5G 双卡双通终端测试系统设计与实现

［吴海波 张婷］

1 引言

5G 时代，随着业务形态多样化，5G 双卡终端射频能力不断提升，2Tx/4Rx 已成为多数NSA/SA 终端的标配，终端天然支持同时与两个网络建立连接，为5G 终端向双卡双通演进提供了硬件基础。

当前3GPP 5G 双卡双通标准处于研究阶段，5G 双卡终端的技术实现属私有化解决方案，方案不一致导致终端功、性能差异明显，给运营商5G 网络运营带来不少挑战。缺乏标准化的仪表验证系统，双卡终端仅能在现网进行部分功能验证，存在测试场景受外界干扰因素多、一致性差等诸多缺陷，加上终端产业链发展参差不齐，双卡双通终端市场难以繁荣发展。

为解决5G 双卡双通终端通话和数据业务方面的功、性能与网络兼容性等问题，根据终端应用场景，项目组设计出一套模拟运营商NSA/SA+LTE 网络配置、功能齐全的5G 双卡双通终端测试系统，保障电信用户的良好双卡终端体验。该系统可全面验证终端双卡业务并发时的主卡上/下行及双向峰值速率及副卡VoLTE语音质量方面的功、性能，并实时输出验证结果。

2 5G 双卡双通终端测试系统总体设计方案

2.1 测试系统总体要求和主要功能

双卡双通终端测试系统要求具备4G+5G 网络仿真仪（含基带、射频等硬件单元）功能，支持实现双卡终端两张卡分别接入NR 和LTE 小区。满足非独立组网NSA option 3x 组网架构，模拟4G LTE 核心网、LTE 小区和NR 小区，支持现网LTE 频段和NR 频段组合，LTE 小区支持VoLTE。满足非独立组网SA option 2 组网架构，模拟5G 核心网和NR 小区，支持5G NR 下行 4*4 MIMO 及EPS Fallback，支持现网NR 频段。

2.2 测试系统硬件设计方案

测试系统硬件主要由测试主控电脑、双卡业务服务器、通用测试仪表、语音业务质量和数据业务性能评估工具以及被测双卡终端组成，架构示意图如图1 所示。

图1 硬件架构示意图

下面是各硬件组成部分主要功能。

（1）测试主控电脑

①运行测试主控程序、脚本，主要用于LTE 协议栈射频单元及5G 协议栈射频单元的功率调整，以协助被测双卡终端完成小区建立。

②构造双卡终端空口信令，完成双卡终端两张SIM卡的接入，切换，通话及数据业务建立的流程。

③监听LTE、5G 协议栈数据传输情况，通过AT 接口控制被测终端并使用数据业务性能评估工具完成数据性能统计分析；使用语音业务质量评估工具完成发送控制指令，播放参考语音，接收并录音，并通过集成POLQA 算法的语音评测系统对语音测试数据进行对比打分，得到MOS分，最终输出测试报告。

（2）双卡业务服务器

配置固定IP 地址，配合被测双卡终端完成FTP 登录，数据上传、下载、并发等过程，也可主动向终端完成指定IP 地址的数据传输功能，并对数据传输性能进行统计。

（3）通用测试仪表——5G 协议栈及射频单元

具有5G NSA 仿真能力，支持仿真3GPP Release15 2019 年6 月及后续版本核心规范定义的功能，支持2 个5G NR 小区建立能力，支持NR 频段组合。能够完成5G侧PDCP 层，RLC 层,MAC 层数据的处理，完成5G 射频信号的调制、解调，配合终端完成空口随机接入及无线链路建立等过程。

（4）通用测试仪表——LTE 协议栈及射频单元

①支持至少3 个LTE 小区建立能力,支持TDD 和FDD 制式，支持LTE 频段组合。完成LTE 侧PDCP 层，RLC 层,MAC 层数据的处理，完成LTE 侧射频信号的调制、解调，配合被测双卡终端完成空口随机接入及无线链路建立等过程。

②具备多用户同时接入协议栈的功能以应对双卡终端两张SIM 卡同时在4G 和5G 网络注册。

（5）语音业务质量评估工具

使用音频线与被测双卡终端连接，具备音频输出，音频录入功能，并配合测试主控电脑中的语音评测系统完成副卡VoLTE 语音质量MOS 评分。

（6）数据业务性能评估工具

安装在测试主控电脑里，配合完成主卡NR 数据业务上/下行和双向平均速率及BLER 等关键指标统计与分析。

2.3 测试系统软件设计方案

测试系统软件方案主要根据双卡双通终端主卡支持5G NR 数据业务和副卡支持VoLTE 语音业务来设计的。

系统软件设计示意图如图2 所示。

图2 系统软件设计示意图

主卡NR 数据业务实现流程：建立NR 小区→uu 口无线信号接收→数字转换/数字中频→随机接入、信道估计→NR 业务建立→数据性能测试→结果分析。

副卡VoLTE 语音业务实现流程：建立LTE 小区→uu口无线信号接收→数字转换/数字中频→随机接入、信道估计→VoLTE 业务建立→通话语音测试→结果分析。

主控测试软件提供测试主界面，用于进行可调整参数（频段，终端能力）的配置，抓取LTE、5G 协议栈RRC 层、PDCP 层、RLC 层、MAC 层数据传输记录，记录数据传输测试上/下行速率、丢包率、BLER 等指标。主控测试软件还通过语音业务质量评估工具进行播放、录音、抓取终端的音频数据，最终完成基于POLQA 算法的语音评分，生成测试报告。

2.4 5G NR 数据业务性能评估设计与实现

（1）5G NR 数据业务性能评估方案

为了评估双卡终端的5G NR 数据业务性能，双卡双通终端测试系统集成了5G NR 数据业务性能评估工具，它采用行业广泛使用的数据灌包工具Iperf 来模拟NR 数据业务包的收发。为降低空口传输信道干扰，被测双卡终端通过射频传导线与测试系统Tx/Rx 端口直连，接受测试系统模拟网络业务调度的控制信令，进行上/下行、双向数据包收发，并实时信令交互等。通过测试主控电脑查看Iperf 提供的数据发送、接收量，数据包传输延迟抖动、丢失率、最大传输单元等统计信息，就可以判断终端上/下行、双向的收发吞吐能力。

（2）5G NR 数据业务性能评估流程

以5G NR 数据业务双向峰值速率评估为例，测试流程主要有：第一步：按数据业务双向峰值速率测试规范编写仪表测试用例。

第二步：按要求把被测双卡终端使用射频线与测试系统连接好，维持物理通路联通，保证终端可与NR 网络建立连接。

第三步：运行仪表测试用例，根据用例提示，启动iperf 对被测终端进行双向灌包，模拟NR 数据业务数据包双向传输。

第四步：数据业务性能评估工具记录仪表MAC、PDCP 层上/下行吞吐量及BLER 实时波动变化。

第五步：重复步骤三、四测试5 次，测试系统计算出一个上/下行峰值速率及BLER 均值，测试结束。

2.5 VoLTE 语音质量评估设计与实现

（1）MOS 的基本概念

语音质量测量的目的是通过主观或客观的测量方法，即通过人为的测量项或基于软硬件的测量工具，对一种或多种以上的呼叫质量类别给出一个可信的估计。ITU-T建议P.830 描述了一种对语音的主观评定方法——MOS（Mean Opinion Score）方法，将用户接听和感知语音质量的行为进行调研和量化，由不同的调查用户分别对原始标准语音和经过网络传输后的声音进行主观感受对比，评出MOS 分值。

表1 为MOS 分值判别标准。

表1 MOS 分值判别标准

MOS 方法是基于用户主观感觉的一种模糊的评估方法，能体现出用户对VoLTE 语音质量最直观的判断。

（2）VoLTE 语音质量评估方案

为了评估双卡终端VoLTE 语音业务质量，双卡双通终端测试系统集成业界主流仪表商的语音业务质量评估工具，其核心仪表为MOS 盒。MOS 盒通过USB 接口与测试主控电脑连接，通过音频线与被测终端连接。终端模拟进行MO/MT CALL 时，由测试主控电脑上安装的测试软件来控制放音和录音。放音内容为标准参考语料，录音内容为经过终端处理后播放给MOS 盒的语音内容。这两种语音内容最后通过语音业务质量评估工具中集成的POLQA（PerceptualObjectiveListening Quality Analysis,感知客观语音质量评估）算法进行对比打分，得出MOS 分值。

（3）VoLTE 语音质量评估流程

VoLTE 语音质量评估测试流程有5 步。

第一步：按VoLTE 语音质量评估测试规范编写仪表测试用例。

第二步：被测双卡终端按要求分别使用射频线与测试系统、使用音频线与MOS 盒连接好，保证终端可与LTE网络建立连接。

第三步：运行仪表测试用例，根据用例提示，被测终端进行MO/MT CALL。

第四步：语音业务质量评估工具对终端上/下行语音质量进行MOS 打分及统计通话回环时延等。

第五步：重复步骤三、四，测试5 次，测试系统计算出一个上/下行语音质量 MOS 分值及回环时延等，测试结束。

3 实测数据分析与验证

为了确保双卡终端双通时的业务体验，避免业务并发时主/副卡业务互相干扰而影响通话或数据性能，项目组利用5G 双卡双通终端测试系统对市面多款主流5G 双卡双通终端业务并发时的语音质量和数据性能进行全面的评估，测试场景覆盖主卡NSA+副卡LTE、主卡SA+副卡LTE，还分别与终端单卡（包括副卡空闲态）性能做对比。

在主卡NSA+副卡LTE 测试场景中：NSA Option 3x网络，以LTE eNB 为主基站（MN），NR gNB 为从站（SN），所有的控制面信令都经由LTE eNB 转发，数据面无线承载由LTE eNB 与NR gNB 同时服务。根据5G 双卡双通终端实际应用场景，测试系统设置了建立在5G gNB 侧的分离式承载（Split Bearer），5G gNB 根据分流比例系数将部分PDCP 包通过Xx 接口转发给LTE eNB 的RLC 层，剩余大部分PDCP 包直接通过NR RLC 进行传输，被测终端主卡使用4G 和5G 两路射频发射通道，同时接收来自LTE eNB 和5G gNB 两个系统中的下行数据，实现负荷分担和资源协调功能。

被测终端副卡使用4G 射频发射通道，连接到LTE eNB，进行VoLTE 语音业务。

表2 为双卡双通终端驻网在NSA 网络，单/双通两种对比测试场景下的验证结果。

表2 NSA 网络下的单/双通验证数据

从验证数据来看，双卡双通终端业务并发时，副卡VoLTE 语音业务上/下行MOS 分都超过4 分，达到“优”级别。主卡5G NR 数据业务上/下行平均速率接近达到理论值[上行理论峰值速率粗略计算：单用户1Tx—273RB*12子载波*11 符号（扣除开销）*0.657/ms*6 bit（64QAM）*1 流=142 Mbit/s；下行理论峰值速率粗略计算：单用户MIMO 4Rx —273*12*11*1.2 857*1 000*4*8≈1.48 Gbit/s]，其中 SN 侧Split Bearer 配置下eNB 上/下行平均速率值也与系统设置的分流比例系数10%相符，体现了被测双卡终端在EN-DC 双连接下可同时接收MCG 和SCG 的下行数据包。对比单通（副卡空闲态/单卡）NSA 数据/VoLTE 业务的验证结果，双通终端的主副卡NSA 数据+VoLTE 业务性能表现与单通大致相当，无明显差异。

主卡SA+副卡LTE 测试场景中，参与实验室测试系统验证的5G 双卡双通终端下行接收能力一直维持4Rx 能力不变，上行发射能力与副卡业务状态相关，当副卡空闲态接入SA 网络时，终端上行上报2Tx 最大能力，而当副卡业务态时，上行能力回退至1Tx。表3 为双卡双通终端驻网在SA网络，单/双通两种对比测试场景下的验证结果。

表3 SA 网络下的单/双通验证数据

从验证数据可看出，5G 双卡双通终端在副卡空闲态时，上报上行2 Tx 最大能力，NR 上行平均速率可达272.1 Mbit/s，而当双卡业务并发时，主卡上行2 Tx 能力减半至1Tx，让出一路射频发射通道供副卡VoLTE 语音业务使用，VoLTE 语音上/下行MOS 分均超过4 分。对比单通（副卡空闲态/单卡）SA 数据验证结果，被测双通终端业务并发时上行发射能力减半，下行接收能力维持4Rx 不变，用户双通业务体验比单通时更优。

通过以上验证得知，5G 双卡双通终端的标准配置为2Tx/4Rx，具备支持双卡业务并发的硬件基础，在不增加射频硬件成本的前提下，通过优化终端设计，提升终端性能，可保障双卡终端用户体验更优。业务并发时，主/副卡可同时与两个网络建立连接，双卡业务不会互相干扰、互相影响，具备商用能力。

4 结束语

双卡终端是5G 时代的主流产品形态，随着终端射频能力提升，业务形态多样化，业务对速率需求不断提升，推动双卡双通实现跨运营商、多业务并发将成为业界未来重点的研究课题。后续项目组将继续开展5G 双卡终端关键技术研究，不断完善双卡双通终端测试系统功能，逐步解决双卡终端射频互扰、功率控制，射频能力协商、功耗等问题，致力于引领3GPP 5G 双卡终端技术标准化，全面提升双卡双通终端的功、性能和网络兼容性，推动5G双卡终端向数据双通方向演进。