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[分享] 4G与5G 无线技术细节对比

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一粒金砂(中级)

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发表于 2020-5-16 15:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

一、帧结构比较

1.4G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

 

2.4G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)。

 

3.5G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。

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

 

4. 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)。

 

5.5G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。

 

6.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,较高调制64QAM。

5G:有专有导频,较高调制256QAM,效率提升33%。

 

2)     上行PUSCH

4G:较高调制64QAM。

5G:较高调制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加上空间复用支持较大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的时候单用户较高2流。

5G:定义了12个端口的DMRS,单用户可以较高支持到协议规定的8流,当然考虑到终端的尺寸限制,实现上估计较高也就在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:较大支持20MHZ;

5G:较大支持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);更较精确的反馈: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。

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