5G與4G網(wǎng)絡(luò)的對比分析綜述

摘要：目前，在4G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用的同時(shí)，我國也在積極全面推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。為進(jìn)一步深入的了解了5G網(wǎng)絡(luò)，本文從介紹4G與5G的概念入手，對5G和4G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵能力和主要應(yīng)用場景等方面內(nèi)容進(jìn)行了對比分析，并在此基礎(chǔ)上，展望了5G網(wǎng)絡(luò)的最新發(fā)展情況。關(guān)鍵詞：5G，4G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)一、引言隨著用戶需求的持續(xù)增長、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展、以及越來越多智能設(shè)備的出現(xiàn)，未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不但面臨著超千倍的數(shù)據(jù)流量增長需求，海量的設(shè)備連接需求，而且在超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、智能穿戴、智能家居、智能抄表、智能交通等各個(gè)領(lǐng)域都會產(chǎn)生極大的通信需求。而目前的4G網(wǎng)絡(luò)已無法滿足這些需求，因此第五代移動(dòng)通信(5G)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。二、4G與5G概念4G，即第四代移動(dòng)通信技術(shù)，該技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，以正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)為核心，用戶峰值速率可達(dá)100Mbps至1Gbps，是一種寬帶接入和分布式的全I(xiàn)P架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠支持各種移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。5G是4G之后的延伸，是對現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的演進(jìn)，5G更強(qiáng)調(diào)用戶體驗(yàn)速率，將達(dá)到Gbps量級。和4G相比，其最大的變化在于，其服務(wù)的對象從過去的人與人之間的通訊，增加了人與物、物與物之間的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全連接。我國IMT-2020(5G)推進(jìn)組發(fā)布的5G概念白皮書認(rèn)為，綜合5G關(guān)鍵能力與核心技術(shù)，5G概念可由“標(biāo)志性能力指標(biāo)”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”來共同定義。其中，標(biāo)志性能力指標(biāo)為“Gbps用戶體驗(yàn)速率”，一組關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。三、5G與4G關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵能力對比3.1關(guān)鍵技術(shù)對比和4G相比，5G的關(guān)鍵技術(shù)在空口、架構(gòu)等多個(gè)方面均有創(chuàng)新，無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?jié)摿薮蟆?G和5G的主要關(guān)鍵技術(shù)對比如下表：表14G和5G主要關(guān)鍵技術(shù)對比表關(guān)鍵技術(shù)名稱4G5G接入技術(shù)OFDMASCMA(稀疏碼分多址)PDMA(圖樣分割多址)MUSA(多用戶共享接入)雙工方式半雙工全雙工(同時(shí)同頻收發(fā))調(diào)制64QAM256QAM帶寬20MHz100MHz及其以上(高頻段)MIMO2*2MIMO、4*4MIMO對于5G的關(guān)鍵技術(shù)，還可進(jìn)一步細(xì)化歸納大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型多址、新型多載波、先進(jìn)調(diào)制編碼、終端直通技術(shù)、靈活雙工、全雙工、頻譜共享等十大關(guān)鍵技術(shù)，簡要介紹如下：大規(guī)模天線：較4.5G更大規(guī)模的MassiveMIMO，天線數(shù)目進(jìn)一步增加，從而改善接收信號強(qiáng)度，抑制用戶間干擾，實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜效率；超密集組網(wǎng)：通過更加“密集化”無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施部署，獲取更高的頻率復(fù)用效率；全頻譜接入：采用低頻和高頻混合網(wǎng)絡(luò)，充分挖掘低頻和高頻的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)無縫、高速、大容量覆蓋；新型多址：通過多用戶信息在相同資源上的疊加傳輸，在接收側(cè)利用先進(jìn)的接收算法分離多用戶信息，代表為SCMA、PDMA和MUSA等；新型多載波：通過濾波減小子帶或子載波頻譜泄漏，放松對時(shí)頻同步的要求，如F-OFDM和UFMC等；先進(jìn)調(diào)制編碼：包括鏈路級調(diào)制編碼、鏈路自適應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)編碼等，用以降低節(jié)點(diǎn)間干擾；終端直通技術(shù)：實(shí)現(xiàn)車車/車路/車人的車聯(lián)網(wǎng)通信；靈活雙工：根據(jù)上下行業(yè)務(wù)變化情況動(dòng)態(tài)分配上下行資源，有效提升系統(tǒng)資源利用率；全雙工：消除FDD和TDD對頻譜資源使用的差異，包括自干擾信號抑制、全雙工網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及同半雙工體制共存及優(yōu)化等；頻譜共享：跨越不同系統(tǒng)的最優(yōu)動(dòng)態(tài)頻譜配置和管理功能，實(shí)現(xiàn)高效、動(dòng)態(tài)的、靈活的頻譜使用，提升空口效率、系統(tǒng)覆蓋層次和密度。3.2關(guān)鍵能力對比與以往的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要強(qiáng)調(diào)用戶峰值速率不同，5G關(guān)鍵性能指標(biāo)更加豐富，除用戶峰值速率外，還包括用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、流量密度和移動(dòng)性等。其中用戶體驗(yàn)速率是5G最重要的性能指標(biāo)，它真正體現(xiàn)了用戶可獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)速率，也是與用戶感受最密切的性能指標(biāo)。和4G相比，5G具備更高的性能，5G與4G關(guān)鍵能力對比分析如下表2。表25G與4G關(guān)鍵能力對比表定義4G5G(bps)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶可獲得的最低傳輸速率10Mbps0.1～1Gbps連接數(shù)密度(/Km2)單位面積上支持的在線設(shè)備總和10萬/Km2100萬/Km2端到端時(shí)延(ms)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)開始傳輸?shù)奖荒康墓?jié)點(diǎn)正確接收的時(shí)間10ms1ms移動(dòng)性(Km/h)間的最大相對移動(dòng)速度350Km/h流量密度(bps/Km2)單位面積區(qū)域內(nèi)的總流量0.1Mbps/Km2Km2(bps)單用戶可獲得的最高傳輸速率1Gbps此外，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營的效率，相比4G，頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。四、5G與4G主要應(yīng)用場景對比4G移動(dòng)通信技術(shù)主要聚焦于移動(dòng)寬帶應(yīng)用場景，提供增強(qiáng)型的系統(tǒng)容量以及更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。而隨著各類高帶寬應(yīng)用(比如移動(dòng)視頻)的“涌”現(xiàn)，5G將會進(jìn)一步增強(qiáng)人們的移動(dòng)寬帶應(yīng)用使用體驗(yàn)。此外，5G也將大力發(fā)展IoT(物聯(lián)網(wǎng))應(yīng)用、機(jī)器到機(jī)器通信或以機(jī)器為中心的通信。面向未來，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將成為5G發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。我國IMT-2020(5G)推進(jìn)組從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，定義了5G的四個(gè)主要的應(yīng)用場景：連續(xù)廣覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠。4.1移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景5G的四個(gè)主要的應(yīng)用場景中，連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量場景主要面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，也是傳統(tǒng)的4G主要應(yīng)用場景。其中連續(xù)廣域覆蓋場景是移動(dòng)通信最基本的覆蓋方式，以保證用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為目標(biāo)，為用戶提供無縫的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)；而熱點(diǎn)高容量場景主要面向局部熱點(diǎn)區(qū)域，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度需求。5G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)在這兩類場景中的主要區(qū)別在于，5G可提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足更高的流量密度需求，對比如下：表34G和5G網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景中的關(guān)鍵能力對比應(yīng)用4G5G連續(xù)覆蓋100Mbps的用戶峰值速率熱點(diǎn)量1Gbps的用戶峰值速率1Gbps的用戶體驗(yàn)速率、數(shù)十Gbps的用戶峰值速率和數(shù)十Tbps/km2的流量密度需求4.2物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展了移動(dòng)通信的服務(wù)范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯(lián)，使移動(dòng)通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域。5G的四個(gè)主要的應(yīng)用場景中，低功耗大連接和低時(shí)延高可靠場景主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，是5G新拓展的場景，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)移動(dòng)通信無法很好支持地物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用。低功耗大連接場景主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點(diǎn)。這類終端分布范圍廣、數(shù)量眾多，不僅要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。低時(shí)延高可靠場景主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求，這類應(yīng)用對時(shí)延和可靠性具有極高的指標(biāo)要求，需要為用戶提供毫秒級的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。五、結(jié)束語在4G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用的同時(shí)，我國也在積極全面推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。目前，5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)工作已完成，技術(shù)方案驗(yàn)證工作已在有條不紊的推進(jìn)中，未來還將啟動(dòng)5G試驗(yàn)網(wǎng)部署，驗(yàn)證5G系統(tǒng)組網(wǎng)性能，力爭在2020年可實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)商用。雖然在5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中，由于5G新業(yè)務(wù)、新架構(gòu)、新技術(shù)的要求，使得5G網(wǎng)絡(luò)還面臨很多挑戰(zhàn)，還有很多難題沒有解決，但隨著技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，相信這些問題都會迎刃而解，未來我們將進(jìn)入萬物互聯(lián)、生活云端化以及智能交互的美好新時(shí)代。參考文獻(xiàn)：[1]IMT-2020(5G)推進(jìn)組，5G愿景與需求白皮書，2014年5月[2]IMT-2020(5G)推進(jìn)組，5G概念白皮書，2015年2月[3]IMT-2020(5G)推進(jìn)組，5G無線技術(shù)架構(gòu)白皮書，2015年5月[4]曾劍秋，5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用趨勢，電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2017年第2期：肖育苗，通信技術(shù)工程師，PMP，碩士研究生，