5G 关键性能指标解析

李洪城，朱 峰，卢彩玲

（中国移动通信集团设计院有限公司北京分公司，北京 100001）

1 引言

5G 试验和预商用测试规范中，都提出了明确的性能指标要求，如何理解这些性能指标的含义及其取值要求，是5G 测试工作中的首要工作之一。5G 关键性能指标由ITU 明确提出，并由3GPP 予以明确规定。本文参考3GPP TR38.913规范，并结合ITU 规范、IMT-2020发布的5G 白皮书、NGMN 标准等，对比分析和说明5G 关键性能指标的定义及要求，以便正确理解各个概念。参考资料相关的信息如表1所示。

表1 5G关键性能指标参考信息来源

2 关键性能指标

针对国内5G 试验第二阶段即技术方案验证阶段和三阶段即系统验证阶段，IMT-2020的《5G 技术研发试验总体方案》中明确提出了性能指标要求，如表2和表3所示。

表2 技术方案验证阶段的性能指标

表3 系统验证阶段的性能指标

系统方案验证阶段是从KPI 出发的，场景仅涉及宏覆盖和热点覆盖，而系统验证阶段则分别针对4种典型场景设定了独立的性能指标。总体来看，IMT-2020所要求的关键性能指标包括以下几类：一是速率类：峰值速率和用户体验速率。二是频谱效率：小区平均频谱效率或者小区频谱效率。三是时延类：空口时延和端到端时延。四是连接数密度。

针对IMT-2020定义了4种的典型场景，连续广域覆盖下考虑用户体验速率和小区频谱效率，热点高容量覆盖下考虑峰值速率以及更高的用户体验速率，地试验高可靠厂进行下则着重考虑时延指标，低功耗大连接下考虑连接数密度指标。

3 性能指标概念分析

为了对各指标有较为全面的理解，本节结合ITU、NGMN 以及3GPP 文件对各指标的含义及指标要求进行详细分析。

3.1 用户体验速率

根据“5G 远景与需求白皮书”和“5G 概念白皮书”，用户体验速率是指在真实网络环境下用户可获得的最低传输速率。在连续广域覆盖场景下，应随时随地（包括小区边缘和高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mb/s 以上的用户体验速率。热点高容量场景下，提供1Gb/s 用户体验速率。由此可见，IMT-2020所定义的用户体验速率可以理解为特定范围内所要达到的最低速率。

在ITU-R、NGMN 以及3GPP 规范中，用户体验速率都采用“User experienced Data Rate”来表示，与中文名称一致，分别描述如下。

（1）ITU 所定义的用户体验速率是特定目标覆盖区域内的指标要求，如城郊区或者热点区域。其指标要求也与IMT-2020的定义相一致，即城郊区要求100Mb/s，热点（室内）低于要求1Gb/s。

（2）NGMN 定义为区域内至少95%位置上在95%的时间内用户需要满足的应用层最小速率。它强调了用户体验速率与业务类型、业务质量以及使用情况（user case）等方面的关联性，基本要求为全网不小于50Mb/s，热点（如室内）最大为1Gb/s。

（3）3GPP TR38.913 中，采 用 非 满Buffer（non-full buffer）和满Buffer（full-buffer）话务来进行评估。非满Buffer 条件下，用户体验速率是用户吞吐量的5%-percentile （5%）。满Buffer 条件下，用户体验速率为名义用户速率的cdf 的5%点与带宽之间的乘积。名义用户速率的cdf 的5%与共享信道的激活用户数（ITU假定为10）、发射功率以及站间距等因素有关。

由此可见，用户体验速率定义有所不同，虽然ITU，IMT-2020 以及NGMN 均给出了明确的指标要求，但是此指标受到业务类型、测试场景、测试方式以及网络状况等因素的影响，3GPP 则采用相对指标，区分满buffer 和不满buffer，并通过全网速率的累积概率分布（cdf）来获取门限。因此，需要根据具体要求来进行测试和分析。

3.2 单用户峰值速率和峰值频谱效率

峰值速率的概念容易理解，但是需要明确区分其作用于用户级还是小区级，这2种情况下，测试和评估方法是不同的。

IMT-2020“5G 远景与需求白皮书”中，定义了用户峰值速率，即单用户可获得的最高传输速率。“5G 概念白皮书”中，提到热点高容量下，峰值速率要求为数十Gb/s。《5G 技术研发试验总体方案》中，第二阶段和三阶段的峰值速率要求分别为10Gb/s和20Gb/s。ITU M.2083-0和3GPP TR28.913中，定义了Peak data rate，ITU 明确定义到用户级（per user/device），TR38.913定义为单个移动终端（single mobile station）。NGMN 中定义了Data rate（per user）。由此可见，峰值速率总体上是以用户为单位的。

ITU 规定，eMBB（即增强移动宽带）场景下，峰值数据速率为10Gb/s，特定情况下需支持20Gb/s。NGMN 是基于R12和Cat11/12来规定的，平均和峰值速率均提升10倍以上，而小区边缘速率则提升100倍以上，即平均速率最大为1Gb/s，峰值速率最大为6Gb/s。

TR38.913 中规定，在无差错（error-free conditions）且所有可用资源都分配给单个用户的条件下，下行目标峰值速率为20Gb/s，上行目标峰值速率为10Gb/s。TR38.913同时还定义了单用户的峰值频谱效率（Peak Spectral efficiency），且要求下行目标峰值频谱效率为30b/s/Hz，上行为15b/s/Hz。

峰值速率取决于带宽大小、调制编码方式、MIMO 模式及流数等。因此，单用户峰值速率需要在上述等参数明确的基础上进行明确定义，才更便于进行对比和评估分析。此外，高频段带宽较大，但是频谱效率较低，而低频段带宽较小，频谱效率较高。因此，峰值速率不能通过峰值频谱效率和带宽相乘来直接获取。

3.3 小区频谱效率和边缘频谱效率

MIMO 支持多流传输时，小区中可以采用多用户进行测试。这种情况下，需要关注小区峰值速率或者小区频谱效率，即小区中所有用户的速率之和。

IMT-2020的“5G 愿景与需求白皮书”中规定，频谱效率是指每小区或单位面积内单位频谱资源提供的吞吐量，其单位为b/s/Hz/cell 或b/s/Hz/km2。且相比4G 而言，频谱效率提升5 ～15倍。

ITU 和NGMN 都规定了小区的平均频谱效率（bit/s/Hz/cell），采用Spectrum Efficiency 进行定义，且NGMN 同时还规定了小区边缘频谱效率（bit/s/Hz/user）。

TR38.913中还单独定义了5% cdf 对应的用户频谱效率（5th percentile user spectrum efficiency），可以理解为边缘频谱效率，其近作用于eMBB 场景，目标值需要根据部署场景（如室内热点、密集城区、农村、城区宏蜂窝以及以及高速等）来设定，满buffer 条件下，目标边缘频谱效率应该为LTE-A 的3倍。

ITU预期eMBB的频谱效率为IMT-A的3倍。不过ITU也指出，频谱效率因场景不同而变化，某些研究表明其提升率可达5倍。当然，频谱效率也与话务容量相关，NGMN 认为，相对4G 来说，随着话务需求的增加，不管小区覆盖范围大小，不管频率高低，不管速度高低，5G 的频谱效率都应该有明显提升。

3.4 空口时延

在低时延高可靠场景下，主要考虑时延指标。IMT-2020“5G愿景与需求白皮书”中，给出了端到端时延的定义，即数据包从源节点开始传输到被目的节点正确接收的时间，单位为ms。“5G概念白皮书”中使用了空口时延的概念，但是没有进行明确定义。MIIT 的第二阶段和三阶段测试要求中，这2个时延的指标要求分别为最大10ms 和最大1ms。

ITU 规范中采用无线网络的收发时间来定义Latency，明确提出空口时延（over-the-air latency）应该为1ms。NGMN 则定义了应用层的E2E 时延（E2E latency）以及从用户终端到5G 的L2/L3接口上的用户面时延（user plane latency）。NGMN 要求通常情况下E2E 时延为10ms，极低时延条件下E2E 时延为1ms。

TR38.913也采用用户面时延进行定义，它是指上下行方向上，应用层数据包从L2/L3入口点（ingress）到L2/L3出口点（egress）经过无线接口传送的时间，且设备和终端均不受DRX 限制。对于URLLC 来说，用户面时延的目标值为上下行各0.5ms。对于eMBB 来说，用户面时延的目标值为上下行各4ms。

3.5 连接密度

IMT-2020“5G 愿景与需求白皮书”中，连接数密度定义为单位面积上支持的在线设备总和（/km2）。“5G 概念白皮书”中规定，低功耗大连接场景下，连接数密度为106/km2，即每平方公里支持1百万连接数。

ITU、NGMN 以 及3GPP 规 范 中，都 采 用“Connection density”来定义。ITU 强调处于连接态或者可接入的用户设备（connected and/or accessible devices），TR38.913的定义中既考虑了QoS 要求，还考虑接入请求或者数据量的接入时限和概率要求。二者指标需求都是每公里百万连接数，ITU 未给出指标所对应的场景，而3GPP 则明确提出在urban 环境下每平方公里支持1百万连接数。

4 性能指标测试方法分析

基于上面各个5G 关键性能指标的概念和要求，本节详细分析其影响因素及测试方法，

4.1 用户体验速率

IMT 2020所要求的第二阶段和第三阶段测试中，需要考察宏覆盖、热点覆盖和连续广域覆盖下的用户体验速率。

通过用户体验速率的概念分析可知，它是网络中随时随地（包括小区边缘和高速移动等恶劣环境）所能达到的速率要求，因此测试方法和地点的选择较为关键，比如需要考虑是采用定点测试还是全网测试，还需要考虑如何界定小区边缘、如何进行高速测试、邻区负荷如何设定，以及测试中是否上下行性能要否同时进行测试等问题。

4.2 单用户峰值速率

峰值速率的定义表明它是单用户速率，但实际上通常也采用小区峰值速率来衡量系统能力和某些算法的支持情况。

简单来讲，单用户峰值速率受制于带宽、调制阶数、信道码率以及MIMO 层数和终端天线数目等因素。采用大规模天线的情况下，系统侧所支持的层数较多，可以同时调度的用户越多。因此，采用多用户进行测试，才可以获取小区峰值吞吐量。而高频模式下带宽资源较为充足，如果采用更大带宽，则也有助于提升小区峰值速率。由此可见，峰值速率测试过程中，一定要明确配置参数和测试条件，才便于分析测试结果的合理性。

4.3 小区（平均）频谱效率

小区平均频谱效率可以由小区峰值吞吐量和带宽来简单推导。5G 系统中，由于采用了大规模天线（mMIMO）、增强型波束赋形、增强型小区间干扰消除技术以及多载波技术，因此可以有效提升小区频谱效率。

4.4 空口时延

5G 系统中，空口时延的降低主要依靠较短的TTI 来实现。空口时延包括资源请求和分配、上下行数据传送、接收确认/非确认以及系统处理等阶段，E2E 时延包括上下行数据传送、系统内部调度和处理、BTS 和UE 处理、传输以及核心网处理等阶段。

4.5 连接数密度

5G 网络中，针对低功耗大连接场景，100万/km2的连接数密度指标是基本目标。此指标受话务模型和网络配置的影响很大，如报告的数据量大小、发送频度、用户密度以及小区数等。未来如何对大量的用户数密度进行模拟、仿真和测试，还有待进一步研究。

5 结束语

5G 系统中所包含的关键性能指标有速率、时延、频谱效率以及连接密度等方面。目前阶段，ITU 虽然已经提出了明确的指标需求，但是各个运营商或者组织有着不同的理解和解读方式，本文通过对IMT-2020、ITU、NGMN 以及3GPP TR 文件的对比分析，进行了全面的概念解析和测试分析。测试工作中，需要根据测试规范具体分析指标的含义和取值要求，选定正确的测试方法，获取合理的测试结果，才能为未来5G 商用工作提供更好的参考作用。