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5G与4G网络的对比分析综述【国研网】

(2017-09-12 15:18:34)
5G与4G网络的对比分析综述 
 
广东省电信规划设计院有限公司 肖育苗 吕亚莉  
发布时间:2017-09-12 
 
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:

5G与4G网络的对比分析综述【国研网】

 


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优化等;

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。

3.2  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。

5G与4G网络的对比分析综述【国研网】


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:

5G与4G网络的对比分析综述【国研网】


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

作者简介:肖育苗,通信技术工程师,PMP,硕士研究生,高级通信项目经理,2005年毕业于华南理工大学电子与信息学院,同年进入广东省电信规划设计院有限公司工作至今,主要从事无线通信工程规划、设计及咨询等工作,长期关注跟踪TD-LTE技术发展和产业化进程;吕亚莉,工程师,华中科技大学电子与通信工程领域工程硕士,就职于广东省电信规划设计院有限公司移动通信咨询设计院,从事无线网络规划设计及咨询工作。
 
《中国新通信》2017年第11期  

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