5G NR 下行峰值速率计算方法简介
2019-4-29
1. 下行信道处理过程
2. 时/频资源
(1). 时域资源
(2). 频域资源
(3). 时/频域资源中的开销
3. 空域资源
4. 载频资源
5. 调制方式和码率
6. TS38.306中提供的峰值速率计算方法
7. 根据TS38.306中峰值速率计算方法的计算举例
8. 总结
9. 参考资料
当看到听到5G能达到某种速率时，大家有没有困惑过为什么它们之间的差异会这么大呢？什么样的结果才是合理的？到底造成这些差异的原因是什么呢？
移动用户的速率通常采用吞吐率来表示，英文称Throughput，上行和下行分开进行测试和表示。LTE时代下行业务为主，所以更多地关心下行吞吐率，5G时代上行业务也会增加，所以上行吞吐率也很重要。不过，本文还是先集中在下行吞吐率分析方面。
吞吐率可以简称为下行速率，下行峰值速率是在一定的资源配置条件下测得的，它可以简单表示如下：
下行峰值速率 =下行数据量/数据传送时间
5G系统中采用大规模天线系统，通常采用多天线进行收发。因此，一定时间段内所传送的数据量除了受载波数以及时域和频域资源限定之外，空域的资源配置也会影响数据量。具体分析如下。
1. 下行信道处理过程
PDSCH下行处理过程主要在TS38.211和TS38.212中描述。来自MAC层的MACPDU包括控制或业务数据，它们在物理层进行编码和解码等处理过程后，经由空中接口发送出去。
其中，层映射功能是根据空间层数将码字分为多路进行发送，而调制功能将符号变换成比特位进行发送。二者都有利于提高吞吐量。
2. 时/频资源
5G系统的资源栅格图示如下，它由时域和频域2部分组成。频域上，子载波间隔与参数集µ相关，频域上时隙长度也与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
随着子载波间隔的增加(u值增加)，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见下表。
不同子载波对应的符号长度不同，因此对于不同得子载波，特定时间段如1ms子帧或者0.5ms半帧范围内所包含的符号数也不同，15KHz下符号长度(包含CP)是其它SCS下的符号长度的的2u倍，如表所示。即15KHz下包含CP时的符号长度相当于2个30KHz的符号长度之和、或者4个60KHz的符号长度之和，以此类推。
以0.5ms半帧为例，不同子载波间隔下的符号间的关系如下图所示。图中不同子载波间隔下，除了第一个符号之外，其余所有符号的长度都是相同的。
每个时隙中的符号数与循环前缀(CP)的类型有关系。常规CP下，每个时隙中都包含连续的个OFDM符号，取值为14。即与子载波间隔无关。扩展CP下，每个时隙中的符号数为12。
5G系统中，根据时隙中符号的作用方式，可以分为全下行(D)、全上行(U)和灵活配置方式。表中D表示全下行时隙、U表示全上行时隙，X表示上下行灵活配置方式。
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送工作，比如子载波间隔为30KHz时，5个时隙可以共同组成2.5ms帧结构。
常见的DDDSU单周期或者DDDSU-DDSUU双周期结构如下所示。其中，D表示全下行时隙、U表示全上行时隙、S表示上下行混合以及保护时隙。
（a）2.5ms单周期(DDDSU-DDDSU)图示
传送周期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和#2固定作为DL，时隙#3为下行主导时隙，格式为DL-GP-UL。SSB(即同步和广播信号)可以在时隙#0、#1、#2和#3上传送。时隙#4固定作为UL时隙，PRACH可以在时隙#4上传送。
（b）2.5ms双周期(DDDSU-DDSUU)图示
传送周期2.5ms + 2.5ms，支持2~4个符号的GP配置(例如4个符号的GP)，如图3所示。
每2.5ms+2.5ms的周期内，对于第一个2.5ms，时隙#0、#1和#2固定作为DL，时隙#3为下行主导(dominate)时隙，格式为DL-GP。SSB信号可以在时隙#0、#1、#2和#3上传送。时隙#4固定作为UL主导(prevail)时隙，PRACH可以在时隙#4上传送。
每2.5ms+2.5ms的周期内，对于第二个2.5ms，时隙#5和#6固定作为DL，时隙#7为下行主导时隙，格式为DL-GP。时隙#8和#9固定作为UL时隙，PRACH可以在时隙#8和#9上传送。
（c）上下行配比
特定的帧结构中，时隙D和U的数目大致决定了上下行时域资源占比，S时隙的不同配置也会或多或少地影响上下行时域资源占比。比如D:GP:U=10:2:2和8:4:2的配置中上下行配比就存在微小差异。
如果考虑下行峰值吞吐量，则可以采用D时隙的占比来计算。如果要使计算结果更为准确，就可以基于符号数目来计算。
基于符号数目的不同帧结构下的容量和开销对比如下。
可见，2.5ms双周期上行占比最高，因此利于上行为主的业务；2.5ms单周期下行占比最高，因此利于下行业务。
TS36.306中，考虑峰值速率计算时，提供了4种扩展系数，分别为1.0、0.8、0.75和0.4，推断是与下述四种帧结构配置方式相对应的，且其中把S时隙粗略作为下行时隙来考虑的。(查阅原始提案，未见详细解释，故此处妄作推断，欢迎大家指正)。
(2). 频域资源
5G系统中，一个资源块(RB)由频域上连续的个12子载波组成。
不同带宽条件下所支持的PRB数目是不同的，详见TS38.104-5.3.1/2 信道带宽配置。
FR1(即<6GHz)的传输带宽配置NRB 如下表所示。可见，30KHz条件下，100MHz载波带宽所支持PRB数为273。
峰值速率通常采用整个带宽进行估算，也就是说，计算100MHz带宽下的下行峰值吞吐率时，频域PRB数目采用273来进行计算。
(3). 时/频域资源中的开销
PDSCH下行时隙中，存在PDCCH和DMRS等信道或者信号，用于辅助进行调度和控制作用。这些信息的存在会降低PDSCH可用的RE资源，因此可以理解为PDSCH信道资源中的开销。采用自包含帧示例如下。第一个符号为PDCCH，第二个符号为前置DMRS，而上行和下行符号之间还需要配置GP作为保护带。
DMRS主要用于无线信道估计，它在预定的资源范围内伴随相应的信道进行发送并用于相关信道的解码工作。时域上，可以采用单个符号或者多个符号来配置DMRS；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，它在预定的资源范围内伴随相应的信道进行发送并用于相关信道的解码工作。时域上，可以采用单个符号或者多个符号来配置DMRS；频域上，DMRS也可以采用不同的密度。
(http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_PDSCH_DMRS.html)
3. 空域资源
5G系统中，采用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的吞吐量。下面为采用4层进行传输时的层映射方式。
对于终端来说，如果基站侧4端口独立发送，UE侧支持4天线端口独立接收，则相当于采用了4x4 MIMO，因此下行速率相当于速率扩大到4倍，其吞吐率也是单天线端口的4倍。
4. 载频资源
5G系统中，<6GHz以下所支持的最大信号带宽为100MHz，如果采用载波聚合实现多载波同时传送，则下行吞吐率相应地扩大。
5. 调制方式和码率
调制是将符号变换成比特的过程。不同调制方式所对应的调制阶数不同，意味着1个符号经过不同的调制方式后所产生的符号数不同。比如，256QAM下，1个符号对应8比特，而64QAM下，1个符号则对应6比特。
下行调度过程中，为了确定物理下行链路共享信道中的调制阶数，目标码率和传输块大小，UE首先会读取DCI中的5比特的调制和编码域(IMCS)，并进一步确定调制阶数(Qm)和目标码率(R)，同时读取DCI中的冗余版本字段(rv)来确定冗余版本。其次，UE使用层数(ʋ)、速率匹配之前所分配的PRB总数(nPRB)，来确定传输块大小。
有效信道码率定义为下行链路信息比特数(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。码率和效率之间可以互相换算。
由于总比特数是总符号数与调制阶数的乘积，所以效率等于码率乘以调制阶数。表示为：
码率 = 信息比特数/物理信道总比特数
= 信息比特数/(物理信道总符号数*调制阶数)=效率/调制阶数
如果有效信道码率高于0.95，则UE将忽略传输块的初始传输的解码工作。如果UE忽略解码工作，则物理层会向高层指明该传输块未被成功解码。
UE根据下行信道测量结果上报CQI，gNB根据UE上报的CQI信息选择合适调制方式，满足该信道条件下的效率要求。不同调制方式所对应的效率请参见TS38.214中的定义。
以256QAM为例，规范规定的MCS及其效率表示为：
为了表示的方便性，表中码率取值是乘以1024之后的结果。由此可见，对应最高频谱效率的最大码率为948/1024=0.925。
6. TS38.306中提供的峰值速率计算方法
TS38.306中对终端所支持的最大数据速率进行了计算。在上述分析基础上，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，频带或频带组合中给定数量的聚合载波的近似数据速率计算如下。
其中各参数的意义说明如下：
7. 根据TS38.306中峰值速率计算方法的计算举例
下述链接提供了一个在线计算工具。
http://www.rfwireless-world.com/calculators/5G-NR-maximum-throughput-calculator.html
假设采用<6GHz频段，30KHz子载波间隔(对应µ=1)，100MHz载波带宽，调制方式256QAM(对应Qm=8)，单用户4层MIMO，扩展系数为0.8(大致对应DDDSU)，下行开销为0.14(1个PDCCH符号和1个DMRS符号)，则参数表和计算结果如下：
实际配置中，由于场景不同，可能存在更大开销，因此吞吐率速率会更低。另外，不同帧结构下，S时隙的影响也需要仔细核算。
8. 总结
本文分析了5G下行峰值吞吐率的影响因素以及基本计算公式，希望对大家有帮助。
如果后续看到宣称速率加倍的话，相信大家会明白，肯定是某个对比参数不同导致的，比如所支持的接收天线端口数不同(4Tx或者8Tx)，或者所支持的带宽不同(1个100MHz或者2个100MHz)。而如果测试中速率难以达到峰值，也可以理解为可能无线环境导致调制阶数不高(比如达不到256QAM)，或者时隙配比的影响等等。
9. 参考资料
R2-1711983-[DRAFT] LS on formula or table for L1 data rate
R2-1712026 - LS on formula or table for L1 data rate.docx
R2-1709979 LS to RAN1 and RAN4 on UE categories andcapabilities.doc
http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_PDSCH_DMRS.html#Resource_Element_Mapping
http://www.rfwireless-world.com/calculators/5G-NR-maximum-throughput-calculator.html
http://www.glkangpu.com/index.php?aid=575 NR峰值速率计算 (原发于公众号：网优老兵)
TS36.306
TS38.214
TS38.104
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