5G的速度到底能有多快?

2020年已到。这一年正是国际电联5G愿景中的商用元年。

实际上,从2019年开始,5G的幼苗早已在欧美中日韩破土而出。今年,这批幼苗正在茁壮成长,并已在全球分蘖蔓延成燎原之势。

对于广大吃瓜群众来说,是时候体验5G飞一样的网速了!那么问题来了:如果买了5G手机,能达到的理论速率到底是多少呢?

本期蜉蝣君将抽丝剥茧,跟大家聊聊5G峰值速率的计算问题。

无线网络要提升网速,主要靠下面4个武器:频率带宽、帧结构、调制编码、MIMO。5G当然也不例外。

下文将以最常见的Sub6G频谱(小于6GHz的频谱)上100MHz载波带宽为例来计算5G能达到的峰值速率。

01频率带宽

如果我们把移动通信网络比作一个高速公路的话,频段带宽就像是道路的宽度,带宽越大,道路越宽,当然同时能跑的车辆就越多,也就提高了速度。

5G的载波带宽在Sub6G频谱下最多是100MHz,在毫米波频谱下最多是400MHz,远大于4G的20MHz带宽。

对于这些频谱,在内部还被划分为多个子载波。5G支持的子载波宽度有15KHz(跟4G一样),30KHz,60KHz,120KHz和240KHz。

在5G最主流的Sub6G频谱下,一般选用30KHz子载波间隔。由于子载波这个单位太小,5G把12个子载波分为一组,称为资源块(Resource Block,简称RB)。

100MHz的载波带宽,再刨去左右两边共1.72MHz的保护带,共得到98.28MHz,共计273个资源块(RB)。这就是5G高速率的根本。

△ 100MHz载波,30KHz子载波间隔下的RB示意图

然而,运营商在较低的频段上能凑够100MHz也不容易。因此,5G也能支持小于100MHz的带宽,其内含的RB数相应地会减少,详细情况如下图所示。

△ 5G不同带宽,不同子载波间隔下的RB数量

总结要点1:5G载波最多含273个资源单元(RB)。

02

5G帧结构

上述的频率带宽以及RB的划分,主要是频域的事情。而具体在哪些时间上利用这些RB来发送数据,就是时域的职责了。

5G无线资源在时域上的划分,就是所谓的“帧结构”。

2.1 帧,子帧,时隙和符号

数据在一个个无线帧上源源不断的传输,其中每个帧的时长是10毫秒。

这10毫秒的无线帧又划分成了10个长度为1毫秒的子帧。其实,帧和子帧不过是度量时间的标尺而已,在5G系统中并没有实际的作用。

在子帧之下,还要细分为时隙。时隙和前面所说的子载波间隔强相关:子载波间隔越小,时隙就越长,反之,子载波间隔越大,时隙就越短。

在最主流的30KHz子载波下,一个子帧内包含2个时隙,每个时隙的时长是0.5毫秒。

在每个时隙内,都含有14个OFDM符号。符号是时域的最小单位,用户的数据正是在这一个个符号上发送的。每个符号根据调制方式的不同,可以携带不同数量的比特。

5G中的帧,子帧,时隙和符号之间的关系,如下图所示。

△ 5G中帧,子帧,时隙和符号之间的关系

帧结构的事情,其实远比上图要复杂,因为5G还有FDD(频分双工,Frequency Division Duplex)和TDD(时分双工,Time Division Duplex)之分。

2.2 主流的TDD帧格式

对于FDD模式来说,由于下行和上行采用不同的频率,下行频率上所有的子帧都用于下行,上行频率上所有的子帧自然也都用于上行。

△ 频分双工

FDD这样的双工方式就相当于两条独立的车道一样,上下行在各自的频谱上并行不悖,互不干扰。结构上要相对简单一些。

而对于TDD模式来说,由于下行和上行采用相同的频率,基站只能用这个载波一会给手机发送数据(下行),一会从手机那儿接收数据(上行),轮着来。由于上行和下行每次发送信息占用的时间非常短,人根本感觉不到断续,这样也就实现了双工。

△ 时分双工

那么,到底TDD的下行和上行都各占多长时间呢?这就需要从帧结构上来定义上下行配比,并且基站都手机都遵守这个约定,双方才能正常工作。

TDD帧格式 = 若干个下行时隙 + 1个灵活时隙 + 若干个上行时隙

在上述的TDD帧结构中,可以有3种类型的时隙:下行时隙(D),上行时隙(U),以及灵活时隙(S)。

其中,下行时隙可以有多个,每个时隙中的14个符号全部配置为下行;上行时隙也可以有多个,每个时隙中的14个符号全部配置为上行。

灵活时隙只有一个,作为下行和上行的转换点,其内部的部分符号用作下行,部分符号用作上行,上下行符号之间还可以配置不发送数据的间隔符号。

综上,TDD的帧结构如下图所示。

△ TDD帧结构总体组成

基于这样的定义,为了满足不同的上下行性能需求,在5G的首发频段3.5GHz上,采用30KHz子载波间隔,业界有如下三种主流的帧格式。

2毫秒单周期:每个周期内2个下行时隙(D),1个上行时隙(U),1个灵活时隙(S)。

△ 2ms单周期

2.5毫秒单周期:每个周期内3个下行时隙(D),1个上行时隙(U),1个灵活时隙(S)。

△ 2.5ms单周期

2.5毫秒双周期:双周期是指两个周期的配置不同,一起合成一个大的循环,其中含有5个下行时隙(D),3个上行时隙(U),2个灵活时隙(S)。

△ 2.5ms双周期

在这三种帧格式中,对于灵活时隙,可配置为:10个下行符号 + 2个灵活符号 + 2个上行符号。其中两个灵活符号用作上下行之间转换的隔离,不用于收发信号。这种分配方式叫做10:2:2。

很明显,TDD在实现上要比FDD复杂,但是目前5G的主流频段都用的是TDD模式。

为了后面计算5G速率方便,蜉蝣君计算了下不同帧结构下每秒可包含的周期数和上下行符号数,如下表所示。

△ 5G不同TDD帧格式下每秒可传输的上下行符号数

总结要点2:5G主流载波采用TDD帧结构,上下行峰值速率的计算需要用到上表的数据。

03

调制与编码

调制的作用就是把经过编码的数据(一串0和1的随机组合)映射到前面所说帧结构的最小单元:OFDM符号上。经过调制的信号才能最终发射出去。

电磁波信号有三个变量:振幅,频率和相位,调制就是通过调整这三个变量来产生不同的波形,从而用来表示多组数据(比特组合)。

△ 不同的调试方式示意图

如上图所示,这些看似杂乱的波形其实正是调制的目的:让标准的正弦波携带信息。正如通信祖师香农所言:信息蕴藏在不确定之中。

移动通信一般用的是上图最下面的这种数字调制方式,就是用其幅度和相位同时变化来表示不同的比特,大名叫做QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制)。

在QAM调制中,每个符号可以表示的比特数,就叫做调制的阶数。很容易可以得出:

  • 2阶:每个符号表示2比特,共4个取值,也叫4QAM(QPSK);
  • 4阶:每个符号表示4比特,共16个取值,也叫16QAM;
  • 6阶:每个符号表示6比特,共64个取值,也叫64QAM;
  • 8阶:每个符号表示8比特,共256个取值,也叫256QAM。

下图是4QAM(QPSK)的一个调制波形示例。

△ 4QAM(QPSK)示意图,这两个缩写的含义有略微不同,此处不展开

在实际应用中,为了更清晰直观,QAM调制一般采用星座图来表示,每一组取值在图上表示为一个点,多少QAM就在图上有多少个点。如下图所示。

△ 从QPSK到64QAM

可以看出,4G最常用的64QAM在星座图上已经是密密麻麻了,到了5G,调制方式进化到256QAM,会密集成什么样子?

△ 从64QAM到256QAM

由上图可以看出,256QAM传输比64QAM更高效,同时传输的比特数从6个增加到了8个,传输速率自然也就有了1.3倍的提升。

说了这么久调制,那么啥是编码呢?

编码是在调制的上一道工序,就是在要传输的原始数据的基础之上,增加一些冗余,用来进行检错,纠错等功能。

举个例子,现在很流行的一句话叫:“重要的事情说三遍”,这就相当于一种编码。即使某一句在传输的过程中发生了错误,通过比较其他的两句就可以很容易地发现并纠正错误。

经过编码之后,要发送的数据增加了,为了表征编码增加的冗余数据的多少,引入了码率的概念。

码率 = 编码前的比特数 / 编码后的比特数

为了表示上述这些调制和编码的组合,5G定义了一张表,叫做调制编码模式表(Modulation and Coding Scheme table,MCS table),如下图所示。

△ 5G的MCS表(之一)

如上图所示,5G最高的调制编码模式是MCS27,其调制阶数为8,也就是256QAM,码率为948/1024≈0.926。此为总结要点3。

04

MIMO,MIMO!

话说5G的超高下载速率的主要来源是MIMO技术(详见我之前的文章“什么是MIMO? ”)。

MIMO的全称是:Multiple Input Multiple Output,意为多入多出,主要靠在空中同时传输多路不同的数据来成倍地提升网速。下行MIMO取决于基站的发射天线数和手机的接收天线数。

△ 下行2x2 MIMO示意图

以上图的下行2x2MIMO为例,基站的2根天线同时发送两路独立数据,由基站的两根天线接收之后,通过一定的计算即可分离出这两路数据。

在MIMO系统中,每一路独立的数据,就叫做一个“流”,也叫一“层”数据。也就是说,2x2MIMO最多支持2流,也就是2层数据。

目前的5G基站已经可以支持64根天线发射和接收了,但手机最多只能支持4根天线接收和2根天线发送(2T4R)。因此,下行和上行的MIMO的效果都主要取决于手机。

△ 5G手机内置天线示意图

因此,受限于5G手机的能力(4天线接收),下行之多支持4x4MIMO,也就是最多能同时进行4流(4层)数据接收。如下图(跟实际情况相比有所简化)所示。

△ 下行4x4 MIMO示意图(跟实际情况相比有所简化)

同理,对于上行,由于手机只能通过2根天线向基站发送数据,也就是最多能同时进行2流(2层)数据发送。如下图(跟实际情况相比有所简化)所示。

△ 上行2x2 MIMO示意图(跟实际情况相比有所简化)

总结要点4:5G手机下行支持4流(层)接收,上行支持2流(层)发送。

05

5G的速度到底能有多快?

铺垫到这里,终于可以祭出大杀器:5G峰值速率计算公式了。

△ 5G载波的峰值计算公式

  • MIMO层数:下行4层,上行2层。
  • 调制阶数:下行8阶(256QAM),上行6阶(64QAM)。
  • 编码码率:948/1024≈0.926。
  • PRB个数:273,公式里面的12代表每个PRB包含12个子载波。
  • 资源开销占比意为无线资源中用作控制,不能用来发送数据的比例,协议给出了典型的数据:下行14%,上行8%。
  • 符号数意为每秒可实际传送数据的符号个数,因不同的TDD帧结构而异,具体可参考前面第二部分的表格。现取2.5毫秒双周期帧结构的值:下行18400,上行9200。

△ 5G载波的峰值计算因素图示

把上述数据代入前面的公式,可得:

  • 下行峰值速率为:1.54Gbps
  • 上行峰值速率为:308Mbps

现在电信和联通正在共享3.5GHz频段上的100MHz的带宽,单个手机能达到的理论速率就是上述的两个值。

如果这两家后续开通200MHz的话,因为带宽翻倍,速率也将翻倍,下行速率可以高达3.08Gbps!

这个速度,足以傲视群雄。

好了,本期的介绍就到这里,希望对大家有所帮助。

非常感谢能坚持看到最后。

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