5G eMBB場景容量評(píng)估方法研究

左偉麗 裴壯 堵顥 蘇澤昆

【摘要】? ? 介紹了eMBB場景的應(yīng)用，詳述了5G的時(shí)域、頻域、空域資源等基本概念理論，從基本理論出發(fā)，計(jì)算5G用戶理論峰值速率，通過eMBB中具有代表性的場景（會(huì)展場景），研究5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型及網(wǎng)絡(luò)需求模型，從參會(huì)觀眾和展商兩個(gè)維度進(jìn)行會(huì)展場景的 5G 業(yè)務(wù)模型推導(dǎo)及建立，根據(jù)模型評(píng)估計(jì)算會(huì)展場景的 5G 網(wǎng)絡(luò)容量需求，對(duì)eMBB場景容量評(píng)估進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】? ? eMBB? ? 子載波間隔? ? 峰值速率? ? 場景? ? 容量評(píng)估

一、 研究背景

5G應(yīng)用的三大場景，業(yè)務(wù)類型極其豐富;各類業(yè)務(wù)特性不同，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延和可靠性等性能參數(shù)要求也不相同。5G時(shí)代面對(duì)的是大連接、大吞吐率，以及高可靠低時(shí)延業(yè)務(wù)。系統(tǒng)的容量問題，是研究如何在差異化場景下部署5G網(wǎng)絡(luò)并優(yōu)化過程中最主要的一個(gè)問題。因此，研究5G在多應(yīng)用場景下容量的評(píng)估方法，為后續(xù)5G網(wǎng)絡(luò)部署、5G容量規(guī)劃打下理論基礎(chǔ)具有重要意義。

目前的國內(nèi)外容量研究，要么是基于某類技術(shù)，如分區(qū)信道篩選，致力于對(duì)吞吐量進(jìn)行優(yōu)化，或針對(duì)某類場景，如 D2D，進(jìn)行資源分配。還有部分學(xué)者對(duì) 5G 基于容量的切換，或接入控制進(jìn)行了針對(duì)性的研究。而更多的是在工程領(lǐng)域進(jìn)行分析，對(duì)5G系統(tǒng)本身的容量性能均缺乏研究[1]。

本文在此情況下介紹了eMBB場景的應(yīng)用，通過推演公式計(jì)算出了5G用戶理論峰值速率。通過eMBB中具有代表性的場景（會(huì)展場景），研究了5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型及網(wǎng)絡(luò)需求模型，從參會(huì)觀眾和展商兩個(gè)維度進(jìn)行了會(huì)展場景的 5G 業(yè)務(wù)模型推導(dǎo)及建立，并根據(jù)模型評(píng)估計(jì)算了會(huì)展場景的 5G 網(wǎng)絡(luò)容量需求，最后對(duì)eMBB場景容量評(píng)估進(jìn)行了簡要總結(jié)。

二、 5G eMBB場景應(yīng)用

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義了5G的三大應(yīng)用場景，eMBB場景、uRLLC場景、mMTC場景，eMBB是指增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶主要在于3D超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，mMTC超可靠和低延遲通信大規(guī)模機(jī)器類型通信是指大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，uRLLC是指需要低延遲的業(yè)務(wù)，如無人駕駛和工業(yè)自動(dòng)化。這三個(gè)主要的應(yīng)用場景指向不同的領(lǐng)域，涵蓋了我們工作和生活的各個(gè)方面。

eMBB即增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶，指在現(xiàn)有移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)場景的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。這也是最接近我們?nèi)粘Ｉ畹膽?yīng)用場景。5G在這方面帶來的最直觀體驗(yàn)是網(wǎng)絡(luò)速度的大幅提升。即使觀看4K高清視頻，峰值也可以達(dá)到10Gbps，體現(xiàn)在以人為中心的應(yīng)用場景，集中表現(xiàn)為超高的傳輸數(shù)據(jù)速率，廣覆蓋下的移動(dòng)性保證等，這是最直觀改善移動(dòng)網(wǎng)速，未來更多的應(yīng)用對(duì)移動(dòng)網(wǎng)速的需求都將得到滿足，從eMBB層面上來說，它是原來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，讓人們體驗(yàn)到極致的網(wǎng)速。因此，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）將是 5G 發(fā)展初期面向個(gè)人消費(fèi)市場的核心應(yīng)用場景[3]。

超高清視頻直播（流媒體）：以如下兩類5G超高清視頻體驗(yàn)案例來看：

第一類，即“5G+多屏多視角”應(yīng)用，如在CBA直播賽事中，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)視角的共同呈現(xiàn)，用戶可以選擇任何一個(gè)他想看的視角進(jìn)行觀看。這樣一來全面改變了傳統(tǒng)的導(dǎo)播視角千篇一律的觀看方式，使得用戶可以在一些預(yù)設(shè)的視角上面通過遙控器實(shí)時(shí)做出選擇。

第二類，即“5G+自由視角”，多屏多視角是屬于預(yù)設(shè)多視角的體驗(yàn)，自由視角則是全視角，每個(gè)用戶都可以選擇不同視角來觀看，未來觀看視頻時(shí)每個(gè)人都可以是導(dǎo)演，屆時(shí)更可實(shí)現(xiàn)360度的旋轉(zhuǎn)觀看。

5G超高清視頻業(yè)務(wù)仍在發(fā)展之中，依靠設(shè)備及運(yùn)營商的構(gòu)建能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要更多的上下游合作伙伴共同參與，進(jìn)而為技術(shù)創(chuàng)新、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新、架構(gòu)創(chuàng)新和內(nèi)容創(chuàng)新發(fā)力超高清視頻將是未來很重要的業(yè)務(wù)承載及交互方式。首先，超高清視頻在觀看內(nèi)容體驗(yàn)方面是絕佳的，無論是家庭還是個(gè)人場景下都是毋庸置疑的;其次，超高清也能用于媒介溝通;最后，超高清也能應(yīng)用于未來的行業(yè)生產(chǎn)場景?！?G改變生活，5G改變行業(yè)”，5G超高清將會(huì)帶來一場全新的體驗(yàn)以及服務(wù)的升級(jí)。

目前，5G的三大服務(wù)場景中最成熟的是eMBB，是最有機(jī)會(huì)形成規(guī)模商用的大場景。不難推斷：VR、AR等及三類直播等各形態(tài)的超高清應(yīng)用會(huì)逐步成為其運(yùn)營商的5G標(biāo)配業(yè)務(wù)。 未來5G賦能超高清有三點(diǎn)關(guān)鍵價(jià)值：

1.新連接促使生產(chǎn)更高效。在家庭端通過改變現(xiàn)有的視頻業(yè)務(wù)形態(tài)，使其形成更大的用戶價(jià)值，這個(gè)過程中互動(dòng)將會(huì)是一個(gè)很重要的前提要素。比如，通過無人機(jī)實(shí)現(xiàn)5G回傳看直播、通過VR/AR實(shí)現(xiàn)空中游園等。國家70周年閱兵典禮中，5G回傳機(jī)位、自行車視角及三個(gè)花車的5G回傳視角都得到了很好的應(yīng)用。

2.新架構(gòu)讓體驗(yàn)更豐富。重點(diǎn)體現(xiàn)在兩大塊，包括邊緣計(jì)算和切片管理，其中切片管理將更多會(huì)服務(wù)于工業(yè)場景。

3.新服務(wù)讓生活更精彩?；?G的大帶寬和低時(shí)延的連接下，用戶將有很多的服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)近距離的隨時(shí)獲取，并且可以實(shí)現(xiàn)彈性擴(kuò)張。

圍繞5G，許多設(shè)備廠家已經(jīng)做了大量的商業(yè)場景構(gòu)建和實(shí)踐。特別是以“5G回傳”、“5G+VR”及“5G+4K/8K”的三大類應(yīng)用。

對(duì)于家庭應(yīng)用環(huán)境，5G也會(huì)形成更好的體驗(yàn)升級(jí)，首先對(duì)大屏端來說，做到可幫助用戶實(shí)現(xiàn)交互式的自由視角、多屏多視角等全新方式觀看直播;

對(duì)于VR端來說，如VR“第二現(xiàn)場”觀賽、VR音樂及VR 2D轉(zhuǎn)3D觀影可使用戶在家庭端享受到有如親臨現(xiàn)場般的沉浸式體驗(yàn)，用戶還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的社交互動(dòng);

對(duì)于手機(jī)端來說，通過自由視角、多屏多視角、自由縮放等，也可以獲得絕佳的觀感體驗(yàn)，如2019年11月29日在成都舉辦的男子乒乓球世界杯賽上，華為便把這些技術(shù)全放在一場賽事中進(jìn)行應(yīng)用，并在聯(lián)通的“沃視頻”及IPTV端進(jìn)行了全網(wǎng)直播。

三、5G eMBB場景容量評(píng)估

（一）5G理論峰值速率計(jì)算

與以往網(wǎng)絡(luò)類似，5G的用戶速率，與用戶終端的能力，信道條件等因素有關(guān)系，理論下行峰值速率基于 3GPP 38.306給出的定義[4-9]：

Rpeak=Vlayer*Qm*f*Rmax*NRB*12*（1-OH）*Nsys

參數(shù)名稱：Rpeak峰值速率;Vlayer最大層數(shù);QmMIMO的階數(shù);F擴(kuò)展系數(shù);Rmax編碼碼率;NRB資源塊個(gè)數(shù);OH資源開銷占比;Nsys每秒符號(hào)數(shù)。

假設(shè)采用FR1<6GHz頻段，30KHz子載波間隔（對(duì)應(yīng)?=1），100MHz載波帶寬，調(diào)制方式256QAM（對(duì)應(yīng)Qm=8），單用戶4層MIMO，擴(kuò)展系數(shù)為1，下行開銷為0.14（1個(gè)PDCCH符號(hào)和1個(gè)DMRS符號(hào)），則參數(shù)表和計(jì)算結(jié)果如下：

Vlayer MIMO的層數(shù)取值4，Qm調(diào)制階數(shù)取值8，f取值1，本次取值為Rmax編碼碼率取大值0.92578，NRB資源塊個(gè)數(shù)為273個(gè)，OH資源開銷占比0.14，Nsys每秒符號(hào)數(shù)為14*2^?/10-3=28000符號(hào)/s，因此UE理論下行峰值速率為：

Rpeak=4*8*1*0.92578*273*12*（1-0.14）*28000=2.337 Gbps

（二）eMBB場景容量估算

本節(jié)將根據(jù)eMBB多種應(yīng)用場景，選取一種特殊的場景會(huì)展中心，對(duì)此種場景研究5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型及網(wǎng)絡(luò)需求模型;從參會(huì)觀眾和展商兩個(gè)維度進(jìn)行了會(huì)展場景的 5G 業(yè)務(wù)模型推導(dǎo)及建立，并根據(jù)模型評(píng)估計(jì)算了會(huì)展場景的 5G 網(wǎng)絡(luò)容量需求。下面以XX國際會(huì)展中心舉辦的中國XX工業(yè)裝備博覽會(huì)為模型中心進(jìn)行分析建立模型。

1.會(huì)展場景觀眾用戶網(wǎng)絡(luò)容量需求業(yè)務(wù)模型

評(píng)估會(huì)展場景的觀眾用戶歷史數(shù)據(jù)（VR、車博等活動(dòng)的數(shù)據(jù)），在展會(huì)期間，現(xiàn)場觀眾用戶的 76.97%業(yè)務(wù)主要集中在視頻、網(wǎng)頁瀏覽和即時(shí)通訊， 三大類中視頻占全部業(yè)務(wù)的 31.4%，網(wǎng)頁流量占全部業(yè)務(wù)的 30.3%[2]。

由此根據(jù)觀眾用戶的人流量、業(yè)務(wù)行為、可以研究得出會(huì)展場景的觀眾用戶業(yè)務(wù)模型，如表1。

以上數(shù)據(jù)滲透率參考相關(guān)調(diào)研報(bào)告結(jié)果取定;上、下行業(yè)務(wù)占比、業(yè)務(wù)速率按照業(yè)界經(jīng)驗(yàn)取定。根據(jù)上述業(yè)務(wù)模型，采用加權(quán)平均算法，計(jì)算會(huì)展場景單觀眾用戶忙時(shí)速率如下：

V1=激活因子*（下行速率*下行業(yè)務(wù)占比+上行業(yè)務(wù)*上行業(yè)務(wù)占比）*業(yè)務(wù)滲透率=369.48Kbps

2.會(huì)展場景觀眾用戶數(shù)/吞吐量需求

（1）會(huì)展場景的展廳面積為：S=7萬平米，假設(shè)展館觀眾占用面積為40%;

（2）假設(shè)觀眾人員密度為3.5平方米/人;

（3）聯(lián)通的用戶占有率：C=22%;

（4）上網(wǎng)觀眾用戶占比： P=85%;

（5）同時(shí)在線用戶占比：O=70%。

（6）會(huì)展中心展廳區(qū)域的 5G 網(wǎng)絡(luò)峰均比為β40%。使用以上數(shù)據(jù)估算場館的容量需求，具體模型如下：

由此可以得出：會(huì)展場景觀眾用戶對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)吞吐量需求為：

T1=在線用戶數(shù)* V1*（1+β峰均比）=（70000*40%/3.5）* 22%*85%*70%*369.48*（1+40%）≈541.687Mbps

3.會(huì)展場景展商用戶業(yè)務(wù)模型

根據(jù)各種等展會(huì)信息分析，5G展會(huì)的展商用戶主要集中在“VR/AR”、“家庭娛樂”、“直播”等eMBB業(yè)務(wù)場景上，由此根據(jù)展商業(yè)務(wù)行為，研究得出會(huì)展場景的展商用戶業(yè)務(wù)模型[2]，如表2。

會(huì)展場景5G業(yè)務(wù)通信需求指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于中國信息通信研究院行業(yè)內(nèi)白皮書，采用加權(quán)平均算法，計(jì)算會(huì)展場景商戶忙時(shí)速率如下：

V2=50.7Mbps

2.會(huì)展場景5G展商用戶數(shù)/吞吐量需求

（1）會(huì)展場景的展廳面積為：S=7萬平米，假設(shè)展館商戶占用面積為60%;

（2）假設(shè)展廳商戶密度為28平方米/戶;

（3）聯(lián)通展商用戶占有率：C =30%;

（4）展商用戶的 5G 業(yè)務(wù)數(shù)：β展商業(yè)務(wù)數(shù)= 5;

（5）會(huì)展中心展廳區(qū)域的5G網(wǎng)絡(luò)峰均比：β峰均比=40%。

由此可以得出：會(huì)展場景觀眾用戶對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)吞吐量需求為：

T2=展商聯(lián)通業(yè)務(wù)數(shù)* V2*（1+β峰均比） =（70000*60%/28）* 30%*5*50.7*（1+40%）≈159705Mbps

5.會(huì)展場景整體的5G網(wǎng)絡(luò)容量需求

由此可以得出：會(huì)展場景每個(gè)展廳的 5G 網(wǎng)絡(luò)吞吐量需求：

T=T1+T2=541.687+159705Mbps=160246.687Mbps

四、結(jié)束語

通過對(duì)會(huì)展場景 5G 網(wǎng)絡(luò)容量的粗略推導(dǎo)，初步了解了會(huì)展場景 5G 網(wǎng)絡(luò)容量要求以及和哪些因素相關(guān)，因?yàn)閷?shí)際網(wǎng)絡(luò)計(jì)算小區(qū)吞吐率和時(shí)隙配置、開銷分配等因素相關(guān)，相對(duì)較復(fù)雜，后期工業(yè)應(yīng)用相對(duì)成熟后再進(jìn)行深入研究。

在容量估算方面，需要考慮不同業(yè)務(wù)的速率需求，不同業(yè)務(wù)的承載速率是不同的，eMBB業(yè)務(wù)可分為Web、Video、VoIP業(yè)務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)、即時(shí)消息、云、郵件、文件傳輸、游戲和M2M業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)獲得良好用戶體驗(yàn)對(duì)應(yīng)的速率要求是不一樣的，因此，我們談?wù)摲逯邓俾?、吞吐量是很有必要的，是?duì)eMBB場景容量估算的一個(gè)方面的重要研究。

作者單位：左偉麗? ? 裴壯? ? 堵顥? ? 蘇澤昆

河南省信息咨詢設(shè)計(jì)研究有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]湯建東，肖清華.5G容量能力分析[J].無線通信， 2020：50-53.

[2] https：//www.doc88.com/p-99259460065250.html

[3] https：//www.huawei.com/cn/industry-insights/outlook/mobile-broadband

insights-reports/5g-unlocks-a-world-of-opportunities

[4] 3GPP TS 38211 NR Physical channels and modulation （Release 15）

[5] 3GPP TS 38213 NR Physical layer procedures for control（Release 15）

[6] 3GPP TS 38214 NR Physical layer procedures for data （Release 15）

[7] 3GPP TR 21905 Technical Specification Group Services and System Aspects; Vocabulary for 3GPP Specifications （Release 16）

[8] 3GPP TS 38101-1 NR User Equipment （UE） radio transmission and reception， Part 1： Range 1 Standalone （Release 16）

[9] https：//blog.csdn.net/shepherdfree/article/details/103364517