測試具備UMA/GAN功能的移動電話技術(shù)問題

要預(yù)測客戶對一款手機(jī)性能的接受程度，從而預(yù)測手機(jī)設(shè)計(jì)的品質(zhì)，需要進(jìn)行實(shí)際使用測試。使用測試是一種很有價值的工具，本文將介紹如何進(jìn)行此類測試。

UMA/GAN是一種能讓移動電話在傳輸話音、數(shù)據(jù)、既有話音也有數(shù)據(jù)或既無話音也無數(shù)據(jù)時在蜂窩網(wǎng)絡(luò)(例如 GERAN--GSM/EDGE 無線接入網(wǎng))和IP接入網(wǎng)絡(luò)(例如無線 LAN)之間無縫切換的系統(tǒng)。作為網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展過程中一項(xiàng)里程碑式的技術(shù)，UMA/GAN能讓手機(jī)用戶得以享受固定寬帶網(wǎng)提供的服務(wù)。

UMA/GAN最初叫做免許可移動接入(UMA)網(wǎng)，之后被3GPP改名為通用接入網(wǎng)(GAN)，本文將這兩種技術(shù)統(tǒng)稱為GAN1。

3GPP技術(shù)規(guī)范43.318和44.3182, 3中描述了GAN的系統(tǒng)架構(gòu)和協(xié)議。一款手機(jī)必須經(jīng)測試符合這些標(biāo)準(zhǔn)的要求才能投放市場。但在此之前，手機(jī)開發(fā)商還有很多機(jī)會測試其GAN產(chǎn)品對標(biāo)準(zhǔn)的一致性。提早驗(yàn)證手機(jī)處理數(shù)據(jù)和話音的能力將大大提高產(chǎn)品成功通過一致性測試的幾率。

即便對于像GAN這樣相對成熟的技術(shù)，設(shè)計(jì)者也仍然可以通過提供獨(dú)特的性能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。WLAN是一種已廣泛用于手機(jī)的技術(shù)，它既可用于實(shí)現(xiàn)VoIP，也可用作數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器。影響GAN使用的關(guān)鍵因素之一是IP網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)之間的無縫切換，這是WLAN方案單獨(dú)無法提供的功能。

網(wǎng)絡(luò)組件

GAN系統(tǒng)還為GERAN/UTRAN網(wǎng)絡(luò)添加了一種新的架構(gòu)組件：GAN控制器，簡稱GANC。GANC在功能上相當(dāng)于典型GERAN網(wǎng)絡(luò)中的基站控制器(BSC)。但與BSC不同的是，GANC的前端連接的是IP接入網(wǎng)，而且是通過這個接口(被稱作上行接口)利用GAN專用協(xié)議與手機(jī)通信。為確保能在手機(jī)和核心網(wǎng)之間傳送信令和用戶數(shù)據(jù)，GANC還負(fù)責(zé)將上行接口的消息轉(zhuǎn)換為現(xiàn)有的BSC/核心網(wǎng)接口協(xié)議(在GSM情況下是BSSAP/BSSGP協(xié)議)。

只有雙模手機(jī)才能享受GAN服務(wù)，也就是說當(dāng)用戶漫游出入藍(lán)牙或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)時手機(jī)必須能察覺，以便在GERAN/UTRAN模式和GAN模式之間切換。而且，手機(jī)還必須通過一個兼容GAN的中間安全網(wǎng)關(guān)(SEGW)在自己和服務(wù)GANC之間建立一個基于IPSec(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議保密)的VPN隧道。這樣作為移動服務(wù)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)、話音和信令業(yè)務(wù)都能得到正確保護(hù)，并通過這個隧道傳輸。

如何建立GAN連接

在進(jìn)行GAN網(wǎng)絡(luò)部署時，通常需要幾個GANC來分擔(dān)提供GAN業(yè)務(wù)的任務(wù)，同時保證負(fù)載平衡。網(wǎng)絡(luò)中的每個GANC至少要為以下幾個邏輯實(shí)體中的一個提供服務(wù)：配置GANC(P-GANC)、默認(rèn)GANC(D-GANC)或服務(wù)GANC(S-GANC)。

移動用戶如果有一部帶GAN功能的手機(jī)，只有當(dāng)手機(jī)在其可以連接的免許可無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)時才能使用手機(jī)的GAN功能。手機(jī)首次嘗試建立連接時，需要識別默認(rèn)GANC (D-GANC)。因此，它會啟動發(fā)現(xiàn)過程，以接收有關(guān)D-GANC的信息，并在注冊過程中使用這些信息。

為得到D-GANC的地址及其相關(guān)安全網(wǎng)關(guān)(SEGW)的信息，手機(jī)會通過P-GANC的關(guān)聯(lián)SEGW連接到其歸屬地公用陸地移動網(wǎng)(HPLMN)內(nèi)的配置GANC。一部預(yù)設(shè)了完全合格域名(FQDN)或IP地址的手機(jī)里應(yīng)存有該P(yáng)-GANC的地址及關(guān)聯(lián)SEGW，否則手機(jī)也可以根據(jù)(U)SIM卡上的信息得到FQDN。3GPP TS 23.0035中對尋址要求有詳細(xì)描述。

接下來，手機(jī)要與D-GANC的SEGW建立一個安全通道，并嘗試通過該D-GANC注冊。該D-GANC若接受了注冊，就會成為本次連接的S-GANC，否則，它會將手機(jī)的注冊請求引導(dǎo)到另一個S-GANC。一部手機(jī)即使并未工作在GAN模式下也可以無限期地持續(xù)注冊在一個S-GANC上，同時享受GERAN/UTRAN服務(wù)，以便在需要時能及時將話音和數(shù)據(jù)切換至GAN網(wǎng)絡(luò)。一旦手機(jī)明確地切換至GAN網(wǎng)絡(luò)或用戶自己決定切換為使用GAN之后，手機(jī)用戶的當(dāng)前位置信息(這些信息都保存在核心網(wǎng)上)就會通過手機(jī)刷新，然后，話音/數(shù)據(jù)和信令流量就會通過GANC而不是蜂窩網(wǎng)發(fā)送到手機(jī)。

安全網(wǎng)關(guān)的作用

GAN系統(tǒng)中一個很關(guān)鍵的部分就是安全網(wǎng)關(guān)(SEGW)，它在移動電話和位于 “不安全的”IP接入網(wǎng)另一端的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)之間提供了一條安全的連接。
在典型的GAN部署中，SEGW負(fù)責(zé)在手機(jī)和GANC所在的核心移動網(wǎng)之間建立并保持安全的(按IPSec/IKEv2標(biāo)準(zhǔn)加密)連接。在建立起GAN連接之后，手機(jī)必須采用已簽名的公鑰安全證書對安全網(wǎng)關(guān)進(jìn)行認(rèn)證。這是為了確保在用戶通過公共IP接入網(wǎng)使用GAN時，不會在不知情的情況下被“誘騙”到其他惡意網(wǎng)絡(luò)。

SEGW還能作為手機(jī)和相連的計(jì)費(fèi)、認(rèn)證與授權(quán)服務(wù)器(AAA)之間的通信中介，對用戶進(jìn)行認(rèn)證并允許他們使用網(wǎng)絡(luò)提供的GAN服務(wù)時。AAA服務(wù)器以發(fā)向手機(jī)的請求/響應(yīng)口令所得到的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行認(rèn)證判決，并迫使手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)都去證實(shí)用戶SIM或USIM卡上的共享私秘“k”值和該AAA服務(wù)器連接的網(wǎng)絡(luò)歸屬位置寄存器信息。除了對手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)證之外，認(rèn)證算法的結(jié)果還可用于推算通信雙方所需的關(guān)鍵資料，以便對手機(jī)和SEGW之間的IPSec連接進(jìn)行加密。

手機(jī)與AAA服務(wù)器之間的認(rèn)證協(xié)議在2G和3G網(wǎng)絡(luò)中是不相同的。2G和3G網(wǎng)絡(luò)使用的認(rèn)證協(xié)議均基于現(xiàn)有的2G和3G認(rèn)證技術(shù)，但為增強(qiáng)對往往更易受攻擊的IP接入網(wǎng)的保護(hù)而做了很大改進(jìn)。2G網(wǎng)絡(luò)采用的是針對用戶識別模塊(EAP-SIM)的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議，而3G網(wǎng)絡(luò)采用的是針對UMTS認(rèn)證和密匙協(xié)商(EAP-AKA)的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議。

當(dāng)測試條件不允許禁止手機(jī)中的GAN安全功能時，必須在測試系統(tǒng)中部署帶一定IPSec和EAP功能的SEGW與AAA服務(wù)器組件，這樣手機(jī)才能連接到GAN網(wǎng)絡(luò)并使用GAN服務(wù)。

測試注意事項(xiàng)

在嘗試驗(yàn)證一部GAN手機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)時，設(shè)計(jì)工程師需要回答以下幾個問題。第一，在測試與標(biāo)準(zhǔn)的一致性時，哪些參數(shù)是必須測試的？其次，哪些實(shí)際使用情形的測試最能表明手機(jī)的設(shè)計(jì)是否達(dá)到目標(biāo)？最后是在設(shè)計(jì)過程中要想減少重復(fù)工作和不必要的重復(fù)測試，最佳的測試時機(jī)在何時？

就象純蜂窩網(wǎng)絡(luò)一樣，在GAN網(wǎng)絡(luò)中，呼叫建立、呼叫終止和切換功能最可能成為系統(tǒng)的弱點(diǎn)，從而增大服務(wù)故障和用戶不滿的幾率。為了徹底地試驗(yàn)這些功能，設(shè)計(jì)工程師最好有一套具備測試功能的測試平臺，并且最好靠近設(shè)計(jì)小組的其他成員。這樣能夠促進(jìn)設(shè)計(jì)小組根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行高效的決策。

GAN系統(tǒng)引入了新的信令程序，這是一種被許多現(xiàn)有上層功能采用的接入層技術(shù)。3GPP在3GPP TS 51.010-14中規(guī)定了許多一致性測試項(xiàng)目，具備GAN功能的手機(jī)必須經(jīng)過這些測試才能上市。盡管這些測試規(guī)范對GAN專用的新程序測試給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，但對在GAN上部署的現(xiàn)有蜂窩通信技術(shù)的使用和用戶體驗(yàn)卻鮮有涉及。因此，設(shè)計(jì)工程師可以選擇許多工作情景進(jìn)行測試，包括：
* GAN發(fā)現(xiàn)程序的成功或失敗
* 包括寄存器更新在內(nèi)的GAN注冊程序的成功或失敗
* 在GAN和GERAN/UTRAN操作之間的初始移動站模式選擇
* 移動發(fā)起(MO)和移動終止(MT)的GAN話音呼叫
* 基于GAN的數(shù)據(jù)連接以及采用這些基礎(chǔ)連接的設(shè)備帶來的最終用戶體驗(yàn)
* 基于GAN的雙模傳輸(DTM)或SS (UTRAN)連接
* 通過GAN傳送基于GSM的MO和MT點(diǎn)對點(diǎn)SMS短信
* 通過GAN傳送基于GPRS的MO和MT點(diǎn)對點(diǎn)SMS短信
* 所有適用的出入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的情景包括：漫游入(從G/U到GAN網(wǎng))、漫游出(從GAN到G/U)、切換入(從G/U到GAN)、切換出(從GAN到G/U)、蜂窩變更指令(從G/U到GAN)、在DTM或SS連接過程中的切換入/出(從GAN到G/U以及從G/U到GAN)

GAN測試的配置

使用諸如安捷倫8960這樣的專用無線通信測試套件，就能以可控并且可重復(fù)的方式仿真GAN功能測試所需的各種不同情景。此類測試在GAN手機(jī)的整個開發(fā)周期內(nèi)(從早期設(shè)計(jì)階段，一直到系統(tǒng)集成和驗(yàn)證、仿真和現(xiàn)場測試、互通性測試以及一致性測試)都是非常重要的。

圖1給出了一種GAN手機(jī)功能測試的配置，其中在PC機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序用于模仿GANC。

圖1：用軟件進(jìn)行GANC仿真。

在這種配置中，任何能夠與手機(jī)連接并獲取一個IP地址的設(shè)備都能提供一個IP網(wǎng)絡(luò)連接。圖2中使用的是一個普通的商用WLAN接入點(diǎn)。

圖2：利用安捷倫8960測試套件和商用WLAN接入點(diǎn)進(jìn)行GAN測試配置。

其他測試考慮因素

除了驗(yàn)證一款手機(jī)的性能是否符合GAN標(biāo)準(zhǔn)之外，設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)考慮一些標(biāo)準(zhǔn)沒有涉及但與日常使用有關(guān)的測試項(xiàng)目。下面舉了三個使用測試的例子，從中可以看出這些測試對預(yù)測手機(jī)的實(shí)際使用性能很有幫助。

電流消耗分析

與蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)不同，WLAN標(biāo)準(zhǔn)并沒有過多考慮用戶設(shè)備的電池容量，因此其耗電量可能較大。一款單模GSM手機(jī)，即便一直運(yùn)行于待機(jī)狀態(tài)，其電池使用時間可能也是運(yùn)行于WLAN模式的手機(jī)電池的5倍。如果再算上通話時間，二者的差別會更大。因?yàn)橐徊烤邆銰AN功能的手機(jī)必須同時監(jiān)測GERAN、UTRAN和GAN網(wǎng)絡(luò)，所以電池使用時間應(yīng)該是設(shè)計(jì)中需要主要考慮的一個因素。

可以通過一種全面的分析來評估關(guān)鍵應(yīng)用點(diǎn)上(例如在圖3所示的分組數(shù)據(jù)傳輸期間)電流消耗帶來的影響。圖3的縱軸對應(yīng)時間變化，橫軸對應(yīng)幅度變化。

圖3：利用14565B CCDF測量和分析電池的電流消耗。

話音質(zhì)量

在利用IP分組作為底層攜帶話音數(shù)據(jù)方面，Voice over GAN 與Voice over IP (VoIP)非常類似。在GAN中，IP分組包含的是經(jīng)過GSM編碼并封裝好的話音信息。Voice over GAN與GERAN/UTRAN話音呼叫的不同主要在于編解碼器選擇的決策不同，在GAN中編解碼器的選擇由丟失分組所占的百分比而不是手機(jī)感知的功率電平或載波與干擾的相對電平?jīng)Q定。

盡管GAN標(biāo)準(zhǔn)中至今并未針對編解碼速率變化或任何與丟失分組個數(shù)相關(guān)的滯后現(xiàn)象強(qiáng)制進(jìn)行接收機(jī)靈敏度測試，但這些因素可能在很大程度上影響用戶可感知的手機(jī)性能，因?yàn)锳MR編解碼器哪怕只發(fā)生輕微的改變，敏感用戶都可能察覺到。話音質(zhì)量測試在評估一部GAN手機(jī)設(shè)計(jì)對這些問題的解決效果如何方面大有幫助(見圖4)。

圖4：話音質(zhì)量與分組丟失率和滯后之間的關(guān)系。

數(shù)據(jù)吞吐量測試

第三類，也是最基本的一類使用測試是評估端到端數(shù)據(jù)吞吐率并發(fā)現(xiàn)可能影響用戶體驗(yàn)的反應(yīng)延遲。設(shè)計(jì)工程師必須對多種使用情景進(jìn)行仿真，并測量WLAN連接上的端到端IP數(shù)據(jù)率以及在呼叫切換走(例如切換到GERAN服務(wù)蜂窩)和切換回時出現(xiàn)的任何變化。

這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樵谑褂玫湫虶AN接入網(wǎng)(例如無線LAN)時理論上可達(dá)到的數(shù)據(jù)率與使用GERAN/UTRAN網(wǎng)較慢的數(shù)據(jù)率相比將呈幾何級數(shù)的增加，見圖5。

圖5：從GAN到GERAN再到GAN轉(zhuǎn)換的流量分析。

本文小結(jié)

在一致性測試之前進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證時需要考慮許多因素。文中提到的測試情景列表雖然還不夠全面，但仍為摸清手機(jī)性能提供了非?？煽康幕A(chǔ)。在一套能夠模仿GAN系統(tǒng)的套件中進(jìn)行這些測試可以幫助工程師評估各種不同決策可能產(chǎn)生的影響，從而最大程度地減小設(shè)計(jì)周期中可能需要的反復(fù)次數(shù)。該方法極大節(jié)約了設(shè)計(jì)人員的時間、精力與設(shè)計(jì)成本。類似的，實(shí)際使用測試也能讓工程師預(yù)測客戶對手機(jī)性能的可接受程度，從而預(yù)測出手機(jī)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。所以說，使用測試是一種非常有價值的工具，應(yīng)該收入設(shè)計(jì)工程師的工具箱，以便提高產(chǎn)品獲得成功商用的幾率。

臺式無線通信測試套件為設(shè)計(jì)工程師提供了一種簡單并且高性價比的評估UMA/GAN等新興技術(shù)的方法。