淺談從4G到5G的一些變化

5G的覆蓋范圍不僅限于消費(fèi)者市場，還拓展到了眾多新興的垂直行業(yè)和企業(yè)市場。得益于其靈活性和性能的提升，5G為眾多工業(yè)應(yīng)用打開了大門。2012年，當(dāng)研究人員和工程師開始開發(fā)5G時(shí)，他們開始關(guān)注使用場景。

推動(dòng)新一代無線技術(shù)問世的主要?jiǎng)恿κ穷l譜資源不足。大多數(shù)行業(yè)分析師預(yù)測，數(shù)據(jù)流量將爆炸式增長，這將導(dǎo)致現(xiàn)有頻譜資源飽和。另一個(gè)動(dòng)力來源于連接設(shè)備數(shù)量的預(yù)期巨幅增長，其中包括用于機(jī)器類型通信（MTC）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的許多新型設(shè)備。這種增長帶來了一系列4G無法滿足的需求。以下是4G和5G在物聯(lián)網(wǎng)方面的比較。5G的定義形成了一個(gè)如今著名的三角形圖標(biāo)，三角形的三邊代表了5G的三個(gè)主要組成部分。隨后，這個(gè)三角形被無線行業(yè)的許多公司修改、重用和適應(yīng)。圖1總結(jié)了5G的三大使用場景。

eMBB：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶。與4G有些相似，但速度更快、容量更大。eMBB支持消費(fèi)者設(shè)備數(shù)量的快速增長，并有助于緩解4G網(wǎng)絡(luò)預(yù)期將出現(xiàn)的飽和問題。

URLLC：超可靠低時(shí)延通信。URLLC滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通和航空等垂直市場領(lǐng)域?qū)Φ蜁r(shí)延和高可靠性的高要求。這些新的使用場景來自傳統(tǒng)電信行業(yè)之外的利益相關(guān)者，如汽車和能源行業(yè)。

mMTC：大規(guī)模機(jī)器類型通信。mMTC支持大量連接對象。雖然這些連接對象不一定需要高數(shù)據(jù)速率或低時(shí)延，但它們有其他苛刻的要求，如超長電池壽命、小尺寸以及幾乎任何類型對象都能簡單連接的特性。

圖1. 原始5G三角形，源自國際電信聯(lián)盟無線電通信部門建議書M.2083。

隨著如此多的使用場景和需求，5G需要具備多功能性，并支持這些通?；ゲ患嫒莸男枨蟆＿@些需求是推動(dòng)5G設(shè)計(jì)創(chuàng)新的關(guān)鍵因素。

5G所面臨的新要求不僅包括一個(gè)新的無線（NR）接口。5G還在核心網(wǎng)絡(luò)原則方面帶來了演進(jìn)：無線和有線系統(tǒng)的融合、新的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）以及新的電信網(wǎng)絡(luò)核心架構(gòu)。這些方面超出了本文的范圍。

5G設(shè)計(jì)原則

為了滿足三個(gè)主要使用場景的需求，5G NR需要比4G更高的靈活性和效率，同時(shí)提供更大的容量、更高的速度和更低的時(shí)延。香農(nóng)得出結(jié)論，為了提高容量，必須增加帶寬或提高信噪比（SINR）。

4G和5G在頻譜使用上有所不同。為了增加蜂窩網(wǎng)絡(luò)的帶寬，監(jiān)管機(jī)構(gòu)希望將頻譜從其他用途中重新分配。例如，在美國，以前用于廣播電視的頻率并未分配給蜂窩網(wǎng)絡(luò)。而4G主要位于3.8GHz以下，5G則使用6GHz以下（頻段1，F(xiàn)R1）和24.25GHz至52.6GHz（FR2）的頻段。

在4G中，非授權(quán)頻譜的使用是在后期開發(fā)中通過LTE輔助接入（LAA）和非授權(quán)頻段中的LTE（LTE-U）引入的。在5G中，非授權(quán)頻譜的使用在早期就被考慮，并被稱為NR-U（新無線非授權(quán)）。

更高效的調(diào)制方案可以提高頻譜效率，從而實(shí)現(xiàn)每赫茲傳輸更多比特。5G使用256 QAM和1024 QAM，這比低階調(diào)制提供了更高的頻譜效率。新的波形、多輸入多輸出（MIMO）天線方案的泛化以及改進(jìn)的前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)的引入有助于提高SINR。

4G的許多原則在5G中繼續(xù)沿用。例如，OFDM、OFDMA和MIMO都來自4G，且協(xié)議幾乎相同。

LTE與5G

由于靈活性被視為滿足各種新使用場景需求的必要條件，因此時(shí)頻網(wǎng)格必須適應(yīng)不同的數(shù)字方案μ（從0到4），對應(yīng)于OFDM符號的子載波間距（SCS）。數(shù)字方案0指的是15kHz的子載波間距（與LTE相同）。數(shù)字方案1、2、3和4分別對應(yīng)30kHz、60kHz、120kHz和240kHz，從而產(chǎn)生不同的時(shí)隙持續(xù)時(shí)間（時(shí)隙中的OFDM符號數(shù)量保持恒定為14）。表1總結(jié)了數(shù)字方案。通過這種靈活性，NR幀設(shè)計(jì)可以適應(yīng)低時(shí)延流量（使用非常短的時(shí)隙持續(xù)時(shí)間），以及各種頻段（頻率越高，SCS越高）。

表1. 5G NR中的各種數(shù)字方案。

4G LTE協(xié)議主要處理兩種幀結(jié)構(gòu)：FDD和TDD。相比之下，5G NR目前定義了56種時(shí)隙格式，它們可以在頻分雙工（FDD）、時(shí)分雙工（TDD）或甚至包含下行和上行符號的自包含時(shí)隙中運(yùn)行。這種自包含時(shí)隙能夠?qū)崿F(xiàn)空中接口的快速通信，從而最小化傳輸時(shí)間間隔（TTI）。波束成形方面也存在差異。在5G NR中，所有信號都進(jìn)行波束成形，這提供了更好的覆蓋范圍并限制了開銷（導(dǎo)頻僅在需要時(shí)傳輸）。導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)具有靈活性，能夠適應(yīng)信道特性。前置導(dǎo)頻使得信道估計(jì)可以首先進(jìn)行，然后即時(shí)解調(diào)接收到的數(shù)據(jù)符號，從而實(shí)現(xiàn)更快的解調(diào)。

其他創(chuàng)新支持毫米波頻段的運(yùn)行。例如，專用導(dǎo)頻如相位參考符號（PRS）可以抵消有害的相位噪聲。5G還引入了低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）作為數(shù)據(jù)信道的前向糾錯(cuò)碼，以及極化碼作為控制信道的前向糾錯(cuò)碼。雖然極化碼相當(dāng)新穎，但LDPC已經(jīng)在Wi-Fi中得到應(yīng)用。雖然NR設(shè)計(jì)并未引入任何革命性的內(nèi)容，但它是4G的改進(jìn)版本。它能夠處理比LTE更大的帶寬和更高的頻段。

5G NR在3GPP中的首次定義是在2017年12月完成的Release 15中提出的。對于該版本，標(biāo)準(zhǔn)化的重點(diǎn)是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）用例，同時(shí)為超可靠低時(shí)延通信（URLLC）提供了一些支持。3GPP將大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）的解決方案確定為LTE-M和NB-IoT，這些在更早的Release 13中已定義。這引發(fā)了關(guān)于5G中物聯(lián)網(wǎng)（IoT）支持的更一般性問題。

5G對物聯(lián)網(wǎng)的支持

4G LTE引入了機(jī)器類型通信（MTC），指的是兩個(gè)非智能手機(jī)對象之間的通信。MTC最初僅考慮用于低數(shù)據(jù)速率設(shè)備和應(yīng)用，通常稱為物聯(lián)網(wǎng)。5G NR為更復(fù)雜、數(shù)據(jù)速率更高的對象通信打開了大門，這些對象必須滿足更嚴(yán)格的延遲和可靠性要求。這對應(yīng)于國際電信聯(lián)盟（ITU）三角形中的URLLC一側(cè)（圖1）。這些要求更高的對象有時(shí)被稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)對象，以區(qū)別于低配置物聯(lián)網(wǎng)對象，即mMTC。

3GPP于2012年通過Release 8定義了4G LTE，并在后續(xù)版本中進(jìn)行了改進(jìn)，提高了吞吐量和增加了更多功能。Release 13（2016年）增加了兩種專門定義以解決物聯(lián)網(wǎng)問題的新版本：類別M（LTE-M）和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT，類別NB）。前者在常規(guī)LTE部署中運(yùn)行，使用盡可能小的信道大?。?.4 MHz），而后者在180 kHz信道中運(yùn)行。這使其能夠以獨(dú)立模式部署（通常重用GSM信道），在常規(guī)LTE頻段內(nèi)，或在LTE保護(hù)頻段內(nèi)。

可以將LTE-M和NB-IoT視為常規(guī)LTE的簡化版本，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是低成本、改進(jìn)的（室內(nèi)）覆蓋范圍和非常長的電池壽命。這對于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是必需的，如公用事業(yè)儀表、可穿戴設(shè)備、報(bào)警面板和資產(chǎn)追蹤器。LTE-M和NB-IoT的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：

圖2. 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)為每種用例提供解決方案。

我們?nèi)绾未_保所有使用LTE-M、NB-IoT甚至LTE Cat 1的部署對象在未來都能得到支持？在許多應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)連接對象預(yù)計(jì)將在現(xiàn)場使用多年（如公用事業(yè)儀表），其中一些最初是設(shè)計(jì)為與4G核心網(wǎng)絡(luò)一起運(yùn)行的。5G核心網(wǎng)絡(luò)帶來了改進(jìn)，特別是在高端服務(wù)質(zhì)量方面，但對低端物聯(lián)網(wǎng)沒有任何特定好處（更成問題的是，Release 15的5G核心網(wǎng)絡(luò)不支持一些電源優(yōu)化功能）。針對這個(gè)問題有三種選項(xiàng)：

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以同時(shí)支持4G和5G核心網(wǎng)絡(luò)，但這會(huì)增加成本和復(fù)雜性，從而抵消了低成本的優(yōu)勢。

在從4G切換到5G核心網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通過無線方式為設(shè)備升級新固件，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)能夠立即過渡，并且盡管帶寬有限，但仍有可能通過無線方式上傳完整的固件。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以在5G核心網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)支持4G核心功能，從而輕松支持舊的LTE設(shè)備。

第三個(gè)選項(xiàng)是最現(xiàn)實(shí)的。

與4G相比，5G NR在延遲和數(shù)據(jù)速率方面帶來了顯著改進(jìn)，這些改進(jìn)對于滿足工廠自動(dòng)化（工業(yè)4.0）、交通、能源或娛樂（包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)）等垂直市場的嚴(yán)格要求至關(guān)重要。這些改進(jìn)大多是在5G三角形中URLLC（超可靠低時(shí)延通信）方面的背景下定義的。

URLLC服務(wù)得益于靈活的幀結(jié)構(gòu)（允許非常短的傳輸時(shí)間間隔）、搶占式調(diào)度和快速周轉(zhuǎn)的預(yù)期重傳、免授權(quán)傳輸?shù)取７涓C連接，特別是在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，與Wi-Fi甚至有線技術(shù)相比具有固有優(yōu)勢。Wi-Fi在設(shè)計(jì)上安全性較低，更易受到干擾，而有線技術(shù)的靈活性較差，在工廠布局中更新或更改更加困難。因此，5G將成為工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，特別是當(dāng)其作為私有網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，網(wǎng)絡(luò)所有者擁有完全的網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)。

在Release 16中，3GPP引入了一個(gè)專門的工作組來解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)問題。該工作項(xiàng)目[參考文獻(xiàn)5]通過增強(qiáng)的分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP，協(xié)議棧的上層）復(fù)制提高了可靠性，引入了機(jī)制來優(yōu)先處理用戶設(shè)備（UE）之間和UE內(nèi)部的流量，以及一種支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的方法。

TSN是由IEEE 802.1組引入的一種技術(shù)，用于以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)，通過將各種設(shè)備組件同步到一個(gè)主時(shí)鐘來提供確定性傳輸。[參考文獻(xiàn)7] IEEE定義了確保確定性延遲和同步的機(jī)制，3GPP的目標(biāo)是將這些機(jī)制適應(yīng)到無線和5G世界。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其在3GPP Release 17中隨后持續(xù)的工作項(xiàng)目（稱為增強(qiáng)型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）補(bǔ)充了URLLC，并有望完全支持關(guān)鍵和工業(yè)連接對象最嚴(yán)格的要求。

5G不會(huì)取代4G。兩者將長期共存，特別是對于物聯(lián)網(wǎng)的LPWA（低功耗廣域網(wǎng)）方面，LTE-M和NB-IoT仍將是首選解決方案。憑借4G LTE和5G NR，3GPP定義了一個(gè)統(tǒng)一的工具箱，以支持專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和廣泛的應(yīng)用范圍，從非常簡單、低數(shù)據(jù)速率的連接對象到高性能的工業(yè)和關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)。

4G VS 5G網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的差異

說明：

幀長度和子幀長度：4G和5G的幀長度和子幀長度均為10ms和1ms，這是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基本時(shí)間單位。子載波間隔（SCS）：5G相比4G提供了多種子載波間隔選擇，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和需求。這使得5G網(wǎng)絡(luò)在靈活性和效率方面優(yōu)于4G。時(shí)隙長度和符號數(shù)：5G的時(shí)隙長度和符號數(shù)根據(jù)子載波間隔的不同而有所變化，而4G則固定不變。這使得5G網(wǎng)絡(luò)在調(diào)度和資源分配方面更加靈活。

• 調(diào)度單位：4G的調(diào)度單位是子幀，而5G的調(diào)度單位是時(shí)隙。這反映了5G網(wǎng)絡(luò)在調(diào)度和資源分配方面的改進(jìn)。

最大帶寬和載波聚合：5G支持的最大帶寬和載波聚合數(shù)量均超過4G，這有助于提高數(shù)據(jù)傳輸速率和容量。調(diào)制方式和編碼方式：5G采用了更高級的調(diào)制方式和編碼方式，以提高數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性。MIMO配置和波束賦形：5G支持Massive MIMO和更精確的波束賦形技術(shù)，這有助于提高覆蓋和容量，并減少干擾。頻譜效率：5G的頻譜效率相比4G有顯著提升，這意味著在相同的頻譜資源下，5G可以支持更多的用戶和數(shù)據(jù)傳輸。用戶體驗(yàn)速率、延遲和連接密度：5G在這些方面均優(yōu)于4G，為用戶提供了更好的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。移動(dòng)性支持：5G支持更高的移動(dòng)速度，這使得它更適合于需要高速移動(dòng)的應(yīng)用場景。網(wǎng)絡(luò)切片：5G支持網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，這為不同服務(wù)和應(yīng)用提供了定制化的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，而4G則不支持這一功能。