5G NR峰值速率综合分析

张建国，徐 恩，张艺译（.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州3004；.中国移动通信集团广西有限公司玉林分公司，广西玉林537000）

0 引言

5G NR定义了两大频率范围（FR——Frequency Range），分别是FR1和FR2，FR1对应的频率范围为450～6 000 MHz，FR2 对应的频率范围为 24 250～52 600 MHz。工信部批准了 3 300～3 600 MHz（其中3300～3400MHz原则上限室内使用）和4800～5000MHz频段作为5G系统的工作频段，分别对应着FR1范围的n77、n79［1］。3家运营商都在积极开展5G试验网的建设和测试，本文接下来分析5G NR的峰值速率。

1 5G NR物理层

与LTE类似，5G NR的峰值速率计算与帧结构、物理信道和信号密切相关，本文接下来分析NR的帧结构、物理信道和信号。

1.1 帧结构

5G NR最基本的子载波是15 kHz，但可以根据Δf=2μ×15 kHz进行扩展，对于数据信道，μ的取值可以是0、1、2、3，对应的Δf分别是15、30、60、120 kHz，1个RB由12个子载波组成。

5G NR的帧结构由长度为10 ms的无线帧构成，1个无线帧由10个长度为1 ms的子帧构成，当子载波间隔取值为15、30、60、120 kHz时，1个子帧分别包括1、2、4、8个时隙，1个时隙由14个OFDM符号组成。子载波间隔为30 kHz时的无线帧结构如图1所示。

图1 5G NR的无线帧结构（子载波间隔=30 kHz）

1个时隙内的OFDM符号被分成3类，分别是下行符号、灵活符号和上行符号。在下行时隙，UE应假设下行传输发生在下行符号或灵活符号上，在上行时隙，UE应假设上行传输发生在上行符号或灵活符号上，5G NR共有62种时隙格式，每种时隙格式规定了下行符号、灵活符号和上行符号的数目［2］。

1.2 物理信道和信号

5G NR的下行物理信道包括PDSCH、PDCCH和PBCH，下行物理信号包括参考信号和同步信号，其中参考信号包括用于PDSCH和PDCCH的DM-RS、用于PDSCH的相位跟踪参考信号（PT-RS——Phase-Tracking Reference Signals）和用于信道状态估计的CSI-RS，同步信号包括主同步信号（PSS——Primary Synchronization Signal）和辅同步信号（SSS——Secondary Synchronization Signal）［2］。

PDCCH由1个或多个CCE组成，控制资源集合（CORESET——Control-resource Set）在频域上占用NCORESETRB个RB，在时域上占用NCORESETsymb∈{ }1,2,3 个OFDM符号。

5G NR的上行物理信道包括PUCCH、PUSCH、PRACH，上行物理信号包括用于PUSCH和PUCCH的DM-RS、用于PUSCH的PT-RS、SRS。

PUCCH有5种格式，PUCCH格式0和1在频域上占用1个RB，在时域上占用1个或2个OFDM符号，PUCCH格式2在时域上占用4～14个OFDM符号，在频域上占用1个或多个RB，PUCCH格式3在时域上占用4～14个OFDM符号，在频域上占用1个或多个RB，PUCCH格式4在时域上占用4～14个OFDM符号，在频域上占用1个RB［5］。

峰值速率计算与DM-RS的类型、密度密切相关，本文接下来重点分析DM-RS。DM-RS有Type1和Type2两种格式，在频域上，DM-RS占用的带宽与分配给PDSCH或PUSCH的带宽相一致。在时域上占用1个或2个连续的OFDM符号，并可以在1个时隙内配置额外的DM-RS。DM-RS占用1个OFDM符号时，Type1和Type2分别对应4个和6个DM-RS端口；DMRS占用2个OFDM符号时，Type1和Type2分别对应8个和12个DM-RS端口。PDSCH和PUSCH传输的数据层数不能大于DM-RS端口数。Type1和Type2的DM-RS结构如图2所示［2］。

图2 DM-RS结构

2 TBS计算过程

5G NR的峰值速率与PDSCH和PUSCH上传输的TB的尺寸即传输块尺寸（TBS——Transport Block Size）密切相关，TBS的计算过程共有5个步骤［6］，分别如下：

第1步：计算1个时隙内的RE数NRE。

计算NRE共有3个小步骤，分别是：

a）计算1个PRB内，分配给PDSCH的RE数N'RE。

b）根据表1，查找1个PRB内量化的RE数。

表1 1个PRB内分配给PDSCH/PUSCH的量化的RE数

c）根据分配的PRB数nPRB，计算PDSCH或PUSCH总的RE数NRE。

第2步：计算中间的信息比特Ninfo。

其中，NRE由式（2）得到；R是目标码率，Qm是调制阶数，根据IMCS查表得到R和Qm。PDSCH通过3GPP TS 38.214协议［5］的表5.1.3.1-1或表5.1.3.1-2得到，PUSCH通过3GPP TS 38.214协议的表5.1.3.1-1、表5.1.3.1-2或表6.1.4.1-1得到；v是数据的层数，对于下行SU-MIMO，传输给UE的数据最多是2个TB，每个TB最多是4层；对于下行MU-MIMO，传输给每个UE的数据是1个TB，每个TB最多是4层；对于上行SUMIMO，使用CP-OFDM编码，UE传输的数据是1个TB，TB最多是4层，使用变换预编码，UE传输的数据最多是1层。

第3步：如果Ninfo≤3 824，通过如下方式计算TBS。

通过式（4）计算量化的中间信息比特N'info。

然后，通过查找3GPP TS 38.214协议的表5.1.3.2-2得到最接近的不小于N'info的TBS。

第4步：如果Ninfo＞3 824，通过如下方式计算TBS。

通过式（5）计算量化的中间信息比特N'info。

如果R≤1/4，则TBS如式（6）所示。

如果R＞1/4且N'info＞8 424，则TBS如式（6）所示，但其中

如果R＞1/4且N'info≤ 8 424，则TBS如式（7）所示。

第5步：验证有效信道码率。

对于下行初始传输，如果有效信道码率Reff大于0.95，则UE可以不解码TB，并由物理层通知高层解码不成功，有效信道码率定义为下行信息比特（包括CRC比特）除以PDSCH上的物理信道比特数目NPDSCHRE。在分配给PDSCH的PRB上，用于DM-RS、CSI-RS、PT-RS以及预留给SS/PBCH的RE优先级更高，不能用于PDSCH传输，因此在计算NPDSCHRE时需要去掉上述RE。不成功解码会导致传输速率下降，本文假设PDSCH上的有效信道码率均小于0.95。

对于上行初始传输，3GPP协议没有规定有效信道码率，但是有效信道码率过高会导致UE不解码，直接丢弃传输块，本文假设PUSCH上的有效信道码率也小于0.95。

由第3步或第4步计算得到TBS后，需要验证有效信道码率，如果有效信道码率大于0.95，则降低目标码率R一个等级，重复第2步到第4步，直至有效信道码率小于0.95。

3 5G NR峰值速率

本文接下来以100 MHz系统带宽为例分析5G NR的峰值速率。

3.1 理论的峰值速率

系统带宽为100 MHz时，数据信道的子载波间隔可以取值30或60 kHz，对应的RB数分别是273和135个［1］。本文假设子载波间隔是30 kHz，则1个子帧内有2个时隙，每个时隙是0.5 ms。

接下来以下行单用户（SU-MIMO）为例来演示峰值速率的计算过程。

下行单用户（SU-MIMO）达到峰值速率的条件：PDSCH在频域上使用273个PRB，PDCCH使用1个OFDM符号，PDSCH在时域上使用13个OFDM符号；每个TB传输4层数据，那么2个TB传输8层数据；DM-RS使用Type1或Type2，时域上占用连续2个OFDM符号，对应的DM-RS端口数分别是8个和12个。

下行单用户（SU-MIMO）峰值速率的计算过程如下。

第1步：计算1个时隙内的RE数NRE。该步骤中各个参数的取值：Nshsymb=13，NPRBDMRS=24，NPRBoh=0，nPRB=273。那么N'RE=12×13-24-0=132，通过查找表1，得到Nˉ'RE=144，则NRE=144×273=39 312。

第2步：计算中间的信息比特Ninfo。该步骤中，v=4，先假设IMCS=27，对应的R=948/1 024，Qm=8。

Ninfo=39 312×948/1 024×8×4=1 164 618，由于Ninfo＞3 824，跳到第4步。

第4步：计算TBS。通过式（5），计算出量化的中间信息比特N'info=1 179 648，

由于R＞1/4且N'info＞8 428，通过式（6），计算出TBS为1 179 864。

第5步：验证有效信道码率。该步骤中，假设分配给PDSCH的PRB中只有DM-RS。NPDSCHRE=(NRBsc×Nshsymb-NPRBDMRS-NPRBoh)×nPRB×Qm×v=1 153 152，Reff=（1 179 864+24）/1153152=1.023 2，大于0.95，说明初始传输采用IMCS=27不能解码成功。

腹腔镜手术是近年来新起的一种微创手术,与传统手术方式相比,腹腔镜手术拥有创口小、出血少及恢复快等优势,也成了目前普外科、妇科及泌尿外科临床治疗中较为常用的手术方式,并且随着医疗技术的逐渐发展,腹腔镜手术治疗也将成为未来手术发展的必然趋势[1]。但为了进一步提高腹腔镜手术的恢复速度,减少术后并发症的发生,进行有效的护理干预也必不可少,本次我院就舒适护理在腹腔镜手术中的临床效果问题做专项研究。

假设IMCS=26，对应的R=916.5/1 024，Qm=8，重复第2～4步，计算出TBS为1 147 488，Reff=（1 147 488+24）/1 153 152=0.995 1，说明初始传输采用IMCS=26不能解码成功。

假设IMCS=25，对应的R=885/1 024，Qm=8，重复第2～4步，计算出TBS为1 115 048，Reff=（1 115 048+24）/1 153 152=0.967 0，说明初始传输采用IMCS=25不能解码成功。

假设IMCS=24，对应的R=841/1 024，Qm=8，重复第2～4步，计算出TBS为1 048 976，Reff=（1 048 976+24）/1 153 152=0.909 7，说明初始传输采用IMCS=24可以解码成功。TBS为1 048 976，单个时隙有2个TB，时隙长度是0.5 ms，假设所有的时隙都是下行时隙，则下行单用户（SU-MIMO）的峰值速率=2×1 048 976/0.000 5/1 024/1 024=4 002 Mbit/s。

下行单小区（MU-MIMO）达到峰值速率的条件：PDSCH在频域上使用273个PRB，PDCCH使用1个OFDM符号，PDSCH在时域上使用13个OFDM符号；3个用户复用，每个用户使用1个TB，每个TB传输4层数据；DM-RS使用Type2，在时域上占用连续2个OFDM符号，共有12个DM-RS端口，IMCS=24，下行TBS是1 048 976，单个时隙有3个TB，假设所有的时隙都是下行时隙，下行单小区（MU-MIMO）的峰值速率=3×1 048 976/0.000 5/1 024/1 024=6 002 Mbit/s。

上行单用户（SU-MIMO）达到峰值速率的条件：PUCCH使用2个PRB，PUSCH在频域上使用271个PRB，在时域上使用14个OFDM符号；1个TB，传输4层数据；DM-RS使用Type1或者Type2，占用1个OFDM符号，对应的DM-RS端口数分别是4个和6个。假设IMCS=27，经过计算后得到的TBS是1 277 992，Reff=（1 277 992+24）/1 352 832=0.944 7，小于0.95，说明初始传输采用IMCS=27可以解码成功，假设所有的时隙都是上行时隙，上行单用户（SU-MIMO）的峰值速率=1 277 992/0.000 5/1 024/1 024=2 438 Mbit/s。

上行单小区（MU-MIMO）达到峰值速率的条件：PUCCH使用2个PRB，PUSCH在频域上使用271个PRB，在时域上使用14个OFDM符号；6个用户复用，每个用户1个TB，传输2层数据；DM-RS使用Type2，占用2个连续的OFDM符号，共计有12个DM-RS端口。IMCS=27，经过计算后得到的TBS是590 128，Reff=（590 128+24）/624 384=0.945 2，小于0.95，说明初始传输采用IMCS=27可以解码成功，单个时隙有6个TB，假设所有的时隙都是上行时隙，上行单小区（MU-MIMO）的峰值速率=6×590 128/0.000 5/1 024/1 024=6 753 Mbit/s。

计算上述4个峰值速率的参数数值如表2所示。

3.2 某5G试验网的峰值速率

表2 峰值速率的参数数值

由于 3 300～3 600 MHz和 4 800～5 000 MHz都是TDD制式，不可能所有的时隙都是上行时隙或者下行时隙，5G NR能达到的峰值速率与时隙格式配置有关，接下来以某5G试验网的配置为例来分析5G NR能到达到的峰值速率。

在某5G试验网中，1个子帧内的第1个时隙为下行时隙，14个OFDM符号全部用于下行传输，第2个时隙的5个OFDM符号用于下行传输、2个OFDM符号不发射任何信号、7个OFDM符号用于上行传输。

第1个时隙为下行时隙，根据3.1节的分析，TBS是1 048 976。

第2个时隙中有5个OFDM符号用于下行传输，则Nshsymb=4，其余参数的取值与3.1节中的取值相同，当IMCS=27时，计算得到的TBS是147 576，Reff=（147 576+24）/209 664=0.704 0，小于0.95，说明初始传输采用IMCS=27可以解码成功。

第2个时隙中有7个OFDM符号用于上行传输，则Nshsymb=7，其余参数的取值与3.1节中的取值相同。对于上行单用户（SU-MIMO），当IMCS=27时，计算得到的TBS是590 128，Reff=（590 128+24）/624 384=0.945 2，小于0.95，说明初始传输采用IMCS=27可以解码成功。对于上行单小区（MU-MIMO），当IMCS＞23时，Reff均大于0.95，说明初始传输不能解码成功，当IMCS=23时，计算得到的 TBS 是 245 976，Reff=（245 976+24）/260 160=0.945 6，说明初始传输采用IMCS=23可以解码成功。

根据该5G试验网的时隙格式配置，5G NR能达到的峰值速率分别如下：

下行单用户（SU-MIMO）峰值速率=2×（1 048 976+147 576）/0.001/1 024/1 024=2 282 Mbit/s；

下行单小区（MU-MIMO）峰值速率=3×（1 048 976+147 576）/0.001/1 024/1 024=3 423 Mbit/s；

上行单用户（SU-MIMO）峰值速率=590 128/0.001/1 024/1 024=563 Mbit/s；

上行单小区（MU-MIMO）峰值速率=6×245 976/0.001/1 024/1 024=1 407 Mbit/s。

4 结束语

5G NR单用户（SU-MIMO）和单小区（MU-MIMO）的实际速率还与终端能力、无线环境、业务类型、调度策略等密切相关。在实践中，可以参照本文给出的峰值速率计算方法，根据网络配置的参数，如时隙格式、Nshsymb、NPRBDMRS、NPRBoh、分配给PDSCH和PUSCH的PRB数、IMCS等，计算出5G NR能达到的峰值速率，然后以此作为基准，用于评估不同设备、不同无线环境下的网络性能。