5G的速度到底能有多快？

作者：蜉蝣采采 2020-02-24 17:53:06

新聞

對于廣大吃瓜群眾來說，是時(shí)候體驗(yàn)5G飛一樣的網(wǎng)速了!那么問題來了：如果買了5G手機(jī)，能達(dá)到的理論速率到底是多少呢?

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2020年已到。這一年正是國際電聯(lián)5G愿景中的商用元年。

實(shí)際上，從2019年開始，5G的幼苗早已在歐美中日韓破土而出。今年，這批幼苗正在茁壯成長，并已在全球分蘗蔓延成燎原之勢。

對于廣大吃瓜群眾來說，是時(shí)候體驗(yàn)5G飛一樣的網(wǎng)速了!那么問題來了：如果買了5G手機(jī)，能達(dá)到的理論速率到底是多少呢?

本期蜉蝣君將抽絲剝繭，跟大家聊聊5G峰值速率的計(jì)算問題。

無線網(wǎng)絡(luò)要提升網(wǎng)速，主要靠下面4個(gè)武器：頻率帶寬、幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制編碼、MIMO。5G當(dāng)然也不例外。

下文將以最常見的Sub6G頻譜(小于6GHz的頻譜)上100MHz載波帶寬為例來計(jì)算5G能達(dá)到的峰值速率。

01頻率帶寬

如果我們把移動通信網(wǎng)絡(luò)比作一個(gè)高速公路的話，頻段帶寬就像是道路的寬度，帶寬越大，道路越寬，當(dāng)然同時(shí)能跑的車輛就越多，也就提高了速度。

5G的載波帶寬在Sub6G頻譜下最多是100MHz，在毫米波頻譜下最多是400MHz，遠(yuǎn)大于4G的20MHz帶寬。

對于這些頻譜，在內(nèi)部還被劃分為多個(gè)子載波。5G支持的子載波寬度有15KHz(跟4G一樣)，30KHz，60KHz，120KHz和240KHz。

在5G最主流的Sub6G頻譜下，一般選用30KHz子載波間隔。由于子載波這個(gè)單位太小，5G把12個(gè)子載波分為一組，稱為資源塊(Resource Block，簡稱RB)。

100MHz的載波帶寬，再刨去左右兩邊共1.72MHz的保護(hù)帶，共得到98.28MHz，共計(jì)273個(gè)資源塊(RB)。這就是5G高速率的根本。

△ 100MHz載波，30KHz子載波間隔下的RB示意圖

然而，運(yùn)營商在較低的頻段上能湊夠100MHz也不容易。因此，5G也能支持小于100MHz的帶寬，其內(nèi)含的RB數(shù)相應(yīng)地會減少，詳細(xì)情況如下圖所示。

△ 5G不同帶寬，不同子載波間隔下的RB數(shù)量

總結(jié)要點(diǎn)1：5G載波最多含273個(gè)資源單元(RB)。

02 5G幀結(jié)構(gòu)

上述的頻率帶寬以及RB的劃分，主要是頻域的事情。而具體在哪些時(shí)間上利用這些RB來發(fā)送數(shù)據(jù)，就是時(shí)域的職責(zé)了。

5G無線資源在時(shí)域上的劃分，就是所謂的“幀結(jié)構(gòu)”。

2.1 幀，子幀，時(shí)隙和符號

數(shù)據(jù)在一個(gè)個(gè)無線幀上源源不斷的傳輸，其中每個(gè)幀的時(shí)長是10毫秒。

這10毫秒的無線幀又劃分成了10個(gè)長度為1毫秒的子幀。其實(shí)，幀和子幀不過是度量時(shí)間的標(biāo)尺而已，在5G系統(tǒng)中并沒有實(shí)際的作用。

在子幀之下，還要細(xì)分為時(shí)隙。時(shí)隙和前面所說的子載波間隔強(qiáng)相關(guān)：子載波間隔越小，時(shí)隙就越長，反之，子載波間隔越大，時(shí)隙就越短。

在最主流的30KHz子載波下，一個(gè)子幀內(nèi)包含2個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的時(shí)長是0.5毫秒。

在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)，都含有14個(gè)OFDM符號。符號是時(shí)域的最小單位，用戶的數(shù)據(jù)正是在這一個(gè)個(gè)符號上發(fā)送的。每個(gè)符號根據(jù)調(diào)制方式的不同，可以攜帶不同數(shù)量的比特。

5G中的幀，子幀，時(shí)隙和符號之間的關(guān)系，如下圖所示。

△ 5G中幀，子幀，時(shí)隙和符號之間的關(guān)系

幀結(jié)構(gòu)的事情，其實(shí)遠(yuǎn)比上圖要復(fù)雜，因?yàn)?G還有FDD(頻分雙工，F(xiàn)requency Division Duplex)和TDD(時(shí)分雙工，Time Division Duplex)之分。

2.2 主流的TDD幀格式

對于FDD模式來說，由于下行和上行采用不同的頻率，下行頻率上所有的子幀都用于下行，上行頻率上所有的子幀自然也都用于上行。

△ 頻分雙工

FDD這樣的雙工方式就相當(dāng)于兩條獨(dú)立的車道一樣，上下行在各自的頻譜上并行不悖，互不干擾。結(jié)構(gòu)上要相對簡單一些。

而對于TDD模式來說，由于下行和上行采用相同的頻率，基站只能用這個(gè)載波一會給手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)(下行)，一會從手機(jī)那兒接收數(shù)據(jù)(上行)，輪著來。由于上行和下行每次發(fā)送信息占用的時(shí)間非常短，人根本感覺不到斷續(xù)，這樣也就實(shí)現(xiàn)了雙工。

△ 時(shí)分雙工

那么，到底TDD的下行和上行都各占多長時(shí)間呢?這就需要從幀結(jié)構(gòu)上來定義上下行配比，并且基站都手機(jī)都遵守這個(gè)約定，雙方才能正常工作。

TDD幀格式 = 若干個(gè)下行時(shí)隙 + 1個(gè)靈活時(shí)隙 + 若干個(gè)上行時(shí)隙。

在上述的TDD幀結(jié)構(gòu)中，可以有3種類型的時(shí)隙：下行時(shí)隙(D)，上行時(shí)隙(U)，以及靈活時(shí)隙(S)。

其中，下行時(shí)隙可以有多個(gè)，每個(gè)時(shí)隙中的14個(gè)符號全部配置為下行;上行時(shí)隙也可以有多個(gè)，每個(gè)時(shí)隙中的14個(gè)符號全部配置為上行。

靈活時(shí)隙只有一個(gè)，作為下行和上行的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，其內(nèi)部的部分符號用作下行，部分符號用作上行，上下行符號之間還可以配置不發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔符號。

綜上，TDD的幀結(jié)構(gòu)如下圖所示。

△ TDD幀結(jié)構(gòu)總體組成

基于這樣的定義，為了滿足不同的上下行性能需求，在5G的首發(fā)頻段3.5GHz上，采用30KHz子載波間隔，業(yè)界有如下三種主流的幀格式。

2毫秒單周期：每個(gè)周期內(nèi)2個(gè)下行時(shí)隙(D)，1個(gè)上行時(shí)隙(U)，1個(gè)靈活時(shí)隙(S)。

△ 2ms單周期

2.5毫秒單周期：每個(gè)周期內(nèi)3個(gè)下行時(shí)隙(D)，1個(gè)上行時(shí)隙(U)，1個(gè)靈活時(shí)隙(S)。

△ 2.5ms單周期

2.5毫秒雙周期：雙周期是指兩個(gè)周期的配置不同，一起合成一個(gè)大的循環(huán)，其中含有5個(gè)下行時(shí)隙(D)，3個(gè)上行時(shí)隙(U)，2個(gè)靈活時(shí)隙(S)。

△ 2.5ms雙周期

在這三種幀格式中，對于靈活時(shí)隙，可配置為：10個(gè)下行符號 + 2個(gè)靈活符號 + 2個(gè)上行符號。其中兩個(gè)靈活符號用作上下行之間轉(zhuǎn)換的隔離，不用于收發(fā)信號。這種分配方式叫做10:2:2。

很明顯，TDD在實(shí)現(xiàn)上要比FDD復(fù)雜，但是目前5G的主流頻段都用的是TDD模式。

為了后面計(jì)算5G速率方便，蜉蝣君計(jì)算了下不同幀結(jié)構(gòu)下每秒可包含的周期數(shù)和上下行符號數(shù)，如下表所示。

△ 5G不同TDD幀格式下每秒可傳輸?shù)纳舷滦蟹枖?shù)

總結(jié)要點(diǎn)2：5G主流載波采用TDD幀結(jié)構(gòu)，上下行峰值速率的計(jì)算需要用到上表的數(shù)據(jù)。

03 調(diào)制與編碼

調(diào)制的作用就是把經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)(一串0和1的隨機(jī)組合)映射到前面所說幀結(jié)構(gòu)的最小單元：OFDM符號上。經(jīng)過調(diào)制的信號才能最終發(fā)射出去。

電磁波信號有三個(gè)變量：振幅，頻率和相位，調(diào)制就是通過調(diào)整這三個(gè)變量來產(chǎn)生不同的波形，從而用來表示多組數(shù)據(jù)(比特組合)。

△ 不同的調(diào)試方式示意圖

如上圖所示，這些看似雜亂的波形其實(shí)正是調(diào)制的目的：讓標(biāo)準(zhǔn)的正弦波攜帶信息。正如通信祖師香農(nóng)所言：信息蘊(yùn)藏在不確定之中。

移動通信一般用的是上圖最下面的這種數(shù)字調(diào)制方式，就是用其幅度和相位同時(shí)變化來表示不同的比特，大名叫做QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制)。

在QAM調(diào)制中，每個(gè)符號可以表示的比特?cái)?shù)，就叫做調(diào)制的階數(shù)。很容易可以得出：

2階：每個(gè)符號表示2比特，共4個(gè)取值，也叫4QAM(QPSK);
4階：每個(gè)符號表示4比特，共16個(gè)取值，也叫16QAM;
6階：每個(gè)符號表示6比特，共64個(gè)取值，也叫64QAM;
8階：每個(gè)符號表示8比特，共256個(gè)取值，也叫256QAM。

下圖是4QAM(QPSK)的一個(gè)調(diào)制波形示例。

△ 4QAM(QPSK)示意圖，這兩個(gè)縮寫的含義有略微不同，此處不展開

在實(shí)際應(yīng)用中，為了更清晰直觀，QAM調(diào)制一般采用星座圖來表示，每一組取值在圖上表示為一個(gè)點(diǎn)，多少Q(mào)AM就在圖上有多少個(gè)點(diǎn)。如下圖所示。

△ 從QPSK到64QAM

可以看出，4G最常用的64QAM在星座圖上已經(jīng)是密密麻麻了，到了5G，調(diào)制方式進(jìn)化到256QAM，會密集成什么樣子?

△ 從64QAM到256QAM

由上圖可以看出，256QAM傳輸比64QAM更高效，同時(shí)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)從6個(gè)增加到了8個(gè)，傳輸速率自然也就有了1.3倍的提升。

說了這么久調(diào)制，那么啥是編碼呢?

編碼是在調(diào)制的上一道工序，就是在要傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，增加一些冗余，用來進(jìn)行檢錯(cuò)，糾錯(cuò)等功能。

舉個(gè)例子，現(xiàn)在很流行的一句話叫：“重要的事情說三遍”，這就相當(dāng)于一種編碼。即使某一句在傳輸?shù)倪^程中發(fā)生了錯(cuò)誤，通過比較其他的兩句就可以很容易地發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。

經(jīng)過編碼之后，要發(fā)送的數(shù)據(jù)增加了，為了表征編碼增加的冗余數(shù)據(jù)的多少，引入了碼率的概念。

碼率 = 編碼前的比特?cái)?shù) / 編碼后的比特?cái)?shù)

為了表示上述這些調(diào)制和編碼的組合，5G定義了一張表，叫做調(diào)制編碼模式表(Modulation and Coding Scheme table，MCS table)，如下圖所示。

△ 5G的MCS表(之一)

如上圖所示，5G最高的調(diào)制編碼模式是MCS27，其調(diào)制階數(shù)為8，也就是256QAM，碼率為948/1024≈0.926。此為總結(jié)要點(diǎn)3。

04 MIMO，MIMO!

話說5G的超高下載速率的主要來源是MIMO技術(shù)(詳見我之前的文章“什么是MIMO? ”)。

MIMO的全稱是：Multiple Input Multiple Output，意為多入多出，主要靠在空中同時(shí)傳輸多路不同的數(shù)據(jù)來成倍地提升網(wǎng)速。下行MIMO取決于基站的發(fā)射天線數(shù)和手機(jī)的接收天線數(shù)。

△ 下行2x2 MIMO示意圖

以上圖的下行2x2MIMO為例，基站的2根天線同時(shí)發(fā)送兩路獨(dú)立數(shù)據(jù)，由基站的兩根天線接收之后，通過一定的計(jì)算即可分離出這兩路數(shù)據(jù)。

在MIMO系統(tǒng)中，每一路獨(dú)立的數(shù)據(jù)，就叫做一個(gè)“流”，也叫一“層”數(shù)據(jù)。也就是說，2x2MIMO最多支持2流，也就是2層數(shù)據(jù)。

目前的5G基站已經(jīng)可以支持64根天線發(fā)射和接收了，但手機(jī)最多只能支持4根天線接收和2根天線發(fā)送(2T4R)。因此，下行和上行的MIMO的效果都主要取決于手機(jī)。

△ 5G手機(jī)內(nèi)置天線示意圖

因此，受限于5G手機(jī)的能力(4天線接收)，下行之多支持4x4MIMO，也就是最多能同時(shí)進(jìn)行4流(4層)數(shù)據(jù)接收。如下圖(跟實(shí)際情況相比有所簡化)所示。

△ 下行4x4 MIMO示意圖(跟實(shí)際情況相比有所簡化)

同理，對于上行，由于手機(jī)只能通過2根天線向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是最多能同時(shí)進(jìn)行2流(2層)數(shù)據(jù)發(fā)送。如下圖(跟實(shí)際情況相比有所簡化)所示。