4G與5G網絡有哪些差別

一、幀結構比較

4G和5G相同之處

• 幀和子幀長度均為：10ms和1ms。
• 最小排程機關資源：RB

　　

4G和5G不同之處

1)；子載波寬度

• 4G：固定為15kHz。
• 5G：多種選擇，15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz，且一個5G幀中可以同時傳輸多種子載波帶寬。

　　

2)； 最小排程機關時間

• 4G：TTI， 1毫秒；
• 5G：slot ，1/32毫秒~1毫秒，取決于子載波帶寬。
• 此外5G新增mini-slot，最少隻占用2個符号。

　　

3)；每子幀時隙數（符号數）

• 4G：每子幀2個時隙，普通CP，每時隙7個符号。
• 5G：取決于子載波帶寬，每子幀1-32個時隙，普通CP每時隙14個符号。
• 4G的排程機關是子幀（普通CP含14個符号）；5G排程機關是時隙（普通CP含14個符号）。

　　

5G設計理念分析

1)；時頻關系

• 基本原理：子載波寬度和符号長度之間是倒數關系，寬子載波短符号，窄子載波長符号；
• 表現：總帶寬固定時，時頻二維組成的RE資源數固定，不随子載波帶寬變化，吞吐量也是一樣的。

　　

2);減少時延

• 選擇寬子載波，符号長度變短，而5G排程固定為1個時隙（12/14個符号），排程時延變短。
• 當選擇最大子載波帶寬時候，單次排程從1毫秒（15kHz）降低到了1/32毫秒（480kHz），更利于URLLC業務。

　　

5G子載波帶寬比較

1)；覆寫：窄子載波好

• 業務、公共信道：小子載波帶寬，符号長度長，CP的長度就唱，抗多徑帶來的符号間的幹擾能力強。
• 公共信道：例如PUCCH、PRACH需要在一個RB上傳完，小子載波每RB帶寬也小，上行功率密度高。

　　

2)；開銷：窄子載波好

• 排程開銷：對于大載波帶寬，每幀中需要排程的slot機關會多，排程開銷增大。

3)；時延：寬子載波好

• 最小排程時延：大子載波帶寬，符号長度小，最小排程機關slot占用時間短，最短1/32毫秒。

　　

4)；移動性：寬子載波好

• 多普勒頻移忍受度：在頻移一定情況，大帶寬影響度小，子載波間幹擾小。

　　

5)；處理複雜度：寬子載波好

• FFT處理複雜度：例如15kHz時，優于FFT多，裝置隻能支援到275個RB（50MKz）。

　　

5G常用子載波帶寬

1)；C-Band

• eMBB：目前推薦使用30kHz。
• URLLC：寬子載波帶寬。

　　

自包含

• 4G：單子幀要麼隻有下行，要麼隻有上行（特殊子幀除外），下行子幀傳完後，才傳上行子幀，3：1的比例下，下行發送開始3ms後，才開始發送上行回報，時延比較大。
• 5G：在每個時隙裡面都引入與數傳方向相反方向的控制信道，可以做到快速回報降低（下行回報時延和上行排程時延），例如30kHz時候，回報可以做到0.5ms機關，其它大子載波帶寬，可以做到更小時延。

　　

二、TDD的上下行配比

1.TDD分析

1)、優勢

• 資源适配：按照網絡需求，調整上下行資源配比。
• 更好的支援BF：上下行同頻互異性，更好的支援BF。

　　

2)、劣勢

• 需要GPS同步：需要嚴格的時間同步。
• 開銷：上下行轉換需要一個GAP，資源浪費。
• 幹擾：容易産生站間幹擾，例如TDD比例不對齊，超遠幹擾等。

　　

2.從TDD-LTE看5G

• TDD比例無創新：LTE和5G在TDD比例設計上都差不多，上下行比例可調。
• 動态TDD短時間不太可能：同一張網絡隻能一個TDD比例，否則存在嚴重的基站間幹擾。
• TDD比例會收斂：從LTE看，初期也是定義了很多的TDD比例，但最終都收斂到了3：1的比例（下行與上行的資源配比），5G應該也會如此。
• 同步：5G營運商之間同步，NR與TDD-LTE之間同步。

　　

三、信道：傳輸高層資訊

1. 公共信道

1) ；下行

a)PCFICH,PHICH

• 4G：有此信道。
• 5G：删除此信道，降低了時延要求。

　　

b)PDCCH

• 4G：無專有解調導頻，不支援BF，不支援多使用者複用，覆寫和容量差；PDCCH在頻域上散列，有頻選增益，但是前向相容不好，例如GL動态共享，需考慮PDCCH如何規避。
• 5G：有專有解調導頻（DMR）、支援BF、支援多使用者複用，覆寫（9db增益）和容量好；PDCCH設定在特定的位置，前向相容性強，想把其中部分頻段拿出來很簡單。

　　

c)廣播信道

• 4G：頻域位置固定，放在帶寬中央，不支援BF。
• 5G：位置靈活可配，前向相容性強，支援BF，覆寫提升9db。

　

2)上行

a)PUCCH

• 4G：排程最小機關RB。
• 5G：排程最小機關符号，可以放在特殊子幀。

　　

2.業務共信道

1)下行PDSCH

• 4G：除LTE MM外無專有導頻，最高調制64QAM。
• 5G：有專有導頻，最高調制256QAM，效率提升33%。

　　

2)上行PUSCH

• 4G：最高調制64QAM。
• 5G：最高調制256QAM，效率提升33%。

　　

四、信号：輔助傳輸，無高層資訊

1.信号類型

• 4G：測量和解調都用共用的CRS（測量RSRP PMI RI.CQI測相位來解調），當然LTE MM（MM：Massive Mimo，多天線技術，下同）有專有導頻與CRS共享。
• 5G：去掉CRS。新增CRI-RS（測量RSRP PMI RI CQI）,并支援BF；新增DMRS解調專用的DMRS（測量相位解調）并支援BF，所有信道都有專有的DMRS，12個端口的DMRS加上空間複用支援最大32流。

　　

2. 對比

1)；覆寫

• 4G：CRS無BF，RSRP差。
• 5G：CRI-RS有BF（BF:Beam Forming，波束賦形，下同），相比LTE RSRP有9db覆寫增益（10*log（8列陣子））。

　　

2)；輕載幹擾

• 4G：輕載幹擾大。無BF，幹擾大一些；時刻發送，即使空載也要在整個小區内發送，對鄰區有幹擾；小區間錯位發送，即使空載無數傳也把鄰區的資料給幹擾了。
• 5G：有BF且窄帶掃描，幹擾小一些；可以隻發送某個子帶，鄰區幹擾小，無數傳的子帶不會幹擾鄰區；鄰區間位置不錯開，無對鄰區的資料RE幹擾。

　　

3)；容量

a)；導頻開銷：差不多

• 4G：每RB中的CRS占16個RE，如果MM的話還有專有導頻RE 12個。
• 5G：每RB中的CSI-RS 2~4個RE，DMRS 12~24個RE。

　　

b)；單使用者容量

• 4G：協定定義了2個端口的DMRS，是以MM的時候單使用者最高2流。
• 5G：定義了12個端口的DMRS，單使用者可以最高支援到協定規定的8流，當然考慮到終端的尺寸限制，實作上估計最高也就在4流的樣子。

　　

五、多址接入

1. 峰值提升9%

• 4G：OFDM帶寬使用率90%，左右各留5%的帶亂作為保護帶。
• 5G：F-OFDM帶寬使用率98.3%(濾波器減少保護帶)。

　　

2. 上行平均提升30%

• 4G：上行使用單載波技術。優勢：因為PAPR低，發射功率高，在邊緣覆寫好；劣勢：因為是單載波，單使用者資料必須在連續的RB上傳輸，容易造成RB數不夠傳輸一個使用者資料而浪費；使用者配對是1對1的，如兩個使用者需要的資源不一樣大，就造成浪費。
• 5G：使用單載波多載波自适應。邊緣使用者使用單載波，覆寫好；中近點使用者使用多載波，使用者可以1對多配對，使用者配對效率高，資源使用率高；使用者資源配置設定可以用不連續的RB資源，有頻選增益，以及可以完全利用零散的RB資源。

　　

六、信道編碼

• 4G：業務信道Turbo，控制信道卷積碼、塊編碼以及重複編碼。
• 5G：LDPC碼-業務信道，大資料塊傳輸速率高，解調性能好，功耗低；Polar碼-控制信道，小資料塊傳輸，解調性能好，覆寫提升1dB。

　　

七、BF權值生成

• 4G：TM7/8終端：基于終端發射SRS，基站根據SRS計算權值；TM9終端（R10版本及以上）：終端發射SRS基站計算權值（中近點）與終端根據CRS計算PMI（遠點）自适應。
• 5G：終端發射SRS基站計算權值（中近點）與終端根據CRS計算PMI（遠點）自适應；SRS需要全帶寬發射，在邊緣的時候因收集功率有限，到達基站時候可能已經無法識别了，而PMI制式一個index，隻需要1~2個RB就可以發給基站了，覆寫效果好。

　　

八、上下行轉換

• 4G：每個幀（5ms/10ms）上下行轉換一次，時延大。
• 5G：更大的載波帶寬以及自包含時隙，實作快速回報，時延小。

　　

九、大帶寬

• 4G：最大支援20MHZ；
• 5G：最大支援100MHZ（C波段），400MHZ（毫米波）；

　　

十、載波聚合

• 4G：8CC；
• 5G：16CC；

　　

十 一、5G相比4G容量增強

1. 下行

1)；MM：持平

• 5G最關鍵的技術，大幅度提升頻譜效率；LTE也有MM，從LTE經驗看，MM的頻譜效率大概是2T2R的5倍左右

　　

2)；F-OFDM：提升9%

• 5G的帶寬使用率提升了9%；

　　

3)；1024QAM：<5%

• 峰值提升25%；但是考慮到現網中很難進入1024QAM，預估平均吞吐量增益小于5%；

　

4)；LDPC：不清楚

5)；更精确的回報：20%~30%

• 終端SRS在終端四個天線輪發，基站擷取終端的全部4個信道的資訊，而使單使用者多流以及多使用者之間的MIMO排程與協調更優；SRS與PMI自适應，在邊緣SRS不準時，使用PMI是的BF效果相比LTE更優。

　　

6)；開銷：基本持平

• 5G在減少CRS的同時，其實是增加了CRI-RS和DMRS，較少和增加的開銷一緻，不能說CRS free後，相對于LTE開銷減少了。CRS free其實是為了減少輕載時的幹擾。

　

7) ；Slot聚合：10%

• 4G：每兩個slot都要發送DCI Grant資訊。
• 5G：多個slot聚合，隻發送一個DCI Grant資訊，開銷小。

　　

2. 上行

1)；MM：持平

2)；單、多載波自适應：30%

• 使用者一對多不對齊配對，RB不連續配置設定；

3)；LDPC：未知

十二、5G相比4G覆寫增強

1.  下行

1)LDPC：未知

2)功率：2dB

• LTE功率120w，5G功率200W。

　　

2. 上行

1)LDPC：未知

2) 上下行解耦：11dB+

　　

十三、5G相比4G時延增強

1. 短TTI

• 5G最短排程時長由LTE的1ms縮短到最短1/32毫秒。

　　

2.自包含

• 把上下行回報時長間隔縮短到單個slot裡面，最短1/32毫秒内。

　　

3. 上行免授權

• 上行免授權接入，減少時延。

　　

4. 搶占傳輸

• URLLC搶占資源。

　　

• 終端處理DMRS需要一定的時間。

• 選取幾個符号作為傳輸排程機關，将排程時延進一步壓縮。