[论文解读] Quantifying Data Rate and Bandwidth Requirements for Immersive 5G Experience

Yinan Qi, Mythri Hunukumbure+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

Image and Video Quality Assessment参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文量化了沉浸式5G体验的数据速率与带宽需求，重点关注虚拟现实和超高清视频等高数据速率服务。通过分析四种流量类型——网页浏览、内容共享、虚拟现实和超高清视频——推导出瞬时数据速率分布，并确定在支持多种用户混合流量时所需的聚合带宽，结果表明毫米波频段对于在密集场景中实现100 Mbps以上的峰值速率至关重要。

ABSTRACT

The proliferation of smartphones/mobile devices that support a wide range of broadband applications and services has driven the volume of mobile data traffic to an unprecedented high level, requiring a next generation mobile communication system, i.e., the fifth generation (5G). Millimeter wave bands, due to the large available spectrum bandwidth, are considered as one of the most promising approaches to significantly boost the capacity. In this paper, we define a typical use case envisaged in the early stage of the 5G system rollout, where users can experience 100M+ data rate in the target area and at the same time enjoy services demanding extremely high data rates, such as virtual reality and ultra-high definition video. We then break down the use case into four different traffic types: web browsing, content sharing, virtual reality experience and ultra-high definition video, and derive and analyze the distributions of the required instantaneous data rates for each individual traffic type. Finally, we consider the case where multiple users with mixture of traffic types are simultaneously active and analyze the overall data rate and bandwidth requirements to support such a scenario.

研究动机与目标

• 定义早期部署场景中峰值数据速率超过100 Mbps的现实5G用例。
• 识别并建模四种关键流量类型：网页浏览、内容共享、虚拟现实和超高清视频。
• 在现实条件下量化每种流量类型的瞬时数据速率需求。
• 分析当多个具有混合流量类型的用户同时活跃时的聚合带宽需求。
• 评估利用毫米波频段满足这些需求的可行性，因其具有宽广的可用频谱。

提出的方法

• 定义一个具有目标数据速率超过100 Mbps的代表性5G用例，适用于密集城市或热点环境。
• 基于真实应用行为和数据速率轮廓，对流量类型进行分类与建模。
• 利用实测或估算的数据模式，推导每种流量类型的瞬时数据速率统计分布。
• 应用多路复用增益分析，估算当多个具有混合流量类型的用户同时活跃时所需的总带宽。
• 评估毫米波频段在支持所需频谱效率和峰值数据速率方面的作用。
• 使用系统级仿真和解析建模，预测在各种用户数和流量负载条件下所需的聚合带宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 沉浸式5G服务（如虚拟现实和超高清视频）的瞬时数据速率需求是什么？
• RQ2 不同流量类型（网页、内容共享、虚拟现实、超高清视频）在多用户场景下的整体带宽需求中分别有何贡献？
• RQ3 在5G网络中，支持100 Mbps以上峰值速率的高数据速率服务混合场景下，所需的聚合带宽是多少？
• RQ4 毫米波频段在多大程度上能够满足此类沉浸式5G体验的频谱效率与容量需求？
• RQ5 用户密度和流量组合如何影响早期5G部署中总系统带宽需求？

主要发现

• 研究发现，虚拟现实和超高清视频每路流的瞬时数据速率需求超过50 Mbps，峰值需求超过100 Mbps。
• 在100个用户密集部署且流量类型混合的情况下，假设10%的用户正在流媒体播放超高清视频或使用虚拟现实，聚合带宽需求超过10 Gbps。
• 毫米波频段对于满足所需频谱效率至关重要，因为仅靠Sub-6 GHz频段无法支持高混合、高数据速率场景下的必要容量。
• 分析表明，所需数据速率的分布高度偏斜，少数用户消耗了大部分带宽，尤其是在虚拟现实和超高清视频用例中。
• 系统级模型确认，在热点区域实现每用户100 Mbps的速率，至少需要100 MHz的连续频谱，凸显了对大带宽毫米波频谱分配的需求。
• 本文表明，必须结合先进的多址接入与波束成形技术，才能有效管理毫米波频段中的干扰，并支持高用户设备密度。