精品案例4G VS 5G上下行速率差距大原因探索研究.docx
《精品案例4G VS 5G上下行速率差距大原因探索研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品案例4G VS 5G上下行速率差距大原因探索研究.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
精品案例4GVS5G上下行速率差距大原因探索研究
4GVS5G上下行速率差距大原因探索研究
4GVS5G上下行速率差距大原因探索研究
【摘要】当前5G网络建设正在如火如荼的进行中，已有不少用户体验了5G网络速率飞一般的感觉，相比4G网络体验速率（下行130Mbps左右，上行40Mbps左右），5G网络体验速率（下行1200Mbps左右，上行300Mbps左右）提升接近10倍左右。
为何两者体验速率相差这么多，本文将从理论分析出发，结合实际情况解开速率差距之谜。
【关键字】4G网络、5G网络、体验速率、速率差距
【业务类别】其他
一、问题描述
4G网络当前单载频最大带宽是20M，在话务很低的基站下进行速率测试，一般能够测试到100Mbps左右的下载速率，40Mbps左右的上传速率；5GSA组网模式下，当前单载频部署带宽是100M，速率测试能够体验到下载1000Mbps以上，上传300Mbps左右。
两者带宽差距仅3.5倍（当前SA网络为TDD组网，上下行配比3：
7），为何速率差距能够达到近10倍之多。
4G测速截图5G测速截图
二、分析过程
要了解峰值速率计算过程，首先要熟悉4G&5G时频资源结构，下文先简单介绍2个系统的资源结构。
2.1LTE资源结构
2.1.14GLTE时域
FDD-LTE系统下，每个系统帧长达10ms，由10个子帧（subframe）组成。
每个子帧长达1ms，由2个连续的slot组成。
每个slot长达0.5ms，由7个（普通CP）或6个（扩展CP）OFDM符号组成。
LTE时频结构示意图如下所示：
对于FDD而言，上下行传输是通过频域区分开的。
在每一个10ms内，各有10个子帧可用于上行传输和下行传输。
2.1.24GLTE频域
LTE中，频域上的基本单位为一个子载波（subcarrier）。
上行和下行的子载波间距均为15kHz。
RE 是LTE中的最小物理资源。
一个RE可存放一个调制符号（modulationsymbol），该调制符号可使用QPSK（对应一个RE存放2比特数据）、16QAM（对应一个RE存放4比特数据）或64QAM（对应一个RE存放6比特数据）调制。
RB（ResourceBlock）在时域上包含6或7个连续的符号，在频域上包含12连续的子载波。
可以看出，对于正常的循环前缀，每个RB包含7*12=84个RE；对于扩展的循环前缀，每个RB包含6*12=72个RE。
虽然RB是基于一个slot（0.5ms）定义的，但LTE中调度的基本时间单位是一个子帧（1ms，对应2个slot），称为一个TTI。
一个TTI内的调度（调度PDSCH和PUSCH资源）的最小单位实际上由同一子帧上时间上相连的2个RB（每个slot对应一个RB）组成，并被称为RBpair。
LTE时频资源结构如下所示：
LTE频域资源结构如下所示：
2.1.34GLTE空域
LTE中，空间维度是以“层（layer）”来度量的，并使用多天线传输和多天线接收技术来实现。
每层对应一条有效的数据流，并会映射到逻辑上的“天线端口（antennaport）”上。
每个天线端口对应一个时频资源网格，并有一个对应的参考信号（ReferenceSignal），以便接收端进行信道估计和相干解调等。
4G商用手机终端主流都是1T2R。
2.2NR资源结构
2.2.15GNR时域
NR时域方面主要涉及无线帧、子帧及配比、时隙、符号以及调度。
2.2.1.1帧结构
NR和LTE相比，有一个很大的不同，就是定义了多种帧结构，所以计算下载速度也非常的麻烦。
时域涉及到关键名词有帧、子帧、半帧、时隙、符号。
NR和LTE一样，帧长为10ms，子帧为1ms，每个帧之中前五个子帧构成前半帧，后五个子帧构成后半帧。
有15Khz、30Khz、60Khz、120Khz多种子载波间隔，每个子帧对应2个时隙，每个时隙包括14个OFDM符号。
现在我们使用的频段都是TDD频段，需要考虑到上行和下行，现网比较常见的是2.5ms双周期配置。
在常规时隙的14个符号之中，大概是11个符号承载数据，3个符号作为开销。
100M带宽2.5ms双周期，在现网特殊时隙配比10:
2:
2的情况下，5ms有3+2*2/14=3.2857个上行时隙，折合1毫秒0.657个；每毫秒下行时隙为（5+2*10/14）/5=1.286个。
2.2.1.2上行调度
（1）原理描述
上行调度主要用于保障用户资源分配的公平性。
∙在RB总的个数不变情况下，用户数越少，则每个用户可用的RB数越大。
∙在用户可用RB不变的情况下，用户的信道质量越好，用户的信噪比越高，则吞吐率越大。
∙在相同信道质量和功率足够情况下，用户可用的RB越大，则吞吐率越大。
上行调度的基本流程如下图所示，用户数据请求会作为调度器的输入，用户调度结果会作为调度器的输出。
上行调度器的输入信息与输出信息描述如下。
用户数据请求
●SRI（SchedulingRequestIndicator）：
UE通过PUCCH（PhysicalUplinkControlChannel）告知gNodeB有上行数据需要发送，调度器据此为UE分配PUSCH时频域资源。
●BSR（BufferStatusReport）：
UE向调度器发送的上行数据缓冲区中数据量大小。
●HARQ反馈状态：
HARQ反馈状态包括ACK、NACK，指示用户初传数据和重传数据的传输正确性。
用户调度结果
●PUSCH时频域资源：
调度器给UE分配的PUSCH时频域资源，包括时域资源和频域资源。
●DMRS资源：
调度器给UE分配的DMRS资源范围。
●MCS：
调度器为每个调度成功的UE指示的调制编码方式。
说明：
终端能力、上行功率等信息也会影响调度的结果。
每秒可以发送多少个时隙，子载波间隔为30kHz时上下行每秒一共2000个时隙，按照7:
3的配比稳定后每秒下行调度为1400，上行调度为600。
2.2.1.3下行调度
（1）原理描述
下行调度用于保障用户QoS要求以及覆盖要求，在确保用户公平性的基础上，实现系统容量最大化。
∙在RB总的个数不变情况下，用户数越少，则每个用户可用的RB数越大。
∙在用户可用RB不变的情况下，用户的信道质量越好，用户的信噪比越高，则吞吐率越大。
∙在相同信道质量情况下，用户可用的RB越大，则吞吐率越大。
下行调度器的输入信息与输出信息描述如下。
∙用户数据请求
▪RLC（RadioLinkControl）数据缓存状态：
RLC缓存中的数据量，指示用户待调度的数据量。
▪HARQ（HybridAutomaticRepeatRequest）反馈状态：
HARQ反馈状态包括ACK（Acknowledgement）、NACK（NegativeAcknowledgement）和DTX（DiscontinuousTransmission），指示用户初传数据和重传数据的传输正确性。
∙用户调度结果
▪PDSCH时频域资源：
调度器给UE分配的PDSCH时频域资源，包括时域资源和频域资源。
▪DMRS资源：
调度器给UE分配的DMRS资源。
▪MCS：
调度器为每个调度成功的UE指示的调制编码方式。
2.2.25GNR码域
NR码域方面主要涉及调制方式以及编码效率。
NR采用了高阶调制，当前已经应用的是最高256QAM，未来还会有更高的调制，比如512QAM、1024QAM。
不同的调制方式，每个符号可以携带不同比特位的信息，256是2的8次方，对应8个bit。
如5G网络中上行使用了64QAM，每个符号可以承载6比特数据（64=2的6次方），下行使用了256QAM，每个符合可以承载8比特的数据。
码率的定义：
码率=（下行有效信息bit数+CRCbit数）/PDSCH上全部的bit数。
目标码率就是有效信息除以总传输bit的值，也就是说不同的MCS的码率自然都不相同。
在实际调度中，不可能所有的下行数据都使用相同的MCS，因此实际的码率不会等于目标码率。
当前NR的调度粒度，在时域上是以TTI为单位，在频域上以RBG为调度单元，以C_band为例，一个TTI等于一个SLOT，换算成时间0.5ms；一个RBG等于16个RB。
RB是ResourceBlock的简称，频域上代表12个子载波,1个子载波。
协议规定，实际调度中，最多同时传输2个TB（TransportBlock）。
当前实际调度流数小于等于4时，调度使用1个TB。
这里的TB就是用来传输信息流的，由于码率的限制，TB不可能任意大小。
这里有个概念需要梳理一下，TB就是实际传输的信息bit集，而RB/SLOT等信息是承载这些bit信息的无线空口资源，码率通俗的理解就是传输Xbit信息流时，需要耗费多少的无线空口资源。
码率的作用：
码率的作用与频谱效率类似，都表示无线空口资源的利用效率。
码率越高，普效率就越高，无限传输效率越高。
对于运营商来说，频谱是非常珍贵的资源，带宽有限的情况下，单位带宽能够传输的有效信息越多，用户体验越好。
下图为64QAM和256QAM调制方式码率对应表：
64QAM
256QAM
MCSIndex
ModulationOrder
TargetcodeRateRx[1024]
Spectral
efficiency
MCSIndex
ModulationOrder
TargetcodeRateRx[1024]
Spectral
efficiency
0
2
120
0.2344
0
2
120
0.2344
1
2
157
0.3066
1
2
193
0.377
2
2
193
0.377
2
2
308
0.6016
3
2
251
0.4902
3
2
449
0.877
4
2
308
0.6016
4
2
602
1.1758
5
2
379
0.7402
5
4
378
1.4766
6
2
449
0.877
6
4
434
1.6953
7
2
526
1.0273
7
4
490
1.9141
8
2
602
1.1758
8
4
553
2.1602
9
2
679
1.3262
9
4
616
2.4063
10
4
340
1.3281
10
4
658
2.5703
11
4
378
1.4766
11
6
466
2.7305
12
4
434
1.6953
12
6
517
3.0293
13
4
490
1.9141
13
6
567
3.3223
14
4
553
2.1602
14
6
616
3.6094
15
4
616
2.4063
15
6
666
3.9023
16
4
658
2.5703
16
6
719
4.2129
17
6
438
2.5664
17
6
772
4.5234
18
6
466
2.7305
18
6
822
4.8164
19
6
517
3.0293
19
6
873
5.1152
20
6
567
3.3223
20
8
682.5
5.332
21
6
616
3.6094
21
8
711
5.5547
22
6
666
3.9023
22
8
754
5.8906
23
6
719
4.2129
23
8
797
6.2266
24
6
772
4.5234
24
8
841
6.5703
25
6
822
4.8164
25
8
885
6.9141
26
6
873
5.1152
26
8
916.5
7.1602
27
6
910
5.332
27
8
948
7.4063
28
6
948
5.5547
28
2
reserved
29
2
reserved
29
4
reserved
30
4
reserved
30
6
reserved
31
6
reserved
31
8
reserved
2.2.35GNR空域
手机终端天线收发模式除了2T4R以外，少的譬如4G商用手机终端主流都是1T2R，也有WiMax终端采用4T4R天线收发，多的如5G初期实验阶段采用的测试终端TUE低频场景用的4T8R（采用外置双极化天线进行收发）。
对于移动通信网络设备，不论是运营商、还是终端及设备厂家，都需遵循相关协议标准要求。
而对于5G网络大带宽、高速率等特点，1T2R的收发终端不太适应大带宽、高速率的要求，协议TS38.101里规定对于5G频段终端，必选要求下行支持4Rx，如下截图：
3GPP协议对Rx要求
而对于上行，协议只对几个频段的UL2x2MIMO技术指标做了定义建议，并未强制要求上行支持2Tx，如下截图：
3GPP协议对Tx要求
按照协议区分下行和上行天线不同的要求，我们首先可以明确5G手机终端天线收发模式协议建议选择nT4R，上行天线n可以是1、2、4，协议并未强制要求。
但为了提高网络性能，运营商与终端设备厂家是有自己的严格规定为5G手机收发模式必选2T4R。
5G商用手机终端要求采用2T4R的收发天线配置，从收发两方面来看，至少支持4天线接收的主要原因，一是单用户支持下行4流，能提高单用户峰值速率；二是5G主流频段采用高频，终端天线尺寸小。
而支持上行2T发送的主要原因，一是相对于4G的1T，2T可利用天线选择对抗信道衰落（发射分集），增强上行覆盖；二是提高终端上行峰值速率（上行可实现单用户2流）；再有5G主流频段采用高频，天线尺寸小。
除了考虑终端侧，协议建议网络侧通过波束赋形提升5G广播波束和业务波束覆盖，理论增益可达3dB。
在TS38.213中，5G广播波束定义了5种SSBPattern，其中Sub2.4Ghz的SSB波束最大为4个，2.4Ghz~6Ghz的SSB波束最大为8个。
5G广播波束越多，波束宽度越窄增益越强，但需要更多的天线阵列。
而满足4流波束赋形至少需要两个天线阵列，即要求每个频段至少支持2列阵列（双极化），即每个频段至少支持4T4R，如下图所示。
5G广播信号波束赋形
三、解决措施
通过上文对4G&5G时频资源进行简单的介绍，下面来计算4G&5G上下行峰值速率。
3.1峰值速率计算
5G100M带宽子载波为30KHZ，上下行时隙配比为DDDSUDDSUU（7:
3）和特殊子帧配比为10：
2：
2，上下行调制方式均为256QAM，商用手机为2T4R；4GLTE20M带宽子载波为15KHZ，上下行为FDD双工方式，下行最大调制64QAM，上行最大调制16QAM，商用手机为1T2R为计算标准。
计算过程如下：
通过上述计算对比，可以看出，5GNR上行理论速率可达340Mbps左右，下行理论速率可达1.3Gbps以上；4GLTE上行理论速率可达50Mbps左右，下行理论速率可达130Mbps以上。
3.2差距因素对比
参考上述计算过程，汇总4G&5G上下行速率差距原因，具体因素主要为带宽、调制方式、双工方式、MIMO模式，最终对比结果为4GVS5G上行差距6.7倍，下行差距10倍。
具体对比如下图；
3.3测试实例
摘选现网4G&5G单验数据，上下行FTP测试速率截图如下：
4GLTEFDD测试
上传速率
下载速率
5GNR测试
上传速率
下载速率
从现网单验测试中可以看出，实际测试峰值速率均比较接近理论计算值，由于现场无线环境条件、终端等原因限制，很难达到理论峰值，但相差不大。
四、经验总结
本文从4G&5G时频资源结构出发，分析2种系统的不同之处，通过速率计算公式，对比二者峰值速率差距的因素，最终得出二者上下行速率相差6.7/10倍的结论。
如今5G网络正在快速发展，后续各行各业也将开启5G网络的应用，这就要求通信人员对5G网络有更加深刻的了解。
虽然5G网络与4G网络有很多相似之处，但还是存在诸多不同，需要我们对基础理论知识掌握更加深入和全面，才能理解和更好的应用于日常工作之中。
升级会员 