WiFi終端Throughput測試分析及LTE終端Throughput測試研究

程　楊

(國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015)

WiFi終端Throughput測試分析及LTE終端Throughput測試研究

程楊

(國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015)

摘要:針對智能終端的WiFi接收模塊的吞吐量進行測試及結果分析得出結論，并對之前設計的測試吞吐量空口測試方法加以驗證，為智能終端的WiFi接收模塊設計提供數據參考和設計思路，為下一步智能電視性能測試標準提供參考依據和數據支撐，同時對移動終端(LTE終端)應用層吞吐量測試進行了延伸研究，介紹了相關測試概念和方法。

關鍵詞:WiFi；AP；吞吐量；LTE ；3GPP

2014年12月31日起，銷往歐洲市場帶有2.4GHz及5GHz頻段的帶有寬帶接入的終端設備將被強制要求執行新的ETSI的測試標準EN300 328V1.8.1[1]及EN301 893V1.7.1[2]。近日，國務院辦公廳印發《三網融合推廣方案》，加快在全國全面推進三網融合，推動信息網絡基礎設施互聯互通和資源共享。與此同時，有關移動終端(如LTE、HSPA等)的應用層數據吞吐量性能的測試也已成為國際上數字移動終端性能研究的熱點。我國目前現狀是，各種智能終端產品遍布市場、層出不窮，但其無線接收質量尚無約束監管，且無線接入設備的接收性能行標或國標亦未發布實施；而對于移動終端的數據交互性能測試研究更是滯后于WLAN終端性能的研究，且國際標準尚在研究之中，但是值得一提的是，目前歐美、日本等國的電信運營商已陸續將數字移動終端應用層吞吐量性能的測試納入到其數據性能測試標準中。本文筆者于兩年前開展了對WiFi接收性能研究，針對接收性能中的吞吐量(Throughput)[3-4]進行了大量測試，對相應的測試結果進行統計分析，并初步給出分析結論，并在此基礎上，對移動終端應用層的吞吐量測試進行了研究，介紹了相關測試方法和標準制訂現狀。

1WiFi終端吞吐量(Throughput)實驗室環境下測試

相關吞吐量概念、理論計算、實驗室校準及測試方法請詳見本文筆者已發表文章《智能終端WiFi模塊吞吐量測試方法探索》[5]。

微波暗室外為測試設備，具體有：可變衰減器、AP、控制服務器等。本文選取了一臺計算機一體機作為被測設備，WiFi接收模塊位于被測設備的背面。

采用3米法校準后[6]，啟動吞吐量測試。測試的設置如下：

1)只在2.4GHz頻段下進行了測試，5GHz頻段本文中不涉及。

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

3)模擬距離為10m(衰減60dB)和100m(衰減80dB)。

4)將轉臺360°水平旋轉，即每隔45°順時針旋轉一次轉臺，測得相應角度下的吞吐量。

5)AP的輸出功率為20dBm。

具體測試框圖如圖1所示。

圖1　測試框圖

2WiFi終端吞吐量(Throughput)實驗室測試結果分析

2.1測試結果

1)10m距離接收時，部分測試結果見表1。

表110m距離接收測試結果

旋轉角度/(°)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，部分測試結果見表2。

表2100m距離接收測試結果

旋轉角度/(°)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測試結果分析

1)接收效果受天線和WiFi模塊相對位置的影響很大，本文中的WiFi模塊位于被測設備背面，從測試結果來看，在135°和180°位置的Tx和Rx測試結果是最差的，即天線背對被測設備時的影響到其接收。所以在設計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，減少因其他模塊遮擋造成的接收盲區。

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

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

4)接收距離的影響也在測試結果中反映出來，且本文僅進行了凈信道測試，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移動終端應用層吞吐量性能測試研究

以往移動終端數據性能測試主要針對的是物理層的吞吐量性能，并且是在特定測試場景下的測試，其結果難以直接反映用戶的實際體驗效果。故和用戶使用密切相關的應用層吞吐量性能測試目前尚處在研究中。用戶體驗的操作流暢性是移動終端性能測試研究目前關注的熱點，鑒于此，3GPPTSGRAN5在2011年初開展應用層數據吞吐量的研究工作并形成了TR37.901技術報告[7]。GCF-PC(針對LTE終端的GCF認證)測試從2012年開始加入了數據性能測試。PTCRB認證也在積極推動應用層吞吐量測試，并成立專門的工作組進行標準研究并形成了測試用例。

3.1移動終端應用層吞吐量概念

應用層吞吐量是指一個測量周期內被測的數字移動終端與網絡系統之間在應用層上交互的有效數據總量。本文僅對LTE數字移動終端應用層吞吐量的測試進行研究，對其他制式的數字移動終端研究不涉及。測試涉及的傳輸層協議包括TCP和UDP，其中TCP協議面向連接，且為可靠的傳輸層協議，而UDP協議面向數據包，是無連接的不可靠協議。

移動終端應用層的數據交互和WLAN終端數據交互不同，其方向包含上行、下行、上下行同時和上下行交替4種。這4種均是目前數據業務的常見場景。吞吐量性能測試應覆蓋上述四種數據方向。

3.2移動終端應用層吞吐量測試介紹

數字移動終端和測試系統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別主要在于客戶端程序的運行方法。Tethered連接模式是將一臺數字移動終端與一臺計算機通過USB等方式連接，數字移動終端與無線網絡測試系統之間建立無線連接，計算機內安裝數據傳輸的客戶端應用軟件，該通過數字移動終端，與網絡測的數據傳輸服務器建立數據傳輸。對于Embedded連接模式，數據傳輸客戶端應用軟件運行于數字移動終端內部，省略了與移動終端連接的計算機。

Tethered模式下的測試連接圖如圖2所示。

圖2　Tethered模式框圖

Embedded模式下的測試連接圖如圖3所示。

圖3　Embedded模式框圖

在測試系統中設置不同的傳輸環境，并測試數據傳輸應用程序的服務器端與客戶端之間達到的平均應用層數據傳輸速率。

測試環境方面，除了測試理想情況(即無衰落、無干擾、網絡信號良好)下的上行和下行吞吐量測試外，還要考慮移動終端到在不同環境情況下的性能指標，一個完整的吞吐量性能測試場景，應包括特定的網絡信號強度、特定的衰落環境和特定等級的干擾等主要因素。

LTE終端吞吐量測試應覆蓋其終端支持的所有發射模式，比如SIMO、接收分集、發射分集、開環MIMO、閉環MIMO等。

3.3移動終端應用層吞吐量測試標準

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

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

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

4結束語

兩年前筆者先后發表過兩篇關于WiFi接收終端吞吐量測試的研究論文，本文基于大量試驗結果，是對其研究成果的驗證總結。無線測試的研究難度很大，試驗環節中的復雜多變性大大增加了其結果的不確定度。隨著三網融合方案的推出，對于吞吐量測試研究進行了延伸，更將其擴展至了數字移動終端領域。亟待隨著國家三網融合的提速政策推動和智能終端產品的日新月異，無線接收標準制訂實施的迫切性已日益凸顯。

參考文獻：

[1]ETSIEN301 893v1.7.1，Broadbandradioaccessnetworks(BRAN)；5GHzhighperformanceRLAN；harmonizedENcoveringtheessentialrequirementsofarticle3.2oftheR&TTEdirective[S].2012.

[2]ETSIEN300328v1.8.1，Electromagneticcompatibilityandradiospectrummatters(ERM)；widebandtransmissionsystems；eatatransmissionequipmentoperatinginthe2.4GHzISMbandandusingwidebandmodulationtechniques1212；harmonizedENcoveringtheessentialrequirementsofarticle3.2oftheR&TTEdirective[S].2012.

[3]IEEE802.11n，Standardforinformationtechnology.part11：wirelessLANmediumaccesscontrol(MAC)andphysicallayer(PHY)specifications[S].2009.

[4]YDC079—2009《移動用戶終端無線局域網技術指標和測量方法》[S].2009.

[5]程楊. 智能終端Wi-CFi模塊吞吐量測試方法探索[J]. 電視技術，2013，37(24)：59-60.

[6]程楊，耿軍生.WiFi終端測試的實驗室環境下自由空間損耗驗證[J]. 電視技術，2013，37(18)：102-103.

[7]移動互聯網應用和終端技術工作委員會(TC11)總體工作組(WG3)數字移動終端應用層數據吞吐量性能測試技術研究報告[R].北京：[出版社不詳]，2015.

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:TN949.6

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.030

基金項目：普及地面數字電視接收機公共服務平臺項目(財建[2014]513號；工信部財[2014]425號)

作者簡介：

程楊(1981— )，女，高級工程師，數字電視終端產品測試工程師。

責任編輯：閆雯雯

收稿日期：2015-06-18

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

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