5G能提供非常高的上网速率,因此被经常用高速公路来类比。

 

本期,蜉蝣君不妨把这个类比精细化,看看哪些因素影响公路运输效率,又怎样把这些因素还原到5G的速率计算中去的。

 

 

如今的公路系统已经非常复杂,包含多层交通,多条车道,车道方向,车辆容量,货物包装,驾驶司机等多个因素,都可以影响道路的通行能力。   

 

多层交通

 

 

现代的公路经常是高架,立交,一层接一层,极大地提升了通行容量和效率。这座重庆的立交桥作为“看哭导航”的奇观,拥有5层12条匝道,总共12层楼高,堪称立体多层交通的典范。

 

这种多层交通,就相当于5G的“多层传输”,其实就是手机和基站用相同资源进行同时收发多路数据的能力,也称作MIMO(多入多出)。

 

由下图可见,不同频段下,手机的能力是不一样的。在中国5G的主流频段3.5GHz或者2.6GHz上,手机可支持4路接收,2路发射;毫米波频段次之,能支持2路接收,2路发射;像700M这样的低频,覆盖能力好,但手机只支持2路接收,1路发射。

 

 

车辆容量在上图中,还有个“调制阶数”,这个能力相当于公路上车辆的容量。调制阶数越高,相当于车厢越大,同时运载的比特数也就越多。5G采用QAM(正交振幅)调制,用信号不同的相位和振幅来表示不同的数据,下图是16QAM的图解,可以看出每个点根据振幅和相位的不同,可以代表不同的4个比特数据。

 

 

实际应用中,采用64QAM或者256QAM居多。在64QAM下,调制阶数为6,同时能发送6个比特的数据,共有64(2的6次方)种0和1的组合;同理,256QAM同时能发送8个比特的数据,共有256(2的8次方)种0和1的组合。    

 

多车道(车道方向)车道方向的分配,也能影响公路的运载效率。比如有的时候某个方向的车流密集,而另一个方向却空空如也,相当于道路只利用的一半,需要引入潮汐车道来优化。

 

 

由上图可以看出,潮汐车道在不同时间段的通行方向不同,以此来适配不同方向的车流变化。
类似的,5G主要采用TDD(时分双工)的方式,根据业务的需求,给上传和下载分配不同的时间长度,让资源利用率更优。

 

下面我们以毫米波的三种典型帧结构来说明TDD对上下行资源的灵活分配。在下图的帧结构中,0.625毫秒为一个周期,里面包含了多个下行时隙(D)和上行时隙(U),还有一个特殊时隙(S)用作上下行转换。

 

 

一般来说,大家上网时,不论是刷微博还是看电影,都是以下载为主,上传内容的时候很少。这就对应了帧结构选项1,也就是最常规帧结构:下行时间占比77%,上行占比约23%。

 

但是,对于高清视频监控这种视频上传为主的应用,帧结构选项1就明显不合适了,因此就需要用到选项2:下行时间占比35%,上行占比约65%。

 

同理,对于像远程视频会议这种既有下载,又有上传,两者的带宽需求差不多的应用,就需要给上下行时间的分配均衡一些,这就要用到帧格式选项3:下行时间占比56%,上行占比约44%。公路一般都有多条车道,不同的车辆可在不同的车道上并行不悖。5G也不例外,把自己的频率带宽划分成了多个小单元:子载波。

 

由频域上的一个子载波和时域上的一个符号组成的最小单位,被称作资源单元。资源单元的频率间隔跟时隙长度的乘积是一个定值,因此子载波间隔越小,时隙长度越大;子载波间隔越大,时隙长度越小。

 

 

5G低频一般采用15KHz子载波间隔,每个时隙长度为1毫秒;中频一般使用30KHz子载波间隔,每个时隙长度为0.5毫秒;毫米波采用120KHz子载波间隔,每个时隙长度仅为0.125毫秒。因此,毫米波可以支持更低的空口时延。子载波这个单位太小,5G就把12个子载波打包在一起,称作一个资源块(Resource Block,简称RB)。

 

由下表可以看出,5G中频最大系统带宽为100M,含273个资源块;毫米波则最大系统带宽为400M,含264个资源块。

 

 

虽然毫米波的资源块稍小于中频,但它的时隙长度却要短得多,仅为中频的四分之一,因此同样时间内传输数据的效率也要高得多,上传下载速率还是有很大的提升。

 

货物包装在公路运输中,需要给货物加上包装,保护泡沫等来防止货物磕碰损坏,因此即使把车厢全部装满,总有一部分是“无用”的。

 

5G也不例外,信道编码需要为数据加上一些冗余用于检错纠错,当前5G协议支持的最高编码率为0.92578,也就是说传输的数据里面,最多有92.578%是有用的。

 

驾驶司机另外,要开车总得有司机,而司机占据的空间也是不能用来拉货的,这部分成本是必须要付出的。

 

对5G来说,也有一些资源单元用作控制信道,不能用来发送数据,这些系统控制用掉的资源就叫做“开销”。5G低频和中频的下行理论开销为14%,上行为8%;毫米波的下行开销为18%,上行为10%。

 

毫米波计算(示例)有了上面的这些信息,我们就可以计算手机能达到的5G峰值速率了。

 

 

我们假设采用400M带宽的毫米波,采用帧结构选项1主攻下行,可以算得:下载速率2.98Gbps,上传速率0.75Gbps!

 

 

各位觉得这个速率如何?