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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(duì)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。
頻率帶寬
如果我們把移動(dòng)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(duì)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。
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△ 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(huì)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）。
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(hào)
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(hào)。符號(hào)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(hào)上發(fā)送的。每個(gè)符號(hào)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(hào)之間的關(guān)系，如下圖所示。
△ 5G 中幀，子幀，時(shí)隙和符號(hào)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)?5G 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(duì)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(duì)簡單一些。
而對(duì)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(huì)給手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（下行），一會(huì)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(hào)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(hào)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(hào)用作下行，部分符號(hào)用作上行，上下行符號(hào)之間還可以配置不發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔符號(hào)。
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(duì)于靈活時(shí)隙，可配置為：10 個(gè)下行符號(hào) + 2 個(gè)靈活符號(hào) + 2 個(gè)上行符號(hào)。其中兩個(gè)靈活符號(hào)用作上下行之間轉(zhuǎn)換的隔離，不用于收發(fā)信號(hào)。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(hào)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?hào)數(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)。
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(hào)上。經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)才能最終發(fā)射出去。
電磁波信號(hào)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(dòng)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(hào)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(hào)表示 2 比特，共 4 個(gè)取值，也叫 4QAM（QPSK）；
4 階：每個(gè)符號(hào)表示 4 比特，共 16 個(gè)取值，也叫 16QAM；
6 階：每個(gè)符號(hào)表示 6 比特，共 64 個(gè)取值，也叫 64QAM；
8 階：每個(gè)符號(hào)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 QAM 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(huì)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。
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(duì)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。
△ 上行 2x2 MIMO 示意圖（跟實(shí)際情況相比有所簡化）
總結(jié)要點(diǎn) 4：5G 手機(jī)下行支持 4 流（層）接收，上行支持 2 流（層）發(fā)送。
5G 的速度到底能有多快？
鋪墊到這里，終于可以祭出大殺器：5G 峰值速率計(jì)算公式了。
△ 5G 載波的峰值計(jì)算公式
MIMO 層數(shù)：下行 4 層，上行 2 層。
調(diào)制階數(shù)：下行 8 階（256QAM），上行 6 階（64QAM）。
編碼碼率：948/1024≈0.926。
PRB 個(gè)數(shù)：273，公式里面的 12 代表每個(gè) PRB 包含 12 個(gè)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(hào)數(shù)意為每秒可實(shí)際傳送數(shù)據(jù)的符號(hào)個(gè)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?，F(xiàn)取 2.5 毫秒雙周期幀結(jié)構(gòu)的值：下行 18400，上行 9200。
△ 5G 載波的峰值計(jì)算因素圖示
把上述數(shù)據(jù)代入前面的公式，可得：
下行峰值速率為：1.54Gbps
上行峰值速率為：308Mbps
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(gè)手機(jī)能達(dá)到的理論速率就是上述的兩個(gè)值。
如果這兩家后續(xù)開通 200MHz 的話，因?yàn)閹挿?，速率也將翻倍，下行速率可以高達(dá) 3.08Gbps！
這個(gè)速度，足以傲視群雄。
好了，本期的介紹就到這里，希望對(duì)大家有所幫助。
非常感謝能堅(jiān)持看到最后。
