面向技術融合的行業無線通信網絡測試方法研究

摘要：不同通信體制網絡融合應用在行業無線網絡中普遍存在，其多元化的融合方式和碎片化的應用使得傳統低維度的網絡測試驗證手段難以體現用戶的實際使用感知，為行業網絡層的評測和驗收工作帶來了挑戰。面對這一問題，文章通過對行業融合網絡實現方式和行業應用特點的分析，論證了不同測試方式的可行性，提出了通過典型業務性能開展標準化網絡測試的思路，并給出了對典型業務的分類建議。

關鍵詞：多體制融合；網絡質量測試；音視頻通話

中圖分類號：TN927文獻標志碼：A

0 引言

近年，在國家政策引領和垂直行業轉型升級需求的雙重作用下，5G技術在行業生產中的應用逐漸普及。5G網絡工作在授權頻段，覆蓋廣泛，能夠與有線、WLAN等IP網絡無縫銜接，并且其應用場景中包含對低時延高可靠和海量設備接入的支持，非常適用于各行業場景中的無線數據傳輸，也讓通信技術重新成了行業轉型的關注熱點。事實上，在5G技術之前，行業應用中已經存在部分經過長期驗證的無線或有線通信網絡。雖然5G技術在各方面均具備很好的行業應用前景，但是主要面向行業的5G URLLC、mMTC場景目前尚未落地商用；藍牙、ZigBee、LoRa、工業現場總線等部分通信體制在成本、功耗、部署靈活程度中的特定維度上依然存在一定優勢，既有生態依然有著較強的生命力；通信技術的全面更新升級對大部分重資產行業會產生難以接受的沉沒成本和不確定性等因素，當前多數具備一定信息化基礎的企業選擇通過“漸進式升級”，在實際生產中采用多體制融合的方式引入新的無線通信系統，針對不同體系技術融合應用的研究創新也在不斷涌現［1-3］。可以預見，在未來一段時間內，根據生產需求，對不同通信體制取長補短，靈活應用，依然將會是行業網絡的主流方式。

然而，由于技術選擇多樣，融合方式不一，多體制融合的行業網絡給網絡測試驗證的標準化帶來了巨大的挑戰。當前大部分行業虛擬專網中普遍使用的、用單一體制傳統網絡測試指標體系衡量網絡質量的方法顯然無法滿足行業用戶對網絡能力的認知需求。研究人員需要研究和建立標準化的測試方法，為網絡規劃、設計、部署提供基礎，為網絡建設驗收提供依據，為后續的網絡運營維護提供參考。

1 行業網絡多體制融合方式及測試挑戰

公眾網絡主要滿足人民群眾的聯絡和消費需求，絕大多數用戶主要關注網絡的數據傳輸速率。與之相比，行業網絡應用主要用于保證生產流程和各項業務的正常運轉，不同的應用對性能的關注重點有著較大差異。除覆蓋和通信帶寬外，數據傳輸的時延、可靠性、安全性、終端接入數量、部署便利性和靈活性、部署和運營維護成本、終端功耗等因素都可能成為評估選擇的依據。不同體制的通信網絡在這些方面各有所長，在實際行業網絡中不同通信體制的融合應用普遍存在。不同通信體制融合主要包括兩種方式：

1.1 不同網絡體制級聯

不同網絡體制級聯即不同網絡體制負責數據鏈條的不同段落，“串聯”實現應用，如圖1所示，通常適用于單一體制無法完全實現業務或在既有系統中引入新體制的情況。這樣的方式既可在完整業務鏈路中發揮各體制的優勢，也一定程度上照顧了既有系統的投入，降低了技術迭代成本。例如，在遠洋/野外勘測/救援等作業區域無陸基蜂窩網絡覆蓋，需要引入衛星鏈路實現與作業區域專業設備通信的應用場景中，一種常見的做法是使用車載/艦載地面站建立WLAN AP，使得商用終端/專用工具能夠通過普通WLAN鏈路接入網絡共享衛星鏈路。另一個典型的應用案例是在港口、車間中利用5G工業網關將整體現場網絡接入5G無線網絡，可在不對原有系統進行大規模改造的情況下，實現對通過現場總線進行讀取和操作的傳感器和控制設備的遠程傳感和控制。

1.2 不同網絡體制切換/分配

不同網絡體制切換/分配即不同網絡體制的鏈路實現相同的邏輯功能，通過多體制“并聯”提高應用可靠性或性能的方式，如圖2所示，多用于需要同時適應不同使用環境或需要高可靠性的場合。典型行業應用包括野外勘測用的多模終端（支持天通、蜂窩網絡、點對點等制式），關鍵傳感鏈路或控制鏈路中利用不同制式多發選收提升數據傳輸的可靠性，無線傳感器網絡中傳感器數據的ZigBee/藍牙廣播自主選擇等。其中部分應用案例中已經實現了根據所處網絡環境在使用者無感知情況下對通信體制的自動選擇。盡管當前的應用尚多以切換方式工作，優選一種能夠保證質量的鏈路開展業務，但這種“多網在線”的模式原理已經實現利用不同制式對業務數據按優先級分制式同時傳輸的技術能力，具備在進一步的迭代中通過不同網絡優勢的疊加實現傳輸性能優化和提升的潛力。

在不同網絡體制級聯的結構中，網絡的整體應用體驗不僅與應用所涉及的各網絡段落自身能力相關，還會受到不同網絡體制間網關設備的轉發能力、優化策略等的影響；而在不同網絡體制切換分配式的網絡結構中，制式選擇、數據分配等應用層優化策略也會對用戶的應用體驗產生重要影響。以上兩種模型僅代表了行業無線通信網絡中異構融合網絡的兩種典型范式，實際網絡應用方式多為二者的混合，其實現更為復雜。網絡應用技術和融合方式靈活多變是行業網絡相較公眾網絡的主要特點，是行業應用需求多樣、行業用戶基礎不同現狀下行業網絡發展的必然階段。在這樣的情況下，傳統從網絡側出發，以網絡基礎參數（如網絡覆蓋電平、信噪比、通信時延和接入速率等指標）評價網絡質量的方式無法直觀體現多體制融合網絡綜合應用的體驗，難以滿足行業用戶對網絡的評測和驗收需求。

2 融合網絡測試路徑

針對網絡能力的另一種通用測試范式是從應用側出發，驗證網絡能夠保證應用的正常運行［4-5］。即，將融合網絡及其中的實現機制整體視為黑盒，從輸入輸出直接考察融合網絡實現用戶業務的能力。相較無線通信的技術實現而言，大部分行業用戶更加重視應用質量的保證，因此對行業融合網絡的測試驗證更適于基于應用體驗進行設計。在整體驗證各類網絡應用的端到端體驗后，僅針對存在問題的應用和鏈路，以問題排查為目的對其鏈路網絡基礎、數據傳輸和/或數據處理開展測試，是較為高效和可行的實施方法。

面向應用體驗的網絡質量測試驗證在行業融合網絡中同樣會存在應用方式差異的挑戰。不同于公眾網絡中存在諸多市場占有率極高，其體驗可代表大多數用戶體驗的現狀，行業網絡中的應用多由用戶定制，不同行業、不同企業的實現邏輯各不一致。面向碎片化的定制應用，需要通過適度分解抽象，提取出有限數量、能夠代表網絡性能的典型業務類型，針對各類業務端到端用戶體驗開展業務完成度指標和測試方法的研究，以建立成本可控、可操作的標準化測試體系，指導現場測試工作。

針對實際融合網絡開展測試時，通過對融合網絡中實際應用的分解確定各類待測業務，并通過標準化測試方法網絡現場獲取該業務在融合網絡中的端到端業務性能。當被測網絡能夠滿足所有涉及業務的用戶體驗要求時，可認為當前網絡質量及應用解決方案能夠滿足需求。

3 典型業務分類

構建完整的無線通信網絡行業應用測試體系，需要對行業各類應用進行分析和拆解，在建立定義明確、范圍相互獨立的典型業務集后，針對各類典型業務的端到端業務體驗開展測試方法的研究。目前，行業網絡中的主流應用模式均可以分解為遠程控制、視覺實時、音視頻通話、文件傳輸、傳感參數采集、定位和授時6類典型業務的組合。各典型業務的分類定義、使用場景、傳輸方式和質量關注重點如下：

3.1 遠程控制

遠程控制類業務指由控制終端或服務器發送控制命令，經由網絡操作被控設備執行相應動作的業務。遠程控制業務相關數據傳輸方式通常是尺寸較小的一系列連續數據包，業務體驗的主要指標主要包括端到端的控制成功率及單向控制時延等。

3.2 視覺實時

視覺實時類業務指對傳輸和呈現時間有要求的視頻、圖像傳輸業務，例如控制動作中的反饋視頻傳輸，需要實時或準實時處理的安防監控、人臉識別、儀表識別、巡檢視頻回傳等。其中，圖像內容主要以文件方式傳輸，視頻內容主要通過標準流媒體方式傳輸。視覺實時類應用主要的關注重點在于傳輸內容的呈現質量，如視頻內容完整性、連續性和端到端時延等。

3.3 音視頻通話

音視頻通話類業務指包含音頻、視頻交互的實時通話業務。音視頻通話可在4G/5G網絡中通過運營商的VoLTE/VoNR實現，也可利用應用提供商通過OTT方式實現，通常應用于遠程技術支持、實時培訓等場景。音視頻通話類業務的關注重點主要在于通話中的聲音、畫面質量、音畫同步以及媒體內容傳輸的端到端時延等指標。

3.4 文件傳輸

文件傳輸類業務指在網絡中傳輸符合實際應用需求文件的相關業務，通常應用于數字化辦公場景，通常在IP網絡中通過HTTP、FTP等協議實現。文件傳輸類業務的關注重點主要在于不同文件傳輸模式下的傳輸速率和傳輸完成時間。

3.5 傳感參數采集

傳感參數采集類業務指通過網絡采集各類傳感器數據的業務類型，主要應用于使用大量無線傳感器的場景，如大范圍的狀態采集、設備預測性維護等。傳感器對外傳輸的數據量很小，但應用中可能存在很高的并發，目前多通過ZigBee、BLE、NB-IoT等技術實現。傳感參數采集類業務質量的關注重點在于對網絡對海量接入的支持及終端的功耗等。

3.6 定位和授時

定位和授時是指通過無線網絡對特定設備進行定位或提供準確時間信息的業務類型。大部分無線定位和授時業務依靠的是無線網絡和信號的物理特性，例如信號到達時間/相位等，而非網絡的數據傳輸能力。目前常見的定位授時技術主要通過GNSS、UWB、藍牙等技術實現。定位和授時類業務質量的關注重點在于定位、授時的準確度、響應時間、更新頻次等。

基于用戶對各類典型業務質量的主要關注點構建指標集合，并針對各指標設計標準化測試方案，即屏蔽測試網絡技術選擇、結構、融合方案等實際實現，形成針對定制融合網絡的標準化測試驗證方法。以此類方法在被測網絡中開展測試工作，測試結果真實體現被測網絡和業務實現中的業務體驗，也更易于被用戶理解接受。

4 結語

面對行業無線通信網絡多網絡體制融合、應用需求多元化、應用實現碎片化的現狀，通過提取行業應用典型業務，通過其端到端體驗開展標準化網絡測試能夠屏蔽網絡中的技術細節，從實際體驗角度驗證網絡支持用戶應用的能力，是構建對多體制融合網絡普遍適用標準化測試方法的可行思路。文中所述的業務分類和關鍵指標定義方向，可以作為多體制融合網絡業務質量測試方案的設計參考。

參考文獻

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［2］張景峰，李騰飛，農華斌，等.面向智慧醫療應用的5G+UWB高精度室內定位［J］.中國新通信，2021（7）：70-73.

［3］邵彥杰.基于5G無線通信的電動挖掘機遠程遙控系統研究［D］.廈門：華僑大學，2022.

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［5］方忠士，張薇，李顥.基于用戶感知的5G網絡評測工具設計及應用［J］.上海信息化，2022（6）：30-35.

Research on testing method of industrial wireless communication network oriented to technology convergence

LiuJing， HeXiaolan， GuoWen， YangBo

（Department of Wireless Technology of CTTL-systems， China Telecommunication Technology Labs， China

Academy of Information and Communications Technology （formerly CATR）， Beijing 100010， China）

Abstract：The application of network convergence of different communication systems is ubiquitous in industrial wireless networks. Its diversified convergence mode and fragmented application make it difficult for traditional low-dimensional network testing and verification methods to reflect users’ actual use perception， which brings challenges to the evaluation and acceptance of industrial network layers. Faced with this problem， this paper demonstrates the feasibility of different testing methods through the analysis of the implementation mode and application characteristics of industry convergence network， puts forward the idea of carrying out standardized network testing through the performance of typical services， and gives suggestions on the classification of typical services.

Key words： multi-system integration; network quality test; audio and video call