5G性能、能效与技术经济评估

### 5G 性能、能效与技术经济评估 #### 1. 引言 在迈向第五代（5G）移动和无线通信的竞赛中，众多利益相关者纷纷提出各自的技术、算法和程序方案。在新系统的定义阶段，从这些方案中做出正确选择对确保5G的成功和广泛应用至关重要。5G有望带来新的商业机会，并实现性能飞跃，证明其开发和部署的成本投入是合理的。 引入新的标准是一个漫长且昂贵的过程，而且系统成熟后，重大设计决策很难更改。因此，在硬件实现（如原型或试验设备）之前量化关键设计概念的性能极为重要。这种评估通常通过“纸笔”分析或计算机模拟进行。为了提供准确和公正的评估，参与过程的利益相关者需要讨论并商定正确的评估程序、指标和模型。此外，还需要考虑5G引入的经济评估。 #### 2. 性能评估框架 近年来，无线通信一直处于现代社会技术发展的前沿。与传统解决方案相比，5G系统不仅旨在为人类提供极致的宽带接入，还关注不同类型的机器通信和相关服务。这种服务的多样性促使现有评估方法从主要关注基于人类的移动宽带通信，向全面、公正的5G评估框架发展，以便公平比较各种提议概念，洞察最相关5G用例的可实现性能。 ##### 2.1 IMT - A评估框架 尽管5G系统将引入一系列全新功能，但评估框架无需从头开始开发。国际移动电信高级版（IMT - A）的评估过程提供了成功经验。IMT - A被认为是第四代（4G）移动和无线网络，推动了移动宽带应用的广泛成功。 2007 - 2008年，国际电信联盟无线电部门（ITU - R）第5D工作组制定了IMT - A的评估指南，定义了性能指标和技术性能要求。相关总结可在两份ITU - R报告中找到。该评估框架包括三个组成部分： - **测试环境**： - 基于待评估服务的流量模型。 - 部署场景，提供服务部署的地理特征（如室内热点、密集城市区域）。 - 评估配置，即应用于所选流量（服务）和部署场景的假定评估参数。 - **每个关键性能指标（KPI）的评估方法和程序**： - 高级评估方法，如检查、分析或模拟。 - 详细评估方法和程序。 - **评估模型**：如信道模型等。 2009年及以后，第三代合作伙伴计划（3GPP）将IMT - A评估方法（略有改进）作为评估LTE和LTE - A的基线。同时，IEEE也制定了评估IEEE 802.16m（全球微波接入互操作性，WiMAX）的方法，与3GPP的方法有许多共性，但在某些部分更详细。 ##### 2.2 IMT - 2020评估过程和框架 5G的正式评估框架，即IMT - 2020评估框架，是ITU - R的官方流程。满足IMT - 2020要求的最明显候选者是3GPP开发的新无线电（NR）标准。 ITU - R制定了IMT - 2020技术提案的最低技术要求和评估指南报告，用于IMT - 2020评估和提交过程。此外，ITU - R的第5/1任务组负责进行2019年世界无线电大会（WRC - 19）的共享和兼容性研究，以确保全球5G频谱。 IMT - 2020提交和评估过程包括九个步骤，其中步骤2和步骤7分别定义了“进入标准”和“退出标准”。任何候选无线电接口技术（RIT）或一组RIT（SRIT）需要满足相应要求才能进入和通过该过程。具体要求如下： - **进入标准**： - 单个RIT需要满足至少三个测试环境的最低要求：两个与增强型移动宽带（eMBB）相关的测试环境，以及一个用于大规模机器类型通信（mMTC）或超可靠低延迟通信（URLLC）的测试环境。 - SRIT由多个互补的组件RIT组成，每个组件RIT满足至少两个测试环境的最低要求，作为一个整体满足至少四个包含三种服务类型的测试环境的最低要求。 - **退出标准**：候选RIT/SRIT必须满足所有五个测试环境的要求，涵盖eMBB、mMTC和URLLC三种主要服务类型。 3GPP承诺在2020年初向IMT - 2020过程提交其提案。 ##### 2.3 5G PPP评估框架 在官方的IMT - 2020评估框架建立之前，多个5G公私合作伙伴关系（5G PPP）项目对5G评估进行了研究，以满足不同场合为5G设定的需求和挑战。这是因为新服务、场景或系统配置带来了新要求，以及为满足这些要求而提出的新技术。 5G服务不仅关注移动宽带，还涉及大规模连接和可靠低延迟通信，这意味着需要新的机器通信设备、流量模型和KPI。5G的场景更接近现实的异构部署，系统基于多种无线电接入技术（RAT）的集成，并涉及多连接。此外，5G将在更高频率、大载波带宽下运行，使用大规模MIMO，这也要求扩展信道模型。 新提出的满足5G要求的技术，如新波形和3D波束成形，对5G评估的链路级建模和链路到系统映射产生影响，需要开发新模型。同时，设备到设备（D2D）通信能力和移动网络的形成也应纳入5G评估方法。 5G PPP详细阐述了一个新的评估框架，分析了多个5G PPP项目研究的5G用例，定义了适当的KPI，并提出了一组性能评估模型。 **检查类KPI**：基于对每个特定5G提案陈述的检查进行评估，基本是可以用“是”或“否”回答的问题，包括： - 带宽和信道带宽可扩展性，即系统在不同带宽（至少支持1 GHz）和载波频率下运行的能力。 - 在IMT频段部署的能力。 - 在6 GHz以上频段运行的能力。 - 频谱灵活性，即在成对和非成对频段中适应不同下行（DL）和上行（UL）传输模式的能力