测试5G数据吞吐量，您准备好了吗？

Ready to Test 5G Data Throughput?

Rena Raj，是德科技公司，加州圣罗莎

随着移动运营商快速实施其5G部署计划，5G时代正向我们快步走来。为了顺应这一趋势，芯片和设备制造商需要加速其产品开发进度。如果一切顺利的话，5G将带来功能强大的新能力，满足各种应用的更苛刻要求，例如更快速的数据速率、超高可靠性和低时延（uRLLC）以及大规模机器类通信（mMTC）。不过，由于在测试5G高数据速率方面还面临着许多艰巨的挑战，想要真正实现这一预期并不容易。

5G用例

5G的主要用例有三种：增强移动宽带（eMBB）、uRLLC和mMTC。eMBB用例在Verizon 5G技术论坛（5GTF）规范和3GPP新无线（NR）规范第1阶段中作为目标提出。由于行业需求十分强劲，这一用例及其定义过程呈现加速实施态势。3GPP已经同意尽早确立eMBB的非独立（NSA）5G NR模式的规范。NSA模式采用LTE连接技术，通过5G NR载波来提高数据速率和缩短时延。未来几年内，新网络将会实现高达20Gbps的下行链路数据速率和高达10Gbps的上行链路数据速率。

5G eMBB用例提供的功能能够支持高数据速率、改进的连通性和系统容量。这是一项非常重要的优势，因为消费者希望无论是在参加运动会时，还是在乘坐汽车、高铁或其它公共交通工具时，都能随时随地上网。高数据速率和更大的容量是虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用的基石，这些应用采用了具有更高分辨率（8K+）和更高帧速率（HFR）的新视频制式。AR和VR应用想要实现良好的互操作体验，必须确保极低的时延。面对急剧增长的用户数量，以及对同时消费或分享优质内容的强劲需求，4G网络渐渐力不从心。相比之下，5G网络的容量大幅提升，成为其不容忽视的优势。

与使用6GHz以下频率相比，eMBB可以提供更高的数据速率、改善的连通性和更大的系统容量。为了实现eMBB的这些优势，5G部署在频率更高、带宽极大增加的毫米波频谱中。虽然LTE使用的频率高达6GHz，但5G计划使用高达100GHz的毫米波频段。有些运营商还在考虑使用覆盖28和39GHz的5GTF规范。随着频率的提高，传播和渗透损耗也会变大。为了降低路径损耗和改善处于信元边缘的用户的连通性，运营商将会引入波束赋形技术。波束赋形能够在特定空间方向上提供较高增益，由此增加设备接收到的信号电平，提高信噪比。

eMBB测试挑战

5GTF和3GPP NR规范引入波束赋形技术，给测试工作带来了一些新挑战。此外，为了支持eMBB用例，物理层（PHY）也发生了一些变化――新的帧结构、新参考信号、新的时序和传输模式等等。您必须了解这些新的帧结构和波束赋形概念。为了方便讨论，请看表1中LTE、5GTF和3GPP 5G NR规范的物理层特征比较。注：LTE标准的所有变化以红字显示。如表中所示，5GTF帧结构参数（例如子载波间隔和载波带宽）与3GPP NR值相比是固定的。3GPP NR值可以扩展，以适应更广泛的用例。前面提到过，5GTF的目标是eMBB用例。与LTE相比，此规范使用更宽的子载波间隔和载波带宽，以及更高的频率，因此可以实现更高的数据速率，连通性也有所改善。

LTE和5GTF的无线帧大小相同，均为10ms（图1）。LTE中的每个帧包含10个子帧和20个时隙，而5GTF则每帧包含50个子帧和100个时隙。这就意味着5GTF的时隙（0.1ms）比LTE时隙短。资源块是可以分配给设备的最小实体。LTE和5G的资源块都是由1个时隙（时域）和12个子载波（频域）组成。LTE的典型子载波间隔为15kHz，而5GTF的为75kHz。LTE的最大载波带宽为20MHz，而5GTF在使用100个资源块时的最大载波带宽为100MHz。较高的5GTF和5G带宽可以实现更高的数据速率和改善的网络容量。

图1：LTE (a)和5GTF (b)帧结构。

5GTF规范支持在下行链路和上行链路中使用载波聚合（CA）技术，子载波（CC）数最多达到8个。在使用CA时，带宽将会为800MHz（8×100MHz）。吞吐量速率使用传输块大小（TBS）――即每个发送时间间隔（TTI）在一个子帧内发送的比特数――来计算。TBS由分配给用户设备（UE）的资源块数目和所使用的调制编码方案（MCS）决定。在5GTF规范中，MCS最高为64-QAM，而TBS最高为66,392比特。由此得知，吞吐量速率为663.92Mbps/CC。如果使用8个CC，那么吞吐量就变成每个用户设备5.3Gbps（663.92Mbps×8）。

eMBB测试

在5G引入波束赋形和毫米波技术以求最大限度利用可用频谱的同时，这些技术也给5G实施和测试工作带来更多挑战。例如，在测试更高频率的5G数据吞吐量时，测试装置需要配备额外的硬件。图2举例显示了eMBB数据吞吐量测试所需的典型5G测试系统。该系统包括一个5G网络仿真器，仿真器与计算机连接并受其控制。计算机运行的软件可以设计先进5G协议特性（如毫米波波束赋形）的原型。在这个装置中，用户设备使用毫米波连接与测试系统相连，以满足对高频链路的需求，实现eMBB的高数据吞吐量。.在芯片和手机中集成天线连接器会在高频范围内带来一定挑战，因此必须进行空中（OTA）数据吞吐量测试。

图2：eMBB数据吞吐量测试系统实例，其中包括Keysight 5G UXM网络仿真器和协议研发工具套件。

为了确保易用性，5G测试系统最好是允许设计人员直接通过图形用户界面（GUI）来创建、编辑、配置和运行测试（脚本）。利用这一能力，用户可以轻松地将脚本元素拖放到编辑器中并进行配置，以便完成多种任务，例如激活、取消激活和重新配置5G信元；插入无线资源控制（RRC）和非接入层（NAS）消息；以及插入用户提示和裁决。如果工具中有脚本实例，那么可以将这些实例载入到编辑器中，并根据需要加以修改。通过载入脚本并配置脚本元素，用户可以生成数据吞吐量测试方案。例如，可以配置的参数有：同步和参考信号的功率电平、波束赋形参数，以及用于收发控制信息和数据的资源块。

在测试期间，测试人员使用动态控制点（DCP）让5G网络仿真器状态机仿真活跃网络，直至其达到某个退出状态为止。退出条件可能是设备发送特殊消息（例如连接结束）、用户执行某项操作（例如发送数据，用于数据吞吐量测试）或者是配置的保护计时器计时终止。当脚本运行时，在DCP处，用户应能够使用L1/L2配置应用软件来修改参数（图3）。可配置的部分参数包括：

•     安排用于已连接信元的子帧时序，包括用于传输上行链路（UL）和下行链路（DL）控制信息的子帧和用于传输UL和DL数据的子帧。

•     第2层参数（例如频率、波束参考信号（BRS）传输期、BRS发射功率、系统信息块（xSIB）默认配置和物理广播信道（xPBCH）发射周期）。

图3：用于配置子帧码型的图形用户界面（GUI）。

为确保快速的设备开发，5G测试系统最好支持访问详细的日志记录和使用日志分析工具，以便帮助用户快速、可靠和高效地诊断问题。优秀的日志记录应用程序应提供消息解码、增强的搜索工具和快速导航工具，让用户可以轻松地找到感兴趣的记录。我们强烈推荐用户选择可以添加书签的工具，这一功能使其能够方便地诊断和导出故障。

图形化的关键性能指标（KPI）视图也非常有用，可以让设计人员更快做出睿智决定（图4）。对于数据吞吐量，典型的KPI包括各层（PHY、MAC、RLC、PDCP和应用）的数据速率图形、信道质量信息（CQI）、MCS、误块率（BLER），以及确认/否定确认（ACK/NACK）与时间的关系。测量信号质量也非常重要，因为信号质量对数据吞吐量有很大影响。使用波束状态信息（BSI）和波束微调信息（BRI）等KPI，可以检查用户设备是否像网络所报告的那样，已经选择了最强的波束。

图4：图形KPI视图。

总结

实现5Gbps和更高数据速率虽然在实施和测试方面存在着特殊的挑战，但前景令人激动。想要满足这些需求，要求测试方法和测试平台能够处理非常高的数据速率，而无需耗时、成本高昂和复杂的测试编程。高效和准确地执行5G测试十分重要。同样重要的是轻松访问5G网络参数和测试结果。根据这一信息，工程师可以迅速高效地对设计做出变更，保证设计从原型顺利过渡到产品。通过采用正确的测试方法和平台，工程师可以更好地驾驭设计，开发出成功的5G产品。