5G网络的场景在3GPP TR 38.913中有具体的定义,包括使用场景(Usage Scenarios)和部署场景(Deployment Scenarios);中国IMT-2020推进组发布的《5G愿景与需求白皮书》和《5G概念白皮书》中提出了应用场景和技术场景;在室内分布系统设计过程中,根据场景的特点和用途,也会将这些场景进行细分;为了充分体现室内分布系统设计的便捷性,可以根据场景内隔断的数量进行细分。这些场景的定义有一定的关联,也有一定的区别,具体说明如下。
针对使用场景,ITU-R的IMT for 2020 and beyond工作组明确定义了使用场景,具体包含增强型移动宽带(enhanced Mobile Broad Band,eMBB)、海量机器类通信(massive Machine-Type Communication,mMTC)、低时延高可靠通信(ultra-Reliable & Low-Latency Communication,uRLLC)三大类使用场景。ITU-R定义的5G三大类使用场景如图1-1所示。eMBB 场景主要提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务的通信体验,适用于高速率、大带宽的移动宽带业务。mMTC和uRLLC则主要面向物物连接的应用场景。其中,mMTC主要满足海量物联的通信需求,面向以传感和数据采集为目标的应用场景;uRLLC基于其低时延和高可靠的特点,主要面向垂直行业的特殊应用需求。
图1-1 ITU-R定义的5G三大类使用场景
针对部署场景,3GPP TR 38.913中定义了12类部署场景,同时也给出了这12类部署场景的特性、用户业务模型、覆盖要求等技术指标参数建议。3GPP TR 38.913中12类部署场景的简要说明如下。
室内热点(Indoor Hotspot)属于热点高容量技术场景,具有超高用户密度、超高流量密度、所有用户在楼宇内低速移动的特性。3GPP建议采用4GHz、30GHz或70GHz频段,采用建设室内分布系统的方式进行覆盖,并建议平均间距20m部署一个传输接收点(Transmission Reception Point,TRxP),每个TRxP建议覆盖容量为10个用户。
密集城区(Dense Urban)属于热点高容量技术场景,具有高用户密度、超高流量密度、80%的用户在室内低速移动、20%的用户在室外中速移动的特性。3GPP建议采用4GHz频段宏基站构建蜂窝网络,30GHz频段室外微基站按需要进行部署,并建议宏基站平均站间距为200m,每个宏基站TRxP内可建设3个微基站TRxP,每个TRxP建议覆盖容量为10个用户。
农村(Rural)属于连续广域覆盖技术场景,具有50%的用户在室内低速移动、50%的用户在室外高速移动的特性。3GPP建议采用700MHz或4GHz频段宏基站构建蜂窝网络,建议700MHz宏基站平均站间距为5000m,4GHz宏基站平均站间距为1732m,每个宏基站TRxP建议覆盖容量为10个用户。
城区宏基站(Urban Macro)属于连续广域覆盖技术场景,具有20%的用户在室内低速移动、80%的用户在室外高速移动的特性。3GPP建议采用2GHz、4GHz或30GHz频段宏基站构建蜂窝网络,建议宏基站平均站间距为500m,每个宏基站TRxP建议覆盖容量为10个用户。
高铁(High Speed)属于连续广域覆盖技术场景,具有100%的用户在高铁车厢内、每列高铁上1000个用户及10%的业务激活率、最大速度可达到500km/h的特性,3GPP建议每个覆盖高铁的宏基站支持300个用户。对于高铁场景,3GPP给出了两个建议:一是采用4GHz宏基站构建蜂窝专网的方案;二是采用40GHz宏基站射频拉远头(Remote Radio Head,RRH)(其核心思路就是把射频单元从传统的宏基站中独立出来)构建蜂窝专网的方案。
地广人稀区域广覆盖(Extreme Long Distance Coverage in Low Density Areas)属于连续广域覆盖技术场景,具有超远距离覆盖的特性,3GPP建议采用700MHz宏基站进行覆盖,覆盖半径要求达到100km。
城区海量连接(Urban Coverage for Massive Connection)属于低功耗大连接技术场景,具有超高连接数及80%的室内、20%的室外特性。3GPP建议采用700MHz或2.1GHz频段宏基站构建蜂窝网络,建议700MHz宏基站平均站间距为1732m,2.1GHz宏基站平均站间距为500m。
高速公路车联网(Highway Vehicle Network)属于低时延高可靠技术场景,需要极低的时延,以及极高的可靠性和可用性,具有高速移动的特性,3GPP给了两个建议:一是采用6GHz以下频段宏基站构建蜂窝网络:二是采用“宏基站+路侧单元(Road Side Unit,RSU)”的方式构建蜂窝网络。RSU是3GPP针对车对外界的信息交换(Vehicle to X,V2X)定义的一个逻辑实体。宏基站站间距建议为1732m或500m,RSU间的距离建议为50m或100m。
城区网格车联网(Urban Grid Vehicle Network)属于低时延高可靠技术场景,需要极低的时延,以及极高的可靠性和可用性,具有超高连接的特性。3GPP给了两个建议(同高速公路车联网场景):一是采用6GHz以下频段宏基站构建蜂窝网络;二是采用“宏基站+RSU”的方式构建蜂窝网络。宏基站站间距建议为500m,RSU间的距离建议为50m或100m。
商业航班空地通信(Commercial Air to Ground Communication)属于连续广域覆盖技术场景,具有15km飞行高度及1000km/h超高速移动的特性。3GPP建议采用4GHz以下频段宏基站构建蜂窝网络,覆盖半径要求达到100km。
小型飞机(Light Aircraft)属于连续广域覆盖技术场景,每架小型飞机按6个用户估算,具有3km飞行高度及370km/h超高速移动的特性。3GPP建议采用4GHz以下频段宏基站构建蜂窝网络,覆盖半径要求达到100km。
卫星补充覆盖属于连续广域覆盖技术场景,是通过卫星对地面网络无覆盖区域进行补充覆盖的部署方式,具有超远距离覆盖的特性。3GPP给了3种部署方案:一是采用1.5GHz或2GHz的接入网方案;二是采用下行20GHz/上行30GHz的回传网方案;三是采用40GHz或50GHz的回传网方案。
3GPP TR 38.913中定义的12类部署场景涉及室内分布系统建设的只有“室内热点”和“高铁”,其他基本属于室外覆盖场景。
中国IMT-2020推进组发布的《5G愿景与需求白皮书》中认为,5G典型应用场景中涉及人们居住、工作、休闲、交通等区域,特别是办公室、密集住宅区、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁、广域覆盖场景。《5G愿景与需求白皮书》定义的应用场景如图1-2所示。
IMT-2020推进组认为以上8类场景具有超高流量密度、超高连接密度、超高移动性等特征,可能会对5G系统的建设带来一定的挑战。
办公室内的典型业务包括视频会话(双方或多方)、云桌面、数据下载、云存储、过顶传球(社交网络消息)(Over The Top,OTT)等。办公区域内5G用户密度超高,典型业务体验速率极高,在此应用场景下将产生每平方千米数十Tbit/s的超高流量密度。
密集住宅区的人口密度极大,典型业务包括视频会话、互联网电视(Internet Protocol Television,IPTV)、虚拟现实、在线游戏、数据下载、云存储、OTT、智能家居等。密集住宅区内的5G用户密度超高,要求达到Gbit/s典型业务体验速率,因此,此应用场景下将产生超高流量密度。
图1-2 《5G愿景与需求白皮书》定义的应用场景
在体育场举办比赛时,很小的区域内汇集大量人群,人口密度极高。体育场内的典型业务包括视频播放、增强现实、视频直播、高清图片上传、OTT等。体育场内5G用户密度超高,典型业务体验速率较高。此应用场景下将产生10 6 /km 2 的连接数及超高流量密度。
露天集会类似于体育场,在很小的区域内汇集大量人群,人口密度极高,其典型业务包括视频播放、增强现实、视频直播、高清图片上传、OTT等。露天集会时5G用户密度超高,典型业务体验速率较高。此应用场景下将产生10 6 /km 2 的连接数及超高流量密度。
地铁内汇集大量人群,人口密度极高,其典型业务包括视频播放、在线游戏、OTT等。地铁内5G用户密度达到6人/平方米,此应用场景下将产生超高的连接密度。
快速路上车辆的行驶速度约为80km/h,车辆移动速度快,其典型业务包括视频会话、视频播放、增强现实、OTT、车联网等。此应用场景要求达到毫秒级的端到端时延。
高铁的行驶速度达到300km/h以上,移动速度极快,其典型业务包括视频会话、视频播放、在线游戏、云桌面、OTT等。此应用场景的主要挑战是高速移动。
广域覆盖区域内的典型业务包括视频播放、增强现实、视频直播、OTT、视频监控等。此应用场景的主要挑战是保障广域覆盖区内用户体验速率达到100Mbit/s。
5G需要解决多样化应用场景下差异化的各种挑战,不同的应用场景面临的挑战各有不同,用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都有可能成为不同应用场景的挑战性指标。从移动互联网和移动物联网主要的应用场景、业务需求和性能挑战出发,IMT-2020推进组发布的《5G概念白皮书》将其归纳为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四大技术场景。《5G概念白皮书》定义的技术场景示例如图1-3所示。
图1-3 《5G概念白皮书》定义的技术场景示例
图1-3 《5G概念白皮书》定义的技术场景示例(续)
连续广域覆盖和热点高容量技术场景主要满足移动互联网的业务需求,也是传统的第四代移动通信系统(4G)业务技术场景。低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务,是5G新拓展的技术场景,重点解决传统移动通信无法很好地支持物联网及垂直行业应用的问题。以上四大技术场景的具体描述如下。
连续广域覆盖技术场景是移动通信最基本的覆盖方式,以保证用户的移动性和业务连续性为目标,为用户提供无缝的高速业务体验。该技术场景的主要挑战在于随时随地(包括小区边缘、高速移动等恶劣环境)为用户提供100Mbit/s以上的用户体验速率。
热点高容量技术场景主要面向局部热点区域,为用户提供极高的数据传输速率,满足网络极高的流量密度需求。1Gbit/s用户体验速率、数十Gbit/s峰值速率和每平方千米数十Tbit/s的流量密度需求是该技术场景面临的主要挑战。
低功耗大连接技术场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量多,不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力,满足10 6 /km 2 连接数密度指标要求,而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。
低时延高可靠技术场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求,这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。
IMT-2020推进组认为的8类场景分析涉及室内分布系统建设的有办公室、体育场、地铁、高铁,其他属于室外覆盖场景中类似地下室和隧道的,也属于室内覆盖范畴。
ITU-R的使用场景和IMT-2020推进组的技术场景是一个层级,并有对应关系,技术场景将使用场景中的eMBB场景扩展为连续广域覆盖和热点高容量两个场景,这与国内连续深度覆盖的移动通信网建设思路相关。技术场景与使用场景对比见表1-1。
表1-1 技术场景与使用场景对比
IMT-2020推进组的应用场景如图1-4所示,ITU-R的部署场景如图1-5所示,二者是一个层级,都是对技术场景与使用场景的细分场景。
图1-4 IMT-2020推进组的应用场景
移动通信1G业务只有语音,承载在一个模拟调制的无线信道上,从2G开始使用数字调制的无线信道、数据业务,到4G取消了承载语音的信道,所有业务都承载在同一个信道上。由于5G业务的极大扩展,不同业务间的要求存在巨大差别,甚至无法兼容,于是技术场景或使用场景以带宽、时延、连接数为基础技术指标对业务进行分类,不同场景类型的业务将承载在不同技术制式的信道上,以适应不同业务的技术指标要求,进而实现5G“信息随心至、万物触手及”的总体愿景。
图1-5 ITU-R的部署场景
应用场景及部署场景继续将技术场景或使用场景以地理功能区进行细化分类,其目的是核算这些功能区域的性能指标需求,从而获得5G的建设需求。IMT-2020推进组的应用场景结合中国国内实际情况进行了分类,并给出了一个总的技术指标要求,ITU-R的使用场景除了进行分类并给出技术指标要求,还给出了5G部署建议。但这些还不足以进行无线网络规划,还需要结合当地的实际情况进一步完成网络规划级的技术指标核算。如果现有“场景”不符合现场情况而需要新建一种“场景”,并测算新场景下的技术指标,本书的1.4节5G场景业务模型中将会介绍如何完成这项工作。