深入解析 5G 速率差异原因及计算方法

深入解析 5G 速率差异原因及计算方法

1. 下行信道处理

2. 时间/频率资源

（1）时域资源

（2）频域资源

（3）时域/频域资源开销

3.空域资源

4.载频资源

5. 调制方式与比特率

6.TS38.306中提供的峰值速率计算方法

7.基于TS38.306中峰值速率计算方法的计算示例

8. 总结

9. 参考文献

当你听说5G可以达到一定的速度时，你有没有想过，为什么它们之间的差异会这么大？什么样的结果才是合理的？造成这些差异的原因又是什么？

移动用户的网速通常用吞吐量来表示，吞吐量又分为上行和下行。LTE时代主要以下行业务为主，因此更加注重下行吞吐量。5G时代，上行业务也会增多，因此上行吞吐量也很重要。不过本文先重点分析下行吞吐量。

吞吐率可以称为下行速率，下行峰值速率是在一定的资源配置条件下测得的，可以简单表示为：

下行峰值速率=下行数据量/数据传输时间

5G系统采用大规模天线系统，通常采用多根天线进行发射和接收，因此一定时间内传输的数据量不仅受到载波数量和时域、频域资源的限制，还受到空域内资源配置的限制，具体分析如下。

下行信道处理

PDSCH下行处理主要在TS38.211和TS38.212中描述，来自MAC层的数据包括控制或者业务数据，经过物理层编解码后通过空口发送出去。

层映射函数是将码字按照空间层数划分到多条路径上传输，调制函数是将符号转化为比特进行传输，都有利于提高吞吐量。

时间/频率资源

5G系统的资源网格如下图所示，由时域和频域两部分组成，频域中子载波间隔与参数集µ相关，频域中时隙长度也与µ相关，以µ=1为例，子载波间隔为30KHz，时隙长度为0.5ms。

（1）时域资源

随着子载波间隔增大（u值增大），对应的时域OFDM符号长度越来越短，不同子载波间隔下的符号长度如下表所示。

不同的子载波具有不同的符号长度。因此，对于不同的子载波，特定时间段（例如 1ms 子帧或 0.5ms 半帧）包含的符号数也不同。如表所示，15KHz 的符号长度（包括 CP）是其他 SCS 的符号长度的 2u 倍。即 15KHz 的符号长度（包括 CP）相当于 2 个 30KHz 符号长度之和，或 4 个 60KHz 符号长度之和，依此类推。

以0.5ms半帧为例，不同子载波间隔下符号之间的关系如下图所示，图中除了第一个符号外，不同子载波间隔下其他所有符号的长度都是相同的。

每个时隙的符号数和循环前缀（CP）的类型有关，正常CP下，每个时隙包含连续的OFDM符号，为14个，即和子载波间隔无关；扩展CP下，每个时隙的符号数为12个。

5G系统中，按照时隙内符号的功能方式，可分为全下行（D）、全上行（U）和灵活配置方式。表中D代表全下行时隙，U代表全上行时隙，X代表灵活上下行配置方式。

在时域上，可以采用多个时隙组成特定的帧结构，共同进行上下行数据传输，例如当子载波间隔为30KHz时，5个时隙可以共同组成2.5ms的帧结构。

常见的DDDSU单周期或DDDSU-DDSUU双周期结构如下图所示，其中D表示全部下行时隙，U表示全部上行时隙，S表示上下行混合及保护时隙。

（a）2.5ms 单周期（DDDSU-DDDSU）图

传输周期为2.5ms，支持2~4个符号的GP配置（例如4个符号的GP）。每2.5ms内，时隙#0、#1、#2固定为DL，时隙#3为下行显性时隙，格式为DL-GP-UL。时隙#0、#1、#2、#3可以传输SSB（即同步和广播信号）。时隙#4固定为UL时隙，时隙#4可以传输PRACH。

（b）2.5ms双周期（DDDSU-DDSUU）图

传输周期为2.5ms+2.5ms，支持2至4个符号的GP配置（例如4个符号的GP），如图3所示。

在每个2.5ms+2.5ms周期内，前2.5ms，时隙#0、#1、#2固定为DL，时隙#3为下行主（）时隙，格式为DL-GP。时隙#0、#1、#2、#3可以发送SSB信号。时隙#4固定为UL主（）时隙，时隙#4可以发送PRACH。

在每个2.5ms+2.5ms周期内，第二个2.5ms，时隙#5、#6固定为DL，时隙#7为下行显性时隙，格式为DL-GP。时隙#8、#9固定为UL时隙，在时隙#8、#9上可以传输PRACH。

（c）上下行比率

在具体的帧结构中，时隙D和U的数量大致决定了上下行时域资源的配比，S时隙的不同配置也会一定程度上影响上下行时域资源的配比，例如D:GP:U=10:2:2和8:4:2的配置下，上下行配比会略有差别。

如果考虑下行峰值吞吐量，可以按照D时隙的比例来计算，如果追求计算结果更准确，可以按照符号个数来计算。

基于符号数的不同帧结构下的容量和开销比较如下。

可以看出，2.5ms双周期上行占比最高，对以上行为主的业务有利；2.5ms单周期下行占比最高，对下行为主的业务有利。

在TS36.306中，考虑峰值速率计算时，给出了四个扩展因子，分别是1.0、0.8、0.75和0.4。推测它们对应如下四种帧结构配置，而S时隙则大致认为是下行时隙。（我查阅了原提案，没有看到详细的说明，所以这里做了一个推断，欢迎大家指正）。

（2）频域资源

在5G系统中，一个资源块（RB）由频域上连续的12个子载波组成。

不同带宽条件下支持的PRB数量不同，具体请参见TS38.104-5.3.1/2信道带宽配置。

FR1（即NRB）的传输带宽配置如下表所示，可以看出在30KHz的条件下，载波带宽支持的PRB数量为273个。

峰值速率一般采用全带宽来估算，即计算该带宽下的下行峰值吞吐量时，频域PRB数量计算为273。

（3）时域/频域资源中的开销 在PDSCH下行时隙中，有PDCCH、DMRS等信道或信号来辅助调度和控制，这些信息的存在会减少PDSCH可用的RE资源，因此可以理解为PDSCH信道资源中的开销。自包含帧的示例如下，第一个符号为PDCCH，第二个符号为pre-DMRS，上下行符号之间需要配置GP作为保护带。

DMRS主要用于无线信道估计，在预定的资源范围内随相应信道一起发送，用于相关信道的解码。在时域上，DMRS可以配置为单个符号或多个符号；在频域上，DMRS也可以采用不同的密度。

DMRS主要用于无线信道估计，在预定的资源范围内随相应信道一起发送，用于相关信道的解码。在时域上，DMRS可以配置为单个符号或多个符号；在频域上，DMRS也可以采用不同的密度。

（）

空域资源

在5G系统中，使用mMIMO技术时，可以通过层映射功能将一个码字映射到多个空间层上进行传输。这种利用空间资源的方式也有助于提高用户吞吐量。以下是使用4层传输时的层映射方法。

对于终端来说，如果基站侧四个端口独立发射，UE侧支持四个天线端口独立接收，相当于使用了4x4 MIMO，因此下行速率相当于速率扩大到四倍，其吞吐量也是单天线端口的四倍。

载频资源

在5G系统中，

调制方式及比特率

调制是将符号转换成比特的过程，不同的调制方式对应不同的调制阶数，也就是说一个符号经过不同的调制方式后产生的符号个数是不一样的，比如64QAM下，一个符号对应8比特，而64QAM下，一个符号对应6比特。

在下行调度时，为了确定物理下行共享信道中的调制阶数、目标码率以及传输块大小，UE首先读取DCI中的5bit调制编码字段（IMCS），进一步确定调制阶数（Qm）和目标码率（R），读取DCI中的冗余版本字段（rv）确定冗余版本。其次，UE利用层数（ʋ）以及速率匹配前分配的PRB总数（nPRB）确定传输块大小。

有效信道码率定义为下行信息比特数（包括CRC比特）除以PDSCH上物理信道的比特数，效率为信息比特数与总符号数的比值。码率与效率可以互相转化。

由于总比特数为总符号数与调制阶数的乘积，因此效率等于码率乘以调制阶数。可表示为：

码率=信息比特数/物理信道比特总数

= 信息比特数/（物理信道符号总数*调制阶数）= 效率/调制阶数

如果有效信道码率高于0.95，UE会忽略初传传输块的解码。如果UE忽略解码，物理层会向上层指示该传输块未成功解码。UE根据下行信道测量结果上报CQI，gNB根据UE上报的CQI信息选择合适的调制方式，满足信道条件下的效率要求。不同调制方式对应的效率请参考TS38.214中的定义。

举例来说，规范中规定的MCS及其效率表示为：

为了表述方便，表中码率数值均为乘以1024的结果，可以看出最高频谱效率对应的最大码率为948/1024=0.925。

TS38.306 中提供了峰值速率计算方法

TS38.306计算了终端支持的最大数据速率，通过上面的分析，大家应该能够理解规范中计算公式的含义了。

TS38.306 规定如下：对于 NR，频段或频段组合中给定数量的聚合载波的近似数据速率计算如下。

各个参数含义如下：

根据TS38.306中峰值速率计算方法计算示例

下面的链接提供了一个在线计算工具。

假设频段、子载波间隔30KHz（对应µ=1）、载波带宽、调制方式（对应Qm=8）、单用户4层MIMO、扩展因子0.8（大致对应DDDSU）、下行开销0.14（1个PDCCH符号和1个DMRS符号），参数表及计算结果如下：

在实际配置中，由于场景不同，可能会有较大的开销，因此吞吐率会较低。另外，不同帧结构下S时隙的影响也需要仔细计算。

总结

本文就来分析一下影响5G下行峰值吞吐量的因素以及基本计算公式，希望对大家有所帮助。

如果后面看到有速率翻倍的说法，相信大家就会明白，一定是对比参数不同导致的，比如支持的接收天线端口数（4Tx还是8Tx），或者支持的带宽（1还是2）。如果测试过程中速率很难达到峰值，也可以理解为无线环境导致调制阶数偏低（比如达不到），或者时隙比受到影响等。

参考

R2--[草案] LS 开启或 L1 数据速率表

R2- - LS 开启或 L1 数据速率表.docx

R2- LS 到 UE 上的 RAN1 和 RAN4 .doc

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