新闻资讯

当前位置:首页 >> 新闻资讯 >> 行业新闻

5G网速为什么那么快?

发布时间:2020-09-08 09:03:59编辑:致一科技

无线网络要提升网速,主要靠下面4个武器:频率带宽、帧结构、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能达到的峰值速率。

频率带宽

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支持的子载波宽度有15KHz(跟4G一样),30KHz,60KHz,120KHz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高速率的根本。


 100MHz载波,30KHz子载波间隔下的RB示意图
然而,运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,不同子载波间隔下的RB数量
总结要点1:5G载波最多含273个资源单元(RB)。
5G帧结构
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用这些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上源源不断的传输,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而已,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个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。
5G中的帧,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
帧结构的事情,其实远比上图要复杂,因为5G还有FDD(频分双工,Frequency Division Duplex)和TDD(时分双工,Time Division Duplex)之分。
2.2 主流的TDD帧格式
对于FDD模式来说,由于下行和上行采用不同的频率,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。

 频分双工
FDD这样的双工方式就相当于两条独立的车道一样,上下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,基站只能用这个载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,人根本感觉不到断续,这样也就实现了双工。

 时分双工
那么,到底TDD的下行和上行都各占多长时间呢?这就需要从帧结构上来定义上下行配比,并且基站都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;上行时隙也可以有多个,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,其内部的部分符号用作下行,部分符号用作上行,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的首发频段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个上行时隙(U),1个灵活时隙(S)。

 2ms单周期
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)。

 2.5ms单周期
2.5毫秒双周期:双周期是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)。

 2.5ms双周期
在这三种帧格式中,对于灵活时隙,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5G速率方便,蜉蝣君计算了下不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25G主流载波采用TDD帧结构,上下行峰值速率的计算需要用到上表的数据。
调制与编码
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三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调制的目的: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制方式,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,就叫做调制的阶数。很容易可以得出:
  • 2: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每个符号表示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,这两个缩写的含义有略微不同,此处不展开
固话:0551-66370570
手机:15056018217(陈经理)
传真:0551-66370570
地址:安徽省合肥市庐阳区天徽大厦B座805
Copyright © 2020 安徽致一科技发展有限公司 | 皖ICP备18019351号-1 |  Powered by DareWe