測試空中介面的LTE網路容量─優點與挑戰
- 李佳玲
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網路營運商及基礎設施供應商必須在用戶需求的實際情況下測試LTE網路。LTE的出現為容量測試帶來了一些新的挑戰，而且其需要的技術及專業與3G網路所使用的不同。本文討論這些挑戰，並說明以空中介面為主的RF的容量測試方式。
行動網路基礎建設的測試，傳統上分成兩個階段進行─先在實驗室，而後在現場進行。實驗室的研發測試是採取深入的功能測試形式，以確保符合3GPP規範，先利用單一用戶設備(UE)，再為特定目的製造的多用戶設備手機進行幾項用戶設備測試，通常會產生重複且精確的結果，並且在使用真正的手機或行動終端裝置前，使網路能進行測試。
下一個階段是在現場中進行路測，但由於很少有其他用戶在開發前階段連結網路，因此路測可能無法產生可有效模擬最高容量性能的結果。為特定目的製造的容量測試系統用於產生高流量負載，以在廣泛的情境下強調點對點性能。
在許多用戶想要同時使用服務的真正網路中，例如在有500位乘客從越洋班機下機時同時開機的機場，或是在有許多人口同時使用手機及數據機的大城市。網路容量測試的使用使網路設備供應商可測試網路與基地台(eNodeB或eNB)是否能可靠地處理此類情況，且在必須安裝其他設備前要指定多大的容量。
網路架構
LTE網路包含若干不同的元件，包括伺服器、擴充核心網路(EPC)、基地台(eNodeB)及天線系統，如圖1所示。當有許多封包、數千種UEs連結時、MIMO操作以及需要各種服務的用戶時，能夠在實際情境範圍下測試完整的網路是很重要的。
為特定目的製造的容量測試系統用於在空中產生高流量負載，再利用各種不同的探針監測網路，以在廣泛的情況下測量性能。
使用容量測試系統
網路營運商及網路基礎設施供應商必須在網路完全部署前，進行容量測試。網路營運商必須結合其容量測試活動與部署計畫，以評估供應商設備的點對點性能，且他們在部署即時網路之前，必須對系統運轉狀態及性能具有極大的信心。
營運商也需要具備能力，以一致的方式衡量與比較其供應商設備在各種不同情況下的性能。
為供應商帶來的優點
基礎設施供應商可利用容量測試，使其設備在實際操作條件下的性能達到最佳化，例如延長測試期間，對大量的UE及更多的封包進行統計測試。模擬實際使用情境的能力向供應商更進一步保證，即時網路的性能將會符合其期待。
網路供應商的核心研發團隊開發eNodeB及其他網路元件，並利用功能測試手機進行3GPP特性測試。此核心功能在送交容量測試團隊之前，已通過詳細的研發功能測試，容量測試團隊的工作是驗證實際情境的完整系統運轉狀態，並「挑戰極限」─也就是將性能擴充到規格要求的標準測試範圍之外。
特性的功能測試無法完全呈現出供應商的設備在具有大量用戶，且同時使用其他服務範圍的商用網路運作的情況，而且愈瞭解性能限制的容量，則企業的服務愈容易提供及維護可靠的網路。
花費時間診斷為何特定功能在現場無法運作會降低研發及管理服務團隊的效率，並增加成本。因此，在實驗室測試功能及性能提供了實地測試的工作基準。雖然網路容量測試無法修復每項問題，但是它在幫助改善初步測試與特性分析，以及提供實驗室系統重建任何在實地觀測到的問題方面扮演要角。
當問題發生時，手機營運商需要快速且可靠的回應。經過商業認證的獨立測試系統使供應商對可能原因及解決方式能提供詳細的回饋。
LTE容量測試與眾不同的原因
3G網路營運商已歷經過處理需要大量數據且使網路飽和的智慧型手機的困難，且用戶無法進行語音通話。LTE推動更豐富及多元的用戶服務組合─包括語音、影像、網頁瀏覽、電子郵件及社交網絡，這些服務將會有非常不同的數據流量圖表，因而影響到網路性能的方式難以預測。這比GSM的2G網路更難以測試，2G網路的流量集中在語音及SMS。
同時與UMTS相較，LTE標準已刪除無線電網路控制技(RNC)，其為UMTS無線電存取網路(UTRAN)的控制元件。它在傳統上當作高容量測試之3G網路的存取點，因此必須在空中介面測試。對於2G 及3G網路而言，部分營運商對UTRAN的NodeB採用點對點測試的「電話牆」方式，但由於LTE支援的每封包的UE數量太大，加上服務複雜度增加及擾動特性，因此這不實際。
圖2顯示UTRAN 與LTE網路架構之間的比較。如上述，由於移除RNC節點，因此與3G UTRAN相較之下，LTE網路已經簡化。這項網路簡化作業將更多功能集中在eNodeB 基地台，目前此基地台能直接與其他eNBs通訊，以執行如基地台之間的裝置交遞的功能。平面式網路架構改善數據延遲(傳送數據的傳送器與接收數據的接收器之間傳送延遲)，以及更能支援對延遲敏感的互動即時通訊。
LTE網路容量測試
逐漸增加使用中的UE數量使其得以模擬真正網路的流量，包括基地台內與基地台間的UE交遞。當UE的數量達數百個時，則Aeroflex EAST500等容量測試工具是製造以實際使用情況為主的測試情境之最佳解決方案。
圖3顯示整個測試週期的容量測試活動的作用。一旦研發功能測試已確定新版本的功能是透過回歸測試維持，容量測試活動著重於與營運商客戶相關的測試。測試會對不同的服務組合進行，並增加UE的數量及使用中的封包數量。在此過程中，也會採用增加性能的新功能版本，且這些版本會加入容量測試。
一旦建立合格的容量性能，此時可啟動性能測試，且目標是確認從網路取得最高的效率，即是每美元傳送的最高位元數。營運商要決定路徑以使網路透過性能測試達到最佳化，因為影響性能重要的eNodeB 演算法是專屬的演算法。複雜的多度空間最佳化法必須平衡網路效率、個別的UE性能(服務品質)及應用性能(體驗品質)。可制定測試活動達到營運商差異化，如新的特性或更高的數據傳輸速率，以及更改服務組合或使用模式。他們也希望利用從以前的問題取得的經驗或自己的性能標準。
容量測試挑戰
留意3GPP規格的變更是一個複雜的工作。eNBs、網路及所有工具的供應商的規格版本必須一致；此外，併入的規格變更要求也必須保持一致。功能的優先順序可以經常變更，並由新的營運商客戶，或營運商的要求變更所推動。當設備供應商獲得新合約時，其他功能通常會被加入網路。
測試設備的成熟度是重要的問題。達到網路的互操作性所需的努力通常會被低估。導致供應商必須花費數月在現場進行作業，同時繼續開發其設備。營運商及網路供應商的首要之務是花時間調試系統並使系統達到最佳化，而非測試工具。
測試設備限制
當實驗室無法輕易複製現場的問題時，會產生問題。實驗室測試比現場測試具有更廉價及重複性更高的優勢，且可製造現場不常發生的情境或在真正的用戶使用前下載網路。然而，除非實驗室的測試情境很準確，否則會產生當客戶開始抱怨時，才會發現到遺漏問題的風險。其中一個重要的檢查區域是UE模擬器能在實驗室重製的RF環境。
供應商會依據多年的經驗開發自己的演算法。容量測試不只深入瞭解這些演算法的性能標準及效率，也是供應商工程師研究進一步改善方式的有用工具。
UE模擬器選擇標準
如果可以在實驗室及現場使用相同的測試設備會很方便，因為在現場發現的問題很有可能在實驗室複製。
快速找出根本原因也很重要。多數UE模擬器著重營運商所需的KPI，但對於有效的故障搜尋及性能優化，UE堆疊測量也需要堆疊的所有階度。
eNB專屬的演算法，如排程器，直接影響性能及效率，因此重要的是，要詢問提供的數據產生多少的排程器工作能見度─詳細的低階數據，如資源區塊使用。
完整測試的重要性
許多營運商及供應商認為，與使用真正的手機UE裝置相比，在RF使用UE模擬器是許可的折衷方式。然而，無RF的UE模擬器─此時使用不同的基頻介面─在真正的手機及UE模擬器的類比延伸過大。EAST500 (圖4)是RF的LTE網路容量測試的整合系統，且具有真正的數據服務及應用程式，且用於提供在實驗室環境中模擬實際情境的容量測試。EAST500包含eNB發展的產業標準LTE RF測試行動介面的演進，Aeroflex TM500，其已與全球每個主要的基礎設施供應商完成互操作性測試。與其他系統相比，此大型安裝基地使營運商及供應商可大幅降低製造商所花費的時間，以使其容量測試系統運轉。
對整個UE堆疊進行測量以提供最佳的品質診斷資料。硬體具有彈性且可依UE數量及所需封包的數量測量。系統在頻率雙工(FDD)及時分雙工(TDD)環境提供RF真正的點對點LTE下載測試。系統路線圖說明最具挑戰性的3GPP功能要求，且已開始推出4x4 MIMO及LTE-Advanced，它們已為更高的數據傳輸速率的挑戰作好準備。
欲深入了解Aeroflex產品詳情，請至Aeroflex 官方網站：http://www.aeroflex.com/
(本文由Aeroflex Nick Carter、Stephen Hire提供，李佳玲整理)
