4G與5G關(guān)鍵技術(shù)比較分析

郝鳳蕾 李淑敬 李鵬

摘? 要：4G最大非對(duì)稱數(shù)據(jù)傳輸能力超過2Mbps，相較于3G通信有了較大提高。但隨著移動(dòng)終端多媒體應(yīng)用的發(fā)展，尤其是視頻、動(dòng)畫等大容量數(shù)據(jù)的移動(dòng)應(yīng)用，4G網(wǎng)路逐漸不能滿足數(shù)據(jù)傳輸效果和用戶要求。本文首先分析了4G通信技術(shù)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，然后在全雙工通信、編碼及調(diào)制、MIMO技術(shù)及軟件無線電技術(shù)方面，對(duì)4G和5G通信中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了比較和探討，全面分析和總結(jié)了4G和5G關(guān)鍵技術(shù)的異同。

關(guān)鍵詞：5G通信;全雙工通信;MIMO技術(shù);軟件無線電

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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，F(xiàn)uyang? 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(dòng)通信技術(shù)以4G為主，兼具部分3G應(yīng)用。現(xiàn)有移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了從2G、3G到4G的發(fā)展，隨著5G標(biāo)準(zhǔn)制定的完成，今后一段時(shí)間5G將會(huì)逐漸成為通信公司、運(yùn)營商及用戶重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[1]。伴隨著智能手機(jī)等移動(dòng)終端的不斷完善和普及，5G移動(dòng)通信技術(shù)將獲得巨大的提高和進(jìn)步，本文將分析和討論4G與5G所涉及的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行比較和探討。

1? 4G移動(dòng)通信技術(shù)及特點(diǎn)

4G為第四代移動(dòng)通信技術(shù)的簡稱，主要指第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)畫多媒體產(chǎn)品在移動(dòng)端的應(yīng)用，為用戶提供了更加全面和方便的移動(dòng)端體驗(yàn)。它的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

1.1? 正交頻分復(fù)用與多址接入

正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種在無線通信環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[3]。它將信道在頻域內(nèi)劃分成許多相互正交的子信道，且每個(gè)子信道傳輸一個(gè)子載波，各子載波之間可以并行工作，進(jìn)而可以采用多址方式進(jìn)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(diào)制技術(shù)

2G以語音傳輸技術(shù)為核心，只能提供文字類的短信息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，3G以蜂窩移動(dòng)通訊技術(shù)為核心可支持高速數(shù)據(jù)通信，而4G通訊技術(shù)將通信速度提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠滿足更多多媒體數(shù)據(jù)（如視頻）的流暢、高速傳輸[4]。數(shù)據(jù)傳輸量的提高，必然會(huì)推動(dòng)數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步。4G移動(dòng)通信中，如級(jí)連碼、Turbo碼等。在調(diào)制技術(shù)上分為正交頻分復(fù)用和自適應(yīng)均衡調(diào)制等。

1.3? 多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)

MIMO技術(shù)利用空間分集技術(shù)，采用多發(fā)射、多接收天線技術(shù)進(jìn)行分立式數(shù)據(jù)傳輸[5]。本質(zhì)上，MIMO是一種并行傳輸方案，在不考慮信道容錯(cuò)率的情況下，該技術(shù)可以成倍提高通信速度。如前所述，4G正是采用正交頻分復(fù)用進(jìn)行信號(hào)調(diào)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(tǒng)的干擾和噪聲影響。

1.4? 智能天線與軟件無線電技術(shù)

智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行空間定向傳輸，可以將天線波束直接對(duì)準(zhǔn)用戶，完成信號(hào)直達(dá)傳輸。它能夠最大限度抑制信號(hào)間的干擾，并具有自動(dòng)跟蹤接收端和定向波束調(diào)節(jié)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(tái)上進(jìn)行軟件技術(shù)開發(fā)，軟件無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它以軟件加載的方式，通過開放式結(jié)構(gòu)、用軟件對(duì)4G傳輸中的規(guī)則、信號(hào)流、信源編碼與糾錯(cuò)、調(diào)制解調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行開發(fā)編碼[7]。在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，提高了4G網(wǎng)路的靈活性和多樣性。

2? 5G移動(dòng)通信技術(shù)及4G、5G比較分析

作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)的理論峰值數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)每秒數(shù)十GB，相較于4G網(wǎng)絡(luò)其傳輸速度提高了數(shù)百倍。這可以保證在移動(dòng)終端應(yīng)用3D影像、游戲等高數(shù)據(jù)傳輸量信息的應(yīng)用[8]。

2.1? 全雙工通信及接入技術(shù)

4G網(wǎng)絡(luò)采用頻分復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)雙向鏈路的傳輸、提高信道傳輸速率，但是不能同時(shí)同頻的進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)傳輸。而5G網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用同時(shí)同頻全雙工技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備在同一時(shí)間和同一頻段上的信號(hào)發(fā)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(hào)干擾和噪聲的影響，這也是5G商用的一個(gè)難點(diǎn)問題[9]。無論如何，5G通信已經(jīng)逐漸由實(shí)驗(yàn)研究階段進(jìn)入具體部署階段，其高速傳輸技術(shù)必然會(huì)優(yōu)于4G網(wǎng)絡(luò)。

2.2? 5G編碼及調(diào)制技術(shù)

前文已經(jīng)介紹了4G編碼及調(diào)制技術(shù)，與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)類似，傳輸速率的提高也必然需要編碼及調(diào)制技術(shù)的變革。目前5G中討論的編碼方案有：數(shù)據(jù)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(diào)制模式方面有FBMC、NR等模式。所有這些編碼及調(diào)制技術(shù)的更新和進(jìn)步，不僅是4G到5G的進(jìn)步和必然要求，也為滿足用戶體驗(yàn)感的提升有重大作用。

2.3? 5G中的MIMO技術(shù)

4G中已經(jīng)采用了MIMO技術(shù)，這種多輸入多輸出的天線模式提升了通信系統(tǒng)的頻譜利用率，且能夠擴(kuò)充無線網(wǎng)絡(luò)容量，提高信道傳輸?shù)陌踩浴５嵌嗵炀€技術(shù)對(duì)于發(fā)送端和接收端的空間占用率比較大，因此在4G網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收端的天線數(shù)量有限，這極大的限制了MIMO技術(shù)的應(yīng)用。

5G網(wǎng)絡(luò)MIMO的應(yīng)用將趨向于大規(guī)模輸入輸出天線的部署，而4G網(wǎng)路MIMO的應(yīng)用已接近時(shí)間與頻率的理論極限。5G無線技術(shù)將進(jìn)一步利用空間維度，通過向不同方向發(fā)射嚴(yán)格聚集的信號(hào)，充分利用給定頻率頻繁多次進(jìn)行發(fā)送。同時(shí)在發(fā)送和接收將聚合更多的天線組，以支持更多的數(shù)據(jù)量傳輸。而且波束組合與成形技術(shù)需要進(jìn)一步提高，波束傳輸路徑需要進(jìn)一步優(yōu)化并降低信號(hào)的干擾和噪聲。

2.4? 5G軟件無線電平臺(tái)及頻譜共享

4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始應(yīng)用軟件無線電技術(shù)，通過軟件編碼彌補(bǔ)硬件更新和靈活性的不足，隨著5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳輸性能要求的提高，其軟件無線電技術(shù)也將不斷進(jìn)步[10]。5G軟件無線電技術(shù)領(lǐng)域也出現(xiàn)了NI等一批開發(fā)公司，他們將在基站和終端用戶中開發(fā)更多的適應(yīng)于5G網(wǎng)絡(luò)的無線電軟件，進(jìn)一步提高5G應(yīng)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(shù)提供了通過軟件技術(shù)提升頻譜利用率和頻譜共享的有效手段。

3? 結(jié)? 論

本文分析和比較了4G與5G相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，從4G到5G的過渡不僅僅是傳輸速度的提高，它對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)環(huán)節(jié)都提出了更高的要求，因此5G技術(shù)將需要更多技術(shù)手段的支撐。它在全雙工通信、編碼及調(diào)制技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)和軟件無線電技術(shù)方面都將越來越完善。

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