5G與4G網絡的對比分析綜述

肖育苗+呂亞莉

【摘要】 目前，在4G網絡大規模商用的同時，我國也在積極全面推進5G網絡的發展。為進一步深入的了解了5G網絡，本文從介紹4G與5G的概念入手，對5G和4G網絡的關鍵技術、關鍵能力和主要應用場景等方面內容進行了對比分析，并在此基礎上，展望了5G網絡的最新發展情況。

【關鍵詞】 5G 4G 移動互聯網 物聯網

一、引言

隨著用戶需求的持續增長、移動互聯網的飛速發展、以及越來越多智能設備的出現，未來移動通信網絡不但面臨著超千倍的數據流量增長需求，海量的設備連接需求，而且在超高清視頻、虛擬現實、增強現實、智能穿戴、智能家居、智能抄表、智能交通等各個領域都會產生極大的通信需求。而目前的4G網絡已無法滿足這些需求，因此第五代移動通信（5G）技術應運而生。

二、4G與5G概念

4G，即第四代移動通信技術，該技術包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，以正交頻分多址（OFDMA）技術為核心，用戶峰值速率可達 100Mbps至1Gbps，是一種寬帶接入和分布式的全IP架構網絡，能夠支持各種移動寬帶數據業務。

5G是4G之后的延伸，是對現有的無線通信技術的演進，5G 更強調用戶體驗速率，將達到Gbps量級。

和4G相比，其最大的變化在于，其服務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，實現全連接。

我國 IMT-2020（5G）推進組發布的5G概念白皮書認為，綜合5G關鍵能力與核心技術，5G概念可由“標志性能力指標”和“一組關鍵技術”來共同定義。

其中，標志性能力指標為“Gbps用戶體驗速率”，一組關鍵技術包括大規模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構。

三、5G與4G關鍵技術及關鍵能力對比

3.1 關鍵技術對比

和4G相比，5G的關鍵技術在空口、架構等多個方面均有創新，無線網絡發展潛力巨大。4G和5G的主要關鍵技術對比如下表：

對于5G的關鍵技術，還可進一步細化歸納大規模天線、超密集組網、全頻譜接入、新型多址、新型多載波、先進調制編碼、 終端直通技術、靈活雙工、全雙工、頻譜共享等十大關鍵技術，簡要介紹如下：

大規模天線：較4.5G更大規模的Massive MIMO，天線數目進一步增加，從而改善接收信號強度，抑制用戶間干擾，實現更高的系統容量和頻譜效率；

超密集組網：通過更加“密集化”無線網絡基礎設施部署，獲取更高的頻率復用效率；

全頻譜接入：采用低頻和高頻混合網絡，充分挖掘低頻和高頻的優勢，實現無縫、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，在接收側利用先進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，放松對時頻同步的要求，如F-OFDM和UFMC等；

先進調制編碼：包括鏈路級調制編碼、鏈路自適應、網絡編碼等，用以降低節點間干擾；

終端直通技術：實現車車/車路/車人的車聯網通信；

靈活雙工：根據上下行業務變化情況動態分配上下行資源，有效提升系統資源利用率；

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、全雙工網絡架構以及同半雙工體制共存及優化等；

頻譜共享：跨越不同系統的最優動態頻譜配置和管理功能，實現高效、動態的、靈活的頻譜使用，提升空口效率、系統覆蓋層次和密度。

3.2 關鍵能力對比

與以往的移動通信系統主要強調用戶峰值速率不同，5G關鍵性能指標更加豐富，除用戶峰值速率外，還包括用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、流量密度和移動性等。其中用戶體驗速率是 5G 最重要的性能指標，它真正體現了用戶可獲得的真實數據速率，也是與用戶感受最密切的性能指標。和4G相比，5G具備更高的性能，5G與4G關鍵能力對比分析如下表2。

此外，5G還需要大幅提高網絡部署和運營的效率，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主要應用場景對比

4G移動通信技術主要聚焦于移動寬帶應用場景，提供增強型的系統容量以及更高的數據傳輸速率。而隨著各類高帶寬應用（比如移動視頻）的“涌”現，5G將會進一步增強人們的移動寬帶應用使用體驗。此外，5G也將大力發展IoT（物聯網）應用、機器到機器通信或以機器為中心的通信。

面向未來，移動互聯網和物聯網業務將成為5G發展的主要驅動力。我國 IMT-2020（5G）推進組從移動互聯網和物聯網的主要應用場景、業務需求及挑戰出發，定義了 5G的四個主要的應用場景：連續廣覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠。

4.1 移動互聯網業務應用場景

5G 的四個主要的應用場景中，連續廣域覆蓋和熱點高容量場景主要面向移動互聯網業務需求，也是傳統的 4G 主要應用場景。其中連續廣域覆蓋場景是移動通信最基本的覆蓋方式，以保證用戶的移動性和業務連續性為目標，為用戶提供無縫的高速業務體驗；而熱點高容量場景主要面向局部熱點區域，為用戶提供極高的數據傳輸速率，滿足網絡極高的流量密度需求。5G網絡和4G網絡在這兩類場景中的主要區別在于，5G可提供更高的數據傳輸速率，滿足更高的流量密度需求，對比如下：

4.2 物聯網業務應用場景

物聯網擴展了移動通信的服務范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯，使移動通信技術滲透至更加廣闊的行業和領域。5G 的四個主要的應用場景中，低功耗大連接和低時延高可靠場景主要面向物聯網業務，是5G新拓展的場景，重點解決傳統移動通信無法很好支持地物聯網及垂直行業應用。低功耗大連接場景主要面向智慧城市、環境監測、智能農業、森林防火等以傳感和數據采集為目標的應用場景，具有小數據包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數量眾多，不僅要求網絡具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數密度指標要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。低時延高可靠場景主要面向車聯網、工業控制等垂直行業的特殊應用需求，這類應用對時延和可靠性具有極高的指標要求，需要為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證。

五、結束語

在4G網絡大規模商用的同時，我國也在積極全面推進5G網絡的發展。目前，5G技術研發試驗工作已完成，技術方案驗證工作已在有條不紊的推進中，未來還將啟動5G試驗網部署，驗證5G系統組網性能，力爭在2020年可實現5G網絡商用。雖然在5G網絡發展過程中，由于5G新業務、新架構、新技術的要求，使得5G網絡還面臨很多挑戰，還有很多難題沒有解決，但隨著技術、網絡的發展，相信這些問題都會迎刃而解，未來我們將進入萬物互聯、生活云端化以及智能交互的美好新時代。

參 考 文 獻

[1] IMT-2020（5G）推進組，5G愿景與需求白皮書，2014年5月

[2] IMT-2020（5G）推進組，5G概念白皮書，2015年2月

[3] IMT-2020（5G）推進組，5G無線技術架構白皮書，2015年5月

[4] 曾劍秋，5G移動通信技術發展與應用趨勢，電信工程技術與標準化，2017年第2期