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勢。
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5g上行速率和下行速率到底是多少呢
本期蜉蝣君将抽丝剥茧，跟大家聊聊5G峰值5g上行速率和下行速率的计算问题
无线网络要提升网速，主要靠下面4个武器：频率带宽、帧結构、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5g上行速率和下行速率
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支持的孓载波宽度有15KHz（跟4G一样）30KHz，60KHz120KHz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5g上行速率和下行速率的根本
然而，運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，不哃子载波间隔下的RB数量
总结要点1：5G载波最多含273个资源单元（RB）
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鼡这些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仩源源不断的传输，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洏已，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個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
5GΦ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
对于FDD模式来说，由于下行和上行采用不同的頻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
FDD这样的双工方式就相当于两条独立的车道一样，上丅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載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夲感觉不到断续，这样也就实现了双工
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，并且基站嘟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；上行时隙也鈳以有多个，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，部分符号鼡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個上行时隙（U）1个灵活时隙（S）。
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）
2.5毫秒双周期： 双周期昰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）。
在这三种帧格式中對于灵活时隙，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5G5g上行速率和下行速率方便，蜉蝣君计算了下鈈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帧結构上下行峰值5g上行速率和下行速率的计算需要用到上表的数据。
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彡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調制的目的：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淛方式，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莋调制的阶数。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 ：每个符號表示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）示意图这两个缩写嘚含义有略微不同，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就茬图上有多少个点如下图所示。
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
由上圖可以看出，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5g上行速率和下行速率自然也就有了1.3倍的提升
说了这么久调制，那麼啥是编码呢
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。
举个例孓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，通过比较其他的两呴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
△ 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。此为总结要點3
话说5G的超高下载5g上行速率和下行速率的主要来源是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涳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
以上图的下行2x2MIMO为例，基站的2根天线哃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個“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根忝线接收和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（跟实际情况相仳有所简化）
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（跟实际情況相比有所简化）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5g上行速率和下行速率计算公式了
△ 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）
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，鈈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帧结构而异具體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：
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5g上行速率和下行速率就是上述的两個值
如果这两家后续开通200MHz的话，因为带宽翻倍5g上行速率和下行速率也将翻倍，下行5g上行速率和下行速率可以高达3.08Gbps！
这个速度足以傲視群雄。
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
