數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)如何傳輸和計(jì)算 5G下行理論峰值計(jì)算方法

在進(jìn)行5G下行理論峰值計(jì)算之前我們先來(lái)看一下5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)要求，根據(jù)IMT-2020(5G官方名稱)的要求，5G的下行峰值要達(dá)到20Gbit/s。

而早在2017年年底華為就已經(jīng)完成了20Gbit/s的下行峰值速率測(cè)試，當(dāng)然這所有測(cè)試均是在實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境下達(dá)到的，而在運(yùn)營(yíng)商實(shí)際部署5G網(wǎng)絡(luò)，影響的5G峰值的因素甚多：比如用戶的終端能力限制、網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制、無(wú)線環(huán)境的影響等等，所以在實(shí)際部署運(yùn)營(yíng)5G時(shí)是達(dá)不到20Gbit/s的峰值傳輸速率的。

計(jì)算之前我們先明確一下數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)是如何傳輸和計(jì)算的。

首先我們將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列處理之后轉(zhuǎn)變成了0和1組成的數(shù)字編碼，每傳一個(gè)0或1就表示傳了1bit的信息量。然后我們通過(guò)碼元(或者叫符號(hào))的形式去承載0和1，碼元的單位是時(shí)間T，假如現(xiàn)在有一段數(shù)據(jù)需要傳輸0110010111…………使用8階調(diào)制，那么就是每三位編碼組成一個(gè)碼元，每個(gè)碼元傳輸3bit的信息量，即011/001/011/………如果碼元T=1ms，那么1s中可以傳輸1000個(gè)碼元，每個(gè)碼元攜帶3bit信息量，那么當(dāng)前的傳輸速率就是3000bit/s≈3kbit/s。

我們把碼元看做車輛，每個(gè)碼元攜帶的信息量看做乘客的數(shù)目，每秒鐘通過(guò)的人數(shù)就等于車輛 X 乘客數(shù)目，即傳輸速率。

下面我們就當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置下，5G能達(dá)到的理論峰值進(jìn)行闡述。

子載波間隔=30khz，調(diào)制階數(shù)max=256QAM，編碼效率=92.5%，上下行時(shí)隙配置2:8，控制信道存在一定開銷，系統(tǒng)帶寬=100M，PRBmax=273，基站64天線發(fā)送，UE 4根接收天線。

下面我們來(lái)逐一進(jìn)行講解：

一、線上傳輸

1)子載波間隔=30kHz：可以計(jì)算出每秒一個(gè)載波上傳輸?shù)拇a元數(shù)。我們知道時(shí)間與頻率成反比T=1/F，即碼元的長(zhǎng)度與子載波間隔成反比得到每個(gè)碼元占用1/30000 s，再給每個(gè)符號(hào)前加上CP(對(duì)抗多徑干擾)每個(gè)載波上每秒鐘可以傳28000個(gè)碼元(不加CP能傳30000個(gè))

2)調(diào)制階數(shù)max=256QAM，根據(jù)計(jì)算公式log2 M 可以計(jì)算出每個(gè)碼元攜帶的信息量為log2 256=8bit

3)編碼效率=92.5%：在實(shí)際傳輸?shù)倪^(guò)程中我們會(huì)加入一部分冗余編碼(監(jiān)督位)來(lái)對(duì)抗無(wú)線信道傳輸中引入的噪聲和干擾，用來(lái)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的。這部分冗余編碼的開銷占7.5%。

4)上下行時(shí)隙配置2:8，控制信道存在一定開銷。如下圖所示，表示大部分時(shí)間(碼元)內(nèi)在做下行傳輸如下圖，小部分時(shí)間(碼元)在做上行傳輸。

從圖中我們可以看出每個(gè)slot包含14個(gè)碼元，在DL中，每傳輸14個(gè)下行碼元就有2個(gè)碼元的額外開銷(用于PDCCH和DMRS等控制信息的傳輸)。同時(shí)每傳輸10個(gè)slot，只有前面的7個(gè)時(shí)隙和第8時(shí)隙的部分(6/14)做下行。因此真正用于下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a元約占(12*7+4)/140(10個(gè)slot包含14*10個(gè)碼元，前面7個(gè)slot每個(gè)slot含有12個(gè)下行碼元，第八個(gè)slot含有4個(gè)下行碼元)

綜上所述，我們可以算出在一條數(shù)據(jù)的跑道上的傳輸速率約為：

28000*8*92.5%*(12*7+4)/140=130240bit/s

二、面上傳輸

5)帶寬=100M，PRBmax=273：100M的系統(tǒng)帶寬下，至多可以占用273個(gè)PRB，即273*12個(gè)子載波。換句話說(shuō)給汽車運(yùn)輸?shù)呐艿烙?73*12個(gè)，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

三、三維空間傳輸

6)基站64天線發(fā)送，UE 4根接收天線：數(shù)據(jù)的傳輸拓展到了空間上，UE通過(guò)識(shí)別不同路徑傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)同時(shí)接收。由于受限于UE端的天線數(shù)目，最多只能支持4組數(shù)據(jù)流同時(shí)接收。這時(shí)候相當(dāng)于在空間上建立了4層相同的跑道分別位于地面，地上一層，地上二層，地上三層，傳輸速率又有了4倍的提升。

最終，我們可以算出目前5G系統(tǒng)配置下的下行理論峰值速率：

130240 * 273*12 *4=1706664960bit/s≈1.6Gbit/s

當(dāng)然這是稍微粗獷一點(diǎn)的計(jì)算過(guò)程，想要精確的計(jì)算5G下行的理論峰值，則要具體計(jì)算各類控制信道和導(dǎo)頻信號(hào)的開銷來(lái)確認(rèn)PDSCH可占用的碼元數(shù)目來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

編輯：hfy