基于空中接口射频的容量测试

 

　　网络运营商和设备供应商需要按照用户要求的实际条件测试LTE网络。LTE的发展对容量测试提出许多新的挑战，需要采用不同于3G网络的测试方法和技术。LTE 的系统架构比UMTS更加扁平，这意味着，容量测试传统上使用的基带网络接口已不适用于LTE网络。本文探讨这些挑战，并说明基于成熟的空中接口通过射频(RF) 进行容量测试的方法。

　　传统方法

　　移动网络基础设施测试一般分为两个阶段–首先进行实验室测试，然后进行外场测试。实验室研发测试首先对一台用户设备 (UE) 进行深入功能性测试，以保证符合3GPP规范。采用最新一代移动测试系统，可模拟多部UE，检验多台设备接入时基站能否正常工作，优化基站为UE分配网络资源使用的调度算法。采用特制的多UE移动测试系统进行测试，通常能够给出可重复的精确结果，从而在手机或移动设备推出之前对网络进行测试，因为手机开发滞后于网络基础设施。

　　下一阶段进行外场移动环境测试，但由于前期部署阶段基本上没有其他用户接入网络，因此移动环境测试很难有效模拟满容量状态下的性能效果。特制的容量测试系统专门用来生成大流量负载，重点检验各种情景下端到端性能。

　　实际网络环境下存在大量用户同时使用服务的情况。例如在机场，500名来自大西洋彼岸航班的到港乘客同时接通手机;或者，一个大城市，成千上万的人同时使用手机和数据卡。利用网络容量测试，网络设备供应商可以检测核心网和基站 (eNodeB或 eNB) 能否可靠处理这类情况，确定需要加装设备之前的最大容量。

　　网络架构

　　

 

　　图1: LTE网络架构

　　如图1所示，LTE网络由大量不同要素组成，包括服务器、 分组核心网 (EPC)、基站 (eNodeB) 和天线系统。在各种实际情景下测试整个网络是十分重要的，例如，多个蜂窝小区、接入几千部UE、MIMO操作以及用户采用各种服务。

　　特制的容量测试系统可生成大流量空口负载，然后采用各种不同的观测点监控网络。同时，也可以进行EPC和服务器仿真，以‘环绕’测试的方式测试eNodeB ，了解eNodeB 隔离状态下的工作极限。两种测试方法的目的都是测量各种情景下的性能。

　　采用容量测试系统

　　运营商和网络设备供应商应在全面部署网络之前进行容量测试。运营商需要结合部署计划测试容量，以评估供应商设备端到端性能，包括新建网络和升级的现有网络，他们必须在实际部署网络之前，对系统表现和性能有充分的把握。

　　运营商还要测量和比较供应商系统的性能。每家供应商采用独特的方法配置各种调度算法，这些方法之间的差异将影响网络性能和效率，从而关系到端到端性能。通过容量测试，运营商可通过一致的方式比较各种不同情景下获得的结果。

　　供应商受益

　　基础设施供应商也可以利用容量测试优化设备在实际工作条件下的性能，例如，在加长的测试周期内，对大量UE和多个小区进行统计测试。通过模拟实际环境下的使用情况，供应商可以进一步确保设备在实际网络中的性能达到预期水平。

　　网络供应商核心研发团队开发eNodeB及其他网络组件，然后采用功能测试系统进行3GPP功能测试。这种核心功能经过研发阶段详细功能测试后，提交给容量测试团队，由其检验系统实际环境下的表现和‘极限’– 性能高于技术规范标准测试水平。

　　随着供应商越来越多地参与服务业务，而不再仅仅提供网络硬件，他们从始至终为保证网络性能和可靠性所承担的责任也在增加，提高实验室测试能力可使他们从中受益。通过功能测试不能全面掌握在商用网络中大量用户同时应用各种业务的场景，对网络容量的性能极限理解越充分，越能轻松地提供服务业务并保证网络可靠运行。

　　诊断为什么特定功能在外场环境中不能正常工作需要耗费大量时间，降低研发和管理服务团队的效率并增加成本。而实验室性能和功能测试可为外场测试提供基本条件。尽管不能解决每一个问题，但在提高初始测试检验水平，以基于实验的系统复现外场出现的问题方面，网络容量测试发挥着极为重要的作用。

　　发生问题时，移动运营商要求做出迅速有效的响应。独立的、获得市场认可的测试系统，有助于供应商对潜在原因和解决办法提出详细的反馈意见。

　　LTE容量测试的不同之处

　　大数据量智能手机导致网络饱和，对用户语音通话形成障碍已成为3G运营商难以解决的问题。LTE的发展促进了用户服务的丰富性和多样化，包括语音、视频、网络浏览、电子邮件和社交网络，数据流量规模发生极大变化，并对网络性能产生难以预测的影响。其测试要比GSM等2G网络困难得多，在2G环境下，网络流量大部分集中于语音和短信 (SMS)。

　　同时，与UMTS相比，LTE标准移除了管理 UMTS陆地无线接入网 (UTRAN) 网元的无线网络控制器 (RNC)。这是3G网络大容量测试使用的传统接入点，因此通过空中接口进行测试已成为一种必然。对于2G和3G网络，一些运营商采用‘电话墙’在UTRAN环境下对NodeB进行端到端测试，但由于LTE支持的每个小区有大量UE，以及服务复杂性和功能特性的提高，这种方法并不可行。

　　

 

　　图2: 3G UTRAN与LTE无线网络架构对比

　　图2 所示为UTRAN与LTE网络架构对比。如上所述，LTE网络移除了RNC节点，相对于3G UTRAN更加简单。这种对网络的简化，使更多功能集中于eNodeB基站，使基站间可直接进行通信和功能处理，如基站间设备切换。更加扁平的网络架构有助于改善数据时延 (发射机发送数据与接收机接收数据之间的传输时延)，更好地支持时延敏感类业务、交互式业务和实时通信业务。

　　移除了电路交换语音服务的LTE可实现基于全IP的网络，所有话音最终通过IP传输。基于IP的网络可重用现有IP标准、简化网络，并且IP设备形成的现有庞大市场有助于降低成本。因此，服务质量 (QoS) 成为LTE的重要因素，不仅因为用户对于客户服务具有更加严荷的要求，而且一旦他们感到不满意会毫不犹豫地更换供应商。 在过去，IP网络一直以‘尽力而为’的方式运行，但这是仅允许有限延迟的实时语音和视频服务无法接受的。 服务质量机制可保证网络根据流量类型与任意特定时间处理的所有其他流量类型的比较结果，按照先后顺序正确满足每种服务的需求。

　　LTE网络容量测试

　　UE使用数量不断增长使得模拟实际网络预期容量成为可能，包括基站内及基站间UE切换。当UE数量达到数百部时，容量测试工具是基于实际使用条件生成测试情景的最佳解决方案，如Aeroflex EAST500。

　　

 

　　图3: 容量测试在整个测试活动中的作用

　　容量测试在整个测试周期中的作用如图3所示。当研发功能性测试确立了新版本回归测试中具备的功能后，容量测试侧重于与运营商客户相关的测试。测试采用不同的服务组合，在增加UE和小区使用数量的条件下进行。这个过程中，新推出的功能将增加容量，这些也应在容量测试中加以考虑。

　　确定满足要求的容量后，即可开始进行性能测试，其目的是保证获得网络最大效率，换句话说，获得单位投资下的最大比特传输量。通过性能测试优化网络的路线由运营商确定，因为各运营商影响性能的主要eNodeB运算方法不尽相同。为全面平衡网络效率、各个UE的性能 (服务质量) 和应用性能 (体验质量)，需要进行复杂的多维优化。测试可进行定制，以实现运营商差异化，例如推出新功能或提高数据速率，改变服务组合或使用方式。运营商也希望利用解决过去问题积累的经验或自己的性能标准。

　　容量测试面临的挑战

　　跟踪3GPP技术变更一致是一项复杂的任务。供应商之间eNB节点、网络及所有工具的技术规格版本必须保持一致，同时，涉及的技术规格变更要求也必须一致。在新的运营商客户或运营商要求变化的驱动下，优先满足的功能经常发生变化，设备供应商赢得新合同时，往往增加网络功能。

　　测试设备成熟度是一个重要问题。实现网络互操作所需的工作量往往被低估了。这种情况导致供应商在不断开发设备的同时，需要花费几个月的时间进行现场测试。运营商和网络供应商的时间优先用于调试和优化系统，而不是测试工具。

　　在UE数量显著增长的情况下，保持3GPP的先进性也是一种严峻挑战，实际工作中，在保证功能的基础上增加UE数量并提高稳定性相当困难。如果UE模拟器供应商支持多种3GPP版本，则不同技术规格版本之间可以转换，便于制定计划，利用强大的工程支持团队，UE模拟器供应商可对功能要求的变化迅速做出响应。

　　测试设备的局限性

　　当实验室不能轻松重建各种外场情景时会产生问题。实验测试在经济性和重复性方面优于外场测试，可以创建外场环境下往往不会出现的情景，或在实际用户接入之前为网络加载。不过，除非实验测试精确，否则将存在问题缺失的风险，这类问题只有客户开始报怨时才能发现。其中一个重要检验领域是UE模拟器在实验室重建的射频环境。

　　不能提前掌握可能发生的问题，难以确定UE模拟器识别这些问题需要测量的数据–因此，为帮助工程师以合理的结构化方式解决存在的问题，强大的测量和诊断工具是必不可少的。

　　供应商根据这方面多年积累的经验，分别开发了各自的运算方法。容量测试不仅可以深入了解这些运算方法的性能水平和效率，而且为供应商工程师通过研究进一步加以改进提供了实用工具。

　　UE模拟器选择标准

　　实验室和外场空中接口采用相同的测试设备具有显著优点，因为这样便于实验室重建外场环境中发现的问题。

　　快速识别问题根源也是十分重要的。大部分UE模拟器以供应商所需的重要绩效指标 (KPI) 为重点，但为有效识别故障并优化性能，还需掌握各级堆栈中的UE栈测量结果。

　　eNB专有运算方法 (如调度器) 直接影响性能和效率。 因此，了解提供的数据–详细底层数据，比如资源块使用率，在多大程度上能够观察调度器运行情况是十分重要的。

　　完整测试的重要性

　　许多运营商和供应商认为，相对于真实手机UE设备，采用基于射频的UE模拟器是一种可以接受的变通办法。而且，非射频UE模拟器–采用不同基带接口的情况下–真实手机与UE模拟器之间的差距过大。EAST500 (图4) 是一种集成式LTE网络容量测试系统，支持真实数据服务和应用通过射频进行容量测试，供实验室模拟实际环境下的容量测试。EAST500结合了针对eNB发展演进的行业标准LTE射频移动测试接口，Aeroflex TM500，已完成与全球各大基础设施供应商的互操作测试。与其他系统相比，利用这种大规模部署的系统，制造商可以显著减少运营商和供应商开通和运行容量测试系统所需的时间。

　　

 

　　图4: Aeroflex EAST500网络容量测试系统

　　EAST500还可以保证测试实验室重建实际环境下的情景和外场问题，提供完整的KPI测量结果，并且可在实际外场环境下通过空中接口使用实验设备，高度精确地比较结果。UE栈测量结果可给出最佳质量的诊断信息。

　　EAST500的系统硬件可根据所需的UE和小区数量灵活扩展。系统在FDD (频分双工) 和TDD (时分双工) 环境下，通过射频连接实现真正端到端LTE负载测试。EAST500的系统路线图满足最具挑战性的3GPP功能要求，并已开始基于4x4 MIMO和LTE-Advanced的开发工作，应对数据速率进一步提高带来的挑战。