5G 關鍵性能指標解析

李洪城，朱 峰，盧彩玲

（中國移動通信集團設計院有限公司北京分公司，北京 100001）

1 引言

5G 試驗和預商用測試規范中，都提出了明確的性能指標要求，如何理解這些性能指標的含義及其取值要求，是5G 測試工作中的首要工作之一。5G 關鍵性能指標由ITU 明確提出，并由3GPP 予以明確規定。本文參考3GPP TR38.913規范，并結合ITU 規范、IMT-2020發布的5G 白皮書、NGMN 標準等，對比分析和說明5G 關鍵性能指標的定義及要求，以便正確理解各個概念。參考資料相關的信息如表1所示。

表1 5G關鍵性能指標參考信息來源

2 關鍵性能指標

針對國內5G 試驗第二階段即技術方案驗證階段和三階段即系統驗證階段，IMT-2020的《5G 技術研發試驗總體方案》中明確提出了性能指標要求，如表2和表3所示。

表2 技術方案驗證階段的性能指標

表3 系統驗證階段的性能指標

系統方案驗證階段是從KPI 出發的，場景僅涉及宏覆蓋和熱點覆蓋，而系統驗證階段則分別針對4種典型場景設定了獨立的性能指標。總體來看，IMT-2020所要求的關鍵性能指標包括以下幾類：一是速率類：峰值速率和用戶體驗速率。二是頻譜效率：小區平均頻譜效率或者小區頻譜效率。三是時延類：空口時延和端到端時延。四是連接數密度。

針對IMT-2020定義了4種的典型場景，連續廣域覆蓋下考慮用戶體驗速率和小區頻譜效率，熱點高容量覆蓋下考慮峰值速率以及更高的用戶體驗速率，地試驗高可靠廠進行下則著重考慮時延指標，低功耗大連接下考慮連接數密度指標。

3 性能指標概念分析

為了對各指標有較為全面的理解，本節結合ITU、NGMN 以及3GPP 文件對各指標的含義及指標要求進行詳細分析。

3.1 用戶體驗速率

根據“5G 遠景與需求白皮書”和“5G 概念白皮書”，用戶體驗速率是指在真實網絡環境下用戶可獲得的最低傳輸速率。在連續廣域覆蓋場景下，應隨時隨地（包括小區邊緣和高速移動等惡劣環境）為用戶提供100Mb/s 以上的用戶體驗速率。熱點高容量場景下，提供1Gb/s 用戶體驗速率。由此可見，IMT-2020所定義的用戶體驗速率可以理解為特定范圍內所要達到的最低速率。

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

（1）ITU 所定義的用戶體驗速率是特定目標覆蓋區域內的指標要求，如城郊區或者熱點區域。其指標要求也與IMT-2020的定義相一致，即城郊區要求100Mb/s，熱點（室內）低于要求1Gb/s。

（2）NGMN 定義為區域內至少95%位置上在95%的時間內用戶需要滿足的應用層最小速率。它強調了用戶體驗速率與業務類型、業務質量以及使用情況（user case）等方面的關聯性，基本要求為全網不小于50Mb/s，熱點（如室內）最大為1Gb/s。

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

由此可見，用戶體驗速率定義有所不同，雖然ITU，IMT-2020 以及NGMN 均給出了明確的指標要求，但是此指標受到業務類型、測試場景、測試方式以及網絡狀況等因素的影響，3GPP 則采用相對指標，區分滿buffer 和不滿buffer，并通過全網速率的累積概率分布（cdf）來獲取門限。因此，需要根據具體要求來進行測試和分析。

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，但是需要明確區分其作用于用戶級還是小區級，這2種情況下，測試和評估方法是不同的。

IMT-2020“5G 遠景與需求白皮書”中，定義了用戶峰值速率，即單用戶可獲得的最高傳輸速率。“5G 概念白皮書”中，提到熱點高容量下，峰值速率要求為數十Gb/s。《5G 技術研發試驗總體方案》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（per user/device），TR38.913定義為單個移動終端（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 規定，eMBB（即增強移動寬帶）場景下，峰值數據速率為10Gb/s，特定情況下需支持20Gb/s。NGMN 是基于R12和Cat11/12來規定的，平均和峰值速率均提升10倍以上，而小區邊緣速率則提升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 中規定，在無差錯（error-free conditions）且所有可用資源都分配給單個用戶的條件下，下行目標峰值速率為20Gb/s，上行目標峰值速率為10Gb/s。TR38.913同時還定義了單用戶的峰值頻譜效率（Peak Spectral efficiency），且要求下行目標峰值頻譜效率為30b/s/Hz，上行為15b/s/Hz。

峰值速率取決于帶寬大小、調制編碼方式、MIMO 模式及流數等。因此，單用戶峰值速率需要在上述等參數明確的基礎上進行明確定義，才更便于進行對比和評估分析。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 小區頻譜效率和邊緣頻譜效率

MIMO 支持多流傳輸時，小區中可以采用多用戶進行測試。這種情況下，需要關注小區峰值速率或者小區頻譜效率，即小區中所有用戶的速率之和。

IMT-2020的“5G 愿景與需求白皮書”中規定，頻譜效率是指每小區或單位面積內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 都規定了小區的平均頻譜效率（bit/s/Hz/cell），采用Spectrum Efficiency 進行定義，且NGMN 同時還規定了小區邊緣頻譜效率（bit/s/Hz/user）。

TR38.913中還單獨定義了5% cdf 對應的用戶頻譜效率（5th percentile user spectrum efficiency），可以理解為邊緣頻譜效率，其近作用于eMBB 場景，目標值需要根據部署場景（如室內熱點、密集城區、農村、城區宏蜂窩以及以及高速等）來設定，滿buffer 條件下，目標邊緣頻譜效率應該為LTE-A 的3倍。

ITU預期eMBB的頻譜效率為IMT-A的3倍。不過ITU也指出，頻譜效率因場景不同而變化，某些研究表明其提升率可達5倍。當然，頻譜效率也與話務容量相關，NGMN 認為，相對4G 來說，隨著話務需求的增加，不管小區覆蓋范圍大小，不管頻率高低，不管速度高低，5G 的頻譜效率都應該有明顯提升。

3.4 空口時延

在低時延高可靠場景下，主要考慮時延指標。IMT-2020“5G愿景與需求白皮書”中，給出了端到端時延的定義，即數據包從源節點開始傳輸到被目的節點正確接收的時間，單位為ms。“5G概念白皮書”中使用了空口時延的概念，但是沒有進行明確定義。MIIT 的第二階段和三階段測試要求中，這2個時延的指標要求分別為最大10ms 和最大1ms。

ITU 規范中采用無線網絡的收發時間來定義Latency，明確提出空口時延（over-the-air latency）應該為1ms。NGMN 則定義了應用層的E2E 時延（E2E latency）以及從用戶終端到5G 的L2/L3接口上的用戶面時延（user plane latency）。NGMN 要求通常情況下E2E 時延為10ms，極低時延條件下E2E 時延為1ms。

TR38.913也采用用戶面時延進行定義，它是指上下行方向上，應用層數據包從L2/L3入口點（ingress）到L2/L3出口點（egress）經過無線接口傳送的時間，且設備和終端均不受DRX 限制。對于URLLC 來說，用戶面時延的目標值為上下行各0.5ms。對于eMBB 來說，用戶面時延的目標值為上下行各4ms。

3.5 連接密度

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

ITU、NGMN 以 及3GPP 規 范 中，都 采 用“Connection density”來定義。ITU 強調處于連接態或者可接入的用戶設備（connected and/or accessible devices），TR38.913的定義中既考慮了QoS 要求，還考慮接入請求或者數據量的接入時限和概率要求。二者指標需求都是每公里百萬連接數，ITU 未給出指標所對應的場景，而3GPP 則明確提出在urban 環境下每平方公里支持1百萬連接數。

4 性能指標測試方法分析

基于上面各個5G 關鍵性能指標的概念和要求，本節詳細分析其影響因素及測試方法，

4.1 用戶體驗速率

IMT 2020所要求的第二階段和第三階段測試中，需要考察宏覆蓋、熱點覆蓋和連續廣域覆蓋下的用戶體驗速率。

通過用戶體驗速率的概念分析可知，它是網絡中隨時隨地（包括小區邊緣和高速移動等惡劣環境）所能達到的速率要求，因此測試方法和地點的選擇較為關鍵，比如需要考慮是采用定點測試還是全網測試，還需要考慮如何界定小區邊緣、如何進行高速測試、鄰區負荷如何設定，以及測試中是否上下行性能要否同時進行測試等問題。

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，但實際上通常也采用小區峰值速率來衡量系統能力和某些算法的支持情況。

簡單來講，單用戶峰值速率受制于帶寬、調制階數、信道碼率以及MIMO 層數和終端天線數目等因素。采用大規模天線的情況下，系統側所支持的層數較多，可以同時調度的用戶越多。因此，采用多用戶進行測試，才可以獲取小區峰值吞吐量。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峰值速率。由此可見，峰值速率測試過程中，一定要明確配置參數和測試條件，才便于分析測試結果的合理性。

4.3 小區（平均）頻譜效率

小區平均頻譜效率可以由小區峰值吞吐量和帶寬來簡單推導。5G 系統中，由于采用了大規模天線（mMIMO）、增強型波束賦形、增強型小區間干擾消除技術以及多載波技術，因此可以有效提升小區頻譜效率。

4.4 空口時延

5G 系統中，空口時延的降低主要依靠較短的TTI 來實現。空口時延包括資源請求和分配、上下行數據傳送、接收確認/非確認以及系統處理等階段，E2E 時延包括上下行數據傳送、系統內部調度和處理、BTS 和UE 處理、傳輸以及核心網處理等階段。

4.5 連接數密度

5G 網絡中，針對低功耗大連接場景，100萬/km2的連接數密度指標是基本目標。此指標受話務模型和網絡配置的影響很大，如報告的數據量大小、發送頻度、用戶密度以及小區數等。未來如何對大量的用戶數密度進行模擬、仿真和測試，還有待進一步研究。

5 結束語

5G 系統中所包含的關鍵性能指標有速率、時延、頻譜效率以及連接密度等方面。目前階段，ITU 雖然已經提出了明確的指標需求，但是各個運營商或者組織有著不同的理解和解讀方式，本文通過對IMT-2020、ITU、NGMN 以及3GPP TR 文件的對比分析，進行了全面的概念解析和測試分析。測試工作中，需要根據測試規范具體分析指標的含義和取值要求，選定正確的測試方法，獲取合理的測試結果，才能為未來5G 商用工作提供更好的參考作用。