2.1　5G的应用场景、关键性能指标及部署频段

对于移动互联网用户，未来5G的目标是达到类似光纤速度的用户体验。而对于物联网，5G系统应该支持多种应用，如交通、医疗、农业、金融、建筑、电网、环境保护等，特点是海量接入。5G的主要业务如图2-1所示。

在物联网中，有关数据采集的服务包括低速率业务，如读表，还有高速率应用，如视频监控。读表业务的特点是海量连接、低成本终端、低功耗和小数据包；而视频监控不仅要求高速率，其部署密度也会很高。控制类的服务有时延敏感和时延非敏感的。前者有车联网，后者包括家居生活中的各种应用。

5G的应用大致可以归为三大场景：增强的宽带移动（eMBB）、低时延高可靠（URLLC）、海量物联网（mMTC）。数据流业务的特点是高速率，时延可以为50 ～100 ms；交互业务的时延为5～10 ms；现实增强和在线游戏需要高清视频和几十毫秒的时延。2020年，云存储汇集30%的数字信息量，这意味着云与终端的无线互联网速率达到光纤级别。低时延高可靠业务如对时延十分敏感的控制类物联网应用。海量物联网则代表着众多应用，包括低速采集、高速采集，以及时延非敏感的控制类物联网等。

5G系统的关键性能指标（KPI）包括峰值速率、用户体验速率、频谱效率、单位面积业务容量、能耗效率、空口传输时延、连接密度、移动性等 ^[1] ，如图2-2所示。

·　峰值速率是在理想传输环境和软硬件处理能力下，单条链路理论上能够达到的最高传输速率。这个指标通常是针对无线宽带场景（eMBB）而言的。5G系统的峰值速率是20Gbit/s。与4G系统相比，5G系统的峰值速率有20倍的提升。

·　用户体验速率是指蜂窝小区边缘的速率，即低端5%的用户的传输速率。这个指标通常也是针对无线宽带场景（eMBB）。5G系统的用户体验速率为100Mbit/s，与4G系统相比有10倍的提升。

·　对于无线宽带场景（eMBB），在Full Buffer业务下，5G系统每个扇区／节点的频谱效率是4G系统的3倍左右，边缘频谱效率是4G系统的3倍。

·　单位面积业务容量是指蜂窝小区的eMBB业务容量与蜂窝小区面积的比值。5G系统的单位面积业务容量是10Mbit/（s·m ² ），相比4G系统有100倍的提升。

·　5G网络的能耗效率要比4G网络提高100倍。

·　空口传输时延指标包括两个方面：控制面时延和用户面时延（图2-2只列出了低时延高可靠场景URLLC的用户面时延）。控制面时延是指从空闲态到连接态连续传输数据这一过程所需的时间。5G系统的控制面时延是10ms。用户面时延是假设没有非连续接收（DRX）的限制下，协议层2/3的数据包（SDU）从发送侧到接收侧正确译码所需的传输时间。对于低时延高可靠场景（URLLC），用户面时延是1ms。相比4G系统缩短了10%。对于无线宽带场景（eMBB），5G系统的用户面时延是上行4ms，下行4ms。

·　连接密度的定义是在单位面积中，如每平方千米范围内，能保证一定QoS条件下的总的终端机器设备数量。QoS需要考虑业务的到达频度、所需传输时间及误码率等。在城市部署场景下，连接密度的指标是每平方千米100万个终端机器设备，主要针对海量物联网（mMTC），相比4G系统有了10倍的提升。

·　移动性是指系统支持的最大移动速度。4G系统的移动性要求是350km/h，而在5G系统中，该指标要求提高到500km/h。

除了以上所列的性能指标，5G系统还有其他一些指标参数，如电池寿命（在没有充电的情形下能维持的时间）。对于海量物联网，电池寿命需要考虑极端覆盖条件（如路径损耗高达164 dB）、每天上行传输的比特数、每天下行传输的比特数和电池的容量。电池寿命的一个影响因素是每次随机接入和数据传输总共花费的时间。

对于这些性能指标的评估方法，峰值速率、空口传输时延、移动性、电池寿命等指标一般可以采用分析计算的方法进行评估；而用户体验速率、单位面积业务容量、每个扇区／节点的频谱效率和连接密度等指标则需要系统的仿真。

5G自2019年开始在韩国、美国、中国等国部署，到目前为止已有近100个国家部署了5G网络。如表2-1所示，5G在全球的主流频段，在中频段（sub-6 GHz）是3.5 GHz附近（中国还在2.6 GHz和700 MHz部署了5G网络），在毫米波频段是28 GHz附近。将频段扩展至毫米波频段是5G网络的一大特色，相比4G或更早的移动通信系统所用的中低频段，毫米波频段的带宽大大增加，可以满足5G对高速率业务和超低时延的要求。当然，毫米波频段的器件功放效率低、电波传播的路径损耗严重、缺乏散射等问题对网络全面覆盖提出了巨大的挑战，需要有效解决。

对于5G新空口在sub-6GHz和毫米波的频谱资源，3GPP定义了若干频段，每个频段的数码代号、双工模式、频率、通常名称、上行频带、下行频带、双工频差、信道带宽等的规定分别如表2-2和表2-3所示。