5G是如何提升通行能力的？5G毫米波到底有多快？

高速公路，可以通過(guò)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(gè)因素，提升通行能力。

我們把5G比作高速公路，那么，5G是如何提升自身通行能力的呢？5G毫米波，到底能有多快呢？

今天，我們就來(lái)算一算——

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。

這種多層交通，在5G網(wǎng)絡(luò)里，其實(shí)就是手機(jī)和基站用相同資源進(jìn)行同時(shí)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(jiàn)，不同頻段下，手機(jī)的能力是不一樣的。在中國(guó)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

提升公路上車輛的容量，在5G里，就是提升“調(diào)制階數(shù)”。調(diào)制階數(shù)越高，相當(dāng)于車廂越大，同時(shí)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(hào)不同的相位和振幅來(lái)表示不同的數(shù)據(jù)，下圖是16QAM的圖解，可以看出每個(gè)點(diǎn)根據(jù)振幅和相位的不同，可以代表不同的4個(gè)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(shí)能發(fā)送6個(gè)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(shí)能發(fā)送8個(gè)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(shí)候某個(gè)方向的車流密集，而另一個(gè)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(lái)優(yōu)化。

由上圖可以看出，潮汐車道在不同時(shí)間段的通行方向不同，以此來(lái)適配不同方向的車流變化。

類似的，5G主要采用TDD（時(shí)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(shí)間長(zhǎng)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(lái)說(shuō)明TDD對(duì)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(gè)周期，里面包含了多個(gè)下行時(shí)隙（D）和上行時(shí)隙（U），還有一個(gè)特殊時(shí)隙（S）用作上下行轉(zhuǎn)換。

一般來(lái)說(shuō)，大家上網(wǎng)時(shí)，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(shí)候很少。這就對(duì)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(shí)間占比77%，上行占比約23%。

但是，對(duì)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(shí)間占比35%，上行占比約65%。

同理，對(duì)于像遠(yuǎn)程視頻會(huì)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(shí)間的分配均衡一些，這就要用到幀格式選項(xiàng)3：下行時(shí)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(gè)小單元：子載波。

由頻域上的一個(gè)子載波和時(shí)域上的一個(gè)符號(hào)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(shí)隙長(zhǎng)度的乘積是一個(gè)定值，因此子載波間隔越小，時(shí)隙長(zhǎng)度越大；子載波間隔越大，時(shí)隙長(zhǎng)度越小。

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

子載波這個(gè)單位太小，5G就把12個(gè)子載波打包在一起，稱作一個(gè)資源塊（Resource Block，簡(jiǎn)稱RB）。

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

雖然毫米波的資源塊稍小于中頻，但它的時(shí)隙長(zhǎng)度卻要短得多，僅為中頻的四分之一，因此同樣時(shí)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(lái)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(wú)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(cuò)糾錯(cuò)。當(dāng)前5G協(xié)議支持的最高編碼率為0.92578，也就是說(shuō)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)里面，最多有92.578%是有用的。

駕駛司機(jī)

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

對(duì)5G來(lái)說(shuō)，也有一些資源單元用作控制信道，不能用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，這些系統(tǒng)控制用掉的資源就叫做“開(kāi)銷”。

5G低頻和中頻的下行理論開(kāi)銷為14%，上行為8%；毫米波的下行開(kāi)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！

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