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测试5G数据吞吐量,您准备好了吗?
材料来源:《微波杂志》2018年1/2月刊           录入时间:2018/2/2 10:29:04

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(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。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(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(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。


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