黄劲安 区奕宁 董 力 曾哲君 蔡子华 梁广智 编著
NR 演进之路
| 1.1 NR 的需求和目标 |
随着移动互联网数据流量需求和物联网终端接入需求的快速增长以及各类新业务、新应用的不断涌现，NR（New Radio，特指 5G，以下同）面对的是具有极端差异化性能需求的多样性业务场景。NR 的服务对象将由传统的“以人为中心”的移动互联网业务拓展到“以物为中心”的物联网业务，进而实现人与人、人与物和物与物的互联。
根据 NR 业务性能需求和信息交互对象的不同，国际电信联盟（ITU）定义了增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（uRLLC）三大类 NR 应用场景，如图 1-1 所示。
增强移动宽带场景主要面向移动互联网业务需求，可以进一步划分为连续广覆盖和热点高容量子场景。其中，连续广覆盖子场景是移动通信最基本的覆盖方式，重在为用户提供无缝的高速业务体验。热点高容量子场景则面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率。
海量机器类通信场景主要面向以传感和数据采集为目标的物联网业务需求，旨在为海量连接、小数据分组、低成本、低功耗的设备提供有效的连接方式。
超高可靠低时延通信场景主要满足物联网业务需求，具体面向车联网、工业控制、移动医疗等对时延和可靠性具有极高指标要求的特殊行业应用。
1.1.1 NR 性能需求
由于 NR 的应用场景和服务对象发生了极大的变化，因而 NR 系统的设计也不再是简单地以更高峰值速率和更高频谱效率作为核心设计目标。根据对增强移动宽带、海量机器类通信和超高可靠低时延通信三大典型应用场景的初步分析，NR 除了要持续提升峰值速率、时延和移动性 3 个方面传统移动通信系统的性能指标外，还需要新增关注用户体验速率、流量密度、连接数密度和可靠性等新型指标。
总结起来，NR 的主要性能需求包括以下几方面。
- 峰值速率（Peak Data Rate）。理想信道条件下单用户所能达到的最高传输速率，可用 Gbit/s 衡量。相比于 4G 网络，NR 要求峰值速率呈数十倍的提升，常规条件下要求达到 10 Gbit/s，而特定场景下则要求达到 20 Gbit/s。
- 时延（Latency）。时延具体包括空口时延和端到端时延，单位为 ms。移动通信系统的时延一般采用 OTT（Over Trip Time）或 RTT（Round Trip Time）进行衡量。OTT 是指在发送端到接收端之间完成数据收发的时间间隔；RTT 是指从发送端发送数据到发送端收到接收端确认信息过程的时间间隔。在 NR 的常规场景下，一般要求控制面时延低于 20 ms，而在车联网、工业控制等对时延要求严苛的场景下，要求最小空口时延为 1 ms。
- 移动性（Mobility）。满足特定 QoS 和无缝传输条件下收发双方可支持的最大相对移动速度，单位为 km/h。NR 要求在 500 km/h 的极端环境下，能够克服多普勒频移和频繁切换的不利影响，保持始终如一的高速连接，以便更好地支持地铁、高速公路、高铁等高速或超高速移动场景。
- 用户体验速率（User Experienced Data Rate）。在实际网络荷载下可保证的用户传输速率，可用 Mbit/s 或 Gbit/s 衡量。用户体验速率首次作为衡量移通信系统的核心性能指标而被引入 NR 系统。在实际网络中，用户体验速率与无线环境、设备接入数、用户规模与分布、用户位置等因素息息相关，一般采用期望平均值或 95%比例统计方法进行分析和评估。在不同场景下，对 NR 用户体验速率的要求不同。一般在连续广覆盖场景中要求达到 100 Mbit/s，而在热点高容量场景中则期望达到 1 Gbit/s。
- 流量密度（Area Traffic Capacity）。忙时典型区域单位面积上总的业务吞吐量，单位为 Tbit/s·km−2。流量密度是衡量典型区域覆盖范围内数据传输能力的重要性能指标，具体与网络拓扑、用户分布、传输模型等密切相关。NR要求支持不低于数十 Tbit/s·km−2 的流量密度。
- 连接数密度（Connection Density）。单位面积上可支持的在线终端的总和，在线是指终端正在以特定的 QoS 等级进行通信，一般可用 106/km2 来衡量连接数密度。NR 要求单位面积内可支持的连接器件数目达到 1×106/km2。
- 可靠性（Reliability）。在一定时间范围内规定的数据信息量被成功发送到对端的概率。历代移动通信系统均是以覆盖和容量的相对最大化为设计目标，并提供尽力而为的移动通信服务。但 NR 的某些特定场景，如自动驾驶、远程医疗等，对高可靠和高可达性的连接服务需求较高。这类场景要求 NR 能够支持可靠性高达 99.999%的中低速数据传输能力。
ITU《IMT 愿景》定义的 5G 关键能力指标如图 1-2 所示。
1.1.2 NR 效率需求
NR 系统的设计，除了关注前述的性能需求外，还需要关注频谱效率、网络能效以及成本效率等直接决定新系统能否实现可持续与高效发展的效率需求，具体包括以下几方面。
- 频谱效率（Spectrum Efficiency）。每小区或单位面积内，单位频谱资源可提供的吞吐量，可用 bit/s·Hz−1 衡量。频谱效率的提升对于占用频谱这种短缺且不可再生资源的移动通信系统来说至关重要。NR 要求频谱效率相对于 LTE-A网络有 3～5 倍的提升，室外场景下的平均频谱效率需达到 6~9 bit/s·Hz−1。
- 网络能效（Energy Efficiency）。每焦耳能量所能传输的比特数，可用bit/J 衡量。在指数级流量增长和海量设备连接的背景需求下，如果网络能效不高，将难以实现 NR 系统的可持续和高效发展。因此，NR 注重网络能效的改善，要求能效相对 LTE-A 能够得到超百倍的提升。
- 成本效率（Cost Efficiency）。每单位成本所能传输的比特数。NR 的成本主要包括网络部署成本和运营维护 成本，直接与运营商的资本性支出（CAPEX）和运营性支出（OPEX）挂钩。因而成本效率也是 NR 系统设计时不可忽略的运营需求。
1.1.3 NR 设计目标
根据《ITU-R M.2410 IMT-2020 最小性能要求》，符合设计目标的 IMT-2020候选技术方案必须全部满足 13 项指标要求。这 13 项指标是对图 1-2 所示的八大关键能力指标的扩充，具体指标见表 1-1。
简单总结一下，NR 应采用统一、灵活、可配置的设计，以实现高速率、广覆盖、高移动性、低时延和大连接的基本特性。