[[315962]]

2020年已到。這一年正是國際電聯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。

無線網絡要提升網速，主要靠下面4個武器：頻率帶寬、幀結構、調制編碼、MIMO。5G當然也不例外。

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。

01頻率帶寬

如果我們把移動通信網絡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，其內含的RB數相應地會減少，詳細情況如下圖所示。

△ 5G不同帶寬，不同子載波間隔下的RB數量

總結要點1：5G載波最多含273個資源單元(RB)。

02 5G幀結構

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來發送數據，就是時域的職責了。

5G無線資源在時域上的劃分，就是所謂的“幀結構”。

2.1 幀，子幀，時隙和符號

數據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：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，一個子幀內包含2個時隙，每個時隙的時長是0.5毫秒。

在每個時隙內，都含有14個OFDM符號。符號是時域的最小單位，用戶的數據正是在這一個個符號上發送的。每個符號根據調制方式的不同，可以攜帶不同數量的比特。

5G中的幀，子幀，時隙和符號之間的關系，如下圖所示。

△ 5G中幀，子幀，時隙和符號之間的關系

幀結構的事情，其實遠比上圖要復雜，因為5G還有FDD(頻分雙工，Frequency Division Duplex)和TDD(時分雙工，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。結構上要相對簡單一些。

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送數據(下行)，一會從手機那兒接收數據(上行)，輪著來。由于上行和下行每次發送信息占用的時間非常短，人根本感覺不到斷續，這樣也就實現了雙工。

△ 時分雙工

那么，到底TDD的下行和上行都各占多長時間呢?這就需要從幀結構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幀結構中，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換點，其內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送數據的間隔符號。

綜上，TDD的幀結構如下圖所示。

△ TDD幀結構總體組成

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

2毫秒單周期：每個周期內2個下行時隙(D)，1個上行時隙(U)，1個靈活時隙(S)。

△ 2ms單周期

2.5毫秒單周期：每個周期內3個下行時隙(D)，1個上行時隙(U)，1個靈活時隙(S)。

△ 2.5ms單周期

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，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)。

△ 2.5ms雙周期

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換的隔離，不用于收發信號。這種分配方式叫做10:2:2。

很明顯，TDD在實現上要比FDD復雜，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構下每秒可包含的周期數和上下行符號數，如下表所示。

△ 5G不同TDD幀格式下每秒可傳輸的上下行符號數

總結要點2：5G主流載波采用TDD幀結構，上下行峰值速率的計算需要用到上表的數據。

03 調制與編碼

調制的作用就是把經過編碼的數據(一串0和1的隨機組合)映射到前面所說幀結構的最小單元：OFDM符號上。經過調制的信號才能最終發射出去。

電磁波信號有三個變量：振幅，頻率和相位，調制就是通過調整這三個變量來產生不同的波形，從而用來表示多組數據(比特組合)。

△ 不同的調試方式示意圖

如上圖所示，這些看似雜亂的波形其實正是調制的目的：讓標準的正弦波攜帶信息。正如通信祖師香農所言：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字調制方式，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，正交振幅調制)。

在QAM調制中，每個符號可以表示的比特數，就叫做調制的階數。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

在實際應用中，為了更清晰直觀，QAM調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QAM就在圖上有多少個點。如下圖所示。

△ 從QPSK到64QAM

可以看出，4G最常用的64QAM在星座圖上已經是密密麻麻了，到了5G，調制方式進化到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，同時傳輸的比特數從6個增加到了8個，傳輸速率自然也就有了1.3倍的提升。

說了這么久調制，那么啥是編碼呢?

編碼是在調制的上一道工序，就是在要傳輸的原始數據的基礎之上，增加一些冗余，用來進行檢錯，糾錯等功能。

舉個例子，現在很流行的一句話叫：“重要的事情說三遍”，這就相當于一種編碼。即使某一句在傳輸的過程中發生了錯誤，通過比較其他的兩句就可以很容易地發現并糾正錯誤。

經過編碼之后，要發送的數據增加了，為了表征編碼增加的冗余數據的多少，引入了碼率的概念。

碼率 = 編碼前的比特數 / 編碼后的比特數

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

△ 5G的MCS表(之一)

如上圖所示，5G最高的調制編碼模式是MCS27，其調制階數為8，也就是256QAM，碼率為948/1024≈0.926。此為總結要點3。

04 MIMO，MIMO!

話說5G的超高下載速率的主要來源是MIMO技術(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據來成倍地提升網速。下行MIMO取決于基站的發射天線數和手機的接收天線數。

△ 下行2x2 MIMO示意圖

以上圖的下行2x2MIMO為例，基站的2根天線同時發送兩路獨立數據，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據。

在MIMO系統中，每一路獨立的數據，就叫做一個“流”，也叫一“層”數據。也就是說，2x2MIMO最多支持2流，也就是2層數據。

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

△ 5G手機內置天線示意圖

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)數據接收。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根天線向基站發送數據，也就是最多能同時進行2流(2層)數據發送。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)

總結要點4：5G手機下行支持4流(層)接收，上行支持2流(層)發送。

05 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峰值速率計算公式了。

△ 5G載波的峰值計算公式

• MIMO層數：下行4層，上行2層。
• 調制階數：下行8階(256QAM)，上行6階(64QAM)。
• 編碼碼率：948/1024≈0.926。
• PRB個數：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，不能用來發送數據的比例，協議給出了典型的數據：下行14%，上行8%。
• 符號數意為每秒可實際傳送數據的符號個數，因不同的TDD幀結構而異，具體可參考前面第二部分的表格。現取2.5毫秒雙周期幀結構的值：下行18400，上行9200。

△ 5G載波的峰值計算因素圖示

把上述數據代入前面的公式，可得：

• 下行峰值速率為：1.54Gbps
• 上行峰值速率為：308Mbps

現在電信和聯通正在共享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!

這個速度，足以傲視群雄。

好了，本期的介紹就到這里，希望對大家有所幫助。

非常感謝能堅持看到最后。