如何進行2.5G/3G核心網(wǎng)絡測試

本文介紹了在分組交換2.5G/3G核心網(wǎng)絡和業(yè)務層中建立會話所需的一些關鍵程序。本文首先將用IMS會話作為具體例子，強調相關的測試挑戰(zhàn)，以及如何通過泰克G35協(xié)議測試平臺來解決這些挑戰(zhàn);最后對2.5G/3G核心網(wǎng)絡基礎設施上的基于蜂窩網(wǎng)的即按即說(PoC)和多媒體廣播多播業(yè)務(MBMS)等新業(yè)務的影響進行了。

　　簡介

　　HSDPA和HSUPA等的最新標準化UMTS R5和R6功能，正在將移動網(wǎng)絡轉化為真正的寬帶通信系統(tǒng)。語音收入的不斷下降要求運營商通過為客戶開發(fā)新業(yè)務來尋求收入增長來源。

　　IEEE 802.16e標準(通常稱為移動WiMAX)這一替代移動寬帶技術的到來，將強化這一趨勢。有了這項新技術，競爭業(yè)務提供商也將出現(xiàn)，從而使越來越多的最終用戶在其日常生活中采用基于IP的業(yè)務?！　MS和其它分組數(shù)據(jù)平臺使業(yè)務提供商具備了以較低整體成本部署具有更高QoE的多業(yè)務的能力。鈴聲下載、短信、電子郵件、圖片短信和信息業(yè)務等多種各樣的應用程序也同樣受歡迎。將這些類型的業(yè)務移植到一個共同的平臺以優(yōu)化經(jīng)營費用的相關成本，是移動(和固定)運營商采用基于IMS的系統(tǒng)的強大推動力。

　　主/次PDP環(huán)境

　　所有這些不同應用程序的一個共同點是，其可用性都需要特定的接入點。接入點是為移動臺(MS)和所選應用程序之間的連接提供的IP路由器。MS必須知道接入點名稱(APN)，以便通過GPRS子系統(tǒng)接觸所需的接入點。這通過圖1所示的PDP環(huán)境激活程序來實現(xiàn)。

　　圖1：PDP環(huán)境激活程序(MS啟用)。

　　MS發(fā)送含有PDP類型、PDP地址、接入點名稱、所要求的業(yè)務質量(QoS)和協(xié)議配置選項的激活PDP環(huán)境請求消息到SGSN。SGSN利用APN(APN有一個“完全合格的域名”格式)選擇一個外部網(wǎng)絡的參考點(GGSN)。APN是指向用戶希望連接的外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(PDN)的邏輯名稱。域名業(yè)務器的功能是將邏輯APN名稱轉換到IP地址。根據(jù)RFC 1034，該功能是標準因特網(wǎng)功能。這樣，SGSN就找到了連接到所需的外部網(wǎng)絡上的GGSN。接下來，SGSN向GGSN發(fā)起“創(chuàng)建PDP環(huán)境程序”。

　　所要求的QoS指出了想要的QoS規(guī)范。協(xié)議配置選項可被用于向GGSN請求可選的PDP參數(shù)。然后，通過SGSN透明地發(fā)送協(xié)議配置選項。

　　發(fā)送激活PDP環(huán)境請求后，在等待激活PDP環(huán)境接受或拒絕消息的同時，在MS中啟動計時器。

　　SGSN驗證激活PDP環(huán)境請求。如果無法得出GGSN的地址，或者如果不能轉換APN，或者如果SGSN確定激活PDP環(huán)境請求無效，則SGSN將拒絕PDP環(huán)境激活的請求。

　　如果PDP環(huán)境激活程序成功，將在MS和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(PDP)之間建立用戶面隧道。重要的是要注意到這僅是從GPRS來看的用戶面隧道，從外部PDN來看，也有可能攜帶如SIP消息的控制面信息。

　　如上所述，接入點是外部業(yè)務平臺的第一接觸點。這些業(yè)務平臺的例子有：短消息信業(yè)務中心(SMSC);多媒體信息業(yè)務中心(MMSC);無線應用協(xié)議(WAP);IP多媒體子系統(tǒng)(IMS);互聯(lián)網(wǎng)。

　　一個GGSN可以提供通過不同的APN訪問不同的業(yè)務。從外部PDN來看，必須區(qū)分主次PDP環(huán)境(圖2)。主PDP環(huán)境總是為MS和具體APN之間的第一連接而建立。如果需要與相同APN建立進一步連接，則可以建立最多10個次PDP環(huán)境。通常情況下，每個IMS媒體流將通過一個單獨的隧道進行獨立路由，這主要是因為第5版中GPRS收費功能無法對一個數(shù)據(jù)流生成多個收費記錄。此外，不同的IMS用戶面會話可能有不同的QoS要求。

　　圖2：PDP環(huán)境類型。

　　因此，PDP環(huán)境可成以下兩類。1. 主PDP環(huán)境：向不同APN提供連接。SGSN就每個主PDP環(huán)境為MS分配一個唯一的IP地址。2. 次PDP環(huán)境：為相同APN提供連接，但QoS不同。次PDP環(huán)境總是與一個主PDP環(huán)境相關聯(lián)。兩個IP地址和接入點從主的PDP環(huán)境中被重復使用。

　　任何有效的主或次PDP環(huán)境的QoS，可以采用PDP環(huán)境變更程序通過MS或網(wǎng)絡進行變更。圖3描述了G35協(xié)議測試儀模擬的議定QoS參數(shù)。

　　圖3：業(yè)務IE的質量(G35協(xié)議模擬器屏幕截圖)。

　　所支持的PDP環(huán)境的最大數(shù)量取決于MS的容量。典型的測試移動平臺支持多達6個PDP環(huán)境。SGSN/GGSN節(jié)點可以每個MS支持多達11個PDP環(huán)境。對于完整的壓力測試，G35模擬高達600萬個移動用戶，而每個模擬的MS可以有高達11個激活的PDP環(huán)境。由于具有超過6,000萬個同時工作的GPRS隧道的容量，G35可以模擬移動場景，以及從小到鄉(xiāng)村規(guī)模，大到城市規(guī)模的用戶負載。

　　用G35進行GPRS域驗證

　　Tektronix的G35 GPRS功能和和負載測試平臺是一個可擴展的多技術系統(tǒng)。在其基本配置中，便攜式裝置只配備一個模擬板。對于復雜的負載情景，機架系統(tǒng)可配備多達13個模擬板。不同的硬件接口可以組合成一個機柜，例如模擬2.5G接入網(wǎng)絡用的(GERAN)E1板、UMTS無線接入網(wǎng)模擬用的ATM板(UTRAN)以及模擬外部PDN的以太網(wǎng)板。

　　G35以其無可比擬的靈活性，為大量的網(wǎng)絡元素提供了模擬和仿真能力，因此可以測試各種條件下的GPRS子系統(tǒng)。典型的應用案例如圖4所示。

　　圖4：GPRS負載測試的典型拓撲。

　　G35模擬無線接入網(wǎng)絡，包括一定數(shù)量的移動用戶。這些用戶可能分布在60個虛擬無線蜂窩單元內，但在最簡單的情景中，所有模擬用戶都位于同一蜂窩單元內。

　　蜂窩單元設置用的典型參數(shù)包括技術(2G、3G)、路由區(qū)編碼(RAC)、移動國家代碼(MCC)和移動網(wǎng)絡代碼(MNC)。這種方法允許使用者將用戶進行相應群集，并模擬各種移動行為，比如：(1)移動列車(moving train)——所有用戶均附在一個3G蜂窩單元上。一段時間之后經(jīng)過一段時間，3G覆蓋丟失。所有用戶需要執(zhí)行系統(tǒng)間的變更和附在2G網(wǎng)絡單元上。(2)過境(crossing the border)——用戶用不同的RAC、MNC或MCC切換蜂窩單元。需要執(zhí)行路由區(qū)更新程序。(3)市區(qū)(urban area)——用戶差不多均勻分布在幾個蜂窩單元并與以偽隨機方式切換到其它蜂窩單元。用戶需要執(zhí)行蜂窩單元重選或蜂窩單元變更程序。

　　使用相同的命令將觸發(fā)所有移動情況。根據(jù)單元的配置，G35會自動檢測并啟動相關的移動管理程序。

　　根據(jù)使用情況，也可以模擬其他網(wǎng)絡元素，如設備信息寄存器(EIR)、CAMEL、SMS中心、定位中心、歸屬位置寄存器(HLR)等。許多運營商都有相當數(shù)量的預付費用戶，因此，對于預付費和后付費用戶的混合配置，也有必要模擬SGSN和CAMEL中心之間Ge接口的有關事務處理。

　　另一個典型測試情景是結合了背景負載的功能測試。這在推出新業(yè)務時尤為重要。大量模擬用戶執(zhí)行標準的GPRS程序，如ATTACH、PDP環(huán)境激活/去激活、IP轉換和DETACH。這些用戶構成產(chǎn)生的背景負荷的群組。另一較小群組由有限數(shù)量的用戶(如1至20名)組成，并將新業(yè)務(如IMS)有關程序注入GPRS子系統(tǒng)。

　　利用這種測試方法，可以在所有相關方面驗證協(xié)議的執(zhí)行。例如：協(xié)議執(zhí)行情況是否符合標準?是否有足夠能力承受異常行為/意外錯誤條件?長時間進行的穩(wěn)定性測試期間，是否會發(fā)生內存泄漏?

　　這樣的測試情景也可以與錯誤插入相結合，這是一種模擬異常情況的確定性方法。利用這個功能，測試工程師可以將不規(guī)則程序注入到一定數(shù)量的用戶流量中。存在大量供測試工程師選擇的預定義的錯誤狀況。例如，可以重現(xiàn)無線電連接的丟失、模擬不合格手機(如重復消息)或模擬不當配置的終端(如嘗試連接到不存在的APN)。對于一定百分比的用戶，每個錯誤將以偽隨機方式注入。不同的錯誤狀況可與其他狀況混合。

　　異常狀況和錯誤狀況的影響仍然不明確，因為這些狀況往往不能在真正的網(wǎng)絡節(jié)點進行測試。異常狀況的一個例子是，用戶發(fā)起的PDP環(huán)境激活與網(wǎng)絡發(fā)起的DETACH程序相沖突。標準中通常沒有對異常情況下的預期網(wǎng)絡行進行定義。

　　負載測試和功能測試的結合是一種新的測試范例，它消除了隔離負載/功能測試的固有弊端。

　　G35的設計旨在支持真實負載和壓力測試情景的模擬。一個關鍵的因素在于生成控制和用戶面流量的能力。每個PDP環(huán)境可以單獨與特定的用戶面負載規(guī)范相關聯(lián)。利用G35，每個MS可以激活高達11個PDP環(huán)境，而每個PDP環(huán)境與另一負載規(guī)范相關。

　　通過模擬器可以內部生成用戶面內容，也有可能將外部內容(如網(wǎng)頁瀏覽、外部視頻業(yè)務器的視頻流)注入到用戶面隧道。

　　在復雜的生態(tài)系統(tǒng)中，癥狀和其根源往往相距甚遠。分布在HLR到SGSN(Gr接口)的單個誤計算或損壞的五件套可能引起SGSN和RNC(IuPS接口)之間的完整性檢查錯誤。為徹底解決問題，G35結合了監(jiān)視和主動測試功能。

　　假設運營商想要模擬一個擁有10萬個移動用戶的接入網(wǎng)絡，并想監(jiān)視核心網(wǎng)絡(到HLR、CAMEL駱駝中心等網(wǎng)絡節(jié)點)的流量，再進一步假設完整的網(wǎng)絡是基于IP。在這樣的狀況下，測試和測量工具上的投資將大大低于過去，因為運營商只需要投資帶一個以太網(wǎng)板的G35。以太網(wǎng)板可用于同時主動測試(生成負載)和被動測試(監(jiān)視)，而不需要單獨的協(xié)議監(jiān)視設備。

　　G35提供了大量的統(tǒng)計信息和計數(shù)器以支持分析任務。測試結果可以導入到Excel文件或數(shù)據(jù)庫，以支持生成詳細的報告。
推式業(yè)務(push service)

　　典型的電信和網(wǎng)頁瀏覽等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務一般認為是拉式業(yè)務(pull service)。最終用戶發(fā)起事務處理和請求內容，如特定網(wǎng)頁。而推式業(yè)務是指由局端(如PoC業(yè)務器或廣播/組播業(yè)務器)發(fā)起事務的通訊方法。推式事務處理往往基于訂閱模式，用戶需要提前告訴局端“一旦有新內容則發(fā)送特定信息(如體育新聞、天氣預報”。

　　利用3GPP第6版的兩個推式業(yè)務已經(jīng)推出。下面將對其進行仔細分析，并研究這些業(yè)務是如何影響GPRS子系統(tǒng)的。

　　基于蜂窩網(wǎng)的即按即說

　　基于蜂窩網(wǎng)的即按即說(PoC)是一種在用戶群之間提供有效、簡單的語音通信的新標準。該標準的前提是用戶已經(jīng)訂閱了一個或多個用戶組。用戶設備提供管理PoC業(yè)務設置和編制組列表的可能性。相應的協(xié)議稱為XCAP(XML配置訪問協(xié)議)和XDM(XML文件管理)。

　　所有小組成員之間交換SIP信號后，語音流將從發(fā)起端發(fā)送到PoC業(yè)務器。然后，業(yè)務器將語音流分發(fā)到用戶組的所有用戶端。一次只能有一名用戶擁有“發(fā)言權”并發(fā)送語音數(shù)據(jù)到PoC業(yè)務器，這使該業(yè)務類似于“對講機”。語音流控制協(xié)議(TBCP)用于對向PoC參與者分配的“發(fā)言權”進行控制，包括發(fā)送關于用戶已被授予發(fā)言權以及其語音將被其他參與者聽到的通知。

　　資源效率是PoC業(yè)務的優(yōu)勢。用戶的語音信息分割后通過基于分組的GPRS子系統(tǒng)傳輸。與典型的雙向通信業(yè)務不同的是，PoC僅需要一個單向用戶面信道。雖然以分組為導向的技術可能導致質量下降，比如在語音幀引入約2秒的延遲，但對該類型的應用而言，所實現(xiàn)的語音質量通常已經(jīng)足夠好了。

　　移動廣播/組播業(yè)務

　　移動廣播/組播業(yè)務(MBMS)是一種IP數(shù)據(jù)廣播業(yè)務，即一種向大量收件人傳輸如視頻和音頻剪輯等內容的方法。因此，MBMS是一種單點對多點的單向承載業(yè)務，其中數(shù)據(jù)從單一源傳送給多個收件人。3GPP已經(jīng)定義了兩種運營模式：廣播模式和組播模式。

　　廣播模式是發(fā)送信息到一個廣播業(yè)務區(qū)內所有用戶的高效率方法(如雷暴警告)。組播模式基于訂閱模式。多媒體廣播/組播業(yè)務有一些高層次的要求：MBMS通知程序用于指示MBMS數(shù)據(jù)傳輸開始;明確機制以便當蜂窩單元內至少有一個用戶時激活網(wǎng)絡，為單元內的組播會話啟動MBMS數(shù)據(jù)傳輸;明確機制以停止不再包含任何活動用戶的單元內的給定組播會話的MBMS數(shù)據(jù)傳輸。

　　用于MBMS業(yè)務激活和會話啟動的RNC和SGSN之間的RANAP程序，如圖5所示。

　　圖5：MBMS業(yè)務激活和會話啟動。

　　SGSN通過發(fā)送RANAP MBMS UE的連接請求，發(fā)起MBMS MS連接程序，其目的是向RNC提供該MS激活的MBMS業(yè)務清單。圖5的右邊屏幕截圖顯示該信息的結構，這是用G35消息構建系統(tǒng)(MBS)創(chuàng)建的。該消息由四個序列組成，每個序列中包含PLMN標識(pLMNidentity)和業(yè)務標識(serviceID)。在本例中，RNC得到這一特定的用戶已啟動四個不同業(yè)務的通知。pLMNidentity和serviceID用變量代表，因為這些參數(shù)在描述流量的其他信息(如MBMS會話開始)也是必需的。

　　然后，RNC用MBMS UE連接響應確認。由于RNC并沒有為這種業(yè)務提供MBMS環(huán)境(因為這是第一次MS激活該業(yè)務)，所以不知道該業(yè)務的IP組播地址或APN。RNC使用MBMS信息請求消息，向SGSN請求該信息。SGSN用MBMS信息響應消息(參數(shù)：IP多播地址、APN)響應。該業(yè)務環(huán)境創(chuàng)建后，RNC發(fā)送MBMS的注冊請求消息，并通知核心網(wǎng)RNC已經(jīng)準備接收MBMS會話開始消息。MBMS注冊響應、MBMS會話啟動和MBMS會話響應后，建立下行線路數(shù)據(jù)傳輸。

　　這些業(yè)務會如何影響GPRS子系統(tǒng)?顯而易見的是，這些業(yè)務將導致用戶面流量顯著增加。這導致流量模型變得更加不可預測，因為要獲得業(yè)務的蜂窩單元不確定程度也越來越高。各種數(shù)據(jù)廣播業(yè)務將相互爭奪帶寬。因此，QoS的意義如下：(1)在廣播區(qū)的流量接收無法保證，接收器可能遇到數(shù)據(jù)丟失;(2)MBMS不支持個別轉播;(3)為減少流量，必須有網(wǎng)絡運營商只發(fā)送組播信息到含有組播組成員的指定組播區(qū)蜂窩單元的可能性;(4)網(wǎng)絡運營商必須能夠為每個廣播業(yè)務個別設定QoS;(5)應能適應MBMS數(shù)據(jù)傳送到不同的RAN或當前可用的無線資源;(6)如果存在網(wǎng)絡資源限制，運營商應能定義支持或不支持廣播業(yè)務的規(guī)則。

　　展望

　　GPRS標準化由ETSI的SMG(特別行動組)于1994年發(fā)起，主要的GPRS規(guī)范由SMG #25于1997年批準并于1999年完成。原來的GPRS的概念設計是一種分組交換子系統(tǒng)——電路交換式GSM核心網(wǎng)絡的垂直擴展。

　　GPRS將在未來數(shù)年內完全超過電路交換子系統(tǒng)。許多網(wǎng)絡設備廠商努力開發(fā)和規(guī)范GPRS分組交換域的新接入技術(如UMA和FemtoCells)，從而推動了這種趨勢的發(fā)展。

　　未來的移動網(wǎng)絡架構將是水平式的，如圖6所示，是基于4G IP的綜合網(wǎng)絡架構。SGSN和GGSN構成傳輸網(wǎng)絡的核心要素。隨著LTE的到來，這兩個要素會演進成MME指示的兩個新要素(移動管理實體)和SAE Gateway(系統(tǒng)架構演進)。

　　圖6：基于4G IP的綜合網(wǎng)絡。

　　SGSN和GGSN在確保目前順利運營和未來業(yè)務無縫集成到移動生態(tài)系統(tǒng)中，發(fā)揮了關鍵作用。

　　每個通信系統(tǒng)的目的不在于技術本身，而是對應用程序和最終用戶認為的相關QoE提供可靠支持。

　　對于網(wǎng)絡運營商和設備制造商，關鍵是要了解負載過重的GPRS子系統(tǒng)如何工作，以及GPRS網(wǎng)絡如何受引入的新業(yè)務以及各種性能要求的影響。

　　許多新業(yè)務，如PoC和MBMS，不會在2009年初配置。雖然第一個終端將在2008年出現(xiàn)，但這些業(yè)務成為大眾市場業(yè)務仍需要幾年時間。

　　了解滿負荷下提供的這些業(yè)務和其他業(yè)務的性能特點是GPRS的測試方法的基礎。正如揚基集團(Yankee Group)所指出的，“測試提供商必須能對網(wǎng)絡的復雜性和規(guī)模進行仿真，才可以有信心地提供業(yè)務”。　　Tektronix G35具備使用一個平臺即可完成所需所有測試的能力。它具有的獨特特性，比如模擬周圍所有網(wǎng)絡要素、錯誤插入、高性能和大量的移動協(xié)議，是綜合的功能性負載和壓力測試的基礎，不僅是排他性的，而且是針對GPRS的。Tektronix的G35及其前身K1297-G20，被全球所有主要網(wǎng)絡運營商和網(wǎng)絡設備制造商廣泛采用。從用戶的反饋來看，我們可以負責任的說，G35已經(jīng)是經(jīng)大量證實可靠的測試和測量工具。