基于空中接口射頻的容量測試

網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商和設備供應商需要按照用戶(hù)要求的實(shí)際條件測試LTE網(wǎng)絡(luò )。LTE的發(fā)展對容量測試提出許多新的挑戰，需要采用不同于3G網(wǎng)絡(luò )的測試方法和技術(shù)。LTE 的系統架構比UMTS更加扁平，這意味著(zhù)，容量測試傳統上使用的基帶網(wǎng)絡(luò )接口已不適用于LTE網(wǎng)絡(luò )。本文探討這些挑戰，并說(shuō)明基于成熟的空中接口通過(guò)射頻(RF) 進(jìn)行容量測試的方法。

　　傳統方法

　　移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )基礎設施測試一般分為兩個(gè)階段–首先進(jìn)行實(shí)驗室測試，然后進(jìn)行外場(chǎng)測試。實(shí)驗室研發(fā)測試首先對一臺用戶(hù)設備 (UE) 進(jìn)行深入功能性測試，以保證符合3GPP規范。采用最新一代移動(dòng)測試系統，可模擬多部UE，檢驗多臺設備接入時(shí)基站能否正常工作，優(yōu)化基站為UE分配網(wǎng)絡(luò )資源使用的調度算法。采用特制的多UE移動(dòng)測試系統進(jìn)行測試，通常能夠給出可重復的精確結果，從而在手機或移動(dòng)設備推出之前對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試，因為手機開(kāi)發(fā)滯后于網(wǎng)絡(luò )基礎設施。

　　下一階段進(jìn)行外場(chǎng)移動(dòng)環(huán)境測試，但由于前期部署階段基本上沒(méi)有其他用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò )，因此移動(dòng)環(huán)境測試很難有效模擬滿(mǎn)容量狀態(tài)下的性能效果。特制的容量測試系統專(zhuān)門(mén)用來(lái)生成大流量負載，重點(diǎn)檢驗各種情景下端到端性能。

　　實(shí)際網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下存在大量用戶(hù)同時(shí)使用服務(wù)的情況。例如在機場(chǎng)，500名來(lái)自大西洋彼岸航班的到港乘客同時(shí)接通手機;或者，一個(gè)大城市，成千上萬(wàn)的人同時(shí)使用手機和數據卡。利用網(wǎng)絡(luò )容量測試，網(wǎng)絡(luò )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(lèi)情況，確定需要加裝設備之前的最大容量。

　　網(wǎng)絡(luò )架構

　　圖1: LTE網(wǎng)絡(luò )架構

　　如圖1所示，LTE網(wǎng)絡(luò )由大量不同要素組成，包括服務(wù)器、 分組核心網(wǎng) (EPC)、基站 (eNodeB) 和天線(xiàn)系統。在各種實(shí)際情景下測試整個(gè)網(wǎng)絡(luò )是十分重要的，例如，多個(gè)蜂窩小區、接入幾千部UE、MIMO操作以及用戶(hù)采用各種服務(wù)。

　　特制的容量測試系統可生成大流量空口負載，然后采用各種不同的觀(guān)測點(diǎn)監控網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)，也可以進(jìn)行EPC和服務(wù)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

　　運營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò )設備供應商應在全面部署網(wǎng)絡(luò )之前進(jìn)行容量測試。運營(yíng)商需要結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(luò )和升級的現有網(wǎng)絡(luò )，他們必須在實(shí)際部署網(wǎng)絡(luò )之前，對系統表現和性能有充分的把握。

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

　　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(shí)際工作條件下的性能，例如，在加長(cháng)的測試周期內，對大量UE和多個(gè)小區進(jìn)行統計測試。通過(guò)模擬實(shí)際環(huán)境下的使用情況，供應商可以進(jìn)一步確保設備在實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中的性能達到預期水平。

　　網(wǎng)絡(luò )供應商核心研發(fā)團隊開(kāi)發(fā)eNodeB及其他網(wǎng)絡(luò )組件，然后采用功能測試系統進(jìn)行3GPP功能測試。這種核心功能經(jīng)過(guò)研發(fā)階段詳細功能測試后，提交給容量測試團隊，由其檢驗系統實(shí)際環(huán)境下的表現和‘極限’– 性能高于技術(shù)規范標準測試水平。

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

　　診斷為什么特定功能在外場(chǎng)環(huán)境中不能正常工作需要耗費大量時(shí)間，降低研發(fā)和管理服務(wù)團隊的效率并增加成本。而實(shí)驗室性能和功能測試可為外場(chǎng)測試提供基本條件。盡管不能解決每一個(gè)問(wèn)題，但在提高初始測試檢驗水平，以基于實(shí)驗的系統復現外場(chǎng)出現的問(wèn)題方面，網(wǎng)絡(luò )容量測試發(fā)揮著(zhù)極為重要的作用。

　　發(fā)生問(wèn)題時(shí)，移動(dòng)運營(yíng)商要求做出迅速有效的響應。獨立的、獲得市場(chǎng)認可的測試系統，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(jiàn)。
LTE容量測試的不同之處

　　大數據量智能手機導致網(wǎng)絡(luò )飽和，對用戶(hù)語(yǔ)音通話(huà)形成障礙已成為3G運營(yíng)商難以解決的問(wèn)題。LTE的發(fā)展促進(jìn)了用戶(hù)服務(wù)的豐富性和多樣化，包括語(yǔ)音、視頻、網(wǎng)絡(luò )瀏覽、電子郵件和社交網(wǎng)絡(luò )，數據流量規模發(fā)生極大變化，并對網(wǎng)絡(luò )性能產(chǎn)生難以預測的影響。其測試要比GSM等2G網(wǎng)絡(luò )困難得多，在2G環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò )流量大部分集中于語(yǔ)音和短信 (SMS)。

　　同時(shí)，與UMTS相比，LTE標準移除了管理 UMTS陸地無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng) (UTRAN) 網(wǎng)元的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器 (RNC)。這是3G網(wǎng)絡(luò )大容量測試使用的傳統接入點(diǎn)，因此通過(guò)空中接口進(jìn)行測試已成為一種必然。對于2G和3G網(wǎng)絡(luò )，一些運營(yíng)商采用‘電話(huà)墻’在 UTRAN環(huán)境下對NodeB進(jìn)行端到端測試，但由于LTE支持的每個(gè)小區有大量UE，以及服務(wù)復雜性和功能特性的提高，這種方法并不可行。

　　圖2: 3G UTRAN與LTE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構對比

　　圖2 所示為UTRAN與LTE網(wǎng)絡(luò )架構對比。如上所述，LTE網(wǎng)絡(luò )移除了RNC節點(diǎn)，相對于3G UTRAN更加簡(jiǎn)單。這種對網(wǎng)絡(luò )的簡(jiǎn)化，使更多功能集中于eNodeB基站，使基站間可直接進(jìn)行通信和功能處理，如基站間設備切換。更加扁平的網(wǎng)絡(luò )架構有助于改善數據時(shí)延 (發(fā)射機發(fā)送數據與接收機接收數據之間的傳輸時(shí)延)，更好地支持時(shí)延敏感類(lèi)業(yè)務(wù)、交互式業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)。

　　移除了電路交換語(yǔ)音服務(wù)的LTE可實(shí)現基于全IP的網(wǎng)絡(luò )，所有話(huà)音最終通過(guò)IP傳輸?；贗P的網(wǎng)絡(luò )可重用現有IP標準、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )，并且IP設備形成的現有龐大市場(chǎng)有助于降低成本。因此，服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 成為L(cháng)TE的重要因素，不僅因為用戶(hù)對于客戶(hù)服務(wù)具有更加嚴荷的要求，而且一旦他們感到不滿(mǎn)意會(huì )毫不猶豫地更換供應商。 在過(guò)去，IP網(wǎng)絡(luò )一直以‘盡力而為’的方式運行，但這是僅允許有限延遲的實(shí)時(shí)語(yǔ)音和視頻服務(wù)無(wú)法接受的。 服務(wù)質(zhì)量機制可保證網(wǎng)絡(luò )根據流量類(lèi)型與任意特定時(shí)間處理的所有其他流量類(lèi)型的比較結果，按照先后順序正確滿(mǎn)足每種服務(wù)的需求。

　　LTE網(wǎng)絡(luò )容量測試

　　UE使用數量不斷增長(cháng)使得模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò )預期容量成為可能，包括基站內及基站間UE切換。當UE數量達到數百部時(shí)，容量測試工具是基于實(shí)際使用條件生成測試情景的最佳解決方案，如Aeroflex EAST500。

　　圖3: 容量測試在整個(gè)測試活動(dòng)中的作用

　　容量測試在整個(gè)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，容量測試側重于與運營(yíng)商客戶(hù)相關(guān)的測試。測試采用不同的服務(wù)組合，在增加UE和小區使用數量的條件下進(jìn)行。這個(gè)過(guò)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。

　　確定滿(mǎn)足要求的容量后，即可開(kāi)始進(jìn)行性能測試，其目的是保證獲得網(wǎng)絡(luò )最大效率，換句話(huà)說(shuō)，獲得單位投資下的最大比特傳輸量。通過(guò)性能測試優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )的路線(xiàn)由運營(yíng)商確定，因為各運營(yíng)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(luò )效率、各個(gè)UE的性能 (服務(wù)質(zhì)量) 和應用性能 (體驗質(zhì)量)，需要進(jìn)行復雜的多維優(yōu)化。測試可進(jìn)行定制，以實(shí)現運營(yíng)商差異化，例如推出新功能或提高數據速率，改變服務(wù)組合或使用方式。運營(yíng)商也希望利用解決過(guò)去問(wèn)題積累的經(jīng)驗或自己的性能標準。

　　容量測試面臨的挑戰

　　跟蹤3GPP技術(shù)變更一致是一項復雜的任務(wù)。供應商之間eNB節點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò )及所有工具的技術(shù)規格版本必須保持一致，同時(shí)，涉及的技術(shù)規格變更要求也必須一致。在新的運營(yíng)商客戶(hù)或運營(yíng)商要求變化的驅動(dòng)下，優(yōu)先滿(mǎn)足的功能經(jīng)常發(fā)生變化，設備供應商贏(yíng)得新合同時(shí)，往往增加網(wǎng)絡(luò )功能。

　　測試設備成熟度是一個(gè)重要問(wèn)題。實(shí)現網(wǎng)絡(luò )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(kāi)發(fā)設備的同時(shí)，需要花費幾個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行現場(chǎng)測試。運營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò )供應商的時(shí)間優(yōu)先用于調試和優(yōu)化系統，而不是測試工具。

　　在UE數量顯著(zhù)增長(cháng)的情況下，保持3GPP的先進(jìn)性也是一種嚴峻挑戰，實(shí)際工作中，在保證功能的基礎上增加UE數量并提高穩定性相當困難。如果UE模擬器供應商支持多種3GPP版本，則不同技術(shù)規格版本之間可以轉換，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(shí)驗室不能輕松重建各種外場(chǎng)情景時(shí)會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。實(shí)驗測試在經(jīng)濟性和重復性方面優(yōu)于外場(chǎng)測試，可以創(chuàng )建外場(chǎng)環(huán)境下往往不會(huì )出現的情景，或在實(shí)際用戶(hù)接入之前為網(wǎng)絡(luò )加載。不過(guò)，除非實(shí)驗測試精確，否則將存在問(wèn)題缺失的風(fēng)險，這類(lèi)問(wèn)題只有客戶(hù)開(kāi)始報怨時(shí)才能發(fā)現。其中一個(gè)重要檢驗領(lǐng)域是UE模擬器在實(shí)驗室重建的射頻環(huán)境。

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

　　供應商根據這方面多年積累的經(jīng)驗，分別開(kāi)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(guò)研究進(jìn)一步加以改進(jìn)提供了實(shí)用工具。

　　UE模擬器選擇標準

　　實(shí)驗室和外場(chǎng)空中接口采用相同的測試設備具有顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，因為這樣便于實(shí)驗室重建外場(chǎng)環(huán)境中發(fā)現的問(wèn)題。

　　快速識別問(wèn)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(jì)效指標 (KPI) 為重點(diǎn)，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棧測量結果。

　　eNB專(zhuān)有運算方法 (如調度器) 直接影響性能和效率。 因此，了解提供的數據–詳細底層數據，比如資源塊使用率，在多大程度上能夠觀(guān)察調度器運行情況是十分重要的。
完整測試的重要性

　　許多運營(yíng)商和供應商認為，相對于真實(shí)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，非射頻UE模擬器–采用不同基帶接口的情況下–真實(shí)手機與UE模擬器之間的差距過(guò)大。EAST500 (圖4) 是一種集成式LTE網(wǎng)絡(luò )容量測試系統，支持真實(shí)數據服務(wù)和應用通過(guò)射頻進(jìn)行容量測試，供實(shí)驗室模擬實(shí)際環(huán)境下的容量測試。EAST500結合了針對eNB 發(fā)展演進(jìn)的行業(yè)標準LTE射頻移動(dòng)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。與其他系統相比，利用這種大規模部署的系統，制造商可以顯著(zhù)減少運營(yíng)商和供應商開(kāi)通和運行容量測試系統所需的時(shí)間。

　　圖4: Aeroflex EAST500網(wǎng)絡(luò )容量測試系統

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

　　EAST500的系統硬件可根據所需的UE和小區數量靈活擴展。系統在FDD (頻分雙工) 和TDD (時(shí)分雙工) 環(huán)境下，通過(guò)射頻連接實(shí)現真正端到端LTE負載測試。EAST500的系統路線(xiàn)圖滿(mǎn)足最具挑戰性的3GPP功能要求，并已開(kāi)始基于4x4 MIMO和LTE-Advanced的開(kāi)發(fā)工作，應對數據速率進(jìn)一步提高帶來(lái)的挑戰。