了解运营中的5G：首次测量研究

我们正站在5G时代…的前夕。5G作为蜂窝通信技术的重大转变，凭借其承诺的多Gbps速度、低于10毫秒的低延迟和大规模连接，在推动许多垂直行业的创新方面拥有巨大的潜力。

人们对5G寄予厚望，例如解锁超高清流媒体和VR中的新应用，以及物联网中的机器对机器通信。第一批5G网络现在已经部署并运营。在今天的论文选择中，作者调查了实际部署的5G是否能对得起炒作。简短的答案是否定的。这是一个很棒的分析，让我了解了5G的现实，以及我们最终要实现这一目标所面临的挑战。

这项研究基于世界上首批商用5G网络部署之一(于2019年4月启动)，即0.5 x 0.92公里的大学校园。预计在5G的推出和过渡阶段会很常见，该网络采用NSA(非独立接入)部署模型，其中数据平面使用5G无线电，但控制平面依赖于现有的4G。使用了三款不同的5G手机，包括一款具有强大通信(SDX 50 5G调制解调器)和计算(高通骁龙TM855)功能的中兴Axon10 Pro，以及256 GB的存储。这项研究调查了四个关键问题：

与4G相比，覆盖情况如何？(5G网络运行频率为3.5 GHz)。

我们的分析表明，有线路径、上层协议、计算和无线电硬件架构需要与5G共同演进，形成一个生态系统，才能充分释放其潜力。

通过步行测试(4-5 km/h)评估园区所有路段的覆盖范围，监控每个位置的5G和4G的物理层信息。园区内有6个5G基站，密度与城市部署相当。不同位置的信号强度如下图所示。红色三角形簇是基站，每个三角形是一个小区。

尽管部署密度很高，但仍存在许多覆盖漏洞，如粉红色圆点…所示。这些是RSRP[-140，-105]dBm水平最低的区域，无法启动通信服务。

在相同的部署密度下，8.07%的位置存在5G覆盖空洞，而4G覆盖空洞的位置仅为3.84%。5G部署需要高度冗余，以修复所有覆盖漏洞。

聚焦在一个特定的细胞上，就有可能看到信号强度的等高线图，以及它是如何受到环境的影响的。理想情况下，您会希望看到基于圆形/扇形的轮廓线，但是建筑物、树叶和其他特征会妨碍您的工作。

从单元格72(在图中的LHS上)向着点A走，5G在到达距离单元格230m的A处时断开连接。在同一校区，4G链路距离在520米左右。

如果你走进一栋大楼，5G也会大幅下降-作者发现，平均而言，比特率下降了一半。与5G 50%的降幅相比，4G的等值数字约为20%。这表明有必要在建筑物内部署微蜂窝，以实现无缝连接。

另一个与覆盖相关的功能是在您四处移动时小区之间的切换。这里的第一个发现是，当前用于确定何时切换的策略有25%的可能性会在切换后恶化您的链路性能。但更重要的是，与4G的30ms相比，切换速度较慢-平均为108ms。这是NSA架构的一个特征，需要将5G降到4G上，在4G上进行切换，然后再次升级到5G。使用原生5G控制平面的未来5G独立架构(SA)部署不会有此问题。

5G网络的最大物理层比特率为1200.98 MBps。对于UDP，作者实现了880 Mbps的下载和130 Mbps的上传速度。在4G上，可比的白天数字是130 Mbps的下载和50 Mbps的上传(4G在晚上网络不那么拥堵的时候表现得更好，200/100 Mbps的上传/下载速度)。

有了TCP，情况就不那么令人信服了，因为常见的拥塞控制算法不适合5G特征。

传统的基于丢失/延迟的TPC算法存在带宽利用率极低的问题-Reno、Cubic、Vegas和Veno的带宽利用率分别只有21.1%、31.9%、12.1%和14.3%！

只能使用20%的带宽显然不太好(在4G上，同样的算法可以达到50%-70%)。BBR在5G上的表现要好得多，达到了82.5%的利用率。调查发现该问题是由缓冲区大小引起的。在网络的无线电部分，5G缓冲区大小为5x 4G，但在网络的有线部分仅为2.5倍(这是使用1000 Mbps配置的云服务器)。同时，5G的下载容量大约增加了5倍：即，容量的增长与有线网络中缓冲区大小的扩展不相称。将有线缓冲区大小加倍将缓解该问题。BBR做得更好，因为它对丢包/延迟不太敏感。

我们之前看到的长时间切换也会影响吞吐量，在切换期间吞吐量会下降80%。

当谈到延迟时，作者测量了分布在全市的4个5G基站和全国20个其他互联网服务器的RTT。5G网络路径实现的平均延迟为21.8毫秒，比可比的4G时间减少32%。然而，它仍然比像VR这样的实时应用10ms的目标传输延迟慢2倍。路径越短，5G的优势就越显现：

要释放5G应用的全部潜力，还需要对原有有线网络进行改造，以有效降低端到端时延。缩短路径长度的新兴体系结构(例如边缘高速缓存和计算)也可能限制等待时间。

在网页浏览测试中，与4G相比，5G仅减少了约5%的页面加载时间(PLT)。这是因为大部分时间用于渲染，即受计算限制。即使我们只比较下载时间，5G也只比4G提升了20.68%。这是由于TCP的慢启动阶段，在汇聚到高网络带宽之前大约持续6秒。在此之前，大多数网页已经下载完毕。更好的网页浏览并不会成为5G的杀手级应用！

那超高清录像机呢？作者测试了一款移动超高清全景可视电话应用。他们发现，5G可以很好地应对4K，但并不总是高达5.7K，有时带宽饱和会导致帧冻结。如果您是流媒体电影，吞吐量是王道，但对于实时电话应用程序，延迟也是体验的关键部分。

流畅的实时电话体验需要460ms左右的延迟。在4K，4G网络无法接近这一点。5G的表现要好得多，但帧延迟仍然在950ms左右，大约是目标的2倍。大部分延迟来自设备上的帧处理，而不是网络传输延迟。

…。花在智能手机本地处理上的延迟仍然是一个令人望而却步的延迟瓶颈，破坏了实时互动的用户体验。因此，为了支持5G的利基应用，如要求高带宽和低端到端延迟的沉浸式交互式可视电话，提高智能手机的处理能力势在必行。

以上各节暗示了如何找到5G的杀手级应用程序，并使其在实践中发挥作用。不过，对5G能耗的分析看起来像是一种不那么令人满意的杀手级功能-至少就目前而言，5G可能会大幅缩短你的电池寿命。

在Android上运行一个由4个应用程序组成的示例套件时，5G控制了能源成本，甚至远远超过了屏幕的能源需求。它占了手机总能源预算的55.18%！不出所料，网络流量越大，因此你使用无线电的次数越多，5G消耗的电力就越多。

不一定非得这样，事实上，理论上5G每比特能耗只需要4G的25%。因此，5G未来有可能比4G更节能，只要上层协议能够充分利用可用的比特率，而电源管理方案只在必要时激活无线电。作者研究了一种动态电源管理方案，该方案在可以的情况下使用4G，并在看起来将超过4G容量时切换到5G。这为5G纯基线节省了24.8%的能耗。

其中一些问题(例如，带宽利用率低得惊人)可以通过适当的网络资源配置或更智能的协议适配来解决，但其他问题(例如，长延迟和高功耗)需要5G与传统互联网基础设施和无线电/计算硬件长期共同演进。

我对5G推动边缘计算平台使用量增加的潜力很感兴趣，让计算和数据尽可能靠近5G网络，以减少从边缘到集中式云服务的更低带宽和更高延迟的影响。那些不能轻松利用这种架构的应用程序看起来也必须等待后端的改进，才能实现5G的全部承诺。