2.2 5G需求

2.2.1 用户、业务与运营需求

1.用户需求

移动互联网和物联网是面向 2020 年及未来 ICT（Information C ommunicationsTechnology，信息通信技术）产业的主要发展方向，未来无线通信将成为人类与外界互联的主要方式，用户对无线通信将寄予更高的期望，用户需求呈现多元化趋势。

移动互联网主要是以人为主体的通信，移动互联网用户更关注业务体验质量。随着无线终端媒体交互能力的不断增强，高清/超高清移动视频、VR、AR等丰富的业务应用层出不穷，移动互联网用户期望获得身临其境的视听效果，享受具有本地感受的业务体验，这要求 5G 网络能够提供媲美光纤的接入速率。同时，用户也期望实时的在线体验，对互联网业务时延无感知，这要求 5G 网络能够为移动互联网用户提供媲美本地操作的使用体验。未来无线通信的应用场景越来越广泛，在高速铁路、车载、地铁等高速移动场景和体育场、大型露天集会等超密集场景下，移动互联网用户希望获得一致的业务体验，这要求 5G 网络能够在特殊场景下为移动用户提供媲美于本地业务体验的优质服务。

相对于移动互联网，物联网引入了物与物、物与人的连接方式，大量行业应用不断涌现，带来了多元化的业务应用。相比于移动互联网用户，物联网用户在海量设备连接能力、差异化服务体验保障等方面提出了新的需求。物联网的快速发展，既要求5G网络能够支持具有完全不同性能要求的各种各样的服务，以满足不同行业的差异化需求，又要求5G网络能够把任何应用、任何服务、任何东西（例如，人、物体、过程、内容、知识、信息等）等连接到一起，使得未来不再是单一化的连接。而各种行业应用的拓展和多样化连接方式的实现都将刺激连接设备数量的剧增，这就要求5G网络具有超大容量和海量设备连接能力。

无论对于移动互联网还是物联网，用户在成本价格、安全可靠、功耗方面都提出了更多的诉求。首先，在成本价格方面，用户在不断追求高质量的业务体验的同时也在期望通信成本的下降，希望在单位价格内能够获得更好的服务和更高的性价比。其次，在安全可靠方面，无线通信的发展给人们的生活带来越来越多的便利，一些对安全可靠性要求高的行业应用在不断拓展，下一代无线通信需要提供高安全性、高可靠性的 5G 网络，让用户能够放心使用移动支付、医疗、安全驾驶、安防等安全性和可靠性要求高的应用。最后，在功耗方面，立足可持续发展的使命和战略，5G网络需要为人们创造一个绿色环保的环境，支持超低功耗应用以提升终端续航时间。

2.业务需求

下一代无线通信将进入超连接时代，无线通信业务和应用形态将发生彻底改变，除传统通信业务外，大量新型业务和应用层出不穷，未来 5G 业务主要可分为两大类：移动互联网业务和物联网业务。基于3GPP业务分类，移动互联网业务可分为流类、会话类、交互类、传输类、消息类；而物联网业务主要分为采集类和控制类。

随着未来无线终端媒体交付能力的不断增强，流类与会话类业务将不断向超高清、3D、沉浸式体验等方向发展。此类业务如高清视频播放、VR、AR等应用的广泛流行，对5G网络提出了更高的挑战，对用户体验速率要求更高。例如，12K分辨率的无压缩2D视频传输速率达50 Gbit/s，经过200倍压缩后，其传输速率也需要达到250 Mbit/s。同时，此类业务要求更低的时延、极高的流量密度，并且需要支持在高速铁路、地铁等高速移动的交通工具上的业务服务，保障基本的用户体验。

交互类业务的应用也在不断扩展，如在线游戏的盛行；一些新型业务在不断涌现，如AR、云桌面。这些业务应用要求大数据交互，如AR、在线游戏等需要进行实时高清视频交互，对上下行用户传输速率提出挑战；同时要求快速响应，实现用户对时延基本无感知的使用体验。

未来云存储等传输类业务和OTT（Over T he Top）消息类业务对未来无线网络带来的挑战主要体现在大数据传输、高流量密度和信令开销方面，要求 5G 网络能够实现达到媲美光纤的传输速率，满足密集场景中所产生的极大流量需求，有效应对大量数据包频发消耗信令资源的问题。

未来物联网业务应用丰富多样，业务特征差异较大，要求 5G 网络能够满足其差异化需求。对于低速率采集类业务，如智能抄表，要求能够支持设备海量连接，终端低成本、低功耗，大量小数据包频发；而对于高速率数据采集类业务，如视频监控，则对上行传输速率和密集场景下的流量密度提出较高的要求。对于时延敏感控制类业务，如自动驾驶，其高速移动的特点要求毫秒级的低时延、近 99.999%的可靠性；而时延非敏感控制类业务，如家居控制，则对时延要求不高，但连接的设备数量较多。

3.运营需求

目前网络运营中亟待解决或改善的问题主要有以下几个方面。

（1）网络能效和网络成本方面的问题。

当前4G网络的能效有进一步提升的空间，同时，网络成本包括CAPEX（Capital Expenditure，资本性支出）和OPEX（Operating Expense，运营成本）有进一步降低的余地。随着未来移动互联网和物联网的爆发式发展，网络需要为海量的终端设备（包括物联网设备）提供相当于目前网络流量约1000倍的业务流量，因此需要进一步提升网络能效、降低网络部署和维护成本。

（2）智能管道和智能优化相关问题。

首先，对于现有的各种网络资源，目前还不能对其使用情况做到全面、精确地监控，并做出最高效地分配。“智能管道”还有进一步提升的空间，“可视化资源”尚不能完全实现。

其次，网络对信令风暴的处理能力仍显不足。面对层出不穷的新业务类型，特别是面对当前因移动互联网业务的迅猛发展，各种“保持在线”业务小包频繁发送导致的信令风暴问题，网络处理能力仍显不足。

再次，网络针对业务特性和用户个性化需求的智能优化能力不足，网络 SON （Self-Organizing N etwork，自组织网络）功能有待增强。目前基于QCI（Quality of Service C lass I dentifier）等的QoS（Quality o f Service，服务质量）保障机制，能给用户提供时延、丢包率、数据速率等方面的保障，但是尚不能全面反映业务特性和用户的个性化需求，如机器类通信业务、小数据包的频繁传输、超低功耗、超低成本等。因此，未来网络需要进一步对这些特性和个性化的需求进行有针对性地增强。

针对这些问题，在 5G 的能效与成本、网络智能优化等关键运营能力方面提出了以下更高的需求。

（1）更高的网络能效，更低的网络成本：5G相比4G需要进一步提高每焦耳能量所能传输的比特数，即能源效率。同时，5G相比于4G需要进一步降低网络成本，包括CAPEX和OPEX。为了降低网络成本，一方面要求5G设备安装更容易、开通更简单，另一方面要求提高网络运维的自动化、软件化程度，以最小化人工操作比例。

（2）基于业务需求和用户行为的网络智能优化：5G网络需要更好地支持未来移动互联网业务和物联网业务，具备更先进的自组织和自优化能力，提供业务多元化、性能差异化的各类服务与应用。5G网络拓扑结构和架构需要更灵活地适应各种新兴业务，如近距离通信业务、基于大数据和云的新型业务，以及机器类通信业务等。

5G需要增强对用户的业务类型及使用习惯的智能感知能力，甚至需要能通过云计算和大数据对用户行为和业务特性进行分析，从而进行相应的网络参数和配置的调整与优化，并为差异化的定价提供可能。

2.2.2 I TU定义的5G性能指标要求

根据ITU的定义，5G网络将支持更高速率、更低时延和更大连接数密度，并且将能够满足eMBB、URLLC、mMTC三大应用场景的主要业务需求。如图2.2-1所示，国内 IMT-2020（5G）推进组又将增强移动宽带场景细分为连续广域覆盖场景和热点高容量场景。

为了满足三大应用场景的需求，5G将具备比4G更高的性能，如图2.2-2所示，包括支持100 Mbit/s的用户体验速率（4G的10倍），每平方千米100万的连接数密度（4G的10倍），毫秒级的空口时延（4G的1/10），每平方米10 Mbit/s的流量密度，每小时500 km以上的移动速度和下行20 Gbit/s、上行10 Gbit/s的峰值速率，平均频谱效率和5%用户频谱效率达到4G的3倍以上。其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的3个性能指标。同时，5G相比于4G还将大幅提高网络部署和运营的效率，网络频谱效率显著提高，能效和成本效率提升百倍以上 ^[3] 。

表2.2-1概括了ITU定义的5G关键性能需求指标 ^[2] 。

注：① 用户体验速率（ X ）表示95%的用户都能随时随地体验到高于 X 的速率。

② 5%用户频谱效率（ X ）表示95%的用户的频谱效率高于 X 。

③ 用户面时延定义：网络空载时单向传播IP空包所需时间。

④ 控制面时延定义：从电池节能态（如空闲态）切换到连续数据传输态（如激活态）时所需时间。

⑤ 可靠性定义：在1ms时长约束下，在小区覆盖边缘成功传达32 Byte IP包的错误率低于10 ^-5 。

下面对表2.2-1中ITU定义的5G关键性能需求指标进行详细说明。

（1）峰值速率和峰值频谱效率。

峰值速率（Peak Data Rate）被定义为在理想信道条件下，单个用户独享系统所有可用带宽资源（需排除典型的空口开销，如同步和参考信号、保护带宽、保护间隔等）时最大可达的数据吞吐量，单位是bit/s。

对于单个频段，用户峰值速率 R _p 等于该频段上的峰值频谱效率SE _p 和可用信道带宽 W 的乘积，可用公式表示为：

在不同的频段上，峰值频谱效率和可用信道带宽可能有不同的取值。当考虑多频段载波聚合时，用户整体峰值速率为聚合的多个子频段上的峰值速率之和。可用公式表示为：

其中， W _i 和SE _{p i} （ i =1，…， Q ）分别为对应子频段上的带宽和峰值频谱效率， Q 为聚合的频段数目。

针对eMBB业务，ITU对峰值速率指标提出了以下最低要求。

· 下行峰值速率：20 Gbit/s。

· 上行峰值速率：10 Gbit/s。

峰值频谱效率（Peak Spectral Efficiency，单位是bit/s/Hz）指标的最低要求如下。

· 下行峰值频谱效率：30 bit/s/Hz。

· 上行峰值频谱效率：15 bit/s/Hz。

在规定上述峰值频谱效率指标时，ITU假设系统采用了下行8流传输、上行4流传输。

峰值速率指标主要是出于对市场因素的考虑而提出的，用于比较不同无线通信系统的性能。在实际部署中，峰值速率也许并不是影响用户体验的关键因素，因为用户体验主要受到用户在小区内移动时的平均数据传输能力，以及用户处于小区边缘时的数据传输能力的影响。

（2）用户体验速率、5%用户频谱效率和平均频谱效率。

用户体验速率（User Experienced Data Rate）定义：用户吞吐量CDF（Cumulative Distribution F unction，累积分布函数）5%点处的数值，单位是bit/s。其中，用户吞吐量定义为在单位时间内正确接收到的比特数，即单位时间内从层 3 发出的 SDU （Service Data Unit，服务数据包）中所包含的比特数。

对于单个频段上单个TRxP（Transmission R eception P oint）传输，用户体验速率 R _user 等于该频段上的5%用户频谱效率SE _user 和可用信道带宽 W 的乘积，可用公式表示为：

当考虑来自单个或多个TRxP的多频段载波聚合时，用户整体体验速率为聚合的多个子频段上的体验速率之和。

针对eMBB业务，ITU对用户体验速率指标提出了以下最低要求：

· 下行用户体验速率：100 Mbit/s；

· 上行用户体验速率：50 Mbit/s。

将用户体验速率除以信道带宽就可以得到5%用户频谱效率（5th Percentile User Spectral Efficiency）。其中，信道带宽被定义为有效带宽和频率复用因子的乘积。

对于TDD系统，有效带宽为考虑TDD上、下行比率之后的实际带宽。

可将用户频谱效率 r _i （单位是bit/s/Hz）用公式表示为：

其中， R _i （ T _i ）表示用户 i 正确接收的比特数（下行）或正确发送的比特数（上行）； T _i 表示用户 i 相应的数据接收或发送时间； W 为信道带宽。

针对eMBB业务，ITU对多种测试场景下的5%用户频谱效率指标提出了最低要求，具体如表2.2-2所示。

注：①农村-eMBB测试环境下的5%用户频谱效率指标不适用于农村-eMBBLMLC（Low Mobility Large Cell）测试场景。

ITU进一步定义了每个TRxP的平均频谱效率（Average Spectral Efficiency）指标。平均频谱效率SE _avg 定义为：所有用户累计吞吐量之和除以信道带宽和TRxP的数目，单位是bit/s/Hz，可用公式表示为：

其中， R _i （ T _i ）表示用户 i 正确接收的比特数（下行）或正确发送的比特数（上行）； T _i 表示用户 i 相应的数据接收或发送时间； W 为信道带宽； N 为总用户数； M 为总TRxP数。

针对eMBB业务，ITU对多种测试场景下的平均频谱效率指标提出了最低要求，具体如表2.2-3所示。

注：①农村-eMBB测试环境下的平均频谱效率指标不适用于农村-eMBBLMLC（Low Mobility Large Cell）测试场景。

（3）用户面时延与可靠性。

用户面时延（User Plane Latency）指的是网络空载时单向成功传输IP空包所需时间，单位是ms。其中，网络空载指的是网络中只有1个用户；而IP空包指的是数据包中只包括IP包头（IP包中有效载荷为0 Byte）。同时还假设用户处于激活态。

具体来说，用户面时延等于 t ₂ -t ₁ ，其中， t ₁ 表示每个应用层数据包到达发送节点的协议栈层2/3的SDU进入点（Ingress P oint）的时刻，而 t ₂ 表示该数据包到达接收节点的协议栈层2/3的SDU离开点（Egress Point）的时刻。

针对eMBB业务和URLLC业务，ITU对用户面时延指标提出了最低以下要求：

· eMBB业务：≤4 ms；

· URLLC业务：≤1 ms。

可靠性指标与用户面时延指标是相关联的，可靠性指标定义为在给定的最大用户面时延指标约束下，成功传输IP小包的概率，其描述的是在给定时间约束内，以较高的成功概率有效传输一定业务量的能力。

针对URLLC业务，ITU对可靠性指标提出了最低要求，即对于密集城区-URLLC测试环境下的小区覆盖边缘用户，在1 ms的用户面时延约束下，传输32 Byte的IP小包（包括20 Byte的应用层数据和IP包头）的错误率不超过10 ^-5 。

（4）控制面时延。

控制面时延（Control Plane Latency）定义为从电池节能态（如空闲态）切换到连续数据传输态（如激活态）时所需的时间，单位是ms。

针对eMBB业务和URLLC业务，ITU对控制面时延指标提出了最低要求，即控制面时延≤20 ms。

（5）流量密度。

流量密度（Area T raffic Cap acity）定义为单位地理区域内的总用户吞吐量，单位是Mbit/s/m ² 。其中，用户吞吐量定义为在给定时间区间内正确接收到的比特数（从层3发出的SDU中所包含的比特数）。

对于单个频段上单个TRxP传输，流量密度指标可以通过平均频谱效率、网络部署特性（如TRxP密度）和信道带宽等参数推导出来，用公式表示为：

其中， W 表示信道带宽； ρ 表示TRxP密度；SE _avg 表示平均频谱效率。

当考虑多频段载波聚合时，整体流量密度为多个子频段上流量密度之和。

针对 eMBB 业务，ITU 要求在室内热点-eMBB 测试环境中，下行流量密度指标为10 Mbit/s/m ² 。

（6）连接数密度。

连接数密度（Connection Density）定义为在单位地理区域内，满足预定QoS质量条件下的总的设备连接数，单位是个/km ² 。

连接数密度指标应该在给定带宽和TRxP数的约束下获得。预定QoS指的是在给定时长约束下，发送给定大小的数据包的成功率大于预定值。

针对mMTC业务，ITU要求设备的连接数密度≥1000000个/km ² 。

（7）移动性。

移动性（Mobility）指的是在满足预定QoS质量条件下的用户最大移动速度，单位是km/h。ITU定义了下述移动性等级：

· 静止：0 km/h；

· 步行：0～10 km/h；

· 交通工具：10～120 km/h；

· 高速交通工具：120～500 km/h。

其中，500 km/h的高速交通工具主要针对高速铁路场景。表2.2-4定义了不同测试环境中支持的移动性等级。

表2.2-5进一步定义了在eMBB各种测试环境下，当用户以最高速率移动时所需要满足的带宽归一化的上行业务信道链路数据率。

（8）移动中断时间。

移动中断时间（Mobility I nterruption Time）指的是由于用户移动所导致的用户不能与任意基站交换用户面数据包的最小业务中断时间，单位是ms。

移动中断时间包括执行任意的空口接入流程、空口资源控制信令协议，或者其他的基站和无线接入网络之间消息交互时所需的系统处理时间。

针对eMBB业务和URLLC业务，ITU要求最小移动中断时间为0 ms。

（9）能源效率。

能源效率包括网络侧能源效率（Network E nergy E fficiency）和设备侧（Device Energy Efficiency）能源效率。网络侧能源效率指的是无线接入网在提供一定业务容量的同时，最小化能源开销的能力；而设备侧能源效率指的是设备调制解调器在特定的业务模式下，最小化能源开销的能力。

网络侧和设备侧的能源效率需要同时支持以下两方面能力：

· 正常业务负载条件下的有效数据传输，这时，能源效率指标可以通过平均频

谱效率指标表征；

· 空载（即无数据）条件下的超低能源开销，这时，能源效率指标可以通过休

眠比率（Sleep Ratio）指标表征。

对于网络侧有：

对于设备侧有：

更进一步来说，休眠周期（对于网络侧为不发送数据的连续时长，对于设备侧为不收发数据的连续时长）应该保持足够长。

能源效率指标是针对eMBB业务提出的。RIT/SRIT（Radio Interface Technologies/Set o f R adio Interface Technologies，无线接口技术/无线接口技术集合）应该有能力支持较高的休眠比率和较长的休眠周期。

（10）系统带宽。

系统带宽（Bandwidth）定义为最大可聚合带宽。系统带宽可以只包括单个射频载波，也可以聚合多个射频载波。

ITU要求RIT/SRIT至少应该支持100 MHz以上的系统带宽。

对于6 GHz以上的高频段，RIT/SRIT可支持1 GHz系统带宽。

RIT/SRIT还应该支持带宽扩展能力，即RIT/SRIT应该能够在不同的系统带宽中正常工作。

2.2.3 3GPP对于5G指标满足情况

ITU定义的5G性能指标是5G系统的唯一验收标准，3GPP组织所研究的5G系统只有满足ITU所定义的全部性能指标要求，才能被国际社会接受为5G国际标准。因此，3GPP组织所研究的5G系统必须完全满足5G性能指标要求。

另外，为了确定ITU 5G性能指标，各大国际标准化组织都提前开展了5G需求研究工作，并且将研究成果输出给ITU。ITU综合各大标准化组织的输出成果，最终确定了ITU 5G性能指标。3GPP组织于2015年11月第70次RAN（Radio Access Network，无线接入网络）全会上启动了《下一代接入技术的场景与需求》研究课题 ^[4] ，并且于2016年12月第73次RAN全会上正式通过了研究报告3GPP TR 38.913 ^[5] 。该研究报告作为ITU 5G性能指标的输入材料，阐述了3GPP组织对5G性能需求的理解。

由于3GPP TR 38.913研究报告的完成时间早于ITU 5G性能指标的发布时间，因此虽然3GPP TR 38.913研究报告中定义的大部分5G性能指标（如上下行峰值传输速率、上下行峰值频谱效率、控制面时延、最大支持的移动性、小区切换中断时间、可靠性、连接数密度等）都与ITU定义保持一致，但是在某些性能指标上却与ITU定义存在一定的差异。例如，与ITU 5 G性能指标相比，3GPP TR 38.913研究报告对时延指标提出了更高要求。ITU 定义的控制面时延指标为 20 m s，而 3GPP定义的控制面时延指标为10 ms；针对URLLC业务，ITU定义的用户面时延指标为1 ms，而3GPP定义的用户面时延指标为0.5 ms。

另外，从实际业务需求出发，3GPP TR 38.913研究报告还定义了一些新的性能指标。例如，针对低频突发小包（如20 Byte）业务，3GPP要求处于“节能态”的终端进行上行传输时最大时延不超过10 s。针对mMTC业务，3GPP还定义了终端电池寿命指标，要求电量5 Wh的电池，在小区覆盖边缘（对应于164 dB的最大路径传播损耗）每天发送200 Byte的上行数据，并接收20 Byte的下行数据时，最长工作时间需超过10年。另外，考虑到卫星通信链路传播时延较大的特点，3GPP还有针对性地定义了一些时延指标，对于GEO（Geosynchronous E arth O rbit，地球静止轨道卫星）和HEO（Highly Elliptical O rbit，高轨卫星），要求控制面和用户面的RTT（Round-Trip Time，往返时间）最大为600 ms；对于MEO（Medium Earth Orbit，中轨卫星），要求控制面和用户面的RTT最大为180 ms；对于LEO（Low Earth Orbit，低轨卫星），要求控制面和用户面RTT最大为50 ms。

而对于上下行用户体验速率、平均频谱效率、5%用户频谱效率、流量密度等5G性能指标，3GPP仅要求5G系统性能至少为4G系统（对应于3GPP Rel-10版本）的3倍以上，而不像ITU那样给出了明确的定量指标要求。

表2.2-6简单对比了ITU 5 G性能需求指标与3GPP T R 38.913研究报告中定义的5G性能需求指标。

注：① 考虑终端处于“节能态”时，终端发送低频率小包（20 Byte）时的传输时延。

② 终端电池寿命指的是电量5 Wh的电池，在小区覆盖边缘（对应于164 dB的最大路径传播损耗），支持每天发送200 Byte的上行数据，并接收20 Byte的下行数据的移动通信业务时的最长工作时间。

由于ITU所定义的5G性能指标是5G系统的唯一验收标准，因此3GPP所研究的5G系统将同时满足ITU和3GPP TR 38.913研究报告中所定义的5G性能指标要求。而在包括控制面时延和用户面时延在内的一些关键性能指标上，3GPP 所研究的5G系统将远远优于ITU组织对5G系统的最低要求。 iSKFIfcTObIHz3tecii0SQKHmX0f3ro1OtFcHGW4bfvxgl9E/YJNw7TPPNY/KEgo