2020年已到。這一年正是國際電聯5G願景中的商用元年。
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，並已在全球分櫱蔓延成燎原之勢。
對於廣大吃瓜群眾來說，是時候體驗5G飛一樣的網速了！那麼問題來了：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、調製編碼、MIMO。5G當然也不例外。
下文將以最常見的Sub6G頻譜（小於6GHz的頻譜）上100MHz載波帶寬為例來計算5G能達到的峰值速率。
一、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，遠大於4G的20MHz帶寬。
對於這些頻譜，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。由於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也能支持小於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）。
二、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系統中並沒有實際的作用。
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。每個符號根據調製方式的不同，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係，如下圖所示。
△ 5G中幀，子幀，時隙和符號之間的關係
幀結構的事情，其實遠比上圖要複雜，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
對於FDD模式來說，由於下行和上行採用不同的頻率，下行頻率上所有的子幀都用於下行，上行頻率上所有的子幀自然也都用於上行。
△ 頻分雙工
FDD這樣的雙工方式就相當於兩條獨立的車道一樣，上下行在各自的頻譜上並行不悖，互不干擾。結構上要相對簡單一些。
而對於TDD模式來說，由於下行和上行採用相同的頻率，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。由於上行和下行每次發送信息佔用的時間非常短，人根本感覺不到斷續，這樣也就實現了雙工。
△ 時分雙工
那麼，到底TDD的下行和上行都各站多長時間呢？這就需要從幀結構上來定義上下行配比，並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
基於這樣的定義，為了滿足不同的上下行性能需求，在5G收發頻段3.5GHz上，採用30KHz子載波間隔，業界有如下三種主流的幀格式。
2毫秒單週期：每個週期內2個下行時隙（D），1個上行時隙（U），1個靈活時隙（S）。
△ 2ms單週期
2.5毫秒單週期：每個週期內3個下行時隙（D），1個上行時隙（U），1個靈活時隙（S）。
△ 2.5ms單週期
2.5毫秒雙週期：雙週期是指兩個週期的配置不同，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雙週期
在這三種幀格式中，對於靈活時隙，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，不用於收發信號。這種分配方式叫做10:2:2。
很明顯，TDD在實現上要比FDD複雜，但是目前5G的主流頻段都用的是TDD模式。
為了後面計算5G速率方便，蜉蝣君計算了下不同幀結構下每秒可包含的週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主流載波採用TDD幀結構，上下行峰值速率的計算需要用到上表的數據。
三、調製與編碼
調製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。經過調製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，調製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製的目的：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製方式，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，正交振幅調製）。
在QAM調製中，每個符號可以表示的比特數，就叫做調製的階數。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）的一個調製波形示例。
△ 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調製一般採用星座圖來表示，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，調製方式進化到256QAM，會密集成什麼樣子？
△ 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。
說了這麼久調製，那麼啥是編碼呢？
編碼是在調製的上一道工序，就是在要傳輸的原始數據的基礎之上，增加一些冗餘，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”，這就相當於一種編碼。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並糾正錯誤。
經過編碼之後，要發送的數據增加了，為了表徵編碼增加的冗餘數據的多少，引入了碼率的概念。
碼率 = 編碼前的比特數 / 編碼後的比特數
為了表示上述這些調製和編碼的組合，5G定義了一張表，叫做調製編碼模式表（Modulation and Coding Scheme table，MCS table），如下圖所示。
△ 5G的MCS表（之一）
如上圖所示，5G最高的調製編碼模式是MCS27，其調製階數為8，也就是256QAM，碼率為948/1024≈0.926。此為總結要點3。
四、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“什麼是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取決於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後，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根天線發射了，但手機最多隻能支持4根天線接收和2根天線發送（2T4R）。因此，下行和上行的MIMO的效果都主要取決於手機。
△ 5G手機內置天線示意圖
因此，受限於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，對於上行，由於手機只能通過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。
五、5G的速度到底能有多快？
鋪墊到這裡，終於可以祭出大殺器：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。
- 調製階數：下行8階（256QAM），上行6階（64QAM）。
- 編碼碼率：948/1024≈0.926。
- PRB個數：273，公式裡面的12代表每個PRB包含12個子載波。
- 資源開銷佔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毫秒雙週期幀結構的值：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。
如果這兩家後續開通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，本期的介紹就到這裡，希望對大家有所幫助。
既然都堅持看到這裡了，不關注下我再走？
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