5G 關鍵性能指標解析

李洪城，朱 峰，盧彩玲

（中國移動通信集團設計院有限公司北京分公司，北京 100001）

1 引言

5G 試驗和預商用測試規(guī)范中，都提出了明確的性能指標要求，如何理解這些性能指標的含義及其取值要求，是5G 測試工作中的首要工作之一。5G 關鍵性能指標由ITU 明確提出，并由3GPP 予以明確規(guī)定。本文參考3GPP TR38.913規(guī)范，并結合ITU 規(guī)范、IMT-2020發(fā)布的5G 白皮書、NGMN 標準等，對比分析和說明5G 關鍵性能指標的定義及要求，以便正確理解各個概念。參考資料相關的信息如表1所示。

表1 5G關鍵性能指標參考信息來源

2 關鍵性能指標

針對國內5G 試驗第二階段即技術方案驗證階段和三階段即系統(tǒng)驗證階段，IMT-2020的《5G 技術研發(fā)試驗總體方案》中明確提出了性能指標要求，如表2和表3所示。

表2 技術方案驗證階段的性能指標

表3 系統(tǒng)驗證階段的性能指標

系統(tǒng)方案驗證階段是從KPI 出發(fā)的，場景僅涉及宏覆蓋和熱點覆蓋，而系統(tǒng)驗證階段則分別針對4種典型場景設定了獨立的性能指標?？傮w來看，IMT-2020所要求的關鍵性能指標包括以下幾類：一是速率類：峰值速率和用戶體驗速率。二是頻譜效率：小區(qū)平均頻譜效率或者小區(qū)頻譜效率。三是時延類：空口時延和端到端時延。四是連接數(shù)密度。

針對IMT-2020定義了4種的典型場景，連續(xù)廣域覆蓋下考慮用戶體驗速率和小區(qū)頻譜效率，熱點高容量覆蓋下考慮峰值速率以及更高的用戶體驗速率，地試驗高可靠廠進行下則著重考慮時延指標，低功耗大連接下考慮連接數(shù)密度指標。

3 性能指標概念分析

為了對各指標有較為全面的理解，本節(jié)結合ITU、NGMN 以及3GPP 文件對各指標的含義及指標要求進行詳細分析。

3.1 用戶體驗速率

根據(jù)“5G 遠景與需求白皮書”和“5G 概念白皮書”，用戶體驗速率是指在真實網絡環(huán)境下用戶可獲得的最低傳輸速率。在連續(xù)廣域覆蓋場景下，應隨時隨地（包括小區(qū)邊緣和高速移動等惡劣環(huán)境）為用戶提供100Mb/s 以上的用戶體驗速率。熱點高容量場景下，提供1Gb/s 用戶體驗速率。由此可見，IMT-2020所定義的用戶體驗速率可以理解為特定范圍內所要達到的最低速率。

在ITU-R、NGMN 以及3GPP 規(guī)范中，用戶體驗速率都采用“User experienced Data Rate”來表示，與中文名稱一致，分別描述如下。

（1）ITU 所定義的用戶體驗速率是特定目標覆蓋區(qū)域內的指標要求，如城郊區(qū)或者熱點區(qū)域。其指標要求也與IMT-2020的定義相一致，即城郊區(qū)要求100Mb/s，熱點（室內）低于要求1Gb/s。

（2）NGMN 定義為區(qū)域內至少95%位置上在95%的時間內用戶需要滿足的應用層最小速率。它強調了用戶體驗速率與業(yè)務類型、業(yè)務質量以及使用情況（user case）等方面的關聯(lián)性，基本要求為全網不小于50Mb/s，熱點（如室內）最大為1Gb/s。

（3）3GPP TR38.913 中，采 用 非 滿Buffer（non-full buffer）和滿Buffer（full-buffer）話務來進行評估。非滿Buffer 條件下，用戶體驗速率是用戶吞吐量的5%-percentile （5%）。滿Buffer 條件下，用戶體驗速率為名義用戶速率的cdf 的5%點與帶寬之間的乘積。名義用戶速率的cdf 的5%與共享信道的激活用戶數(shù)（ITU假定為10）、發(fā)射功率以及站間距等因素有關。

由此可見，用戶體驗速率定義有所不同，雖然ITU，IMT-2020 以及NGMN 均給出了明確的指標要求，但是此指標受到業(yè)務類型、測試場景、測試方式以及網絡狀況等因素的影響，3GPP 則采用相對指標，區(qū)分滿buffer 和不滿buffer，并通過全網速率的累積概率分布（cdf）來獲取門限。因此，需要根據(jù)具體要求來進行測試和分析。

3.2 單用戶峰值速率和峰值頻譜效率

峰值速率的概念容易理解，但是需要明確區(qū)分其作用于用戶級還是小區(qū)級，這2種情況下，測試和評估方法是不同的。

IMT-2020“5G 遠景與需求白皮書”中，定義了用戶峰值速率，即單用戶可獲得的最高傳輸速率?！?G 概念白皮書”中，提到熱點高容量下，峰值速率要求為數(shù)十Gb/s。《5G 技術研發(fā)試驗總體方案》中，第二階段和三階段的峰值速率要求分別為10Gb/s和20Gb/s。ITU M.2083-0和3GPP TR28.913中，定義了Peak data rate，ITU 明確定義到用戶級（per user/device），TR38.913定義為單個移動終端（single mobile station）。NGMN 中定義了Data rate（per user）。由此可見，峰值速率總體上是以用戶為單位的。

ITU 規(guī)定，eMBB（即增強移動寬帶）場景下，峰值數(shù)據(jù)速率為10Gb/s，特定情況下需支持20Gb/s。NGMN 是基于R12和Cat11/12來規(guī)定的，平均和峰值速率均提升10倍以上，而小區(qū)邊緣速率則提升100倍以上，即平均速率最大為1Gb/s，峰值速率最大為6Gb/s。

TR38.913 中規(guī)定，在無差錯（error-free conditions）且所有可用資源都分配給單個用戶的條件下，下行目標峰值速率為20Gb/s，上行目標峰值速率為10Gb/s。TR38.913同時還定義了單用戶的峰值頻譜效率（Peak Spectral efficiency），且要求下行目標峰值頻譜效率為30b/s/Hz，上行為15b/s/Hz。

峰值速率取決于帶寬大小、調制編碼方式、MIMO 模式及流數(shù)等。因此，單用戶峰值速率需要在上述等參數(shù)明確的基礎上進行明確定義，才更便于進行對比和評估分析。此外，高頻段帶寬較大，但是頻譜效率較低，而低頻段帶寬較小，頻譜效率較高。因此，峰值速率不能通過峰值頻譜效率和帶寬相乘來直接獲取。

3.3 小區(qū)頻譜效率和邊緣頻譜效率

MIMO 支持多流傳輸時，小區(qū)中可以采用多用戶進行測試。這種情況下，需要關注小區(qū)峰值速率或者小區(qū)頻譜效率，即小區(qū)中所有用戶的速率之和。

IMT-2020的“5G 愿景與需求白皮書”中規(guī)定，頻譜效率是指每小區(qū)或單位面積內單位頻譜資源提供的吞吐量，其單位為b/s/Hz/cell 或b/s/Hz/km2。且相比4G 而言，頻譜效率提升5 ～15倍。

ITU 和NGMN 都規(guī)定了小區(qū)的平均頻譜效率（bit/s/Hz/cell），采用Spectrum Efficiency 進行定義，且NGMN 同時還規(guī)定了小區(qū)邊緣頻譜效率（bit/s/Hz/user）。

TR38.913中還單獨定義了5% cdf 對應的用戶頻譜效率（5th percentile user spectrum efficiency），可以理解為邊緣頻譜效率，其近作用于eMBB 場景，目標值需要根據(jù)部署場景（如室內熱點、密集城區(qū)、農村、城區(qū)宏蜂窩以及以及高速等）來設定，滿buffer 條件下，目標邊緣頻譜效率應該為LTE-A 的3倍。

ITU預期eMBB的頻譜效率為IMT-A的3倍。不過ITU也指出，頻譜效率因場景不同而變化，某些研究表明其提升率可達5倍。當然，頻譜效率也與話務容量相關，NGMN 認為，相對4G 來說，隨著話務需求的增加，不管小區(qū)覆蓋范圍大小，不管頻率高低，不管速度高低，5G 的頻譜效率都應該有明顯提升。

3.4 空口時延

在低時延高可靠場景下，主要考慮時延指標。IMT-2020“5G愿景與需求白皮書”中，給出了端到端時延的定義，即數(shù)據(jù)包從源節(jié)點開始傳輸?shù)奖荒康墓?jié)點正確接收的時間，單位為ms?！?G概念白皮書”中使用了空口時延的概念，但是沒有進行明確定義。MIIT 的第二階段和三階段測試要求中，這2個時延的指標要求分別為最大10ms 和最大1ms。

ITU 規(guī)范中采用無線網絡的收發(fā)時間來定義Latency，明確提出空口時延（over-the-air latency）應該為1ms。NGMN 則定義了應用層的E2E 時延（E2E latency）以及從用戶終端到5G 的L2/L3接口上的用戶面時延（user plane latency）。NGMN 要求通常情況下E2E 時延為10ms，極低時延條件下E2E 時延為1ms。

TR38.913也采用用戶面時延進行定義，它是指上下行方向上，應用層數(shù)據(jù)包從L2/L3入口點（ingress）到L2/L3出口點（egress）經過無線接口傳送的時間，且設備和終端均不受DRX 限制。對于URLLC 來說，用戶面時延的目標值為上下行各0.5ms。對于eMBB 來說，用戶面時延的目標值為上下行各4ms。

3.5 連接密度

IMT-2020“5G 愿景與需求白皮書”中，連接數(shù)密度定義為單位面積上支持的在線設備總和（/km2）。“5G 概念白皮書”中規(guī)定，低功耗大連接場景下，連接數(shù)密度為106/km2，即每平方公里支持1百萬連接數(shù)。

ITU、NGMN 以 及3GPP 規(guī) 范 中，都 采 用“Connection density”來定義。ITU 強調處于連接態(tài)或者可接入的用戶設備（connected and/or accessible devices），TR38.913的定義中既考慮了QoS 要求，還考慮接入請求或者數(shù)據(jù)量的接入時限和概率要求。二者指標需求都是每公里百萬連接數(shù)，ITU 未給出指標所對應的場景，而3GPP 則明確提出在urban 環(huán)境下每平方公里支持1百萬連接數(shù)。

4 性能指標測試方法分析

基于上面各個5G 關鍵性能指標的概念和要求，本節(jié)詳細分析其影響因素及測試方法，

4.1 用戶體驗速率

IMT 2020所要求的第二階段和第三階段測試中，需要考察宏覆蓋、熱點覆蓋和連續(xù)廣域覆蓋下的用戶體驗速率。

通過用戶體驗速率的概念分析可知，它是網絡中隨時隨地（包括小區(qū)邊緣和高速移動等惡劣環(huán)境）所能達到的速率要求，因此測試方法和地點的選擇較為關鍵，比如需要考慮是采用定點測試還是全網測試，還需要考慮如何界定小區(qū)邊緣、如何進行高速測試、鄰區(qū)負荷如何設定，以及測試中是否上下行性能要否同時進行測試等問題。

4.2 單用戶峰值速率

峰值速率的定義表明它是單用戶速率，但實際上通常也采用小區(qū)峰值速率來衡量系統(tǒng)能力和某些算法的支持情況。

簡單來講，單用戶峰值速率受制于帶寬、調制階數(shù)、信道碼率以及MIMO 層數(shù)和終端天線數(shù)目等因素。采用大規(guī)模天線的情況下，系統(tǒng)側所支持的層數(shù)較多，可以同時調度的用戶越多。因此，采用多用戶進行測試，才可以獲取小區(qū)峰值吞吐量。而高頻模式下帶寬資源較為充足，如果采用更大帶寬，則也有助于提升小區(qū)峰值速率。由此可見，峰值速率測試過程中，一定要明確配置參數(shù)和測試條件，才便于分析測試結果的合理性。

4.3 小區(qū)（平均）頻譜效率

小區(qū)平均頻譜效率可以由小區(qū)峰值吞吐量和帶寬來簡單推導。5G 系統(tǒng)中，由于采用了大規(guī)模天線（mMIMO）、增強型波束賦形、增強型小區(qū)間干擾消除技術以及多載波技術，因此可以有效提升小區(qū)頻譜效率。

4.4 空口時延

5G 系統(tǒng)中，空口時延的降低主要依靠較短的TTI 來實現(xiàn)?？湛跁r延包括資源請求和分配、上下行數(shù)據(jù)傳送、接收確認/非確認以及系統(tǒng)處理等階段，E2E 時延包括上下行數(shù)據(jù)傳送、系統(tǒng)內部調度和處理、BTS 和UE 處理、傳輸以及核心網處理等階段。

4.5 連接數(shù)密度

5G 網絡中，針對低功耗大連接場景，100萬/km2的連接數(shù)密度指標是基本目標。此指標受話務模型和網絡配置的影響很大，如報告的數(shù)據(jù)量大小、發(fā)送頻度、用戶密度以及小區(qū)數(shù)等。未來如何對大量的用戶數(shù)密度進行模擬、仿真和測試，還有待進一步研究。

5 結束語

5G 系統(tǒng)中所包含的關鍵性能指標有速率、時延、頻譜效率以及連接密度等方面。目前階段，ITU 雖然已經提出了明確的指標需求，但是各個運營商或者組織有著不同的理解和解讀方式，本文通過對IMT-2020、ITU、NGMN 以及3GPP TR 文件的對比分析，進行了全面的概念解析和測試分析。測試工作中，需要根據(jù)測試規(guī)范具體分析指標的含義和取值要求，選定正確的測試方法，獲取合理的測試結果，才能為未來5G 商用工作提供更好的參考作用。