5g关键性能指标、架构、系统与服务需求 – 赫兹通信-九州现金网

5g nr 技术翻译计划

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原文请参考《5g nrarchitecture， technology，implementation，and operation of pp new radio standards》

今天推出原文的《introduction and background》部分的第三节：key performance indicators， architectural， system， and service requirements。

由于这部分内容太多，编辑时做了删减，保留主要部分。

关键性能指标、架构、系统和服务需求

不同与前几代试图提供通用用途的3gpp系统框架，5g系统预计将为各种不同的服务、流量模式和最终用户统计数据。

几份产业引导5g白皮书，特别是来自下一代移动网络联盟的白皮书描述了一种多用途5g系统，能够同时支持各种需求的组合，如可靠性、延迟、吞吐量、定位和可用性，以支持不同的用例和部署场景。通过引进接入网和核心网的新技术，通过可配置、灵活和可扩展的网络资源分配，这些革命性的系统将可以实现。除了增加灵活性和优化，5g系统需要支持严格的延迟、可靠性、吞吐量等关键性能指标（kpi）。无线接入网络的增强有助于满足这些kpi，以及核心网络的改进，如网络切片、网络内缓存和更接近终端节点的托管服务。灵活的网络运营是5g系统的基石，支持这种灵活性的新功能包括nfv、网络切片、sdn、网络可伸缩性和无缝移动性。其他网络运营需求解决了不可缺少的控制和数据平面资源分配效率，以及通过在终端用户和应用服务器之间采用最佳路由策略来优化服务交付的网络配置。加强收费和安全机制对接入网络的新型终端进行管理。

接入机制的增强旨在满足一系列新的kpi，这些kpi涉及高数据率、高用户密度、高用户移动性、高度可变的数据率、灵活的部署选项以及改善的覆盖范围。高数据率是由流媒体服务（如视频、音乐和用户生成内容）、交互式服务（如增强现实）和一些物联网用例等数据使用的增加所驱动的。这些服务的可用性对用户体验数据速率和延迟有严格的要求，以满足某些qos要求。此外，增加对体育场馆、城市地区和交通枢纽等人口密集地区的覆盖已成为行人和车辆使用者的基本需求。与流量和连接密度相关的新kpi使每区域的高用户流量（流量密度）和高连接数量的数据传输（ue密度或连接密度）成为可能。许多终端被期望支持各种服务，这些服务可以交换非常大（如流视频）或非常小（如传感器数据突发）的数据量。5g系统需要以资源高效的方式管理这种服务可变性。所有这些案例都引入了新的部署要求，包括室内和室外、局域互联、高用户密度、广域互联以及在高速场景下移动的终端。

5g kpi的另一个方面包括对延迟和可靠性的各种组合的要求，以及更高的定位精度。这些kpi由商业和公共安全服务的支持驱动。在商业方面，工业控制、工业自动化、飞行器控制和增强／虚拟现实都是此类服务的例子。诸如飞行器控制等服务将需要更精确的定位信息，包括高度、速度和方向，以及平面坐标。除了对增强kpi的要求之外，对大规模连接的支持还带来了许多新的要求。物联网范例的扩展需要在所有系统组件（如终端、物联网设备、接入网和核心网）中显著提高资源效率。5g系统还将提高其能力，以满足新兴v2x应用所需的kpi。对于这些高级应用程序，数据速率、可靠性、延迟、范围和速度等要求变得更加严格。这些应用有特定的技术要求，需要通过复杂的5g无线电接口设计和使用适当的频带来解决，以确保始终满足其要求。

性能指标定义

为了量化某些技术美高梅现金开户手机版官网的解决方案将如何影响最终用户体验，或者在期望的用例中5g系统的性能如何，需要具体的性能指标进行评估。以下部分提供了用于测量和基准测试5g系统性能的性能指标的定义。这些指标与描述主要5g用例和某些部署场景的kpi相关。

峰值数据速率：以bit／s来描述，这是物理层在无错误条件下可实现的最大（理论上的）数据速率。它表示当对应链路方向的所有可分配的无线电资源都被利用时，分配给单个用户终端的接收数据位，不包括用于物理层同步、参考信号、保护频带和保护时间的开销资源。峰值数据速率是为单个移动站定义的。对于单个频段，它与该频段的峰值谱效率有关。

设w为信道带宽，sep为该波段的峰值频谱效率。然后给出了用户峰值数据率rp：

峰值频谱效率和可用带宽在不同的频率范围可能有不同的值。如果跨多个频带聚合带宽，则将对这些频带上的峰值数据速率进行累加。

用户面延迟：单向用户面延迟定义为无线接入网在将ip包从源端传输到目的端时引入的延迟。用户面延迟也称为传输延迟，是指源终端ip层上可用的sdu包与目的终端ip层上可用的sdu包之间的传输时间，这取决于链路方向。假设用户终端处于连接模式且网络在无负载状态下运行，则用户平面包延迟包括上行或下行链路方向上相关协议和控制信令引入的延迟。这个需求是为embb和urllc用例中的评估目的而定义的。

控制面延迟：控制面延迟是终端从空闲状态过渡到连接状态的时间。换句话说，在访问链路上建立控制平面和数据承载所花费的时间不包括下行寻呼延迟和回程信令延迟。控制平面时延包括随机接入过程持续时间、上行同步时间、连接建立和harq重传间隔、数据承载建立（包括harq重传）。

移动性：移动性是指在终端上能够实现或维持某项qos的最大速度。imt－2020定义了以下四种移动级别：

静止：0公里／小时

步行：0～10公里／小时

车辆：10～120公里／小时

高速车辆：120～500公里／小时

可靠性：可靠性是指在预定的时间内，传输一定数量的用户流量，且成功率高的能力。

能量效率：网络能量效率是指一个网络在不影响网络性能的情况下，尽量减少无线接入（和／或核心）网络运作的能量消耗的能力。设备能量效率（ran方面）是指网络能够将用户设备子系统（调制解调器）消耗的能量降到最低。网络和设备的能量效率是相关的，因为它们相互影响数据在负载网络中的有效传输。当设备与设备之间没有数据传输时，可以降低设备的能耗。平均频谱效率证明了负载网络中数据传输的有效性。

覆盖：蜂窝系统中的下行或上行覆盖是通过发射机的发射天线和接收机的接收天线之间的最大耦合损耗来测量的。更具体地说，最大的耦合损耗之间的上行或下行用户设备和基站天线连接器为参考数据定义160个基点，数据速率的测量出／入点mac层的上行和下行。pp nr覆盖的目标是最大耦合损耗为164 db。

切换中断时间：该度量是指用户终端在穿越蜂窝网络中的两个或多个小区边界时，不能与任何基站交换用户平面数据包的最短时间间隔。切换中断时间包括在移动站和无线接入网之间执行任何无线接入网过程、rrc信令协议或其他消息交换所需的时间。这个基准只适用于embb和urllc使用场景，在这些场景中需要有效的无缝切换中断时间（零秒）。

测试环境

在技术标准的开发过程中，通常要在特定的信道传播条件、单元布局和与所考虑的部署场景相关的技术参数集下验证候选技术是否满足服务和系统需求。因此，测试环境是使用预定义的通道传播模型、拓扑和系统配置的实际部署场景的近似表示。在候选技术的评估中经常开发和使用适当的信道模型，以允许在不同的测试环境中对无线电传输的传播条件进行真实的建模。信道模型需要覆盖部署所需的所有测试环境和使用场景。

已经定义了几个与5g主要用例（即embb、mmtc、urllc）相关的测试环境，将对候选5g无线接入技术进行评估，其中包括以下内容：

imt－2020测试环境到使用场景的映射如表1所示。这种映射基于每个测试环境的关键特性与用例的关键特性之间的相似性。在过去的二十年里，3gpp和itu－r技术工作组为确定测试环境及其相关参数集作出了重大努力，以促进无线接入技术的特性描述。

表1 测试环境和使用场景的映射

所选择的测试环境对应的参数集如表2所示。选择表2所示的配置是为了确保在相关测试环境中满足性能要求，同时考虑gnb／trp和／或在该环境中运行的终端的服务和实际限制（例如，形状因素、硬件和安装）。该表中的dl＋ul带宽是指频分双工（fdd）系统中dl和ul之间的对称带宽分配，以及tdd系统中通过时域切换用于dl或ul的聚合系统带宽。

表2 测试环境的选定参数

高层架构需求

支持5g中不同ue类型、服务和技术的愿望一直在推动3gpp中的nr标准的发展。5g系统的主要目标是支持新的部署场景，并满足不同市场细分的需求。如前所述，5g系统某些关键特征比如支持各种无线接入技术、可伸缩和可定制的网络架构，严格的kpi，灵活性和可编程性，和资源效率（在用户和控制飞机）以及无缝流动人口稠密的异构环境中，支持实时和非实时的多媒体服务和应用程序与质量提高的经验（qoe）。因此，下一代网络的架构必须解决一些关键的设计原则，以满足上述的要求。

以下是由3gpp系统架构工作组在5g标准开发的早期阶段确定的关键架构重点领域及其相关需求列表：

系统性能需求

通过接入和核心网络新技术的引入，5g发起的突破性改进是可以实现的，其中包括对各种服务和应用灵活和可扩展的网络资源分配。除了增加灵活性和优化之外，5g系统还必须支持延迟、可靠性、吞吐量等严格的标准。空中接口的增强有助于满足这些kpi，以及核心网络的改进，如网络切片、网络内缓存和更接近网络边缘的托管服务。5g系统进一步支持新的和新兴的商业模式。5g kpi的驱动因素包括无人机（uav）遥控、vr／ar和工业自动化等服务。增加网络灵活性将能够支持独立的络，这些网络由网络安装和维护，同时由企业管理。增强的连接模式和改进的安全性使人们能够支持大量物联网用例，这些用例预计将包括通过5g网络发送和接收数据的众多不同类别的终端。提供这种级别灵活性的基本功能包括网络切片、网络功能公开、可伸缩性和多种移动性。其他网络操作的需求是为了解决必要的控制和用户层面的资源分配和利用效率，以及通过最小化终端用户和应用程序服务器之间的路由来优化服务交付的网络配置。

与前几代无线系统不同，5g的主要目标是开发一个统一的系统，可以针对不同的用例进行专门配置和优化。不断增长的用户期望和多样化且具有挑战性的服务需求，要求对技术开发和部署采取一致的方法。在前几代无线技术中，功能主要由网络设备提供，设备主要用于访问网络服务。

然而，在5g的情况下，人们认识到网络提供的功能和设备提供的功能之间的界限很微妙。网络功能的虚拟化、应用程序的作用以及日益复杂的智能设备的无处不在只会加速这一趋势。尽管如此，在某些情况下，期望的功能只能在网络中提供。embb用例需要大量与更高的数据率、用户密度、用户移动性和覆盖率相关的新kpi。更高的数据率是由流媒体（如视频、音乐和用户生成内容）、交互服务和一些物联网应用等服务对数据使用的增加所驱动的。这些服务对用户体验数据速率和端到端延迟有严格的要求，以保证良好的用户体验。此外，增加人口密集地区的覆盖范围，如体育场馆、城市地区和交通枢纽，对于游牧和移动用户来说是必不可少的。关于流量和连接密度的新kpi将使每区域传输大量用户流量（流量密度）和传输大量连接的数据（连接密度）成为可能。大量的终端被期望支持各种各样的服务，这些服务可以交换非常大的（如流媒体视频）或非常小的（如数据突发）数据量。5g系统旨在以一种极其高效的资源和能源方式管理这种变化。所有这些场景都对室内和室外部署、局部区域连接、高用户密度、广域连接和高速移动的终端提出了新的要求。5g kpi的另一个方面包括对延迟和可靠性的各种组合的要求，以及更高的位置确定精度。对商业和公共安全服务的支持进一步推动了这些kpi。除了embb用例的需求外，对mmtc的支持还提出了几个新的需求。联网物的普及带来了对所有系统组件（如终端、物联网设备、无线接入网、核心网）资源效率显著提高的需求。5g系统旨在扩展其能力，以满足新兴关键任务应用所需的kpi。对于这些高级应用程序，数据速率、可靠性、延迟、通信范围和速度等要求更加严格。图13显示了主要5g应用的延迟和吞吐量要求（另见表3）。

图13 部分5g应用的性能要求

表3 3gpp和itu－r 服务于性能需求

服务需求

5g系统除了需要支持新引入的服务外，还需要支持现有的lte网络服务，这意味着现有的eps服务可以通过新的5g接入技术访问。以下是5g网络的重要业务要求：

多媒体广播／组播服务：视频流服务的扩散，对无线网络的软件交付，成组通信和多播／广播物联网应用程序创建了一个灵活的需求和无线资源动态分配的单播和多播服务在网络之间以及支持一个独立的多播／广播网络的部署。此外，使这样的服务能够通过网络在站点之间的广泛距离这些无线电基站将会提供更有效率和更有效的传送系统，在广泛的地理区域及特定的地理区域跨越有限数目的基站，传送实时和流媒体组播／广播内容。灵活的组播／广播服务将允许5g系统有效地提供此类服务。

定位／位置服务：在必要时，nr系统使先进的定位技术成为可能，如在lte系统中已指定并使用的ran辅助（cell－id、e－cell id、otdoa和utdoa）和非ran辅助（gnss、蓝牙、、地面信标系统（tbs）、和基于传感器的定位确定）。此外，nr还考虑了基于d2d的定位技术的支持。nr定位方案利用高带宽、海量天线系统、新的网络架构和功能，以及部署大量设备来支持室内和室外的定位服务。高精度定位的特点是系统对定位精度的要求很高。一个需要更高精度定位能力的用例是在繁忙街道上的避碰，为了减少碰撞风险，每辆车都必须知道自己的位置、邻近车辆的位置以及它们的预期行驶路径和运动。在工厂车间的另一个用例中，重要的是要定位移动的物体，如机器或部件，以足够高的精度进行组装。根据用例，5g系统需要支持3gpp和非3gpp技术的使用，以实现更高的精度室内／室外定位。相应的定位信息必须在适当的时间获取，要可靠，并且是可用的（例如，可以明确地确定位置）。如果定位信息不能在本地处理或使用，5g终端必须能够在彼此之间共享定位信息，或与基于云的控制器共享定位信息。表4总结了后一个用例的定位需求。5g kpi的另一个方面包括以下需求延迟和可靠性的各种组合，以及更高的定位精度，以支持关键任务服务，如公共安全、紧急通信和公共警报／紧急警报系统。这些kpi是由对商业和非商业公共安全服务的支持驱动的。在商业方面，工业控制、工业自动化、无人机控制和增强现实技术是这些服务的典型。无人机控制等服务将需要更精确的定位信息，包括高度、速度和方向，除了平面坐标。

表4 性能要求更高的定位服务精度

服务连续性和可靠性：通信服务可用性定义为端到端通信服务按照商定的qos交付的时间百分比，除以系统根据特定领域的规范预期交付端到端服务的时间。注意，端到端服务中的端点假定为通信服务接口。如果该通信服务不满足相应的qos要求，则认为该通信服务不可用。如果在指定的时间内没有收到预期的消息，则认为系统不可用，该时间至少是端到端延迟、抖动和生存时间的总和。可靠性用百分比表示，是在目标服务要求的时间限制内，成功发送到给定节点的网络层数据包的数量除以发送的网络层数据包的总数。通信服务的可用性和可靠性是定义明确的术语，不仅在3gpp中使用，在垂直行业中也使用。通信服务可用性根据iec 61907，在垂直应用中解决通信服务的可用性，而可靠性与通信网络的可用性有关（见图14）。

如图14所示，可靠性包括两个节点（通常是终端节点）之间的通信相关方面，而通信服务可用性涉及两个通信服务接口之间的通信相关方面。换句话说，这两个概念之间的差距是通信接口。这似乎是一个小的差异，但这种差异可能导致可靠性和通信服务可用性具有不同的值。

图14 通信服务可用性和可靠性之间的关系说明

优先级、qos和策略控制：5 g网络支持机制，允许分离特定的优先级通信延迟和可靠性等相关的qos特性允许的灵活性和可配置性支持不同优先级服务运营商网络，坚持他们的网络策略和相应的国家／地区规定。认识到在危机期间服务优先级可能发生变化，网络需要支持基于网络状态（例如，在灾难事件和网络拥塞期间）做出优先级决策的灵活手段。根据操作要求和区域／国家规定，任何服务的优先级对每个用户都可能有所不同。5g系统提供了灵活的手段，多媒体优先服务（例如mps、紧急情况、医疗、公共安全）和这些服务的用户之间确定优先级并实施优先级。流量优先级可以通过调整资源利用率或抢占低优先级流量来实施。网络通常能够为服务提供所需的qos（例如，可靠性、延迟和带宽），并且能够在必要时对资源进行优先级排序，以满足服务需求。现有的qos和策略框架通过流量工程来管理延迟和提高可靠性。为了支持5g业务需求，5g网络有必要提供qos和策略控制，以可靠通信所需的延迟服务，并根据需要进行资源适配。此外，5g网络预计将在异构环境下运行，具有多种接入技术、多种ue类型等，应支持统一的qos和政策框架，可应用于多种接入网。与eps中仅覆盖ran和核心网的qos控制不同，5g网络需要端到端qos（如ran、回程、核心网、网对网互联）来实现5g用户体验（如超低延时、超高带宽）。

v2x服务：车辆组队，车辆动态组队一起出行。组内的所有车辆定期从领导车辆接收数据，以进行排作业。这一信息使得车辆之间的距离变得非常小，也就是说，当换算成时间时，车辆之间的距离可以非常小，仅为几分之一秒。车队应用程序可以让参与的车辆自动驾驶。先进的驱动在假定车辆间距离较长的情况下，可实现半自动或全自动驾驶。每辆车和／或道路侧单元（rsu）与邻近车辆共享从其本地传感器获得的数据，从而允许车辆协调其路线和／或演习。此外，每辆车都与附近的车辆共享其驾驶计划。这个功能的优点是驾驶更安全，避免碰撞，提高交通效率。扩展的传感器使原始或处理的交换成为可能通过本地传感器采集的数据或车辆之间、道路现场单元之间、行人终端之间、v2x应用服务器之间的实时视频数据。车辆可以增强其对环境的感知，超越其自身传感器所能检测到的，并对当地条件有一个更全面的看法。远程驾驶允许远程司机或v2x应用程序为那些不能自己驾驶的乘客或位于危险环境中的远程车辆操作远程车辆。在变化有限且路线可预测的情况下，比如公共交通，可以使用基于云计算的驾驶。

智能交通系统（its）包含了广泛的应用，旨在提高旅行安全，减少环境影响，改善交通管理，并使商业用户和公众的运输利益最大化。多年来，对智能汽车的研究重点已经转变为交通参与者（车辆、自行车、行人等）相互交流和／或与基础设施交流的协作系统。在这种情况下，its合作计划是一种允许车辆无线连接的技术到彼此，到基础设施和其他部分的运输网络。除了司机可以立即看到周围的情况，以及车辆传感器可以检测到的情况外，运输系统的所有部分将越来越多地能够共享信息，以改善系统中的决策。因此，该技术可以通过避免碰撞来提高道路安全，进而可以通过减少拥堵和改善交通流来辅助交通网络。一旦基本技术就位作为一个平台，可以开发后续的应用程序。协同的its可以极大地提高关于车辆、其位置和驾驶环境的可用信息的质量和可靠性。在未来，汽车将知道道路工程的位置和前方交通灯的切换阶段，并能够据此做出反应。这将使旅行更安全、更方便。车载驾驶员辅助，以及车辆之间、车辆与道路之间的双向通信基础设施，可以帮助司机更好地控制他们的车辆，因此在安全和交通效率方面有积极的影响。rsu在该技术中起着重要的作用。车辆还可以作为传感器，报告天气和道路状况，包括事故。在这种情况下，汽车可以作为高质量信息服务的信息源。rsu连接到tcc （traffic control center）进行管理和控制。交通灯信息和车辆控制单元获得的交通信息可以通过rsu广播给车辆，rsu可以进一步为车辆控制单元收集车辆探测数据。为了保证数据的可靠分布，rsu与tcc之间需要建立低延迟、大容量的连接。这种类型的应用是通过对rsu和tcc之间的通信业务设置严格的端到端延迟要求而实现的，因为中继数据需要在tcc中处理，结果需要转发到相邻的rsu。必须指出的是通信服务的可用性必须非常高，以与现有的有线技术竞争，以证明部署和维护rsu的成本是合理的。

安全性：物联网引入了具有不同特性的新终端，包括没有用户界面的物联网设备（如嵌入式传感器）、长生命周期（物联网设备可能多次变更所有权）和非供应物联网设备（如消费品）。这些应用程序需要安全机制来动态地建立或刷新凭据和订阅。新的接入技术，包括许可和未许可、3gpp和非3gpp，正在推动创建独立接入的安全机制的新努力，这些安全机制在物联网设备处于活动状态时无缝可用。高水平的5g安全对于关键任务通信至关重要，例如工业自动化、v2x服务、工业物联网和智能电网。向企业、车辆和公共安全市场的扩张将推动加强终端用户隐私保护的努力。5g安全正试图解决所有这些新需求，同时继续提供与3gpp遗留系统一致的连接／会话安全。