测试 5G 数据吞吐量

5G 数据吞吐量测试指南

5G 正在迅速来临，同时带来的还有各种预期的强大和创新的用例，这些用例需要灵活的技术提供超高可靠性低时延（uRLLC）、大规模机器类通信（mMTC），以及更快的数据速率与增强移动宽带（eMBB）。随着移动运营商快速推进其 5G 部署计划，芯片和设备制造商也必须加快他们的开发进度，包括确定如何更有效地测试 5G 数据吞吐量。本应用指南详细介绍了他们所面临的技术问题，以及是德科技提供的解决方案。

本应用指南重点介绍 eMBB 用例，Verizon 的 5G 技术论坛（“5G TF”）规范和 3GPP 5G 新空口（NR）规范的第 1 阶段都以其为目标。3GPP 已加速 eMBB 用例的定义，因为它是主要的行业需求。3GPP 已经商定尽早完成 eMBB 用例的非独立（NSA）5G NR 模式的定义。在非独立模式下，固定使用 LTE 建立连接，而使用 5GNR 载波来提高数据速率和减少时延。在未来几年内，早期网络部署的数据速率将高达 20 Gbps（下行链路）和 10 Gbps（上行链路）。本应用指南介绍了测试高数据速率遇到的新挑战，并提供了使用是德科技 5G 协议研发工具套件应对这些挑战的解决方案。

eMBB 用例

5G 的增强型移动宽带用例带来了新的强大功能，能够支持高数据速率、改善连通性并扩大系统容量。高数据速率和更大容量对于使用虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用至关重要，这些应用中包括更高分辨率（8K +）和更高帧速率（HFR）的新视频格式。对于互动型 AR 和VR 应用，低时延是另一个关键要求。随着用户数量的增加以及用户更多地同时消费或共享优质内容，4G 网络将面临容量有限的问题，需要 5G 网络提供更高的容量。

为实现 eMBB 所需的更高数据速率、更佳连通性和更大容量，除了使用 6 GHz 以下频率外，5G 还将使用更高的毫米波频谱，从而显著扩大带宽。LTE 的最高工作频率是 6 GHz，而 5G 则考虑使用高达 100 GHz 的毫米波频率。其他运营商也在考虑使用涵盖 28 GHz 和 39 GHz 的5G TF 规范。

在更高频率下，传播和穿透损耗更大，为此需要使用波束赋形技术来增加设备接收的信号电平。信号质量得到改善之后，将有助于克服高路径损耗，并改善信元边缘用户的连通性。波束赋形通过在特定空间方向上提供高增益，能够实现更强的信噪比。随着 5G TF 和 3GPP 5G NR 规范中引入波束赋形的新程序，这带来了新的测试挑战。物理层也有变化，包括帧结构、新参考信号以及支持 eMBB 用例的调度和传输模式。下一章节介绍为了实现高数据速率、更佳连通性和更大系统容量，5G TF 和 3GPP 5G NR 规范引入的全新帧结构和波束赋形概念。后面的章节介绍如何利用是德科技的 5G 协议研发工具套件来配置和测试数据吞吐量。

物理层特征和数据吞吐量

5G TF 的帧结构参数（例如子载波间隔和载波带宽等）是固定的，而 3GPP 5G NR 的参数值可以扩展，以适应更广泛的用例。前面提到过，5G TF 针对的是 eMBB 用例。更大的子载波间隔、载波带宽以及更高频率的使用均有助于实现比 LTE 更高的数据速率和更佳的连通性。

无线帧结构

LTE 和 5G TF 中的无线帧大小均为 10 ms。在 LTE 中，每个帧包含 10 个子帧和 20 个时隙，相比之下，5G TF 每帧包含 50 个子帧和 100 个时隙。这也就是说，5G TF 的时隙（0.1 ms）比LTE 时隙短。资源块是可以分配给设备的最小实体。LTE 和 5G 的资源块都是由时域中的一个时隙和频域中的 12 个子载波组成。LTE 的子载波间隔通常为 15 kHz，而 5G TF 的子载波间隔为 75 kHz。LTE 的最大载波带宽为 20 MHz，而 5G TF 在使用 100 个资源块时的最大载波带宽可达到100 MHz。5G TF 和 5G 带宽更大，因此数据速率会更高，且网络容量也更大。5G TF 规范支持在下行链路和上行链路中使用最多 8 个分量载波进行载波聚合。如果使用载波聚合，则带宽将是 8 x 100 MHz = 800 MHz。

吞吐量计算

吞吐率使用传输块大小（TBS）来计算。传输块大小是指在每个传输时间间隔（TTI）内，一个子帧所传输的比特数。TBS 由分配给用户设备的资源块数量，以及所使用的调制和编码方案（MCS）决定。在 5G TF 规范中，最高阶调制和编码方案是 64 QAM。根据 [2] 中的表 8.1.5.2.1-1 可知，传输块最大为 66392 比特。因此，每个分量载波的吞吐率可达 663.92 Mbps。如果使用 8 个分量载波，则每个用户设备的吞吐量将为 663.92 Mbps x 8 = 5.3 Gbps。

波束赋形

在使用毫米波频率时，必须通过波束赋形来减少传输损耗。波束赋形将来自天线阵中多个天线元件的信号合并在一起，当若干信号相位对齐时（相长干涉），结合后的信号电平会增加。每个天线元件间隔微小的相位差（时延）发射信号，产生指向接收机的窄波束（图 2）。在 5G TF 中，对参考信号、广播控制信道和数据信道使用波束赋形；而在 LTE 中，仅对数据信道使用波束赋形。在测试数据吞吐量时，需要执行以下步骤，将设备连接到网络单元并发送/接收数据：

• 通过信元搜索实现与信元的时间和频率同步
• 采集波束，然后执行随机接入程序
• 执行连接程序

5G TF 规范已定义了新的波束赋形程序。3GPP NR 规范仍在就波束赋形实施进行讨论。5G TF 规范中定义了以下波束赋形程序，并对每个程序进行了简单说明。如需了解更多详情，请参阅[2]。

• 波束采集和跟踪
• 波束优化
• 波束反馈
• 波束切换

波束采集和跟踪

对于要发送和接收数据的用户设备，它必须首先采集波束，以便连接到网络。5GNB（5G Node B）通过发送 BRS（波束参考信号）周期性地发送不同角度的波束。这称为波束扫描，参见图3。一旦用户设备识别出最强的波束，便启动随机接入程序，使用时间和角度信息来连接到波束。用户设备连接到波束后，即可在特定用户设备（专用）的波束上进行数据传输。

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