5G與4G網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比分析綜述

5G與4G網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比分析綜述作者：肖育苗呂亞莉來(lái)源：《中國(guó)新通信》2017年第11期【摘要】目前，在4G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用的同時(shí)，我國(guó)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(duì)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(chǎng)景等方面內(nèi)容進(jìn)行了對(duì)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?！娟P(guān)鍵詞】5G4G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)一、引言隨著用戶(hù)需求的持續(xù)增長(zhǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展、以及越來(lái)越多智能設(shè)備的出現(xiàn)，未來(lái)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(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生極大的通信需求。而目前的4G網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法滿(mǎn)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(hù)峰值速率可達(dá)100Mbps至lGbps,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(duì)現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的演進(jìn)，5G更強(qiáng)調(diào)用戶(hù)體驗(yàn)速率，將達(dá)到Gbps量級(jí)。和4G相比，其最大的變化在于，其服務(wù)的對(duì)象從過(guò)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(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布的5G概念白皮書(shū)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(lái)共同定義。其中，標(biāo)志性能力指標(biāo)為“Gbps用戶(hù)體驗(yàn)速率”，一組關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線(xiàn)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(duì)比3.1關(guān)鍵技術(shù)對(duì)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?jié)摿薮蟆?G和5G的主要關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比如下表：表1斗￡；利5（；匸耍關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比表耒鍵技術(shù)名稱(chēng)4G5（；接人技術(shù)0FJJMASCMA（稀疏碼分多址）pdma（圖樣分m診址）MLSA（多用戶(hù)共享按人）雙工方式半雙工全雙工〔同時(shí)同頻收發(fā)）調(diào)制64QAM256QAM帶寬20HH忑JOOMfizS其曲上（筒頻段）MIM02*2 4^4MSM0MIMO；64T64J1及其口1.匕對(duì)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(xiàn)、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(jiǎn)要介紹如下：大規(guī)模天線(xiàn)：較4.5G更大規(guī)模的MassiveMIMO,天線(xiàn)數(shù)目進(jìn)一步增加，從而改善接收信號(hào)強(qiáng)度，抑制用戶(hù)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(guò)更加“密集化”無(wú)線(xiàn)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(shì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、高速、大容量覆蓋；新型多址：通過(guò)多用戶(hù)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(hù)信息，代表為SCMA、PDMA和MUSA等；新型多載波：通過(guò)濾波減小子帶或子載波頻譜泄漏，放松對(duì)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(jí)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(chē)車(chē)/車(chē)路/車(chē)人的車(chē)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(duì)頻譜資源使用的差異，包括自干擾信號(hào)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(duì)比與以往的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要強(qiáng)調(diào)用戶(hù)峰值速率不同，5G關(guān)鍵性能指標(biāo)更加豐富，除用戶(hù)峰值速率外，還包括用戶(hù)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(hù)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(hù)可獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)速率，也是與用戶(hù)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(duì)比分析如下表2。表25G與4G關(guān)鍵能力對(duì)比表關(guān)鍵性能指標(biāo)定義4G15G用戶(hù)體臉?biāo)俾士簩?shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶(hù)可獲得的最iOMbps0.1-()低傳輸速率iGLps連接數(shù)密度(/Km")單位面積上支持的在線(xiàn)設(shè)備總和10萬(wàn)/KmJ伽萬(wàn)/Km端到端時(shí)延數(shù)據(jù)包以源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳輸?shù)奖籗]0ms1ms(nn)的節(jié)點(diǎn)正確接收的時(shí)間移動(dòng)性{Km/h)滿(mǎn)足一定性能耍求時(shí)，收發(fā)叔方間的最大相對(duì)移動(dòng)速度35OKm/h5<in+Km/li流蛍密度(hps/Km-)單位面積區(qū)域內(nèi)的總流量01Mbps/Km2數(shù)PTbps/Km-用戶(hù)峰值速率(bnp)單用戶(hù)可獲得的最高?傳輸速率1Ghp^數(shù)十Gbps此外，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營(yíng)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(chǎng)景對(duì)比4G移動(dòng)通信技術(shù)主要聚焦于移動(dòng)寬帶應(yīng)用場(chǎng)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(lèi)高帶寬應(yīng)用（比如移動(dòng)視頻）的'涌”現(xiàn)，5G將會(huì)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(lái)，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(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景5G的四個(gè)主要的應(yīng)用場(chǎng)景中，連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)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(chǎng)景。其中連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景是移動(dòng)通信最基本的覆蓋方式，以保證用戶(hù)的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為目標(biāo)，為用戶(hù)提供無(wú)縫的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)；而熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景主要面向局部熱點(diǎn)區(qū)域，為用戶(hù)提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿(mǎn)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(lèi)場(chǎng)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(mǎn)足更高的流量密度需求，對(duì)比如下：表34G和5G網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)可聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)雖中的關(guān)鍵能Jj對(duì)比應(yīng)川場(chǎng)駅4G5G連綾廣域覆蓋KKIMbps的用戶(hù)峰值速率隨時(shí)髄地（包括小區(qū)邊緣、高速移動(dòng)等悪紡環(huán)境）為用戶(hù)捉供100Mbps以上的用戶(hù)體驗(yàn)速率熱丄摘容量IGhfjs的用戶(hù)峰值速率 1lGhp^的用戶(hù)休驗(yàn)速率.數(shù)十心代的用戶(hù)峰值速率和數(shù)十TlipVknf的流量密度需求4.2物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)景中，低功耗大連接和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，是5G新拓展的場(chǎng)景，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)移動(dòng)通信無(wú)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(chǎng)景主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(chǎng)景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點(diǎn)。這類(lèi)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(mǎn)足100萬(wàn)/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(chǎng)景主要面向車(chē)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(lèi)應(yīng)用對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高的指標(biāo)要求，需要為用戶(hù)提供毫秒級(jí)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(yǔ)在4G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用的同時(shí)，我國(guó)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(lái)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(zhēng)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(guò)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(méi)有解決，但隨著技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，相信這些問(wèn)題都會(huì)迎刃而