4G與5G關鍵技術比較分析

郝鳳蕾 李淑敬 李鵬

摘? 要：4G最大非對稱數據傳輸能力超過2Mbps，相較于3G通信有了較大提高。但隨著移動終端多媒體應用的發展，尤其是視頻、動畫等大容量數據的移動應用，4G網路逐漸不能滿足數據傳輸效果和用戶要求。本文首先分析了4G通信技術的相關關鍵技術，然后在全雙工通信、編碼及調制、MIMO技術及軟件無線電技術方面，對4G和5G通信中的關鍵技術進行了比較和探討，全面分析和總結了4G和5G關鍵技術的異同。

關鍵詞：5G通信;全雙工通信;MIMO技術;軟件無線電

中圖分類號：TN929.5? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）01-0061-02

Comparative Analysis of Key Technologies of 4G and 5G

HAO Fenglei1，LI Shujing2，LI Peng3

（1.Liaocheng Branch of China Unicom Co.，Ltd.，Liaocheng? 252000，China;2.Fuyang Normal University，Fuyang? 236000，China;3.Liaocheng University，Liaocheng? 252000，China）

Abstract：The maximum asymmetric data transmission capability of 4G is more than 2Mbps，which is much better than that of 3G. However，with the development of mobile multimedia applications，especially the mobile applications of video，animation and other large-capacity data，the 4G network is gradually unable to meet the data transmission effect and user requirements. This paper first analyses the key technologies of 4G communication technology，then compares and discusses the key technologies of 4G and 5G communication in full duplex communication，coding and modulation，MIMO technology and software radio technology，and comprehensively analyses and summarizes the similarities and differences of the key technologies of 4G and 5G.

Keywords：5G communication;full duplex communication;MIMO technology;software radio

0? 引? 言

目前，移動通信技術以4G為主，兼具部分3G應用?，F有移動通信技術經歷了從2G、3G到4G的發展，隨著5G標準制定的完成，今后一段時間5G將會逐漸成為通信公司、運營商及用戶重點關注對象[1]。伴隨著智能手機等移動終端的不斷完善和普及，5G移動通信技術將獲得巨大的提高和進步，本文將分析和討論4G與5G所涉及的相關關鍵技術，并進行比較和探討。

1? 4G移動通信技術及特點

4G為第四代移動通信技術的簡稱，主要指第四代移動通信標準，主要包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式[2]。通信速度的提高有利的支持了圖像、聲音、視頻和動畫多媒體產品在移動端的應用，為用戶提供了更加全面和方便的移動端體驗。它的主要關鍵技術包括：

1.1? 正交頻分復用與多址接入

正交頻分復用（OFDM）是一種在無線通信環境下的高速數據傳輸技術[3]。它將信道在頻域內劃分成許多相互正交的子信道，且每個子信道傳輸一個子載波，各子載波之間可以并行工作，進而可以采用多址方式進行接入。這種多信道傳輸模式最大限度的降低了傳輸碼的相互干擾，且子信道帶寬較窄，更加有利于信道之間的均衡。但是多子信道的劃分也降低了信道整體的傳輸效率。

1.2? 高效編碼及調制技術

2G以語音傳輸技術為核心，只能提供文字類的短信息進行數據傳遞，3G以蜂窩移動通訊技術為核心可支持高速數據通信，而4G通訊技術將通信速度提升了幾個數量級，能夠滿足更多多媒體數據（如視頻）的流暢、高速傳輸[4]。數據傳輸量的提高，必然會推動數據編碼和調制技術的進步。4G移動通信中，如級連碼、Turbo碼等。在調制技術上分為正交頻分復用和自適應均衡調制等。

1.3? 多輸入多輸出（MIMO）技術

MIMO技術利用空間分集技術，采用多發射、多接收天線技術進行分立式數據傳輸[5]。本質上，MIMO是一種并行傳輸方案，在不考慮信道容錯率的情況下，該技術可以成倍提高通信速度。如前所述，4G正是采用正交頻分復用進行信號調制，因此更加有利于MIMO方式傳輸。它能極大的提高信道利用率和傳輸容量，并且通過子信道提高傳輸系統的干擾和噪聲影響。

1.4? 智能天線與軟件無線電技術

智能天線利用數字信號處理技術，將數字信號進行空間定向傳輸，可以將天線波束直接對準用戶，完成信號直達傳輸。它能夠最大限度抑制信號間的干擾，并具有自動跟蹤接收端和定向波束調節等智能處理手段[6]。眾所周知，相較于軟件更新，硬件更新的成本和周期更長，4G允許在通用硬件平臺上進行軟件技術開發，軟件無線電技術應運而生。它以軟件加載的方式，通過開放式結構、用軟件對4G傳輸中的規則、信號流、信源編碼與糾錯、調制解調等關鍵技術進行開發編碼[7]。在保證服務質量的前提下，提高了4G網路的靈活性和多樣性。

2? 5G移動通信技術及4G、5G比較分析

作為第五代移動通信技術，5G網絡的理論峰值數據傳輸速度可達每秒數十GB，相較于4G網絡其傳輸速度提高了數百倍。這可以保證在移動終端應用3D影像、游戲等高數據傳輸量信息的應用[8]。

2.1? 全雙工通信及接入技術

4G網絡采用頻分復用技術可以實現雙向鏈路的傳輸、提高信道傳輸速率，但是不能同時同頻的進行全雙工數據傳輸。而5G網絡將應用同時同頻全雙工技術，它可以實現終端設備在同一時間和同一頻段上的信號發送與接收。理論上其頻譜利用率可提高一倍。但是隨之也伴隨著信號干擾和噪聲的影響，這也是5G商用的一個難點問題[9]。無論如何，5G通信已經逐漸由實驗研究階段進入具體部署階段，其高速傳輸技術必然會優于4G網絡。

2.2? 5G編碼及調制技術

前文已經介紹了4G編碼及調制技術，與傳統有線網絡類似，傳輸速率的提高也必然需要編碼及調制技術的變革。目前5G中討論的編碼方案有：數據信道中采用的Flexible LDPC編碼方案，控制信道中采用的Polar編碼方案等。在調制模式方面有FBMC、NR等模式。所有這些編碼及調制技術的更新和進步，不僅是4G到5G的進步和必然要求，也為滿足用戶體驗感的提升有重大作用。

2.3? 5G中的MIMO技術

4G中已經采用了MIMO技術，這種多輸入多輸出的天線模式提升了通信系統的頻譜利用率，且能夠擴充無線網絡容量，提高信道傳輸的安全性。但是多天線技術對于發送端和接收端的空間占用率比較大，因此在4G網絡中發送和接收端的天線數量有限，這極大的限制了MIMO技術的應用。

5G網絡MIMO的應用將趨向于大規模輸入輸出天線的部署，而4G網路MIMO的應用已接近時間與頻率的理論極限。5G無線技術將進一步利用空間維度，通過向不同方向發射嚴格聚集的信號，充分利用給定頻率頻繁多次進行發送。同時在發送和接收將聚合更多的天線組，以支持更多的數據量傳輸。而且波束組合與成形技術需要進一步提高，波束傳輸路徑需要進一步優化并降低信號的干擾和噪聲。

2.4? 5G軟件無線電平臺及頻譜共享

4G網絡已經開始應用軟件無線電技術，通過軟件編碼彌補硬件更新和靈活性的不足，隨著5G網絡對于傳輸性能要求的提高，其軟件無線電技術也將不斷進步[10]。5G軟件無線電技術領域也出現了NI等一批開發公司，他們將在基站和終端用戶中開發更多的適應于5G網絡的無線電軟件，進一步提高5G應用的靈活性。硬件頻譜的劃分和利用都有理論極限，軟件無線電技術提供了通過軟件技術提升頻譜利用率和頻譜共享的有效手段。

3? 結? 論

本文分析和比較了4G與5G相關關鍵技術，從4G到5G的過渡不僅僅是傳輸速度的提高，它對無線通信網絡各個環節都提出了更高的要求，因此5G技術將需要更多技術手段的支撐。它在全雙工通信、編碼及調制技術、大規模MIMO技術和軟件無線電技術方面都將越來越完善。

參考文獻：

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[3] 蒲懷果，王洪梅，王永祥.正交頻分復用技術在4G移動通信中的應用 [J].電子技術與軟件工程，2015（17）：35.

[4] 馬小偉，張輝.4G移動通信系統的研究進展與關鍵技術 [J].信息通信，2016（10）：244-245.

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[6] 王亞軍，張艷.4G通信中的關鍵技術之智能天線技術 [J].信息通信，2015（1）：213-215.

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[9] 朱國暉，劉濤，楊晶晶.5G全雙工D2D通信系統中的最優功率控制方案 [J].計算機應用研究，2017，34（12）：3771-3774.

[10] 劉戰超.基于軟件無線電平臺的LTE頻譜效率分析 [D].北京：北京郵電大學，2017.