【《5G网络性能测试与分析案例》4600字】

G网络性能测试与分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u30145G网络性能测试与分析案例 123031.15G网络逻辑架构对时延的影响 1173881.2NR帧结构对时延的影响 246831.35G速率影响因素分析 61.15G网络逻辑架构对时延的影响5G无线接入网络采用云无线接入网络架构（CloudRadioAccessNetwork，C-RAN），将传统的分布式基站网络的基站功能划分为射频拉远单元（RemoteRadioUnit，RRU）和基带处理单元（BaseBandUnit，BBU）两个功能实体[17]。RRU主要负责对数据信号进行射频处理，BBU代表集中部署的基站数据和计算处理资源池中的一台物理服务器，一个BBU池因此能够看作一个超大虚拟节点，负责服务整个物理小区内的基带处理等。为实现更加灵活的网络结构，C-RAN结构演进，BBU可以进一步划分成聚合单元（CentralizedUnit，CU）/分布式单元（DistributedUnit，DU）。本文提到的无线接入网络通信具体包括RRU到CU/DU之间的空口传输部分，并由公共无线电接口（CommonPublicRadioInterface，CPRI）实现RRU和CU/DU之间数据传输的接口[18]。随着5G基站带宽的大幅增加和大规模天线技术（MassiveMultiple-InputMultiple-Output，MassiveMIMO）的广泛使用，CPRI容量可达到数百甚至上千Gbps。回程传输网络通信是指CU/DU到核心网络中的各个功能节点之间的传输过程。5G回程传输网络层面将进一步引入软件定义网络和网络功能虚拟化技术实现云化部署，并将部分功能下沉以实现更加灵活的网络结构。根据不同数据中心（DataCenter,DC）的部署位置和承载能力等指标，回程传输网络一般拆分为三个部分：边缘DC组成的接入层网络、城域DC组成的汇聚层网络和中央DC组成的核心层网络。接入层网络（简称“接入网”）的边缘设备离用户设备距离较近，能够大大减轻回程链路负载和开销，降低回程传输网络时延，具有良好的通信状况[19]。但其DC节点受限于缓存容量和计算能力，无法满足所有的业务需求，特别是一些大容量，高带宽消耗业务的需求。汇聚层网络和核心层网络能够承载更多的数据流量并提供大容量存储和带宽，但是其部署的DC和用户之间距离都比较遥远，数据流量在传输过程中会导致传输时延或者其他意料之外的时延的增加。此外，传输到汇聚网和核心网络进行计算处理的业务数据流量一般相对较大。在数据流量密度高峰时期，大量业务的汇聚和回传很可能会导致回程链路负载过重，进而消耗过多带宽和严重损害性能。1.2NR帧结构对时延的影响5G帧结构的组成如下：（1）帧、帧长、半帧：帧，即数据帧（DateFrame）[20]，也就是数据链路层的协议数据单元，由三个部分组成：帧头、数据部分和帧尾。帧头和帧尾都拥有一些关键的控制信息，数据部分则包含网络层传下来的数据。5G的帧长和4G一样，都是10ms。（2）子帧，子帧长：和LTE一样每个帧可以分为10个子帧，同样每个子帧长度为1ms。（3）时隙：5G的每个子帧可以由多个时隙组成，一个时隙为14个OFDM符号。（4）子载波间隔：子帧是频域上最小调度单位，在4G中，每个子载波的间隔为15kHz。它提供了可以灵活扩展的空间。即5G子载波可为2μ*15kHz，μ表3-1帧结构子载波间隔μ∆循环前缀015常态130常态260常态，超出3120常态4240常态NR支持基于符号灵活定义的帧结构，用来满足各种时延需求。在LTETDD（TimeDivisionDuplexing，时分双工）中，总共共定义了7种帧结构、9种特殊子帧格式，如表3-2和3-3所示。表3-2LTETDD帧结构表3-3LTETDD特殊时隙配置从表中可以明显看出LTETDD帧以5ms和10ms为周期，以准静态配置为主，在高层配置了某种帧结构后，网络在一段时间内均采用该帧结构。与LTE不同的地方在于，NR为了满足更细颗粒度的调度需求，需要定义大量的时隙格式。其中时隙中的符号可以配置为上行、下行或灵活符号，其中灵活符号可以通过物理层信令配置为下行或上行符号，以灵活支持突发业务[21]。NR中的时隙配置分为三种类型，其中类型1（Type1）为下行时隙，类型2（Type2）为上行时隙，类型3（Type3）为灵活时隙。Type3又称为自包含时隙（Self-containedSlot）[14]，具体可细分为下行主导（DL-dominant）时隙和上行主导（UL-dominant）时隙。DL-dominant时隙中的上行传输符号可用于上行控制信息以及参考信号（SoundingReferenceSignal，SRS）的传输，同理，UL-dominant时隙中的下行传输符号可用于下行控制信息的传输[22]，如图3-1所示。图3-1NR时隙中的符号结构下面通过仿真测试帧结构的影响。首先需要在DU+CU设备中改变小区规划参数。NR有不同的子载波间隔，但是这并不意味着所有的频段都可以配置所有的子载波间隔，根据R15标准的规定，15/30/60kHz子载波间隔（SCS）适用于低频FR1频段[23]，其信道带宽最高可达100MHz，60/120kHz子载波间隔适用于高频FR2频段，相应的最大信道带宽可达400MHz。将小区DU+CU的业务信道带宽配置为1000MHz，业务信道的子载波间隔可以为三种。在下面改变业务信道的上下行配比，此系统不支持双周期调度，所以只需要配置单个周期。用控制变量法来研究子载波间隔和传输周期对时延的影响。首先将所有的数目都修改为5。接下来需要逐步修改上下行转换周期和子载波间隔，然后进行手机到Internet服务器的ping测试，测出时延[16]，最后找出上下行转换周期和子载波间隔对时延的影响。默认为100MHz，后将子载波间隔设置为15kHz，将上下行转换周期设置为0.5ms。在手机入网之后，发起ping测试。接下来用控制变量的方法调整上下行转换周期和子载波间隔进行多次测试，可以得到如下的表3-4。表3-4测试结果分析表3-4可以发现当使用相同的转换周期时，子载波间隔越大，时延越短；而子载波间隔相同时，上下行转换周期越短，时延越短。子载波间隔越大，时隙的时长就越小，调度就更快，时延可能就更小，但在子载波间隔大的时候还要考虑实际配置的上下行周期，并不一定子载波间隔越大时延越小[24]。在基于时隙调度的时候，时隙空口时延是与时隙的上下行周期相关的，与其同时，时隙的配置也与子载波间隔相关，子载波间隔越大，可以设置的上下行周期越小，并且在实际中，一般设置四个及以上的时隙，否则频繁的进行上下行的切换也会带来较多的保护间隔的开销，而且考虑到系统消息的发送，从时域上来说，没有很多资源进行实际的业务传输。如果追求更低的时延，需要选择大的子载波间隔和短的上下行转换周期。1.35G速率影响因素分析高速率、低时延和大连接是第五代移动通信技术的三大特点，其中5G速率甚至可以比4G快10倍左右[25]。MIMO技术在4G的时候就有应用，在5G的时候应用的更加深入，4G中的MIMO最多有8根天线，而在5G中会配置16根天线，32根天线，128根天线，甚至更大规模的天线。在接下来的仿真中设置的是MIMO的层数，层数也就是在并行传输的时候，数据流的数目，接下来将从MIMO的层数、系统带宽以及不同的子帧配比三个方面来进行业务配置，分析业务速率的整体变化。MIMO技术主要指的是在发送端和接收端分别可以使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端和接收端的多个天线之间进行分析发射和接收，进而改善网络通信服务质量[19]。大规模多输入多输出天线技术（MassiveMIMO）是第五代移动通信（5G）中的关键技术。由于5G具有更高的频段，导致更大的传播和穿透损耗[26]，为了弥补覆盖上的劣势，提高系统容量和频谱利用率，5G引入了大规模MIMO技术。传统的TDD网络的天线基本是2天线、4天线或8天线，而大规模MIMO指的是通道数达到64/128/256个。传统的MIMO称之为2D-MIMO（2-DimensionalMIMO，二维MIMO），以8根天线为例，实际信号在做覆盖时，只能在水平方向移动，垂直方向是不动的，信号类似一个平面发射出去[27]，而大规模MIMO是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用，信号的辐射状是个电磁波束。所以大规模MIMO也称为3D-MIMO（3-DimensionalMIMO，三维MIMO），如图3-2所示。图3-2传统天线方向图与MassiveMIMO天线方向图大规模MIMO具有高能量效率和高空间分辨率的特点：（1）高能量效率大规模MIMO系统可形成更窄的波束[28]，集中辐射于更小的空间区域内，从而使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗，是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。（2）高空间分辨率大规模MIMO系统具有更好的鲁棒性能。由于天线数目远大于UE数目，系统具有很高的空间自由度，系统具有很强的抗干扰能力[29]。当基站天线数目趋于无穷时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计。下面通过仿真探究MIMO层数对业务速率的影响，更改基站的上下行MIMO层数，并且记录小区的上下行容量。仿真平台中5G手机的天线数配置有两种情况，只有2根发送天线，4根接收天线，或者是4根发送天线，8根接收天线。而当修改基站的MIMO层数的时候，手机的速率是不会变化的，因为这个手机的天线数配置是小于基站的天线数配置的，所以可以来测试小区的上下行容量，看MIMO的层数会对小区的容量产生怎样的影响[30]。进入小区配置，在小区基本信息中修改上下行MIMO层数，第一组数据首先来测上行MIMO层数为4层，下行MIMO层数为16层的情况。在仿真平台中将设备全部开机，后进入场景搭建板块，进入机房分布图，在这里可以看到5G手机的参数。如图3-3所示。图3-3第一组MIMO层数对小区容量测试数据从图中3-4可以看出小区上行容量为229.126Mbps，小区下行容量为2790.015Mbps。接下来不断修改DU+CU中的MIMO层数来进行实验。测试上行MIMO层数为2层，下行MIMO层数为16层；上行MIMO层数为4层，下行MIMO层数为8层；上行MIMO层数为2层，下行MIMO层数为8层；上行MIMO层数为4层，下行MIMO层数为4层；上行MIMO层数为2层，下行MIMO层数为4层共计八组数据。测试结果如表3-5所示。表3-5测试结果从表3-5中可以看出当下行MIMO层数相同时，上行MIMO数减少，上行的容量也随之减少，大单的层数成倍减少时，容量也成倍的减少。因为MIMO层数是数据流的数目，所以当MIMO层数减少的时候，容量也相应的减少。接下来保持其它参数不变，更改业务信道的带宽，观察用户的上下行速度以及小区的上下行容量。由于设置的业务信道最大带宽为100MHz，所以这里使用的子载波间隔是60kHz，在DU+CU的小区规划参数中进行修改参数，将业务带宽改成100MHz，子载波间隔改成60kHz，可以在场景搭建板块看到测出的用户的上下行速率，以及小区的上下行容量，如图3-4所示。图3-4第一组业务信号的带宽对上下行速率影响测试数据从结果中记录，第一组数据：上行速率为6.808Mbps，下行速率为40.193Mbps，上行容量为114.581Mbps，下行容量为1394.922Mbps。接下来保持子载波间隔不变，更改业务信道带宽为60、40、20和10Mhz，重复操作可以得到总共5组数据，如表3-6所示。表3-6测试结果从表3-6中可以总结出，当信道带宽减小的时候，用户的上下行速率也随之减少，并且小区的上下行容量也随之减少，根据香农公式，信道带宽越大的话，系统容量越大，但是系统容量不可能无限制的增加，所以说如果想提高用户的上下行速率的话，可以增大新的带宽。最后研究上下行时隙配比会对用户上下行速率以及小区的上下行容量有怎样的影响。首先将系统的信道带宽设置为50兆赫兹，子载波间隔设置为15K赫兹，上下行传输周期设置为10毫秒，此时就有10个时隙。全下行时隙数量和全上行时隙数量之和不能超过9，并且全下行时隙后面的下行符号数与全上行时期前的上行符号数之和不能超过13，可以通过设置不同的方案，研究不同的时隙配比对速率和容量造成的影响。和之前一样修改参数之后，将仿真平台中的设备全部开机，通过控制变量的方法记录每一组参数。然后在小区规划参数中不断的进行修改，记录共6组数