浅谈从4G到5G的一些变化

5G的覆盖范围不仅限于消费者市场，还拓展到了众多新兴的垂直行业和企业市场。得益于其灵活性和性能的提升，5G为众多工业应用打开了大门。2012年，当研究人员和工程师开始开发5G时，他们开始关注使用场景。

推动新一代无线技术问世的主要动力是频谱资源不足。大多数行业分析师预测，数据流量将爆炸式增长，这将导致现有频谱资源饱和。另一个动力来源于连接设备数量的预期巨幅增长，其中包括用于机器类型通信（MTC）和物联网（IoT）应用的许多新型设备。这种增长带来了一系列4G无法满足的需求。以下是4G和5G在物联网方面的比较。5G的定义形成了一个如今著名的三角形图标，三角形的三边代表了5G的三个主要组成部分。随后，这个三角形被无线行业的许多公司修改、重用和适应。图1总结了5G的三大使用场景。

eMBB：增强型移动宽带。与4G有些相似，但速度更快、容量更大。eMBB支持消费者设备数量的快速增长，并有助于缓解4G网络预期将出现的饱和问题。

URLLC：超可靠低时延通信。URLLC满足工业、医疗、交通和航空等垂直市场领域对低时延和高可靠性的高要求。这些新的使用场景来自传统电信行业之外的利益相关者，如汽车和能源行业。

mMTC：大规模机器类型通信。mMTC支持大量连接对象。虽然这些连接对象不一定需要高数据速率或低时延，但它们有其他苛刻的要求，如超长电池寿命、小尺寸以及几乎任何类型对象都能简单连接的特性。

图1. 原始5G三角形，源自国际电信联盟无线电通信部门建议书M.2083。

随着如此多的使用场景和需求，5G需要具备多功能性，并支持这些通常互不兼容的需求。这些需求是推动5G设计创新的关键因素。

5G所面临的新要求不仅包括一个新的无线（NR）接口。5G还在核心网络原则方面带来了演进：无线和有线系统的融合、新的无线接入网络（RAN）以及新的电信网络核心架构。这些方面超出了本文的范围。

5G设计原则

为了满足三个主要使用场景的需求，5G NR需要比4G更高的灵活性和效率，同时提供更大的容量、更高的速度和更低的时延。香农得出结论，为了提高容量，必须增加带宽或提高信噪比（SINR）。

4G和5G在频谱使用上有所不同。为了增加蜂窝网络的带宽，监管机构希望将频谱从其他用途中重新分配。例如，在美国，以前用于广播电视的频率并未分配给蜂窝网络。而4G主要位于3.8GHz以下，5G则使用6GHz以下（频段1，FR1）和24.25GHz至52.6GHz（FR2）的频段。

在4G中，非授权频谱的使用是在后期开发中通过LTE辅助接入（LAA）和非授权频段中的LTE（LTE-U）引入的。在5G中，非授权频谱的使用在早期就被考虑，并被称为NR-U（新无线非授权）。

更高效的调制方案可以提高频谱效率，从而实现每赫兹传输更多比特。5G使用256 QAM和1024 QAM，这比低阶调制提供了更高的频谱效率。新的波形、多输入多输出（MIMO）天线方案的泛化以及改进的前向纠错（FEC）技术的引入有助于提高SINR。

4G的许多原则在5G中继续沿用。例如，OFDM、OFDMA和MIMO都来自4G，且协议几乎相同。

LTE与5G

由于灵活性被视为满足各种新使用场景需求的必要条件，因此时频网格必须适应不同的数字方案µ（从0到4），对应于OFDM符号的子载波间距（SCS）。数字方案0指的是15kHz的子载波间距（与LTE相同）。数字方案1、2、3和4分别对应30kHz、60kHz、120kHz和240kHz，从而产生不同的时隙持续时间（时隙中的OFDM符号数量保持恒定为14）。表1总结了数字方案。通过这种灵活性，NR帧设计可以适应低时延流量（使用非常短的时隙持续时间），以及各种频段（频率越高，SCS越高）。

表1. 5G NR中的各种数字方案。

4G LTE协议主要处理两种帧结构：FDD和TDD。相比之下，5G NR目前定义了56种时隙格式，它们可以在频分双工（FDD）、时分双工（TDD）或甚至包含下行和上行符号的自包含时隙中运行。这种自包含时隙能够实现空中接口的快速通信，从而最小化传输时间间隔（TTI）。波束成形方面也存在差异。在5G NR中，所有信号都进行波束成形，这提供了更好的覆盖范围并限制了开销（导频仅在需要时传输）。导频结构具有灵活性，能够适应信道特性。前置导频使得信道估计可以首先进行，然后即时解调接收到的数据符号，从而实现更快的解调。

其他创新支持毫米波频段的运行。例如，专用导频如相位参考符号（PRS）可以抵消有害的相位噪声。5G还引入了低密度奇偶校验码（LDPC）作为数据信道的前向纠错码，以及极化码作为控制信道的前向纠错码。虽然极化码相当新颖，但LDPC已经在Wi-Fi中得到应用。虽然NR设计并未引入任何革命性的内容，但它是4G的改进版本。它能够处理比LTE更大的带宽和更高的频段。

5G NR在3GPP中的首次定义是在2017年12月完成的Release 15中提出的。对于该版本，标准化的重点是增强型移动宽带（eMBB）用例，同时为超可靠低时延通信（URLLC）提供了一些支持。3GPP将大规模机器类型通信（mMTC）的解决方案确定为LTE-M和NB-IoT，这些在更早的Release 13中已定义。这引发了关于5G中物联网（IoT）支持的更一般性问题。

5G对物联网的支持

4G LTE引入了机器类型通信（MTC），指的是两个非智能手机对象之间的通信。MTC最初仅考虑用于低数据速率设备和应用，通常称为物联网。5G NR为更复杂、数据速率更高的对象通信打开了大门，这些对象必须满足更严格的延迟和可靠性要求。这对应于国际电信联盟（ITU）三角形中的URLLC一侧（图1）。这些要求更高的对象有时被称为工业物联网或关键物联网对象，以区别于低配置物联网对象，即mMTC。

3GPP于2012年通过Release 8定义了4G LTE，并在后续版本中进行了改进，提高了吞吐量和增加了更多功能。Release 13（2016年）增加了两种专门定义以解决物联网问题的新版本：类别M（LTE-M）和窄带物联网（NB-IoT，类别NB）。前者在常规LTE部署中运行，使用尽可能小的信道大小（1.4 MHz），而后者在180 kHz信道中运行。这使其能够以独立模式部署（通常重用GSM信道），在常规LTE频段内，或在LTE保护频段内。

可以将LTE-M和NB-IoT视为常规LTE的简化版本，其设计目标是低成本、改进的（室内）覆盖范围和非常长的电池寿命。这对于电池供电的物联网应用是必需的，如公用事业仪表、可穿戴设备、报警面板和资产追踪器。LTE-M和NB-IoT的主要设计目标包括：

图2. 蜂窝物联网为每种用例提供解决方案。

我们如何确保所有使用LTE-M、NB-IoT甚至LTE Cat 1的部署对象在未来都能得到支持？在许多应用中，物联网连接对象预计将在现场使用多年（如公用事业仪表），其中一些最初是设计为与4G核心网络一起运行的。5G核心网络带来了改进，特别是在高端服务质量方面，但对低端物联网没有任何特定好处（更成问题的是，Release 15的5G核心网络不支持一些电源优化功能）。针对这个问题有三种选项：

物联网设备可以同时支持4G和5G核心网络，但这会增加成本和复杂性，从而抵消了低成本的优势。

在从4G切换到5G核心网络时，通过无线方式为设备升级新固件，假设网络能够立即过渡，并且尽管带宽有限，但仍有可能通过无线方式上传完整的固件。

网络运营商可以在5G核心网络中继续支持4G核心功能，从而轻松支持旧的LTE设备。

第三个选项是最现实的。

与4G相比，5G NR在延迟和数据速率方面带来了显著改进，这些改进对于满足工厂自动化（工业4.0）、交通、能源或娱乐（包括增强现实和虚拟现实）等垂直市场的严格要求至关重要。这些改进大多是在5G三角形中URLLC（超可靠低时延通信）方面的背景下定义的。

URLLC服务得益于灵活的帧结构（允许非常短的传输时间间隔）、抢占式调度和快速周转的预期重传、免授权传输等。蜂窝连接，特别是在恶劣的工业环境中，与Wi-Fi甚至有线技术相比具有固有优势。Wi-Fi在设计上安全性较低，更易受到干扰，而有线技术的灵活性较差，在工厂布局中更新或更改更加困难。因此，5G将成为工业应用的关键技术，特别是当其作为私有网络部署时，网络所有者拥有完全的网络控制权。

在Release 16中，3GPP引入了一个专门的工作组来解决工业物联网问题。该工作项目[参考文献5]通过增强的分组数据汇聚协议（PDCP，协议栈的上层）复制提高了可靠性，引入了机制来优先处理用户设备（UE）之间和UE内部的流量，以及一种支持时间敏感网络（TSN）的方法。

TSN是由IEEE 802.1组引入的一种技术，用于以太网有线网络，通过将各种设备组件同步到一个主时钟来提供确定性传输。[参考文献7] IEEE定义了确保确定性延迟和同步的机制，3GPP的目标是将这些机制适应到无线和5G世界。

工业物联网及其在3GPP Release 17中随后持续的工作项目（称为增强型工业物联网）补充了URLLC，并有望完全支持关键和工业连接对象最严格的要求。

5G不会取代4G。两者将长期共存，特别是对于物联网的LPWA（低功耗广域网）方面，LTE-M和NB-IoT仍将是首选解决方案。凭借4G LTE和5G NR，3GPP定义了一个统一的工具箱，以支持专业物联网和广泛的应用范围，从非常简单、低数据速率的连接对象到高性能的工业和关键物联网。

4G VS 5G网络参数的差异

说明：

帧长度和子帧长度：4G和5G的帧长度和子帧长度均为10ms和1ms，这是移动通信网络的基本时间单位。子载波间隔（SCS）：5G相比4G提供了多种子载波间隔选择，以适应不同的应用场景和需求。这使得5G网络在灵活性和效率方面优于4G。时隙长度和符号数：5G的时隙长度和符号数根据子载波间隔的不同而有所变化，而4G则固定不变。这使得5G网络在调度和资源分配方面更加灵活。

• 调度单位：4G的调度单位是子帧，而5G的调度单位是时隙。这反映了5G网络在调度和资源分配方面的改进。

最大带宽和载波聚合：5G支持的最大带宽和载波聚合数量均超过4G，这有助于提高数据传输速率和容量。调制方式和编码方式：5G采用了更高级的调制方式和编码方式，以提高数据传输效率和可靠性。MIMO配置和波束赋形：5G支持Massive MIMO和更精确的波束赋形技术，这有助于提高覆盖和容量，并减少干扰。频谱效率：5G的频谱效率相比4G有显著提升，这意味着在相同的频谱资源下，5G可以支持更多的用户和数据传输。用户体验速率、延迟和连接密度：5G在这些方面均优于4G，为用户提供了更好的网络体验和服务质量。移动性支持：5G支持更高的移动速度，这使得它更适合于需要高速移动的应用场景。网络切片：5G支持网络切片技术，这为不同服务和应用提供了定制化的网络体验，而4G则不支持这一功能。