5G eMBB场景容量评估方法研究

左伟丽 裴壮 堵颢 苏泽昆

【摘要】    介绍了eMBB场景的应用，详述了5G的时域、频域、空域资源等基本概念理论，从基本理论出发，计算5G用户理论峰值速率，通过eMBB中具有代表性的場景（会展场景），研究5G网络的业务模型及网络需求模型，从参会观众和展商两个维度进行会展场景的 5G 业务模型推导及建立，根据模型评估计算会展场景的 5G 网络容量需求，对eMBB场景容量评估进行总结。

【关键词】    eMBB    子载波间隔    峰值速率    场景    容量评估

一、 研究背景

5G应用的三大场景，业务类型极其丰富;各类业务特性不同，对网络带宽、时延和可靠性等性能参数要求也不相同。5G时代面对的是大连接、大吞吐率，以及高可靠低时延业务。系统的容量问题，是研究如何在差异化场景下部署5G网络并优化过程中最主要的一个问题。因此，研究5G在多应用场景下容量的评估方法，为后续5G网络部署、5G容量规划打下理论基础具有重要意义。

目前的国内外容量研究，要么是基于某类技术，如分区信道筛选，致力于对吞吐量进行优化，或针对某类场景，如 D2D，进行资源分配。还有部分学者对 5G 基于容量的切换，或接入控制进行了针对性的研究。而更多的是在工程领域进行分析，对5G系统本身的容量性能均缺乏研究[1]。

本文在此情况下介绍了eMBB场景的应用，通过推演公式计算出了5G用户理论峰值速率。通过eMBB中具有代表性的场景（会展场景），研究了5G网络的业务模型及网络需求模型，从参会观众和展商两个维度进行了会展场景的 5G 业务模型推导及建立，并根据模型评估计算了会展场景的 5G 网络容量需求，最后对eMBB场景容量评估进行了简要总结。

二、 5G eMBB场景应用

国际标准化组织3GPP定义了5G的三大应用场景，eMBB场景、uRLLC场景、mMTC场景，eMBB是指增强型移动宽带主要在于3D超高清视频等大流量移动宽带业务，mMTC超可靠和低延迟通信大规模机器类型通信是指大规模物联网业务，uRLLC是指需要低延迟的业务，如无人驾驶和工业自动化。这三个主要的应用场景指向不同的领域，涵盖了我们工作和生活的各个方面。

eMBB即增强型移动宽带，指在现有移动宽带业务场景的基础上，进一步提升用户体验。这也是最接近我们日常生活的应用场景。5G在这方面带来的最直观体验是网络速度的大幅提升。即使观看4K高清视频，峰值也可以达到10Gbps，体现在以人为中心的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率，广覆盖下的移动性保证等，这是最直观改善移动网速，未来更多的应用对移动网速的需求都将得到满足，从eMBB层面上来说，它是原来移动网络的升级，让人们体验到极致的网速。因此，增强移动宽带（eMBB）将是 5G 发展初期面向个人消费市场的核心应用场景[3]。

超高清视频直播（流媒体）：以如下两类5G超高清视频体验案例来看：

第一类，即“5G+多屏多视角”应用，如在CBA直播赛事中，可实现多个视角的共同呈现，用户可以选择任何一个他想看的视角进行观看。这样一来全面改变了传统的导播视角千篇一律的观看方式，使得用户可以在一些预设的视角上面通过遥控器实时做出选择。

第二类，即“5G+自由视角”，多屏多视角是属于预设多视角的体验，自由视角则是全视角，每个用户都可以选择不同视角来观看，未来观看视频时每个人都可以是导演，届时更可实现360度的旋转观看。

5G超高清视频业务仍在发展之中，依靠设备及运营商的构建能力是远远不够的，还需要更多的上下游合作伙伴共同参与，进而为技术创新、网络创新、架构创新和内容创新发力超高清视频将是未来很重要的业务承载及交互方式。首先，超高清视频在观看内容体验方面是绝佳的，无论是家庭还是个人场景下都是毋庸置疑的;其次，超高清也能用于媒介沟通;最后，超高清也能应用于未来的行业生产场景。“4G改变生活，5G改变行业”，5G超高清将会带来一场全新的体验以及服务的升级。

目前，5G的三大服务场景中最成熟的是eMBB，是最有机会形成规模商用的大场景。不难推断：VR、AR等及三类直播等各形态的超高清应用会逐步成为其运营商的5G标配业务。 未来5G赋能超高清有三点关键价值：

1.新连接促使生产更高效。在家庭端通过改变现有的视频业务形态，使其形成更大的用户价值，这个过程中互动将会是一个很重要的前提要素。比如，通过无人机实现5G回传看直播、通过VR/AR实现空中游园等。国家70周年阅兵典礼中，5G回传机位、自行车视角及三个花车的5G回传视角都得到了很好的应用。

2.新架构让体验更丰富。重点体现在两大块，包括边缘计算和切片管理，其中切片管理将更多会服务于工业场景。

3.新服务让生活更精彩。基于5G的大带宽和低时延的连接下，用户将有很多的服务可以实现近距离的随时获取，并且可以实现弹性扩张。

围绕5G，许多设备厂家已经做了大量的商业场景构建和实践。特别是以“5G回传”、“5G+VR”及“5G+4K/8K”的三大类应用。

对于家庭应用环境，5G也会形成更好的体验升级，首先对大屏端来说，做到可帮助用户实现交互式的自由视角、多屏多视角等全新方式观看直播;

对于VR端来说，如VR“第二现场”观赛、VR音乐及VR 2D转3D观影可使用户在家庭端享受到有如亲临现场般的沉浸式体验，用户还可以进行实时的社交互动;

对于手机端来说，通过自由视角、多屏多视角、自由缩放等，也可以获得绝佳的观感体验，如2019年11月29日在成都举办的男子乒乓球世界杯赛上，华为便把这些技术全放在一场赛事中进行应用，并在联通的“沃视频”及IPTV端进行了全网直播。

三、5G eMBB場景容量评估

（一）5G理论峰值速率计算

与以往网络类似，5G的用户速率，与用户终端的能力，信道条件等因素有关系，理论下行峰值速率基于 3GPP 38.306给出的定义[4-9]：

Rpeak=Vlayer*Qm*f*Rmax*NRB*12*（1-OH）*Nsys

参数名称：Rpeak峰值速率;Vlayer最大层数;QmMIMO的阶数;F扩展系数;Rmax编码码率;NRB资源块个数;OH资源开销占比;Nsys每秒符号数。

假设采用FR1<6GHz频段，30KHz子载波间隔（对应?=1），100MHz载波带宽，调制方式256QAM（对应Qm=8），单用户4层MIMO，扩展系数为1，下行开销为0.14（1个PDCCH符号和1个DMRS符号），则参数表和计算结果如下：

Vlayer MIMO的层数取值4，Qm调制阶数取值8，f取值1，本次取值为Rmax编码码率取大值0.92578，NRB资源块个数为273个，OH资源开销占比0.14，Nsys每秒符号数为14*2^?/10-3=28000符号/s，因此UE理论下行峰值速率为：

Rpeak=4*8*1*0.92578*273*12*（1-0.14）*28000=2.337 Gbps

（二）eMBB场景容量估算

本节将根据eMBB多种应用场景，选取一种特殊的场景会展中心，对此种场景研究5G网络的业务模型及网络需求模型;从参会观众和展商两个维度进行了会展场景的 5G 业务模型推导及建立，并根据模型评估计算了会展场景的 5G 网络容量需求。下面以XX国际会展中心举办的中国XX工业装备博览会为模型中心进行分析建立模型。

1.会展场景观众用户网络容量需求业务模型

评估会展场景的观众用户历史数据（VR、车博等活动的数据），在展会期间，现场观众用户的 76.97%业务主要集中在视频、网页浏览和即时通讯， 三大类中视频占全部业务的 31.4%，网页流量占全部业务的 30.3%[2]。

由此根据观众用户的人流量、业务行为、可以研究得出会展场景的观众用户业务模型，如表1。

以上数据渗透率参考相关调研报告结果取定;上、下行业务占比、业务速率按照业界经验取定。根据上述业务模型，采用加权平均算法，计算会展场景单观众用户忙时速率如下：

V1=激活因子*（下行速率*下行业务占比+上行业务*上行业务占比）*业务渗透率=369.48Kbps

2.会展场景观众用户数/吞吐量需求

（1）会展场景的展厅面积为：S=7万平米，假设展馆观众占用面积为40%;

（2）假设观众人员密度为3.5平方米/人;

（3）联通的用户占有率：C=22%;

（4）上网观众用户占比： P=85%;

（5）同时在线用户占比：O=70%。

（6）会展中心展厅区域的 5G 网络峰均比为β40%。使用以上数据估算场馆的容量需求，具体模型如下：

由此可以得出：会展场景观众用户对 5G 网络吞吐量需求为：

T1=在线用户数* V1*（1+β峰均比）=（70000*40%/3.5）* 22%*85%*70%*369.48*（1+40%）≈541.687Mbps

3.会展场景展商用户业务模型

根据各种等展会信息分析，5G展会的展商用户主要集中在“VR/AR”、“家庭娱乐”、“直播”等eMBB业务场景上，由此根据展商业务行为，研究得出会展场景的展商用户业务模型[2]，如表2。

会展场景5G业务通信需求指标数据来源于中国信息通信研究院行业内白皮书，采用加权平均算法，计算会展场景商户忙时速率如下：

V2=50.7Mbps

2.会展场景5G展商用户数/吞吐量需求

（1）会展场景的展厅面积为：S=7万平米，假设展馆商户占用面积为60%;

（2）假设展厅商户密度为28平方米/户;

（3）联通展商用户占有率：C =30%;

（4）展商用户的 5G 业务数：β展商业务数= 5;

（5）会展中心展厅区域的5G网络峰均比：β峰均比=40%。

由此可以得出：会展场景观众用户对 5G 网络吞吐量需求为：

T2=展商联通业务数* V2*（1+β峰均比） =（70000*60%/28）* 30%*5*50.7*（1+40%）≈159705Mbps

5.会展场景整体的5G网络容量需求

由此可以得出：会展场景每个展厅的 5G 网络吞吐量需求：

T=T1+T2=541.687+159705Mbps=160246.687Mbps

四、结束语

通过对会展场景 5G 网络容量的粗略推导，初步了解了会展场景 5G 网络容量要求以及和哪些因素相关，因为实际网络计算小区吞吐率和时隙配置、开销分配等因素相关，相对较复杂，后期工业应用相对成熟后再进行深入研究。

在容量估算方面，需要考虑不同业务的速率需求，不同业务的承载速率是不同的，eMBB业务可分为Web、Video、VoIP业务、社交网络、即时消息、云、邮件、文件传输、游戏和M2M业务，业务获得良好用户体验对应的速率要求是不一样的，因此，我们谈论峰值速率、吞吐量是很有必要的，是对eMBB场景容量估算的一个方面的重要研究。

作者单位：左伟丽    裴壮    堵颢    苏泽昆

河南省信息咨询设计研究有限公司

参  考  文  献

[1]汤建东，肖清华.5G容量能力分析[J].无线通信， 2020：50-53.

[2] https：//www.doc88.com/p-99259460065250.html

[3] https：//www.huawei.com/cn/industry-insights/outlook/mobile-broadband

insights-reports/5g-unlocks-a-world-of-opportunities

[4] 3GPP TS 38211 NR Physical channels and modulation （Release 15）

[5] 3GPP TS 38213 NR Physical layer procedures for control（Release 15）

[6] 3GPP TS 38214 NR Physical layer procedures for data （Release 15）

[7] 3GPP TR 21905 Technical Specification Group Services and System Aspects; Vocabulary for 3GPP Specifications （Release 16）

[8] 3GPP TS 38101-1 NR User Equipment （UE） radio transmission and reception， Part 1： Range 1 Standalone （Release 16）

[9] https：//blog.csdn.net/shepherdfree/article/details/103364517