1.3 5G能力和技术要求

1.3.1 5G用例研究

2015年，3GPP启动5G用例研究。研究的主要目的是明确5G的潜在用例，以及相关用例对5G的功能要求，从而作为对5G系统设计和标准制定的指引。

在此前后，由运营商发起的下一代移动通信网（NGMN）平台、全球移动通信系统协会（GSMA）、欧洲的5G研究计划5G-PPP、中国的IMT-2020、日本的ARIB等也就5G的愿景、用例展开了研究与预测。

相关研究表明，5G的关键推动力之一是移动数据的快速增长，而移动数据的增长在很大程度上与视频应用的普及有关。随着技术的进步和社会的发展，视频应用越发普及，对带宽的要求也越来越高。3D、虚拟现实（VR）或是超高清的视频服务，都将更广泛地通过无线方式进行连接，从而使得5G相比4G提出了更高的数据速率需求。

根据ARIB等提出的移动数据增长预测，2020年至2025年之间，移动数据流量将比2010年4G初期增长1000倍，5G技术必须能够有效应对这种增长。显然，以1000倍的资源消耗来支持1000倍的数据量增长是不现实的。因此，相比于前几代移动通信系统，5G必须实现更高的效率。

除了快速增长的数据量，设备数量也在持续增长。业界对物联网中连接设备数量的预期存在差异。但所有预测都表明，5G时代将实现数十亿个设备的连接。

此外，在数字社会中，政府、企业和相关行业将利用移动通信来改善生产效率，从而从垂直行业的层面对5G产生新的需求。

垂直行业应用的一个共同特征是它们对可靠性、可用性和网络覆盖有更高的要求。对于个体消费者而言，当他们无法使用移动通信网络来观看高清视频或访问社交媒体时，用户满意度将会降低。但是，当支付、交通、远程医疗或电力网络依赖于移动网络时，移动通信的中断将在社会层面产生更为严重的影响。

5G为满足垂直行业应用而提升的另一个重要方面是端到端时延。如果传感器、控制器和终端器件之间的数据通信等待时间过长，许多服务实际上是难以提供的。对于当前的4G网络，在拥塞的情况下，端到端时延可能长达1s。显然，对于电力控制等服务而言，这样的时延是难以接受的。

3GPP将5G用例的研究结果合并至4个应用场景^[1-4]。除可分别对应到eMBB、URLLC、mMTC三大场景外，还有一类“网络操作”（Network Operations）场景，主要面向5G网络运营的性能要求。

1.3.2 5G典型能力

相比前几代移动通信系统，5G在技术层面做了大量的创新，这在本书中将做详细的介绍。相应的，5G所能提供的能力也有了广泛的扩展。

以下简要介绍5G的四种典型能力：网络切片、网络能力开放、多系统接入和性能与能效优化。

1.网络切片

5G的重要目标之一是在单个网络上支持来自多个服务的需求，而不是为每个服务单独设计、部署特定的无线网络。网络切片是实现该目标的关键能力。

基于网络切片的概念，运营商可以为不同的服务和客户定制其网络。切片的功能（例如优先级、策略控制和安全性）、性能要求（例如时延、可用性、可靠性和数据速率）可以不同，每个切片可以服务于特定的用户（例如公共安全用户、公司用户、工业用户）。网络切片可以提供完整的网络功能，包括无线接入网和核心网功能。一个网络可以支持一个或多个网络切片。

2.网络能力开放

网络能力开放的目的在于向第三方服务提供商提供所需的网络能力。其基础在于移动网络中各个网元所能提供的网络能力，包括用户位置信息、网元负载信息、网络状态信息和运营商组网资源等，而运营商网络需要将上述信息根据具体的需求适配，提供给第三方使用。

通过网络能力开放，第三方服务提供商可以实现服务与网络的更优匹配。同时，第三方服务还可以向网络提供上下文信息，例如通知网络有关服务的特征（如时间与预期流量的关系），从而优化无线资源管理。

3.多系统接入

除3GPP系统（包括5G NR、4G LTE）外，5G还支持非3GPP系统（如WIFI）的接入。

各种接入系统间的互操作至关重要。5G将考虑服务、业务特性，无线信道特性和终端移动性等因素，为服务选择最合适的3GPP或非3GPP接入技术。单个设备可以同时使用多种接入技术，并在适当的时候添加或删除相应无线连接。

5G也支持固定宽带接入。固定接入家庭网关可以是中继设备，负责将5G连接转发给相应的终端用户。

4.性能与能效优化

5G可提供的能力很多，后续会做详细的介绍，在这里不一一赘述。还需重点提及的一点是5G对于不同服务的性能优化和能效优化。

5G将支持具有不同性能要求（例如高吞吐量、低时延和海量连接）和数据流量模型（例如IP数据流量、非IP数据流量和短数据突发）的各种设备和服务。为了有效地做到这一点，需要针对不同的服务进行性能优化。

对于基于物联网的应用，需要进行优化以处理海量设备。物联网传感器发送的数据包大小不一，从小的状态更新到大的流媒体视频。因此，与4G主要考虑大块数据不同，5G还必须有效地支持短数据突发。同时，考虑5G网络中的云应用，在发送数据之前和之后不能有冗长的信令过程，以有效降低端到端时延。

能源效率是5G面临的直接挑战，也是5G的重要优化目标。目前，在许多国家，移动运营商已经是最重要的电力客户之一。对系统设备而言，移动数据流量从4G到5G的1000倍增长虽不意味着能耗的等比例增加，但能源消耗无疑将是5G部署与运营所面临的关键挑战。对于终端设备，能效直接转化为电池待机时间，与用户体验直接相关。

1.3.3 5G技术要求

什么样的标准或系统可以被称为“5G”？这就涉及5G的技术要求问题。而5G的技术要求由国际电信联盟（ITU）定义。

ITU是联合国的专门机构之一，主管信息通信技术事务。从2012年开始，ITU组织全球业界开展5G标准化前期研究工作。2015年6月，ITU正式确定“IMT-2020”为5G系统的官方命名。

相应的，ITU也制定了IMT-2020的工作时间表，如图1-1所示。其中有几个时间节点与5G技术要求相关：

●2017年2月，ITU 5D第26次会议，完成《IMT-2020技术性能指标（Technical Performance Requirements）》，包括13项技术指标的详细定义。

●2017年6月，ITU 5D第27次会议，完成《IMT-2020无线接口技术评估指南（Evaluation criteria & method）》、《开发IMT-2020的要求、评估准则和提交模板（Requirements, Evaluation Criteria,&Submission Templates）》。

●2017年10月到2019年7月，ITU接收各成员国/单位的5G提案（Proposals IMT-2020），提案需包括：无线接口技术方案、以及完整的自评估结果。

以上提到了ITU的三份文件：《IMT-2020技术性能指标》、《IMT-2020无线接口技术评估指南》、《开发IMT-2020的要求、评估准则和提交模板》，分别对应于“满足什么样的要求可以称为5G？”“怎么证明满足了这些要求？”“证明如何提交？”的问题。

1.《IMT-2020技术性能指标》

2015年9月，ITU发布了ITU-R M.2083《IMT愿景：5G架构和总体目标》，定义了eMBB、mMTC、URLLC三大业务场景，以及峰值速率、业务容量等八大关键指标。

基于这八大关键指标，2017年2月发布的《IMT-2020技术性能指标》定义了13项技术性能指标，包括每项指标的详细定义、适用场景、最小指标值等，如表1-1所示。换言之，只有满足这13项指标的移动通信标准/系统，才可以被称为“5G”或“IMT-2020”。

2.《IMT-2020无线接口技术评估指南》

对于相应的移动通信标准/系统，怎样才能证明它满足了5G的技术性能指标呢？这就需要根据《IMT-2020无线接口技术评估指南》开展评估工作。

该指南于2017年6月底完成，提供了评估指南、准则、详细的场景和参数。

首先介绍其定义的5个测试场景和3种评估方法。

（1）5个测试场景

●室内热点-eMBB（Indoor Hotspot-eMBB）。

●密集城区-eMBB（Dense Urban-eMBB）。

●农村-eMBB（Rural-eMBB）。

●城区宏站-mMTC（UMa-mMTC）。

●城区宏站-URLLC（UMa-URLLC）。

（2）3种评估方法

●仿真：链路级/系统级仿真。

●分析：计算或数学分析。

●检查：审阅候选标准/系统的功能和参数。

表1-2总结了eMBB、mMTC和URLLC对应的测试场景、需满足的技术指标。

表1-3总结了各项指标应采用的评估方法。

《IMT-2020无线接口技术评估指南》中还提供了5个测试场景的拓扑、频点、天线配置、站间距等详细的参数，在这里不再赘述。

3.《开发IMT-2020的要求、评估准则和提交模板》

该文件主要定义了5G应支持的业务、频谱，以及详细的ITU IMT-2020提交指南、模板。

4.3GPP面向ITU的5G自评估工作

5G取得成功的重要基础之一，是形成全球统一的标准。业界普遍认为，统一的5G标准将在3GPP产生。

然而，3GPP毕竟是“非官方”的标准组织。其制定的5G标准，能否被称为“5G”或“IMT-2020”，还需要一个认证的过程，即ITU的官方认证。有了这个认证，才能真正将3GPP Rel-15/16标准称作5G，运营商才允许将IMT频谱用于部署3GPP Rel-15/16系统。

基于ITU设定的时间点和以上要求，3GPP也及时启动了“面向ITU的Rel-15技术方案自评估（Rel-15自评估）”立项，周期为2017年9月至2018年9月。这也是3GPP 5G标准从“民间”走向“官方”的重要一步。

3GPP的5G自评估工作总结起来是：基于ITU的《IMT-2020技术性能指标》→采用ITU的《IMT-2020无线接口技术评估指南》→根据ITU的《开发IMT-2020的要求、评估准则和提交模板》要求，提交3GPP的技术提案和完整的自评估结果。

基于ITU时间表，3GPP在2018年10月（ITU 5D #31会议）完成向ITU的第一次提交，在2019年7月（ITU 5D #32会议）完成第二次提交。这两次提交分别包含Rel-15和Rel-16的功能。不仅3GPP，ITU各国家/成员也积极地提交了5G的技术提案。在4G时代，我国也独立向ITU提交了基于TD-LTE-Advanced的4G提案。

基于收到的提案，ITU会根据一系列流程，来决定哪些技术/标准可以被称为“5G”或“IMT-2020”系统，从而正式完成移动通信向5G演进的“官方”认证过程。