基于空中接口射頻的容量測試

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和設(shè)備供應(yīng)商需要按照用戶要求的實(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(zhàn)，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(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(luò)接口已不適用于LTE網(wǎng)絡(luò)。本文探討這些挑戰(zhàn)，并說明基于成熟的空中接口通過射頻(RF) 進(jìn)行容量測試的方法。

　　傳統(tǒng)方法

　　移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施測試一般分為兩個階段–首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，然后進(jìn)行外場測試。實(shí)驗(yàn)室研發(fā)測試首先對一臺用戶設(shè)備 (UE) 進(jìn)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(yàn)多臺設(shè)備接入時基站能否正常工作，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移動測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，通常能夠給出可重復(fù)的精確結(jié)果，從而在手機(jī)或移動設(shè)備推出之前對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，因?yàn)槭謾C(jī)開發(fā)滯后于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

　　下一階段進(jìn)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(luò)，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(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使用服務(wù)的情況。例如在機(jī)場，500名來自大西洋彼岸航班的到港乘客同時接通手機(jī);或者，一個大城市，成千上萬的人同時使用手機(jī)和數(shù)據(jù)卡。利用網(wǎng)絡(luò)容量測試，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)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(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)際情景下測試整個網(wǎng)絡(luò)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(wù)。

　　特制的容量測試系統(tǒng)可生成大流量空口負(fù)載，然后采用各種不同的觀測點(diǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。同時，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(tǒng)

　　運(yùn)營商和網(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)行容量測試。運(yùn)營商需要結(jié)合部署計(jì)劃測試容量，以評估供應(yīng)商設(shè)備端到端性能，包括新建網(wǎng)絡(luò)和升級的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，他們必須在實(shí)際部署網(wǎng)絡(luò)之前，對系統(tǒng)表現(xiàn)和性能有充分的把握。

　　運(yùn)營商還要測量和比較供應(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。通過容量測試，運(yùn)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(yīng)商受益

　　基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商也可以利用容量測試優(yōu)化設(shè)備在實(shí)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)測試。通過模擬實(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)開發(fā)eNodeB及其他網(wǎng)絡(luò)組件，然后采用功能測試系統(tǒng)進(jìn)行3GPP功能測試。這種核心功能經(jīng)過研發(fā)階段詳細(xì)功能測試后，提交給容量測試團(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)測試水平。

　　隨著供應(yīng)商越來越多地參與服務(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(luò)中大量用戶同時應(yīng)用各種業(yè)務(wù)的場景，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(yùn)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(fèi)大量時間，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(yàn)水平，以基于實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)外場出現(xiàn)的問題方面，網(wǎng)絡(luò)容量測試發(fā)揮著極為重要的作用。

　　發(fā)生問題時，移動運(yùn)營商要求做出迅速有效的響應(yīng)。獨(dú)立的、獲得市場認(rèn)可的測試系統(tǒng)，有助于供應(yīng)商對潛在原因和解決辦法提出詳細(xì)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(jī)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)飽和，對用戶語音通話形成障礙已成為3G運(yùn)營商難以解決的問題。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，并對網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生難以預(yù)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音和短信 (SMS)。

　　同時，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)元的無線網(wǎng)絡(luò)控制器 (RNC)。這是3G網(wǎng)絡(luò)大容量測試使用的傳統(tǒng)接入點(diǎn)，因此通過空中接口進(jìn)行測試已成為一種必然。對于2G和3G網(wǎng)絡(luò)，一些運(yùn)營商采用‘電話墻’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無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對比

　　圖2 所示為UTRAN與LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對比。如上所述，LTE網(wǎng)絡(luò)移除了RNC節(jié)點(diǎn)，相對于3G UTRAN更加簡單。這種對網(wǎng)絡(luò)的簡化，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)之間的傳輸時延)，更好地支持時延敏感類業(yè)務(wù)、交互式業(yè)務(wù)和實(shí)時通信業(yè)務(wù)。

　　移除了電路交換語音服務(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IP傳輸?；贗P的網(wǎng)絡(luò)可重用現(xiàn)有IP標(biāo)準(zhǔn)、簡化網(wǎng)絡(luò)，并且IP設(shè)備形成的現(xiàn)有龐大市場有助于降低成本。因此，服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 成為LTE的重要因素，不僅因?yàn)橛脩魧τ诳蛻舴?wù)具有更加嚴(yán)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(yīng)商。 在過去，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)時語音和視頻服務(wù)無法接受的。 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)容量測試

　　UE使用數(shù)量不斷增長使得模擬實(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，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: 容量測試在整個測試活動中的作用

　　容量測試在整個測試周期中的作用如圖3所示。當(dāng)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(yùn)營商客戶相關(guān)的測試。測試采用不同的服務(wù)組合，在增加UE和小區(qū)使用數(shù)量的條件下進(jìn)行。這個過程中，新推出的功能將增加容量，這些也應(yīng)在容量測試中加以考慮。

　　確定滿足要求的容量后，即可開始進(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(luò)的路線由運(yùn)營商確定，因?yàn)楦鬟\(yùn)營商影響性能的主要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。測試可進(jìn)行定制，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(wù)組合或使用方式。運(yùn)營商也希望利用解決過去問題積累的經(jīng)驗(yàn)或自己的性能標(biāo)準(zhǔn)。

　　容量測試面臨的挑戰(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，涉及的技術(shù)規(guī)格變更要求也必須一致。在新的運(yùn)營商客戶或運(yùn)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(shè)備供應(yīng)商贏得新合同時，往往增加網(wǎng)絡(luò)功能。

　　測試設(shè)備成熟度是一個重要問題。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)商在不斷開發(fā)設(shè)備的同時，需要花費(fèi)幾個月的時間進(jìn)行現(xiàn)場測試。運(yùn)營商和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)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(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)商可對功能要求的變化迅速做出響應(yīng)。

　　測試設(shè)備的局限性

　　當(dāng)實(shí)驗(yàn)室不能輕松重建各種外場情景時會產(chǎn)生問題。實(shí)驗(yàn)測試在經(jīng)濟(jì)性和重復(fù)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(shí)際用戶接入之前為網(wǎng)絡(luò)加載。不過，除非實(shí)驗(yàn)測試精確，否則將存在問題缺失的風(fēng)險(xiǎn)，這類問題只有客戶開始報(bào)怨時才能發(fā)現(xiàn)。其中一個重要檢驗(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(qiáng)大的測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)，分別開發(fā)了各自的運(yùn)算方法。容量測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)室和外場空中接口采用相同的測試設(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(yīng)商所需的重要績效指標(biāo) (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(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。
完整測試的重要性

　　許多運(yùn)營商和供應(yīng)商認(rèn)為，相對于真實(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大。EAST500 (圖4) 是一種集成式LTE網(wǎng)絡(luò)容量測試系統(tǒng)，支持真實(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用通過射頻進(jìn)行容量測試，供實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際環(huán)境下的容量測試。EAST500結(jié)合了針對eNB 發(fā)展演進(jìn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LTE射頻移動測試接口，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)營商和供應(yīng)商開通和運(yùn)行容量測試系統(tǒng)所需的時間。

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

　　EAST500還可以保證測試實(shí)驗(yàn)室重建實(shí)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(shí)際外場環(huán)境下通過空中接口使用實(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 (時分雙工) 環(huán)境下，通過射頻連接實(shí)現(xiàn)真正端到端LTE負(fù)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(yīng)對數(shù)據(jù)速率進(jìn)一步提高帶來的挑戰(zhàn)。