李洪城，朱 峰，盧彩玲

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司北京分公司，北京 100001）

1 引言

5G 試驗(yàn)和預(yù)商用測(cè)試規(guī)范中，都提出了明確的性能指標(biāo)要求，如何理解這些性能指標(biāo)的含義及其取值要求，是5G 測(cè)試工作中的首要工作之一。5G 關(guān)鍵性能指標(biāo)由ITU 明確提出，并由3GPP 予以明確規(guī)定。本文參考3GPP TR38.913規(guī)范，并結(jié)合ITU 規(guī)范、IMT-2020發(fā)布的5G 白皮書、NGMN 標(biāo)準(zhǔn)等，對(duì)比分析和說明5G 關(guān)鍵性能指標(biāo)的定義及要求，以便正確理解各個(gè)概念。參考資料相關(guān)的信息如表1所示。

表1 5G關(guān)鍵性能指標(biāo)參考信息來源

2 關(guān)鍵性能指標(biāo)

針對(duì)國(guó)內(nèi)5G 試驗(yàn)第二階段即技術(shù)方案驗(yàn)證階段和三階段即系統(tǒng)驗(yàn)證階段，IMT-2020的《5G 技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)總體方案》中明確提出了性能指標(biāo)要求，如表2和表3所示。

表2 技術(shù)方案驗(yàn)證階段的性能指標(biāo)

表3 系統(tǒng)驗(yàn)證階段的性能指標(biāo)

系統(tǒng)方案驗(yàn)證階段是從KPI 出發(fā)的，場(chǎng)景僅涉及宏覆蓋和熱點(diǎn)覆蓋，而系統(tǒng)驗(yàn)證階段則分別針對(duì)4種典型場(chǎng)景設(shè)定了獨(dú)立的性能指標(biāo)?？傮w來看，IMT-2020所要求的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括以下幾類：一是速率類：峰值速率和用戶體驗(yàn)速率。二是頻譜效率：小區(qū)平均頻譜效率或者小區(qū)頻譜效率。三是時(shí)延類：空口時(shí)延和端到端時(shí)延。四是連接數(shù)密度。

針對(duì)IMT-2020定義了4種的典型場(chǎng)景，連續(xù)廣域覆蓋下考慮用戶體驗(yàn)速率和小區(qū)頻譜效率，熱點(diǎn)高容量覆蓋下考慮峰值速率以及更高的用戶體驗(yàn)速率，地試驗(yàn)高可靠廠進(jìn)行下則著重考慮時(shí)延指標(biāo)，低功耗大連接下考慮連接數(shù)密度指標(biāo)。

3 性能指標(biāo)概念分析

為了對(duì)各指標(biāo)有較為全面的理解，本節(jié)結(jié)合ITU、NGMN 以及3GPP 文件對(duì)各指標(biāo)的含義及指標(biāo)要求進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 用戶體驗(yàn)速率

根據(jù)“5G 遠(yuǎn)景與需求白皮書”和“5G 概念白皮書”，用戶體驗(yàn)速率是指在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶可獲得的最低傳輸速率。在連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景下，應(yīng)隨時(shí)隨地（包括小區(qū)邊緣和高速移動(dòng)等惡劣環(huán)境）為用戶提供100Mb/s 以上的用戶體驗(yàn)速率。熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景下，提供1Gb/s 用戶體驗(yàn)速率。由此可見，IMT-2020所定義的用戶體驗(yàn)速率可以理解為特定范圍內(nèi)所要達(dá)到的最低速率。

在ITU-R、NGMN 以及3GPP 規(guī)范中，用戶體驗(yàn)速率都采用“User experienced Data Rate”來表示，與中文名稱一致，分別描述如下。

（1）ITU 所定義的用戶體驗(yàn)速率是特定目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)的指標(biāo)要求，如城郊區(qū)或者熱點(diǎn)區(qū)域。其指標(biāo)要求也與IMT-2020的定義相一致，即城郊區(qū)要求100Mb/s，熱點(diǎn)（室內(nèi)）低于要求1Gb/s。

（2）NGMN 定義為區(qū)域內(nèi)至少95%位置上在95%的時(shí)間內(nèi)用戶需要滿足的應(yīng)用層最小速率。它強(qiáng)調(diào)了用戶體驗(yàn)速率與業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)質(zhì)量以及使用情況（user case）等方面的關(guān)聯(lián)性，基本要求為全網(wǎng)不小于50Mb/s，熱點(diǎn)（如室內(nèi)）最大為1Gb/s。

（3）3GPP TR38.913 中，采 用 非 滿Buffer（non-full buffer）和滿Buffer（full-buffer）話務(wù)來進(jìn)行評(píng)估。非滿Buffer 條件下，用戶體驗(yàn)速率是用戶吞吐量的5%-percentile （5%）。滿Buffer 條件下，用戶體驗(yàn)速率為名義用戶速率的cdf 的5%點(diǎn)與帶寬之間的乘積。名義用戶速率的cdf 的5%與共享信道的激活用戶數(shù)（ITU假定為10）、發(fā)射功率以及站間距等因素有關(guān)。

由此可見，用戶體驗(yàn)速率定義有所不同，雖然ITU，IMT-2020 以及NGMN 均給出了明確的指標(biāo)要求，但是此指標(biāo)受到業(yè)務(wù)類型、測(cè)試場(chǎng)景、測(cè)試方式以及網(wǎng)絡(luò)狀況等因素的影響，3GPP 則采用相對(duì)指標(biāo)，區(qū)分滿buffer 和不滿buffer，并通過全網(wǎng)速率的累積概率分布（cdf）來獲取門限。因此，需要根據(jù)具體要求來進(jìn)行測(cè)試和分析。

3.2 單用戶峰值速率和峰值頻譜效率

峰值速率的概念容易理解，但是需要明確區(qū)分其作用于用戶級(jí)還是小區(qū)級(jí)，這2種情況下，測(cè)試和評(píng)估方法是不同的。

IMT-2020“5G 遠(yuǎn)景與需求白皮書”中，定義了用戶峰值速率，即單用戶可獲得的最高傳輸速率?！?G 概念白皮書”中，提到熱點(diǎn)高容量下，峰值速率要求為數(shù)十Gb/s?！?G 技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)總體方案》中，第二階段和三階段的峰值速率要求分別為10Gb/s和20Gb/s。ITU M.2083-0和3GPP TR28.913中，定義了Peak data rate，ITU 明確定義到用戶級(jí)（per user/device），TR38.913定義為單個(gè)移動(dòng)終端（single mobile station）。NGMN 中定義了Data rate（per user）。由此可見，峰值速率總體上是以用戶為單位的。

ITU 規(guī)定，eMBB（即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）場(chǎng)景下，峰值數(shù)據(jù)速率為10Gb/s，特定情況下需支持20Gb/s。NGMN 是基于R12和Cat11/12來規(guī)定的，平均和峰值速率均提升10倍以上，而小區(qū)邊緣速率則提升100倍以上，即平均速率最大為1Gb/s，峰值速率最大為6Gb/s。

TR38.913 中規(guī)定，在無差錯(cuò)（error-free conditions）且所有可用資源都分配給單個(gè)用戶的條件下，下行目標(biāo)峰值速率為20Gb/s，上行目標(biāo)峰值速率為10Gb/s。TR38.913同時(shí)還定義了單用戶的峰值頻譜效率（Peak Spectral efficiency），且要求下行目標(biāo)峰值頻譜效率為30b/s/Hz，上行為15b/s/Hz。

峰值速率取決于帶寬大小、調(diào)制編碼方式、MIMO 模式及流數(shù)等。因此，單用戶峰值速率需要在上述等參數(shù)明確的基礎(chǔ)上進(jìn)行明確定義，才更便于進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估分析。此外，高頻段帶寬較大，但是頻譜效率較低，而低頻段帶寬較小，頻譜效率較高。因此，峰值速率不能通過峰值頻譜效率和帶寬相乘來直接獲取。

3.3 小區(qū)頻譜效率和邊緣頻譜效率

MIMO 支持多流傳輸時(shí)，小區(qū)中可以采用多用戶進(jìn)行測(cè)試。這種情況下，需要關(guān)注小區(qū)峰值速率或者小區(qū)頻譜效率，即小區(qū)中所有用戶的速率之和。

IMT-2020的“5G 愿景與需求白皮書”中規(guī)定，頻譜效率是指每小區(qū)或單位面積內(nèi)單位頻譜資源提供的吞吐量，其單位為b/s/Hz/cell 或b/s/Hz/km2。且相比4G 而言，頻譜效率提升5 ～15倍。

ITU 和NGMN 都規(guī)定了小區(qū)的平均頻譜效率（bit/s/Hz/cell），采用Spectrum Efficiency 進(jìn)行定義，且NGMN 同時(shí)還規(guī)定了小區(qū)邊緣頻譜效率（bit/s/Hz/user）。

TR38.913中還單獨(dú)定義了5% cdf 對(duì)應(yīng)的用戶頻譜效率（5th percentile user spectrum efficiency），可以理解為邊緣頻譜效率，其近作用于eMBB 場(chǎng)景，目標(biāo)值需要根據(jù)部署場(chǎng)景（如室內(nèi)熱點(diǎn)、密集城區(qū)、農(nóng)村、城區(qū)宏蜂窩以及以及高速等）來設(shè)定，滿buffer 條件下，目標(biāo)邊緣頻譜效率應(yīng)該為L(zhǎng)TE-A 的3倍。

ITU預(yù)期eMBB的頻譜效率為IMT-A的3倍。不過ITU也指出，頻譜效率因場(chǎng)景不同而變化，某些研究表明其提升率可達(dá)5倍。當(dāng)然，頻譜效率也與話務(wù)容量相關(guān)，NGMN 認(rèn)為，相對(duì)4G 來說，隨著話務(wù)需求的增加，不管小區(qū)覆蓋范圍大小，不管頻率高低，不管速度高低，5G 的頻譜效率都應(yīng)該有明顯提升。

3.4 空口時(shí)延

在低時(shí)延高可靠場(chǎng)景下，主要考慮時(shí)延指標(biāo)。IMT-2020“5G愿景與需求白皮書”中，給出了端到端時(shí)延的定義，即數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)開始傳輸?shù)奖荒康墓?jié)點(diǎn)正確接收的時(shí)間，單位為ms?！?G概念白皮書”中使用了空口時(shí)延的概念，但是沒有進(jìn)行明確定義。MIIT 的第二階段和三階段測(cè)試要求中，這2個(gè)時(shí)延的指標(biāo)要求分別為最大10ms 和最大1ms。

ITU 規(guī)范中采用無線網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)時(shí)間來定義Latency，明確提出空口時(shí)延（over-the-air latency）應(yīng)該為1ms。NGMN 則定義了應(yīng)用層的E2E 時(shí)延（E2E latency）以及從用戶終端到5G 的L2/L3接口上的用戶面時(shí)延（user plane latency）。NGMN 要求通常情況下E2E 時(shí)延為10ms，極低時(shí)延條件下E2E 時(shí)延為1ms。

TR38.913也采用用戶面時(shí)延進(jìn)行定義，它是指上下行方向上，應(yīng)用層數(shù)據(jù)包從L2/L3入口點(diǎn)（ingress）到L2/L3出口點(diǎn)（egress）經(jīng)過無線接口傳送的時(shí)間，且設(shè)備和終端均不受DRX 限制。對(duì)于URLLC 來說，用戶面時(shí)延的目標(biāo)值為上下行各0.5ms。對(duì)于eMBB 來說，用戶面時(shí)延的目標(biāo)值為上下行各4ms。

3.5 連接密度

IMT-2020“5G 愿景與需求白皮書”中，連接數(shù)密度定義為單位面積上支持的在線設(shè)備總和（/km2）?！?G 概念白皮書”中規(guī)定，低功耗大連接場(chǎng)景下，連接數(shù)密度為106/km2，即每平方公里支持1百萬連接數(shù)。

ITU、NGMN 以 及3GPP 規(guī) 范 中，都 采 用“Connection density”來定義。ITU 強(qiáng)調(diào)處于連接態(tài)或者可接入的用戶設(shè)備（connected and/or accessible devices），TR38.913的定義中既考慮了QoS 要求，還考慮接入請(qǐng)求或者數(shù)據(jù)量的接入時(shí)限和概率要求。二者指標(biāo)需求都是每公里百萬連接數(shù)，ITU 未給出指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景，而3GPP 則明確提出在urban 環(huán)境下每平方公里支持1百萬連接數(shù)。

4 性能指標(biāo)測(cè)試方法分析

基于上面各個(gè)5G 關(guān)鍵性能指標(biāo)的概念和要求，本節(jié)詳細(xì)分析其影響因素及測(cè)試方法，

4.1 用戶體驗(yàn)速率

IMT 2020所要求的第二階段和第三階段測(cè)試中，需要考察宏覆蓋、熱點(diǎn)覆蓋和連續(xù)廣域覆蓋下的用戶體驗(yàn)速率。

通過用戶體驗(yàn)速率的概念分析可知，它是網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)隨地（包括小區(qū)邊緣和高速移動(dòng)等惡劣環(huán)境）所能達(dá)到的速率要求，因此測(cè)試方法和地點(diǎn)的選擇較為關(guān)鍵，比如需要考慮是采用定點(diǎn)測(cè)試還是全網(wǎng)測(cè)試，還需要考慮如何界定小區(qū)邊緣、如何進(jìn)行高速測(cè)試、鄰區(qū)負(fù)荷如何設(shè)定，以及測(cè)試中是否上下行性能要否同時(shí)進(jìn)行測(cè)試等問題。

4.2 單用戶峰值速率

峰值速率的定義表明它是單用戶速率，但實(shí)際上通常也采用小區(qū)峰值速率來衡量系統(tǒng)能力和某些算法的支持情況。

簡(jiǎn)單來講，單用戶峰值速率受制于帶寬、調(diào)制階數(shù)、信道碼率以及MIMO 層數(shù)和終端天線數(shù)目等因素。采用大規(guī)模天線的情況下，系統(tǒng)側(cè)所支持的層數(shù)較多，可以同時(shí)調(diào)度的用戶越多。因此，采用多用戶進(jìn)行測(cè)試，才可以獲取小區(qū)峰值吞吐量。而高頻模式下帶寬資源較為充足，如果采用更大帶寬，則也有助于提升小區(qū)峰值速率。由此可見，峰值速率測(cè)試過程中，一定要明確配置參數(shù)和測(cè)試條件，才便于分析測(cè)試結(jié)果的合理性。

4.3 小區(qū)（平均）頻譜效率

小區(qū)平均頻譜效率可以由小區(qū)峰值吞吐量和帶寬來簡(jiǎn)單推導(dǎo)。5G 系統(tǒng)中，由于采用了大規(guī)模天線（mMIMO）、增強(qiáng)型波束賦形、增強(qiáng)型小區(qū)間干擾消除技術(shù)以及多載波技術(shù)，因此可以有效提升小區(qū)頻譜效率。

4.4 空口時(shí)延

5G 系統(tǒng)中，空口時(shí)延的降低主要依靠較短的TTI 來實(shí)現(xiàn)。空口時(shí)延包括資源請(qǐng)求和分配、上下行數(shù)據(jù)傳送、接收確認(rèn)/非確認(rèn)以及系統(tǒng)處理等階段，E2E 時(shí)延包括上下行數(shù)據(jù)傳送、系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度和處理、BTS 和UE 處理、傳輸以及核心網(wǎng)處理等階段。

4.5 連接數(shù)密度

5G 網(wǎng)絡(luò)中，針對(duì)低功耗大連接場(chǎng)景，100萬/km2的連接數(shù)密度指標(biāo)是基本目標(biāo)。此指標(biāo)受話務(wù)模型和網(wǎng)絡(luò)配置的影響很大，如報(bào)告的數(shù)據(jù)量大小、發(fā)送頻度、用戶密度以及小區(qū)數(shù)等。未來如何對(duì)大量的用戶數(shù)密度進(jìn)行模擬、仿真和測(cè)試，還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

5G 系統(tǒng)中所包含的關(guān)鍵性能指標(biāo)有速率、時(shí)延、頻譜效率以及連接密度等方面。目前階段，ITU 雖然已經(jīng)提出了明確的指標(biāo)需求，但是各個(gè)運(yùn)營(yíng)商或者組織有著不同的理解和解讀方式，本文通過對(duì)IMT-2020、ITU、NGMN 以及3GPP TR 文件的對(duì)比分析，進(jìn)行了全面的概念解析和測(cè)試分析。測(cè)試工作中，需要根據(jù)測(cè)試規(guī)范具體分析指標(biāo)的含義和取值要求，選定正確的測(cè)試方法，獲取合理的測(cè)試結(jié)果，才能為未來5G 商用工作提供更好的參考作用。