5G網(wǎng)絡(luò)路測(cè)分析及應(yīng)用

黃毅華，陳秀敏，陳相旭，盧洪濤

（1.中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630；2.珠海世紀(jì)鼎利科技股份有限公司，廣東 珠海 519085）

0 引言

國家工業(yè)和信息化部近期頒發(fā)了5G 商用牌照，我國5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入規(guī)模部署階段。5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及優(yōu)化面臨著更寬的頻譜、靈活的空口技術(shù)、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及多樣的應(yīng)用場(chǎng)景等新技術(shù)及新挑戰(zhàn)，涉及芯片、終端、無線、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等端到端的互操作測(cè)試[1]。

針對(duì)當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)注的基本性能及關(guān)鍵技術(shù)，本文基于5G SA（Stand Alone，獨(dú)立組網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)典型的路測(cè)數(shù)據(jù)及工參等信息，圍繞網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力、移動(dòng)性、業(yè)務(wù)QoS 等基礎(chǔ)性能，分析如何系統(tǒng)測(cè)試及評(píng)估5G 網(wǎng)絡(luò)整體質(zhì)量，探討路測(cè)在5G 網(wǎng)絡(luò)精細(xì)化規(guī)劃、規(guī)?；渴?、高效優(yōu)化、異常問題定位等多方面的應(yīng)用及分析。

1 5G網(wǎng)絡(luò)及路測(cè)儀表現(xiàn)狀

5G NR 在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中包含兩種組網(wǎng)架構(gòu)：NSA（Non-Stand Alone）非獨(dú)立組網(wǎng)模式與SA（Stand Alone）獨(dú)立組網(wǎng)模式。NSA 錨定LTE 網(wǎng)絡(luò)上，將eNB作為主節(jié)點(diǎn)，NR 基站gNB 作為輔節(jié)點(diǎn)，在5G 核心網(wǎng)及終端發(fā)展不成熟的階段，NSA 是一種快速提供5G 能力的方案，是現(xiàn)階段5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化建設(shè)的主要架構(gòu)；SA獨(dú)立組網(wǎng)模式則完全脫離了在LTE 基站側(cè)的錨定，核心網(wǎng)也從4G EPC 轉(zhuǎn)換為5GC，是5G 發(fā)展的最終形態(tài)。

目前5G 測(cè)試終端主要以滿足eMBB 場(chǎng)景為主，終端產(chǎn)品形態(tài)主要包括TUE、CPE 及手機(jī)等。其中基于高通X50 芯片的終端僅支持NSA，受限于芯片和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家IODT（Interoperability Development）進(jìn)展，國外部分設(shè)備廠家僅能通過TUE 或工程機(jī)終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，終端體積較大，使用不便捷，所支持測(cè)試功能有限。而國內(nèi)基于海思Balong5000 芯片的商用智能終端可同時(shí)支持NSA 及SA 方案。路測(cè)儀表采用電腦連接5G 智能終端的方式進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，同時(shí)支持SA 及NSA 網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試，支持功能比較完善，通過自動(dòng)控制業(yè)務(wù)測(cè)試，采集、記錄、實(shí)時(shí)呈現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)無線信息及GIS 信息，并支持對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等功能。當(dāng)前路測(cè)儀表主要適用于設(shè)備廠商及運(yùn)營商5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及優(yōu)化驗(yàn)證測(cè)試、端到端互連互通測(cè)試、異常問題定位測(cè)試等。

2 5G路測(cè)分析

國內(nèi)某城市重點(diǎn)建設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)，采用SA 組網(wǎng)架構(gòu)，無線網(wǎng)絡(luò)包括室內(nèi)站點(diǎn)覆蓋、室外連片站點(diǎn)覆蓋、標(biāo)桿路線覆蓋等典型場(chǎng)景。在5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)性能評(píng)估方面，重點(diǎn)關(guān)注終端接入、覆蓋能力、峰值及邊緣速率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、移動(dòng)性、互連互通、終端芯片能力等方面。圍繞這些關(guān)注點(diǎn)，本節(jié)主要通過介紹路測(cè)儀表在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、業(yè)務(wù)測(cè)試、移動(dòng)性等幾方面的測(cè)試及分析應(yīng)用，呈現(xiàn)如何綜合評(píng)估5G 網(wǎng)絡(luò)整體質(zhì)量，所有統(tǒng)計(jì)分析均基于該5G 網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試數(shù)據(jù)及配置信息。

2.1 覆蓋分析

該5G 網(wǎng)絡(luò)部署在3.5 GHz 頻段上，受終端發(fā)射功率限制等因素，5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力取決于上行鏈路。以上行邊緣速率1 Mbit/s 為覆蓋目標(biāo)，通過鏈路預(yù)算進(jìn)行評(píng)估，在城區(qū)要求基站覆蓋半徑為188 m[2]。

選取主城區(qū)某網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋的區(qū)域進(jìn)行分析，通過將5G 基站站點(diǎn)信息導(dǎo)入路測(cè)工具中計(jì)算該區(qū)域站點(diǎn)之間距離，統(tǒng)計(jì)信息如表1，該區(qū)域5G 基站的平均間距為321 m，最大間距為669 m。

同時(shí)考慮切換所需的重疊區(qū)，站間距平均值321 m基本能滿足鏈路預(yù)算評(píng)估的要求，而站間距最大值669 m無法滿足上行邊緣速的覆蓋目標(biāo)，將影響5G 連續(xù)覆蓋和用戶感知，尤其是在城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下。

表1 5G基站站間距 m

5G 路測(cè)通過測(cè)量SSB 的信號(hào)評(píng)估5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋[3]，終端在業(yè)務(wù)態(tài)下進(jìn)行室外遍歷測(cè)試，采集電平值SSRSRP 及信干比SS-SINR，并定義一定的SS-RSRP 及SS-SINR 范圍作為網(wǎng)絡(luò)覆蓋門限。采用路測(cè)工具對(duì)該區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大規(guī)模、多輪DT 測(cè)試（Drive Test），基于測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)整體覆蓋能力，包括無線信號(hào)平均值、覆蓋率和邊緣覆蓋等。

該區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前覆蓋情況如表2 所示，其中SSSINR 平均值整體較高，而SS-RSRP ≥-100 dBm 占比接近覆蓋率，該區(qū)域影響覆蓋率的主要因素是弱覆蓋。

表2 5G覆蓋情況

對(duì)測(cè)試的弱覆蓋采樣點(diǎn)（SS-RSRP<-100 dBm）與基站距離分布關(guān)系進(jìn)行分析，如圖1 所示，其中有44%的弱覆蓋點(diǎn)與基站的距離在200 m 以內(nèi)，這部分采樣點(diǎn)基本都處于非視距（NLOS）環(huán)境中，繞射損耗及穿透損耗較大，可通過調(diào)整天線工參（俯仰角、方位角、高度等）、站點(diǎn)位置或鄰區(qū)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化；有48%的弱覆蓋采樣點(diǎn)距離基站超過400 m，這部分采樣點(diǎn)主要是由于傳播損耗較大，影響因素包括站點(diǎn)規(guī)劃及部署不合理、越區(qū)覆蓋、切換不及時(shí)等。

圖1 SS-RSRP<-100 dBm采樣點(diǎn)與基站距離的分布

以上主要從整體定量地分析5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，為詳細(xì)呈現(xiàn)異常覆蓋區(qū)域，將遍歷測(cè)試的SS-RSRP 及SSSINR 軌跡打印在地圖上，如圖2 所示。以圖2 右下角紅色路段為例，該路段同時(shí)存在5G 網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋和強(qiáng)干擾情況，結(jié)合基站工參信息、地理環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)側(cè)后臺(tái)信息對(duì)路測(cè)結(jié)果進(jìn)行深入分析，可判斷該區(qū)域原規(guī)劃的5G 基站被高樓遮擋住導(dǎo)致弱覆蓋，同時(shí)存在共MOD 干擾，建議進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整優(yōu) 化。在城區(qū)密集區(qū)域，影響5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的因素較多。本節(jié)基于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)，從站間距、整體無線指標(biāo)、弱覆蓋點(diǎn)與基站的距離分布統(tǒng)計(jì)、軌跡地理化呈現(xiàn)等多角度分析5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，可提高5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃驗(yàn)證、5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化的效率。

圖2 DT測(cè)試無線信號(hào)覆蓋圖

2.2 業(yè)務(wù)測(cè)試

除了覆蓋能力，業(yè)務(wù)測(cè)試也是對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要評(píng)估手段之一。目前5G 路測(cè)主要采用UDP 灌包、FTP 及Ping等測(cè)試業(yè)務(wù)類型驗(yàn)證端到端的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性能。在該5G SA 網(wǎng)絡(luò)下，選擇室外無線環(huán)境良好區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)試，從核心網(wǎng)向終端進(jìn)行UDP 灌包測(cè)試，即時(shí)速率可穩(wěn)定在1.4 Gbit/s 以上，下行高速率曲線如圖3 所示，整個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)從空口、傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)等端到端表現(xiàn)出良好的業(yè)務(wù)性能支撐能力。

圖3 UDP下行高速率

測(cè)試過程中無線網(wǎng)絡(luò)CQI、MCS、256QAM 高階調(diào)制、PRB/Slot、調(diào)度次數(shù)、RANK、BLER 均達(dá)到比較理想狀態(tài)，最終綜合反映為比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸高速率，實(shí)時(shí)測(cè)量無線參數(shù)如圖4 所示：

圖4 實(shí)時(shí)無線信息

空口下載速率受業(yè)務(wù)模型、無線資源、無線環(huán)境等因素的綜合影響，通過對(duì)無線參數(shù)和業(yè)務(wù)指標(biāo)進(jìn)綜合分析，可定位和解決復(fù)雜的無線問題。

以本測(cè)試數(shù)據(jù)為例，在個(gè)別采樣點(diǎn)出現(xiàn)即時(shí)速率降至1 Gbit/s 左右（圖3 曲線的波谷），經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這些采樣點(diǎn)的RANK 從4 降至3。由于5G 網(wǎng)絡(luò)多徑效應(yīng)比較明顯，測(cè)試過程中當(dāng)有大型車輛從測(cè)試終端附件經(jīng)過時(shí)，無線環(huán)境變化導(dǎo)致下行信道特性發(fā)生改變。為提高5G NR MIMO 多天線陣列增益，基站可根據(jù)無線環(huán)境為終端選擇合適的下行波束賦形權(quán)重，支持PMI 權(quán)、SRS 權(quán)及自適應(yīng)調(diào)整。相對(duì)LTE 網(wǎng)絡(luò)，終端上報(bào)5G CSI（Channel State Information）內(nèi)容更為復(fù)雜，可包括CQI（Channel Qulity Information）、CRI（CSI-RS Resource Indicator）、RI（Rank Indicator）、PMI（Precoding Matrix Indicator）等[4]；基站還可基于上下行信道的互易性采用SRS 估計(jì)下行信道特性[5]。實(shí)際測(cè)試表明，不同權(quán)重選擇算法對(duì)RANK 的影響較大。

對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試及分析可結(jié)合整體指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、每秒?yún)?shù)詳情以及TTI 級(jí)別的無線調(diào)度信息，對(duì)業(yè)務(wù)性能從宏觀統(tǒng)計(jì)到微觀分析。表3 是業(yè)務(wù)過程每秒的無線參數(shù)統(tǒng)計(jì)，圖5 是PDSCH 信道每個(gè)Slot 的詳細(xì)信息。

5G SA 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用面向更多的垂直行業(yè)。路測(cè)的業(yè)務(wù)模型需要更貼近真實(shí)用戶感知，更真實(shí)模擬實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，包括視頻直播、V2X、工業(yè)控制等；無線層面涉及網(wǎng)絡(luò)切片的測(cè)試及分析，這些均是后續(xù)5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)測(cè)試需要關(guān)注的重點(diǎn)。

表3 每秒無線信息統(tǒng)計(jì)

圖5 PDSCH信道每個(gè)Slot的詳細(xì)信息

2.3 移動(dòng)性測(cè)試

5G 網(wǎng)絡(luò)采用新的頻譜、MIMO 等技術(shù)，要求支持的移動(dòng)性可高于500 km/h 的時(shí)速[6]，同時(shí)，涉及到4G/5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，在移動(dòng)性方面的測(cè)試更加復(fù)雜。

基于2.1 節(jié)的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)該5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的移動(dòng)性進(jìn)行分析，包括切換成功率、信令面延時(shí)及用戶面延時(shí)，其中5G SA 網(wǎng)絡(luò)采用A3 事件觸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)切換，通過NR->RRCReconf iguration 及NR->RRCReconfigurationComplete信令完成小區(qū)切換[7]；用戶面延時(shí)定義為小區(qū)切換前收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)包到切換后收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間差。該區(qū)域遍歷測(cè)試切換指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4 所示，總共發(fā)生切換9 次，均成功完成。切換的用戶面時(shí)延接近信令面的兩倍。

表4 NR切換統(tǒng)計(jì)

5G 小區(qū)之間的切換帶要保持合適的距離，太小容易導(dǎo)致切換失敗，太大容易導(dǎo)致過遠(yuǎn)覆蓋；切換設(shè)置參數(shù)應(yīng)該根據(jù)部署場(chǎng)景進(jìn)行細(xì)分設(shè)置，在該5G 網(wǎng)絡(luò)下，室外小區(qū)切換到室內(nèi)小區(qū)，由于A3 測(cè)量門限定義過高，容易導(dǎo)致切換失敗，通過降低A3 測(cè)量門限，保證切換有足夠的時(shí)間從而提高切換的成功率。另一方面，NR 切換用戶面時(shí)延如果過大，將影響對(duì)延時(shí)敏感業(yè)務(wù)的指標(biāo)及實(shí)際感知，如語音業(yè)務(wù)等。

未來5G 大規(guī)模部署之后，移動(dòng)性還涉及全網(wǎng)遍歷測(cè)試、EPS Fallback[9]、4G/5G 互操作、高鐵等特殊場(chǎng)景[8]等測(cè)試，路測(cè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性測(cè)試需要結(jié)合用戶感知業(yè)務(wù)構(gòu)建新的評(píng)估體系。

3 異常案例分析

第2 節(jié)通過大規(guī)模的拉網(wǎng)測(cè)試多角度分析5G 網(wǎng)絡(luò)整體性能，適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；渴鸷蟮母咝?yōu)化。本節(jié)通過5G 網(wǎng)絡(luò)與終端芯片的兼容性測(cè)試，介紹5G 測(cè)試中異常問題的分析定位，適用于網(wǎng)元之間的互聯(lián)互通測(cè)試。

如圖6 所示，通過路測(cè)工具完整采集終端的無線信息，終端SS-RSRP 及SS-SINR 都非常好，網(wǎng)絡(luò)分配給終端的無資源基本是滿配，但CQI 一直為0，下載速率測(cè)試只有11.536 Mbit/s。無線信令中終端上報(bào)的RI、CQI 等參數(shù)一直為0，與網(wǎng)絡(luò)側(cè)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)終端上報(bào)的CSI 格式與基站所支持的不一致，基站無法通過CSI 估算下行信道質(zhì)量，因此選擇最保守的調(diào)制方式及最低RANK，導(dǎo)致速率異常。

圖6 終端上報(bào)CSI異常

將以上采集信息及存在問題分別反饋給芯片廠家和網(wǎng)絡(luò)廠家，促使基站及終端所支持的CSI 格式協(xié)商一致后，終端上報(bào)RI、CQI 等參數(shù)正常，PDSCH 信道動(dòng)態(tài)采用高階調(diào)制方式及較高的RANK，下行數(shù)據(jù)明顯提升，終端上報(bào)CSI 正常如圖7 所示：

圖7 終端上報(bào)CSI正常

目前不同芯片平臺(tái)在各設(shè)備廠商的5G 網(wǎng)絡(luò)下功能及性能表現(xiàn)差異較大，5G 終端芯片物理層及高層協(xié)議的基本功能、無線鏈路自適應(yīng)及調(diào)度、多天線技術(shù)、Beam 管理等關(guān)鍵技術(shù)和性能需要在外場(chǎng)進(jìn)行充分驗(yàn)證[10]。

路測(cè)儀表在5G 網(wǎng)絡(luò)與終端的IODT 測(cè)試中可充分發(fā)揮作用，起到橋梁作用。

4 結(jié)束語

當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)整體進(jìn)入加速階段，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定、產(chǎn)品研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)部署、測(cè)試驗(yàn)證各環(huán)節(jié)幾乎并行進(jìn)行。5G網(wǎng)絡(luò)路測(cè)面臨產(chǎn)業(yè)鏈局部發(fā)展不均衡、5G 端到端互聯(lián)互通測(cè)試壓力大、新的技術(shù)測(cè)試及評(píng)估體系缺乏標(biāo)準(zhǔn)等挑戰(zhàn)。

本文基于近期中國國內(nèi)5G SA 網(wǎng)絡(luò)路測(cè)的實(shí)際情況，分析無線覆蓋、業(yè)務(wù)測(cè)試、移動(dòng)性等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)性能，以點(diǎn)帶面，結(jié)合目前5G 測(cè)試的進(jìn)展及后續(xù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，探索5G 路測(cè)分析的方法及應(yīng)用。

5G SA 網(wǎng)絡(luò)面向復(fù)雜多樣的垂直行業(yè)應(yīng)用，5G 路測(cè)針對(duì)高速率、低時(shí)延、大容量等應(yīng)用場(chǎng)景，圍繞運(yùn)營商、設(shè)備廠商乃至垂直行業(yè)的測(cè)試需求，需要在產(chǎn)品形態(tài)、業(yè)務(wù)模型、信息采集及評(píng)估體系、統(tǒng)計(jì)分析的方法方式等方面突破傳統(tǒng)模式，不斷創(chuàng)新，為5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及優(yōu)化，為全產(chǎn)業(yè)鏈的成熟發(fā)展提供有力的工具支撐。