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5G芯片的速度是如何计算出来的?
旺材芯片 | 2021-02-18 00:57:09    阅读:2640   发布文章
不久前高通线上发布了集成了X60基带的骁龙888,号称下行下载速率能达到7.5Gbps,但是从高通官网的描述来看,在Sub6GHz频段,主要支持的是200MHz带宽和4x4MIMO。所以这个7.5Gbps的速度是毫米波频段+Sub6GHz频段的载波聚合达到的。


目前我们国内部署的 5G 方案是 Sub-6GHz ,毫米波方案在国内还是用不了。所以这个7.5Gbps看起来非常诱人,而实际上国内用户更关注的是ub6GHz频段基带性能。本篇文章记录一下Sub6GHz 5G芯片的速度是如何计算出来。
OFDM
正交频分复用(英语:Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM),可以理解为多载波调制传输。
从频域上看,载波均分成多个子载波在整个带宽中,子载波间的频率间隔相同,时域上看,每一个symbol的时间长度为一个周期的载波信号。5G运用OFDM技术。根据上图我们可以把5G的数据传输信道,类比是一段高速公路。载波类比成运输数据的车辆。我们最终需要计算的是这段公路上每秒跑过的车辆数运输的数据量有多少。
带宽
我们平时所说的5G的G,是Generation,即第5代移动通信技术。每一代通信技术的速率进步,最直接的就是提高网络的带宽。如果把5G的速率比做车速,频率带宽可以理解为一个高速公路的宽度。公路越宽,同一行放的车就越多。每秒通过的车辆就越多。
4G时代的最大带宽是20MHz,而5G时代的单载波最大带宽在Sub6GHz频段下是100MHz,在mmWave毫米波频段单载波最大带宽甚至可以达到400MHz。
单载波根据不同的子载波间隔等分整个带宽,每个子载波称为一个RE(Resource Element),5G定义12个子载波为一组称为1个RB(Resource Block)资源块。在主流的30KHz的子载波间隔下,100MHz带宽最大可以被分成273个RB。
所以这条高速公路上一横排就可以放273x12辆车。
帧结构
频率带宽是从频域上看分布,在时域上来说。5G定义1s被分成多个帧,每帧的时间长度是10ms,每帧又分出10个子帧1ms,在主流30KHz的子载波间隔下,每个子帧被分成2个时隙(slot),每个slot又被分为14个symbol。这个symbol的长度就是我们需要的单个RE,这辆车的长度。

根据上述就可以算出在这段高速路上,每一列能放多少辆车。即1s的时间长度中,symbol的总数。
所以这段路上一列可以放1000x2x14辆车。当然实际上这一段的道路情况,远比上述复杂的多。
5G的工作方式还分为FDD频分双工,TDD时分双工。
FDD相当于这条车道上,有向北运输货物的车道,也有向南运输货物的车道,即上行下行互不干扰。
TDD相当于向北运输的车辆和向南运输的车道是混在一起的,而且车辆的方向也不是固定的,一会儿是向北走,一会儿向南走。
目前5G的主流频段采用的TDD模式,我们假设每个子帧中用于做下行和上行的车辆比例为2:1。
当然有些车不光装载货物(数据),还要装载其他信息。所以在这基础上再减去14%的开销(协议给出典型的数据:下行14%,上行8%)。
则最终计算出这段高速路上每一列做下行传输数据的车辆有1000ms x 2slot x 14symbol x 2/3 x 86% 约等于16000辆车做下行数据传输。(总的车辆数行 x 列)
调制编码
我们最终要计算的就是这段高速公路上这些车辆,每秒能运输货物的量,即每秒能运输多少个bit,bit/s或bps。上面多少辆车可以计算出来,接下来计算每辆车能装多少bit。
每辆车能装载的bit数就与调制有关,比如我们使用QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制),用幅度和相位同时变化来表示不同的比特。
4QAM:2bit16QAM:4bit64QAM:6bit256QAM:8bit
使用256QAM调制方式,每辆车就能装载8bit的信息。
调制完了还有编码,编码就是为了提高信息传输的准确度。给传输的信息加一些冗余信息,方便纠错和检错。所以实际传输的数据量要减去编码的冗余量。所以就有一个码率
码率 = 编码前的比特数 / 编码后的比特数
对于不同模式的调制编码码率,协议也有规定,我们按256QAM调制编码,码率按0.9计算。
则实际每辆车承载的信息量为 调制阶数(8bit)x 码率
MIMO
Multiple(Input Multiple Output),多入多出,多天线技术,主要是可以在空中通过不同的天线同时传输不同的数据而成倍的提高网速。
目前的手机一般都最多支持4天线接收,2天线****。所以5G手机支持MIMO的层数最多下行4层数据接收,上行2层数据****。
实际的下载网速,直接乘以4。
载波聚合
载波聚合技术又是一个可以成倍的提高5G速度的技术,我们上面所说的带宽就是一条高速公路,而载波聚合就可以将两条这样的高速公路,拼成更宽的一条公路来运输数据,是不是速度立马翻倍。
4G最大的带宽是20MHz,5个载波聚合就可以将带宽提升到100MHz,LTE-A的载波聚合最高到32载波聚合,总带宽可达640MHz。
5G可聚合的载波数为16个,Sub6G每个载波最大带宽为100MHz,16个载波聚合就1.6GHz,毫米波频段单载波带宽最大400MHz,16个载波聚合一共就有6.4GHz。
4G的带宽和5G的带宽也可以进行载波聚合,进一步增大带宽。
当然实际上可能芯片支持的载波聚合数之中的每个载波支持的带宽并没有拉满。比如出现2个载波支持100MHz,另一个载波支持30MHz,3载波聚合。
5G速度
所以综上所述,不难得出5G的下载速度计算公式。
峰值速率 = RB数量 x 12 x 调制阶数 x 码率 x MIMO的层数 x 下行symbol数 x 载波聚合数(100MHz拉满)按照我们上面计算的采用双载波聚合(2个cc)RB数量为273个(273x12RE)调制阶数为8bit(256QAM)码率为0.9MIMO层数为最多下行4层下行symbol数为16000最终计算的这款5G芯片的下行峰值速率为 3.0Gbps = 273 x 12 x 8 x 0.9 x 4 x 16000 x 2 把下行symbol数(车辆数)换成上行的,上行速度的计算也是类似的方法。
5G的应用
从参数上推测,骁龙888集成的这颗基带在Sub6GHz频段理论上是能达到3.0Gbps的速度的,这样的速度,已经足以让我们得到飞跃的体验。然而现实是,这么高的网速,即使我们拿到骁龙888的终端,也根本体验不到,原因是运营商****套餐限速。。
目前5G的网络的运营商套餐有两档,第一档低速挡位500Mbps,第二档高速档为1Gbps。所以即使你用上了峰值速率高达3.0Gbps芯片的手机,但是你的手机套餐在运营商端也会限制你。而且目前的5G套餐来看,比4G套餐贵不说,而且对用户来说,并没有什么应用是需要跑那么高的速率的。目前,5G最大的应用是测速。
有趣的是,我们使用的4G手机的速率,也没有的达到4G的真正速率,4G套餐的限速是300Mbps,而现在4G手机的远远达不到这个速度,这是因为4G的网络用户多,网络拥塞。所以达不到,而如果你使用的是5G手机,即使是4G套餐,因为现在使用5G网络的用户不多的原因,连接上5G网络后,也可以轻松达到4G限速的最高速度,300Mbps,不禁让人感叹,用上了5G手机,才用上了4G的真正速度。
最后我们平时手机上看到的下载速度是按MB每秒计算的,这个B是Byte,而上文提到的bps(bit per second)的b是bit,所以这里有1Byte=8bit的换算关系,4G的300Mbps实际的看到的下载速度峰值也就是37MB/s。


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