5G 雙卡雙通終端測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

［吳海波 張婷］

1 引言

5G 時代，隨著業(yè)務(wù)形態(tài)多樣化，5G 雙卡終端射頻能力不斷提升，2Tx/4Rx 已成為多數(shù)NSA/SA 終端的標(biāo)配，終端天然支持同時與兩個網(wǎng)絡(luò)建立連接，為5G 終端向雙卡雙通演進提供了硬件基礎(chǔ)。

當(dāng)前3GPP 5G 雙卡雙通標(biāo)準(zhǔn)處于研究階段，5G 雙卡終端的技術(shù)實現(xiàn)屬私有化解決方案，方案不一致導(dǎo)致終端功、性能差異明顯，給運營商5G 網(wǎng)絡(luò)運營帶來不少挑戰(zhàn)。缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的儀表驗證系統(tǒng)，雙卡終端僅能在現(xiàn)網(wǎng)進行部分功能驗證，存在測試場景受外界干擾因素多、一致性差等諸多缺陷，加上終端產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展參差不齊，雙卡雙通終端市場難以繁榮發(fā)展。

為解決5G 雙卡雙通終端通話和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面的功、性能與網(wǎng)絡(luò)兼容性等問題，根據(jù)終端應(yīng)用場景，項目組設(shè)計出一套模擬運營商NSA/SA+LTE 網(wǎng)絡(luò)配置、功能齊全的5G 雙卡雙通終端測試系統(tǒng)，保障電信用戶的良好雙卡終端體驗。該系統(tǒng)可全面驗證終端雙卡業(yè)務(wù)并發(fā)時的主卡上/下行及雙向峰值速率及副卡VoLTE語音質(zhì)量方面的功、性能，并實時輸出驗證結(jié)果。

2 5G 雙卡雙通終端測試系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 測試系統(tǒng)總體要求和主要功能

雙卡雙通終端測試系統(tǒng)要求具備4G+5G 網(wǎng)絡(luò)仿真儀（含基帶、射頻等硬件單元）功能，支持實現(xiàn)雙卡終端兩張卡分別接入NR 和LTE 小區(qū)。滿足非獨立組網(wǎng)NSA option 3x 組網(wǎng)架構(gòu)，模擬4G LTE 核心網(wǎng)、LTE 小區(qū)和NR 小區(qū)，支持現(xiàn)網(wǎng)LTE 頻段和NR 頻段組合，LTE 小區(qū)支持VoLTE。滿足非獨立組網(wǎng)SA option 2 組網(wǎng)架構(gòu)，模擬5G 核心網(wǎng)和NR 小區(qū)，支持5G NR 下行 4*4 MIMO 及EPS Fallback，支持現(xiàn)網(wǎng)NR 頻段。

2.2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

測試系統(tǒng)硬件主要由測試主控電腦、雙卡業(yè)務(wù)服務(wù)器、通用測試儀表、語音業(yè)務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能評估工具以及被測雙卡終端組成，架構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 硬件架構(gòu)示意圖

下面是各硬件組成部分主要功能。

（1）測試主控電腦

①運行測試主控程序、腳本，主要用于LTE 協(xié)議棧射頻單元及5G 協(xié)議棧射頻單元的功率調(diào)整，以協(xié)助被測雙卡終端完成小區(qū)建立。

②構(gòu)造雙卡終端空口信令，完成雙卡終端兩張SIM卡的接入，切換，通話及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)建立的流程。

③監(jiān)聽LTE、5G 協(xié)議棧數(shù)據(jù)傳輸情況，通過AT 接口控制被測終端并使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能評估工具完成數(shù)據(jù)性能統(tǒng)計分析；使用語音業(yè)務(wù)質(zhì)量評估工具完成發(fā)送控制指令，播放參考語音，接收并錄音，并通過集成POLQA 算法的語音評測系統(tǒng)對語音測試數(shù)據(jù)進行對比打分，得到MOS分，最終輸出測試報告。

（2）雙卡業(yè)務(wù)服務(wù)器

配置固定IP 地址，配合被測雙卡終端完成FTP 登錄，數(shù)據(jù)上傳、下載、并發(fā)等過程，也可主動向終端完成指定IP 地址的數(shù)據(jù)傳輸功能，并對數(shù)據(jù)傳輸性能進行統(tǒng)計。

（3）通用測試儀表——5G 協(xié)議棧及射頻單元

具有5G NSA 仿真能力，支持仿真3GPP Release15 2019 年6 月及后續(xù)版本核心規(guī)范定義的功能，支持2 個5G NR 小區(qū)建立能力，支持NR 頻段組合。能夠完成5G側(cè)PDCP 層，RLC 層,MAC 層數(shù)據(jù)的處理，完成5G 射頻信號的調(diào)制、解調(diào)，配合終端完成空口隨機接入及無線鏈路建立等過程。

（4）通用測試儀表——LTE 協(xié)議棧及射頻單元

①支持至少3 個LTE 小區(qū)建立能力,支持TDD 和FDD 制式，支持LTE 頻段組合。完成LTE 側(cè)PDCP 層，RLC 層,MAC 層數(shù)據(jù)的處理，完成LTE 側(cè)射頻信號的調(diào)制、解調(diào)，配合被測雙卡終端完成空口隨機接入及無線鏈路建立等過程。

②具備多用戶同時接入?yún)f(xié)議棧的功能以應(yīng)對雙卡終端兩張SIM 卡同時在4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)注冊。

（5）語音業(yè)務(wù)質(zhì)量評估工具

使用音頻線與被測雙卡終端連接，具備音頻輸出，音頻錄入功能，并配合測試主控電腦中的語音評測系統(tǒng)完成副卡VoLTE 語音質(zhì)量MOS 評分。

（6）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能評估工具

安裝在測試主控電腦里，配合完成主卡NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上/下行和雙向平均速率及BLER 等關(guān)鍵指標(biāo)統(tǒng)計與分析。

2.3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

測試系統(tǒng)軟件方案主要根據(jù)雙卡雙通終端主卡支持5G NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和副卡支持VoLTE 語音業(yè)務(wù)來設(shè)計的。

系統(tǒng)軟件設(shè)計示意圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計示意圖

主卡NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)流程：建立NR 小區(qū)→uu 口無線信號接收→數(shù)字轉(zhuǎn)換/數(shù)字中頻→隨機接入、信道估計→NR 業(yè)務(wù)建立→數(shù)據(jù)性能測試→結(jié)果分析。

副卡VoLTE 語音業(yè)務(wù)實現(xiàn)流程：建立LTE 小區(qū)→uu口無線信號接收→數(shù)字轉(zhuǎn)換/數(shù)字中頻→隨機接入、信道估計→VoLTE 業(yè)務(wù)建立→通話語音測試→結(jié)果分析。

主控測試軟件提供測試主界面，用于進行可調(diào)整參數(shù)（頻段，終端能力）的配置，抓取LTE、5G 協(xié)議棧RRC 層、PDCP 層、RLC 層、MAC 層數(shù)據(jù)傳輸記錄，記錄數(shù)據(jù)傳輸測試上/下行速率、丟包率、BLER 等指標(biāo)。主控測試軟件還通過語音業(yè)務(wù)質(zhì)量評估工具進行播放、錄音、抓取終端的音頻數(shù)據(jù)，最終完成基于POLQA 算法的語音評分，生成測試報告。

2.4 5G NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能評估設(shè)計與實現(xiàn)

（1）5G NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能評估方案

為了評估雙卡終端的5G NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能，雙卡雙通終端測試系統(tǒng)集成了5G NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能評估工具，它采用行業(yè)廣泛使用的數(shù)據(jù)灌包工具Iperf 來模擬NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包的收發(fā)。為降低空口傳輸信道干擾，被測雙卡終端通過射頻傳導(dǎo)線與測試系統(tǒng)Tx/Rx 端口直連，接受測試系統(tǒng)模擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)調(diào)度的控制信令，進行上/下行、雙向數(shù)據(jù)包收發(fā)，并實時信令交互等。通過測試主控電腦查看Iperf 提供的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收量，數(shù)據(jù)包傳輸延遲抖動、丟失率、最大傳輸單元等統(tǒng)計信息，就可以判斷終端上/下行、雙向的收發(fā)吞吐能力。

（2）5G NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能評估流程

以5G NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)雙向峰值速率評估為例，測試流程主要有：第一步：按數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)雙向峰值速率測試規(guī)范編寫儀表測試用例。

第二步：按要求把被測雙卡終端使用射頻線與測試系統(tǒng)連接好，維持物理通路聯(lián)通，保證終端可與NR 網(wǎng)絡(luò)建立連接。

第三步：運行儀表測試用例，根據(jù)用例提示，啟動iperf 對被測終端進行雙向灌包，模擬NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包雙向傳輸。

第四步：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能評估工具記錄儀表MAC、PDCP 層上/下行吞吐量及BLER 實時波動變化。

第五步：重復(fù)步驟三、四測試5 次，測試系統(tǒng)計算出一個上/下行峰值速率及BLER 均值，測試結(jié)束。

2.5 VoLTE 語音質(zhì)量評估設(shè)計與實現(xiàn)

（1）MOS 的基本概念

語音質(zhì)量測量的目的是通過主觀或客觀的測量方法，即通過人為的測量項或基于軟硬件的測量工具，對一種或多種以上的呼叫質(zhì)量類別給出一個可信的估計。ITU-T建議P.830 描述了一種對語音的主觀評定方法——MOS（Mean Opinion Score）方法，將用戶接聽和感知語音質(zhì)量的行為進行調(diào)研和量化，由不同的調(diào)查用戶分別對原始標(biāo)準(zhǔn)語音和經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸后的聲音進行主觀感受對比，評出MOS 分值。

表1 為MOS 分值判別標(biāo)準(zhǔn)。

表1 MOS 分值判別標(biāo)準(zhǔn)

MOS 方法是基于用戶主觀感覺的一種模糊的評估方法，能體現(xiàn)出用戶對VoLTE 語音質(zhì)量最直觀的判斷。

（2）VoLTE 語音質(zhì)量評估方案

為了評估雙卡終端VoLTE 語音業(yè)務(wù)質(zhì)量，雙卡雙通終端測試系統(tǒng)集成業(yè)界主流儀表商的語音業(yè)務(wù)質(zhì)量評估工具，其核心儀表為MOS 盒。MOS 盒通過USB 接口與測試主控電腦連接，通過音頻線與被測終端連接。終端模擬進行MO/MT CALL 時，由測試主控電腦上安裝的測試軟件來控制放音和錄音。放音內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)參考語料，錄音內(nèi)容為經(jīng)過終端處理后播放給MOS 盒的語音內(nèi)容。這兩種語音內(nèi)容最后通過語音業(yè)務(wù)質(zhì)量評估工具中集成的POLQA（PerceptualObjectiveListening Quality Analysis,感知客觀語音質(zhì)量評估）算法進行對比打分，得出MOS 分值。

（3）VoLTE 語音質(zhì)量評估流程

VoLTE 語音質(zhì)量評估測試流程有5 步。

第一步：按VoLTE 語音質(zhì)量評估測試規(guī)范編寫儀表測試用例。

第二步：被測雙卡終端按要求分別使用射頻線與測試系統(tǒng)、使用音頻線與MOS 盒連接好，保證終端可與LTE網(wǎng)絡(luò)建立連接。

第三步：運行儀表測試用例，根據(jù)用例提示，被測終端進行MO/MT CALL。

第四步：語音業(yè)務(wù)質(zhì)量評估工具對終端上/下行語音質(zhì)量進行MOS 打分及統(tǒng)計通話回環(huán)時延等。

第五步：重復(fù)步驟三、四，測試5 次，測試系統(tǒng)計算出一個上/下行語音質(zhì)量 MOS 分值及回環(huán)時延等，測試結(jié)束。

3 實測數(shù)據(jù)分析與驗證

為了確保雙卡終端雙通時的業(yè)務(wù)體驗，避免業(yè)務(wù)并發(fā)時主/副卡業(yè)務(wù)互相干擾而影響通話或數(shù)據(jù)性能，項目組利用5G 雙卡雙通終端測試系統(tǒng)對市面多款主流5G 雙卡雙通終端業(yè)務(wù)并發(fā)時的語音質(zhì)量和數(shù)據(jù)性能進行全面的評估，測試場景覆蓋主卡NSA+副卡LTE、主卡SA+副卡LTE，還分別與終端單卡（包括副卡空閑態(tài)）性能做對比。

在主卡NSA+副卡LTE 測試場景中：NSA Option 3x網(wǎng)絡(luò)，以LTE eNB 為主基站（MN），NR gNB 為從站（SN），所有的控制面信令都經(jīng)由LTE eNB 轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)面無線承載由LTE eNB 與NR gNB 同時服務(wù)。根據(jù)5G 雙卡雙通終端實際應(yīng)用場景，測試系統(tǒng)設(shè)置了建立在5G gNB 側(cè)的分離式承載（Split Bearer），5G gNB 根據(jù)分流比例系數(shù)將部分PDCP 包通過Xx 接口轉(zhuǎn)發(fā)給LTE eNB 的RLC 層，剩余大部分PDCP 包直接通過NR RLC 進行傳輸，被測終端主卡使用4G 和5G 兩路射頻發(fā)射通道，同時接收來自LTE eNB 和5G gNB 兩個系統(tǒng)中的下行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)負荷分擔(dān)和資源協(xié)調(diào)功能。

被測終端副卡使用4G 射頻發(fā)射通道，連接到LTE eNB，進行VoLTE 語音業(yè)務(wù)。

表2 為雙卡雙通終端駐網(wǎng)在NSA 網(wǎng)絡(luò)，單/雙通兩種對比測試場景下的驗證結(jié)果。

表2 NSA 網(wǎng)絡(luò)下的單/雙通驗證數(shù)據(jù)

從驗證數(shù)據(jù)來看，雙卡雙通終端業(yè)務(wù)并發(fā)時，副卡VoLTE 語音業(yè)務(wù)上/下行MOS 分都超過4 分，達到“優(yōu)”級別。主卡5G NR 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上/下行平均速率接近達到理論值[上行理論峰值速率粗略計算：單用戶1Tx—273RB*12子載波*11 符號（扣除開銷）*0.657/ms*6 bit（64QAM）*1 流=142 Mbit/s；下行理論峰值速率粗略計算：單用戶MIMO 4Rx —273*12*11*1.2 857*1 000*4*8≈1.48 Gbit/s]，其中 SN 側(cè)Split Bearer 配置下eNB 上/下行平均速率值也與系統(tǒng)設(shè)置的分流比例系數(shù)10%相符，體現(xiàn)了被測雙卡終端在EN-DC 雙連接下可同時接收MCG 和SCG 的下行數(shù)據(jù)包。對比單通（副卡空閑態(tài)/單卡）NSA 數(shù)據(jù)/VoLTE 業(yè)務(wù)的驗證結(jié)果，雙通終端的主副卡NSA 數(shù)據(jù)+VoLTE 業(yè)務(wù)性能表現(xiàn)與單通大致相當(dāng)，無明顯差異。

主卡SA+副卡LTE 測試場景中，參與實驗室測試系統(tǒng)驗證的5G 雙卡雙通終端下行接收能力一直維持4Rx 能力不變，上行發(fā)射能力與副卡業(yè)務(wù)狀態(tài)相關(guān)，當(dāng)副卡空閑態(tài)接入SA 網(wǎng)絡(luò)時，終端上行上報2Tx 最大能力，而當(dāng)副卡業(yè)務(wù)態(tài)時，上行能力回退至1Tx。表3 為雙卡雙通終端駐網(wǎng)在SA網(wǎng)絡(luò)，單/雙通兩種對比測試場景下的驗證結(jié)果。

表3 SA 網(wǎng)絡(luò)下的單/雙通驗證數(shù)據(jù)

從驗證數(shù)據(jù)可看出，5G 雙卡雙通終端在副卡空閑態(tài)時，上報上行2 Tx 最大能力，NR 上行平均速率可達272.1 Mbit/s，而當(dāng)雙卡業(yè)務(wù)并發(fā)時，主卡上行2 Tx 能力減半至1Tx，讓出一路射頻發(fā)射通道供副卡VoLTE 語音業(yè)務(wù)使用，VoLTE 語音上/下行MOS 分均超過4 分。對比單通（副卡空閑態(tài)/單卡）SA 數(shù)據(jù)驗證結(jié)果，被測雙通終端業(yè)務(wù)并發(fā)時上行發(fā)射能力減半，下行接收能力維持4Rx 不變，用戶雙通業(yè)務(wù)體驗比單通時更優(yōu)。

通過以上驗證得知，5G 雙卡雙通終端的標(biāo)準(zhǔn)配置為2Tx/4Rx，具備支持雙卡業(yè)務(wù)并發(fā)的硬件基礎(chǔ)，在不增加射頻硬件成本的前提下，通過優(yōu)化終端設(shè)計，提升終端性能，可保障雙卡終端用戶體驗更優(yōu)。業(yè)務(wù)并發(fā)時，主/副卡可同時與兩個網(wǎng)絡(luò)建立連接，雙卡業(yè)務(wù)不會互相干擾、互相影響，具備商用能力。

4 結(jié)束語

雙卡終端是5G 時代的主流產(chǎn)品形態(tài)，隨著終端射頻能力提升，業(yè)務(wù)形態(tài)多樣化，業(yè)務(wù)對速率需求不斷提升，推動雙卡雙通實現(xiàn)跨運營商、多業(yè)務(wù)并發(fā)將成為業(yè)界未來重點的研究課題。后續(xù)項目組將繼續(xù)開展5G 雙卡終端關(guān)鍵技術(shù)研究，不斷完善雙卡雙通終端測試系統(tǒng)功能，逐步解決雙卡終端射頻互擾、功率控制，射頻能力協(xié)商、功耗等問題，致力于引領(lǐng)3GPP 5G 雙卡終端技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，全面提升雙卡雙通終端的功、性能和網(wǎng)絡(luò)兼容性，推動5G雙卡終端向數(shù)據(jù)雙通方向演進。