作者：無線深海
2020年已到。這一年正是國際電聯(lián)5G愿景中的商用元年。
實際上，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，是時候體驗5G飛一樣的網(wǎng)速了！那么問題來了：如果買了5G手機，能達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峰值速率的計算問題。
無線網(wǎng)絡(luò)要提升網(wǎng)速，主要靠下面4個武器：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載波帶寬為例來計算5G能達到的峰值速率。
頻率帶寬
如果我們把移動通信網(wǎng)絡(luò)比作一個高速公路的話，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，遠大于4G的20MHz帶寬。
對于這些頻譜，在內(nèi)部還被劃分為多個子載波。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。由于子載波這個單位太小，5G把12個子載波分為一組，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的保護帶，共得到98.28MHz，共計273個資源塊（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1：5G載波最多含273個資源單元（RB）。
上述的頻率帶寬以及RB的劃分，主要是頻域的事情。而具體在哪些時間上利用這些RB來發(fā)送數(shù)據(jù)，就是時域的職責(zé)了。
5G無線資源在時域上的劃分，就是所謂的“幀結(jié)構(gòu)”。數(shù)據(jù)在一個個無線幀上源源不斷的傳輸，其中每個幀的時長是10毫秒。這10毫秒的無線幀又劃分成了10個長度為1毫秒的子幀。其實，幀和子幀不過是度量時間的標尺而已，在5G系統(tǒng)中并沒有實際的作用。
在子幀之下，還要細分為時隙。時隙和前面所說的子載波間隔強相關(guān)：子載波間隔越小，時隙就越長，反之，子載波間隔越大，時隙就越短。
在最主流的30KHz子載波下，一個子幀內(nèi)包含2個時隙，每個時隙的時長是0.5毫秒。
在每個時隙內(nèi)，都含有14個OFDM符號。符號是時域的最小單位，用戶的數(shù)據(jù)正是在這一個個符號上發(fā)送的。每個符號根據(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，時隙和符號之間的關(guān)系，如下圖所示。
△ 5G中幀，子幀，時隙和符號之間的關(guān)系幀結(jié)構(gòu)的事情，其實遠比上圖要復(fù)雜，因為5G還有FDD（頻分雙工，F(xiàn)requency Division Duplex）和TDD（時分雙工，Time Division Duplex）之分。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。FDD這樣的雙工方式就相當(dāng)于兩條獨立的車道一樣，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，基站只能用這個載波一會給手機發(fā)送數(shù)據(jù)（下行），一會從手機那兒接收數(shù)據(jù)（上行），輪著來。由于上行和下行每次發(fā)送信息占用的時間非常短，人根本感覺不到斷續(xù)，這樣也就實現(xiàn)了雙工。那么，到底TDD的下行和上行都各占多長時間呢？這就需要從幀結(jié)構(gòu)上來定義上下行配比，并且基站都手機都遵守這個約定，雙方才能正常工作。
TDD幀格式 = 若干個下行時隙 + 1個靈活時隙 + 若干個上行時隙。在上述的TDD幀結(jié)構(gòu)中，可以有3種類型的時隙：下行時隙（D），上行時隙（U），以及靈活時隙（S）。其中，下行時隙可以有多個，每個時隙中的14個符號全部配置為下行；上行時隙也可以有多個，每個時隙中的14個符號全部配置為上行。靈活時隙只有一個，作為下行和上行的轉(zhuǎn)換點，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。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：每個周期內(nèi)2個下行時隙（D），1個上行時隙（U），1個靈活時隙（S）。
2.5毫秒單周期：每個周期內(nèi)3個下行時隙（D），1個上行時隙（U），1個靈活時隙（S）。
2.5毫秒雙周期：雙周期是指兩個周期的配置不同，一起合成一個大的循環(huán)，其中含有5個下行時隙（D），3個上行時隙（U），2個靈活時隙（S）。在這三種幀格式中，對于靈活時隙，可配置為：10個下行符號 + 2個靈活符號 + 2個上行符號。其中兩個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。為了后面計算5G速率方便，蜉蝣君計算了下不同幀結(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2：5G主流載波采用TDD幀結(jié)構(gòu)，上下行峰值速率的計算需要用到上表的數(shù)據(jù)。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。
電磁波信號有三個變量：振幅，頻率和相位，調(diào)制就是通過調(diào)整這三個變量來產(chǎn)生不同的波形，從而用來表示多組數(shù)據(jù)（比特組合）。如上圖所示，這些看似雜亂的波形其實正是調(diào)制的目的：讓標準的正弦波攜帶信息。正如通信祖師香農(nóng)所言：信息蘊藏在不確定之中。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，每個符號可以表示的比特數(shù)，就叫做調(diào)制的階數(shù)。很容易可以得出：
- 2階：每個符號表示2比特，共4個取值，也叫4QAM（QPSK）；
- 4階：每個符號表示4比特，共16個取值，也叫16QAM；
- 6階：每個符號表示6比特，共64個取值，也叫64QAM；
- 8階：每個符號表示8比特，共256個取值，也叫256QAM。
下圖是4QAM（QPSK）的一個調(diào)制波形示例。
△ 4QAM（QPSK）示意圖，這兩個縮寫的含義有略微不同，此處不展開在實際應(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點，多少Q(mào)AM就在圖上有多少個點。如下圖所示。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)制方式進化到256QAM，會密集成什么樣子？
由上圖可以看出，256QAM傳輸比64QAM更高效，同時傳輸?shù)谋忍財?shù)從6個增加到了8個，傳輸速率自然也就有了1.3倍的提升。
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，用來進行檢錯，糾錯等功能。
舉個例子，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 = 編碼前的比特數(shù) / 編碼后的比特數(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。
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3。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)和手機的接收天線數(shù)。以上圖的下行2x2MIMO為例，基站的2根天線同時發(fā)送兩路獨立數(shù)據(jù)，由基站的兩根天線接收之后，通過一定的計算即可分離出這兩路數(shù)據(jù)。在MIMO系統(tǒng)中，每一路獨立的數(shù)據(jù)，就叫做一個“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。因此，受限于5G手機的能力（4天線接收），下行之多支持4x4MIMO，也就是最多能同時進行4流（4層）數(shù)據(jù)接收。如下圖（跟實際情況相比有所簡化）所示。△ 下行4x4 MIMO示意圖（跟實際情況相比有所簡化）同理，對于上行，由于手機只能通過2根天線向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是最多能同時進行2流（2層）數(shù)據(jù)發(fā)送。如下圖（跟實際情況相比有所簡化）所示。△ 上行2x2 MIMO示意圖（跟實際情況相比有所簡化）總結(jié)要點4：5G手機下行支持4流（層）接收，上行支持2流（層）發(fā)送。鋪墊到這里，終于可以祭出大殺器：5G峰值速率計算公式了。
- 調(diào)制階數(shù)：下行8階（256QAM），上行6階（64QAM）。
- PRB個數(shù)：273，公式里面的12代表每個PRB包含12個子載波。
- 資源開銷占比意為無線資源中用作控制，不能用來發(fā)送數(shù)據(jù)的比例，協(xié)議給出了典型的數(shù)據(jù)：下行14%，上行8%。
- 符號數(shù)意為每秒可實際傳送數(shù)據(jù)的符號個數(shù)，因不同的TDD幀結(jié)構(gòu)而異，具體可參考前面第二部分的表格。現(xiàn)取2.5毫秒雙周期幀結(jié)構(gòu)的值：下行18400，上行9200。
把上述數(shù)據(jù)代入前面的公式，可得：
現(xiàn)在電信和聯(lián)通正在共享3.5GHz頻段上的100MHz的帶寬，單個手機能達到的理論速率就是上述的兩個值。如果這兩家后續(xù)開通200MHz的話，因為帶寬翻倍，速率也將翻倍，下行速率可以高達3.08Gbps！
掃碼關(guān)注5G通信官方公眾號,免費領(lǐng)取以下5G精品資料
1、回復(fù)“YD5GAI”免費領(lǐng)取《中國移動：5G網(wǎng)絡(luò)AI應(yīng)用典型場景技術(shù)解決方案白皮書》
2、回復(fù)“5G6G”免費領(lǐng)取《5G_6G毫米波測試技術(shù)白皮書-2022_03-21》
3、回復(fù)“YD6G”免費領(lǐng)取《中國移動：6G至簡無線接入網(wǎng)白皮書》
4、回復(fù)“LTBPS”免費領(lǐng)取《《中國聯(lián)通5G終端白皮書》》
5、回復(fù)“ZGDX”免費領(lǐng)取《中國電信5G NTN技術(shù)白皮書》
6、回復(fù)“TXSB”免費領(lǐng)取《通信設(shè)備安裝工程施工工藝圖解》
7、回復(fù)“YDSL”免費領(lǐng)取《中國移動算力并網(wǎng)白皮書》
8、回復(fù)“5GX3”免費領(lǐng)取《 R16 23501-g60 5G的系統(tǒng)架構(gòu)1》
關(guān)注樓主