如何計(jì)算5G毫米波的峰值速率

5G能提供非常高的上網(wǎng)速率，因此被經(jīng)常用高速公路來類比?？纯茨男┮蛩赜绊懝愤\(yùn)輸效率，又怎樣把這些因素還原到5G的速率計(jì)算中去的。

如今的公路系統(tǒng)已經(jīng)非常復(fù)雜，包含多層交通，多條車道，車道方向，車輛容量，貨物包裝，駕駛司機(jī)等多個因素，都可以影響道路的通行能力。

多層交通

現(xiàn)代的公路經(jīng)常是高架，立交，一層接一層，極大地提升了通行容量和效率。這座重慶的立交橋作為“看哭導(dǎo)航”的奇觀，擁有5層12條匝道，總共12層樓高，堪稱立體多層交通的典范。

這種多層交通，就相當(dāng)于5G的“多層傳輸”，其實(shí)就是手機(jī)和基站用相同資源進(jìn)行同時收發(fā)多路數(shù)據(jù)的能力，也稱作MIMO（多入多出）。

由下圖可見，不同頻段下，手機(jī)的能力是不一樣的。在中國5G的主流頻段3.5GHz或者2.6GHz上，手機(jī)可支持4路接收，2路發(fā)射；毫米波頻段次之，能支持2路接收，2路發(fā)射；像700M這樣的低頻，覆蓋能力好，但手機(jī)只支持2路接收，1路發(fā)射。

車輛容量

在上圖中，還有個“調(diào)制階數(shù)”，這個能力相當(dāng)于公路上車輛的容量。調(diào)制階數(shù)越高，相當(dāng)于車廂越大，同時運(yùn)載的比特?cái)?shù)也就越多。

5G采用QAM（正交振幅）調(diào)制，用信號不同的相位和振幅來表示不同的數(shù)據(jù)，下圖是16QAM的圖解，可以看出每個點(diǎn)根據(jù)振幅和相位的不同，可以代表不同的4個比特?cái)?shù)據(jù)。

實(shí)際應(yīng)用中，采用64QAM或者256QAM居多。在64QAM下，調(diào)制階數(shù)為6，同時能發(fā)送6個比特的數(shù)據(jù)，共有64（2的6次方）種0和1的組合；同理，256QAM同時能發(fā)送8個比特的數(shù)據(jù)，共有256（2的8次方）種0和1的組合。

多車道（車道方向）

車道方向的分配，也能影響公路的運(yùn)載效率。比如有的時候某個方向的車流密集，而另一個方向卻空空如也，相當(dāng)于道路只利用的一半，需要引入潮汐車道來優(yōu)化。

潮汐車道在不同時間段的通行方向不同，以此來適配不同方向的車流變化。

類似的，5G主要采用TDD（時分雙工）的方式，根據(jù)業(yè)務(wù)的需求，給上傳和下載分配不同的時間長度，讓資源利用率更優(yōu)。

下面我們以毫米波的三種典型幀結(jié)構(gòu)來說明TDD對上下行資源的靈活分配。在下圖的幀結(jié)構(gòu)中，0.625毫秒為一個周期，里面包含了多個下行時隙（D）和上行時隙（U），還有一個特殊時隙（S）用作上下行轉(zhuǎn)換。

一般來說，大家上網(wǎng)時，不論是刷微博還是看電影，都是以下載為主，上傳內(nèi)容的時候很少。這就對應(yīng)了幀結(jié)構(gòu)選項(xiàng)1，也就是最常規(guī)幀結(jié)構(gòu)：下行時間占比77%，上行占比約23%。

但是，對于高清視頻監(jiān)控這種視頻上傳為主的應(yīng)用，幀結(jié)構(gòu)選項(xiàng)1就明顯不合適了，因此就需要用到選項(xiàng)2：下行時間占比35%，上行占比約65%。

同理，對于像遠(yuǎn)程視頻會議這種既有下載，又有上傳，兩者的帶寬需求差不多的應(yīng)用，就需要給上下行時間的分配均衡一些，這就要用到幀格式選項(xiàng)3：下行時間占比56%，上行占比約44%。

公路一般都有多條車道，不同的車輛可在不同的車道上并行不悖。5G也不例外，把自己的頻率帶寬劃分成了多個小單元：子載波。

由頻域上的一個子載波和時域上的一個符號組成的最小單位，被稱作資源單元。資源單元的頻率間隔跟時隙長度的乘積是一個定值，因此子載波間隔越小，時隙長度越大；子載波間隔越大，時隙長度越小。

5G低頻一般采用15KHz子載波間隔，每個時隙長度為1毫秒；中頻一般使用30KHz子載波間隔，每個時隙長度為0.5毫秒；毫米波采用120KHz子載波間隔，每個時隙長度僅為0.125毫秒。因此，毫米波可以支持更低的空口時延。

子載波這個單位太小，5G就把12個子載波打包在一起，稱作一個資源塊（Resource Block，簡稱RB）。

由下表可以看出，5G中頻最大系統(tǒng)帶寬為100M，含273個資源塊；毫米波則最大系統(tǒng)帶寬為400M，含264個資源塊。

雖然毫米波的資源塊稍小于中頻，但它的時隙長度卻要短得多，僅為中頻的四分之一，因此同樣時間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的效率也要高得多，上傳下載速率還是有很大的提升。

貨物包裝

在公路運(yùn)輸中，需要給貨物加上包裝，保護(hù)泡沫等來防止貨物磕碰損壞，因此即使把車廂全部裝滿，總有一部分是“無用”的。

5G也不例外，信道編碼需要為數(shù)據(jù)加上一些冗余用于檢錯糾錯，當(dāng)前5G協(xié)議支持的最高編碼率為0.92578，也就是說傳輸?shù)臄?shù)據(jù)里面，最多有92.578%是有用的。

駕駛司機(jī)

另外，要開車總得有司機(jī)，而司機(jī)占據(jù)的空間也是不能用來拉貨的，這部分成本是必須要付出的。

對5G來說，也有一些資源單元用作控制信道，不能用來發(fā)送數(shù)據(jù)，這些系統(tǒng)控制用掉的資源就叫做“開銷”。5G低頻和中頻的下行理論開銷為14%，上行為8%；毫米波的下行開銷為18%，上行為10%。

毫米波計(jì)算（示例）

有了上面的這些信息，我們就可以計(jì)算手機(jī)能達(dá)到的5G峰值速率了。

我們假設(shè)采用400M帶寬的毫米波，采用幀結(jié)構(gòu)選項(xiàng)1主攻下行，可以算得：下載速率2.98Gbps，上傳速率0.75Gbps！

各位覺得這個速率如何？

審核編輯：郭婷