4G移动通信技术与系统的核心优势是什么？-晟辉智能制造

引言：什么是4G？

4G，即第四代移动通信技术，是3G技术的延伸，它不仅仅是对网速的提升，更是一次根本性的技术变革，旨在为用户提供高速率、低时延、高带宽的无线网络服务，真正实现“移动宽带”的梦想，国际电信联盟为4G设定的标准要求，其峰值下载速率必须达到100Mbps以上,这是3G时代的十倍以上。

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4G的两个主要国际标准是：

LTE (Long-Term Evolution，长期演进)：由3GPP（第三代合作伙伴计划）制定,是目前全球最主流的4G标准。
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)：由IEEE制定，曾一度与LTE竞争,但最终市场份额远小于LTE。

我们今天所谈论的4G，绝大多数情况下指的就是LTE及其后续演进版本LTE-Advanced。

4G的设计目标是构建一个全IP（Internet Protocol）的、高速率的、融合的移动通信系统,其关键性能指标包括：

指标	3G (HSPA+)	4G (LTE-Advanced)	提升意义
峰值速率	下行 ~42 Mbps, 上行 ~5.8 Mbps	下行 ~1 Gbps, 上行 ~500 Mbps	支持高清/4K视频、大文件下载
用户体验速率	下行 ~2-5 Mbps, 上行 ~1 Mbps	下行 >10 Mbps, 上行 >5 Mbps	保证日常应用的流畅体验
时延	~100 ms	< 10 ms	支持实时交互、在线游戏、车联网
移动性	500 km/h	500 km/h	保持高铁、飞机等高速移动场景下的连接
频谱效率	较低	比3G提升3-4倍	在有限的频谱资源下，支持更多用户和更高速度
网络容量	较低	大幅提升	应对移动互联网爆炸式的数据增长

4G的巨大性能提升源于一系列革命性的技术和架构变革。

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这是4G与3G最根本的区别。

全IP化：从用户终端到核心网，所有业务（语音、数据、视频）都承载在IP网络上，这使得网络更简单、更开放,易于与互联网融合。
扁平化：4G核心网极大地简化了网络层级。
- 3G网络架构：终端 -> 基站 -> RNC (无线网络控制器) -> 核心网（SGSN + GGSN），数据流需要经过RNC的复杂处理，时延高,架构复杂。
- 4G网络架构：终端 -> 基站 -> 核心网（S-GW + P-GW），去掉了RNC，基站直接与核心网连接，数据路径大大缩短,降低了时延和复杂度。

这是4G实现高速率的物理层基石。

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)
- 原理：将高速的数据流分解成多个并行的低速子数据流，每个子数据流在正交的、相互重叠的子载波上进行传输。
- 优势：
  1. 抗多径衰落：将宽带信道划分为多个窄带子信道,有效克服了无线信道的频率选择性衰落。
  2. 频谱效率高：子载波正交排列，可以无缝衔接，节省了保护带,提高了频谱利用率。
  3. 实现简单：可以使用高效的IFFT/FFT算法进行调制解调。
- 应用：OFDM是LTE物理层传输的核心技术。
MIMO (Multiple-Input Multiple-Output，多入多出)
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- 原理：在基站和终端两端都使用多根天线，通过空间分集、空间复用等技术,在同一频谱资源上同时传输多路数据。
- 优势：
  1. 空间复用：在不增加带宽的情况下，成倍提升系统容量和峰值速率，2x2 MIMO理论上可以将速率翻倍。
  2. 空间分集：通过多天线发送/接收相同的信号，提高链路的可靠性，降低误码率,增强覆盖。
- 应用：LTE系统普遍采用2x2、4x4甚至更高阶的MIMO配置。

在4G全IP网络中，传统的电路域语音通话（2G/3G的CSFB方案）已不适用，VoLTE（Voice over LTE）是4G时代的标准语音解决方案。

原理：将语音通话作为一种数据业务,通过LTE网络承载。
优势：
- 高清语音：支持更宽的频带,通话音质远超传统电话。
- 接续快：呼叫建立时间（< 0.5秒）远小于2G/3G。
- 业务融合：通话和上网可同时进行，无需回落到2G/3G网络。

4G网络开始引入软件定义网络和网络功能虚拟化的理念，使得网络更加灵活和可编程，为5G的云化、服务化架构奠定了基础。

一个完整的4G系统可以分为三大部分：

UE (User Equipment，用户设备)：就是我们手中的智能手机、平板电脑、数据卡等。
E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的UMTS陆地无线接入网)：
- 核心是eNodeB (eNB)，即我们常说的4G基站。
- eNB负责无线资源管理、用户接入控制、数据调度和转发等功能，它比3G的基站功能更强大,直接与核心网连接。
EPC (Evolved Packet Core，演进的分组核心网)：
- MME (Mobility Management Entity)：移动性管理，负责用户接入、鉴权、寻呼、切换控制等。
- S-GW (Serving Gateway)：服务网关，负责用户数据的路由和转发，是eNB和P-GW之间的数据关口。
- P-GW (Packet Data Network Gateway)：PDN网关，是用户连接外部数据网络（如互联网）的出口，负责IP地址分配、计费等。
- HSS (Home Subscriber Server)：归属用户服务器，存储用户的签约信息、位置信息等，相当于4G时代的“SIM卡数据库”。

4G的普及彻底改变了人们的生活和社会的运作方式。

在5G商用之前，4G并没有停止发展，而是演进到了LTE-Advanced Pro，也被称为5G或Pre-5G，它引入了5G的部分关键技术,为5G的到来铺平了道路。

关键技术：
- CA (Carrier Aggregation，载波聚合)：将多个不连续的频段捆绑在一起，以获得更大的带宽,提升峰值速率。
- 256-QAM (更高阶的调制)：在一个符号上传输更多的数据比特,提升频谱效率。
- Massive MIMO (大规模天线)：在基站侧部署数十甚至上百根天线，通过波束赋形，精准地将能量聚焦到用户,大幅提升网络容量和覆盖。
- LAA (Licensed-Assisted Access，授权辅助接入)：允许运营商在非授权频段（如Wi-Fi频段）上使用LTE技术，以分流数据压力,提升网络容量。

**4G是一次里程碑式的技术飞跃，它通过全