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日本电波产业协会的5G白皮书(6):5G的框架与能力

供稿人:李远东  供稿时间:2015-1-30   关键字:5G  移动通信  数据流量  TUT(典型用户吞吐量)  移动视频  
笔者注:本文对日本电波产业协会5G白皮书中关于5G的框架与能力部分进行介绍,提出以TUT(典型的用户吞吐量)来表征5G移动通信的用户体验,并给出了5G所应具有的四大真正能力。具体如下文所述。
 
1、总体
 
在本章节之中,会首先用一幅高度概括的图表来阐述现有的IMT-Advanced移动通信系统及其后续演进版与未来的5G移动通信系统在能力上的差别。其次,会用另一一幅高度概括的图表来描述未来5G移动通信系统的最高能力。在第三幅图表之中,将定量地或者定性地展示IMT-Advanced移动通信系统能力的演进[1]以及未来5G移动通信的新兴能力元素。
 
2、框架
 
未来5G移动通信系统的主要目标之一是在有着各种用户密度的应用场景之中、在更广阔的地理范围之内,为用户提供更佳的使用体验。于是,从这个角度来考虑,比起“峰值数据速率”,“用户体验”就最好以TUT(Typical User Throughput,典型的用户吞吐量,单位为“bps/设备”)来表征。图1就正是描述了以TUT为特征的未来5G移动通信系统的框架——展现了“用户密度(即每平方公里地域内的移动通信终端设备数量)”与TUT(已被IMT-Advanced定量地规范化)之间的关系。
图1  未来5G移动通信系统的框架
编译自日本电波产业协会于2014年10月8日发布的5G白皮书Mobile Communications Systems for 2020 and beyond
 
一般地,TUT所表征的是在某个典型的条件之下(包括“用户/终端的分布密度”),每个用户/终端设备的吞吐量。根据白皮书中附录B的详细讨论,需要在综合考虑合理操作条件、无线电传播条件、用户/终端设备分布密度以及系统的典型部署这四大因素之后,再设定总的典型条件。
 
此外,通过减小基站小区的覆盖范围,对于一定范围内的用户/终端设备分布密度,典型的用户吞吐量数值可以保持恒定。值得一提的是,以下将要提出的5G移动通信系统框架,并不会限制未来实践之中的任何可能的系统部署方式。因此,根据实施网络部署的条件,未来的5G移动通信系统就具有提供相比此处所描述的更高的用户吞吐量的能力。
 
以下具体描述相比于现有的IMT-Advanced移动通信系统,未来的5G移动通信系统于三个主要领域的能力增强:
 
1)孤立区域(比如:偏远地区、远离陆地正处于航行状态的轮船等)的移动通信扩展覆盖
 
在未来的5G时代,非常关键的是,移动通信系统要面向孤立区域或者人口分布极度稀疏的地域,以相比IMT-Advanced移动通信系统更为低成本的方式提供移动通信服务。日本MIC(总务省)所发布的相关研究结果显示,在日本,到了2017年,移动通信网络未覆盖到的区域将会减半——但届时,仍将有大约17000用户处于“out of service”区域。因此,未来的5G移动通信系统就应该解决这一覆盖问题,并提供稳定的、安全的移动通信服务。
 
2TUT(典型用户吞吐量)的改善
 
在未来5G移动通信的无线接入网络之中,每个单个无线链路的最大可用吞吐量应该要被提高100倍。加之在系统之内适当地部署及运营更小的基站,单个链路的吞吐量将会得到进一步的提高,进而,典型用户吞吐量性能也会得到进一步的改善——相比于现用的第四代移动通信系统。
 
3)系统容量扩增
 
当用户/终端设备密度超过某一个数值的时候,邻近小区之间的干扰就会增大,从而就会成为提高移动通信系统容量的一个限制因素。为了应对这一来自“容量衰落”的挑战,未来的5G移动通信系统就应该部署若干相关的技术,以适当地控制这些小基站之间的相互干扰。
 
3、从系统的角度:5G的最大能力
 
1)相对于IMT-Advanced移动通信系统,5G在系统能力方面定性或定量的演进
 
图2描述了相比于现有的IMT-Advanced移动通信系统,5G最高的系统能力。这幅雷达图中一共有6个轴,均能非常好地展示出5G移动通信系统与IMT-Advanced移动通信系统二者间的差异,而且每一个最大能力元素均取决于其他最大能力元素。例如,在5G移动通信系统之中,每个单个基站所能接入的终端设备的数量,应当与IMT-Advanced移动通信系统增强版/演进版的保持一致——但是,前者应该提供相比于后者更高的系统容量。
 
 
图2  5G移动通信网络无线接入系统的最高系统能力
编译自日本电波产业协会于2014年10月8日发布的5G白皮书Mobile Communications Systems for 2020 and beyond
 
现有移动通信系统六大能力的演进方向被上述雷达图予以展现,以下就将定量地对5G移动通信系统与IMT-Advanced移动通信系统在这六个方面进行比较分析:
 
(1)系统容量以及峰值数据速率
 
在未来的5G移动通信时代,接入网络的移动通信终端将会不断增多,网络类的移动数据流量将会继续激增,为了应对由此带来的相关挑战,5G移动通信系统的容量需要在峰值数据速率以及大的终端连接数量这两方面进行扩容。相比于现有的IMT-Advanced移动通信系统,5G的系统容量(此处的系统容量以“bit/s/km2——每1秒的时间里,每平方公里的地域内所产生的移动数据总流量”来表征)需要达到大致1000倍的水平。而在峰值数据速率方面,5G移动通信系统应该要高于10 Gbit/s(而IMT-Advanced移动通信系统的峰值数据速率为1 Gbit/s)。为了获得如此之高的峰值数据速率,5G需要发展新的无线接入技术。
 
(2)接入移动通信网络的终端设备数量方面
 
在未来的5G移动通信时代,各种IoT(Internet of Things,物联网)应用的近乎“海”量的传感器终端设备需要接入到移动通信网络。根据日本电波产业协会的相关预测,用户终端设备中将会内置越来越多的M2M传感器以及驱动器。根据一些相关的预测,到了2020年,接入移动通信网络的终端设备数量将会比届时的全球人口总量还要多——达到数百亿部的水平。接入5G移动通信系统的终端设备数量将达到IMT移动通信系统的大致100倍的水平。此外,IMT移动通信系统的增强版/演进版可能可以接入如此大量的终端设备。
 
(3)更低的接入延迟
 
未来移动通信的一些实时应用将对于“低的接入延迟”有着很大需求。对于用户数据平面的延迟,现有的IMT移动通信系统能达到低于10毫秒,而未来的5G移动通信系统则须达到低于1毫秒的水平(笔者注:对于这个1毫秒的问题,全球移动通信协会就如何达到、对于移动通信网络结构的影响等进行了深入探讨,可进一步查阅上海情报服务平台新近发布的《全球移动通信协会的5G白皮书》专题)。对于“用户数据平面的延迟”,有着如下的定义:用户数据平面的延迟(或者称之为“传输延迟”)是指,在用户终端/基站IP层的SDU(服务数据单元)包与在用户终端/基站IP层的PDU(协议数据单元)包之间的单向传输时间。
 
(4)更高的移动性支持
 
甚至于,在高速行驶的交通工具这一应用场景之中,移动数据流量也在不断地增加。相比于现有的IMT-Advanced移动通信系统,未来5G移动通信系统需要能支持大致500 km/h的高速移动应用场景。根据此前进行的LTE-Advanced移动通信系统的可行性研究,IMT-Advanced移动通信系统的后续增强版/演进版也将能在某些物理频段之内支持500 km/h的高速移动应用场景。
 
(5)能量效率方面
 
日本电波产业协会的这份5G白皮书紧接着指出,着眼于研发出一个可以持续发展的5G移动通信系统,未来5G移动通信系统总的能量消耗就不应该大幅地超过现有的移动通信系统。因此,在能耗方面,5G移动通信系统的单位带宽能耗就应该要比现有的移动通信系统低很多。至于未来移动通信终端的节能降耗问题,为实现更长的电池寿命,5G(包括未来各种新型的无线接入技术)就需要更低的能量消耗。由于系统容量更小,IMT-Advanced移动通信系统的后续增强版/演进版对于提高能量效率的需求要低于更长远未来的5G移动通信系统。
 
(6)可用性以及可靠性方面
 
对于某项移动通信服务的可靠性,可以定义为:在某一个特定的条件之下(笔者注:相关条件,可查阅上文的相关部分),满足一组服务需求所需的总体成功率或者可能性(笔者注:即概率)。相关的服务需求可能包括用户吞吐量、E2E(笔者注:即“端到端”)延迟、连接建立的时间等。对于每一项具体的服务,均需对相关的需求予以定量地明确。
 
而对于某项移动通信服务的可用性,则可以定义为:在移动通信网络的蜂窝小区覆盖范围之内,满足移动通信服务可靠性或者预先已定义的一组服务需求的区域占比或者时间占比。对于某些特定的移动通信服务而言,其覆盖区域(即“业务覆盖”)可能要小于或者大于其他类型的移动通信服务。
 
日本电波产业协会的这份5G白皮书紧接着指出,在未来的5G移动通信时代,ICT信息通信系统除了广大用户提供方便人们日常生活的很多类型的通信服务,还会在lifeline(生命线)之中发挥着重要的作用——在紧急情况之下为人们提供服务(笔者注:此处指的是基于未来移动通信系统的无线应急广播服务,可进一步查阅上海情报服务平台新近发布的《解读Expway的4G电视广播白皮书》第3部分第7)小节——第七大典型的应用场景:无线应急广播)。在此种应用场景之下,某些能力的可用性以及可靠性示例如下所述:
 
(1)专门针对超高可靠的M2M物联网平台服务(诸如驾驶辅助系统、汽车控制系统等),在覆盖范围之内,未来的移动通信网络要提供99.999%(几乎是100%)的可用性,以满足相关服务对于超低端到端延迟的需求(对于每条数据传输链路,要以99.9%的概率达到低于10毫秒的水平级别)。非常明显的道理是,针对此类关键任务系统,需要设计这种工作机制:如果端到端延迟的需求不能得到满足,需要一定的延迟裕量来保证超高级别的安全;
 
(2)当发生严重的灾难事件时,为及时地搜寻到并联系上众多的受害者,需要满足无线连接的迅速恢复需求,以达到99.9%的可用性,即:在灾难事件发生的1个小时之后恢复当地移动通信系统的正常工作(笔者注:这就涉及到应急通信的问题);
 
(3)为诸如e-government(电子政务)等面向全体市民的基本的社会化服务提供能满足其基本吞吐量需求(比如1 Mbps)的99%的统可用性;
 
(4)为诸如4K超高清晰度流媒体视频等高质量的视频服务提供能满足其高吞吐量需求(比如40 Mbps)的99%的系统可用性。日本电波产业协会的这份5G白皮书紧接着指出,上述四个方面的定量数值需要在后续进行深入研究,可能主要涉及到以下三个方面的信息:
 
(a)根据日本MHLW(健康、劳动及福利省)的相关数据,在日本,公共自来水供给的渗透率大致为97.5%。由于移动通信系统与公共自来水供给系统同样是涉及民生的基本的、重要的公共基础设施,上述数值(笔者注:97.5%)应该被用作日本移动通信系统服务可用度的一大参考;
 
(b)作为系统吞吐量需求的一大参考:在预定义的高速移动应用场景的仿真假设之下,以95%的地域概率,现有的IMT-Advanced移动通信系统的频谱利用效率为0.04 bps/Hz;
 
(c)作为端到端延迟的一大参考:pre-cash预警的容许延迟数值为20毫秒。
 
2)真正的以及新的5G移动通信能力
 
除了上述的对于现有IMT-Advanced移动通信系统的能力增强/演进,未来的5G移动通信系统也需要具有一些新的能力,以最大限度地满足未来各类新型移动通信应用的需求。日本电波产业协会的这份5G白皮书紧接着指出,5G应具有如下的四大新能力:
 
(1)面向无线应急广播系统的连接性保证
 
未来的5G移动通信网络需要面向各种地理环境提供泛在的无线接入能力,从而使得届时的ICT信息通信系统能为每个人提供“生命线”系统服务。
 
(2)提供最好的QoE(Quality of Experience,体验质量)
 
未来的5G移动通信系统需要通过一种机制来控制网络资源的利用效率,实现以有限的网络资源为处于特定应用场景下的用户提供最大化的服务感知。
 
(3)具有提供更多不同应用需求的灵活性
 
为了满足不同的通信需求,未来将会出现各类新兴的移动通信服务。而且基于用户视角所需的网络能力将会依据具体应用的不同而发生变化。因此,未来的5G移动通信网络需要对网络资源进行灵活而有效的使用。
 
(4)网络(功能)虚拟化的无线接入网能力
 
未来的5G移动通信网络将会集成/融合各类无线接入技术——诸如现有IMT-Advanced移动通信系统增强版/演进版以及各种新兴无线接入技术。由此,通过部署网络功能虚拟化技术,未来的5G移动通信系统将可对包括多种无线接入网络在内的网络资源进行灵活以及有效的使用,以为各客户提供无缝的移动通信体验。
 
本文参考文献:
 
[1] ARIB. Mobile Communications Systems for 2020 and beyond[EB/OL].
http://www.arib.or.jp/english/20bah-wp-100.pdf, 2014-10-08.
[2]ITU-R, "R-REP-M.2134-2008-MSW-E, Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s)".
 
[3]Press release of The Ministry of Internal Affairs and Communications (MIC), "Holding Study Meeting on Ideal Development of Mobile Phone Base Stations," 25 
Sep. 2013.
 
[4]Cisco, "Visual Networking Index," 2012.
 
[5]Janusz Bryzek, Berkley, CA, "Roadmap for the Trillion Sensor Universe," 2 Apr. 2013.
 
[6]3GPP TR 36.912 V11.0.0 (2012-09), "Feasibility study for Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced)," Sep. 2012.
 
[7]Ministry of Health, Labour and Welfare, Japan, " Coverage of the water supply system and water supply population," (in Japanese)
(http://www.mhlw.go.jp/stf/seisakunitsuite/bunya/topics/bukyoku/kenkou/suido/datab
ase/kihon/fukyu.html), 2012.
 
[8]Vehicle Safety Communications Consortium, "Vehicle Safety Communications Project Final Overview".

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