WiFi终端Throughput测试分析及LTE终端Throughput测试研究

程　杨

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015)

WiFi终端Throughput测试分析及LTE终端Throughput测试研究

程杨

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015)

摘要:针对智能终端的WiFi接收模块的吞吐量进行测试及结果分析得出结论，并对之前设计的测试吞吐量空口测试方法加以验证，为智能终端的WiFi接收模块设计提供数据参考和设计思路，为下一步智能电视性能测试标准提供参考依据和数据支撑，同时对移动终端(LTE终端)应用层吞吐量测试进行了延伸研究，介绍了相关测试概念和方法。

关键词:WiFi；AP；吞吐量；LTE ；3GPP

2014年12月31日起，销往欧洲市场带有2.4GHz及5GHz频段的带有宽带接入的终端设备将被强制要求执行新的ETSI的测试标准EN300 328V1.8.1[1]及EN301 893V1.7.1[2]。近日，国务院办公厅印发《三网融合推广方案》，加快在全国全面推进三网融合，推动信息网络基础设施互联互通和资源共享。与此同时，有关移动终端(如LTE、HSPA等)的应用层数据吞吐量性能的测试也已成为国际上数字移动终端性能研究的热点。我国目前现状是，各种智能终端产品遍布市场、层出不穷，但其无线接收质量尚无约束监管，且无线接入设备的接收性能行标或国标亦未发布实施；而对于移动终端的数据交互性能测试研究更是滞后于WLAN终端性能的研究，且国际标准尚在研究之中，但是值得一提的是，目前欧美、日本等国的电信运营商已陆续将数字移动终端应用层吞吐量性能的测试纳入到其数据性能测试标准中。本文笔者于两年前开展了对WiFi接收性能研究，针对接收性能中的吞吐量(Throughput)[3-4]进行了大量测试，对相应的测试结果进行统计分析，并初步给出分析结论，并在此基础上，对移动终端应用层的吞吐量测试进行了研究，介绍了相关测试方法和标准制订现状。

1WiFi终端吞吐量(Throughput)实验室环境下测试

相关吞吐量概念、理论计算、实验室校准及测试方法请详见本文笔者已发表文章《智能终端WiFi模块吞吐量测试方法探索》[5]。

微波暗室外为测试设备，具体有：可变衰减器、AP、控制服务器等。本文选取了一台计算机一体机作为被测设备，WiFi接收模块位于被测设备的背面。

采用3米法校准后[6]，启动吞吐量测试。测试的设置如下：

1)只在2.4GHz频段下进行了测试，5GHz频段本文中不涉及。

2)对IEEE802.11a/b/g/n四种模式均设置测试，其中n模式在20MHz和40MHz带宽下均测试，测试频道均选择channel1。

3)模拟距离为10m(衰减60dB)和100m(衰减80dB)。

4)将转台360°水平旋转，即每隔45°顺时针旋转一次转台，测得相应角度下的吞吐量。

5)AP的输出功率为20dBm。

具体测试框图如图1所示。

图1　测试框图

2WiFi终端吞吐量(Throughput)实验室测试结果分析

2.1测试结果

1)10m距离接收时，部分测试结果见表1。

表110m距离接收测试结果

旋转角度/(°)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距离接收时，部分测试结果见表2。

表2100m距离接收测试结果

旋转角度/(°)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测试结果分析

1)接收效果受天线和WiFi模块相对位置的影响很大，本文中的WiFi模块位于被测设备背面，从测试结果来看，在135°和180°位置的Tx和Rx测试结果是最差的，即天线背对被测设备时的影响到其接收。所以在设计WiFi模块是要考虑到位置的因素，尽可能使得WiFi接收天线可以多角度接收到外部信号，减少因其他模块遮挡造成的接收盲区。

2)从测试结果来看，IEEE802.11n模式的接收效果明显优于其他模式，显示出数量级的差别，表明IEEE802.11n模式(40MHz)的WiFi接收模式优越性，下一步的测试研究应着重放在IEEE802.11n和IEEE802.11ac两种模式之间做比较。

3)本文仅测试了水平相对接收位置的吞吐量测试结果，对于垂直方向和其他方向的测试结果尚未提供，故本测试结果仅反映出一部分接收规律，并不能反映全部问题。

4)接收距离的影响也在测试结果中反映出来，且本文仅进行了净信道测试，并未外加各种噪声或干扰，目前WiFi接收也仅限于短距离接收。

3移动终端应用层吞吐量性能测试研究

以往移动终端数据性能测试主要针对的是物理层的吞吐量性能，并且是在特定测试场景下的测试，其结果难以直接反映用户的实际体验效果。故和用户使用密切相关的应用层吞吐量性能测试目前尚处在研究中。用户体验的操作流畅性是移动终端性能测试研究目前关注的热点，鉴于此，3GPPTSGRAN5在2011年初开展应用层数据吞吐量的研究工作并形成了TR37.901技术报告[7]。GCF-PC(针对LTE终端的GCF认证)测试从2012年开始加入了数据性能测试。PTCRB认证也在积极推动应用层吞吐量测试，并成立专门的工作组进行标准研究并形成了测试用例。

3.1移动终端应用层吞吐量概念

应用层吞吐量是指一个测量周期内被测的数字移动终端与网络系统之间在应用层上交互的有效数据总量。本文仅对LTE数字移动终端应用层吞吐量的测试进行研究，对其他制式的数字移动终端研究不涉及。测试涉及的传输层协议包括TCP和UDP，其中TCP协议面向连接，且为可靠的传输层协议，而UDP协议面向数据包，是无连接的不可靠协议。

移动终端应用层的数据交互和WLAN终端数据交互不同，其方向包含上行、下行、上下行同时和上下行交替4种。这4种均是目前数据业务的常见场景。吞吐量性能测试应覆盖上述四种数据方向。

3.2移动终端应用层吞吐量测试介绍

数字移动终端和测试系统之间的连接方式分为Tethered和Embedded两种，详见图2和图3。由图可见此两种连接方式的区别主要在于客户端程序的运行方法。Tethered连接模式是将一台数字移动终端与一台计算机通过USB等方式连接，数字移动终端与无线网络测试系统之间建立无线连接，计算机内安装数据传输的客户端应用软件，该通过数字移动终端，与网络测的数据传输服务器建立数据传输。对于Embedded连接模式，数据传输客户端应用软件运行于数字移动终端内部，省略了与移动终端连接的计算机。

Tethered模式下的测试连接图如图2所示。

图2　Tethered模式框图

Embedded模式下的测试连接图如图3所示。

图3　Embedded模式框图

在测试系统中设置不同的传输环境，并测试数据传输应用程序的服务器端与客户端之间达到的平均应用层数据传输速率。

测试环境方面，除了测试理想情况(即无衰落、无干扰、网络信号良好)下的上行和下行吞吐量测试外，还要考虑移动终端到在不同环境情况下的性能指标，一个完整的吞吐量性能测试场景，应包括特定的网络信号强度、特定的衰落环境和特定等级的干扰等主要因素。

LTE终端吞吐量测试应覆盖其终端支持的所有发射模式，比如SIMO、接收分集、发射分集、开环MIMO、闭环MIMO等。

3.3移动终端应用层吞吐量测试标准

1)3GPP国际组织在2011年初的第50次会议上首次提出应用层吞吐量性能测试并提交了技术报告初稿TR37.901。技术报告描述了应用层吞吐量的测试目的和测试方法，并给出了HSPA和LTE的测试用例。目前最新的版本是V11.13.0。

2)GCF组织在2012年的GCF-PC中引入了数据性能的补充测试。此项性能测试主要参考了3GPPTR37.901的Annex中的测试规范。测试包括HDPA和LTE两部分。测试方法包括Tethered和Embedded两种。测试波段和测试带宽也遵循了3GPP的要求。GCF的测试用例覆盖了3GPPTR37.901的用例的绝大部分。

3)PTCRB组织在2013年5月的PVG61次会议开始形成工作组(RFT-113)和测试用例。工作组主要针对LTE的应用层吞吐量性能测试。测试用例方面在相对GCF简化了很多(只有19条)，但在测试带宽、频段和IP地址上又与GCF和3GPP有所不同。

4结束语

两年前笔者先后发表过两篇关于WiFi接收终端吞吐量测试的研究论文，本文基于大量试验结果，是对其研究成果的验证总结。无线测试的研究难度很大，试验环节中的复杂多变性大大增加了其结果的不确定度。随着三网融合方案的推出，对于吞吐量测试研究进行了延伸，更将其扩展至了数字移动终端领域。亟待随着国家三网融合的提速政策推动和智能终端产品的日新月异，无线接收标准制订实施的迫切性已日益凸显。

参考文献：

[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《移动用户终端无线局域网技术指标和测量方法》[S].2009.

[5]程杨. 智能终端Wi-CFi模块吞吐量测试方法探索[J]. 电视技术，2013，37(24)：59-60.

[6]程杨，耿军生.WiFi终端测试的实验室环境下自由空间损耗验证[J]. 电视技术，2013，37(18)：102-103.

[7]移动互联网应用和终端技术工作委员会(TC11)总体工作组(WG3)数字移动终端应用层数据吞吐量性能测试技术研究报告[R].北京：[出版社不详]，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

中图分类号:TN949.6

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.030

基金项目：普及地面数字电视接收机公共服务平台项目(财建[2014]513号；工信部财[2014]425号)

作者简介：

程杨(1981— )，女，高级工程师，数字电视终端产品测试工程师。

责任编辑：闫雯雯

收稿日期：2015-06-18

文献引用格式：程杨.WiFi终端Throughput测试分析及LTE终端Throughput测试研究[J].电视技术，2016，40(3)：142-145.

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