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。
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”。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。
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。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。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。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。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）。
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）。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2：5G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）。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：
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2阶：每个符号表示2比特，共4个取值，也叫4QAM（QPSK）；
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4阶：每个符号表示4比特，共16个取值，也叫16QAM；
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6阶：每个符号表示6比特，共64个取值，也叫64QAM；
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8阶：每个符号表示8比特，共256个取值，也叫256QAM。
△ 4QAM（QPSK）示意图，这两个缩写的含义有略微不同，此处不展开
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