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4Gとは、2000年代後半から2010年代初頭にかけて導入された第4世代の携帯電話ネットワーク技術を指します。先行する第3世代（ 3G ）技術と比較して、4GはオールIP通信とブロードバンドサービスをサポートするように設計されており、音声電話における回線交換を排除しています。[ 1 ]また、3Gと比較してデータ帯域幅が大幅に向上しており、高解像度メディアストリーミングやモノのインターネット（IoT）アプリケーションの拡大など、さまざまなデータ集約型アプリケーションが可能になっています。[ 2 ] [ 1 ]
「4G」として最初に展開された技術は、 3GPPグループによって開発されたLong-Term Evolution（LTE）と、IEEE仕様に基づくMobile Worldwide Interoperability for Microwave Access （Mobile WiMAX）でした。[ 3 ] [ 4 ]これらは、以前の3Gおよび2Gに比べて大幅な機能強化をもたらしました。
2008年11月、国際電気通信連合無線通信部門（ITU-R）は、国際移動通信アドバンスト（IMT-Advanced）仕様と呼ばれる4G規格の要件セットを規定し、4Gサービスのピーク速度要件を、高速移動通信（列車や自動車など）では100メガビット/秒（Mbit/s）（=12.5メガバイト/秒）、低速移動通信（歩行者や静止ユーザーなど）では1ギガビット/秒（Gbit/s）に設定しました。[ 5 ]
モバイル WiMAXとLTEの最初のリリース バージョンは、ピーク ビット レートが1 Gbit/s をはるかに下回るため 、完全な IMT-Advanced 準拠ではありませんが、サービス プロバイダによって 4G とブランド化されることがよくあります。オペレーターによると、ネットワークの世代とは、新しい非後方互換性技術の展開を指します。2010 年 12 月 6 日、ITU-R は、これらの 2 つの技術、および IMT-Advanced の要件を満たさないその他の 3G を超える技術は、IMT-Advanced 準拠バージョンの先駆けであり、「現在展開されている最初の第 3 世代システムと比較して、パフォーマンスと機能が大幅に向上している」限り、「4G」とみなすことができると認識しました。元の LTE と WiMAX の規格は、以前は 3.9G/3.95G と呼ばれることもありました。[ 6 ] [ 7 ] ITU の新しい 4G の定義には、Evolved High Speed Packet Access (HSPA+) も含まれています。[ 8 ]
モバイル WiMAX リリース 2 ( WirelessMAN-AdvancedまたはIEEE 802.16mとも呼ばれる) とLTE Advanced (LTE-A) は、上記の 2 つのシステムの IMT-Advanced 準拠の下位互換性バージョンであり、2011 年春に標準化され、1 Gbit/s 程度の速度が期待されています。2012 年 1 月、ITU は 4G の以前の定義を撤回し、モバイル WiMAX 2 と LTE Advanced は「真の 4G」であり、その前身は「過渡的な」 3G-4G であると主張しました。[ 1 ]
以前の世代とは異なり、4Gシステムは従来の回線交換電話サービスをサポートせず、IP電話などのインターネットプロトコル（IP）ベースの通信のみに依存しています。以下に示すように、 3Gシステムで使用されていたスペクトラム拡散無線技術は、すべての4G候補システムで廃止され、OFDMAマルチキャリア伝送やその他の周波数領域等化（FDE）方式に置き換えられています。これにより、広範囲にわたるマルチパス無線伝搬（エコー）にもかかわらず、非常に高いビットレートでの伝送が可能になります。ピークビットレートは、多入力多出力（MIMO）通信用のスマートアンテナアレイによってさらに向上します。
モバイル通信の分野では、「世代」とは一般的に、サービスの根本的な性質の変化、後方互換性のない伝送技術、より高いピークビットレート、新しい周波数帯域、ヘルツ単位でのより広いチャネル周波数帯域幅、および多数の同時データ転送のためのより高い容量（ビット/秒/ヘルツ/サイト単位でのより高いシステムスペクトル効率）を指します。
1981年のアナログ（1G）から1992年のデジタル（2G）への移行以来、約10年ごとに新しいモバイル世代が登場してきました。これに続き、2001年にはマルチメディア対応、スペクトラム拡散伝送、最低ピークビットレート200kbit /sの3Gが登場し、2011/2012年にはモバイル超広帯域（ギガビット速度）アクセスを提供するオールIPパケット交換ネットワークを指す「真の」4Gが登場しました。
ITUは将来のグローバル通信に使用される技術に関する勧告を採択しているものの、標準化や開発作業自体は自ら行っておらず、IEEE、WiMAX Forum、3GPPなどの他の標準化団体の活動に依存している。
1990年代半ば、ITU-R標準化組織は、3Gシステムとみなされるべき標準の枠組みとしてIMT-2000要件を発表し、ピークビットレート2000kbit/sを要求した。[ 9 ] UMTSファミリーで最速の3Gベースの標準はHSPA+標準であり、2009年から商用利用可能で、MIMOなし、つまりアンテナ1本のみで下り21Mbit/s（上り11Mbit/s）を提供し、2011年にはDC-HSPA+ （2つの5MHz UMTSキャリアの同時使用） [ 10 ]または2x2 MIMOを使用して下りピークビットレートを最大42Mbit/sまで加速した。理論的には最大672Mbit/sの速度が可能だが、まだ展開されていない。CDMA2000ファミリーの中で最速の3Gベースの規格はEV-DO Rev. Bであり、2010年から利用可能で、下り15.67 Mbit/sの速度を提供する。
2008年、ITU-Rは4Gシステム向けのIMT Advanced（国際移動通信技術先進規格）の要件を規定した。
この記事では、 ITU-Rで定義されているIMT-Advanced（国際移動通信アドバンスト）を使用した4Gについて言及しています。IMT-Advancedセルラーシステムは、次の要件を満たす必要があります。[ 11 ]
2009年9月、技術提案は4G候補として国際電気通信連合（ITU）に提出された。[ 13 ]基本的にすべての提案は2つの技術に基づいている。
モバイルWiMAXと初期バージョンのLTEの実装は、WiMAX 2（802.16m規格に基づく）とLTE Advancedが展開されるまでのつなぎの解決策として広く考えられており、大きな効果をもたらすものと期待されていた。LTE Advancedの標準規格は2011年春に承認された。
LTE Advancedに関する最初の3GPP要件は2008年6月に承認されました。[ 14 ] LTE Advancedは2010年に3GPP仕様のリリース10の一部として標準化されました。
一部の情報源では、初期のLTEおよびモバイルWiMAXの実装は、 固定受信で1Gbps、 モバイルで100Mbpsという計画された要件を完全に満たしていないため、プレ4Gまたはニア4Gとみなされている。
混乱を招いているのは、一部の携帯電話会社が4Gとして宣伝している製品を発売しているが、一部の情報源によると、それらは4G以前のバージョン、一般的に3.9Gと呼ばれ、ITU-Rが定義した4G規格の原則に従っていないものの、今日ではITU-Rによれば4Gと呼べるものである。例えば、 Vodafone NetherlandsはLTEを4Gとして宣伝し、LTE Advancedを「4G+」サービスとして宣伝していた。3.9Gシステムを新世代と称する一般的な論拠は、3G技術とは異なる周波数帯を使用していること、新しい無線インターフェースパラダイムに基づいていること、そして規格が3Gとの下位互換性がない一方で、一部の規格はIMT-2000準拠の同じ規格の上位互換性があることである。
2010年10月現在、ITU-Rワーキングパーティ5Dは、2つの業界開発技術（LTE AdvancedとWirelessMAN-Advanced）[ 15 ]を、数年後に利用可能となるグローバル通信システムに焦点を当てたITUの国際移動通信アドバンストプログラム（IMT-Advancedプログラム）に含めることを承認しました。
LTE Advanced (Long-Term Evolution Advanced) はIMT-Advanced標準の候補であり、2009 年秋に3GPP組織によってITU-T に正式に提出され、2013 年現在一般に公開されています。[ 16 ]3GPP LTE Advanced の目標は、ITU の要件を満たし、それを超えることです。[ 17 ] LTE Advanced は基本的に LTE の拡張です。これは新しい技術ではなく、既存の LTE ネットワークの改良です。このアップグレード パスにより、ベンダーは LTE を提供してから LTE Advanced にアップグレードする方がコスト効率が良くなります。これは WCDMA から HSPA へのアップグレードに似ています。LTE と LTE Advanced は、追加のスペクトルと多重化を使用して、より高速なデータ速度を実現します。協調マルチポイント伝送により、システム容量も増加し、高速なデータ速度に対応できるようになります。
IEEE 802.16mまたはWirelessMAN-Advanced （WiMAX 2）は、802.16eの進化版であり、固定受信で1 Gbit/s、モバイル受信で100 Mbit/sというIMT-Advancedの基準を満たすことを目的として開発が進められ ている。[ 18 ]
4G以前の3GPP Long-Term Evolution（LTE）技術はしばしば「4G – LTE」と称されますが、最初のLTEリリースはIMT-Advancedの要件を完全に満たしていません。LTEは、 20MHzチャネルを使用した場合、ダウンリンクで最大100Mbit /s、アップリンクで最大50Mbit/sの理論上の正味ビットレート容量を持ち、MIMO（ Multiple-Input Multiple-Output ）、つまりアンテナアレイを使用すればさらに容量を増やすことができます。
物理的な無線インターフェースは、初期段階では高速OFDMパケットアクセス（HSOPA）と呼ばれていましたが、現在は進化型UMTS地上無線アクセス（E-UTRA）と呼ばれています。最初のLTE USBドングルは、他の無線インターフェースをサポートしていません。
世界初の一般向けLTEサービスは、2009年12月14日にスカンジナビアの2つの首都、ストックホルム（エリクソンとノキア・シーメンス・ネットワークスのシステム）とオスロ（ファーウェイのシステム）で開始され、4Gと名付けられました。ユーザー端末はサムスンが製造しました。 [ 19 ] 2012年11月現在、米国で一般向けに提供されているLTEサービスは、MetroPCS、[ 20 ] Verizon Wireless、[ 21 ] AT&T Mobility、US Cellular、[ 22 ] Sprint、[ 23 ]およびT-Mobile US [ 24 ]の5社です。
T-Mobile Hungaryは2011年10月7日に一般向けベータテスト（フレンドリーユーザーテストと呼ばれる）を開始し、2012年1月1日から商用4G LTEサービスを提供している。
韓国では、SKテレコムとLG U+が2011年7月1日からデータ端末向けにLTEサービスへのアクセスを可能にし、2012年までに全国展開を予定している。[ 25 ] KTテレコムは2012年3月までに2Gサービスを終了し、2012年6月までに1.8GHz付近の同じ周波数帯で全国LTEサービスを完了した 。
英国では、LTEサービスは2012年10月にEEによって開始され[ 26 ] 、 2013年8月にO2とVodafoneによって開始され[ 27 ] 、 2013年12月にThreeによって開始された[ 28 ]。
モバイルWiMAX（IEEE 802.16e-2005）モバイル無線ブロードバンドアクセス（MWBA）規格（韓国ではWiBro としても知られる）は、4Gという名称で呼ばれることもあり、20MHz幅のチャネル上で、下り最大128Mbit/s、 上り最大56Mbit/sのデータレートを提供する 。
2006年6月、韓国のソウルでKTにより世界初の商用モバイルWiMAXサービスが開始された。[ 30 ]
Sprintは2008年9月29日からモバイルWiMAXの使用を開始し、現在のバージョンは4GシステムのIMT Advanced要件を満たしていないにもかかわらず、「4G」ネットワークとして宣伝している。[ 31 ]
ロシア、ベラルーシ、ニカラグアでは、ロシアの企業ScartelがWiMAXブロードバンドインターネットアクセスを提供しており、4G、Yotaというブランド名も付けられていた。[ 32 ]
最新バージョンの規格であるWiMAX 2.1では、以前のWiMAX規格との互換性がなくなり、代わりにLTE-TDDシステムと互換性を持つように更新されたため、事実上WiMAX規格とLTEが統合されたことになる。
LTE（ Long-Term Evolution）とWiMAXが世界の通信業界で採用されるにつれ、LTEは主要な4G規格として台頭し、中国市場でも広く普及した。LTEの2つの無線インターフェース方式のうちの1つであるTD-LTEは、当初はFDD-LTEに比べて成熟度が低かったものの、最終的には国内外の様々な無線通信事業者がこの技術を採用した。
IBMのデータによると、通信事業者の67%がLTEの導入を検討している。これは、LTEが将来の市場開拓の主要因となるためである。また、上記のニュースは、WiMAXの導入を検討している通信事業者はわずか8%に過ぎないものの、WiMAXは市場で最速のネットワーク伝送を顧客に提供でき、LTEに匹敵する可能性があるというIBMの見解を裏付けるものでもある。
TD-LTEは、初の4G無線モバイルブロードバンドネットワークデータ規格ではありませんが、中国最大の通信事業者であるチャイナモバイルが改訂・発表した中国の4G規格です。一連のフィールドテストを経て、今後2年以内に商用段階に移行すると予想されています。エリクソンの副社長であるウルフ・エヴァルドソン氏は、「中国工業情報化部とチャイナモバイルは今年第4四半期に大規模なフィールドテストを実施する予定であり、その際にはエリクソンが協力する」と述べています。しかし、現在の開発動向から見ると、チャイナモバイルが提唱するこの規格が国際市場で広く認知されるかどうかは依然として議論の余地があります。
UMB（Ultra Mobile Broadband ）は、次世代アプリケーションと要件に合わせてCDMA2000携帯電話規格を改善するために3GPP2標準化グループ内で中止された4Gプロジェクトのブランド名でした。2008年11月、UMBの主要スポンサーであるクアルコムは、代わりにLTEを優先し、この技術の開発を終了すると発表しました。[ 33 ]目標は、下り275 Mbit/s以上、上り75 Mbit/s以上のデータ速度を達成することでした。
初期段階では、Flash-OFDMシステムは4G規格へとさらに発展していくことが期待されていた。
iBurstシステム（またはHC-SDMA、高容量空間分割多重アクセス）は、初期段階では4Gの前身と考えられていました。その後、さらに発展してモバイルブロードバンド無線アクセス（MBWA）システム、別名IEEE 802.20となりました。
提案されているすべての4G技術には、以下の主要な特徴が見られます。
以前の世代とは異なり、4Gシステムは回線交換電話をサポートしていません。IEEE 802.20、UMB、OFDM規格[ 36 ]には、協調リレーとも呼ばれるソフトハンドオーバーのサポートがありません。
近年、直交FDMA（OFDMA）、シングルキャリアFDMA（SC-FDMA）、インターリーブFDMA、マルチキャリアCDMA（MC-CDMA）といった新しいアクセス方式が、次世代システムにおいてますます重要性を増している。これらの方式は、効率的なFFTアルゴリズムと周波数領域等化に基づいており、1秒あたりの乗算回数を削減できる。また、帯域幅の制御やスペクトルの柔軟な形成も可能となる。しかしながら、これらの方式には高度な動的チャネル割り当てと適応型トラフィックスケジューリングが必要となる。
WiMAXはダウンリンクとアップリンクの両方でOFDMAを使用しています。LTE （電気通信）では、ダウンリンクにOFDMAが使用されていますが、アップリンクにはシングルキャリアFDMAが使用されています。これは、OFDMAがPAPR関連の問題に大きく影響し、アンプの非線形動作を引き起こすためです。IFDMAは電力変動が少ないため、エネルギー効率の悪い線形アンプが必要です。同様に、MC-CDMAはIEEE 802.20規格の提案に含まれています。これらのアクセス方式は、CDMAなどの旧来の技術と同等の効率を提供します。さらに、拡張性とデータレートの向上も実現できます。
上述のアクセス技術のもう一つの重要な利点は、受信側での等化処理の複雑さを軽減できることである。これは特にMIMO環境において大きな利点となる。なぜなら、MIMOシステムの空間多重伝送では、受信側での等化処理が本質的に複雑になるからである。
これらの多重化システムの改良に加え、改良された変調技術も用いられている。以前の規格では主に位相偏移変調が用いられていたが、3GPP Long-Term Evolution規格では、 64QAMなどのより効率的なシステムが提案されている。
回線交換ネットワークノードとパケット交換ネットワークノードという2つの並列インフラストラクチャに基づいている3Gとは異なり、4Gはパケット交換のみに基づいている。そのため、低遅延のデータ伝送が求められる。
IPv4 アドレスが（ほぼ）枯渇しているため、[注 1 ] IPv6 はIP を使用して通信する多数の無線対応デバイスをサポートするために不可欠です。利用可能なIP アドレスの数を増やすことで、IPv6 はネットワーク アドレス変換(NAT)の必要性をなくします。NAT は、限られた数のアドレスをより多くのデバイス間で共有する方法ですが、多くの問題と制限があります。IPv6 を使用する場合でも、IPv6 に接続されていない従来の IPv4 デバイスとの通信には、何らかの NAT が必要です。
2009年6月現在 Verizonは、自社のネットワーク上のすべての4GデバイスがIPv6をサポートすることを義務付ける仕様を公開した。[ 37 ] [ 38 ]
無線通信の性能は、スマートアンテナまたはインテリジェントアンテナと呼ばれるアンテナシステムに依存します。近年、高速性、高信頼性、長距離通信といった4Gシステムの目標を達成するために、複数のアンテナ技術が登場しています。1990年代初頭、データ通信におけるデータレートの増大するニーズに対応するため、多くの伝送方式が提案されました。その中でも、空間多重化は帯域幅の節約と電力効率の高さから注目を集めました。空間多重化では、送信機と受信機に複数のアンテナを配置します。これにより、独立したストリームをすべてのアンテナから同時に送信できます。この技術はMIMO （インテリジェントアンテナの一種）と呼ばれ、基本データレートを送信アンテナ数または受信アンテナ数（いずれか少ない方）で乗算します。これとは別に、フェージングチャネルでの高速データ伝送の信頼性は、送信機または受信機にアンテナを増やすことで向上させることができます。これは送信ダイバーシティまたは受信ダイバーシティと呼ばれます。送受信ダイバーシティと送信空間多重化は、いずれも時空間符号化技術に分類され、送信機側でチャネル情報を必要としない。もう一方のカテゴリーは、閉ループ多重アンテナ技術であり、こちらは送信機側でチャネル情報を必要とする。
4G以降の主要技術の一つに、オープン・ワイヤレス・アーキテクチャ（OWA）と呼ばれるものがあり、これはオープンなアーキテクチャプラットフォーム上で複数の無線インターフェースをサポートする。
SDRはオープン無線アーキテクチャ（OWA）の一形態です。4Gは無線規格の集合体であるため、最終的な4Gデバイスは様々な規格で構成されることになります。これは、無線融合の分野に分類されるSDR技術を用いることで効率的に実現できます。
1991年、WiLANの創設者であるハティム・ザグルールとミシェル・ファトゥーシュは、広帯域無線通信アプリケーション（ 4Gモバイル通信を含む）の基盤となる広帯域直交周波数分割多重（WOFDM）を発明した。 [ 39 ] [ 40 ]
4G システムは、もともと米国国防高等研究計画局 ( DARPA)によって構想されました。DARPAは分散アーキテクチャとエンドツーエンドのインターネット プロトコル (IP) を選択し、初期段階でピアツーピア ネットワークにおいて、すべてのモバイル デバイスがネットワーク内の他のデバイスのトランシーバーとルーターの両方の役割を担い、2G および 3G セルラー システムのスポークとハブの弱点を解消できると信じていました。[ 41 ] 2.5G GPRS システム以降、セルラー システムは、データ サービス用のパケット交換ノードと音声通話用の回線交換ノードという 2 つのインフラストラクチャを提供してきました。4G システムでは、回線交換インフラストラクチャは廃止され、パケット交換ネットワークのみが提供されますが、2.5G および 3G システムでは、パケット交換と回線交換の両方のネットワーク ノード、つまり 2 つのインフラストラクチャが並行して必要になります。これは、4G では従来の音声通話が IP 電話に置き換えられることを意味します。
2009年以降、LTE規格は長年にわたって大きく進化し、世界中のさまざまな通信事業者によって多数展開されています。商用LTEネットワークとその歴史的発展の概要については、「LTEネットワーク一覧」をご覧ください。数多くの展開事例の中でも、多くの通信事業者がLTEネットワークの展開と運用を検討しています。計画中のLTE展開の一覧は、「計画中のLTEネットワーク一覧」でご覧いただけます。
4Gは、海外旅行をする人やキャリアを切り替えたい人にとって、潜在的な不便をもたらします。4G音声通話（VoLTE）を発信および受信するには、加入者の端末が一致する周波数帯域を持っているだけでなく（場合によってはロック解除も必要）、現地のキャリアや国に合わせた有効化設定も必要です。特定のキャリアから購入した電話機はそのキャリアで動作すると期待できますが、別のキャリアのネットワーク（国際ローミングを含む）で4G音声通話を行うには、現地のキャリアと対象の電話機モデルに特化したソフトウェアアップデートが必要になる場合があり、そのアップデートが利用可能かどうかはわかりません（ただし、一致する周波数帯域を持つ2G/3Gネットワークが利用可能な場合は、音声通話のために2G/3Gにフォールバックすることは可能です）。[ 69 ]
4Gシステムにおける大きな課題は、セルのより広い範囲、特に複数の基地局間の露出した位置にあるユーザーに対して、高ビットレートを利用可能にすることです。現在の研究では、この問題はマクロダイバーシティ技術（グループ協調リレーとも呼ばれる）とビーム分割多重アクセス（BDMA）によって対処されています。[ 70 ]
ユビキタスネットワークは、ユーザーが複数の無線アクセス技術に同時に接続し、それらの間をシームレスに移動できるという、現時点では完全に仮説上の概念です（垂直ハンドオフ、IEEE 802.21を参照）。これらのアクセス技術は、Wi-Fi、UMTS、EDGE 、またはその他の将来のアクセス技術である可能性があります。この概念には、スペクトル使用と送信電力を効率的に管理するためのスマート無線（コグニティブ無線とも呼ばれる）技術、およびユビキタスネットワークを構築するためのメッシュルーティングプロトコルの使用も含まれます。
2023年現在、多くの国や地域で、次世代携帯電話技術である4Gから5Gへの移行が始まっている。5Gは、さらに高速な通信速度、低遅延、そして膨大な数のデバイスを同時に接続できる能力を約束している。
4Gネットワークは今後数年間、5Gネットワークと共存し、5Gが利用できない地域で通信サービスを提供すると予想されている。