2.3　5G网络的性能

2.3.1　5G网络的性能指标

5G典型场景涉及未来人们居住、工作、休闲和交通等各种区域，特别是密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等场景，如图2.3所示。这些场景具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性等特征，可能对5G系统形成挑战。

在这些场景中，考虑增强现实、虚拟现实、超高清视频、云存储、车联网、智能家居、OTT消息等5G典型业务，并结合各场景未来可能的用户分布、各类业务占比及对速率、时延等的要求，可以得到各个应用场景下的5G性能需求。5G关键性能指标主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率，如表2.2所示。

根据ITU-RWP5D的时间计划，不同国家、地区、公司在ITU-RWP5D第20次会上已提出面向5G系统的需求。综合各个提案和会上的意见，ITU-R已于2015年6月确认并统一5G系统的需求指标，如表2.3所示。

NGMN针对具体应用场景对指标需求进行了细化，如表2.4和表2.5所示。

2.3.2　5G关键能力

5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1～1Gbit/s的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tbit/s的流量密度，每小时500km以上的移动性和数十Gbit/s的峰值速率。其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营效率，相比4G，频谱效率提升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义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。红花绿叶，相辅相成，花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力。其中，花瓣顶点代表相应指标的最大值；绿叶代表三个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障，如图2.4所示。

2.3.3　满足5G关键能力的途径

5G愿景和能力主要是由移动互联网+物联网激发的。满足这些关键能力通常有3条途径：提高系统的频谱效率、提高系统的带宽和增加站址密度。

1.提高系统的频谱效率

移动通信人一直致力于提高系统的频谱效率。在2G时代，获利于模拟到数字的技术革命，频谱效率相对于模拟通信提升了近10倍。但是随着数字技术的不断发展，频谱效率的提升难度越来越大，LTE的频谱效率相对于HSPA+提升的就已经非常少了。想要进一步提升频谱效率，可以从物理层手段、MIMO技术、干扰控制技术3个方面入手。

（1）物理层手段。多址技术（GMSK/CDMA/OFDMA）、调制技术（QPSK/16QAM/64QAM）、编码技术（卷积码/Turbo码）、数据压缩技术（话音图像压缩/分组头压缩）、双工技术（时分/频分）等目前均已接近香农极限，物理层可挖掘的空间不大。目前，学术界从物理层的各个方面都有一定的突破，有希望的技术包括非正交传输、Filtered OFDM、Polar Codes、全双工等。然而，需要承认的是，这些技术所带来的复杂度和功耗是巨大的，而增益却并不是那么可观。

（2）MIMO技术。MIMO技术将传统的时/频/码三维扩展为时/频/码/空四维。新增的纬度为频谱效率的提升带来了广大的可能。目前已经广泛使用的MIMO为2×2MIMO，并且可以2用户进行MU-MIMO。未来MIMO技术的演进方向是向着更多的层数、更多的用户数发展，最终形成网状的MIMO，也就是海量的多天线多用户MIMO。但是MIMO技术受限于天线能力和芯片处理能力，成本太高，同时，随着天线数的增加，空间相关性提高，性能也会随之下降。

（3）干扰控制技术。干扰控制的原理是通过信息交互，多基站协同工作，降低干扰。但是随着干扰控制要求的增加，需要交换的信息增多，开销会增大。同时，干扰控制的性能还受限于交互时延。这也是目前比较难解决的一个问题。

2.提高系统的带宽

频谱资源是非常紧张的战略资源，根据目前的频谱情况，提高系统带宽有两种思路：充分利用现有频谱，提高现有频谱的使用效率；使用更高的频谱，研究使用的可能性和方案。

充分利用现有频谱。通过监测发现目前已经获得授权的无线频谱资源使用率是非常低的，平均利用率为15%～85%，有些频谱只在部分区域使用，有些频谱只在部分时间使用，有些频谱甚至已经空闲未被使用。在频谱资源如此宝贵的今天，如何更加合理地使用已经授权的“频谱空洞”成为学者思考的问题，而这些已经授权的频谱所占用的频谱资源多为低频段，有非常好的传播特性，产业成熟度高，设备实现容易，充分使用此类频谱会带来可观的经济效益。沿着这个思路，目前有两大技术成为了热点：频谱重耕和智能频谱利用。

（1）频谱重耕。频谱重耕是指一些频谱由于某些原因可以被释放出来，重新开发使用此类频谱的技术。目前最主流的重耕频谱为白频谱和2G频谱。

随着数字化的发展，电视已经全面从模拟转换成数字，由于数字化使用的物理层技术效率更高，因此所需要的带宽降低，部分频谱空闲。这部分频谱被称为“数字红利”或“白频谱”。此段频谱集中在470～790MHz，非常适合无线通信。

随着新技术的发展演进，2G通信也逐渐成为落后的技术，目前2G占用900MHz和1 800MHz频率，如果将用户从2G迁移到4G或更新的通信制式上来，则2G频谱可以被重耕。

频谱重耕是非常简单可靠的方案，但最大的难点在于政策风险。因此，此方案需要各方的不断推进和共同努力。

（2）智能频谱利用（认知无线电）。对于频谱利用率低，但并不能完全释放的频谱，可以采取智能频谱使用方案，多个系统时分、空分等复用频谱，而不是由一个系统独占频谱。对于后来加入的系统，需要具有智能频谱识别功能，当发现频谱空闲时，启动系统，当预测到频谱要被使用时，关闭系统，以保证原有系统的可靠工作。

认知无线电技术最大的问题在于安全性和可靠性。后加入系统对原系统的监测很可能失败，会造成安全隐患。此外，监测设备的复杂度也是需要考虑的一个问题。

使用更高的频谱。目前，移动通信频段主要集中在3GHz以下，想要获取更多更大带宽的频谱资源，需要开发更高的频谱。目前，学者研究的重点频谱为6～15GHz、60GHz等。

3.增加站址密度

使用小站可以有效提高系统的传输速率，进而提高系统容量，如图2.5所示。

此外，未来容量需求更多发生在室内场景，因此密集部署的立体分层网络和各种灵活的组网形式将成为未来的趋势。这里的主要技术包括异构网和D2D通信。

（1）异构网。传统的网络结构均为相同无线传输制式、统一基站类型的同构网络。网络结构的优点在于：拓扑结构规则能提供相同的覆盖、相似的服务。但是，随着用户的数量不断增多，以及带宽需求的增加，同构网络也会面临瓶颈，不能满足高容量和高覆盖的要求。这就要求网络向立体分层的异构网络转变。

异构网络由不同类型、不同大小的小区构成。其宏蜂窝覆盖小区中可以放置如微蜂窝、皮蜂窝、飞蜂窝等低功率的节点。此外，异构网的传输制式和频段使用也可以是差异化的。目前，异构网络已经具备一定的产业基础。在现网中，也已经出现了一些简单的异构网络部署，实测效果比同构网络有显著的改善。

当然，相对复杂的异构网络拓扑也存在一些缺点。在网络部署越来越密集的情况下，小区之间的干扰将会制约系统容量的增长。因此，如何进行干扰消除、快速发现小区、协调密集小区之间的协作、基于终端的不同能力提升移动性增强方案，都是异构网络研究需要解决的重点问题。

（2）D2D通信。传统的网络形态，通信双方的信息交互需要经过各自的基站设备，通过核心网络进行互联互通。但是在海量用户和海量的数据需求下，基站设备和核心网络的压力过大。为了降低网络压力，提出D2D通信，通信双方无须通过网络，而是直接进行信息沟通，或者是通过中继设备（包括其他用户、小站等）进行信息沟通。

D2D通信距离短、信道条件较好、速率快、时延短、功耗低。D2D通信的中继设备非常丰富，分布均匀，覆盖好，通信可选路径多，网络连接更灵活，网络可靠性强。

同样，D2D通信仍存在一些需要业界继续思考和探索的问题。需要考虑怎样进行合法的监听，以确保信息安全。怎样保证用户的信息安全，隐私不被侵犯，并激励用户把自己的终端用作中继终端。由于涉及海量数据中继和传输，用户终端的电池电量消耗也势必会增加，如何控制也是一个值得研究的问题。