4G与5G关键技术比较分析

郝凤蕾 李淑敬 李鹏

摘  要：4G最大非对称数据传输能力超过2Mbps，相较于3G通信有了较大提高。但随着移动终端多媒体应用的发展，尤其是视频、动画等大容量数据的移动应用，4G网路逐渐不能满足数据传输效果和用户要求。本文首先分析了4G通信技术的相关关键技术，然后在全双工通信、编码及调制、MIMO技术及软件无线电技术方面，对4G和5G通信中的关键技术进行了比较和探讨，全面分析和总结了4G和5G关键技术的异同。

关键词：5G通信;全双工通信;MIMO技术;软件无线电

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A 文章编号：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，移动通信技术以4G为主，兼具部分3G应用。现有移动通信技术经历了从2G、3G到4G的发展，随着5G标准制定的完成，今后一段时间5G将会逐渐成为通信公司、运营商及用户重点关注对象[1]。伴随着智能手机等移动终端的不断完善和普及，5G移动通信技术将获得巨大的提高和进步，本文将分析和讨论4G与5G所涉及的相关关键技术，并进行比较和探讨。

1  4G移动通信技术及特点

4G为第四代移动通信技术的简称，主要指第四代移动通信标准，主要包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式[2]。通信速度的提高有利的支持了图像、声音、视频和动画多媒体产品在移动端的应用，为用户提供了更加全面和方便的移动端体验。它的主要关键技术包括：

1.1  正交频分复用与多址接入

正交頻分复用（OFDM）是一种在无线通信环境下的高速数据传输技术[3]。它将信道在频域内划分成许多相互正交的子信道，且每个子信道传输一个子载波，各子载波之间可以并行工作，进而可以采用多址方式进行接入。这种多信道传输模式最大限度的降低了传输码的相互干扰，且子信道带宽较窄，更加有利于信道之间的均衡。但是多子信道的划分也降低了信道整体的传输效率。

1.2  高效编码及调制技术

2G以语音传输技术为核心，只能提供文字类的短信息进行数据传递，3G以蜂窝移动通讯技术为核心可支持高速数据通信，而4G通讯技术将通信速度提升了几个数量级，能够满足更多多媒体数据（如视频）的流畅、高速传输[4]。数据传输量的提高，必然会推动数据编码和调制技术的进步。4G移动通信中，如级连码、Turbo码等。在调制技术上分为正交频分复用和自适应均衡调制等。

1.3  多输入多输出（MIMO）技术

MIMO技术利用空间分集技术，采用多发射、多接收天线技术进行分立式数据传输[5]。本质上，MIMO是一种并行传输方案，在不考虑信道容错率的情况下，该技术可以成倍提高通信速度。如前所述，4G正是采用正交频分复用进行信号调制，因此更加有利于MIMO方式传输。它能极大的提高信道利用率和传输容量，并且通过子信道提高传输系统的干扰和噪声影响。

1.4  智能天线与软件无线电技术

智能天线利用数字信号处理技术，将数字信号进行空间定向传输，可以将天线波束直接对准用户，完成信号直达传输。它能够最大限度抑制信号间的干扰，并具有自动跟踪接收端和定向波束调节等智能处理手段[6]。众所周知，相较于软件更新，硬件更新的成本和周期更长，4G允许在通用硬件平台上进行软件技术开发，软件无线电技术应运而生。它以软件加载的方式，通过开放式结构、用软件对4G传输中的规则、信号流、信源编码与纠错、调制解调等关键技术进行开发编码[7]。在保证服务质量的前提下，提高了4G网路的灵活性和多样性。

2  5G移动通信技术及4G、5G比较分析

作为第五代移动通信技术，5G网络的理论峰值数据传输速度可达每秒數十GB，相较于4G网络其传输速度提高了数百倍。这可以保证在移动终端应用3D影像、游戏等高数据传输量信息的应用[8]。

2.1  全双工通信及接入技术

4G网络采用频分复用技术可以实现双向链路的传输、提高信道传输速率，但是不能同时同频的进行全双工数据传输。而5G网络将应用同时同频全双工技术，它可以实现终端设备在同一时间和同一频段上的信号发送与接收。理论上其频谱利用率可提高一倍。但是随之也伴随着信号干扰和噪声的影响，这也是5G商用的一个难点问题[9]。无论如何，5G通信已经逐渐由实验研究阶段进入具体部署阶段，其高速传输技术必然会优于4G网络。

2.2  5G编码及调制技术

前文已经介绍了4G编码及调制技术，与传统有线网络类似，传输速率的提高也必然需要编码及调制技术的变革。目前5G中讨论的编码方案有：数据信道中采用的Flexible LDPC编码方案，控制信道中采用的Polar编码方案等。在调制模式方面有FBMC、NR等模式。所有这些编码及调制技术的更新和进步，不仅是4G到5G的进步和必然要求，也为满足用户体验感的提升有重大作用。

2.3  5G中的MIMO技术

4G中已经采用了MIMO技术，这种多输入多输出的天线模式提升了通信系统的频谱利用率，且能够扩充无线网络容量，提高信道传输的安全性。但是多天线技术对于发送端和接收端的空间占用率比较大，因此在4G网络中发送和接收端的天线数量有限，这极大的限制了MIMO技术的应用。

5G网络MIMO的应用将趋向于大规模输入输出天线的部署，而4G网路MIMO的应用已接近时间与频率的理论极限。5G无线技术将进一步利用空间维度，通过向不同方向发射严格聚集的信号，充分利用给定频率频繁多次进行发送。同时在发送和接收将聚合更多的天线组，以支持更多的数据量传输。而且波束组合与成形技术需要进一步提高，波束传输路径需要进一步优化并降低信号的干扰和噪声。

2.4  5G软件无线电平台及频谱共享

4G网络已经开始应用软件无线电技术，通过软件编码弥补硬件更新和灵活性的不足，随着5G网络对于传输性能要求的提高，其软件无线电技术也将不断进步[10]。5G软件无线电技术领域也出现了NI等一批开发公司，他们将在基站和终端用户中开发更多的适应于5G网络的无线电软件，进一步提高5G应用的灵活性。硬件频谱的划分和利用都有理论极限，软件无线电技术提供了通过软件技术提升频谱利用率和频谱共享的有效手段。

3  结  论

本文分析和比较了4G与5G相关关键技术，从4G到5G的过渡不仅仅是传输速度的提高，它对无线通信网络各个环节都提出了更高的要求，因此5G技术将需要更多技术手段的支撑。它在全双工通信、编码及调制技术、大规模MIMO技术和软件无线电技术方面都将越来越完善。

参考文献：

[1] 石炯.5G移动通信及其关键技术发展研究 [J].石家庄学院学报，2015，17（6）：13-15+29.

[2] 马永花.4G移动通信技术应用与发展的展望分析 [J].电子技术与软件工程，2016（6）：37.

[3] 蒲怀果，王洪梅，王永祥.正交频分复用技术在4G移动通信中的应用 [J].电子技术与软件工程，2015（17）：35.

[4] 马小伟，张辉.4G移动通信系统的研究进展与关键技术 [J].信息通信，2016（10）：244-245.

[5] 吴润苗.4G移动通信中的MIMO天线设计与性能研究 [D].成都：电子科技大学，2017.

[6] 王亚军，张艳.4G通信中的关键技术之智能天线技术 [J].信息通信，2015（1）：213-215.

[7] 刘晓巍.试论软件无线电基础下移动通信系统的研究与设计 [J].中国新通信，2018，20（2）：6.

[8] 甄欣.我国5G移动通信的关键技术与发展趋势 [J].工程技术：引文版，2016（11）：00310.

[9] 朱国晖，刘涛，杨晶晶.5G全双工D2D通信系统中的最优功率控制方案 [J].计算机应用研究，2017，34（12）：3771-3774.

[10] 刘战超.基于软件无线电平台的LTE频谱效率分析 [D].北京：北京邮电大学，2017.