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数字通信系统数据如何传输和计算 5G下行理论峰值计算方法

在进行5G下行理论峰值计算之前我们先来看一下5G的关键性能指标要求,根据IMT-2020(5G官方名称)的要求,5G的下行峰值要达到20Gbit/s。

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而早在2017年年底华为就已经完成了20Gbit/s的下行峰值速率测试,当然这所有测试均是在实验室理想环境下达到的,而在运营商实际部署5G网络,影响的5G峰值的因素甚多:比如用户的终端能力限制、网络带宽的限制、无线环境的影响等等,所以在实际部署运营5G时是达不到20Gbit/s的峰值传输速率的。

计算之前我们先明确一下数字通信系统数据是如何传输和计算的。

首先我们将需要传输的数据经过一系列处理之后转变成了0和1组成的数字编码,每传一个0或1就表示传了1bit的信息量。然后我们通过码元(或者叫符号)的形式去承载0和1,码元的单位是时间T,假如现在有一段数据需要传输0110010111…………使用8阶调制,那么就是每三位编码组成一个码元,每个码元传输3bit的信息量,即011/001/011/………如果码元T=1ms,那么1s中可以传输1000个码元,每个码元携带3bit信息量,那么当前的传输速率就是3000bit/s≈3kbit/s。

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我们把码元看做车辆,每个码元携带的信息量看做乘客的数目,每秒钟通过的人数就等于车辆 X 乘客数目,即传输速率。

下面我们就当前5G网络系统配置下,5G能达到的理论峰值进行阐述。

子载波间隔=30khz,调制阶数max=256QAM,编码效率=92.5%,上下行时隙配置2:8,控制信道存在一定开销,系统带宽=100M,PRBmax=273,基站64天线发送,UE 4根接收天线。

下面我们来逐一进行讲解:

一、线上传输

1)子载波间隔=30kHz:可以计算出每秒一个载波上传输的码元数。我们知道时间与频率成反比T=1/F,即码元的长度与子载波间隔成反比得到每个码元占用1/30000 s,再给每个符号前加上CP(对抗多径干扰)每个载波上每秒钟可以传28000个码元(不加CP能传30000个)

2)调制阶数max=256QAM,根据计算公式log2 M 可以计算出每个码元携带的信息量为log2 256=8bit

3)编码效率=92.5%:在实际传输的过程中我们会加入一部分冗余编码(监督位)来对抗无线信道传输中引入的噪声和干扰,用来检错和纠错的。这部分冗余编码的开销占7.5%。

4)上下行时隙配置2:8,控制信道存在一定开销。如下图所示,表示大部分时间(码元)内在做下行传输如下图,小部分时间(码元)在做上行传输。

从图中我们可以看出每个slot包含14个码元,在DL中,每传输14个下行码元就有2个码元的额外开销(用于PDCCH和DMRS等控制信息的传输)。同时每传输10个slot,只有前面的7个时隙和第8时隙的部分(6/14)做下行。因此真正用于下行数据传输的码元约占(12*7+4)/140(10个slot包含14*10个码元,前面7个slot每个slot含有12个下行码元,第八个slot含有4个下行码元)

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综上所述,我们可以算出在一条数据的跑道上的传输速率约为:

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

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二、面上传输

5)带宽=100M,PRBmax=273:100M的系统带宽下,至多可以占用273个PRB,即273*12个子载波。换句话说给汽车运输的跑道有273*12个,可以同时进行数据传输。

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三、三维空间传输

6)基站64天线发送,UE 4根接收天线:数据的传输拓展到了空间上,UE通过识别不同路径传输过来的信号来实现多组数据同时接收。由于受限于UE端的天线数目,最多只能支持4组数据流同时接收。这时候相当于在空间上建立了4层相同的跑道分别位于地面,地上一层,地上二层,地上三层,传输速率又有了4倍的提升。

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最终,我们可以算出目前5G系统配置下的下行理论峰值速率:

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

当然这是稍微粗犷一点的计算过程,想要精确的计算5G下行的理论峰值,则要具体计算各类控制信道和导频信号的开销来确认PDSCH可占用的码元数目来进行计算。

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