[4G&5G专题-16]：需求-3GPP对5G系统提出的8大维度的性能需求

盛夏的果实

引言：
本文主要从技术的角度审视当前的LTE-advance网络，相对于5G的业务应用场合，还有多大的技术差距，针对这些技术差距，3GPP对5G系统提出的整体性能目标。
目录
第1章 5G的系统需求概述
1.1 系统需求的分类
1.2 系统需求与业务场景相关
第2章 IMT2020性能需求的8个维度
第3章 3GPP的5G性能需求的定义
3.1 5G性能的总体需求
3.2 用户体验速率
3.3 连接密度与流量密度
3.5 端到端时延
3.6 可用性，可靠性
3.7 移动性
3.8 能耗
第4章 成本和可持续发展
4.1 5G面临的困难
4.2 应对办法


第1章 5G的系统需求概述
1.1 系统需求的分类
（1）功能需求
软件产品的用户业务需求
（2）非功能需求
非功能性需求，是指软件产品为满足用户业务需求而必须具有且除功能需求以外的特性，包括安全性、可靠性、互操作性、健壮性、性能需求等
1.2 系统需求与业务场景相关
（1）业务场景

（2）性能需求的场景相关性
不同的业务场景，其性能需求是不一样的。

第2章 IMT2020性能需求的8个维度
IMT-2020： 2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，国际电联无线电通信部门(ITU-R)正式批准了三项有利于推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020” 

（1）最大峰值速率：20G bps
峰值速率是指用户可以获得的最大业务速率。
相比4G网络，5G移动通信系统将进一步提升峰值速率，可以达到数20Gbps
（2）用户体验的平均数据速率：100M bps
5G时代将构建以用户为中心的移动生态信息系统，首次将用户感知速率作为网络性能指标。
用户感知速率是指单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量。
实际网络应用中，用户感知速率受到众多因素的影响，包括网络覆盖环境、网络负荷、用户规模和分布范围、用户位置、业务应用等因素，
一般采用期望平均值和统计方法进行评估分析。
（3）频率效率：提升3倍
数字通信系统的链路频谱效率定义为净比特率（有用信息速率，不包括纠错码）或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽（单位：赫兹）。
调制效率定义为净比特率（包括纠错码）除以带宽。
（4）移动性：500km/h
移动性历代移动通信系统重要的性能指标，指在满足一定系统性能的前提下，通信双方最大相对移动速度。
5G移动通信系统需要支持飞机、高速公路、城市地铁等超高速移动场景，同时也需要支持数据采集、工业控制低速移动或非移动场景。
因此，5G移动通信系统的设计需要支持更广泛的移动性。
（5）空口最小延时：从10ms=》1ms
时延采用OTT或RTT来衡量，前者是指发送端到接收端接收数据之间的间隔，后者是指发送端到发送端数据从发送到确认的时间间隔。
在4G时代，网络架构扁平化设计大大提升了系统时延性能。
在5G时代，车辆通信、工业控制、增强现实等业务应用场景，对时延提出了更高的要求，最低空口时延要求达到了1ms。
在网络架构设计中，时延与网络拓扑结构、网络负荷、业务模型、传输资源等因素密切相关。
（6）连接密度（单位面积中终端的个数）：10^6个/km^2
在5G时代存在大量物联网应用需求，网络要求具备超千亿设备连接能力。
连接数密度是指单位面积内可以支持的在线设备总和，是衡量5G移动网络对海量规模终端设备的支持能力的重要指标，一般不低于100万/平方公里。
（7）网络能效：降低系统的整体功耗，需要智能能耗控制，提升100倍。
能源效率是指每消耗单位能量可以传送的数据量。
在移动通信系统中，能源消耗主要指基站和移动终端的发送功率，以及整个移动通信系统设备所消耗的功率。
在5G移动通信系统架构设计中，为了降低功率消耗，采取了一系列新型接入技术，如低功率基站、D2D技术、流量均衡技术、移动中继等。
（8）区域传输容量（每平方米传输的比特数）：10Mbits/m
流量密度是单位面积内的总流量数，是衡量移动网络在一定区域范围内数据传输能力。
在5G时代需要支持一定局部区域的超高数据传输，网络架构应该支持每平方公里能提供数十Tbps的流量。
在实际网络中，流量密度与多个因素相关，包括网络拓扑结构、用户分布、业务模型等因素。

第3章 3GPP的5G性能需求的定义
3.1 5G性能的总体需求
3GPP成立于1998年12月，多个电信标准组织伙伴共同签署了《第三代伙伴计划协议》。
3GPP最初的工作范围是为第三代移动通信系统制定全球适用的技术规范和技术报告。第三代移动通信系统基于的是发展的GSM核心网络和它们所支持的无线接入技术，主要是UMTS。
随后3GPP的工作范围得到了改进，增加了对UTRA长期演进系统的研究和标准制定。
目前有欧洲的ETSI、美国的ATIS、日本的TTC、ARIB、韩国的TTA、印度的TSDSI以及我国的CCSA作为3GPP的7个组织伙伴（OP）。

从上图可以看出，LTE与5G的目标相差甚远 ，因此需要新的技术来解决这些性能上的差异。
另外，5G还定义了LTE原先没有规范的需求，如频率效率，单位面积的连接数等标志位“/”的需求。
备注：上述的时延是空口时延，即基站到终端的延时，而不是端到端延时（包括终端、无线接入网、无线核心网、服务器）
3.2 用户体验速率
单位时间用户获得的数据速率，指真实网络环境下用户可获得的最低传输速率，而不是理论值。
不同场景，此性能的要求是有差别的：

3.3 连接密度与流量密度
连接密度是指在特定地区和特定时间段内，单位面积可以同时激活的终端或者用户数，也就是单位面积上支持的在线设备总和。
不同场景，此性能的要求是有差别的：

3.5 端到端时延
这里主要指端到端时延，是指数据包从源节点开始传输到被目的节点正确接收的时间。
又分为单程时延（OTT）和往返时延（RTT），单程时延是数据包从发送端到接收端的时间，往返时延是数据包从发送端发送，到接收端收到后返回确认信息的时间。

3.6 可用性，可靠性
可用性是指在一个区域内，网络能能满足用户体验质量（QoE）的百分比，也就是用户能使用网络，且基本体验能达到标准。
可靠性则是指一定时间内从发送端到接收端成功发送数据的概率。

3.7 移动性
移动性主要是指高速移动性，在目前高速公路、高铁等下，能保证的用户体验情况。

3.8 能耗
应急通信中电池至少续航一周；
在广阔地区分布的设备，要求续航10年；
电表气表等一般设备续航2-5年；

第4章 成本和可持续发展
4.1 5G面临的困难
目前的移动通信网络在应对移动互联网和物联网爆发式发展时，可能会面临以下问题：
（1）能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接；
（2）5G与LTE等多制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验下降；
（3）现网在精确监控网络资源和有效感知业务特性方面的能力不足，无法智能地满足未来用户和业务需求多样化的趋势；
（4）无线频谱从低频到高频跨度很大，且分布碎片化，干扰复杂。
4.2 应对办法
应对这些问题，需要从如下两方面提升5G系统能力，以实现可持续发展。
（1）在网络建设和部署方面

• 超密度组网：5G需要提供更高网络容量和更好覆盖，同时降低网络部署、尤其是超密集网络部署的复杂度和成本；
  
• 可扩展的网络架构：5G需要具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求；
  
• 灵活的频谱：5G需要灵活高效地利用各类频谱，包括对称和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等；
  
• 提升连接能力：5G需要具备更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。
  

（2）在运营维护方面

• 智能化运营：5G需要改善网络能效和比特运维成本，以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求；
  
• 5G独立组网：5G需要降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度，以提升用户体验；
  
• 网络切片：5G需要支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并作出智能优化；
  
• 网络完全：5G需要能提供多样化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。