一文了解4G与5G的区别

一、帧结构比较

4G和5G相同之处

帧和子帧长度均为：10ms和1ms。

最小调度单位资源：RB

4G和5G不同之处

1）；子载波宽度

4G：固定为15kHz。

5G：多种选择，15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz，且一个5G帧中可以同时传输多种子载波带宽。

2）； 最小调度单位时间

4G：TTI， 1毫秒；

5G：slot ，1/32毫秒~1毫秒，取决于子载波带宽。

此外5G新增mini-slot，最少只占用2个符号。

3）；每子帧时隙数（符号数）

4G：每子帧2个时隙，普通CP，每时隙7个符号。

5G：取决于子载波带宽，每子帧1-32个时隙，普通CP每时隙14个符号。

4G的调度单位是子帧（普通CP含14个符号）；5G调度单位是时隙（普通CP含14个符号）。

5G设计理念分析

1）；时频关系

基本原理：子载波宽度和符号长度之间是倒数关系，宽子载波短符号，窄子载波长符号；

表现：总带宽固定时，时频二维组成的RE资源数固定，不随子载波带宽变化，吞吐量也是一样的。

2）;减少时延

选择宽子载波，符号长度变短，而5G调度固定为1个时隙（12/14个符号），调度时延变短。

当选择最大子载波带宽时候，单次调度从1毫秒（15kHz）降低到了1/32毫秒（480kHz），更利于URLLC业务。

5G子载波带宽比较

1）；覆盖：窄子载波好

业务、公共信道：小子载波带宽，符号长度长，CP的长度就唱，抗多径带来的符号间的干扰能力强。

公共信道：例如PUCCH、PRACH需要在一个RB上传完，小子载波每RB带宽也小，上行功率密度高。

2）；开销：窄子载波好

调度开销：对于大载波带宽，每帧中需要调度的slot单位会多，调度开销增大。

3）；时延：宽子载波好

最小调度时延：大子载波带宽，符号长度小，最小调度单位slot占用时间短，最短1/32毫秒。

4）；移动性：宽子载波好

多普勒频移忍受度：在频移一定情况，大带宽影响度小，子载波间干扰小。

5）；处理复杂度：宽子载波好

FFT处理复杂度：例如15kHz时，优于FFT多，设备只能支持到275个RB（50MKz）。

5G常用子载波带宽

1）；C-Band

eMBB：当前推荐使用30kHz。

URLLC：宽子载波带宽。

自包含

4G：单子帧要么只有下行，要么只有上行（特殊子帧除外），下行子帧传完后，才传上行子帧，3：1的比例下，下行发送开始3ms后，才开始发送上行反馈，时延比较大。

5G：在每个时隙里面都引入与数传方向相反方向的控制信道，可以做到快速反馈降低（下行反馈时延和上行调度时延），例如30kHz时候，反馈可以做到0.5ms单位，其它大子载波带宽，可以做到更小时延。

二、TDD的上下行配比

1.TDD分析

1）、优势

资源适配：按照网络需求，调整上下行资源配比。

更好的支持BF：上下行同频互异性，更好的支持BF。

2）、劣势

需要GPS同步：需要严格的时间同步。

开销：上下行转换需要一个GAP，资源浪费。

干扰：容易产生站间干扰，例如TDD比例不对齐，超远干扰等。

2.从TDD-LTE看5G

TDD比例无创新：LTE和5G在TDD比例设计上都差不多，上下行比例可调。

动态TDD短时间不太可能：同一张网络只能一个TDD比例，否则存在严重的基站间干扰。

TDD比例会收敛：从LTE看，初期也是定义了很多的TDD比例，但最终都收敛到了3：1的比例（下行与上行的资源配比），5G应该也会如此。

同步：5G运营商之间同步，NR与TDD-LTE之间同步。

三、信道：传输高层信息

1. 公共信道

1） ；下行

a）PCFICH，PHICH

4G：有此信道。

5G：删除此信道，降低了时延要求。

b）PDCCH

4G：无专有解调导频，不支持BF，不支持多用户复用，覆盖和容量差；PDCCH在频域上散列，有频选增益，但是前向兼容不好，例如GL动态共享，需考虑PDCCH如何规避。

5G：有专有解调导频（DMR）、支持BF、支持多用户复用，覆盖（9db增益）和容量好；PDCCH设置在特定的位置，前向兼容性强，想把其中部分频段拿出来很简单。

c）广播信道

4G：频域位置固定，放在带宽中央，不支持BF。

5G：位置灵活可配，前向兼容性强，支持BF，覆盖提升9db。

2）上行

a）PUCCH

4G：调度最小单位RB。

5G：调度最小单位符号，可以放在特殊子帧。

2.业务共信道

1）下行PDSCH

4G：除LTE MM外无专有导频，最高调制64QAM。

5G：有专有导频，最高调制256QAM，效率提升33%。

2）上行PUSCH

4G：最高调制64QAM。

5G：最高调制256QAM，效率提升33%。

四、信号：辅助传输，无高层信息

1.信号类型

4G：测量和解调都用共用的CRS（测量RSRP PMI RI.CQI测相位来解调），当然LTE MM（MM：Massive Mimo，多天线技术，下同）有专有导频与CRS共享。

5G：去掉CRS。新增CRI-RS（测量RSRP PMI RI CQI），并支持BF；新增DMRS解调专用的DMRS（测量相位解调）并支持BF，所有信道都有专有的DMRS，12个端口的DMRS加上空间复用支持最大32流。

2. 对比

1）；覆盖

4G：CRS无BF，RSRP差。

5G：CRI-RS有BF（BF:Beam Forming，波束赋形，下同），相比LTE RSRP有9db覆盖增益（10*log（8列阵子））。

2）；轻载干扰

4G：轻载干扰大。无BF，干扰大一些；时刻发送，即使空载也要在整个小区内发送，对邻区有干扰；小区间错位发送，即使空载无数传也把邻区的数据给干扰了。

5G：有BF且窄带扫描，干扰小一些；可以只发送某个子带，邻区干扰小，无数传的子带不会干扰邻区；邻区间位置不错开，无对邻区的数据RE干扰。

3）；容量

a）；导频开销：差不多

4G：每RB中的CRS占16个RE，如果MM的话还有专有导频RE 12个。

5G：每RB中的CSI-RS 2~4个RE，DMRS 12~24个RE。

b）；单用户容量

4G：协议定义了2个端口的DMRS，因此MM的时候单用户最高2流。

5G：定义了12个端口的DMRS，单用户可以最高支持到协议规定的8流，当然考虑到终端的尺寸限制，实现上估计最高也就在4流的样子。

五、多址接入

1. 峰值提升9%

4G：OFDM带宽利用率90%，左右各留5%的带乱作为保护带。

5G：F-OFDM带宽利用率98.3%（滤波器减少保护带）。

2. 上行平均提升30%

4G：上行使用单载波技术。优势：因为PAPR低，发射功率高，在边缘覆盖好；劣势：因为是单载波，单用户数据必须在连续的RB上传输，容易造成RB数不够传输一个用户数据而浪费；用户配对是1对1的，如两个用户需要的资源不一样大，就造成浪费。

5G：使用单载波多载波自适应。边缘用户使用单载波，覆盖好；中近点用户使用多载波，用户可以1对多配对，用户配对效率高，资源利用率高；用户资源分配可以用不连续的RB资源，有频选增益，以及可以完全利用零散的RB资源。

六、信道编码

4G：业务信道Turbo，控制信道卷积码、块编码以及重复编码。

5G：LDPC码-业务信道，大数据块传输速率高，解调性能好，功耗低；Polar码-控制信道，小数据块传输，解调性能好，覆盖提升1dB。

七、BF权值生成

4G：TM7/8终端：基于终端发射SRS，基站根据SRS计算权值；TM9终端（R10版本及以上）：终端发射SRS基站计算权值（中近点）与终端根据CRS计算PMI（远点）自适应。

5G：终端发射SRS基站计算权值（中近点）与终端根据CRS计算PMI（远点）自适应；SRS需要全带宽发射，在边缘的时候因收集功率有限，到达基站时候可能已经无法识别了，而PMI制式一个index，只需要1~2个RB就可以发给基站了，覆盖效果好。

八、上下行转换

4G：每个帧（5ms/10ms）上下行转换一次，时延大。

5G：更大的载波带宽以及自包含时隙，实现快速反馈，时延小。

九、大带宽

4G：最大支持20MHZ；

5G：最大支持100MHZ（C波段），400MHZ（毫米波）；

十、载波聚合

4G：8CC；

5G：16CC；

十 一、5G相比4G容量增强

1. 下行

1）；MM：持平

5G最关键的技术，大幅度提升频谱效率；LTE也有MM，从LTE经验看，MM的频谱效率大概是2T2R的5倍左右

2）；F-OFDM：提升9%

5G的带宽利用率提升了9%；

3）；1024QAM：《5%

峰值提升25%；但是考虑到现网中很难进入1024QAM，预估平均吞吐量增益小于5%；

4）；LDPC：不清楚

5）；更精确的反馈：20%~30%

终端SRS在终端四个天线轮发，基站获取终端的全部4个信道的信息，而使单用户多流以及多用户之间的MIMO调度与协调更优；SRS与PMI自适应，在边缘SRS不准时，使用PMI是的BF效果相比LTE更优。

6）；开销：基本持平

5G在减少CRS的同时，其实是增加了CRI-RS和DMRS，较少和增加的开销一致，不能说CRS free后，相对于LTE开销减少了。CRS free其实是为了减少轻载时的干扰。

7） ；Slot聚合：10%

4G：每两个slot都要发送DCI Grant信息。

5G：多个slot聚合，只发送一个DCI Grant信息，开销小。

2. 上行

1）；MM：持平

2）；单、多载波自适应：30%

用户一对多不对齐配对，RB不连续分配；

3）；LDPC：未知

十二、5G相比4G覆盖增强

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时延增强

1. 短TTI

5G最短调度时长由LTE的1ms缩短到最短1/32毫秒。

2.自包含

把上下行反馈时长间隔缩短到单个slot里面，最短1/32毫秒内。

3. 上行免授权

上行免授权接入，减少时延。

4. 抢占传输

URLLC抢占资源。

5.导频前置

终端处理DMRS需要一定的时间。

6. 迷你时隙

选取几个符号作为传输调度单位，将调度时延进一步压缩。

责任编辑：tzh