LTE網(wǎng)絡容量空中接口測試

LTE的發(fā)展對容量測試提出許多新的挑戰(zhàn)，需要采用不同于3G網(wǎng)絡的測試方法和技術(shù)。LTE的系統(tǒng)架構(gòu)比UMTS更加扁平，這意味著容量測試傳統(tǒng)上使用的基帶網(wǎng)絡接口已不適用于LTE網(wǎng)絡。本文探討這些挑戰(zhàn)，并基于成熟的空中接口通過射頻(RF)進行容量測試的方法。

　　傳統(tǒng)方法

　　移動網(wǎng)絡基礎設施測試一般分為兩個階段首先進行實驗室測試，然后進行外場測試。實驗室研發(fā)測試首先對一臺用戶設備(UE)進行深入功能性測試，以保證符合3GPP規(guī)范。采用最新一代移動測試系統(tǒng)，可模擬多部UE，檢驗多臺設備接入時基站能否正常工作，優(yōu)化基站為UE分配網(wǎng)絡資源使用的調(diào)度算法。采用特制的多UE移動測試系統(tǒng)進行測試，通常能夠給出可重復的精確結(jié)果，從而在手機或移動推出之前對網(wǎng)絡進行測試，因為手機開發(fā)滯后于網(wǎng)絡基礎設施。

　　下一階段進行外場移動環(huán)境測試，但由于前期部署階段基本上沒有其他用戶接入網(wǎng)絡，因此移動環(huán)境測試很難有效模擬滿容量狀態(tài)下的性能效果。特制的容量測試系統(tǒng)專門用來生成大流量負載，重點檢驗各種情景下端到端性能。

　　實際網(wǎng)絡環(huán)境下存在大量用戶同時使用服務的情況。例如500名來自大西洋彼岸航班的到港乘客同時接通手機;或者一個大城市，成千上萬的人同時使用手機和數(shù)據(jù)卡。利用網(wǎng)絡容量測試，網(wǎng)絡設備供應商可以檢測核心網(wǎng)和基站(eNodeB或eNB)能否可靠處理這類情況，確定需要加裝設備之前的最大容量。

　　網(wǎng)絡架構(gòu)

　　如圖1所示，LTE網(wǎng)絡由大量不同素組成，包括服務器、 分組核心網(wǎng)(EPC)、基站(eNodeB)和天線系統(tǒng)。在各種實際情景下測試整個網(wǎng)絡是十分重要的，例如，多個蜂窩小區(qū)、接入幾千部UE、MIMO操作以及用戶采用各種服務。

　　圖1: LTE網(wǎng)絡架構(gòu)。

　　特制的容量測試系統(tǒng)可生成大流量空口負載，然后采用各種不同的觀測點監(jiān)控網(wǎng)絡。同時，也可以進行EPC和服務器仿真，以‘環(huán)繞’測試的方式測試eNodeB ，了解eNodeB 隔離狀態(tài)下的工作極限。兩種測試方法的目的都是測量各種情景下的性能。采用容量測試系統(tǒng)

　　運營商和網(wǎng)絡設備供應商應在全面部署網(wǎng)絡之前進行容量測試。運營商需要結(jié)合部署計劃測試容量，以評估供應商設備端到端性能，包括新建網(wǎng)絡和升級的現(xiàn)有網(wǎng)絡，他們必須在實際部署網(wǎng)絡之前，對系統(tǒng)表現(xiàn)和性能有充分的把握。

　　運營商還要測量和比較供應商系統(tǒng)的性能。每家供應商采用獨特的方法配置各種調(diào)度算法，這些方法之間的差異將影響網(wǎng)絡性能和效率，從而關系到端到端性能。通過容量測試，運營商可通過一致的方式比較各種不同情景下獲得的結(jié)果。

　　供應商受益

　　基礎設施供應商也可以利用容量測試優(yōu)化設備在實際工作條件下的性能例如，在加長的測試周期內(nèi)，對大量UE和多個小區(qū)進行統(tǒng)計測試。通過模擬實際環(huán)境下的使用情況，供應商可以進一步確保設備在實際網(wǎng)絡中的性能達到預期水平。

　　網(wǎng)絡供應商核心研發(fā)團隊開發(fā)eNodeB及其他網(wǎng)絡組件，然后采用功能測試系統(tǒng)進行3GPP功能測試。這種核心功能經(jīng)過研發(fā)階段詳細功能測試后，提交給容量測試團隊，由其檢驗系統(tǒng)實際環(huán)境下的表現(xiàn)和極限性能高于技術(shù)規(guī)范標準測試水平。

　　隨著供應商越來越多地參與服務業(yè)務，而不再僅僅提供網(wǎng)絡硬件，他們從始至終為保證網(wǎng)絡性能和可靠性所承擔的責任也在增加，提高實驗室測試能力可使他們從中受益。通過功能測試不能全面掌握在商用網(wǎng)絡中大量用戶同時應用各種業(yè)務的場景，對網(wǎng)絡容量的性能極限理解越充分，越能輕松地提供服務業(yè)務并保證網(wǎng)絡可靠運行。

　　診斷為什么特定功能在外場環(huán)境中不能正常工作需要耗費大量時間，降低研發(fā)和管理服務團隊的效率并增加成本。而實驗室性能和功能測試可為外場測試提供基本條件。盡管不能解決每一個問題，但在提高初始測試檢驗水平，以基于實驗的系統(tǒng)復現(xiàn)外場出現(xiàn)的問題方面，網(wǎng)絡容量測試發(fā)揮著極為重要的作用。

　　發(fā)生問題時，移動運營商要求做出迅速有效的響應。獨立的、獲得市場認可的測試系統(tǒng)，有助于供應商對潛在原因和解決辦法提出詳細的反饋意見。

　　LTE容量測試的不同之處

　　大數(shù)據(jù)量智能手機導致網(wǎng)絡飽和，對用戶語音通話形成障礙已成為3G運營商難以解決的問題。LTE的發(fā)展促進了用戶服務的豐富性和多樣化，包括語音、視頻、網(wǎng)絡瀏覽、電子郵件和社交網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)流量規(guī)模發(fā)生極大變化，并對網(wǎng)絡性能產(chǎn)生難以預測的影響。其測試要比GSM等2G網(wǎng)絡困難得多，在2G環(huán)境下，網(wǎng)絡流量大部分集中于語音和短信(SMS)。

　　同時，與UMTS相比，LTE標準移除了管理 UMTS陸地無線接入網(wǎng)(UTRAN)網(wǎng)元的無線網(wǎng)絡控制器(RNC)。這是3G網(wǎng)絡大容量測試使用的傳統(tǒng)接入點，因此通過空中接口進行測試已成為一種必然。對于2G和3G網(wǎng)絡，一些運營商采用電話墻在UTRAN環(huán)境下對NodeB進行端到端測試，但由于LTE支持的每個小區(qū)有大量UE，以及服務復雜性和功能特性的提高，這種方法并不可行。

　　圖2 所示為UTRAN與LTE網(wǎng)絡架構(gòu)對比。如上所述，LTE網(wǎng)絡移除了RNC節(jié)點，相對于3G UTRAN更加簡單。這種對網(wǎng)絡的簡化，使更多功能集中于eNodeB基站，使基站間可直接進行通信和功能處理，如基站間設備切換。更加扁平的網(wǎng)絡架構(gòu)有助于改善數(shù)據(jù)時延 (發(fā)射機發(fā)送數(shù)據(jù)與接收機接收數(shù)據(jù)之間的傳輸時延)，更好地支持時延敏感類業(yè)務、交互式業(yè)務和實時通信業(yè)務。

　　圖2: 3G UTRAN與LTE無線網(wǎng)絡架構(gòu)對比。

　　移除了電路交換語音服務的LTE可實現(xiàn)基于全IP的網(wǎng)絡，所有話音最終通過IP傳輸。基于IP的網(wǎng)絡可重用現(xiàn)有IP標準、簡化網(wǎng)絡，并且IP設備形成的現(xiàn)有龐大市場有助于降低成本。因此，服務質(zhì)量(QoS)成為LTE的重要因素，不僅因為用戶對于客戶服務具有更加嚴荷的要求，而且一旦他們感到不滿意會毫不猶豫地更換供應商。 在過去，IP網(wǎng)絡一直以盡力而為的方式運行，但這是僅允許有限延遲的實時語音和視頻服務無法接受的。 服務質(zhì)量機制可保證網(wǎng)絡根據(jù)流量類型與任意特定時間處理的所有其他流量類型的比較結(jié)果，按照先后順序正確滿足每種服務的需求。

　　LTE網(wǎng)絡容量測試

　　UE使用數(shù)量不斷增長使得模擬實際網(wǎng)絡預期容量成為可能，包括基站內(nèi)及基站間UE切換。當UE數(shù)量達到數(shù)百部時，容量測試工具是基于實際使用條件生成測試情景的最佳解決方案，如Aeroflex EAST500。

　　容量測試在整個測試周期中的作用如圖3所示。當研發(fā)功能性測試確立了新版本回歸測試中具備的功能后，容量測試側(cè)重于與運營商客戶相關的測試。測試采用不同的服務組合，在增加UE和小區(qū)使用數(shù)量的條件下進行。這個過程中，新推出的功能將增加容量，這些也應在容量測試中加以考慮。

　　圖3: 容量測試在整個測試活動中的作用。

　　確定滿足要求的容量后，即可開始進行性能測試，其目的是保證獲得網(wǎng)絡最大效率，換句話說，獲得單位投資下的最大比特傳輸量。通過性能測試優(yōu)化網(wǎng)絡的路線由運營商確定，因為各運營商影響性能的主要eNodeB運算方法不盡相同。為全面平衡網(wǎng)絡效率、各個UE的性能(服務質(zhì)量)和應用性能(體驗質(zhì)量)，需要進行復雜的多維優(yōu)化。測試可進行定制，以實現(xiàn)運營商差異化，例如推出新功能或提高數(shù)據(jù)速率，改變服務組合或使用方式。運營商也希望利用解決過去問題積累的經(jīng)驗或自己的性能標準。容量測試面臨的挑戰(zhàn)

　　跟蹤3GPP技術(shù)變更一致是一項復雜的任務。供應商之間eNB節(jié)點、網(wǎng)絡及所有工具的技術(shù)規(guī)格版本必須保持一致，同時涉及的技術(shù)規(guī)格變更要求也必須一致。在新的運營商客戶或運營商要求變化的驅(qū)動下，優(yōu)先滿足的功能經(jīng)常發(fā)生變化，設備供應商贏得新合同時，往往增加網(wǎng)絡功能。

　　測試設備成熟度是一個重要問題。實現(xiàn)網(wǎng)絡互操作所需的工作量往往被低估了。這種情況導致供應商在不斷開發(fā)設備的同時，需要花費幾個月的時間進行現(xiàn)場測試。運營商和網(wǎng)絡供應商的時間優(yōu)先用于調(diào)試和優(yōu)化系統(tǒng)，而不是測試工具。

　　在UE數(shù)量顯著增長的情況下，保持3GPP的先進性也是一種嚴峻挑戰(zhàn)實際工作中，在保證功能的基礎上增加UE數(shù)量并提高穩(wěn)定性相當困難。如果UE模擬器供應商支持多種3GPP版本，則不同技術(shù)規(guī)格版本之間可以轉(zhuǎn)換，便于制定計劃，利用強大的工程支持團隊，UE模擬器供應商可對功能要求的變化迅速做出響應。

　　測試設備的局限性

　　當實驗室不能輕松重建各種外場情景時會產(chǎn)生問題。實驗測試在經(jīng)濟性和重復性方面優(yōu)于外場測試，可以創(chuàng)建外場環(huán)境下往往不會出現(xiàn)的情景，或在實際用戶接入之前為網(wǎng)絡加載。不過，除非實驗測試精確，否則將存在問題缺失的風險，這類問題只有客戶開始報怨時才能發(fā)現(xiàn)。其中一個重要檢驗領域是UE模擬器在實驗室重建的射頻環(huán)境。

　　不能提前掌握可能發(fā)生的問題，難以確定UE模擬器識別這些問題需要測量的數(shù)據(jù)因此，為幫助工程師以合理的結(jié)構(gòu)化方式解決存在的問題，強大的測量和診斷工具是必不可少的。

　　供應商根據(jù)這方面多年積累的經(jīng)驗，分別開發(fā)了各自的運算方法。容量測試不僅可以深入了解這些運算方法的性能水平和效率，而且為供應商工程師通過研究進一步加以改進提供了實用工具。

　　UE模擬器選擇標準

　　實驗室和外場空中接口采用相同的測試設備具有顯著優(yōu)點，因為這樣便于實驗室重建外場環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的問題。

　　快速識別問題根源也是十分重要的。大部分UE模擬器以供應商所需的重要績效指標(KPI)為重點，但為有效識別故障并優(yōu)化性能，還需掌握各級堆棧中的UE棧測量結(jié)果。

　　eNB專有運算方法(如調(diào)度器)直接影響性能和效率。 因此，了解提供的數(shù)據(jù)詳細底層數(shù)據(jù)如資源塊使用率，在多大程度上能夠觀察調(diào)度器運行情況是十分重要的。

　　完整測試的重要性

　　許多運營商和供應商認為，相對于真實手機UE設備，采用基于射頻的UE模擬器是一種可以接受的變通辦法。而且，射頻UE模擬器采用不同基帶接口的情況下真實手機與UE模擬器之間的差距過大。

　　EAST500(圖4)是一種集成式LTE網(wǎng)絡容量測試系統(tǒng)，支持真實數(shù)據(jù)服務和應用通過射頻進行容量測試，供實驗室模擬實際環(huán)境下的容量測試。EAST500結(jié)合了針對eNB發(fā)展演進的行業(yè)標準LTE射頻移動測試接口，Aeroflex TM500已完成與全球各大基礎設施供應商的互操作測試。與其他系統(tǒng)相比，利用這種大規(guī)模部署的系統(tǒng)，制造商可以顯著減少運營商和供應商開通和運行容量測試系統(tǒng)所需的時間。

　　圖4: Aeroflex EAST500網(wǎng)絡容量測試系統(tǒng)。

　　EAST500還可以保證測試實驗室重建實際環(huán)境下的情景和外場問題，提供完整的KPI測量結(jié)果，并且可在實際外場環(huán)境下通過空中接口使用實驗設備，高度精確地比較結(jié)果。UE棧測量結(jié)果可給出最佳質(zhì)量的診斷信息。

　　EAST500的系統(tǒng)硬件可根據(jù)所需的UE和小區(qū)數(shù)量靈活擴展。系統(tǒng)在FDD(頻分雙工)和TDD(時分雙工) 環(huán)境下，通過射頻連接實現(xiàn)真正端到端LTE負載測試。EAST500的系統(tǒng)路線圖滿足最具挑戰(zhàn)性的3GPP功能要求，并已開始基于4x4 MIMO和LTE-Advanced的開發(fā)工作，應對數(shù)據(jù)速率進一步提高帶來的挑戰(zhàn)。