基于空中接口射頻的容量測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備供應(yīng)商需要按照用戶要求的實(shí)際條件測(cè)試LTE網(wǎng)絡(luò)。LTE的發(fā)展對(duì)容量測(cè)試提出許多新的挑戰(zhàn)，需要采用不同于3G網(wǎng)絡(luò)的測(cè)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(cè)試傳統(tǒng)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(zhàn)，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(cè)試的方法。

　　傳統(tǒng)方法

　　移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施測(cè)試一般分為兩個(gè)階段–首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，然后進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室研發(fā)測(cè)試首先對(duì)一臺(tái)用戶設(shè)備 (UE) 進(jìn)行深入功能性測(cè)試，以保證符合3GPP規(guī)范。采用最新一代移動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可模擬多部UE，檢驗(yàn)多臺(tái)設(shè)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(diào)度算法。采用特制的多UE移動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，通常能夠給出可重復(fù)的精確結(jié)果，從而在手機(jī)或移動(dòng)設(shè)備推出之前對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)槭謾C(jī)開(kāi)發(fā)滯后于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

　　下一階段進(jìn)行外場(chǎng)移動(dòng)環(huán)境測(cè)試，但由于前期部署階段基本上沒(méi)有其他用戶接入網(wǎng)絡(luò)，因此移動(dòng)環(huán)境測(cè)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(cè)試系統(tǒng)專門(mén)用來(lái)生成大流量負(fù)載，重點(diǎn)檢驗(yàn)各種情景下端到端性能。

　　實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下存在大量用戶同時(shí)使用服務(wù)的情況。例如在機(jī)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(jī);或者，一個(gè)大城市，成千上萬(wàn)的人同時(shí)使用手機(jī)和數(shù)據(jù)卡。利用網(wǎng)絡(luò)容量測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商可以檢測(cè)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(shè)備之前的最大容量。

　　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　圖1: LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　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) 和天線系統(tǒng)。在各種實(shí)際情景下測(cè)試整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是十分重要的，例如，多個(gè)蜂窩小區(qū)、接入幾千部UE、MIMO操作以及用戶采用各種服務(wù)。

　　特制的容量測(cè)試系統(tǒng)可生成大流量空口負(fù)載，然后采用各種不同的觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)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(cè)試的方式測(cè)試eNodeB ，了解eNodeB 隔離狀態(tài)下的工作極限。兩種測(cè)試方法的目的都是測(cè)量各種情景下的性能。

　　采用容量測(cè)試系統(tǒng)

　　運(yùn)營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)在全面部署網(wǎng)絡(luò)之前進(jìn)行容量測(cè)試。運(yùn)營(yíng)商需要結(jié)合部署計(jì)劃測(cè)試容量，以評(píng)估供應(yīng)商設(shè)備端到端性能，包括新建網(wǎng)絡(luò)和升級(jí)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，他們必須在實(shí)際部署網(wǎng)絡(luò)之前，對(duì)系統(tǒng)表現(xiàn)和性能有充分的把握。

　　運(yùn)營(yíng)商還要測(cè)量和比較供應(yīng)商系統(tǒng)的性能。每家供應(yīng)商采用獨(dú)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(luò)性能和效率，從而關(guān)系到端到端性能。通過(guò)容量測(cè)試，運(yùn)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(jié)果。

　　供應(yīng)商受益

　　基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商也可以利用容量測(cè)試優(yōu)化設(shè)備在實(shí)際工作條件下的性能，例如，在加長(zhǎng)的測(cè)試周期內(nèi)，對(duì)大量UE和多個(gè)小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)試。通過(guò)模擬實(shí)際環(huán)境下的使用情況，供應(yīng)商可以進(jìn)一步確保設(shè)備在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的性能達(dá)到預(yù)期水平。

　　網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)eNodeB及其他網(wǎng)絡(luò)組件，然后采用功能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行3GPP功能測(cè)試。這種核心功能經(jīng)過(guò)研發(fā)階段詳細(xì)功能測(cè)試后，提交給容量測(cè)試團(tuán)隊(duì)，由其檢驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際環(huán)境下的表現(xiàn)和‘極限’– 性能高于技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試水平。

　　隨著供應(yīng)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(dān)的責(zé)任也在增加，提高實(shí)驗(yàn)室測(cè)試能力可使他們從中受益。通過(guò)功能測(cè)試不能全面掌握在商用網(wǎng)絡(luò)中大量用戶同時(shí)應(yīng)用各種業(yè)務(wù)的場(chǎng)景，對(duì)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(yùn)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(fèi)大量時(shí)間，降低研發(fā)和管理服務(wù)團(tuán)隊(duì)的效率并增加成本。而實(shí)驗(yàn)室性能和功能測(cè)試可為外場(chǎng)測(cè)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(cè)試檢驗(yàn)水平，以基于實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)外場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題方面，網(wǎng)絡(luò)容量測(cè)試發(fā)揮著極為重要的作用。

　　發(fā)生問(wèn)題時(shí)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商要求做出迅速有效的響應(yīng)。獨(dú)立的、獲得市場(chǎng)認(rèn)可的測(cè)試系統(tǒng)，有助于供應(yīng)商對(duì)潛在原因和解決辦法提出詳細(xì)的反饋意見(jiàn)。
LTE容量測(cè)試的不同之處

　　大數(shù)據(jù)量智能手機(jī)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)飽和，對(duì)用戶語(yǔ)音通話形成障礙已成為3G運(yùn)營(yíng)商難以解決的問(wèn)題。LTE的發(fā)展促進(jìn)了用戶服務(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(shù)據(jù)流量規(guī)模發(fā)生極大變化，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的影響。其測(cè)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(biāo)準(zhǔn)移除了管理 UMTS陸地?zé)o線接入網(wǎng) (UTRAN) 網(wǎng)元的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器 (RNC)。這是3G網(wǎng)絡(luò)大容量測(cè)試使用的傳統(tǒng)接入點(diǎn)，因此通過(guò)空中接口進(jìn)行測(cè)試已成為一種必然。對(duì)于2G和3G網(wǎng)絡(luò)，一些運(yùn)營(yíng)商采用‘電話墻’在 UTRAN環(huán)境下對(duì)NodeB進(jìn)行端到端測(cè)試，但由于LTE支持的每個(gè)小區(qū)有大量UE，以及服務(wù)復(fù)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)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)比

　　圖2 所示為UTRAN與LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)比。如上所述，LTE網(wǎng)絡(luò)移除了RNC節(jié)點(diǎn)，相對(duì)于3G UTRAN更加簡(jiǎn)單。這種對(duì)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(shè)備切換。更加扁平的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有助于改善數(shù)據(jù)時(shí)延 (發(fā)射機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)與接收機(jī)接收數(shù)據(jù)之間的傳輸時(shí)延)，更好地支持時(shí)延敏感類業(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(xiàn)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，所有話音最終通過(guò)IP傳輸?；贗P的網(wǎng)絡(luò)可重用現(xiàn)有IP標(biāo)準(zhǔn)、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，并且IP設(shè)備形成的現(xiàn)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(zhǎng)TE的重要因素，不僅因?yàn)橛脩魧?duì)于客戶服務(wù)具有更加嚴(yán)荷的要求，而且一旦他們感到不滿意會(huì)毫不猶豫地更換供應(yīng)商。 在過(guò)去，IP網(wǎng)絡(luò)一直以‘盡力而為’的方式運(yùn)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(jī)制可保證網(wǎng)絡(luò)根據(jù)流量類型與任意特定時(shí)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(wù)的需求。

　　LTE網(wǎng)絡(luò)容量測(cè)試

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

　　圖3: 容量測(cè)試在整個(gè)測(cè)試活動(dòng)中的作用

　　容量測(cè)試在整個(gè)測(cè)試周期中的作用如圖3所示。當(dāng)研發(fā)功能性測(cè)試確立了新版本回歸測(cè)試中具備的功能后，容量測(cè)試側(cè)重于與運(yùn)營(yíng)商客戶相關(guān)的測(cè)試。測(cè)試采用不同的服務(wù)組合，在增加UE和小區(qū)使用數(shù)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(yīng)在容量測(cè)試中加以考慮。

　　確定滿足要求的容量后，即可開(kāi)始進(jìn)行性能測(cè)試，其目的是保證獲得網(wǎng)絡(luò)最大效率，換句話說(shuō)，獲得單位投資下的最大比特傳輸量。通過(guò)性能測(cè)試優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的路線由運(yùn)營(yíng)商確定，因?yàn)楦鬟\(yùn)營(yíng)商影響性能的主要eNodeB運(yùn)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(yīng)用性能 (體驗(yàn)質(zhì)量)，需要進(jìn)行復(fù)雜的多維優(yōu)化。測(cè)試可進(jìn)行定制，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商差異化，例如推出新功能或提高數(shù)據(jù)速率，改變服務(wù)組合或使用方式。運(yùn)營(yíng)商也希望利用解決過(guò)去問(wèn)題積累的經(jīng)驗(yàn)或自己的性能標(biāo)準(zhǔn)。

　　容量測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)

　　跟蹤3GPP技術(shù)變更一致是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。供應(yīng)商之間eNB節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)及所有工具的技術(shù)規(guī)格版本必須保持一致，同時(shí)，涉及的技術(shù)規(guī)格變更要求也必須一致。在新的運(yùn)營(yíng)商客戶或運(yùn)營(yíng)商要求變化的驅(qū)動(dòng)下，優(yōu)先滿足的功能經(jīng)常發(fā)生變化，設(shè)備供應(yīng)商贏得新合同時(shí)，往往增加網(wǎng)絡(luò)功能。

　　測(cè)試設(shè)備成熟度是一個(gè)重要問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互操作所需的工作量往往被低估了。這種情況導(dǎo)致供應(yīng)商在不斷開(kāi)發(fā)設(shè)備的同時(shí)，需要花費(fèi)幾個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。運(yùn)營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商的時(shí)間優(yōu)先用于調(diào)試和優(yōu)化系統(tǒng)，而不是測(cè)試工具。

　　在UE數(shù)量顯著增長(zhǎng)的情況下，保持3GPP的先進(jìn)性也是一種嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，實(shí)際工作中，在保證功能的基礎(chǔ)上增加UE數(shù)量并提高穩(wěn)定性相當(dāng)困難。如果UE模擬器供應(yīng)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(jì)劃，利用強(qiáng)大的工程支持團(tuán)隊(duì)，UE模擬器供應(yīng)商可對(duì)功能要求的變化迅速做出響應(yīng)。

　　測(cè)試設(shè)備的局限性

　　當(dāng)實(shí)驗(yàn)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(yàn)測(cè)試在經(jīng)濟(jì)性和重復(fù)性方面優(yōu)于外場(chǎng)測(cè)試，可以創(chuàng)建外場(chǎng)環(huán)境下往往不會(huì)出現(xiàn)的情景，或在實(shí)際用戶接入之前為網(wǎng)絡(luò)加載。不過(guò)，除非實(shí)驗(yàn)測(cè)試精確，否則將存在問(wèn)題缺失的風(fēng)險(xiǎn)，這類問(wèn)題只有客戶開(kāi)始報(bào)怨時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。其中一個(gè)重要檢驗(yàn)領(lǐng)域是UE模擬器在實(shí)驗(yàn)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(shí)別這些問(wèn)題需要測(cè)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(wèn)題，強(qiáng)大的測(cè)量和診斷工具是必不可少的。

　　供應(yīng)商根據(jù)這方面多年積累的經(jīng)驗(yàn)，分別開(kāi)發(fā)了各自的運(yùn)算方法。容量測(cè)試不僅可以深入了解這些運(yùn)算方法的性能水平和效率，而且為供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)

　　實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)空中接口采用相同的測(cè)試設(shè)備具有顯著優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@樣便于實(shí)驗(yàn)室重建外場(chǎng)環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

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

　　eNB專有運(yùn)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(xì)底層數(shù)據(jù)，比如資源塊使用率，在多大程度上能夠觀察調(diào)度器運(yùn)行情況是十分重要的。
完整測(cè)試的重要性

　　許多運(yùn)營(yíng)商和供應(yīng)商認(rèn)為，相對(duì)于真實(shí)手機(jī)UE設(shè)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(jī)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(cè)試系統(tǒng)，支持真實(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用通過(guò)射頻進(jìn)行容量測(cè)試，供實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際環(huán)境下的容量測(cè)試。EAST500結(jié)合了針對(duì)eNB 發(fā)展演進(jìn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LTE射頻移動(dòng)測(cè)試接口，Aeroflex TM500，已完成與全球各大基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商的互操作測(cè)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(yùn)營(yíng)商和供應(yīng)商開(kāi)通和運(yùn)行容量測(cè)試系統(tǒng)所需的時(shí)間。

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

　　EAST500還可以保證測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(cè)量結(jié)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(yàn)設(shè)備，高度精確地比較結(jié)果。UE棧測(cè)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(kuò)展。系統(tǒng)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(xiàn)真正端到端LTE負(fù)載測(cè)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(kāi)始基于4x4 MIMO和LTE-Advanced的開(kāi)發(fā)工作，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)速率進(jìn)一步提高帶來(lái)的挑戰(zhàn)。