，2009］。當時還沒有符合LTE標準的手機上市，用戶使用帶有USB無線網絡適配器的電腦接入LTE服務。直到2010年9月，全球首款LTE兼容手機三星SCH-r900發布。

由于LTE不能完全符合IMT-Advanced的要求，例如低移動性場景峰值數據速率為1Gbit/s，高移動性場景峰值數據速率為100Mbit/s，3GPP從2009年開始繼續研究其增強版本，即LTE-Advanced?；贚TE-Advanced的提案于2009年10月提交給ITU，后來完成了更詳細的協議，形成了LTE-Advanced的第一個版本（Release 10）。LTE-Advanced采用如增強型MIMO和高達100MHz的帶寬等技術，以在上下行鏈路分別實現500Mbit/s和1Gbit/s的高速傳輸。2012年，俄羅斯運營商YOTA Networks宣布利用華為設備在莫斯科組建全球首個LTE-Advanced網絡。2016年初完成的3GPP協議Release 13是LTE-Advanced Pro的第一個版本。雖然發展的新技術數量非常多，但LTE-Advanced和LTE-Advanced Pro都不意味著向后兼容性的中斷。2022年6月，3GPP完成了Release 16，并準備制定Release 17，在制定第五代（5G）協議的同時還在進一步增強LTE［Dahlman et al.，2021］。

針對LTE的3GPP協議如圖1.5所示。

● Release 8第一次定義了LTE無線接入技術和全IP EPC網絡，為后續演進奠定了基礎。利用FDD和TDD技術支持對稱或非對稱的頻譜，突出了頻譜的靈活性。它還通過擴展OFDM子載波的數量來支持靈活的帶寬（1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz）?；?0MHz帶寬，在2×2 MIMO的上行鏈路場景中峰值數據速率可以達到150Mbit/s，在4×4 MIMO的下行鏈路中峰值數據速率可以達到300Mbit/s。

● Release 9是LTE的第一次演進。它針對Release 8的遺留問題增加了一些改進和一些小的增強，涉及的技術包括微蜂窩、MIMO波束賦形、自組織網絡（Self-Organized Networks，SON）、多媒體廣播多播服務增強（Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services，eMBMS）、LTE定位和公共警報系統。

● Release 10明確了LTE-Advanced標準，確保LTE無線接入技術完全符合IMT-Advanced要求，于2011年3月凍結。該協議引入了載波聚合、增強型上行多址接入、MIMO增強、中繼、小區間干擾協調增強（enhanced Inter-cell Interference Coordination，eICIC）、異構網絡部署、SON增強等技術。

● Release 11于2012年9月完成，進一步增強了LTE-Advanced的性能和功能。LTE Release 11最重要的特性之一是引入了多點協同（Coordinated Multi-Point，CoMP）傳輸和接收。其他改進包括載波聚合增強、新的控制信道結構、基于網絡的定位、用于機器類型通信的RAN過載控制以及智能終端節電技術。

● Release 12于2014年6月完成，重點針對小基站進行了優化和增強，包括雙連接、小基站密集部署、小基站開/關、半動態TDD。在小基站環境中利用高信號強度引入了高階調制（256QAM）。該版本的另一個重點是將LTE技術應用于緊急事件和公共安全，并為關鍵任務應用層功能元素提供技術協議。其他功能包括設備到設備（D2D）通信、LTE TDD-FDD聯合操作（包括載波聚合）、安全保證方法和LTE/WiFi集成。

● Release 13標志著LTE-Advanced Pro的開始，它在營銷中有時稱為4.5G，被視為第一版LTE和5G之間的中間步驟。Release 13是重要的一步，具有許多令人興奮的功能，例如支持非授權頻段的授權頻譜輔助接入（License-Assisted Access，LAA），改進了對機器類型通信的支持，進一步增強了MIMO、D2D通信和載波聚合技術，并將其擴展到一系列新服務和新垂直領域，包括引入窄帶物聯網（Narrow-Band Internet of Things，NB-IoT）和對車與車（Vehicle-to-Vehicle，V2V）通信的初步研究。

● Release 14于2017年凍結。除了增強了早期版本中引入的一些功能，例如授權頻譜輔助接入增強（enhanced License-Assisted Access，eLAA）和帶間載波聚合，它還支持車與車和車聯萬物（V2X）通信，以及子載波間隔減小的廣域廣播。

1.5.2 WirelessMAN-Advanced

如前所述，基于IEEE 802.16e-2005 802.16m的WiMAX Release 1.0于2007年被ITU批準為名為IMT-2000 OFDMA TDD WMAN的第六個全球3G標準。IEEE WMAN社區計劃推進IEEE 802.16m，旨在增強802.16無線接入技術的性能和功能，以確保符合IMT-Advanced要求。與LTE-Advanced是LTE的完全向后兼容演進不同，IEEE 802.16m并不是IEEE 802.16e的平穩演進，其具有一些顛覆性特征［Dahlman et al.，2011］。因此，盡管IEEE 802.16m保留了IEEE 802.16e的一些基本特征，包括基本的OFDM參數集，但其依舊被認為是一個新標準。基于時間復用，這兩種無線接入技術可以在IEEE 802.16e 5ms幀結構內的同一載波上共存。IEEE 802.16m采用了許多類似LTE-Advanced的功能，例如對超過20MHz的帶寬使用載波聚合以及對中繼功能的支持。它還引入了長度約為0.6ms的更短子幀，以減少HARQ的往返時間，從而可以減少空口上的延遲。IEEE 802.16m沒有繼承為IEEE 802.16e定義的資源映射方案，而是引入了物理資源單元。類似LTE中的資源塊，物理資源單元在一個子幀期間由一定數量級的頻率連續子載波組成。每個資源單元包括18個子載波，子載波間隔為10.94kHz，此時帶寬接近LTE資源塊的180kHz帶寬。由于LTE-Advanced和IEEE 802.16m之間有許多相似之處，因此性能評估表明這兩種空口技術性能相當也就不足為奇了。與LTE-Advanced類似，IEEE 802.16m也可以滿足ITU定義的IMT-Advanced的所有要求。2010年10月，基于IEEE 802.16m的WiMAX Release 2.0和LTE-Advanced被ITU-R批準為WirelessMAN-Advanced的兩個IMT-Advanced標準之一。

WiMAX比LTE更早推向市場，在2005至2009年期間是一項針對數據吞吐量的卓越技術。WiMAX率先采用MIMO、OFDM等準4G技術，支持可變傳輸帶寬等新特性。早在2006年，兩家韓國電信運營商就以WiBro品牌推出了全球首個基于IEEE 802.16e協議的移動WiMAX服務。截至2010年10月，WiMAX論壇聲稱在超過148個國家和地區部署了超過592個WiMAX（固定和移動）網絡，覆蓋超過6.21億人。然而，LTE是主導標準（即GSM和WCDMA）的演進，而WiMAX是一種相對顛覆性的技術，沒有龐大的用戶群。因此，威瑞森、沃達豐、中國移動、日本電報電話公司和德國電信等主要移動運營商選擇將其傳統基礎設施從3G升級到LTE，而不是采用新的技術標準。最終，LTE/LTE-Advanced贏得了競爭，成為主導的4G標準。借助LTE/LTE-Advanced，移動通信的全球通用標準形成，并由全球移動網絡運營商部署，適用于對稱和非對稱頻譜。