频谱效率的概念

与4G LTE一样，频谱效率也是5G NR的重要考虑因素，即给定信道带宽下可传送的信息量，或者仅表示该频谱用于传输信息的效率。

频谱效率通常表示为“ 比特每秒每赫兹”或“ bit / s / Hz ”，定义为：以每秒比特数（bps）为单位的净数据速率除以以赫兹为单位的带宽。净数据速率和符号速率与原始数据速率有关，原始数据速率包括可用的有效负载和所有开销。

• 原始数据速率=有效负载+开销
• 净数据速率=原始数据速率–开销
• 频谱效率=以bps为单位的净数据速率/以Hz为单位的通道带宽

例如：一个系统使用信道带宽为2 MHz，它可以支持例如15 Mbps的原始数据速率，假设2 Mbps作为开销，那么净数据速率将为13 Mpbs，那么其频谱效率可以计算如下：

• 频谱效率= 13 x 10 ^ 6/2 x 10 ^ 6 = 6.5 bits/s/ Hz

但是我们需要知道，在给定带宽中可以传输多少数据受香农定理（Shannon）的限制。

4G LTE的频谱效率计算

LTE系统可以支持最大信道带宽为20 MHz（不包括载波聚合）。其符号率可以计算为:

• 符号率（符号/秒）= 1200 x 14 x 1000 = 16,800,000 Symbol/s

将64-QAM作为下行链路的最高调制，每个符号可以携带6 bits，可提供原始数据速率，如下计算所示：

• 原始数据速率= 16,800,000 x 6 = 100.8 Mbps（未考虑MIMO）

考虑4×4 MIMO：理论上它的原始数据速率可达到4倍，即400 Mbps。假设开销占比25％，则净数据速率将为300 Mbps。

类似地，可以计算上行链路的数据速率。在1×1 LTE上行链路中，没有MIMO，因此在上行链路中支持64-QAM的情况下，最大原始数据可以达到100 Mbps，而扣除25％的上行链路开销净数据速率将为75 Mbps。采用16-QAM的上行链路净数据为51 Mbps。

• 下行链路的频谱效率= 300 x 10 ^ 6 bps / 20 x 10 ^ 6 Hz = 15 bits/s/ Hz
• 64-QAM上行链路的频谱效率（64-QAM UL）= 75 x 10 ^ 6 bps / 20 x 10 ^ 6 Hz = 3.75 bits/s/ Hz
• 16-QAM上行链路的频谱效率（16-QAM UL）= 51 x 10 ^ 6 bps / 20 x 10 ^ 6 Hz = 2.55 bits/s/ Hz

5G NR的频谱效率计算

5G NR可以提供下行链路吞吐量2.31 Gbps和上行链路吞吐量2.47 Gbps，并假设在100 MHz的信道带宽下的配置如下所示（单载波）。

• 下行链路频谱效率= 2.31 x 10 ^ 9 bps / 100 x 10 ^ 6 Hz = 23 bits/s/ Hz
• 上行链路频谱效率= 2.47 x 10 ^ 9 bps / 100 x 10 ^ 6 Hz = 24 bits/s/ Hz

注意：这里仅考虑合理基线假设的理论值，实际网络性能可能有所不同。