曹艷霞，尹志寧，張忠皓（.中國聯(lián)通研究院，北京 00048；.大唐移動通信設備有限公司，北京 00083）

1 概述

隨著中國5G 牌照的發(fā)放，5G 建設大幕正式開啟。如何高效規(guī)劃一張5G 網(wǎng)絡是運營商關注的重點。5G提出了三大應用場景：增強移動帶寬（eMBB）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）、超高可靠低時延通信（uRLLC）。與4G 相比，5G 的應用場景更加細化，5G 網(wǎng)絡承載的業(yè)務形態(tài)也更加復雜，隨著5G 生態(tài)的演進與完善，必將產(chǎn)生大量業(yè)務應用，準確掌握5G網(wǎng)絡承載能力是保障網(wǎng)絡業(yè)務體驗的重要前提，5G網(wǎng)絡容量研究分析將是貫穿5G建設始終的重要課題。

本文從網(wǎng)絡承載用戶數(shù)量角度，以典型的eMBB業(yè)務為基礎、通過精細化的業(yè)務模型和無線協(xié)議層開銷分析的方法，對5G 網(wǎng)絡系統(tǒng)容量進行分析，并定義多種用戶容量，包括等效在線用戶數(shù)、實際在線用戶數(shù)和背景用戶數(shù)，以用于不同的網(wǎng)絡容量參考。

2 業(yè)務速率分析

本文對用戶容量的分析方法，是基于精細化的業(yè)務源數(shù)據(jù)包模型，通過對數(shù)據(jù)包經(jīng)過無線網(wǎng)絡的協(xié)議開銷進行分析，以此分析業(yè)務的空口速率需求，從而對系統(tǒng)承載用戶容量分析。精細化分析方法中的“精細”體現(xiàn)在空口速率的獲取過程中，本文所指的空口速率是指到達物理層的HARQ 初傳數(shù)據(jù)速率。具體步驟如下。

a）基于核心網(wǎng)的抓包數(shù)據(jù)，得到5G 業(yè)務源模型，進而得到業(yè)務源的數(shù)據(jù)下發(fā)速率。

b）基于空口高層協(xié)議開銷分析，可以求得每種業(yè)務對應的空口速率。

c）基于仿真得到的小區(qū)平均頻譜效率以及基于帶寬、上下行時隙配置和時隙內符號配比，可以得到上下行可承載的數(shù)據(jù)速率，即小區(qū)平均吞吐速率。

d）基于話務模型，得到混合業(yè)務狀態(tài)下的5G 系統(tǒng)業(yè)務信道容量。

2.1 業(yè)務源模型

本文的業(yè)務源模型以eMBB 為基礎，覆蓋了傳統(tǒng)業(yè)務及5G 新興的個人業(yè)務。除了新興業(yè)務，5G 的業(yè)務比例也發(fā)生了變化，比如流媒體業(yè)務的比例增大了。本文的NR容量計算基于如表1所示的NR業(yè)務源模型。

表1 5G業(yè)務源模型

NR 業(yè)務可以分為基于TCP 協(xié)議的業(yè)務和基于UDP協(xié)議的業(yè)務。TCP協(xié)議基于比特流，面向連接，存在反饋重傳機制，能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，可靠性很高，不過時延較大，類似于RLC AM 模式。FTP下載/上傳和HTTP 網(wǎng)頁瀏覽這2 種業(yè)務基于TCP 傳輸。TCP協(xié)議引入了丟包檢測、慢啟動等機制，存在發(fā)送窗口，能起到流量控制的作用，能基于底層鏈路特性下發(fā)或緩存數(shù)據(jù)包，從而可以控制數(shù)據(jù)下發(fā)速率。UDP 協(xié)議基于數(shù)據(jù)報文傳輸，不存在端到端的連接。因為不存在ARQ 機制，因此不能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，在網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時可靠性無保障，但傳輸時延較小，類似于RLC UM 模式。微信、視頻流和UDP 傳輸一般都屬于這種情況。UDP 傳輸不能夠緩存數(shù)據(jù)包。但是為了簡單起見，可以認為：下發(fā)到SDAP 層的數(shù)據(jù)速率就是業(yè)務源的數(shù)據(jù)下發(fā)速率。根據(jù)上面的業(yè)務模型，可以得到如表2所示的結果。

表2 業(yè)務源數(shù)據(jù)下發(fā)速率

2.2 協(xié)議開銷分析

業(yè)務對空口速率的需求分析，主要考慮業(yè)務經(jīng)過高層協(xié)議棧的開銷。在考慮NR 空口高層協(xié)議開銷時，暫時不考慮控制平面的信令消息，例如RRC 消息、NAS 消息等。在用戶平面，封裝了業(yè)務數(shù)據(jù)的QoS 流數(shù)據(jù)包直接到達空口的SDAP 子層，經(jīng)歷了層二的各個子層之后，被封裝在傳輸塊中經(jīng)過HARQ 過程實現(xiàn)UE 與eNB 之間的遞交。層二包括如下協(xié)議子層：SDAP 子層、PDCP 子層、RLC 子層和MAC 子層。為了完成IP 數(shù)據(jù)包的有效可靠遞交，每一個子層都將引入特定的協(xié)議頭和控制過程開銷。本節(jié)將詳細描述各個子層的開銷，并匯總數(shù)據(jù)包在高層協(xié)議處理過程中引入的總開銷。各個子層之間的關系如圖1所示。

2.2.1 SDAP協(xié)議子層開銷分析

5G 的QoS 劃分更加精細，因此引入了SDAP（Service Data Adaptation Protocol）適配層為QoS 流和數(shù)據(jù)無線承載（DRB）之間做映射。1 個或多個QoS 流可以被映射到同一個DRB上。

SDAP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）分為數(shù)據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（data PDU）和控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元（control PDU）。數(shù)據(jù)PDU 主要用于傳送SDAP 頭和用戶面數(shù)據(jù)?？刂芇DU 又叫結束標記控制PDU（End-Marker Control PDU），被UE 側的SDAP 實體使用，用于指示此控制PDU 不再映射QFI指示的QoS流到傳輸此控制PDU 的DRB。數(shù)據(jù)PDU 可以帶SDAP 頭或者不帶，相應的數(shù)據(jù)PDU的協(xié)議頭開銷為0或8 bit（見表3）。

2.2.2 PDCP協(xié)議子層開銷分析

在PDCP 子層，對于用戶平面的IP數(shù)據(jù)包，一般會執(zhí)行如下操作。

a）頭壓縮。頭壓縮操作會影響業(yè)務數(shù)據(jù)包的開銷計算。業(yè)務初期未壓縮的數(shù)據(jù)包和業(yè)務激活期半壓縮的數(shù)據(jù)包，數(shù)量較少，不予考慮。

圖1 高層結構視圖

表3 SDAP協(xié)議頭開銷

b）加密。加密操作不影響數(shù)據(jù)包的大小，因此不作分析。

c）重排序和復制。不影響數(shù)據(jù)包大小，此處不作分析。

d）切換過程中，PDCP 子層收發(fā)端可能交互狀態(tài)報告。因為狀態(tài)報告數(shù)據(jù)包出現(xiàn)的概率和數(shù)據(jù)比例都很小，在估算開銷時暫時不予考慮。

e）封裝。PDCP 子層對IP 數(shù)據(jù)包進行封裝，添加SN 等信息，以輔助實現(xiàn)此協(xié)議子層的功能，需要分析PDCP子層PDU格式引入的協(xié)議頭開銷。

目前協(xié)議只支持ROHC 頭壓縮協(xié)議，ROHC 頭包括1 B 的ROHC 數(shù)據(jù)包類型信息（包含格式標識、2 bit的CRC和壓縮序列號），以及1～2 B的上下文標識（CID——Context Identifier）信息，共占用2～3 B。一般協(xié)議上假設CID 占用2 B，則ROHC 頭占用3 B。TCP/IP 協(xié)議壓縮頭固定占用2 B。在本文后續(xù)章節(jié)，都假設壓縮后的頭長度為5 B。承載業(yè)務數(shù)據(jù)的IP 數(shù)據(jù)包經(jīng)過頭壓縮后，得到的壓縮數(shù)據(jù)包的格式如圖2所示。

PDCP SDU（即SDAP PDU數(shù)據(jù)包）經(jīng)過PDCP子層的處理后，得到對應的PDCP PDU 并遞交給RLC 子層進行傳輸?；趨f(xié)議規(guī)定，PDCP 協(xié)議頭開銷不區(qū)分RLC模式，具體匯總如表4所示。

2.2.3 RLC協(xié)議子層開銷分析

圖2 壓縮數(shù)據(jù)包格式

表4 PDCP協(xié)議頭開銷

RLC 層功能較多，包括分段/重組RLC SDU（只適用于UM 和AM 模式），ARQ 糾錯（只適用于AM 模式），重復包檢測（只適用于AM 模式），重分段（只適用于AM 模式），RLC SDU 丟棄處理（只適用于UM 和AM 模式），RLC 重建等。與LTE 相比，NR 的RLC 層移除了RLC SDU 的串聯(lián)（concatenation）功能，轉由MAC 層實現(xiàn)，移除了RLC 層的重排序功能，轉由PDCP 層負責，其目的都是為了降低RLC層的處理時延。

RLC PDUs 可以分為數(shù)據(jù)PDUs 和控制PDUs。數(shù)據(jù)PDUs 涉及3 種RLC 模式：TM 模式、UM 模式和AM模式，其中TM 模式只用于控制平面，所以不做展開討論，下面分析UM和AM模式。

UM 模式不存在引入額外開銷的控制機制，因此只考慮協(xié)議頭開銷。一個UMD PDU 包含一個完整的RLC SDU 或者RLC SDU 分段。UMD PDU 頭的長度與SN 長度有關，如表5 所示。當UMD PDU 包含一個完整的RLC SDU 時，UMP PDU 頭不包含SN。SN 長度由高層根據(jù)需要配置，僅當業(yè)務數(shù)據(jù)速率要求較高且無線鏈路質量較好時才能配置采用6 bit的SN，正常情況下都配置采用12 bit 的SN。僅當UMD PDU 包含RLC SDU 分段且此分段不是第一個分段時，UMD PDU 頭才包含16 bit的SO（Segment Offset）。

表5 UMD PDU頭長度

AM 模式除了考慮包格式封裝引入的協(xié)議頭開銷之外，還需要考慮ARQ 機制引入的重傳開銷和狀態(tài)報告開銷。

a）協(xié)議頭開銷分析。一個AMD PDU 包含一個完整的RLC SDU 或者RLC SDU 分段。僅當AMD PDU 包含RLC SDU 分段且此分段不是第一個分段時，AMD PDU 頭才包含16 bit的SO（Segment Offset）。如表6 所示。

b）重傳開銷。經(jīng)過低層的HARQ 傳輸后，RLCPDU 的成功遞交概率已經(jīng)很高，一般認為能夠達到10-3級別。ARQ 機制用來重傳HARQ 傳輸失敗的PDU。一般經(jīng)過一次ARQ 重傳后，PDU 總傳輸功率已經(jīng)足夠高，剩余傳輸失敗的PDU 可以不再單獨考慮。在PDU重傳時刻，如果MAC子層在傳輸機會中指示的可下發(fā)數(shù)據(jù)量無法容納整個待重傳的PDU，則需要對此重傳PDU 對應的SDU 進行重分段。MAC 子層指示的可下發(fā)數(shù)據(jù)量由調度決定，考慮信道質量、緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量、資源占用情況等因素會隨機變化。重傳PDU對應的RLC SDU 是否需要重分段以及重分段后得到的AMD PDU 分段數(shù)目都由此可下發(fā)數(shù)據(jù)量決定。重傳和重分段引入的具體開銷大小與協(xié)議頭開銷有關，在協(xié)議頭開銷中統(tǒng)一考慮。

表6 AMD PDU協(xié)議頭長度

c）狀態(tài)報告開銷。狀態(tài)報告有基于來自對端的探詢和基于PDU丟失檢測2種觸發(fā)機制。當鏈路質量較好時，基于對端探詢的狀態(tài)報告觸發(fā)機制占主導。這種機制依賴于PDU 中P 字段的設置，而P 字段的設置機制一般考慮基于傳輸?shù)男翧MD PDU 數(shù)目設置P字段。假設每收到一個設置了P 字段的PDU 后，觸發(fā)傳輸一個僅包含ACK_SN 字段的狀態(tài)報告。當無線鏈路質量較差時，基于PDU 丟失檢測的狀態(tài)報告觸發(fā)機制占主導地位，這種機制在接收端重排序定時器超時后觸發(fā)一個狀態(tài)報告的發(fā)送，可以假設一個丟失的PDU（即重傳PDU）對應一個只包含一個NACK_SN 記錄的狀態(tài)報告。

基于以上的分析，可以得出如下狀態(tài)報告開銷考慮方案。

a）每發(fā)送pollPDU 個新AMD PDU，則考慮對端AM 實體的接收側觸發(fā)發(fā)送一個只包含ACK_SN 字段的狀態(tài)報告（基于對端探詢的狀態(tài)報告觸發(fā)機制），大小為3 B。

b）AM 實體接收側每檢測到一個待重傳PDU，則考慮觸發(fā)發(fā)送一個只包含一個NACK_SN 記錄的狀態(tài)報告（基于PDU 丟失檢測的狀態(tài)報告觸發(fā)機制），大小為5 B。

2.2.4 MAC協(xié)議子層開銷分析

MAC子層主要考慮以下開銷。

a）尋呼傳輸開銷。尋呼的觸發(fā)原因包括核心網(wǎng)觸發(fā)、通知系統(tǒng)信息修改、通知ETWS消息等。其中核心網(wǎng)觸發(fā)的尋呼一般用于通知用戶呼叫的到來，與下行業(yè)務發(fā)起特性有關。系統(tǒng)信息修改觸發(fā)的尋呼與網(wǎng)絡系統(tǒng)信息修改的頻繁程度有關。尋呼過程涉及的數(shù)據(jù)量相對較小，本文暫不考慮。

b）隨機接入開銷。隨機接入過程中下行的隨機接入響應消息和競爭解決消息，以及上行的Msg3都在共享信道上傳輸，影響業(yè)務數(shù)據(jù)的資源占用。隨機接入響應消息中包含UE的Msg3傳輸資源分配信息和初始TA 調整信息。Msg3 中一般包含高層信令消息（RRC 連接請求消息、RRC 連接重建請求消息、RRC 連接重配完成消息）或者C-RNTI（上/下行數(shù)據(jù)到達觸發(fā)的隨機接入過程）。競爭解決消息僅在Msg3包含高層信令消息時包含競爭解決MAC CE 涉及開銷，其他情況下通過PDCCH 直接實現(xiàn)競爭解決。因此這幾種消息的大小都相對較小，對業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源影響較小，而且分析起來較為復雜。本文暫不考慮隨機接入過程引入的開銷。

c）MAC CE 開銷。在正常數(shù)據(jù)傳輸過程中，通常涉及如下MAC CE 類型：BSR、PHR、DRX 命令、TA 命令。

（a）BSR 機制涉及常規(guī)BSR、周期BSR 和捎帶BSR 3 種觸發(fā)類型，BSR 的具體觸發(fā)時刻和數(shù)據(jù)量與業(yè)務的突發(fā)特性、數(shù)據(jù)的傳輸情況和高層參數(shù)配置等因素密切相關，分析起來較為復雜。另外，BSR機制對MAC 子層的性能影響較大，從仿真平臺的驗證過程來看，有時候涉及的數(shù)據(jù)量較大，不能忽略。為了簡化考慮，假設每一個MAC PDU（即傳輸塊）都攜帶一個短BSR MAC CE。

（b）PHR 機制引入的PHR MAC CE 數(shù)據(jù)量與高層參數(shù)配置、UE的移動特性、網(wǎng)絡部署環(huán)境、數(shù)據(jù)的傳輸情況等都有關。PHR 機制引入的數(shù)據(jù)量較小，尤其在UE低速移動的情況下。為了簡化考慮，本文暫不考慮PHR開銷。

（c）DRX 命令用于網(wǎng)絡通知UE 立即終止激活狀態(tài)進入DRX 靜默期。這種命令一般使用的概率比較小。為了簡化考慮，本文暫不考慮DRX 命令涉及的開銷。

（d）TA 命令用于網(wǎng)絡指示終端調整上行同步提前量，一般發(fā)送較為頻繁，以保證終端與網(wǎng)絡之間的上行同步，避免上行失步導致的隨機接入等，保證業(yè)務傳輸?shù)臅r延。TA 命令的發(fā)送與高層參數(shù)配置、UE的移動特性、網(wǎng)絡部署環(huán)境等有關。為了簡化考慮，假設每一個MAC PDU（即傳輸塊）都攜帶一個TAC MAC CE。

d）協(xié)議頭開銷。MAC PDU 的協(xié)議頭由1 到多個MAC PDU 子頭構成，每個子頭與一個MAC SDU（RLC PDU）、MAC CE 或填充部分一一對應。MAC 子頭的長度如表7 所示。

表7 MAC子頭長度

考慮到所有MAC CE 的長度都固定，因此對應的MAC 子頭長度為1 B。當在MAC PDU 中添加一個短BSR MAC CE 時，引入2 B 的開銷；當在MAC PDU 中添加一個TAC MAC CE 時，引入2 B 的開銷。對于MAC SDU（RLC PDU），基于下發(fā)的RLC PDU 大小確定對應的MAC子頭長度。

MAC 子層在單個邏輯信道上向RLC 子層請求的數(shù)據(jù)大小限制了每次下發(fā)的RLC PDUs 大小。本文假定新傳輸數(shù)據(jù)PDU 大小即為請求的數(shù)據(jù)大小。對于RLC AM 模式，重傳PDU 與STATUS PDU 基于對應的方案計算大小，一般這些PDU 的大小不會超過請求的大小，在MAC 子層可以通過級聯(lián)在一個MAC PDU 中封裝1 到多個RLC PDU。為了統(tǒng)一考慮RLC 子層的2種模式，假設每個MAC PDU 承載RLC_PDU_Size 大小的RLC PDU數(shù)據(jù)，基于RLC子層下發(fā)的PDU總數(shù)據(jù)量可以求出MAC PDU 數(shù)目，基于此MAC PDU 數(shù)目便可以計算MAC CE 的數(shù)據(jù)量。注意基于各種RLC PDU與MAC PDU 之間的大小關系，假設新傳輸AMD PDU（以及完整下發(fā)的重傳AMD PDU）都與MAC PDU 中的最后一個MAC 子頭對應，包含RLC SDU 分段的AMD PDU 和STATUS PDU 都不與MAC PDU 中的最后一個MAC 子頭對應，基于此假設確定對應的MAC 子頭長度。對于UM 模式，假設UMD PDU 都與MAC PDU 中的最后一個MAC 子頭對應，基于此假設確定對應的MAC子頭長度。

2.3 業(yè)務空口速率

前面分析了空口的高層協(xié)議開銷，考慮典型的市區(qū)場景，對高層的關鍵參數(shù)取值如表8所示。

根據(jù)計算可以得到各業(yè)務需求的空口速率如表9所示。

表8 高層協(xié)議開銷關鍵參數(shù)取值

表9 單業(yè)務的空口支持速率需求

3 小區(qū)容量分析

3.1 小區(qū)吞吐速率

通過仿真或測試的方法，可以獲取在一定參數(shù)配置下的5G網(wǎng)絡小區(qū)吞吐速率，本文采用仿真的方法分析，其中物理層控制信道和參考符號等開銷，統(tǒng)一折合到小區(qū)平均頻譜效率中體現(xiàn)。仿真終端采用4T4R，天線采用45°交叉極化，天線間距為半個波長；基站采用64T64R，天線采用45°交叉極化，天線間距為半個波長；仿真時考慮SIBs 開銷以及物理層開銷，包括PDCCH 開銷（下行控制區(qū)域內的OFDM 符號數(shù)為2）、SSB、CSI-RS、PDSCH DMRS、PUCCH（格式1+格式3）、PRACH（格式0）、SRS以及PUSCH DMRS 的開銷；仿真時的參數(shù)取值如表10所示。

小區(qū)平均頻譜效率仿真結果：上行碼本傳輸小區(qū)平均頻譜效率為8.34 bit/s/Hz；下行非碼本傳輸小區(qū)平均頻譜效率為9.27 bit/s/Hz。

根據(jù)上述仿真條件，在10 ms內有大約6個等效的上行時隙、12.667個等效的下行時隙，即上下行等效帶寬分別為30 MHz、63.3 MHz。根據(jù)小區(qū)平均頻譜效率，可以得到小區(qū)上下行可承載的平均數(shù)據(jù)速率分別為250.2和587.1 Mbit/s。

3.2 業(yè)務信道用戶容量

而實際網(wǎng)絡應用中，終端用戶由于處于不同的狀態(tài)，不同的分析目的對用戶數(shù)量的關注角度不同，本文將用戶容量定義為3種：等效在線用戶、實際在線用戶數(shù)和背景用戶數(shù)。其中等效在線用戶數(shù)關注的是將1個或多個實體用戶等效為一個持續(xù)發(fā)送接收業(yè)務狀態(tài)的虛擬用戶后的虛擬用戶數(shù)量；實際在線用戶數(shù)關注的是處于RRC_ACTIVE 和RRC_INACTIVE 狀態(tài)的實體用戶數(shù)量；背景用戶數(shù)關注的是小區(qū)覆蓋范圍內包括RRC_IDLE 狀態(tài)在內的所有實體用戶數(shù)量，也就是該小區(qū)能力允許的放號數(shù)量。

本文基于假設的話務模型如表11所示。

等效在線用戶容量：

實際在線用戶容量：

背景用戶容量：

表11 話務模型

式中：

MAC_PDU_Data——各種業(yè)務空口速率需求

η——網(wǎng)絡目標負荷

OTA——系統(tǒng)滿負荷吞吐量

p——該業(yè)務的滲透率

T——該業(yè)務的平均使用時長

λ——該業(yè)務的用戶忙時發(fā)起率

β——該業(yè)務的在線激活率

i、k——各種不同的業(yè)務的對應值

表12給出了基于精細化業(yè)務模型的系統(tǒng)容量。

表12 基于精細化業(yè)務模型的系統(tǒng)容量（單位：用戶數(shù)/小區(qū)）

4 總結

網(wǎng)絡容量的研究對于網(wǎng)絡規(guī)劃、部署、建設以及網(wǎng)絡運維具有重要的參考意義。一套合理的無線網(wǎng)絡容量研究方法論，能夠分析給定場景配置下的網(wǎng)絡容量，在網(wǎng)絡部署規(guī)劃階段指導運營商合理規(guī)劃網(wǎng)絡規(guī)模，估算建網(wǎng)成本；在網(wǎng)絡運維階段，作為網(wǎng)絡容量衡量參考，及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡負荷問題，提早執(zhí)行網(wǎng)絡擴容分析。本文基于5G的關鍵技術特性和經(jīng)驗的業(yè)務、話務模型，給出了一套分析網(wǎng)絡容量的方法，對未來5G網(wǎng)絡建設和運維提供參考指導。