5G的速度到底能有多快？

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(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(dá)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(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(hù)帶，共得到 98.28MHz，共計 273 個資源塊（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 1：5G 載波最多含 273 個資源單元（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)”。

2.1 幀，子幀，時隙和符號
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(biāo)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(xì)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(yuǎn)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。

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。

△ 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(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。

△ 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）。

△ 2ms 單周期

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）。

△ 2.5ms 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(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）。

△ 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(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）。

△ 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 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(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。

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，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。

△ 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 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)。

△ 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(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。

△ 5G 手機內(nèi)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(jìn)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(jìn)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。

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(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。

△ 5G 載波的峰值計算因素圖示

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，單個手機能達(dá)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(dá) 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。