230
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ 4G И 5G: АРХИТЕКТУРА
,
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Н
.
В
.
Яронова
Ташкентский государственный транспортный университет
Аннотация:
В статье представлен подробный анализ эволюции мобильной
связи от 1G до 5G с акцентом на различия между технологиями 4G и 5G
.
Рассматриваются основные параметры: скорость передачи данных
,
задержка
,
пропускная способность
,
спектральная эффективность
,
архитектура сетей
,
диапазоны частот и особенности физического уровня
.
Приведены таблицы
,
сравнивающие ключевые характеристики
,
стандарты и технические
особенности
.
Особое внимание уделяется архитектуре 5G
,
частотным
диапазонам (FR1 и FR2)
,
модуляционным схемам и особенностям NR (New
Radio).
Статья подчеркивает ключевые преимущества 5G в обеспечении
высокой скорости
,
сверхнизкой задержки и плотности подключений
,
необходимых для реализации концепций Интернета вещей (IoT)
,
автономного
транспорта и индустрии 4
. 0.
Ключевые слова:
4G, 5G,
мобильная связь
, NR,
задержка
,
скорость
передачи данных
,
спектральная эффективность
,
архитектура сети
,
диапазон
частот
, LTE, FR1, FR2, NSA, SA, IP-
сеть
,
NR модем
,
базовая станция
В последние несколько десятилетий телекоммуникационная отрасль
переживает стремительный рост
.
Стандарты беспроводной мобильной связи
вносят основной вклад
.
Этот рост сменился многими поколениями 1G
, 2G, 3G,
4G и 5G
.
Каждое из этих поколений отличается от другого различными
беспроводными технологиями
,
скоростями передачи данных
,
методами
модуляции
,
пропускной способностью и функциями
.
1G
–
Система мобильной связи первого поколения:
Пропускная способность данных: 2 Кбит/с; Технология: аналоговая
беспроводная; Стандарт: усилители; Мультиплексирование: FDMA; Тип
коммутации: контурная; Услуга: только голосовая; Основная сеть: ТСОП;
Частота: от 800 до 900 МГц
.
Таблица 1
Технические
4G
5G
231
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
Характеристики
Полная форма
Четвертое поколение
Пятое поколение
Пиковая
скорость
передачи данных
1 Гбит/с
10 Гбит/с
Пропускная
способность
данных
От 2 Мбит/с до 1 Гбит/с
1 Гбит/с и выше в
зависимости от потребности
Спектральная
эффективность
30 бит/с/ Гц
120 бит/с / Гц
TTI (временной
интервал
передачи)
1 мс
Изменение (от 100 мкс (мин
.
) до 4 мс
Задержка
10 мс (радио)
1 мс (радио)
Мобильность
350 Км / ч
500 Км / ч
Плотность
подключения
1000 / Км
2
1000000 / Км
2
Диапазон частот
от 2 до 8 ГГц
от 3 до 300 ГГц
стандарты
Конвергенция всех видов
доступа
,
включая OFDMA
,
MC
–
CDMA, network
–
LMPS
CDMA и BDMA
Технологии
единый IP
,
бесшовная
интеграция
широкополосной локальной
сети / WAN / PAN и WLAN
Унифицированный IP
,
бесшовная интеграция
широкополосной локальной
сети / WAN / PAN / WLAN и
передовые технологии
,
основанные на OFDM–
модуляции
,
используемой в
5G
Обслуживание
Динамический доступ к
информации
,
носимые
устройства
,
потоковая
передача HD
,
глобальный
роуминг
Динамический доступ к
информации
,
настраиваемые
устройства
,
потоковая
передача в формате HD
,
любые запросы
пользователей
232
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
Множественный
доступ
CDMA
CDMA, BDMA
Основная сеть
Вся IP–сеть
Более плоская IP–сеть
,
взаимодействие с сетью 5G
(5G
–
NI)
Передача
обслуживания
Горизонтальная и
вертикальная
Горизонтальная и
вертикальная
Инициирование с
год выпуска–
2010
год выпуска–
2015
2G
–
Система мобильной связи второго поколения: Пропускная способность
данных: 10 Кбит/с; Технология: цифровая беспроводная связь; Стандарт:
CDMA, TDMA,
GSM; Мультиплексирование: TDMA
,
CDMA; Тип коммутации:
контурная; Услуга: передача голоса и данных; Основная сеть: PSTN;
Поддерживаемая передача: горизонтальная; Частота: от 850 МГц до 1900 МГц
(GSM) и от 825 МГц до 849МГц (CDMA)
.
В следующих разделах упоминается разница между 2
,
5G и 2
, 75G.
2. 5G
Пропускная способность данных: 200 Кбит/с; Технология: GPRS;
Стандарт: Поддерживаемые TDMA/GSM; Мультиплексирование: TDMA
,
CDMA; Тип коммутации: пакетный коммутатор; Основная сеть: GSM TDMA;
Частота: от 850 МГц до 1900 МГц
.
2. 75G
Пропускная способность: 473 Кбит/с; Технология: EDGE; Стандарт:
GSM,
CDMA; Мультиплексирование: TDMA
,
CDMA; Тип коммутации:
пакетный коммутатор; Частота: от 850 МГц до 1900 МГц
.
3G
–
Система мобильной связи третьего поколения
.
Пропускная способность:
384 Кбит/с; Технология: широкополосная связь/IP–технология
,
FDD и TDD;
Стандарт: CDMA
, WCDMA, UMTS,
CDMA2000; Мультиплексирование:
CDMA; Тип коммутации: пакетная и коммутационный коммутатор; Услуга:
Высокоскоростная передача голоса
,
данных и видео; Основная сеть: пакетная
сеть; Передача: горизонтальная; Частота: 1
, 6
–
2,
5 ГГц
.
3. 5G
Пропускная способность данных: 2 Мбит/с; Технология: GSM/3GPP;
Стандарт: HSDPA/HSUPA; Мультиплексирование: CDMA; Тип коммутации:
пакетный коммутатор; Тип услуги: Высокоскоростная передача голоса/данных
видео Основная сеть: GSM
,
TDMA; Передача: горизонтальная; Частота: от 1
, 6
до 2
,
5 ГГц
.
3. 75G
Пропускная способность данных: 30 Мбит/с; Стандарт: 1XEVDO;
Мультиплексирование: CDMA; Тип коммутации: пакетный коммутатор;
233
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
Услуга:
Высокоскоростной
Интернет/мультимедиа;
Тип
передачи:
Горизонтальная; Частота: от 1
,
6 до 2
,
5 ГГц
.
4G.
Системы этого поколения полностью основаны на IP–технологии с
пропускной способностью от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с
.
Они используются как
для внутреннего
,
так и для наружного применения
.
Основная функция
технологии 4G заключается в предоставлении услуг высокого качества
,
высокой скорости
,
большой емкости и низкой стоимости
.
В основном она
используется для передачи голоса
,
мультимедиа и Интернета по IP–трафику
.
Технологиями
,
способствующими росту 4G
,
являются LTE и WiMAX
.
Особенности беспроводной технологии
5G.
Пропускная способность:
поддерживается 1 Гбит/с или выше; Диапазоны частот: ниже 1 ГГц
, 1
–6 ГГц
, 6
ГГц в миллиметровых диапазонах (28 ГГц
,
40 ГГц); Пиковая скорость передачи
данных: прибл
.
от 1 до 10 Гбит/с; Скорость передачи данных по границе
ячейки: 100 Мбит/с; Сквозная задержка: от 1 до 5мс
.
EUTRAN (эволюционировавшая универсальная наземная радиостанция)
состоит из eNB (базовой станции)
.
Архитектура LTE EPC состоит из MME
,
SGW, PGW,
HSS и PCRF
.
MME
S-GW
P-GW
S1-MME
eNB
eNB
HeNB
EPC
E-UTRAN
Ретрансляционный Узел
Рис
. 1.
Усовершенствованная архитектура
LTE
Частотный диапазон
,
в котором работает 5G NR
,
подразделяется на
следующие два обозначения
.
234
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
ФР1: диапазон частот от 450 до 6000 МГц
ФР2: Диапазоны Частот: от 24250 до 52600 МГц
полосы
частот
5G NR
в FR1 в дуплексных режимах FDD
, TDD,
SDL и SUL
(табл
. 2).
Таблица 2
Полосы
частот
5G NR
в в дуплексных режимах FDD
, TDD,
SDL и SUL
.
Диапазон
Частот
5G NR
Диапазон
Частот
UL
В
МГц
(BS Rx/
UE Tx)
Диапазон
Частот
DL
В
МГц
(BS
Tx/UE Rx)
Дуплексный
Режим
n1
с 1920 по 1980 год
с 2110 по 2170
FDD
n2
с 1850 по 1910 год
с 1930 по 1990 год
FDD
n3
С 1710 по 1785
с 1805 по 1880
FDD
n5
с 824 по 849
с 869 по 894
FDD
n7
от 2500 до 2570
с 2620 по 2690
FDD
n8
с 880 по 915
от 925 до 960
FDD
n20
От 832 до 862 МГц
с 791 по 821
FDD
n28
с 703 по 748
С 758 по 803
FDD
n38
от 2570 до 2620
от 2570 до 2620
TDD
n41
с 2496 по 2690
с 2496 по 2690
TDD
n50
с 1432 по 1517
с 1432 по 1517
TDD
n51
с 1427 по 1432
с 1427 по 1432
TDD
n66
С 1710 по 1780
с 2110 по 2200
FDD
n70
с 1695 по 1710
С 1995 по 2020 год
FDD
n71
с 663 по 698
с 617 по 652
FDD
n74
с 1427 по 1470
с 1475 по 1518
FDD
n75
N/A
с 1432 по 1517
SDL
n76
N/A
с 1427 по 1432
SDL
n77
от 3300 до 4200
от 3300 до 4200
TDD
n78
от 3300 до 3800
от 3300 до 3800
TDD
n79
от 4400 до 5000
от 4400 до 5000
TDD
n80
С 1710 по 1785
N/A
SUL
n81
с 880 по 915
N/A
SUL
n82
с 832 по 862
N/A
SUL
n83
с 703 по 748
N/A
SUL
n84
с 1920 по 1980 год
N/A
SUL
235
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
Таблица
3
Полосы частот 5G NR в FR2
Диапазон
Частот
5G NR
UL/ DL
В
МГц
, BS Tx / Rx, UE
Tx / Rx
Дуплексный
Режим
n257
от 26500 до 29500
TDD
n258
от 24250 до 27500
TDD
n260
От 37000 до 40000
TDD
Этот физический уровень 5G NR предоставляет обзор модулей
физического уровня в соответствии с новым стандартом радио 3GPP 5G
.
В нем
описывается обработка каналов PDSCH и PUSCH на физическом уровне 5G
.
Технология беспроводного доступа 5–го поколения известна как NR
(Новое радио)
.
Он соответствует стандартам серии 3GPP
,
аналогичным
стандартам GSM
,
CDMA и LTE
.
Организация 3GPP разрабатывает
спецификации для 5G NR уже несколько лет
.
В декабре 2017 года были
опубликованы первые спецификации
,
которые поддерживают NSA (Non
Standalone),
где UE
,
совместимое с 5G
,
полагается на существующий LTE для
начального доступа и мобильности
.
В июне 2018 года была завершена
разработка SA–версий спецификаций 5G NR
,
которые работают независимо от
LTE.
Таблица 4
NR в LTE
Μ
Δf
= 2
Μ
.
15
Циклический
Префикс
0
15 кГц
Нормальный
1
30 кГц
Нормальный
2
60 кГц
Обычный
,
расширенный
3
120 кГц
Нормальный
4
240 кГц
Нормальный
5
480 кГц
Нормальный
5G NR поддерживает два частотных диапазона FR1 (менее 6 ГГц) и FR2
(диапазон миллиметровых волн
,
от 24
,
25 до 52
,
6 ГГц)
.
NR использует гибкое
расстояние между поднесущими
,
полученное из базового расстояния между
236
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
поднесущими 15 кГц
,
используемого в LTE
.
Соответственно выбирается длина
CP.
Таблица 5
Параметры 5G NR ниже 6 ГГц и миллиметровых волн в соответствии с
3GPP от 15
Расстояние между
поднесущими (кГц)
15
30
60
120
240
Длительность
символа (мкс)
66. 7
33. 3
16. 7
8. 33 4. 17
Продолжительность
CP (МКС)
4. 7
2. 3
1.
2 (Обычный
CP), 4. 13
(расширенный
CP)
0. 59 0. 29
Максимальная
номинальная
мощность системы
(МГц)
50
100
100 (ниже 6
ГГц)
,
200 (мм–
волна)
400
400
Размер БПФ (макс
.
)
4096
4096
4096
4096 4096
Символы на слот
14
14
14 (обычный
CP), 12
(расширенный
CP)
14
14
Слоты для каждого
подкадра
1
2
4
8
16
Слоты на кадр
10
20
40
80
160
Заключение
Переход от 4G к 5G знаменует собой не просто очередной этап эволюции
мобильной связи
,
а революцию в области телекоммуникаций
.
Технология 5G
предоставляет беспрецедентные возможности от повышения скорости передачи
данных в 10 раз по сравнению с 4G до снижения задержки до 1 мс
,
что
критически важно для приложений реального времени
,
таких как автономный
транспорт и телемедицина
.
Кроме того
,
плотность подключений в 5G
превышает аналогичный показатель у 4G в тысячу раз
,
что делает возможной
237
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
массовую реализацию Интернета вещей в умных городах и на промышленных
предприятиях
.
Новая архитектура 5G
,
особенно в варианте Standalone (SA)
,
основана на
более плоской IP
-
сети и улучшенной маршрутизации данных
,
обеспечивающей
более эффективное использование ресурсов и снижение энергопотребления
.
Внедрение гибких частотных диапазонов (FR1 и FR2) позволяет адаптировать
сеть под различные сценарии использования от городской застройки до
отдалённых промышленных объектов
.
Таким образом
,
5G это не просто улучшение существующих технологий
,
а
основа для создания новых цифровых экосистем
.
Сравнительный анализ с 4G
показывает
,
что переход к 5G оправдан как с технической
,
так и с
экономической точки зрения
.
Для транспортной отрасли
,
систем связи и
безопасности
,
индустрии развлечений и умного производства внедрение 5G
открывает широкие горизонты
.
Однако для полноценного развертывания 5G
-
сетей требуется значительная модернизация инфраструктуры
,
пересмотр
нормативной базы и широкомасштабное обучение специалистов
.
Только при
комплексном подходе можно реализовать весь потенциал пятого поколения
мобильной связи
.
Список использованных источников
:
1.
Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД)
.
Памятка Р 888
«Реко мендации по внедрению цифровой технологической радиосвязи на
железнодорожном транспорте стандарта GSM–R»
, 2005.
2.
Ning B. CTCS
−
Chinese Train Control System/ D. Ning, T. Tang, K. Qiu, Q.
Wang // Advanced train control systems.
–
Southamp
–
ton:WIT Press, 2010.
–
P. 10
–
16.
3.
Иванов И
.
С
.
Сравнительный анализ спутниковых систем навигации
ITARUS
−
ATC и ERTMS в обеспечении безопасности движения поездов на
железных дорогах России / И
.
С
.
Иванов
,
В
.
В
.
Комаров// Перспектива: сб
.
науч
.
тр
.
студентов [под науч
.
ред
.
С
.
В
.
Бушуева
,
канд
.
техн
.
наук]
.
−
Екатеринбург:
УрГУПС
, 2016
−
Вып
. 1(216).
−
С
. 84
−
92.
4.
Ададуров А
.
С
.
Общие принципы работы системы ITARUS
−
ATC/ А
.
С
.
Ададуров
,
П
.
А
.
Попов// Автоматика
,
связь
,
информатика
.
−
2010.
−
№7
.
−
С
.
9
−
10.
238
Issue 12(47), Volume 1 | ISSN 3030-377X | 31.05.2025
SCIENCE SHINE
INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL
5.
Emery D. Enhanced ETCS L2/L3 control system [
Электронный
ресурс
] /
Demerit // Advanced train control systems.
−
Southamp
–
ton:WIT Press, 2010.
−
P.
113
–
122.
6.
Связь с подвижными объектами на железнодорожном транспорте
.
Справочник/ Ю
.
В
.
Ваванов
,
Н
.
Е
.
Доценко
,
В
.
Е
.
Малявко
,
С
.
И
.
Тропкин
.
–
М
.:
Транспорт
, 1984.
–320 с
.
7.
8.
https://mobile. ruscable. ru/article/422/
9.
Астрахан В
.
И
.
Новые технологии повышения квалификации
специалистов/ В
.
И
.
Астрахан// Автоматика
,
связь
,
информатика
.
−
2011.
−
№11
.
−
С
. 20
−
22.
