2.3　5G網(wǎng)絡(luò)的性能

2.3.1　5G網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

5G典型場(chǎng)景涉及未來人們居住、工作、休閑和交通等各種區(qū)域，特別是密集住宅區(qū)、辦公室、體育場(chǎng)、露天集會(huì)、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等場(chǎng)景，如圖2.3所示。這些場(chǎng)景具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動(dòng)性等特征，可能對(duì)5G系統(tǒng)形成挑戰(zhàn)。

在這些場(chǎng)景中，考慮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻、云存儲(chǔ)、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、OTT消息等5G典型業(yè)務(wù)，并結(jié)合各場(chǎng)景未來可能的用戶分布、各類業(yè)務(wù)占比及對(duì)速率、時(shí)延等的要求，可以得到各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下的5G性能需求。5G關(guān)鍵性能指標(biāo)主要包括用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、流量密度、移動(dòng)性和用戶峰值速率，如表2.2所示。

根據(jù)ITU-RWP5D的時(shí)間計(jì)劃，不同國(guó)家、地區(qū)、公司在ITU-RWP5D第20次會(huì)上已提出面向5G系統(tǒng)的需求。綜合各個(gè)提案和會(huì)上的意見，ITU-R已于2015年6月確認(rèn)并統(tǒng)一5G系統(tǒng)的需求指標(biāo)，如表2.3所示。

NGMN針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)指標(biāo)需求進(jìn)行了細(xì)化，如表2.4和表2.5所示。

2.3.2　5G關(guān)鍵能力

5G需要具備比4G更高的性能，支持0.1～1Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率，每平方公里一百萬的連接數(shù)密度，毫秒級(jí)的端到端時(shí)延，每平方公里數(shù)十Tbit/s的流量密度，每小時(shí)500km以上的移動(dòng)性和數(shù)十Gbit/s的峰值速率。其中，用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度和時(shí)延為5G最基本的三個(gè)性能指標(biāo)。同時(shí)，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營(yíng)效率，相比4G，頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。

性能需求和效率需求共同定義了5G的關(guān)鍵能力，猶如一株綻放的鮮花。紅花綠葉，相輔相成，花瓣代表了5G的六大性能指標(biāo)，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務(wù)與場(chǎng)景需求的能力。其中，花瓣頂點(diǎn)代表相應(yīng)指標(biāo)的最大值；綠葉代表三個(gè)效率指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障，如圖2.4所示。

2.3.3　滿足5G關(guān)鍵能力的途徑

5G愿景和能力主要是由移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)激發(fā)的。滿足這些關(guān)鍵能力通常有3條途徑：提高系統(tǒng)的頻譜效率、提高系統(tǒng)的帶寬和增加站址密度。

1.提高系統(tǒng)的頻譜效率

移動(dòng)通信人一直致力于提高系統(tǒng)的頻譜效率。在2G時(shí)代，獲利于模擬到數(shù)字的技術(shù)革命，頻譜效率相對(duì)于模擬通信提升了近10倍。但是隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜效率的提升難度越來越大，LTE的頻譜效率相對(duì)于HSPA+提升的就已經(jīng)非常少了。想要進(jìn)一步提升頻譜效率，可以從物理層手段、MIMO技術(shù)、干擾控制技術(shù)3個(gè)方面入手。

（1）物理層手段。多址技術(shù)（GMSK/CDMA/OFDMA）、調(diào)制技術(shù)（QPSK/16QAM/64QAM）、編碼技術(shù)（卷積碼/Turbo碼）、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)（話音圖像壓縮/分組頭壓縮）、雙工技術(shù)（時(shí)分/頻分）等目前均已接近香農(nóng)極限，物理層可挖掘的空間不大。目前，學(xué)術(shù)界從物理層的各個(gè)方面都有一定的突破，有希望的技術(shù)包括非正交傳輸、Filtered OFDM、Polar Codes、全雙工等。然而，需要承認(rèn)的是，這些技術(shù)所帶來的復(fù)雜度和功耗是巨大的，而增益卻并不是那么可觀。

（2）MIMO技術(shù)。MIMO技術(shù)將傳統(tǒng)的時(shí)/頻/碼三維擴(kuò)展為時(shí)/頻/碼/空四維。新增的緯度為頻譜效率的提升帶來了廣大的可能。目前已經(jīng)廣泛使用的MIMO為2×2MIMO，并且可以2用戶進(jìn)行MU-MIMO。未來MIMO技術(shù)的演進(jìn)方向是向著更多的層數(shù)、更多的用戶數(shù)發(fā)展，最終形成網(wǎng)狀的MIMO，也就是海量的多天線多用戶MIMO。但是MIMO技術(shù)受限于天線能力和芯片處理能力，成本太高，同時(shí)，隨著天線數(shù)的增加，空間相關(guān)性提高，性能也會(huì)隨之下降。

（3）干擾控制技術(shù)。干擾控制的原理是通過信息交互，多基站協(xié)同工作，降低干擾。但是隨著干擾控制要求的增加，需要交換的信息增多，開銷會(huì)增大。同時(shí)，干擾控制的性能還受限于交互時(shí)延。這也是目前比較難解決的一個(gè)問題。

2.提高系統(tǒng)的帶寬

頻譜資源是非常緊張的戰(zhàn)略資源，根據(jù)目前的頻譜情況，提高系統(tǒng)帶寬有兩種思路：充分利用現(xiàn)有頻譜，提高現(xiàn)有頻譜的使用效率；使用更高的頻譜，研究使用的可能性和方案。

充分利用現(xiàn)有頻譜。通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)目前已經(jīng)獲得授權(quán)的無線頻譜資源使用率是非常低的，平均利用率為15%～85%，有些頻譜只在部分區(qū)域使用，有些頻譜只在部分時(shí)間使用，有些頻譜甚至已經(jīng)空閑未被使用。在頻譜資源如此寶貴的今天，如何更加合理地使用已經(jīng)授權(quán)的“頻譜空洞”成為學(xué)者思考的問題，而這些已經(jīng)授權(quán)的頻譜所占用的頻譜資源多為低頻段，有非常好的傳播特性，產(chǎn)業(yè)成熟度高，設(shè)備實(shí)現(xiàn)容易，充分使用此類頻譜會(huì)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。沿著這個(gè)思路，目前有兩大技術(shù)成為了熱點(diǎn)：頻譜重耕和智能頻譜利用。

（1）頻譜重耕。頻譜重耕是指一些頻譜由于某些原因可以被釋放出來，重新開發(fā)使用此類頻譜的技術(shù)。目前最主流的重耕頻譜為白頻譜和2G頻譜。

隨著數(shù)字化的發(fā)展，電視已經(jīng)全面從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字，由于數(shù)字化使用的物理層技術(shù)效率更高，因此所需要的帶寬降低，部分頻譜空閑。這部分頻譜被稱為“數(shù)字紅利”或“白頻譜”。此段頻譜集中在470～790MHz，非常適合無線通信。

隨著新技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)，2G通信也逐漸成為落后的技術(shù)，目前2G占用900MHz和1 800MHz頻率，如果將用戶從2G遷移到4G或更新的通信制式上來，則2G頻譜可以被重耕。

頻譜重耕是非常簡(jiǎn)單可靠的方案，但最大的難點(diǎn)在于政策風(fēng)險(xiǎn)。因此，此方案需要各方的不斷推進(jìn)和共同努力。

（2）智能頻譜利用（認(rèn)知無線電）。對(duì)于頻譜利用率低，但并不能完全釋放的頻譜，可以采取智能頻譜使用方案，多個(gè)系統(tǒng)時(shí)分、空分等復(fù)用頻譜，而不是由一個(gè)系統(tǒng)獨(dú)占頻譜。對(duì)于后來加入的系統(tǒng)，需要具有智能頻譜識(shí)別功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)頻譜空閑時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)預(yù)測(cè)到頻譜要被使用時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng)，以保證原有系統(tǒng)的可靠工作。

認(rèn)知無線電技術(shù)最大的問題在于安全性和可靠性。后加入系統(tǒng)對(duì)原系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)很可能失敗，會(huì)造成安全隱患。此外，監(jiān)測(cè)設(shè)備的復(fù)雜度也是需要考慮的一個(gè)問題。

使用更高的頻譜。目前，移動(dòng)通信頻段主要集中在3GHz以下，想要獲取更多更大帶寬的頻譜資源，需要開發(fā)更高的頻譜。目前，學(xué)者研究的重點(diǎn)頻譜為6～15GHz、60GHz等。

3.增加站址密度

使用小站可以有效提高系統(tǒng)的傳輸速率，進(jìn)而提高系統(tǒng)容量，如圖2.5所示。

此外，未來容量需求更多發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景，因此密集部署的立體分層網(wǎng)絡(luò)和各種靈活的組網(wǎng)形式將成為未來的趨勢(shì)。這里的主要技術(shù)包括異構(gòu)網(wǎng)和D2D通信。

（1）異構(gòu)網(wǎng)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均為相同無線傳輸制式、統(tǒng)一基站類型的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則能提供相同的覆蓋、相似的服務(wù)。但是，隨著用戶的數(shù)量不斷增多，以及帶寬需求的增加，同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也會(huì)面臨瓶頸，不能滿足高容量和高覆蓋的要求。這就要求網(wǎng)絡(luò)向立體分層的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由不同類型、不同大小的小區(qū)構(gòu)成。其宏蜂窩覆蓋小區(qū)中可以放置如微蜂窩、皮蜂窩、飛蜂窩等低功率的節(jié)點(diǎn)。此外，異構(gòu)網(wǎng)的傳輸制式和頻段使用也可以是差異化的。目前，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在現(xiàn)網(wǎng)中，也已經(jīng)出現(xiàn)了一些簡(jiǎn)單的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署，實(shí)測(cè)效果比同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有顯著的改善。

當(dāng)然，相對(duì)復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟泊嬖谝恍┤秉c(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)部署越來越密集的情況下，小區(qū)之間的干擾將會(huì)制約系統(tǒng)容量的增長(zhǎng)。因此，如何進(jìn)行干擾消除、快速發(fā)現(xiàn)小區(qū)、協(xié)調(diào)密集小區(qū)之間的協(xié)作、基于終端的不同能力提升移動(dòng)性增強(qiáng)方案，都是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究需要解決的重點(diǎn)問題。

（2）D2D通信。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，通信雙方的信息交互需要經(jīng)過各自的基站設(shè)備，通過核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通。但是在海量用戶和海量的數(shù)據(jù)需求下，基站設(shè)備和核心網(wǎng)絡(luò)的壓力過大。為了降低網(wǎng)絡(luò)壓力，提出D2D通信，通信雙方無須通過網(wǎng)絡(luò)，而是直接進(jìn)行信息溝通，或者是通過中繼設(shè)備（包括其他用戶、小站等）進(jìn)行信息溝通。

D2D通信距離短、信道條件較好、速率快、時(shí)延短、功耗低。D2D通信的中繼設(shè)備非常豐富，分布均勻，覆蓋好，通信可選路徑多，網(wǎng)絡(luò)連接更靈活，網(wǎng)絡(luò)可靠性強(qiáng)。

同樣，D2D通信仍存在一些需要業(yè)界繼續(xù)思考和探索的問題。需要考慮怎樣進(jìn)行合法的監(jiān)聽，以確保信息安全。怎樣保證用戶的信息安全，隱私不被侵犯，并激勵(lì)用戶把自己的終端用作中繼終端。由于涉及海量數(shù)據(jù)中繼和傳輸，用戶終端的電池電量消耗也勢(shì)必會(huì)增加，如何控制也是一個(gè)值得研究的問題。