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5G与4G网络对比分析综述

　 5G与4G网络对比分析综述
　【摘要】 目前，在4G网络大规模商用的同时，我国也在积极全面推进5G网络的发展。为进一步深入的了解了5G网络，本文从介绍4G与5G的概念入手，对5G和4G网络的关键技术、关键能力和主要应用场景等方面内容进行了对比分析，并在此基础上，展望了5G网络的最新发展情况。
　　【关键词】 5G 4G 移动互联网 物联网
　　一、引言
　　随着用户需求的持续增长、移动互联网的飞速发展、以及越来越多智能设备的出现，未来移动通信网络不但面临着超千倍的数据流量增长需求，海量的设备连接需求，而且在超高清视频、虚拟现实、增强现实、智能穿戴、智能家居、智能抄表、智能交通等各个领域都会产生极大的通信需求。而目前的4G网络已无法满足这些需求，因此第五代移动通信（5G）技术应运而生。
　　二、4G与5G概念
　　4G，即第四代移动通信技术，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，以正交频分多址（OFDMA）技术为核心，用户峰值速率可达 100Mbps至1Gbps，是一种宽带接入和分布式的全IP架构网络，能够支持各种移动宽带数据业务。
　　5G是4G之后的延伸，是对现有的无线通信技术的演进，5G 更强调用户体验速率，将达到Gbps量级。
　　和4G相比，其最大的变化在于，其服务的对象从过去的人与人之间的通讯，增加了人与物、物与物之间的互联，实现全连接。
　　我国 IMT-2020（5G）推进组发布的5G概念白皮书认为，综合5G关键能力与核心技术，5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。
　　其中，标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。
　　三、5G与4G关键技术及关键能力对比
　　3.1 关键技术对比
　　和4G相比，5G的关键技术在空口、架构等多个方面均有创新，无线网络发展潜力巨大。4G和5G的主要关键技术对比如下表：
　　对于5G的关键技术，还可进一步细化归纳大规模天线、超密集组网全频谱接入、新型多址、新型多载波、先进调制编码、 终端直通技术、灵活双工、全双工、频谱共享等十大关键技术，简要介绍如下：
　　大规模天线：较4.5G更大规模的Massive MIMO，天线数目进一步增加，从而改善接收信号强度，抑制用户间干扰，实现更高的系统容量和频谱效率；
　　超密集组网：通过更加“密集化”无线网络基础设施部署，获取更高的频率复用效率；
　　全频谱接入：采用低频和高频混合网络，充分挖掘低频和高频的优势，实现无缝、高速、大容量覆盖；
　　新型多址：通过多用户信息在相同资源上的叠加传输，在接收侧利用先进的接收算法分离多用户信息，代表为SCMA、PDMA和MUSA等
　　新型多载波：通过滤波减小子带或子载波频谱泄漏，放松对时频同步的要求，如F-OFDM和UFMC等；
　　先进调制编码：包括链路级调制编码、链路自适应、网络编码等，用以降低节点间干扰；
　　终端直通技术：实现车车/车路/车人的车联网通信；
　　灵活双工：根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提升系统资源利用率；
　　全双工：消除FDD和TDD对频谱资源使用的差异，包括自干扰信号抑制、全双工网络架构以及同半双工体制共存及化等；
　　频谱共享：跨越不同系统的最优动态频谱配置和管理功能，实现高效、动态的、灵活的频谱使用，提升空口效率、系统覆盖层次和密度。
　　32 关键能力对比
　　与以往的移动通信系统主要强调用户峰值速率不同，5G关键性能指标更加丰富，除用户峰值速率外，还包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度和移动性等。其中用户体验速率是 5G 最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。和4G相比，5G具备更高的性能，5G与4G关键能力对比分析如下表2。
　　此外，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G，频谱效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。
　　四、5G与4G主要应用场景对比
　　4G移动通信技术主要聚焦于移动宽带应用场景，提供增强型的系统容量以及更高的数据传输速率。而随着各类高带宽应用（比如移动视频）的“涌”现，5G将会进一步增强人们的移动宽带应用使用体验。此外，5G也将大力发展IoT（物联网）应用、机器到机器通信或以机器为中心的通信。
　　面向未来，移动互联网和物联网业务将成为5G发展的主要驱动力。我国 IMT-2020（5G）推进组从移动互联网和物联网的主要应用场景、业务需求及挑战出发，定义了 5G的四个主要的应用场景：连续广覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。
　　4.1 移动互联网业务应用场景
　　5G 的四个主要的应用场景中，连续广域覆盖和热点高容量场景主要面向移动互联网业务需求，也是传统的 4G 主要应用场景其中连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验；而热点高容量场景主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。5G网络和4G网络在这两类场景中的主要区别在于，5G可提供更高的数据传输速率，满足更高的流量密度需求，对比如下：
　　4.2 物联网业务应用场景
　　物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。5G 的四个主要的应用场景中，低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。
　　五、结束语
　　在4G网络大规模商用的同时，我国也在积极全面推进5G网络的发展。目前，5G技术研发试验工作已完成，技术方案验证工作已在有条不紊的推进中，未来还将启动5G试验网部署，验证5G系统组网性能，力争在2020年可实现5G网络商用。虽然在5G网络发展过程中，由于5G新业务、新架构、新技术的要求，使得5G网络还面临很多挑战，还有很多难题没有解决，但随着技术、网络的发展，相信这些问题都会迎刃而解，未来我们将进入万物互联、生活云端化以及智能交互的美好新时代。
　　参 考 文 献
　　[1] IMT-2020（5G）推进组，5G愿景与需求白皮书，2014年5月
　　[2] IMT-2020（5G）推进组，5G概念白皮书，2015年2月
　　[3] IMT-2020（5G）推进组，5G无线技术架构白皮书，2015年5月
　　[4] 曾剑秋，5G移动通信技术发展与应用趋势，电信工程技术与标准化，2017年第2期