科普移动通信技术4G到5G的演变发展过程(5g移动通信技术及未来发展探索)

科普：移动通信技术4G到5G的演变发展过程(5g移动通信技术及未来发展探索)

第四代移动通信技术（英语：The fourth generation of mobile phone mobile communication technology standards，缩写为4G），是3G之后的延伸。

从技术标准的角度看，按照ITU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。

从运营商的角度看，除了与现有网络的可兼容性外，4G要有更高的数据吞吐量、更低时延、更低的建设和运行维护成本、更高的鉴权能力和安全能力、支持多种QoS等级。

从融和的角度看，4G意味着更多的参与方，更多技术、行业、应用的融合，不再局限于电信行业，还可以应用于金融、医疗、教育、交通等行业；通信终端能做更多的事情，例如除语音通信之外的多媒体通信、远端控制等；或许局域网、互联网、电信网、广播网、卫星网等能够融为一体组成一个通播网，无论使用什么终端，都可以享受高品质的信息服务，向宽带无线化和无线宽带化演进，使4G渗透到生活的方方面面。

从用户需求的角度看，4G能为用户提供更快的速度并满足用户更多的需求。移动通信之所以从模拟到数字、从2G到4G以及将来的xG演进，最根本的推动力是用户需求由无线语音服务向无线多媒体服务转变，从而激发营运商为了提高ARPU、开拓新的频段支持用户数量的持续增长、更有效的频谱利用率以及更低的营运成本，不得不进行变革转型。

因此，4G描述了下列两种不同但有所重叠的概念：

高速的移动电话网络，速度如同计算机网络ADSL的频宽，一秒能达10 Mbit或更多。此概念曾被用来描述在无线网络上。也是目前成功的3G系统提供商所提出来的愿景。

无限网络（Pervasive Network）技术，一个比较抽象的说法是“弥漫型”、“无定型”、“整体”的无线技术，让用户完全融入系统当中。这个概念也包括了智能无线电（Smart Radio）的技术，并能够达到更高的频谱利用率（spectrum use）和传输力量。此外，也能过滤、传输大量消息。

技术概述

2008年3月，在国际电信联盟-无线电通信部门（ITU-R）指定一组用于4G标准的要求，命名为 IMT-Advanced 规范，设置4G服务的峰值速度要求在高速移动的通信（如在火车和汽车上使用）达到100 Mbit/s，固定或低速移动的通信（如行人和定点上网的用户）达到1 Gbit/s。

第一发布版本的LTE（3GPP Release 8）和WiMAX（IEEE 802.16e）支持远小于1 Gbit/s的峰值比特率，它们不是完全IMT-Advanced的标准，但往往许多电信服务提供商宣传其为4G网络。2010年12月6日，ITU-R的承认，这两种技术，以及其他3.9技术，不匹配IMT-Advanced的要求，仍可以被认为是“4G”，但前提是它们是先行者，以IMT-Advanced的标准版本和改善的性能和功能来看它只是相当于现在部署的3G网络的程度。

相对于前几代，4G系统不支持传统的电路交换的电话业务，而是全互联网协议（IP）的通信，如VoIP。如下面看到的那样，扩频在3G系统中使用的无线电技术，则废弃所有的4G候选系统，取而代之的是OFDMA 重载波传输和其他频域均衡（FDE）方案，从而有可能转移非常高的比特率尽管广泛的多径电波传播。峰值比特率是通过进一步改进的智能天线数组的多输入多输出（MIMO）通信。

但传统的电话业务（语音通话）系统业务，也是重要的一环，在中国台湾的4G运营商技术上，均采取 CSFB（Circuit Switched Fallback）技术，是把4G LTE 网络回退至2G/3G 交换式网络 Circuit-Switch Domain 的一种机制。而在设备厂商之技术演进、市售手机支持度以及网络信号涵盖率，可提升至VoLTE语音技术，以提供4G语音电信服务之适当质量,将更清晰的语音和视频通话质量、更快的调用接续速度。

IMT-Advanced的要求

本文使用4G来引用IMT-Advanced所定义的ITU-R 。在IMT-Advanced的蜂窝网络系统必须满足以下要求：

基于全IP（All IP）分组交换网络。

在高速移动性的环境下达到约100 Mbit/s的速率，如移动接入；在低速移动性的环境下高达约1 Gbit/s的速率，例如游牧/固定无线网络接入的峰值数据速率。

能够动态地共享和利用网络资源来支持每单元多用户同时使用。

使用5-20MHz可扩展的信道带宽，任选高达40 MHz。

链路频谱效率的峰值为15 bit/s/Hz（下行）和6.75 bit/s/Hz（上行）（即1 Gbit/s的下行链路中应该是可能超过小于67 MHz的带宽）。

系统的频谱效率下行高达3 bit/s/Hz/cell 和在室内2.25 bit/s/Hz/cell。

跨不同系统网络的平滑切换。

提供高质量的服务QoS(Quality of Service)，为支持新一代的多媒体传输能力。

2009年9月，该技术提案被提交给国际电信联盟（ITU）为4G候选者。基本上所有的建议都是基于下列两种技术：

LTE-Advanced（3GPP Release 10） 由3GPP标准化

WirelessMAN-Advanced（IEEE 802.16m） 由IEEE标准化

IMT-Advanced的4G标准

LTE-Advanced（长期演进技术升级版）：是LTE的升级演进，由3GPP所主导制定，完全向后兼容LTE，通常通过在LTE上通过软件升级即可，升级过程类似于从W-CDMA升级到HSPA。峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps。是第一批被国际电信联盟承认的4G标准，也是事实上的唯一主流4G标准。另有TD-LTE的升级演进TD-LTE-Advanced（TD-LTE-A)。

LTE FDD（频分双工长期演进技术）：最早提出的LTE制式，目前该技术最成熟，全球应用最广泛，终端种类最多。峰值速率：下行150Mbps，上行40Mbps。

LTE TDD（时分双工长期演进技术）：又称TD-LTE，是LTE的另一个分支。峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。由上海贝尔、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通信、中国移动、高通、ST-Ericsson等运营商共同开发。

WirelessMAN-Advanced（无线城域网升级版）：又称WiMAX-Advanced、WiMAX 2，即IEEE 802.16m是WiMAX的升级演进，由IEEE所主导制定，接收下行与上行最高速率可达到100Mbps，在静止定点接收可高达1Gbps。也是国际电信联盟承认的4G标准，不过随着Intel于2010年退出，WiMAX技术也已经被运营商放弃，并开始将设备升级为TD-LTE。

进展

北电提出全IP“扁平”架构移动通信网络。

诺基亚建议I-HSPA（Internet-HSPA）标准。

高通的DMMX（DO Multicarrier Multilink eXtensions）和HMMX（HSDPA Multicarrier Multilink eXtensions）标准。

宏达电2008年11月宣布与俄罗斯WiMAX移动通信电运营商Scartel共同发表全球第一支GSM／WiMAX集成式双模手机HTC Max 4G。

截至2010年2月，共有24个国家的51家移动通信网络公司表示会提拱4G服务，其中瑞典、挪威及芬兰的TeliaSonera已经于2009年12月率先提供LTE服务。

宏达电2010年3月23日宣布与美国WiMAX移动通信运营商Sprint Nextel合作发表全球首款CDMA/WiMAX双模Android平台手机HTC Evo 4G。

中国香港电信商CSL于2012年2月宣布推出供智能手机使用的LTE服务，在此之前CSL已经推出供电脑使用的4G LTE USB Modem。香港大多投得2600MHz频谱的电信商，均采用LTE FDD制式，中国移动香港则采用2300MHz及2600MHz建造LTE TDD及FDD双网络提供LTE服务。PCCW、中国移动香港、数码通已推出4G服务，除数码通使用1800Mhz为主频谱外，其他电信商均是使用2600Mhz为主频谱,1800Mhz副频谱.

中国台湾的4G LTE运营商：中华电信(900Mhz、1800Mhz、2600Mhz)、台湾大哥大(700Mhz、1800Mhz)、远传电信(700Mhz、1800Mhz、2600Mhz)、亚太电信(700Mhz、900Mhz、2600Mhz)、台湾之星(900Mhz、2600Mhz)，都于2014年5月起陆续开始营运。

第五代移动通信系统（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems），简称5G，指的是移动通讯技术第五代，也是4G之后的延伸。但是官方的被广泛认可的5G标准，目前还没有确定，目前所谓标准都是相关厂商自行设定。预计2018年中会订下第一个国际5G标准。

规格

下一代移动网络联盟（Next Generation Mobile Networks Alliance）定义了5G网络的以下要求：

以10Mbps的数据传输速率支持数万用户；

以1Gbps的数据传输速率同时提供给在同一楼办公的许多人员；

支持数十万的并发连接以用于支持大规模传感器网络的部署；

频谱效率应当相比4G被显著增强；

覆盖率比4G有所提高；

信令效率应得到加强；

延迟应该显著相比LTE被降低。

下一代移动网络联盟认为，5G应在2020年陆续推出，以满足企业和消费者的需求。除了提供简单的更快的速度，他们预测5G的网络还需要满足新的使用案例的需求，如物联网（网络设备建筑物或Web访问的车辆），以及广播类服务和在发生自然灾害的时候的生命线通信。

跟4G相比的技术创新

5G跟4G相比的技术创新如下：

5G将采用512-QAM或1024-QAM更高的资料压缩密度调变/解调变器，目前4G使用256-QAM或64-QAM的调变以压缩传输资料，因此频谱效率每Mbps/100MHz的利用效率更高提高更多传输速率。

5G将采用28GHz毫米波通讯，比如目前台湾4G是用700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等低频段，虽然电波延射能力比较高但是在低频上频谱资源就却相当有限，在高频的毫米波大多是军用战斗机雷达或测速照相等少数装置，频谱宽度更高，而且更容易找到连续频谱，代表空白频谱将会非常容易取得。

波束指向配合多输入多输出MIMO相控阵列天线， MIMO多输入多输出利用电磁波的空间多工和路径不同多天线系统提高传输速率，类似在军用领域的技术将延伸出的商用技术版本

波束自适应和波束成形，能够提高特定方向的波瓣优化传输距离

新材料将使用GaN氮化镓或是GaAs砷化镓材料的RF射频天线和功率放大器，此材料的RF射频天线能在更高的频段有更高的能源效率，代表装置比较省电。

为了适应工业物联网、无人驾驶汽车、商用无人机等新技术的应用，网络延迟时间将降低到1ms以下

虽然5G延伸向下4G设备，5G更像是一种全新的网络

发展

由于5G技术将可能使用的频谱是28GHz及60GHz，属极高频（EHF），比一般电讯业现行使用的频谱（如2.6GHz）高出许多。虽然5G能提供极快的传输速度，能达到4G网络的40倍，而且时延很低，但讯号的衍射能力（即绕过障碍物的能力）十分有限，且传送距离很短，这便需要增建更多基站以增加覆盖。

在2009年，华为就已经展开了相关技术的研究，并在之后的几年里向外界展示了5G原型机基站。华为在2013年11月6日宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新，并预言在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。2014年5月8日，日本电信营运商NTT DoCoMo正式宣布将与Ericsson、Nokia、三星等六间厂商共同合作，开始测试凌驾现有4G网络1000倍网络承载能力的高速5G网络，传输速度可望提升至 10Gbps。预计在2015年展开户外测试，并期望于2020年开始运作。

2013年5月13日，韩国三星电子宣布，已成功开发第5代移动通信（5G）的核心芯片实作，这一技术预计将于2020年开始推向商业化。该芯片技术可在28GHz超高频段以每秒1Gb以上的速度传送数据，且最长传送距离可达2公里。与韩国目前4G技术的传送速度相比，5G技术要快数百倍。通过这一技术，下载一部1GB的高清（HD）电影只需十秒钟。2015年诺基亚与加拿大某运营商成功测试5G。预计在2018年冬季奥运期间，韩国将推出5G试验网络，并于2020年实行大规模商用。2016年8月3日，澳大利亚电信宣布将于2018年在黄金海岸进行5G试验。

华为2016宣布4月份率先完成中国IMT-2020（5G）推进组第一阶段的空口关键技术验证测试，在5G信道编码领域全部使用极化码，2016年11月17日国际无线标准化机构3GPP第87次会议在美国拉斯维加斯召开，中国华为主推PolarCode（极化码）方案，美国高通主推LDPC方案，法国主推Turbo2.0方案，最终短码方案由极化码胜出，之前长码由LDPC胜出，底层规格确立。

2016年高通公司发表全球首个5G基带芯片X50，骁龙X50 5G调制解调器使用28GHz毫米波通讯，下行速率达到5Gbps为目前最快的量产形芯片X16使用在S835处理器的1Gbps的5倍之多，X50基带可能在2018年初量产。高通进一步的解释是，利用毫米波波长短的特点，形成狭窄的定向波束，发送和接收更多能量，从而克服传播/路径损耗的问题并在空间中重复使用。此外，在视距路径受阻时，非视距（NLOS）路径（如附近建筑的反射）能有大量能量以提供替代路径。按照高通的规划，骁龙X50 5G平台将包括调制解调器、SDR051毫米波收发器和支持性的PMX50电源管理芯片。