测量5G网络上的延迟和其他服务质量参数

Andy Cole，安立公司

 随着机器人控制、自动驾驶车辆和远程医疗等关键应用越来越依赖移动通信进行连接，移动网络运营商和系统设计者必须确保在线决策能够快速可靠地传达。未能实现超可靠低延迟通信（URLLC）可能会导致灾难性事件，并导致人员受伤或更糟。

基于5G的移动通信网络需要支持时间关键型应用，在这些应用中，机器向其他机器发送信息，收到信息的机器必须立即采取相应行动。使用物联网移动连接来传达重要决策的新兴技术正在迅速发展。汽车产业正朝着自动驾驶的方向发展，电子系统对实现安全旅程承担全部责任。这需要从车载传感器收集详细信息，这些传感器在车辆周围以360°环绕工作，并从路边视频和其他来源传达有关外部条件的信息，如道路布局、道路工程、交通堵塞和行人，并立即采取行动。因此，与车辆之间的数据传输速度至关重要。

这意味着通信网络必须既强大又可靠，并能够根据应用的关键程度对其进行优先级排序——网络运营商需要确保在整个网络建设过程中实现URLLC。

除了确保数据在整个网络中成功传输外，我们还应该相信数据会及时到达。必须适当考虑服务质量（QoS）测量，如吞吐量、利用率、延迟、抖动和数据包丢失。

然而，延迟带来了一个特殊的挑战。延迟测量涉及使用两个测试仪器，即使相隔几公里，这两个仪器都需要以高精度参考完全相同的时间。在移动车辆的情况下，需要在测试仪器高速行驶时测量延迟。

定义延迟

Latency是延迟（Delay）的另一个术语。在电信中，它指的是数据包从源传输到目的地所需的时间。这是单向延迟，而不是往返延迟（Round-Trip Delay, RTD），由于网络中的延迟在前向和返回路径上很少相同，因此不能假设延迟与RTD除以2相同。

RTD通常被用作延迟的替代测量。然而，RTD指的是数据包通过网络传输，并通过远端的某种环回机制返回到源所需的时间。

Ping测试有时也被用作一种替代方法，因为它既简单又便宜。然而，Ping是一种RTD测量，通常不使用测试级仪器。虽然手机应用程序和基于PC的Ping结果可以提供RTD的粗略估计，但它是不可靠的，并且没有考虑数据在每个方向上传播所需的时间差异这一关键点。

如果可以保证传输路径在每个方向上的完美对称性，使得延迟相同，那么可以假设延迟（Latency）是RTD的一半。然而，由于许多原因，这种情况很少发生。如果每个单向数据流的路由不同，则路径长度可能会有所不同。我们还需要考虑网络和系统设备中的处理需要时间，网络可能会变得拥塞并导致缓冲。这些以及许多其他原因可能会导致网络延迟，所有这些都会影响延迟预算。

测量延迟

为了测量两个可能相距甚远的位置之间的延迟，需要两个测量仪器，其时钟通过全球导航卫星系统（GNSS）（如GPS）进行校准和同步。准确的时间记录在每个测试数据包离开发射测试仪器时。接收仪器将其与精确的到达时间进行比较，并计算数据包到达目的地所需的时间——这就是信号的延迟。

5G等移动通信网络需要支持时间关键型应用。根据3GPP的定义，5G是一种移动无线接入技术。移动设备，有时被称为用户设备（UE），与5G基站建立无线连接，进而提供与更广泛的电信网络的连接。如果UE正在移动，它将移入和移出基站的范围，并且连接将被切换到相邻的基站。由于每个5G小区的大小可能很小，因此这种切换过程可能会频繁发生。

这就提出了如何测量两个位置之间的延迟的问题，尤其是当至少有一个位置在移动时。首先，我们必须确保测量两端的参考时钟同步。传输协议必须支持包含准确时间戳的以太网测试帧，以便在两个方向上传输。然后，测试设备需要能够将结果与其地理位置一起记录下来，以充分了解所实现的延迟性能。

移动网络运营商（MNO）必须保证可靠的地理覆盖。确保这一点的一种方法是与其他MNO合作。然后，如果不能从主MNO实现网络覆盖，则有机会切换到替代网络并保持服务质量。因此，重要的是不仅要衡量主要MNO的服务质量，同时还要衡量所支持的MNO的质量。在这个例子中，我们同时测试两个MNO的服务。

使用安立测试设备，可以同时成功测量参考GPS位置的上行链路和下行链路延迟。

在图1的示例中，两个测试仪器测量行驶车辆和网络中固定位置之间的延迟、抖动和所有其他服务质量参数。移动路由器具有专用测试SIM和支持固定IP地址的APN。

图1

两个测试仪器的时钟都与GPS同步。该仪器还记录GPS位置，以便在记录QoS测量值时知道行驶车辆的确切位置。仪器持续测量，我们以每秒间隔记录每个参数的最大值、最小值和计算平均值（图2）。结果文件被存储用于仪器回放，并且可以.csv格式导出。

图2

QoS参数值与相应GPS位置的相关性允许创建.kml文件，这些文件可以在标准地图软件中查看，并且值可以与颜色编码相关联，以生成热图，从而轻松识别问题发生的位置。

在图3的例子中，测试仪器是在巴塞罗那FIRA展览中心周围走动时徒手携带的。图4显示了下行链路延迟的结果。

图3

图4

此外，基于在这些测试中获得的非常准确和广泛的数据集，可以使用网络的统计分析来创建例如累积分布函数（CDF）和分布曲线。

总之，由于关键任务应用的性质依赖于快速准确的信息通信，并需要对由此产生的决策采取行动，因此延迟正迅速成为任何数据通信网络最重要的质量衡量标准之一。

自动驾驶和自动化过程中的机器对机器通信等应用都越来越普遍。为了确保URLLC得到维护，5G网络中的延迟可能是充分理解和管理的最重要的关键参数。仅仅依靠基本Ping工具的不合格RTD测量是不够的，这不仅是因为Ping的准确性和不确定性令人怀疑，还因为网络和其他设备会产生在每个方向上变化的时间延迟。只有使用网络上适当的测试级仪器才能确保延迟和抖动测量。