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。
　　一、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）。
　　二、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的下行和上行都各站多长时间呢？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收发频段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。
　　三、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。
　　四、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。
　　五、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。
　　既然都坚持看到这里了，不关注下我再走？