从专业角度来讲，5G 比 4G 网络网速快的原因是什么？

您好！很高兴能从技术层面为您深入剖析5G网络之所以比4G快的原因。这并非简单的“升级”，而是一系列技术革新和网络架构的根本性改变共同作用的结果。

1. 更广阔的频谱资源：

这是最直观也是最重要的原因。您知道，就像一条马路，车道越多，能容纳的车就越多，通行速度自然越快。在通信领域，频谱就好比马路的“车道”。

4G 主要使用较低频段： 4G LTE 网络主要部署在中低频段，例如700MHz、800MHz、1.8GHz、2.1GHz、2.6GHz等。这些频段的特点是传播损耗小，覆盖范围广，穿透性好，非常适合作为基础覆盖。然而，它们的可用带宽相对有限，这就如同马路的车道数量不够多。
5G 拓展至高频段（毫米波）： 5G 的一个显著突破在于引入了更高频段，特别是3.5GHz以上的C频段（Sub6GHz）以及更广阔的24GHz以上的毫米波（mmWave）频段。
C频段： 提供了比4G更大的连续带宽，例如3.5GHz频段可提供100MHz甚至200MHz的连续带宽，远超4G的20MHz。
毫米波： 这是5G的“超级跑道”。毫米波频段（24GHz以上）拥有非常非常宽的可用带宽，动辄就是几百MHz甚至1GHz。这意味着它可以承载巨大的数据量，提供理论上Gbps级别的超高速率。
为何高频段更快？ 简单来说，高频段可以承载更多信息，并且技术上更容易实现更宽的信道带宽。就像同样的“噪音”环境，高频的“声音”可以更清晰、更丰富。

2. 更先进的调制解调技术：

调制解调技术是把数字信息转换成可以在无线信道上传输的模拟信号，然后再反向转换的过程。技术的进步直接提升了数据传输的效率。

4G 使用 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)： 4G 主要使用了256QAM（256状态正交幅度调制）。简单理解，QAM是一种将信息编码到信号的振幅和相位上的技术。256QAM意味着在一个符号中可以携带8个比特（2的8次方等于256）的信息。
5G 引入 1024QAM： 5G 在某些场景下，特别是信号质量非常好的情况下，可以支持 1024QAM。这意味着一个符号可以携带10个比特（2的10次方等于1024）的信息。每秒传输的符号数相同，但每个符号携带的信息量翻倍，自然网速也大大提升。
更精细的编码： 除了QAM阶数提高，5G还采用了更先进的信道编码技术，如LDPC（LowDensity ParityCheck）码，比4G使用的Turbo码在纠错能力上更强，在相同信噪比下能实现更高的传输速率，或者在相同速率下能接受更低的信噪比。

3. 更先进的天线技术（Massive MIMO）：

天线是无线通信的“嘴巴”和“耳朵”。天线技术的革新对提升网络容量和速度起到了关键作用。

4G MIMO： 4G也使用了MIMO（MultipleInput MultipleOutput）技术，即在基站和终端都使用多根天线，通过多径传播来同时传输多路数据，实现分集增益和空间复用。但4G MIMO天线数量相对有限，比如4T4R（4发4收）是很常见的配置。
5G Massive MIMO： 5G 则将MIMO技术推向了极致，发展为Massive MIMO（大规模多输入多输出）。基站侧的天线数量大幅增加，可以达到几十甚至上百根。
原理： 巨大的天线阵列可以形成非常窄的波束，将信号精确地指向用户设备（UE）。这有几个好处：
空间复用： 允许在同一时间和同一频段内，为多个用户同时提供独立的通信链路，就像同时为多个用户安排专用的“通道”。这极大地提高了频谱的利用率和网络容量。
波束赋形（Beamforming）： 精准的波束可以集中能量，减少信号的散射和干扰，提高信号质量，从而支持更高的调制解调阶数。
减少干扰： 集中能量的窄波束也大大减少了对周围用户的干扰。

4. 更灵活的网络架构与更短的传输时延：

虽然时延不是直接体现在“峰值网速”上，但它对用户体验至关重要，并且与整体数据传输效率密切相关。

更小的传输单元（TTI）： 4G 的一个传输时间间隔（TTI）通常是1毫秒（ms）。5G 将 TTI 缩短到了0.5ms，甚至可以根据需要进一步缩短。这意味着数据可以更频繁地进行传输和调度，提高了系统的响应速度和吞吐量。
网络切片（Network Slicing）： 5G 引入了网络切片技术，可以将物理网络虚拟化为多个逻辑网络，每个切片可以根据不同的应用需求（如超高速率、低时延、大连接）进行定制化设计和优化。这使得5G能够更高效地分配资源，满足多样化的业务需求。
边缘计算（Edge Computing）： 5G 架构更加倾向于将计算和存储能力下沉到网络边缘，靠近用户。这可以大大减少数据传输到核心网再返回的路径，降低时延，也间接提升了数据处理的整体效率。

5. 更高效的编码和多址技术：

OFDM 的演进： 4G 使用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，5G 在此基础上进一步优化，引入了CPOFDM（Cyclic PrefixOFDM）和DFTsOFDM（Discrete Fourier TransformspreadOFDM）相结合的灵活双工模式，可以根据业务需求和信道条件选择更合适的波形，提高频谱效率。
更精细的调度： 5G 的调度算法更加智能和灵活，能够更有效地分配资源，减少资源的浪费。

总结一下，5G 比 4G 快的原因可以概括为：

“马路”更宽（频谱）： 使用了比4G更多、更宽的频谱资源，尤其是高频段。
“开车”技术更高（调制解调）： 采用了更先进的调制解调方式，每个“信号”能装载更多信息。
“司机”更专业（Massive MIMO）： 通过大规模天线技术，实现更精准的信号传输和更高的空间复用率。
“交通管理”更智能（网络架构）： 更短的传输单元、网络切片、边缘计算等技术，提高了整体的传输效率和响应速度。

正是这些多方面的技术革新，使得5G网络在理论和实际应用中都能够提供远超4G的网络速度和连接能力。

网友意见

事实上不是“5G比4G要快“，而是”为了比4G快，提出了5G“。3G以后的每一代无线通信都是先提出目标，然后再考虑系统设计和技术选用。

所以我们可以看看4G与5G所提出关于“快”的定义(目标)分别是什么：

大概可以理解为传输速率快，传输延迟低。

传输速率快

任何对通信数据传输速率的提升都绕不开香农信道容量公式：

那就很容易理解咯，我们在5G也会采用同样的方式来提高数据传输速率: 提升频带宽度和提升信噪比。具体起来就是，

毫米波(提升频带宽度)

更先进的波束赋形(提升信噪比)

超大规模天线，全双工无线(提升频带宽度和信噪比，空域)。

毫米波

1-4代无线通信中采用的300MHz-3GHz频谱有穿透性好，覆盖范围大等优点，但是有一个很重要的缺点： 就是频带宽度太窄了！！这个频段内的无线设备太多了！！频谱已经快分完了。

频谱又不存在负的，所以为了大容量高速率数据传输，只有往3GHz以上寻找可用频谱。

我们往上看看，那就是毫米波频段了(3GHz-300GHz)。毫米波频谱中存在两个特殊部分，氧气吸收频段(57-64GHz)和水蒸气吸收频段(164GHz-200GHz), 这两种频段不能用来通信，所以毫米波频段共有252GHz频带宽度可供使用 (此处应该再强调一下1-4代商用通信全都拥挤在3GHz以下频谱里)。

当然实际上5G是用不了那么多频带的，在各国毫米波频谱划分里，分给5G的毫米波频段宽度大概有3-6GHz，这已经足够把数据传输速率提升10倍左右了。

不过需要强调的是，5G标准需要三种频段，毫米波频段主要负责高速数据传输，目前毫米波的标准还未确定。虽然毫米波已经在雷达，航天和军用通信中都有使用，但是在民用通信中还有很多很多挑战。。这也是当前非常非常火热的无线通信研究方向，在这篇回答里就不深入介绍了。

更先进的波束赋形

4G中的基站天线是定向天线和全向天线混用(谢谢评论区提醒)，5G中由于毫米波覆盖范围窄，路径损耗大，复杂天气影响严重，所以需要通过波束设计完成发射能量聚焦，从而提升接受信号能量，提升信噪比(此处请回忆信道容量公式)，和覆盖范围。

波束赋形后的方向性波束可以帮助提升基站覆盖范围。而且，基站能量会更加有效。

实际上，由于5G中的波束赋形涉及Massive MIMO和毫米波的窄波束用户追踪、小区间波束切换调度和基站的LOS和NLOS问题，会更加困难一些，这同样这是一个很棒的无线通信研究方向。现在学术界很多人在考虑通过在基站覆盖范围内划分扇区，来帮助多天线波束切换。

超大规模天线（Massive MIMO）

无线通信中的多天线系统需要对每个天线赋予权重，才能提高空间分集/或复用增益。而现实情况下，这种算法是非线性的且计算复杂，天线越多越复杂。

但是令人惊奇的是，当天线数目非常非常多的时候，简单的线性预编码就可以很好的逼近最优结果。所以Massive MIMO自从提出就吸引了大量目光。

5G中Massive MIMO可能会有大量应用，不仅仅是大型宏基站，小型的毫米波发射器也有可能会装备Massive MIMO系统，因为毫米波天线波束窄，天线长度短，更适合Massive MIMO应用。

回到话题，Massive MIMO的好处是最大程度利用空域 资源，可以通过波束赋形同时提供多个波束服务小区用户，并可以同时提高用户的信噪比，提升数据传输速率。但是Massive MIMO中预编码，信道估计一直是个难题。

全双工无线电(目前不在Release 15中)

现存所有无线发射装置都是半双工的，半双工的意思是发送信号的同时不能接受信号---否则会干扰自己。（毕竟不是人类，自己说的话暂时还区分不清楚。。。。

全双工无线电就是同时收发信号，这样可以把数据传输速率X2，当然代价是图中的自干扰(红色圆弧)问题，甚至当用户过多时，用户之间的干扰也会X2。5G里的核心网设计是以C-RAN为主，这意味着可以通过中心化调度减轻自干扰，同时可以利用方向性天线，波束赋形，吸收屏蔽(absorptive shielding）和交叉极化(cross-polarization )完成收发机之间的孤立。

这样全双工无线电是可以应用在5G中的。

上述就是5G中的物理层技术进展，联合起来使用，也就是怎么做到“传输速度快”的。

传输延迟低

我们这里说的延迟是round-trip latency，大概可以理解为数据在接入网和核心网中往返所需的总时间。因为无线电的传播速度是相对固定的，无法压缩，所以有两种方法降低：降低信令损耗和压缩网络处理过程。

降低信令损耗的方式就是尽量减少不必要的信令，比如

• 通过全双工技术减少信道估计时间，
• 因为毫米波的多普勒扩展很少，所以可以缩减OFDM信号的CP前缀，压缩OFDM帧长度，
• 通过网格化设计毫米波基站，降低干扰和时延

压缩网络处理，形象理解就是扁平化公司等级，把决策权力下放。这样“向上汇报”次数少了，就会显著降低网络中不必要的开销。这其它答主也有提到。

标准的压缩核心网方式，就是“不经过不必要的处理单元”，换句话是控制结构和数据传输结构分离。当然现在还有很多其他的解决方案。

一种比较好的压缩网络结构思路是现在学术界很火热的“fog computing”雾计算，就是把一些重复性计算工作下放，用无线接入端（基站等）做计算处理单元，这样就可以当做一种另类的“计算缓存”，大大降低网络延迟。

另外一种就是非常正统的，当然也是非常热的研究方向"wireless caching”无线缓存，这种思路是缓存内容，以降低传输延迟。

这些就是5G中的延迟部分进展，主要是MAC层技术，大概在讲怎么有效调度资源，怎么降低时延。

5G中还有其他很多不同的指标，比如“降低能量损耗”，“提高用户服务质量”，“提高小区容量”，这是每一句话都是一个非常大的话题，背后有很多研究所，很多大学都做出了非常棒的工作，其中的每个小领域都有很多人在研究，但是因为跟问题无关我就不仔细介绍了。

所以，您也可以看到，5G是通信产业界和学术界联合运作的结果，标准组织(产业界)提指标，选择合适技术和指导技术方向，研究机构和大学提出解决方案，完善技术路线（当然，时间顺序并不一定是这样的)。如果解决方案中有瑕疵，那么学术界继续完善，最终达到性能指标。

产业和学术一起合力，最后才是完整的5G。

谢谢。

1. Agiwal M, Roy A, Saxena N. Next generation 5G wireless networks: A comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2016, 18(3): 1617-1655.
2. H. Holma, A. Toskala, and J. Reunanen, LTE Small Cell Optimization: 3GPP Evolution to Release 13. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2015.
3. J. G. Andrews et al., “What will 5G be?” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 32, no. 6, pp. 1065–1082, Jun. 2014
4. GSMAIntelligence,“Understanding5G:Perspectivesonfuturetechno- logical advancements in mobile,” White paper, 2014.
5. NTTDocomo,“5Gradioaccess:Requirements,conceptstechnologies,”
   White paper, 2015.
6. Ericsson,“5Gradioaccess,”Whitepaper,2015.
7. Qualcomm Technologies, Inc., “Qualcomm’s 5G vision,” White paper,
   2014.
8. Huawei,“5Gatechnologyvision,”Whitepaper,2013.

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