乒乓世界杯_u20世界杯最新战况 - chhtzx.com

3G、4G 和 5G 移动通信技术在物理层的主要差异

4599

3G、4G 和 5G 移动通信技术在物理层的主要差异

来源 https://zhuanlan.zhihu.com/p/20866119540

3G、4G 和 5G 是移动通信技术发展的三个重要阶段,它们在物理层(PHY层)的设计和实现上有显著差异。以下是它们在物理层的主要差异对比:

1. 多址接入技术

3G(UMTS/WCDMA):

使用 CDMA(码分多址) 技术。

每个用户通过唯一的扩频码区分,共享相同的频率资源。

抗干扰能力强,但频谱效率较低。

4G(LTE/LTE-Advanced):

使用 OFDMA(正交频分多址) 下行链路和 SC-FDMA(单载波频分多址) 上行链路。

OFDMA 将频谱划分为多个正交子载波,提高了频谱利用率和抗多径干扰能力。

SC-FDMA 用于上行链路,降低了峰均功率比(PAPR),适合移动终端。

5G(NR, New Radio):

沿用 OFDMA 下行链路和 SC-FDMA 上行链路,但引入了更灵活的帧结构和参数集。

支持更宽的子载波间隔(15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz 等),以适应不同的应用场景(如 eMBB、URLLC、mMTC)。

引入了 非正交多址接入(NOMA) 技术,进一步提升频谱效率。

2. 调制方式

3G:

主要使用 QPSK 和 16QAM 调制。

调制阶数较低,数据传输速率有限。

4G:

支持更高的调制阶数,如 64QAM 和 256QAM(LTE-Advanced)。

更高的调制阶数提升了数据传输速率。

5G:

支持 256QAM 和 1024QAM(在理想信道条件下)。

更高的调制阶数进一步提升了峰值速率和频谱效率。

3. 频谱利用

3G:

主要工作在 2 GHz 频段。

频谱带宽较窄(通常为 5 MHz)。

4G:

支持更宽的频谱带宽(最高 20 MHz,LTE-Advanced 支持载波聚合,最高 100 MHz)。

工作在 2 GHz 和 2.6 GHz 频段。

5G:

支持更宽的频谱带宽(最高 400 MHz)。

工作在 Sub-6 GHz(如 3.5 GHz)和 毫米波(mmWave,24 GHz 以上) 频段。

毫米波频段提供了更大的带宽,但传播损耗较高。

4. 帧结构和时隙

3G:

帧长度为 10 ms,分为 15 个时隙。

时隙结构固定,灵活性较低。

4G:

帧长度为 10 ms,分为 10 个子帧,每个子帧 1 ms。

支持灵活的时隙配置,适应不同的业务需求。

5G:

帧长度为 10 ms,分为 10 个子帧,每个子帧 1 ms。

引入了更灵活的时隙结构,支持 mini-slot(短至 2 个符号)和动态时隙配置。

支持多种参数集(Numerology),适应不同的子载波间隔和时延要求。

5. MIMO 技术

3G:

支持 2x2 MIMO,但应用较少。

MIMO 技术主要用于提高抗干扰能力。

4G:

支持 4x4 MIMO 甚至 8x8 MIMO(LTE-Advanced)。

MIMO 技术显著提升了频谱效率和传输速率。

5G:

支持 Massive MIMO(大规模天线阵列,如 64x64 或更高)。

通过波束赋形(Beamforming)技术,提升覆盖范围和频谱效率。

支持 3D MIMO,适应三维空间中的用户分布。

6. 信道编码

3G:

使用 卷积码 和 Turbo 码。

Turbo 码在 3G 中首次引入,提供了接近香农极限的性能。

4G:

主要使用 Turbo 码。

在控制信道中使用 卷积码。

5G:

引入了 LDPC(低密度奇偶校验码) 用于数据信道,提供更高的译码效率和更低的时延。

使用 Polar 码 用于控制信道,适用于短包传输和高可靠性场景。

7. 时延和可靠性

3G:

时延较高,通常在 100 ms 以上。

可靠性较低,主要面向语音和低速数据业务。

4G:

时延降低到 10-30 ms。

可靠性提高,支持高速数据业务和实时应用。

5G:

时延降低到 1 ms(URLLC 场景)。

可靠性显著提高(99.999%),支持工业自动化和车联网等关键任务应用。

8. 能效

3G:

能效较低,基站和终端功耗较高。

4G:

能效有所提升,但仍需优化。

5G:

通过 网络切片 和 动态资源分配 等技术,显著提升了能效。

支持 低功耗广域网(LPWA),适用于物联网设备。

总结

特性3G4G5G

多址接入

CDMA

OFDMA/SC-FDMA

OFDMA/SC-FDMA + NOMA

调制方式

QPSK, 16QAM

64QAM, 256QAM

256QAM, 1024QAM

频谱利用

2 GHz, 5 MHz

2 GHz, 20 MHz(可聚合)

Sub-6 GHz, mmWave, 400 MHz

MIMO

2x2 MIMO

4x4 MIMO, 8x8 MIMO

Massive MIMO, 3D MIMO

信道编码

Turbo 码, 卷积码

Turbo 码, 卷积码

LDPC, Polar 码

时延

100 ms

10-30 ms

1 ms(URLLC)

可靠性

较低

较高

99.999%

能效

5G 在物理层的设计上更加灵活和高效,能够支持多样化的应用场景,包括增强移动宽带(eMBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和大规模机器类通信(mMTC)。

============ End