📚 课程目录第1章 5G NR信令与协议测试全景

1. 5G NR信令与协议测试全景

5G NR的协议栈从物理层一直延伸到非接入层，每一层都有独立的信令格式、状态机和定时约束。测试工程师面对的第一个问题往往不是“怎么测”，而是“测什么、在哪一层测、用什么仪表测”。R&S的测试仪表体系正是围绕这个分层结构组织的：CMX500/CMW500负责协议栈与端到端信令，FSW/FSVA负责射频指标与信号质量，二者在物理层接口处形成明确的分工边界。理解这条边界，是规划任何5G测试任务的前提。

协议栈分层与仪表定位

5G NR空口协议栈自上而下分为NAS、RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY六层。NAS承载注册、鉴权、会话管理等核心网交互；RRC负责连接控制、测量配置、切换命令；PDCP处理加密完整性与头压缩；RLC提供分段与ARQ重传；MAC完成调度、HARQ与逻辑信道复用；PHY则把上述所有信令映射为OFDM符号、参考信号和物理信道。

R&S CMX500作为一体化信令测试仪，内部实现了完整的gNB协议栈仿真，能够与UE建立真实的RRC连接、执行NAS注册流程、触发切换和重定向。它观测的是“协议行为是否正确”——消息是否按时到达、IE是否合规、状态机是否按预期迁移。而FSW信号分析仪观测的是“信号本身是否合格”——EVM、ACLR、频率误差、功率时序。两者在PHY层交汇：CMX500通过射频端口把基带信号送到UE，FSW则从射频链路中耦合信号进行解调分析。

信令测试与射频测试的边界

信令测试与射频测试并非简单的“数字”与“模拟”之分，而是观测目标不同。信令测试关注的是协议交互的时序正确性、消息内容的完整性和状态迁移的合法性。例如，UE发起注册请求后，CMX500需要验证Registration Request中的5GS registration type、SUCI、能力IE是否符合3GPP TS 24.501的定义，并在预期时间内返回Authentication Request。如果超时或IE缺失，测试判定为失败。

射频测试则关注发射信号的质量和接收机的灵敏度。以EVM为例，FSW对UE发射的PUSCH信号进行解调，计算误差向量幅度。对于256QAM调制，3GPP要求EVM不超过3.5%。这个指标与协议栈无关，只取决于射频前端和基带滤波器的线性度。但两者并非完全割裂：如果PDCP层加密配置错误，FSW解调出的星座图会呈现随机化，EVM急剧恶化——此时射频指标异常，根因却在协议层。

工程判断原则：当射频指标异常时，先确认信令流程是否正常完成。若RRC连接建立失败或安全模式未激活，射频测量结果不具备参考价值。反之，若信令流程全部通过但EVM超标，则问题定位在射频前端或基带实现。

典型测试场景与交付物

在5G NR终端研发的不同阶段，测试重点和交付物差异显著。早期协议栈开发阶段，主要使用CMX500进行NAS注册、PDU会话建立、RRC重配置等基础流程验证，交付物是信令流程日志和消息解码报告。中期集成阶段，需要加入切换、重定向、双连接等移动性场景，交付物扩展为多小区拓扑配置和切换成功率统计。

射频验证阶段，FSW承担发射机指标测试和接收机灵敏度测试。发射机测试包括最大输出功率、功率控制、EVM、ACLR、频谱发射模板；接收机测试包括参考灵敏度、阻塞特性、邻道选择性。交付物是符合3GPP TS 38.101-1的测试报告，每个测试项需记录测试条件、测量值和判定结论。

测试阶段	主要仪表	典型场景	核心交付物
协议栈开发	CMX500	NAS注册、PDU会话建立	信令流程日志、IE解码报告
移动性验证	CMX500	切换、重定向、双连接	切换成功率、时延统计
射频发射机	FSW	EVM、ACLR、功率控制	TS 38.101-1测试报告
射频接收机	FSW + 信号源	参考灵敏度、阻塞	灵敏度曲线、阻塞余量
端到端性能	CMX500 + FSW	吞吐量、时延、掉线率	性能统计报表

从测试任务到工程交付

一个完整的5G NR测试任务通常从明确测试目的开始。假设需要验证UE在n78频段、100MHz带宽、SCS=30kHz配置下的初始接入性能。第一步是在CMX500中配置小区参数：频点、带宽、子载波间隔、TDD时隙配比。第二步是设置NAS参数：PLMN、切片信息、鉴权向量。第三步是启动小区，触发UE发起注册。

在UE侧，需要确认USIM配置与网络参数匹配。注册过程中，CMX500会记录完整的信令消息序列，包括RRCSetupRequest、RRCSetup、RRCSetupComplete、RegistrationRequest、AuthenticationRequest/Response、SecurityModeCommand/Complete、RegistrationAccept。工程师需要逐条检查消息中的关键IE，例如RRCSetup中的radioBearerConfig是否包含正确的PDCP和RLC配置。

示例：CMX500信令日志关键字段（教学示例）
[2024-01-15 10:23:41.256] RRCSetupRequest
  ue-Identity: randomValue = 0x3A7F2C1B
  establishmentCause: mo-Signalling
[2024-01-15 10:23:41.312] RRCSetup
  radioBearerConfig:
    srb-ToAddModList: SRB1
    pdcp-Config: sn-Size=12, t-Reordering=35ms
  masterCellGroup:
    scs-SpecificCarrier: scs=30kHz, offsetToCarrier=0
[2024-01-15 10:23:41.389] RRCSetupComplete
  selectedPLMN-Identity: 1
  registeredAMF: 0x01A2B3
[2024-01-15 10:23:41.502] RegistrationRequest
  5GS-registration-type: initialRegistration
  UE-Security-Capability: NEA0, NEA1, NEA2, NIA0, NIA1, NIA2

注册完成后，进入PDU会话建立阶段。CMX500发送PDUSessionEstablishmentAccept，其中包含QoS规则和会话参数。此时可以通过CMX500内置的吞吐量测试功能，在UE和模拟核心网之间建立IP数据流，测量上行和下行吞吐量。如果吞吐量低于预期，需要检查调度器配置、HARQ参数和MCS选择策略。

关键交付物清单（示例）：
信令流程时序图：标注每条消息的时间戳和方向
IE合规性检查表：逐项对照3GPP TS 38.331/24.501
射频指标测试记录：测试条件、测量值、限值、判定
吞吐量/时延统计：采样周期、均值、最大值、分布
异常事件日志：失败消息、超时、重传次数

当测试从单场景扩展到多场景时，自动化脚本成为必要工具。CMX500支持通过SCPI命令或R&S CMX500的自动化接口控制测试流程。例如，用Python脚本循环执行不同频段和带宽组合的注册测试，每次记录注册时延和成功率。脚本中需要处理的关键参数包括：频段号、带宽、SCS、TDD配比、功率等级。测试结果以CSV格式输出，便于后续统计分析。

最终，所有测试数据需要汇总为工程交付文档。文档结构通常包括：测试环境描述（仪表型号、固件版本、连接拓扑）、测试用例列表（用例编号、目的、前置条件、步骤）、测试结果（通过/失败、测量值、判定依据）、问题记录（现象、复现步骤、初步分析）。这份文档不仅是研发验证的依据，也是后续入网认证测试的基础。