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?

admin 2014年12月10日 科技和博客 995次阅读 查看评论

  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),那么3.84Mchip里共有240个符号,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14.4×2/3就剩下9.6Mbps了,如果信道再差一点使用的是QPSK,那就剩下4.8Mbps了。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14.4×2/3就剩下9.6Mbps了,如果信道再差一点使用的是QPSK,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。

  •   那为什么运营商不再挖掘现有2G/3G网络,而要升4G呢?以前自己的一些回答可以参考:

  1.   HSPA+的理论速度比移动“4G”广告里的100mbps要快,为什么联通还要用LTE? - 知乎用户的回答

  2.   现在到处有wifi 通信公司推出的4G业务有什么优势?推出这项业务是基于什么样的考虑? - 知乎用户的回答

  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。

  ======================================================================

  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。

  【陈晨的回答(117票)】:

  你是买辆马车专心研究让马飙到极速,还是直接买辆车?

  ----

  唉,我不解释就有人不愿意自己多思考一下。

  我回答的那句话意思就是,当你觉得目前的东西够用的时候,就必须开始研发下一代的技术,哪怕现在你觉得根本用不着。现在你觉得可能4G速度到顶了就已经完全足够了,但是未来的通信设备一出,4G速度就有点紧张了。往前看也是如此,3G推出的时候也是很多人觉得没啥用,现在大家用惯了3G再退回去用2G网刷微博试试?加载图片慢不死你,特别是GIF动图,更别谈视频。

  信息爆炸信息爆炸大家都会说,具体到问题的时候大家都忘了,信息量一增加,传播的时候自然要更宽的带宽,未来谁都说不准会出现什么东西,在线视频现在当然没问题了,未来要是在线播蓝光呢?甚至直接全息呢?别说流量不够用,用的人多了价格自然就降下来了。

  底下评论有人说我会买辆车,但是我不会买辆动车?你网购过么?送快递还一堆用飞机的呢,这你都还有时候抱怨太慢了。用着高速的服务你却说用不着发展新科技,想的挺美啊。

  【曹叔的回答(30票)】:

  高考都没考满分上什么大学啊!

  【探索者19的回答(6票)】:

  问题问得不对,应该是这样的:

  明明人家都发展到4G甚至5G的技术了,为什么我们还在推广3G,就算你投入再多,你能和人家4G,5G的网速比吗?

  用马克思的话来说就是:你资本主义没有发展到一定阶段,怎么发展社会主义?

  噢,不对,这种说法不太好,换一种:

  你原始社会还没发展充分,怎么发展资本主义制度?

  (楼主有成为马克思的潜质。。。。。)

  但现实是:亚马逊里的原始部落如果愿意(就算不愿意也即将)成为资本主义社会,他们很快就可以实现,根本不需要去充分发展原始社会、封建社会这些落后的社会制度。

  ..............................................................

  3G的实际速度达到理论速度是什么概念?

  是投入足够多的基站,是投入钱;达不到理论速度的原因不是技术,而是钱。

  所以,我有没有说明白?

  4G技术不只代表更快的速度,同时也代表了更高的投入产出比。(是不是应该叫产出投入比更合适!?!)

  【柴健翌的回答(3票)】:

  谁说3G的速度没达到?

  因为3G速度没达到所以在3G上吊死,这是谁的主意?

  【绅士提督与不笑船的回答(2票)】:

  

  这不就远超 3G 速度了嘛,所以看起来 4G 是有用的。

  联通 3G 标称 40+Mbps,现在到了 20~30Mbps,再提升空间不大了;

  为啥不弄个 4G 直接提升到 50Mbps 以上呢?

  北京联通,五分钟前测的。

  【项空月的回答(12票)】:

  理论速度永远是理论速度,正因为达不到才被称为理论速度啊!你知道计算理论速度的时候有多少因素被忽略,有多少参数被理想化么?到了4G,甚至到了5G,连实际速度都可以把3G的理论速度虐出翔来,你说,你用不用???你看着我的眼睛真诚地说,你用不用???

  补充: 题主对题目进行了补充,所以。。。

  题主,一种技术在被开发的时候,尽管已经很努力地去模拟实际使用环境,但是,影响因素千千万,不可能全部考虑,所以可以说都是在理想化环境下测出的理论值,其实就是理想值啊,理想和现实的区别你懂得吧?这个时候,如果要进一步发展固有的技术,也就是优化而已,有时候优化一种技术所达到的效果和付出的时间金钱比远远不及开发一种新的技术来得快很准,而且,从市场角度来说,新的技术比优化了的老技术更好骗钱不是么? 话说回来,你还真别以为他们没有这么干!稍安勿躁,稍后放图。。而且,像上面说的,即使你一步步优化,也只会接近理论值而已,达到是不可能的。所以。。。

  另外,我想说的是,谁告诉你用的就是4G了?谁说的他们没有继续发展3G了?其实,你现在所谓的4G有好些技术只是3G和4G的过度而已,真正的4G指的是LTE_Advanced (LTE-A)。LTE也不是4G,只是市场化的产物而已,那么问题来了,你说我是在骗你怎么办。。。上图

  

  

  所以,如果题主你指的是LET的话,那么题主,不好意思,你被骗了。。。不知道题主看到 “due to marketing pressures ”的时候有没有满眼泪光。。。

  来个干货吧,不过此图禁止任何形式的转载和盗用!!!!

  

  目前为止三星是世界上5G最高速度的保持者(又查了下,其他公司也有做出来,爱立信在6月份做出来了5Gbps,三星10月份就破了它的记录),在28GHz下做到了静止状态下7.5Gbps,100Kmph移动状态下1.2Gbps,韩国号称2020年用上5G,我看悬,因为这个项目是我们在做(和三星的那个两码事儿),但是我看大家每天都挺悠闲的。。。

  【fengweiliu的回答(3票)】:

  首先,不管3G,4G,只要是无线传输,总是难以达到设计最大速度的。

  这个答案不讲具体的传输技术演进,只讨论蜂窝小区的一些固有特点,已经最大速度难以达到的原因。

  一天不见, @ranger 写了一个长答案啊,不过他这个答案是链路级的观点,我准备写一个系统级的解读。

  首先,我们引入小区的概念,很多人应该懂的。

  下面的黑点代表基站,红点代表用户。

  

  必须要指出,我们说的系统最大速度,一般是一个小区能达到的最大吞吐量,是一个共享速度,就算在最理想情况下,用户平均吞吐量也会随着用户数目的增加而不断的下降,影响体验。必须要指出,我们说的系统最大速度,一般是一个小区能达到的最大吞吐量,是一个共享速度,就算在最理想情况下,用户平均吞吐量也会随着用户数目的增加而不断的下降,影响体验。

  (这应该是大家感觉远没有达到理论速度的关键)

  要提高平均吞吐量,有很多方法,比如提高带宽。

  还有一个效果非常好的方法,缩小小区半径,这样每个小区里面的用户数目也就少了,平均速率也就上去了。

  然而,增加小区数目意味着增加站点,很多时候,增加站点是一件很麻烦的事情,你要面对硬件投资,民众抗议等等。

  这时候,有人想出了扇区结构,简单的说,就是利用定向天线将原来的小区一分为三(也有其他数目),如下图:

  

  红色表示天线的指向,黑色表示新生成的小区,这样,如果原来小区内有三十个均匀分布的用户,现在则是每个小区内有10个用户,每个用户的平均速率有望提高三倍。红色表示天线的指向,黑色表示新生成的小区,这样,如果原来小区内有三十个均匀分布的用户,现在则是每个小区内有10个用户,每个用户的平均速率有望提高三倍。

  现代通信系统的演进,一方面是带宽提升,传输技术,编码技术升级;另外一方面则是小区的不断缩小。

  其实,按照电磁波的传播性质,圆形的小区更符合逻辑,然而,我们在讨论是通常用六边形的结构,这是因为六边形可无限复制,以布满整个平面,像这样:

  

  或者更多:

  

  一直延伸,所以,我们的通信系统叫做一直延伸,所以,我们的通信系统叫做蜂窝(CELL)移动电话。

  重点来了,在这种架构下,各个位置的用户体验是会存在巨大差异的,以下示意图:

  

  其中,深红色表示信道质量最好的小区,而深蓝色表示信道质量最差的小区。其中,深红色表示信道质量最好的小区,而深蓝色表示信道质量最差的小区。

  这就是说,如果你在红色区域,且刚好没人和你抢带宽,那么你是有极大可能享受到最大设计速度,而如果你在深蓝色的区域,就算是独占了一个小区,你的传输速度也不会太高。

  以上是理想环境的信道质量示意,如果考虑各种建筑物等造成的阴影,情况会变得更糟:

  

  由于小区各个区域的不同信道状况,一般用两个指标来衡量系统级的性能:

  小区平均吞吐量,以及用户速率CDF曲线。

  以下是一张典型的CDF曲线,忽略原来的图注,我们假设这就代表了用户速率CDF:

  

  (嗯,CDF大家应该都懂的)

  用户速率的CDF图像实际能同时反映用户的平均吞吐量和公平性,以上面的绿,蓝,红三个曲线为例:绿色和蓝色有较好的公平性,而红色和蓝色有较高的平均吞吐速率。

  而如果我们的CDF曲线是那根黄线(其实很多时候就是这种情况),那么,虽然这个系统有标称的高吞吐量,但是如果你属于信号质量较差的10%用户,那你的体验甚至是不如大多数绿线用户。

  还比较乱,待补充,待完善...

  【郑昱的回答(2票)】:

  楼上在说理论,我说点实际的。

  从需求上来说,3G网络下行先不说,DC理论42Mbps还算够看,还有3C的63M理论速度。

  上行就完全不够看了:HSUPA,一个载波5.7Mpbs理论速率。题主算算,如果你公司需要做稳定的视频监控业务,这么点上行怎么够用。举个栗子:

  今年刚折腾的电子驾考,一辆驾考车辆2路摄像头300+kbps码率,同时最高20辆车在考试。做市场的给签了个3G,真是把人往死里折腾。

  还有个政府部门的合同,需求1080P视频即时上传,因目标区域没有4G覆盖,没签成。

  楼主算算这到速度上限了没。

  ================================暂时写到这,想到再写。

  【杰罗尼莫的回答(1票)】:

  空调还说每晚一度电,天朝说年人均可支配7000刀,公交司机说后面还有一辆,你觉得这种抬杠的问题有意思么?

  【知乎用户的回答(0票)】:

  作为用户来说,确实没必要

  你的移动设备,无论平板还是手机,哪怕看高清视频,带宽和流量的需求才多大?

  HSPA+感觉速度不够用,可以上DC-HSPA+,大概40mbps的带宽,大概30mbps的下载速度,3-4MB/s

  足够用了.你还想拿手机下载WOW的客户端,还要看高清视频么?先问问你流量够不够,资费够不够把?

  运营商提供的覆盖,带宽,以及套餐哪怕上了4G也不会让你体验太好

  但是国家,运营商,设备商还有媒体这种用户对立面可是不会这么想的.

  其实我特别想知道,TD-SCDMA有没有还局限于3G的升级方案,为什么不能像WCDMA一样一直演进.

  【秦时明月的回答(0票)】:

  刚进入3G时代的时候,联通拿到了国外发展已较为成熟WCDMA,但是移动却肩负着国家自助创新的使命,用着相对不成熟的scdma,补充(TD-SCDMA中,大部分专利还是国外的,我天朝16项专利大约占据了其中7%多一点),所以,在3G时代,移动被联通完爆了,2G时代的大哥被打脸了,换你你能忍?所以,移动想跳过3G,率先发展4G,但是联通却觉得,老子3G的钱还没赚够呢,所以没有太着急发展4G,但是也要发展啊,因为最大的竞争对手都发展了,所以大家会感觉天朝要这么快的普及4G,其实是形势所逼……

  【知乎用户的回答(0票)】:

  想問的是為什麼H+不發展到168mbps吧?

  【知乎用户的回答(0票)】:

  凡事预则立不预则废,香农祖师爷的徒子徒孙还在为香农极限的最后零点几个dB前赴后继,通信技术的每一代都有技术上的进步;而且这些技术发明了以后只有用在实际环境里才知道如何改进

  【南博万的回答(0票)】:

  题主让我想起了半年前一个知友,在每个跟中国工业有关的问题下面死黑TDSCDMA。

  的确是阴谋,像大家说的一样没新东西怎么来钱?但根据目前掌握的全球数据来看,4G商用并没有给大多数运营商带来显著收入上升,甚至给了互联网企业架空运营商提供了物理管道,所以有所谓的增量(流量)不增收(总营收)的说法。现在更是有分析师和领先厂商在担忧到了2020年可能很多运营商会面对入不敷出的局面(TCO大于revenue)。

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