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移动用户在21世纪的前十年急剧增长。2002年达到第一个十亿用户的里程碑，并在2010年用户突破50亿。第四代蜂窝系统的另一个推动力是移动宽带带来的流量爆炸式增长。在蜂窝网络中，数据流量首次超过了语音流量，3G网络很快饱和。此外，移动设备上基于互联网服务的激增对优化语音通信的蜂窝网络提出了重大挑战。自2.5G系统以来，蜂窝网络必须同时运行两个并行的基础设施：一个用于数据服务的分组交换网络，另一个用于语音呼叫的电路交换网络。
全IP蜂窝网络
4G蜂窝系统朝着端到端的全IP架构发展，以便更好地支持基于互联网的服务。在蜂窝网络历史上，电路交换网络被彻底抛弃，只提供了分组交换网络，以实现更灵活和高效的操作。
3GPP、3GPP2、WiMAX和IEEE等3G标准化组织致力于使用先进的空口技术和全IP网络基础设施，将3G标准提升到4G。为保证UMTS的竞争力，3GPP于2004年启动了LTE空口研究项目，也称为演进通用陆地无线接入（Evolved Universal Terrestrial Radio Access，E-UTRA）。2008年12月，LTE空口及其核心网（Evolved Packet Core，EPC）的第一个版本（Release 8）发布，随后是2009年12月冻结的增强版本（Release 9）。与IMT-2000的开发类似，ITU-R WP5D定义了4G系统的最低技术要求，2008年命名为International Mobile Telecommunications Advanced（IMT-Advanced）。但由于LTE不能完全符合IMT-Advanced的需求，例如低移动性场景峰值数据速率要求1Gbit/s，高移动性场景峰值数据速率要求100Mbit/s，3GPP从2009年开始继续研究长期演进的增强版本（LTE-Advanced）。同时，IEEE和WiMAX论坛继续推进WiMAX标准的发展。为了满足IMT-Advanced的要求，WirelessMAN-Advanced（也称为Mobile WiMAX Release 2.0）协议于2011年完成。IEEE 802.16e-2005引入了非常重要的增强功能，形成了IEEE 802.16m-2011新协议。IEEE和WiMAX论坛向ITU申请将IEEE 802.16m-2011作为IMT-Advanced提案之一，并与LTE-Advanced竞争。
2010年10月，ITU-R完成了对6个备选方案的评估，同意两个行业开发的技术作为全球4G标准，如图1.4所示。M.2012建议书［ITU-RM.2012，2012］确定了IMT-Advanced的地面空口技术并提供了详细的空口协议。
图1.4 经ITU-R批准的IMT-Advanced协议
3GPP于2004年年底启动了长期演进（LTE）研究项目，旨在开发一种专用于分组交换数据传输的颠覆性无线接入技术。该研究的重点是确定LTE的技术要求。2005年6月发布的重要成果包括低延迟、小区边缘的高数据速率和频谱灵活性。2005年12月，3GPP无线接入网（Radio Access Network，RAN）全体会议决定LTE的下行链路应基于正交频分多址接入（OFDMA），上行链路应基于单载波频分多址接入（SC-FDMA）。2008年12月，LTE空口及其核心网EPC的第一个版本（Release 8）完成，随后于2009年12月冻结了增强版本（Release 9）。LTE是一个颠覆性的协议，其设计没有限制向后兼容性，以便灵活采用新的技术特性。它可以在FDD或TDD模式下运行，分别称为LTE FDD和TD-LTE，其具有低延迟和扁平系统架构的特征。基于20MHz的信号带宽，下行链路的峰值数据速率达到300Mbit/s，上行链路的峰值数据速率达到75Mbit/s。2009年12月，TeliaSonera在斯堪的纳维亚半岛的两个首都斯德哥尔摩和奥斯陆推出了全球首个商用LTE移动服务，网络设备由爱立信和华为提供［Astely et al.，2009］。当时还没有符合LTE标准的手机上市，用户使用带有USB无线网络适配器的电脑接入LTE服务。直到2010年9月，全球首款LTE兼容手机三星SCH-r900发布。
由于LTE不能完全符合IMT-Advanced的要求，例如低移动性场景峰值数据速率为1Gbit/s，高移动性场景峰值数据速率为100Mbit/s，3GPP从2009年开始继续研究其增强版本，即LTE-Advanced。基于LTE-Advanced的提案于2009年10月提交给ITU，后来完成了更详细的协议，形成了LTE-Advanced的第一个版本（Release 10）。LTE-Advanced采用如增强型MIMO和高达100MHz的带宽等技术，以在上下行链路分别实现500Mbit/s和1Gbit/s的高速传输。2012年，俄罗斯运营商YOTA Networks宣布利用华为设备在莫斯科组建全球首个LTE-Advanced网络。2016年初完成的3GPP协议Release 13是LTE-Advanced Pro的第一个版本。虽然发展的新技术数量非常多，但LTE-Advanced和LTE-Advanced Pro都不意味着向后兼容性的中断。2022年6月，3GPP完成了Release 16，并准备制定Release 17，在制定第五代（5G）协议的同时还在进一步增强LTE［Dahlman et al.，2021］。
针对LTE的3GPP协议如图1.5所示。
图1.5 针对LTE的3GPP协议
● Release 8第一次定义了LTE无线接入技术和全IP EPC网络，为后续演进奠定了基础。利用FDD和TDD技术支持对称或非对称的频谱，突出了频谱的灵活性。它还通过扩展OFDM子载波的数量来支持灵活的带宽（1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz）。基于20MHz带宽，在2×2 MIMO的上行链路场景中峰值数据速率可以达到150Mbit/s，在4×4 MIMO的下行链路中峰值数据速率可以达到300Mbit/s。
● Release 9是LTE的第一次演进。它针对Release 8的遗留问题增加了一些改进和一些小的增强，涉及的技术包括微蜂窝、MIMO波束赋形、自组织网络（Self-Organized Networks，SON）、多媒体广播多播服务增强（Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services，eMBMS）、LTE定位和公共警报系统。
● Release 10明确了LTE-Advanced标准，确保LTE无线接入技术完全符合IMT-Advanced要求，于2011年3月冻结。该协议引入了载波聚合、增强型上行多址接入、MIMO增强、中继、小区间干扰协调增强（enhanced Inter-cell Interference Coordination，eICIC）、异构网络部署、SON增强等技术。
● Release 11于2012年9月完成，进一步增强了LTE-Advanced的性能和功能。LTE Release 11最重要的特性之一是引入了多点协同（Coordinated Multi-Point，CoMP）传输和接收。其他改进包括载波聚合增强、新的控制信道结构、基于网络的定位、用于机器类型通信的RAN过载控制以及智能终端节电技术。
● Release 12于2014年6月完成，重点针对小基站进行了优化和增强，包括双连接、小基站密集部署、小基站开/关、半动态TDD。在小基站环境中利用高信号强度引入了高阶调制（256QAM）。该版本的另一个重点是将LTE技术应用于紧急事件和公共安全，并为关键任务应用层功能元素提供技术协议。其他功能包括设备到设备（D2D）通信、LTE TDD-FDD联合操作（包括载波聚合）、安全保证方法和LTE/WiFi集成。
● Release 13标志着LTE-Advanced Pro的开始，它在营销中有时称为4.5G，被视为第一版LTE和5G之间的中间步骤。Release 13是重要的一步，具有许多令人兴奋的功能，例如支持非授权频段的授权频谱辅助接入（License-Assisted Access，LAA），改进了对机器类型通信的支持，进一步增强了MIMO、D2D通信和载波聚合技术，并将其扩展到一系列新服务和新垂直领域，包括引入窄带物联网（Narrow-Band Internet of Things，NB-IoT）和对车与车（Vehicle-to-Vehicle，V2V）通信的初步研究。
● Release 14于2017年冻结。除了增强了早期版本中引入的一些功能，例如授权频谱辅助接入增强（enhanced License-Assisted Access，eLAA）和带间载波聚合，它还支持车与车和车联万物（V2X）通信，以及子载波间隔减小的广域广播。
如前所述，基于IEEE 802.16e-2005 802.16m的WiMAX Release 1.0于2007年被ITU批准为名为IMT-2000 OFDMA TDD WMAN的第六个全球3G标准。IEEE WMAN社区计划推进IEEE 802.16m，旨在增强802.16无线接入技术的性能和功能，以确保符合IMT-Advanced要求。与LTE-Advanced是LTE的完全向后兼容演进不同，IEEE 802.16m并不是IEEE 802.16e的平稳演进，其具有一些颠覆性特征［Dahlman et al.，2011］。因此，尽管IEEE 802.16m保留了IEEE 802.16e的一些基本特征，包括基本的OFDM参数集，但其依旧被认为是一个新标准。基于时间复用，这两种无线接入技术可以在IEEE 802.16e 5ms帧结构内的同一载波上共存。IEEE 802.16m采用了许多类似LTE-Advanced的功能，例如对超过20MHz的带宽使用载波聚合以及对中继功能的支持。它还引入了长度约为0.6ms的更短子帧，以减少HARQ的往返时间，从而可以减少空口上的延迟。IEEE 802.16m没有继承为IEEE 802.16e定义的资源映射方案，而是引入了物理资源单元。类似LTE中的资源块，物理资源单元在一个子帧期间由一定数量级的频率连续子载波组成。每个资源单元包括18个子载波，子载波间隔为10.94kHz，此时带宽接近LTE资源块的180kHz带宽。由于LTE-Advanced和IEEE 802.16m之间有许多相似之处，因此性能评估表明这两种空口技术性能相当也就不足为奇了。与LTE-Advanced类似，IEEE 802.16m也可以满足ITU定义的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批准为WirelessMAN-Advanced的两个IMT-Advanced标准之一。
WiMAX比LTE更早推向市场，在2005至2009年期间是一项针对数据吞吐量的卓越技术。WiMAX率先采用MIMO、OFDM等准4G技术，支持可变传输带宽等新特性。早在2006年，两家韩国电信运营商就以WiBro品牌推出了全球首个基于IEEE 802.16e协议的移动WiMAX服务。截至2010年10月，WiMAX论坛声称在超过148个国家和地区部署了超过592个WiMAX（固定和移动）网络，覆盖超过6.21亿人。然而，LTE是主导标准（即GSM和WCDMA）的演进，而WiMAX是一种相对颠覆性的技术，没有庞大的用户群。因此，威瑞森、沃达丰、中国移动、日本电报电话公司和德国电信等主要移动运营商选择将其传统基础设施从3G升级到LTE，而不是采用新的技术标准。最终，LTE/LTE-Advanced赢得了竞争，成为主导的4G标准。借助LTE/LTE-Advanced，移动通信的全球通用标准形成，并由全球移动网络运营商部署，适用于对称和非对称频谱。
