精通5G网络的秘密武器——5G移动网络测试

想象一下，花了几个月的时间在实验室中使用顶级的测试仪器设计一个新的基站，它应该能在真实世界中正常工作，不是吗？可实际上它却表现不佳。在过去的二十年间，无线网络迅速发展，波束成形（Beamforming）、大规模多输入多输出（mMIMO）、毫米波（mmWave）频谱、以及新的更灵活的空中接口，这些5G关键技术将网络复杂性提升到了一个全新的水平。执行网络测试对于成功的5G商业部署变得至关重要。听听工程师们的意见吧，不要让路测搞砸了公司在5G领域的市场主导地位。

5G网络试运行已经开始，2019年更将增长。全球的服务提供商都渴望抓住5G机会，在每用户平均收入（ARPU）下降的局面下加油助力推动增长和盈利。然而，能否占据5G服务的主导地位取决于服务商能否推出有效运行的网络。而这个责任最终落在安装5G网络的网络设备制造商（NEM）的肩上，他们必须向运营商证明，即使面临严峻技术挑战，他们仍然能够符合运营商的标准。现场测试对于验证网络覆盖性必不可少。对于5G网络，工程师们还必须了解其网络特性，从而引发各种新的考虑，以便从移动网络测试中获取最大益处。

基于波束的覆盖范围测量

基于波束的覆盖范围测量和参考信号的丰富性需要更高性能的测试设备。采用不同形式的MIMO和波束成形提高了网络性能，但由于5G新空口（NR）取消了无线长期演进标准（LTE）中的蜂窝小区(cell，下简称小区)级参考信道，因此小区级覆盖范围已不可能。取而代之的，工程师们必须进行基于波束的覆盖测量，而关键绩效指标（KPI）的计算方法也必须随之改变。

而且，每个小区有多个同步信号块（SSB），根据频率，波束的最大数量范围从4到64。由于SSB波束在不同时间发送，不存在内部干扰。因此，5G NR网络中的参考信号数量也呈指数增长。

SSB波束可以是静态或半静态波束。它们总是指向相同的方向并形成覆盖整个小区区域的光束网格。用户设备（UE）搜索并测量波束，它们维护一组可能来自多个小区的候选波束。若一个扫描仪或测试UE在LTE网络中覆盖不良的地方可以检测来自六个小区的参考信号，那么在5G NR网络中可以检测到每个小区的六个波束。

SSB的时隙结构映射为静态或半静态SSB波束网格。

上述这些因素增加了对现场测试的需求，同时，工程师们还需要重新考虑他们的扫描仪和测试UE设置，以确保它们能够达到所需的KPI。在每个波束上收集的关键指标包括参考信号接收功率（SS-RSRP）、参考信号接收质量（SS-RSRQ）和信号与干扰加噪声比（SS-SINR）。

大规模多输入多输出

由于mMIMO对系统容量产生巨大影响，运营商将在选择、调试和验收过程中仔细审查网络设备的mMIMO性能。彻底验证mMIMO能够实现的现场性能对于获取容量增益十分必要。

许多变数都会影响mMIMO提供的实际增益，最明显的因素是UE的空间分布。当多个UE同时生成下行链路业务时，会产生mMIMO容量增益。但如果所有用户都在同一位置，则无法将用户隔离到不同的非重叠波束。UE之间的最小可接受水平和垂直空间间隔取决于水平和垂直维度中gNodeB（gNB）天线面板中的物理天线元件数量。每个用户的信噪比（SNR）和多径传播曲线也会影响mMIMO的实际性能。gNB做出调度并决定每1ms的多用户MIMO（MU-MIMO）用量。

因此，工程师们应在测试容量增益时分配跨区的各个测试UE，并同时针对测试服务器执行主动批量数据传输测试。别忘记还要检查核心网络和后端服务器带宽以确认无线接口是否是测试中的带宽瓶颈。通过在测试中使用多线程数据下载，可以消除传输控制协议（TCP）流量控制带来的负面影响。

5G现场测试中应用的扫描仪和的UE

与宽带码分多址（WCDMA）和LTE这类传统技术不同，扫描仪不再接收5G NR的完整系统信息。例如，他们无法读取一些有用的参数，例如全球小区ID、移动网络代码（MNC）和移动国家代码（MCC）等。公共物理广播信道（PBCH）仅用于广播最小化的简单信息，以避免常用的、始终在线的小区级信息传输，从而最小化网络能耗。UE在建立连接时按需接收剩余信息。

另外，扫描仪天线不同于实际设备的天线，而且粗波束成形的实现同时增加了天线增益和MIMO性能对设备的重要性。尽管专注于网络性能、对设备无关测试的需求一直存在，但天线增益和MIMO性能却越来越依赖具有5G NR的设备，比LTE设备更甚。

这些因素使得在5G移动网络测试中同时使用扫描仪和UE成为必然。扫描仪被用来捕获SSB参考波束覆盖范围并提供不确定性覆盖范围测量。而UE则被用来验证双连接和UE移动性的性能，包括波束切换和小区之间的切换。

与UE相比，扫描仪看到了什么。

在5G NR中，出现了一种新的网络架构概念，即网络切片。它利用固定网络中采用的软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）原理，在共享的物理基础设施上创建多个虚拟网络。单个物理网络可以切分为多个虚拟网络，这些虚拟网络支持不同的无线接入网（RAN）或特定RAN上的不同服务类型。网络切片要求采用实际over-the-top（OTT）应用程序来进行主动测试，以确定真正的测试质量（QoE）。

与上一代蜂窝技术相比，采用网络切片技术的5G NR网络可自动检测应用类型，并可为每个OTT应用设置不同的服务质量（QoS）。例如，若网络检测到WhatsApp呼叫是基于IP的语音传输（VoIP）服务，则在优化后的低延迟、保证低比特率流量的网络切片上中继该流量。这种新的网络架构概念同时也影响了RAN的低级参数集，比如子载波间隔和持续时间等。

因此，采用网络切片技术的5G NR网络根据用户使用的应用程序以不同的方式运行，通过主动方法和真实OTT应用程序测试QoE，这比使用传统技术更重要。在5G中，让我们忘记诸如采用FTP或speedtest.net进行批量数据传输的方法，因为这些方法不足以确定5G的真实QoE，反而成为不能满足运营商期望的重大风险因素。

可用性、可靠性和延迟是业务最重要的QoE KPI。而这些指标仅体现在设备上。5G NR中的端到端QoE要求在设备上进行主动测试。使用真实OTT应用程序的主动测试也是衡量这些关键指标的最佳方法。

是时候重新考虑移动网络测试了

简单来讲，5G网络与上一代的4G网络不同，其多步功能提升了执行现场网络测试的重要性，加速了运营商的成功调试与验收，确保了有效的商用部署。

mMIMO和波束成形将影响路测，毫米波频谱也将引发新的挑战

然而，与LTE相比，5G还意味着移动网络测试的重大变革。mMIMO和波束成形将影响路测，因为这些新技术产生了新的测试需求，并在方法、报告和KPI等各方面均要求提供不同的测试解决方案。而且，毫米波频谱也将引发新的挑战，与迄今为止使用的较低频率相比，毫米波具有显著不同的特性，这些特性限制了它们对各种材料（例如墙壁）的穿透性，增加了其对多种元素的敏感性（例如树叶）。另外，工程师们在确保避免仓促执行5G现场网络测试的同时，找到合适的合作伙伴以应对这些现场测试5G网络的新挑战也是至关重要。

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年8月刊