■本报见习记者 任芳言

5G究竟有多快？去年夏天，北京邮电大学一名学生发布在网上的一段体验视频，展示了瞬间完成App下载、几秒钟下载上百首歌、高清视频浏览无卡顿等画面，让人惊叹。

看到这段视频，同校计算机学院的博士生徐冬竹开始思考：从研究的角度给5G来一次深度测量，会有怎样的结果？2019年4月，北京邮电大学西土城校区成为国内首个实现5G网络全覆盖的高校。对研究者而言，这条件得天独厚。

历经数月的密集测量和数据分析，这项全球首份5G全程测量的研究，被网络通信领域国际顶级会议ACM SIGCOMM接收，并于8月会议期间发表。北京邮电大学计算机学院执行院长马华东、计算机学院教授周安福为论文通讯作者。

5G网络的传输速率是否真有那么快？《中国科学报》采访了研究团队。

全链路测量兵分两路

在对5G进行全链路测量之前，业内其他研究大多基于理论仿真，或测量范围仅限于手机到基站。在该研究中，涉及到的测量则更加广泛。

这既是研究的亮点，也是难点。

马华东介绍，在测量范围方面，“除了无线接入网部分，还包括对5G终端、核心网、骨干网、因特网以及远程服务器的全链路测量”。在测量维度方面，团队实现了从物理层到应用层的全栈跨协议测量。

为何下如此大的力气？

“网络传输中出现的问题可能产生在各个角落，需要在多个层级间测量、对比，才能摸清状况。”周安福说。

研究团队分别在四个层面设置了测量目标。在物理信号层，研究者需测量5G信号的覆盖程度，包括校园内的基站密度、非独立组网架构等，确保信号在室内外都能无缝覆盖。在网络传输层，研究者要测量整个网络路径中每一对端点之间的时延。“这决定了用户能感受到多快的网速。”徐冬竹解释。

另外，团队在设计测量方案时，将特殊应用和硬件能耗也纳入研究范围。特殊应用即超高清全景视频通话应用等5G新应用，“用户录制视频并将其实时传给其他用户的过程，对网络的实时性和带宽的容忍度要求特别高。”徐冬竹表示，在5G环境下处理视频信号、发送功率变大时，对硬件的能耗要求也会随之提高。

为了实现测量目标，研究团队采用“兵分两路”的办法。

网络环境中，物理层和数据链路层被认为是底层结构，传输层、网络层和应用层则被认定为上层结构。测量时，团队将底层和上层环境分开。底层信号的读取、解析与上层数据抓取和处理则分别研发、使用不同的测量工具。

据此分工，团队成员在不同层面的测量同时展开，测量范围包括整个校园及北京市部分5G覆盖区域。2020年初，他们的测量工作基本进入尾声。

共同演进才能真提速

测量过程中，有些发现出乎意料。

即便独立组网（SA）是未来的发展趋势，但在5G商用初期，我国采用的策略是先行部署非独立组网（NSA）架构，即4G核心网、无线网与5G无线网同时使用。因此，为了加快网络建设进度，运营商在初期的5G网络布设中，仍然沿用4G时代的分组核心网。

研究团队发现，尽管这一做法有利于迅速、大面积铺开5G网络，但对大带宽、低时延的需求仍难以满足。

“5G生态系统需要网络各个部分长期共同演进，而不仅仅是处于边缘的无线接入网。”马华东指出，目前运营商主要着手部署的是5G基站，即接入网部分，而对于网络的有线部分，如骨干网、数据中心等方面的建设还存在不足。

这导致的后果之一是网络传输时较多的数据包丢失，即丢包率过高。

在理想状态下，5G网速最高可达1000Mbps，但在500Mbps条件下，研究团队测得的丢包率已经达到3%。丢包率过高意味着网络链路不够可靠，进而影响传输控制协议（TCP）等算法的性能。

这可能使得诸如远程手术、高清视频电话等端到端的应用性能受限。

5G接入网采用了扁平化设计，这原本会缩短空中接口的时延，但是，受到目前有线网络建设情况的限制，整条网络路径中产生的延迟无法与空中接口节省的时间相抵消。

此外，在用户接触最多的手机终端上，研究者发现，有的终端处理视频帧的能力跟不上，能耗管理较为低效。接入5G网络后，手机处理单元和射频单元的功率变大，手机也会变得“烫手”。

马华东表示，这些测量结果直接影响到对5G网络有低延迟、低功耗需求的物联网应用。“这说明5G的设计及5G与物联网的联合设计还需要很多创新研究。”

测量只是开始

海量数据的高效传输是5G网络建设完整、健全的标志之一。徐冬竹打了个比方：当网络处理能力与数据流量不匹配，形成的数据流如同长征时的大渡河——数据流量洪峰太大、动态性过强，但路由器、交换机等设备处理能力有限，这就可能导致突发性计算压力。

找出这些问题的解决方案，是研究团队下一步的工作目标。“测量只是开始，有了测量获得的事实数据，就相当有了第一手资料和经验，这可以指导后续的研究布局，也可以对5G后续的部署及运营优化给出更有针对性的建议。”周安福表示。

在新发表的文章中，研究团队已经根据测量结果给出了一些建议。

对5G网络的建设者而言，应尽快加速核心网的建设，以满足大带宽、低时延、广连接的需求。室内应增设微基站，以保证信号的无缝衔接质量。对网络协议设计者来说，TCP的拥塞控制算法智能度有待提升。对手机终端的研发者来说，当前硬件模块对5G还不够兼容，终端性能还需进一步强化……

未来，团队还将扩大5G网络的测量范围，扩展到大部分城市区域乃至多个行政区。此外，探索将5G网络与物联网联合，提出创新性的5G低延迟、大连接架构和机制设计，也是未来的工作方向。

相关论文信息：https://doi.org/10.1145/3387514.3405882