程　楊

(國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015)

WiFi終端Throughput測(cè)試分析及LTE終端Throughput測(cè)試研究

程楊

(國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015)

摘要:針對(duì)智能終端的WiFi接收模塊的吞吐量進(jìn)行測(cè)試及結(jié)果分析得出結(jié)論，并對(duì)之前設(shè)計(jì)的測(cè)試吞吐量空口測(cè)試方法加以驗(yàn)證，為智能終端的WiFi接收模塊設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考和設(shè)計(jì)思路，為下一步智能電視性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)對(duì)移動(dòng)終端(LTE終端)應(yīng)用層吞吐量測(cè)試進(jìn)行了延伸研究，介紹了相關(guān)測(cè)試概念和方法。

關(guān)鍵詞:WiFi；AP；吞吐量；LTE ；3GPP

2014年12月31日起，銷往歐洲市場(chǎng)帶有2.4GHz及5GHz頻段的帶有寬帶接入的終端設(shè)備將被強(qiáng)制要求執(zhí)行新的ETSI的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EN300 328V1.8.1[1]及EN301 893V1.7.1[2]。近日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《三網(wǎng)融合推廣方案》，加快在全國全面推進(jìn)三網(wǎng)融合，推動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通和資源共享。與此同時(shí)，有關(guān)移動(dòng)終端(如LTE、HSPA等)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)吞吐量性能的測(cè)試也已成為國際上數(shù)字移動(dòng)終端性能研究的熱點(diǎn)。我國目前現(xiàn)狀是，各種智能終端產(chǎn)品遍布市場(chǎng)、層出不窮，但其無線接收質(zhì)量尚無約束監(jiān)管，且無線接入設(shè)備的接收性能行標(biāo)或國標(biāo)亦未發(fā)布實(shí)施；而對(duì)于移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)交互性能測(cè)試研究更是滯后于WLAN終端性能的研究，且國際標(biāo)準(zhǔn)尚在研究之中，但是值得一提的是，目前歐美、日本等國的電信運(yùn)營商已陸續(xù)將數(shù)字移動(dòng)終端應(yīng)用層吞吐量性能的測(cè)試納入到其數(shù)據(jù)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中。本文筆者于兩年前開展了對(duì)WiFi接收性能研究，針對(duì)接收性能中的吞吐量(Throughput)[3-4]進(jìn)行了大量測(cè)試，對(duì)相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并初步給出分析結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)移動(dòng)終端應(yīng)用層的吞吐量測(cè)試進(jìn)行了研究，介紹了相關(guān)測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)制訂現(xiàn)狀。

1WiFi終端吞吐量(Throughput)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試

相關(guān)吞吐量概念、理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)及測(cè)試方法請(qǐng)?jiān)斠姳疚墓P者已發(fā)表文章《智能終端WiFi模塊吞吐量測(cè)試方法探索》[5]。

微波暗室外為測(cè)試設(shè)備，具體有：可變衰減器、AP、控制服務(wù)器等。本文選取了一臺(tái)計(jì)算機(jī)一體機(jī)作為被測(cè)設(shè)備，WiFi接收模塊位于被測(cè)設(shè)備的背面。

采用3米法校準(zhǔn)后[6]，啟動(dòng)吞吐量測(cè)試。測(cè)試的設(shè)置如下：

1)只在2.4GHz頻段下進(jìn)行了測(cè)試，5GHz頻段本文中不涉及。

2)對(duì)IEEE802.11a/b/g/n四種模式均設(shè)置測(cè)試，其中n模式在20MHz和40MHz帶寬下均測(cè)試，測(cè)試頻道均選擇channel1。

3)模擬距離為10m(衰減60dB)和100m(衰減80dB)。

4)將轉(zhuǎn)臺(tái)360°水平旋轉(zhuǎn)，即每隔45°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一次轉(zhuǎn)臺(tái)，測(cè)得相應(yīng)角度下的吞吐量。

5)AP的輸出功率為20dBm。

具體測(cè)試框圖如圖1所示。

圖1　測(cè)試框圖

2WiFi終端吞吐量(Throughput)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果分析

2.1測(cè)試結(jié)果

1)10m距離接收時(shí)，部分測(cè)試結(jié)果見表1。

表110m距離接收測(cè)試結(jié)果

旋轉(zhuǎn)角度/(°)IEEE802.11gIEEE802.11n(20MHz)IEEE802.11n(40MHz)Tx/(Mbit·s-1)Rx/(Mbit·s-1)Tx/(Mbit·s-1)Rx/(Mbit·s-1)Tx/(Mbit·s-1)Rx/(Mbit·s-1)021.1823.4156.0454.28105.41104.354521.0523.4857.1853.80114.71105.939020.7723.2356.2152.48114.04104.0813520.9823.3057.2253.60110.8581.5018021.0923.7554.6151.22107.7867.6022521.2123.2656.0454.15113.41104.1127020.9823.3856.5053.86114.82104.1731521.0223.4656.2153.22114.49104.07

2)100m距離接收時(shí)，部分測(cè)試結(jié)果見表2。

表2100m距離接收測(cè)試結(jié)果

旋轉(zhuǎn)角度/(°)IEEE802.11gIEEE802.11n(20MHz)IEEE802.11n(40MHz)Tx/(Mbit·s-1)Rx/(Mbit·s-1)Tx/(Mbit·s-1)Rx/(Mbit·s-1)Tx/(Mbit·s-1)Rx/(Mbit·s-1)020.3122.3627.3716.6654.4830.474520.2222.1927.7516.5365.2427.579018.9422.8813.209.3059.7727.6613518.6713.858.38072.2849.9518019.8918.7912.528.1464.4243.4922520.3322.6927.9116.6757.1629.1727020.1822.3625.9317.5974.8137.4031520.1921.9824.9317.6985.0638.62

2.2測(cè)試結(jié)果分析

1)接收效果受天線和WiFi模塊相對(duì)位置的影響很大，本文中的WiFi模塊位于被測(cè)設(shè)備背面，從測(cè)試結(jié)果來看，在135°和180°位置的Tx和Rx測(cè)試結(jié)果是最差的，即天線背對(duì)被測(cè)設(shè)備時(shí)的影響到其接收。所以在設(shè)計(jì)WiFi模塊是要考慮到位置的因素，盡可能使得WiFi接收天線可以多角度接收到外部信號(hào)，減少因其他模塊遮擋造成的接收盲區(qū)。

2)從測(cè)試結(jié)果來看，IEEE802.11n模式的接收效果明顯優(yōu)于其他模式，顯示出數(shù)量級(jí)的差別，表明IEEE802.11n模式(40MHz)的WiFi接收模式優(yōu)越性，下一步的測(cè)試研究應(yīng)著重放在IEEE802.11n和IEEE802.11ac兩種模式之間做比較。

3)本文僅測(cè)試了水平相對(duì)接收位置的吞吐量測(cè)試結(jié)果，對(duì)于垂直方向和其他方向的測(cè)試結(jié)果尚未提供，故本測(cè)試結(jié)果僅反映出一部分接收規(guī)律，并不能反映全部問題。

4)接收距離的影響也在測(cè)試結(jié)果中反映出來，且本文僅進(jìn)行了凈信道測(cè)試，并未外加各種噪聲或干擾，目前WiFi接收也僅限于短距離接收。

3移動(dòng)終端應(yīng)用層吞吐量性能測(cè)試研究

以往移動(dòng)終端數(shù)據(jù)性能測(cè)試主要針對(duì)的是物理層的吞吐量性能，并且是在特定測(cè)試場(chǎng)景下的測(cè)試，其結(jié)果難以直接反映用戶的實(shí)際體驗(yàn)效果。故和用戶使用密切相關(guān)的應(yīng)用層吞吐量性能測(cè)試目前尚處在研究中。用戶體驗(yàn)的操作流暢性是移動(dòng)終端性能測(cè)試研究目前關(guān)注的熱點(diǎn)，鑒于此，3GPPTSGRAN5在2011年初開展應(yīng)用層數(shù)據(jù)吞吐量的研究工作并形成了TR37.901技術(shù)報(bào)告[7]。GCF-PC(針對(duì)LTE終端的GCF認(rèn)證)測(cè)試從2012年開始加入了數(shù)據(jù)性能測(cè)試。PTCRB認(rèn)證也在積極推動(dòng)應(yīng)用層吞吐量測(cè)試，并成立專門的工作組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)研究并形成了測(cè)試用例。

3.1移動(dòng)終端應(yīng)用層吞吐量概念

應(yīng)用層吞吐量是指一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)被測(cè)的數(shù)字移動(dòng)終端與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間在應(yīng)用層上交互的有效數(shù)據(jù)總量。本文僅對(duì)LTE數(shù)字移動(dòng)終端應(yīng)用層吞吐量的測(cè)試進(jìn)行研究，對(duì)其他制式的數(shù)字移動(dòng)終端研究不涉及。測(cè)試涉及的傳輸層協(xié)議包括TCP和UDP，其中TCP協(xié)議面向連接，且為可靠的傳輸層協(xié)議，而UDP協(xié)議面向數(shù)據(jù)包，是無連接的不可靠協(xié)議。

移動(dòng)終端應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交互和WLAN終端數(shù)據(jù)交互不同，其方向包含上行、下行、上下行同時(shí)和上下行交替4種。這4種均是目前數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的常見場(chǎng)景。吞吐量性能測(cè)試應(yīng)覆蓋上述四種數(shù)據(jù)方向。

3.2移動(dòng)終端應(yīng)用層吞吐量測(cè)試介紹

數(shù)字移動(dòng)終端和測(cè)試系統(tǒng)之間的連接方式分為Tethered和Embedded兩種，詳見圖2和圖3。由圖可見此兩種連接方式的區(qū)別主要在于客戶端程序的運(yùn)行方法。Tethered連接模式是將一臺(tái)數(shù)字移動(dòng)終端與一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過USB等方式連接，數(shù)字移動(dòng)終端與無線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)之間建立無線連接，計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛻舳藨?yīng)用軟件，該通過數(shù)字移動(dòng)終端，與網(wǎng)絡(luò)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器建立數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于Embedded連接模式，數(shù)據(jù)傳輸客戶端應(yīng)用軟件運(yùn)行于數(shù)字移動(dòng)終端內(nèi)部，省略了與移動(dòng)終端連接的計(jì)算機(jī)。

Tethered模式下的測(cè)試連接圖如圖2所示。

圖2　Tethered模式框圖

Embedded模式下的測(cè)試連接圖如圖3所示。

圖3　Embedded模式框圖

在測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)置不同的傳輸環(huán)境，并測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用程序的服務(wù)器端與客戶端之間達(dá)到的平均應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸速率。

測(cè)試環(huán)境方面，除了測(cè)試?yán)硐肭闆r(即無衰落、無干擾、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)良好)下的上行和下行吞吐量測(cè)試外，還要考慮移動(dòng)終端到在不同環(huán)境情況下的性能指標(biāo)，一個(gè)完整的吞吐量性能測(cè)試場(chǎng)景，應(yīng)包括特定的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、特定的衰落環(huán)境和特定等級(jí)的干擾等主要因素。

LTE終端吞吐量測(cè)試應(yīng)覆蓋其終端支持的所有發(fā)射模式，比如SIMO、接收分集、發(fā)射分集、開環(huán)MIMO、閉環(huán)MIMO等。

3.3移動(dòng)終端應(yīng)用層吞吐量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

1)3GPP國際組織在2011年初的第50次會(huì)議上首次提出應(yīng)用層吞吐量性能測(cè)試并提交了技術(shù)報(bào)告初稿TR37.901。技術(shù)報(bào)告描述了應(yīng)用層吞吐量的測(cè)試目的和測(cè)試方法，并給出了HSPA和LTE的測(cè)試用例。目前最新的版本是V11.13.0。

2)GCF組織在2012年的GCF-PC中引入了數(shù)據(jù)性能的補(bǔ)充測(cè)試。此項(xiàng)性能測(cè)試主要參考了3GPPTR37.901的Annex中的測(cè)試規(guī)范。測(cè)試包括HDPA和LTE兩部分。測(cè)試方法包括Tethered和Embedded兩種。測(cè)試波段和測(cè)試帶寬也遵循了3GPP的要求。GCF的測(cè)試用例覆蓋了3GPPTR37.901的用例的絕大部分。

3)PTCRB組織在2013年5月的PVG61次會(huì)議開始形成工作組(RFT-113)和測(cè)試用例。工作組主要針對(duì)LTE的應(yīng)用層吞吐量性能測(cè)試。測(cè)試用例方面在相對(duì)GCF簡(jiǎn)化了很多(只有19條)，但在測(cè)試帶寬、頻段和IP地址上又與GCF和3GPP有所不同。

4結(jié)束語

兩年前筆者先后發(fā)表過兩篇關(guān)于WiFi接收終端吞吐量測(cè)試的研究論文，本文基于大量試驗(yàn)結(jié)果，是對(duì)其研究成果的驗(yàn)證總結(jié)。無線測(cè)試的研究難度很大，試驗(yàn)環(huán)節(jié)中的復(fù)雜多變性大大增加了其結(jié)果的不確定度。隨著三網(wǎng)融合方案的推出，對(duì)于吞吐量測(cè)試研究進(jìn)行了延伸，更將其擴(kuò)展至了數(shù)字移動(dòng)終端領(lǐng)域。亟待隨著國家三網(wǎng)融合的提速政策推動(dòng)和智能終端產(chǎn)品的日新月異，無線接收標(biāo)準(zhǔn)制訂實(shí)施的迫切性已日益凸顯。

參考文獻(xiàn)：

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CasestudyofthroughputperformanceofWiFireceiverandmobileapplicationlayer

CHENGYang

(National Testing & Inspection Center for Radio & TV Products of China， Beijing 100015， China)

Abstract:In view of the WiFi receiver’s throughput performance of smart television， a detailed introduction is given. Then take an experiment to conform it under the lab condition and put forward a case study. And the case study gives reference for the smart television design and test standard. Meanwhile，the test of throughput of LTE mobile’s application layer starts study.

Key words:WiFi；AP；throughput；LTE；3GPP

中圖分類號(hào):TN949.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.030

基金項(xiàng)目：普及地面數(shù)字電視接收機(jī)公共服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目(財(cái)建[2014]513號(hào)；工信部財(cái)[2014]425號(hào))

作者簡(jiǎn)介：

程楊(1981— )，女，高級(jí)工程師，數(shù)字電視終端產(chǎn)品測(cè)試工程師。

責(zé)任編輯：閆雯雯

收稿日期：2015-06-18

文獻(xiàn)引用格式：程楊.WiFi終端Throughput測(cè)試分析及LTE終端Throughput測(cè)試研究[J].電視技術(shù)，2016，40(3)：142-145.

CHENGY.CasestudyofthroughputperformanceofWiFireceiverandmobileapplicationlayer[J].Videoengineering， 2016，40(3)：142-145.