2.3　5G系统的性能指标

未来社会对无线通信系统的需求持续提升，并将依托三大典型应用场景呈现出专业化、多样化两个层面的需求形态。围绕着上述基本设定，ITU经过多次讨论和意见征集，最终拟定了5G通信系统的八条基本指标[3，7，8]，包括峰值速率、用户体验速率、时延、移动性、连接密度、流量密度、频谱效率和能量效率，如表2-1所示。

表2-1　5G系统关键能力指标

峰值速率是一个通信系统的最高能力体现，ITU对5G通信系统峰值速率的基本定义是，在理想条件下，终端可以达到的最高数据传输速率。这里的峰值数据速率是最高的理论传输速率，其基本假定是所有可配置的无线资源都分配给了一个用户，且不考虑传输错误、重传等影响因素时，该用户可以达到的数据传输性能。对5G通信系统来说，峰值速率较以往通信系统将有大幅提升，下行20 Gbit/s、上行10 Gbit/s是5G系统设计需要达到的峰值速率指标。但这并不意味着人人都能畅享如此高的传输速率，当考虑到多用户场景以及实际可用无线资源受限等具体限定条件后，系统峰值速率并不是人人可畅享的速率体验。

鉴于系统峰值速率并不能用来表征普通用户的实际通信服务感受，5G系统设计时将用户体验速率作为专项指标引入5G性能评价体系中。该指标重点考虑特定区域内的普遍可达速率，并考虑有限覆盖和移动性对用户体验速率的影响。对普通用户来说，用户体验速率的高低具有十分重要的参考意义。从具体目标数值上看，100 Mbit/s的速率将是5G通信系统中用户体验速率的基本参考值。

在时延方面，每一代通信系统都尽可能降低时延以提供更好的用户体验。在下一代通信系统中，由于既要考虑人对通信时延的感受，又要考虑来自机器通信的低时延需求，所以时延这一指标的重要性显得更为突出，以低时延高可靠为代表的URLLC类业务将构成5G通信系统的重要支撑内容。在4G时代，我们考虑的最小时延要求是10 ms量级，到了5G时代，对一些时延敏感应用来说，这一指标显得有些捉襟见肘。在考虑新的时延指标设定时，ITU将5G系统的端到端时延进一步压缩至1 ms级别，这一压缩可以说给整个5G通信系统设计带来了极大的挑战，即使是只考虑物理层的端到端1 ms时延都是极具难度的课题，更何况是高层、应用层的低时延端到端传输。面对这一难题，可以说需求与挑战并存，在后续章节中大家可以看到在全世界通信工作者的共同努力下，众多的针对性设计方案被引入5G通信系统中，以期尽可能达到上述低时延目标。

移动性是通信系统的另一特征指标。基本的移动性需求来源于行人的移动和车载用户的移动，而随着社会的快速发展，目前最具挑战的移动性需求已转变为来自于高铁等特殊高速场景的移动性需求。对于5G通信系统来说，500 km/h的时速被作为移动性的关键指标，也就是说当人们坐在高铁上高速穿行于山川大河之间时，5G通信系统需要保障车厢内用户的高质量通信需求，而如何在高速移动场景中持续保证用户服务质量将是移动性指标背后相关技术方案设计的关键。

连接密度是通信系统在单位区域内能够满足特定服务需求的总连接数。进一步，上述特定服务需求可简化为在10 s内成功传输一个32 Byte的小包数据。可以看出，该指标对速率、时延的要求相对较低，这主要考虑了环境监测、智慧城市等大规模物联网场景的实际数据特征。对于连接规模的定义，当前ITU的基本预期是“百万连接”。但是，如果只说明百万连接这个数值对诠释连接密度指标来说还不够，究竟是一个城市还是一个小区需要支持这样的规模？也就是说需要明确基本定义中的单位区域是如何界定的，针对这个问题，ITU同样给出了相应描述，即需要在1 km2的范围内支持上述百万连接。

流量密度是指单位区域内可以支持的总业务吞吐量，可以用于评估一个通信网络的区域业务支撑能力，具体来说流量密度通过每平方米区域内网络吞吐量作为评估标准，其与特定区域内基站部署、带宽配置、频谱效率等网络特征均直接相关。ITU提出的流量密度参考指标是每平方米区域内需支持10 Mbit/s数据传输的量级。那么是否对各个应用场景都需要这样一个相对较强的流量密度指标呢？答案是否定的。例如，在物联网或者大范围覆盖通信场景中也要求达到这样的高流量密度指标显然是不必要的。一般来说只有当考虑一些热点覆盖类的业务需求时，才需要重点关注网络流量密度的特征，并利用相应的技术方案来满足热点区域内大吞吐量的需求。如果说速率、时延等指标是单兵作战能力的评估标准的话，流量密度更像是一个团队在特定任务中整体战斗力的体现。

频谱效率的基本定义是单位频谱资源上所能提供的吞吐量，这是一项非常重要的通信指标，在有限带宽内通过各种技术手段不断提升吞吐量水平，是移动通信产业几十年来不断努力的目标。从时分、频分、码分的演进，到MIMO技术的不断迭代，其出发点都是让有限频谱资源得到更加充分的利用。对5G通信系统来说，怎样更好地利用其频谱资源，实现频谱效率相比以往通信系统的较大提升，是摆在通信工作者面前的又一挑战。以大规模MIMO为特征的方案设计与实现将是新阶段提升频谱效率的重要途径，也是5G通信系统的重要技术支撑。此外，对于非授权频谱的有效利用，虽然不能直接提高频谱效率，但能降低频谱的使用成本，将是充分利用频谱资源的另一条道路；对于非正交多址技术的研究与探索，则是提升频谱效率的又一重要尝试。这部分内容也将在后续章节中相应介绍。

绿色通信是未来通信发展的方向，在有效提升通信系统各项指标性能的同时兼顾能耗影响对通信产业的健康发展和社会资源的合理利用都有着长远的意义。例如，从网络侧来看，基站等设备的耗电已成为网络运营的重要成本支出之一。从终端侧来看，在以电池为主的供电方式下，过高的能耗带来的电池寿命缩短等问题势必会带来不佳的用户体验。此外，通信系统在整个社会生产生活中所消耗的能源比例不断提升，也是一个不可忽视的问题。基于这些实际问题，5G网络的设计与建设从一开始就关注能耗问题，并将能量效率作为基本指标之一。在后续章节中可以看到，众多用于降低能耗、提高效率相关的技术方案已被引入5G通信系统之中，以期构建出面向未来的绿色通信体系。

如图2-3所示，面向上述各项指标所构建出来的下一代移动通信网络相比现有通信网络在各方面都将有明显的提升，5G网络将会是一张灵活支持不同用户需求的网络，同时也将是一张高效支撑人与人、人与物、物与物相连的绿色网络。

图2-3　5G整体性能指标增强[3]