3G的实际速度远没有达到理论速度,现在为何普及4G,研发5G?

通信技术沃2020-09-15 08:39:47

首先你要搞清楚理论速率是怎么来的,实际应用中又有哪些原因导致速率是波动的且无法达到理论速率的。上个简单的数学课。


●以WCDMA为例:实际有用带宽为3.84MHz,配合余弦滚降系数0.22和保护带宽后,一个载波占用5MHz。WCDMA是扩频系统,大家共享一个5MHz的频谱资源,为了尽量避免同频干扰,所以分配资源的方式是码分,使用OVSF码树作为其扩频码。协议规定其码片速率为3.84Mchip/s,HSDPA中的HS-PDSCH信道(可以简单理解为传输数据业务的信道)固定使用SF=16的码字,SF=16的码字在一棵OVSF码树上共有16个,其中一个需保留给公共信道(比如用于广播、寻呼等等功能),其他15个可用于数据业务传输。使用SF=16的扩频码时,一个符号对应16个chip(码片),已知码片速率为3.84Mchip/s,那么符号速率则为240ksymbol/s,3GPP R7中引入64QAM高阶调制,每个符号如果使用64QAM调制后可对应6个比特,假设无线信道质量超级好,因此编码速率为1,得出:


3.84Mchip/s÷16chip×6bit×15×1=21.6Mbps,HSDPA中调度周期为2ms,也就是每秒调度500次,这里是理想状态,所以假设每次都很幸运的被调度到了,每个2ms都能接收到数据且正确解调。这就是联通宣称的21M网速的由来。在3GPP R8协议中定义了双载波技术,一个载波21.6M,两个载波理论可以得到43.2M的速率,但是由于原先宣称的是21M,所以在这里则宣称为42M。


上图显示了一棵OVSF码树的生成原理(实际应用中比这复杂多了),只显示到SF=8,最后面是可以到512的,所以后面码字可以自己脑补一下,主要是知道SF=16的码字是16个是怎么来的就行了,另外还要知道一个很重要的东西,那就是OVSF的特性:一个码字被用了,那么这个码字的父辈和子孙辈就不能再用了,比如我使用了图中C8,3这个码字。那么C1,1、C2,1、C4,2还有由C8,3产生的C16,5、C16,6等等一直到后面的C512的码字都不能再用了,因为他们之间失去了正交。什么是正交?简单说就是二者相乘的和为0,比如C2,1和C2,2,相乘的和为:1×1+1×(-1)=0,所以C2,1和C2,2这两个码字我们就说是正交的。好了,不扯远了,有闲心的同学自己拿笔慢慢算。


●那到了实际应用中呢?我们可以一个个来看,3.84Mchip/s可以认为是常数,协议规定,不变的。固定使用SF=16的扩频码,这个也是协议规定,不变的。那么可变的剩下这几个因子:即可使用的SF码道数量、调制系数和编码速率和调度。


1. 可使用的码道数量:WCDMA一个载波中,SF=16的码字有16个,其中有一个上面已经说了要留给公共信道,所以实际可用于业务传输的码字剩下15个。可是WCDMA不只要承载数据业务,也需要承载语音通话业务,所以一个5MHz的载波就需要预留一部分资源给语音业务。每个语音业务使用SF=128的扩频码,假设我们拿出5个SF=16用于语音业务,那么就有40个SF=128码字可用于语音业务,也就是可以同时提供40个WCDMA手机同时打电话(不过受限于呼吸效应,所以有可能达不到这么多)。那么还剩下10个SF=16码字可用于HSDPA业务,所以上面我们算了一个载波理论峰值是21.6M,现在需要乘以2/3,大约就是14.4Mbps。当然,如果运营商设置了分层业务,或者是DC小区中,会专门拿出一个载波只承载数据业务,这个载波就可以排除语音业务占比这个因素了。


2. 调制系数:3GPP R7里引入了64QAM调制,这样HSDPA业务可用的调制方式就达到了三种,其他两种是QPSK和16QAM。调制越高阶,那么对无线信道的质量要求就越高,QPSK只是调相,16QAM开始就涉及到调幅+调相,64QAM比16QAM的星座图更密,抗干扰能力更低,只适合在信道质量优越的时候使用。



三种调制方式的星座图,64QAM是最密的,同时抗干扰也是最差的。系统会根据手机上报的CQI等级来决定使用哪种调制方式给手机传输数据,CQI等级的具体算法就不啰嗦了,总之和干扰水平有关,另:干扰水平≠手机信号格数。所以如果使用的是16QAM,那么每个符号只能对应4个比特,则14.4×2/3就剩下9.6Mbps了,如果信道再差一点使用的是QPSK,每个符号只能对应2个比特,那就剩下4.8Mbps了。


3. 编码速率:现实中不会使用编码速率为1的方案的,因为无线信道是变参的,面临各种干扰,从发送方经过空气、固体甚至是液体种种介质的传播再到被接收端接收,往往会有大量“突变”,所以需要冗余比特来“保护”有用比特,实现纠错的功能。所以实际应用中,一般选用3/4、1/3、1/4等等几种编码速率(简单理解就是分子为有用比特,分母为总比特),所以那些宣称的理论速率还要乘以实际的编码速率,比如宣称21.6Mbps,乘以最高的3/4编码速率,那么最高就只是16.2Mbps了。


4. 调度:前面提到了HSDPA中每2ms调度一次,一秒调度500次。可是目前多采用正比公平算法(提携先进,鼓励后进,简单说就是基本上同个载波下正在使用HSDPA业务的每个用户都会在这500次里被调度到),一个载波中会根据算法来安排哪些用户在哪个2ms中使用多少个SF=16的码字,也就是说这10个码字是共享的!除非这个载波中就你一个用户在进行HSDPA业务,否则这10个码字还没法完全都自己用!另外还考虑到每次调度不都是接收新的数据,比如上一次被调度到时接收的数据没能成功解调,因此需要网络重传上一个数据包,也就是没法保证每秒钟这500次调度都能成功的把数据包都解调出来,只要有一次没能成功解调,就意味着没法达到理论速率,所以这个因素又影响到实际的速率。


●通过上面这一段啰嗦的解释,相信应该可以明白达到理论速率是一件多么困难的事情了吧。一般实际测试中,只要HSDPA速率能达到4Mbps以上,都可以认为是正常的。上传部分的HSUPA就不说了,嘴巴快干了。。。有兴趣的自己百度相关资料来看吧。


5G?ITU、3GPP这些国际通信组织现在都还说不清楚5G将会是个什么东西,怎么三星公司就做出5G来了?1Gbps在LTE-Advanced阶段通过载波聚合和MIMO就可以达到了啊。

另:上文中如有错误或者疏漏的地方,还麻烦路过的高手指正以便及时修改。


=====以下内容为啰嗦版本补充内容=====


隔了一天,没想到这么多人关注,那就多补充点内容吧:

●上文中,我们提到干扰一词,那究竟怎么来的干扰?为什么干扰会影响到速率?我们都希望信号好,这是不是意味着基站越多、越密越好?我们可以来看一张图(高能预警:密集恐惧症者慎入):



图中所展示的是某个区域内的WCDMA站点分布情况(该区域大约长7KM,宽4KM),蓝色的代表室外站点,红色的则为室分系统。站点这么密,信号一定很好吧?确实,接收功率都挺不错的(也就是体现在手机上的信号格数)。但是由于WCDMA是同频组网系统,比如每个基站的每个小区都使用2140-2145MHz这5MHz的频谱来发送信号,这5MHz的频谱我们就称为一个载波,如果是DC小区,那么就是一个小区里使用了10MHz的频谱,我们就叫做双载波。5MHz也好,10MHz也好,同个载波或者说同个小区下的用户都共享这个频谱,而分配资源的方式就是扩频码,也就是上文所说的OVSF码树,当然,时间上的调度也是一种分配资源的手段,HSDPA里就是时间+扩频码的资源调度。每个基站都是用同样的频率,即使使用多种手段来降低同频干扰的影响(比如不同的小区分配给不同的扰码),但是由于多径传播时延+上扰码的非理想正交,导致小区和小区间的同频干扰无法完美的滤除,进而相邻的同频小区间形成了干扰。




我们可以放大来看,图中的那个基站的三个扇区和附近基站的覆盖范围其实是有一部分重叠的,在重叠的那部分区域实际上就是干扰来干扰去的,干扰来干扰去就影响到了信道质量,从而无法使用高阶调制和高效率编码,进而降低了速率。当然,我上面举的这个例子只是说明了WCDMA网络中一种常见的下行干扰情况,实际中会有网络优化人员进行RF优化或者降低导频功率等等操作来降低基站和基站间重叠区域的干扰。所以我们不是说希望站点越密越好,我们更多希望频谱越多越好,这样同样的覆盖面积下可以配置更多载波,具备更多容量。只是说在频谱资源不丰富的情况下,就只能是缩小每个基站的覆盖范围,以基站数量换取容量。所以上面才会说“信道质量≠手机上显示的信号格数”。所以在如今同频组网大行其道的情况下,使用3G、LTE的用户其实不必去纠结信号几格几格,更多的应该关注信噪比,只要信噪比够好,除非手机完全收不到信号了,否则还是可以保证业务的顺利进行,甚至还会有不错的速率。


●这里有个小常识:使用iPhone的用户且系统在IOS6以上的(低于这个的IOS系统我没试过),可以打开拨号键盘,输入*3001#12345#*,然后拨号,会进入工程模式。如果是使用WCDMA网络,可以点击进入UMTS cell environment-Neighbor cells-UMTS Set-0,里面有一项Energy per Chip就是信噪比,值一般在0到-24dB之间,值越大越好。使用LTE的用户进入LTE相关选项里一样可以看到当前使用的一些网络参数情况。


●其实对于WCDMA网络来说还有一个重要的干扰就是上行干扰,上行干扰过大,就会导致整个小区容量的缩小。上行干扰就是来自手机和手机间的干扰,因为不只是基站用的同一个频率来通信,手机和手机之间也是用的同一个频率来和基站通信,但是区分不同的手机也是使用非严格正交的扰码,加上多径传播,到基站时未能完美的把每个手机的信号都滤除出来,所以就造成了干扰,这叫做“自干扰”。


●注释:小区、扇区、基站还有载波的概念要分清楚。扇区指的是地理环境意义下的,比如图中的那一个个扇形的图案就是指的扇区,物理上可以是一面定向天线所覆盖的地方我们就称为一个扇区。小区则是一种逻辑上的概念,小区就像是由RRU+天线这样的设备组合发射出的电磁波所形成的,小区中会有一个或者多个载波,简单理解就像是现实中的住宅小区一样,住在这片住宅小区里的住户共享着这个小区的所有资源,比如绿化、游乐设施、篮球场等等,而载波数量的多少,就意味着这个小区的资源有多丰富。大多数的小区由一个扇区进行覆盖,也有可能会有多个扇区形成一个小区。基站则是扇区+载波+小区的逻辑+物理设备的集合,比如图中的那个三个扇区就组成了一个基站。

越扯越多,先这样,还有新的问题和时间再来继续扯吧。


======以下为简易版本======
该版本省去了许多不必要的理论和细节,就以通俗的语言来大概的讲讲。以WCDMA为例:


假设我们考虑一个最简单的情况,一个地区里就一个基站,这个基站就一个小区,一个小区里就一个扇区、一个载波,那么这个基站的覆盖范围内的总速率就是21M。又假设有A、B、C、D、E、F六个用户在这个扇区里使用上网业务,那么实际上这个速率就是共享的,大家都没法达到峰值速率。同时靠近基站的A、B手机信噪比会比较好(用绿色标出),因此获得高阶调制、高编码速率和调度的机会比其他的手机多,所以速率也会比远离基站的C、D、E、F的手机要更高。如果其中有用户在打电话,那么一样是会占用带宽,比如说B、C、D、E、F这五个用户都在打电话,就A在上网,那么A的速率即使信噪比再好,也达不到理论的速率。不过如果是使用电信3G或者LTE的用户则可以不用考虑打电话占用的带宽这个因素带来的影响。因为电信的3G,也就是EVDO网络只承载上网业务,不承载语音业务,而LTE目前不承载语音业务。

一般基站会有多个扇区,这里我们假设每个扇区配置一个小区,每个小区配置一个载波,那么这个基站理论的最大速率就有21×3=63Mbps。如果每个小区配置双载波,那么就有42×3=126M,三载波则为63×3=186M,三载波是联通目前合法频谱所能扩充到的最高载波数。要注意的是这里指的是基站的总速率,实际上很多手机至多只支持双载波技术(DC-HSPA+)。


我们再假设一种最简单的情况,基站A下只有一个用户A。因为基站A和基站B使用相同的频率,因此由于相邻基站的同频干扰,这个用户的信噪比太差,那么也远达不到理论的速率。
简易版本的内容适用于同频组网的系统,包括CDMA2000、LTE。

本文来源:知乎 作者:ranger