3.5 性能需求

为了更好地支持2030年及以后的颠覆性用例和应用，6G系统将提供极致的容量和性能。与IMT-2020在ITU-R M2410中定义的无线电接口技术性能相关的KPI一样，6G系统同样使用了许多定量或定性KPI来规定系统需求。用于评估5G系统的大多数KPI对6G系统而言仍然有效，此外，还将引入一些新KPI来评估新技术特征［Jiang et al.，2021］，简要介绍如下。

● 峰值数据速率指的是理想条件下的最高数据速率，例如，对应链路方向的所有可分配无线电资源（不包括用于物理层同步的无线电资源、参考信号、保护频带和保护间隔）都用于单个移动站。峰值速率与信道带宽和该频带中的峰值频谱效率成比例，该需求是为了在eMBB应用场景中进行评估而定义的。传统意义上而言，它是区分不同代移动通信系统的最具象征意义的参数。在用户需求和太赫兹通信等技术进步的推动下，峰值速率预计将达到1Tbit/s，是5G的数十倍（5G的峰值速率为下行20Gbit/s，上行10Gbit/s）。

● 峰值频谱效率是衡量空口技术进步的重要KPI。IMT-2020中对峰值频谱效率的最低要求是下行30（bit/s）/Hz和上行15（bit/s）/Hz，其中假设天线配置能够在下行链路中实现8个空间流，在上行链路中实现4个空间流。根据经验数据显示，具有更高空间自由度的先进6G无线技术预计可以实现比5G系统高三倍的频谱效率。

● 信号带宽指最大聚合系统带宽，可以由单个或多个RF载波来支持。5G系统需要支持100MHz的最低系统带宽，在6GHz以上的高频带中支持高达1GHz的系统带宽。为了达到Tbit/s的峰值速率，6G应支持高达10GHz的端口带宽，以便在太赫兹通信或光无线通信（Optical Wireless Communications，OWC）中更高的频带甚至更高的带宽下运行。与5G一样，它应在可扩展的带宽下运行，以支持频谱灵活性。

● 用户体验数据率定义为用户吞吐量累积分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF）的第5个百分位点（5%），其中用户吞吐量被定义为在激活态期间的特定时间段内传送到第3层的服务数据单元（Service Data Units，SDU）中正确接收的比特数量。换言之，移动用户可以在任何时间或地点至少达到该数据速率的概率为95%。在小区边缘测量感知性能并反映网络设计的质量，如站点密度、架构和小区间优化，是更有意义的工作。在5G密集的城市部署场景中，用户体验速率的目标定义为下行链路为100Mbit/s，上行链路为50Mbit/s。预计6G可以提供10倍的用户体验速率，即高达1Gbit/s甚至更高。

● 5%用户频谱效率被定义为归一化用户吞吐量CDF的5%。标准化的用户吞吐量被定义为在特定时间段内传送到第3层的SDU中正确接收的比特数除以信道带宽。在这种情况下，信道带宽被定义为有效带宽乘以频率重用因子，其中有效带宽指的是考虑下行链路和上行链路比率的归一化操作带宽。与用户体验数据率的增长类似，6G系统下该KPI预计将比IMT-2020提高十倍，如表3-1所示。

● 平均频谱效率指的是所有移动用户的总吞吐量（在一定时间段内正确接收的比特数，即传送到第3层的SDU中包含的比特数）除以相应信道带宽再除以发送和接收点的数量（Transmission and Reception Points，TR×Ps）。6G系统平均频谱效率预计将比IMT-2020提高两到三倍，如表3-2所示。

● 时延可以分为两类：用户面时延和控制面时延。前者是假设移动终端处于激活态，从数据源发送数据包到接收端接收这段时间产生的时延。具体而言，它定义为在网络中给定业务空载条件下，对于上行或者下行的应用层小包（例如，仅具有IP报头，有效载荷为0字节）传输，从无线协议第2/3层的SDU入口点传输到无线接口的第2/3层的SDU出口点所需的单向时间。在5G中，eMBB和URLLC对用户面时延的最低要求分别是4ms和1ms。预计6G系统中该延迟需求将进一步降低至100μs，甚至10μs。控制面延迟是指从最“省电”的状态（例如空闲态）到开始连续数据传输（例如连接态）的转换时间。5G系统中控制面最低的时延要求为20ms，预计在6G中也将进一步降低。除了无线延迟，往返延迟或端到端延迟更有意义，但由于涉及大量网络实体，因此也很复杂。在6G系统中，可能会将端到端延迟作为一个整体进行考虑。

● 移动性是指在提供可接受的QoS和QoE的情况下，网络支持终端的最大移动速度。为了支持高铁的部署场景，5G系统支持的最高移动性为500km/h。5G定义了不同等级的移动性。

ⓐ静止：0km/h。

ⓑ行人：0～10km/h。

ⓒ车辆：10～120km/h。

ⓓ高速车辆：120～500km/h。

在6G系统中，如果考虑商业航空系统，则目标最高速度为1000km/h。

● 连接密度是用于在mMTC的应用场景中进行评估的KPI。在5G系统无线资源数量受限的情况下，每平方千米具有宽松QoS要求设备的最小数量为10 ⁶ 个，在6G系统中这一数字预计将进一步提高10倍，达到每平方千米10 ⁷ 个。

● 能源效率对于实现高成本效益的移动网络和减少绿色信息通信技术的二氧化碳总排放至关重要，在社会经济方面发挥着关键作用。网络和设备的能源效率与是否支持以下两个特性有关：

ⓐ在有负载情况下的高效数据传输。

ⓑ无数据时能耗较低。

网络和移动设备应具备支持高睡眠率和长睡眠持续时间以实现低能耗的能力。睡眠率是在没有用户数据传输时，与控制信令周期（对于网络）或不连续接收周期（对于设备）相对应的时间段内，未占用的时间资源（对于网络）或睡眠时间（对于设备而言）的比例。此外，睡眠持续时间，即没有数据传输（对于网络和设备）和接收（对于设备）的连续时间段，应该足够长。在早期5G网络部署之后，虽然每比特的能源效率与前几代相比有了很大的提高，但人们已经对其高能耗显示了一些不满。在6G网络中，网络能效将是5G的10～100倍，因此需要提高每比特的能源效率，同时降低移动行业的整体功耗。

● 区域业务容量是指一个网络在单位面积内可以容纳的移动业务量，与可用带宽、频谱效率和网络密度有关。5G网络区域业务容量的最低要求是每平方米10Mbit/s，在室内热点等一些部署场景中预计将达到每平方米1Gbit/s。

● 可靠性是指在预定时间内以高成功概率传输给定流量的业务能力，该需求是为了评估URLLC应用场景。在5G网络城市环境部署场景中覆盖边缘信道质量的情况下，对可靠性的最低要求是在1ms内传输一个32字节数据包的成功概率为1×10 ^-5 ，预计下一代通信系统将至少提高两个数量级，即1×10 ^-7 或99.99999%。

● 5G定位服务的定位精度小于10m。许多垂直和工业应用对更高的定位精度有着强烈的需求，特别是在卫星定位系统无法覆盖的室内环境中。随着在高精度定位方面具有强大潜力的太赫兹无线站的应用，6G网络支持的精度将有望达到厘米级。

● 5G需求定义中的覆盖范围主要关注单站的无线信号接收质量。通常使用耦合损耗来衡量基站覆盖的区域，其定义为终端和基站之间链路的长期信道损耗，包括天线增益、路径损耗和阴影衰落。在6G网络中，覆盖的范围将得到大幅扩展，实现全球无缝覆盖，并且将从2D的地面网络向3D的空天地一体化系统转变。

● 安全性和隐私是评估网络运行是否足够安全以保护基础设施、设备、数据和资产的必要条件。移动网络的主要安全任务是机密性（防止敏感信息暴露给未经授权的实体）、完整性（保证信息不被非法修改）和身份验证（确保通信双方身份验证的可靠性）。此外，隐私成为了大众日益担忧的问题，并且隐私问题已经成为立法的优先考虑事项，如欧洲的《通用数据保护条例》（General Data Protection Regulation，GDPR）。一些KPI可用于定量测量安全和隐私，例如，威胁识别算法识别出的安全威胁百分比，可用来评估异常检测的有效性。

● 资本和运营支出（Capital and Operational Expenditure，OPEX）是衡量移动服务可负担性的关键因素，对移动系统的商业成功具有重大影响。移动运营商的支出有两个主要方面：资本支出（Capital Expenditure，CAPEX），即建设通信基础设施的成本，以及用于维护和运营的运营支出。由于网络的密集化，移动运营商承受着高资本支出的压力。同时，移动网络仍然无法避免基于手动操作的故障排除（系统故障、网络攻击和性能下降等）。移动运营商必须具备一个由大量具有高专业知识的网络管理员组成的运营团队，这将导致昂贵的运营成本［Jiang et al.，2017a］。在6G网络的设计过程中，开销将是一个需要考虑的关键因素。为了提供5G和6G之间的定量性能比较，我们将8个具有代表性的KPI通过可视化的方式展示出来，如图3.4所示。