图解：5G毫米波峰值速率计算

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？