黃勁安 區奕甯 董 力 曾哲君 蔡子華 梁廣智 編著
NR 演進之路
| 1.1 NR 的需求和目标 |
随着移動網際網路資料流量需求和物聯網終端接入需求的快速增長以及各類新業務、新應用的不斷湧現，NR（New Radio，特指 5G，以下同）面對的是具有極端差異化性能需求的多樣性業務場景。NR 的服務對象将由傳統的“以人為中心”的移動網際網路業務拓展到“以物為中心”的物聯網業務，進而實作人與人、人與物和物與物的互聯。
根據 NR 業務性能需求和資訊互動對象的不同，國際電信聯盟（ITU）定義了增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超高可靠低延遲時間通信（uRLLC）三大類 NR 應用場景，如圖 1-1 所示。
增強移動寬帶場景主要面向移動網際網路業務需求，可以進一步劃分為連續廣覆寫和熱點高容量子場景。其中，連續廣覆寫子場景是移動通信最基本的覆寫方式，重在為使用者提供無縫的高速業務體驗。熱點高容量子場景則面向局部熱點區域，為使用者提供極高的資料傳輸速率。
海量機器類通信場景主要面向以傳感和資料采集為目标的物聯網業務需求，旨在為海量連接配接、小資料分組、低成本、低功耗的裝置提供有效的連接配接方式。
超高可靠低延遲時間通信場景主要滿足物聯網業務需求，具體面向車聯網、工業控制、移動醫療等對時延和可靠性具有極高名額要求的特殊行業應用。
1.1.1 NR 性能需求
由于 NR 的應用場景和服務對象發生了極大的變化，因而 NR 系統的設計也不再是簡單地以更高峰值速率和更高頻譜效率作為核心設計目标。根據對增強移動寬帶、海量機器類通信和超高可靠低延遲時間通信三大典型應用場景的初步分析，NR 除了要持續提升峰值速率、時延和移動性 3 個方面傳統移動通信系統的性能名額外，還需要新增關注使用者體驗速率、流量密度、連接配接數密度和可靠性等新型名額。
總結起來，NR 的主要性能需求包括以下幾方面。
- 峰值速率（Peak Data Rate）。理想信道條件下單使用者所能達到的最高傳輸速率，可用 Gbit/s 衡量。相比于 4G 網絡，NR 要求峰值速率呈數十倍的提升，正常條件下要求達到 10 Gbit/s，而特定場景下則要求達到 20 Gbit/s。
- 時延（Latency）。時延具體包括空口時延和端到端時延，機關為 ms。移動通信系統的時延一般采用 OTT（Over Trip Time）或 RTT（Round Trip Time）進行衡量。OTT 是指在發送端到接收端之間完成資料收發的時間間隔；RTT 是指從發送端發送資料到發送端收到接收端确認資訊過程的時間間隔。在 NR 的正常場景下，一般要求控制面時延低于 20 ms，而在車聯網、工業控制等對時延要求嚴苛的場景下，要求最小空口時延為 1 ms。
- 移動性（Mobility）。滿足特定 QoS 和無縫傳輸條件下收發雙方可支援的最大相對移動速度，機關為 km/h。NR 要求在 500 km/h 的極端環境下，能夠克服多普勒頻移和頻繁切換的不利影響，保持始終如一的高速連接配接，以便更好地支援地鐵、高速公路、高鐵等高速或超高速移動場景。
- 使用者體驗速率（User Experienced Data Rate）。在實際網絡荷載下可保證的使用者傳輸速率，可用 Mbit/s 或 Gbit/s 衡量。使用者體驗速率首次作為衡量移通信系統的核心性能名額而被引入 NR 系統。在實際網絡中，使用者體驗速率與無線環境、裝置接入數、使用者規模與分布、使用者位置等因素息息相關，一般采用期望平均值或 95%比例統計方法進行分析和評估。在不同場景下，對 NR 使用者體驗速率的要求不同。一般在連續廣覆寫場景中要求達到 100 Mbit/s，而在熱點高容量場景中則期望達到 1 Gbit/s。
- 流量密度（Area Traffic Capacity）。忙時典型區域機關面積上總的業務吞吐量，機關為 Tbit/s·km−2。流量密度是衡量典型區域覆寫範圍内資料傳輸能力的重要性能名額，具體與網絡拓撲、使用者分布、傳輸模型等密切相關。NR要求支援不低于數十 Tbit/s·km−2 的流量密度。
- 連接配接數密度（Connection Density）。機關面積上可支援的線上終端的總和，線上是指終端正在以特定的 QoS 等級進行通信，一般可用 106/km2 來衡量連接配接數密度。NR 要求機關面積内可支援的連接配接器件數目達到 1×106/km2。
- 可靠性（Reliability）。在一定時間範圍内規定的資料資訊量被成功發送到對端的機率。曆代移動通信系統均是以覆寫和容量的相對最大化為設計目标，并提供盡力而為的移動通信服務。但 NR 的某些特定場景，如自動駕駛、遠端醫療等，對高可靠和高可達性的連接配接服務需求較高。這類場景要求 NR 能夠支援可靠性高達 99.999%的中低速資料傳輸能力。
ITU《IMT 願景》定義的 5G 關鍵能力名額如圖 1-2 所示。
1.1.2 NR 效率需求
NR 系統的設計，除了關注前述的性能需求外，還需要關注頻譜效率、網絡能效以及成本效率等直接決定新系統能否實作可持續與高效發展的效率需求，具體包括以下幾方面。
- 頻譜效率（Spectrum Efficiency）。每小區或機關面積内，機關頻譜資源可提供的吞吐量，可用 bit/s·Hz−1 衡量。頻譜效率的提升對于占用頻譜這種短缺且不可再生資源的移動通信系統來說至關重要。NR 要求頻譜效率相對于 LTE-A網絡有 3～5 倍的提升，室外場景下的平均頻譜效率需達到 6~9 bit/s·Hz−1。
- 網絡能效（Energy Efficiency）。每焦耳能量所能傳輸的比特數，可用bit/J 衡量。在指數級流量增長和海量裝置連接配接的背景需求下，如果網絡能效不高，将難以實作 NR 系統的可持續和高效發展。是以，NR 注重網絡能效的改善，要求能效相對 LTE-A 能夠得到超百倍的提升。
- 成本效率（Cost Efficiency）。每機關成本所能傳輸的比特數。NR 的成本主要包括網絡部署成本和營運維護 成本，直接與營運商的資本性支出（CAPEX）和營運性支出（OPEX）挂鈎。因而成本效率也是 NR 系統設計時不可忽略的營運需求。
1.1.3 NR 設計目标
根據《ITU-R M.2410 IMT-2020 最小性能要求》，符合設計目标的 IMT-2020候選技術方案必須全部滿足 13 項名額要求。這 13 項名額是對圖 1-2 所示的八大關鍵能力名額的擴充，具體名額見表 1-1。
簡單總結一下，NR 應采用統一、靈活、可配置的設計，以實作高速率、廣覆寫、高移動性、低延遲時間和大連接配接的基本特性。
| 1.2 解碼 NR 設計 |