|1.2 5G应用场景与性能指标|
1.2.1 5G网络愿景
移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为5G提供广阔的应用前景。目前国内外学术和产业界研究机构已经从各种不同角度阐述了对未来5G网络的展望，并根据未来业务需求讨论了5G网络的性能指标要求。总体来讲，未来5G 网络将构建以用户为中心的全方位信息生态系统，最终实现任何人和物在任何时间、任何地点可以与任何人和物实现信息共享的目标。
图1-5给出了中国IMT-2020（5G）推进组于2014年5月发布的《5G愿景与需求》白皮书中描述的未来5G 总体愿景。可以看出，未来移动互联网主要面向以人为主体的通信，注重提供更好的用户体验，进一步改变人类社会信息交互方式，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清视频、云端办公、休闲娱乐等更加身临其境的极致业务体验。为了保证未来人们在各种应用场景，如体育场、露天集会、演唱会等超密集场景以及高铁、快速路、地铁等高速移动环境下获得一致的业务体验， 5G在对上下行传输速率和时延有更高要求的同时，还面临着超高用户密度和超高移动速度带来的挑战。
图1-5 5G总体愿景
不同于主要面向以人为主的移动互联网通信，物联网进一步扩大了移动通信的服务范围，从人与人之间的通信延伸到物与物、人与物之间的智能互联，促使移动通信渗透到工业、农业、医疗、教育、交通、金融、能源、智能家居、环境监测等领域。未来，物联网在各类不同行业领域进一步推广应用将会促使各种具备差异化特征的物联网业务应用爆发式增长，将有数百亿的物联网设备接入网络[3]，真正实现“万物互联”。为了更好地支持物联网业务推广，5G需要解决海量终端连接以及各类业务的差异化需求（低时延、低能耗、低成本、高可靠等）。
可以预想到，未来5G网络将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，百亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多个场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。
综上所述，5G 将是以人为中心的通信和机器类通信共存的时代，各种各样具备差异化特征的业务应用将同时存在，这些都对未来5G 网络带来极大挑战。这些挑战主要包括如下5个方面[5-7]，如图1-6所示。
▪ 超高的速率体验；
▪ 超高的用户密度；
▪ 海量终端连接；
▪ 超低时延；
▪ 超高移动速度。
图1-6 5G网络面临的挑战[6]
1.2.2 5G应用场景与性能目标
为了能够更好地剖析5G所需关键技术，将上述5G网络所面临的主要挑战分别对应为5个应用场景的业务需求。这些应用场景主要包括：超高速体验场景、超高用户密度场景、超高速移动场景、低时延高可靠连接场景、海量终端连接等，如图1-7所示。
1．超高速体验场景
超高速体验场景主要关注为未来移动宽带用户提供更高的接入速率，保证终端用户瞬时连接以及时延无感知的业务体验，使用户获得“一触即发”的感觉。超高的速率以及时延无感知的用户体验将成为未来各类新型业务，包括视频会话、超高清视频播放、增强现实、虚拟现实、实时视频分享、云端办公、云端存储等业务得以发展推广的关键因素。
以虚拟现实办公为例，远程用户之间的高清3D实时互动需要网络能够实时提供数吉字节的数据量交换，从而使用户达到身临其境的感受。为满足上述用户体验，办公区95%以上区域内用户体验速率须大于1 Gbit/s,20%以上的区域内用户体验速率须大于5 Gbit/s[6-7]。
图1-7 5G应用场景[13]
2．超高用户密度场景
超高用户密度场景重点关注诸如密集住宅、办公室、体育场馆、音乐厅、露天集会、大型购物广场等用户高密度分布场景下的用户业务体验。
对于用户密度超高的场景，现有的移动宽带网络会出于网络负载等方面的考虑，拒绝更多的用户接入，降低用户的业务体验。未来，用户希望即使在用户密度非常高的情况下，依然能够接入网络并获得一定的业务体验，这对5G 网络的设计提出了更高的要求。
以体育场举办大型赛事为例，预计在忙时段每用户的数据量超过9 GB/h，即使在体育场观众爆满的情况下，同样需要保证用户体验速率在0.3~20 Mbit/s[6-7]。
3．超高速移动场景
超高速移动场景主要考虑用户在快速路、高铁等快速移动情况下的业务体验。
对于高速移动的场景，未来5G网络希望为用户提供与在家庭、办公室以及低速移动场景下一致的业务体验，给用户一种高速业务体验无处不在的感觉。对于移动速度大于500 km/h的用户，依然能够满足视频类和文件下载类等典型业务速率需求，即上下行速率至少分别大于100 Mbit/s和20 Mbit/s以及端到端低于100 ms的时延要求。
4．低时延高可靠连接场景
低时延高可靠场景重点考虑未来新业务在时延和可靠性方面提出的苛刻要求。当前移动通信系统主要是以人为中心进行设计考虑的，其时延要求主要来自人类相互对话时听力系统的时延要求。当人类接收声音信号的时延在70~100 ms范围时，会感觉到实时效果很好，这也是ITU将100 ms设定为语音通信最低时延要求的主要原因[8]。然而，未来基于机器到机器的新业务应用将广泛应用到工业控制、智能交通、环境监测等领域，对数据的端到端传输时延和可靠性提出了更为严格的要求。以交通安全为例，为了避免交通事故的发生，智能交通系统需要与车辆间进行即时可靠的信息交互，端到端时延必须小于5 ms。与智能交通相类似，智能电网应用同样对信息交互时延和可靠性提出了严格要求，即毫秒级的时延和99.999%的可靠性。
除此之外，更具挑战的时延要求来自于虚拟现实的应用，例如当用操作杆在虚拟现实的环境中移动3D对象时，响应时延超过1 ms，会导致用户产生眩晕的
感觉[8]。因此，为了满足上述应用的需求，未来5G网络须支持端到端1 ms的时延要求和更高的可靠性。
5．海量终端连接场景
海量终端连接场景则主要是诸如MTC（machine type communication，机器类通信）设备以及传感器等设备大量连接且业务特征差异化的场景。MTC设备范围很广，从低复杂度的传感器设备到高度复杂先进的医疗设备。MTC终端繁多的种类以及应用场景也将导致各种各样差异化的业务特征与需求，如发送频率、复杂度、成本、能耗、发送功率、时延等，这些都是现有移动网络无法同时满足的。
以大量传感器的部署为例，到2020年，预计移动网络每个小区需要提供30万的设备连接能力[6]，同时需要降低终端的成本并使得终端待机时长延长至10年量级，从而保证未来网络数百亿的设备连接能力。海量的设备连接将导致网络负载的急剧增加，需要在5G网络设计之初就进行重点考虑。
为了能够评估未来移动网络流量密度要求，还需要将上述几个场景进行综合考虑。以 METIS 提供的虚拟现实办公的典型场景为例[7]，其中要求95%以上的区域和时间内用户的上下行体验速率为1 Gbit/s，对应的数据流量密度为每用户36 TB/月，相当于上下行的流量密度为95 TB/km2，约为现有网络数据流量密度的1 000倍。
综上所述，相比于LTE网络，未来5G网络目标性能预期提升如图1-8所示 [6-7]。
图1-8 5G业务性能指标[6-7]
▪ 数据流量密度：1 000倍。
▪ 设备连接数目：10~100倍。
▪ 用户体验速率：10~100倍。
▪ MTC终端待机时长：10倍。
▪ 端到端时延：5倍。