Тестирование инфраструктурных решений
для сетей LTE
Инфраструктурные решения для сетей связи тестируются в течение всего их жизненного цикла — от проектирования и производства до коммерческой эксплуатации. Прежде чем говорить о том, как и чем следует тестировать инфраструктурные решения для сети LTE кратко рассмотрим ее архитектуру (рис. 1).
Сеть LTE состоит из усовершенствованной универсальной наземной подсистемы радиодоступа (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network,
Рис. 1. Архитектура сети LTE при взаимодействии c сотовыми сетями предыдущих стандартов
Узел eNodeB не только реализует физический уровень сети LTE, но и выполняет множество других важных сетевых функций: управление радиоресурсами (включая контроль доступа к сети и динамическое выделение пользователям ресурсов в прямом и обратном каналах), сжатие заголовков
Узел MME реализует сигнализацию (в плоскости управления) между EPC и UE, а также обеспечивает мобильность UE, включая роуминг между сетью LTE и сетями UTRAN (UMTS) и GERAN (GSM).
Помимо маршрутизации пакетов данных между PGW и
Шлюз PGW обеспечивает связь UE с внешними пакетными сетями, а также реализует правила системной политики, фильтрует пакеты для каждого пользователя (осуществляя глубокий анализ пакетов), тарифицирует предоставляемые услуги и является «якорем» мобильности при интеграции с сетями доступа, не относящимися к сетям 3GPP (WiMAX и CDMA2000).
Функциональный узел PCRF отвечает за управление качеством обслуживания и начислением платы за оказанные услуги связи.
Всестороннее тестирование eNodeB, отдельных элементов EPC и всего сетевого тракта (от радиоинтерфейса до серверов приложений, реализующих операторские
Измерение параметров физического уровня eNodeB
Для гарантии надлежащего функционирования узлов eNodeB необходимо измерять их параметры физического уровня. Согласно спецификации 3GPP TS 36.141, при аттестационных испытаниях узлов eNodeB надо проверять следующие характеристики их передатчиков: выходную мощность и ее динамику, качество передаваемого сигнала, параметры нежелательных излучений, уровень интермодуляции и др. Данная спецификация определяет измеряемые параметры, тестовые процедуры и модели. Предельно допустимые значения этих параметров указаны в спецификации 3GPP TS 36.104.
Динамика выходной мощности передатчика eNodeB характеризуется показателями RE Power Control Dynamic Range и Total Power Dynamic Range. Вышеназванные спецификации определяют RE Power Control Dynamic Range как разницу между мощностью Resource Element (RE) и средней мощностью RE при работе передатчика с максимальной выходной мощностью при определенных исходных условиях. Стоит пояснить, что RE — это минимальная ресурсная единица в кадре LTE, соответствующая одной поднесущей и одному символу. Те же спецификации определяют Total Power Dynamic Range как разницу между минимальным и максимальным уровнями излучаемой мощности при передаче символов OFDM при определенных исходных условиях.
Качество передаваемого сигнала характеризуется отклонением его частоты от номинала (Frequency Error), величиной вектора ошибки (Error Vector Magnitude, EVM) и другими параметрами. EVM — важный показатель качества сигналов с цифровой модуляцией, выражающий разницу амплитуд и фаз измеряемого и идеального сигналов. Он рассчитывается как квадратный корень из отношения средней мощности вектора ошибки к средней мощности идеального сигнала и выражается в процентах.
Тестирование передатчика на нежелательные излучения предполагает измерение занимаемой им полосы частот (Occupied BandWidth, OBW), коэффициента утечки мощности в соседний канал (Adjacent Channel Leakage power Ratio, ACLR), нежелательных излучений в полосе рабочих частот, побочных излучений (spurious emissions) и интермодуляции. OBW — это полоса частот, в которой находится 99% энергии сигнала.
Показатель ACLR характеризует внеполосные нежелательные излучения. Он вычисляется как отношение средних значений излучаемой мощности, определенных (с использованием измерительного фильтра) на центральных частотах рабочего и соседнего каналов. Что касается уровня интермодуляции, то он характеризует способность передатчика подавлять генерацию нежелательных сигналов в своих нелинейных элементах, которая происходит, когда наряду с передаваемым сигналом в передатчике присутствует мешающий сигнал, попавший в него через антенну.
Согласно спецификации 3GPP TS 36.141, к обязательно проверяемым характеристикам приемника eNodeB относятся эталонная чувствительность, динамический диапазон, внутриканальная избирательность, избирательность по соседнему каналу и др.
Знание физической сущности измеряемых параметров, тонкостей измерительных процедур и возможностей тестового оборудования имеет большое значение для успешного проведения испытаний.
Для точного тестирования параметров физического уровня eNobeB в лабораторных условиях операторам связи хорошо подойдет сравнительно недорогой и высокопроизводительный прибор MS2830A Signal Analyzer компании Anritsu (рис. 2), который при наличии необходимых опций функционирует как спектроанализатор (в полосе частот от 9 кГц до 3,6; 6; 13,5; 26,5 или 43 ГГц, в зависимости от модификации), а также как векторные анализатор и генератор сигналов.
Рис. 2. MS2830A Signal Analyzer компании Anritsu
Данный прибор имеет встроенные функции анализа спектра сигналов, инициируемые одним нажатием на кнопку. К ним относятся функции измерения мощности в канале (Channel Power), OBW, ACLR и др. Векторный анализ сигналов осуществляется в полосе частот от 1 кГц до 10; 31,25; 62,5 или 125 МГц (в зависимости от опции анализатора).
Прибор MS2830A может быть оснащен специальным измерительным ПО, предназначенным для анализа модуляции сигналов систем LTE (FDD и TDD). Это ПО обеспечивает ряд полезных дополнительных функций, включая легко инициируемые с помощью меню измерения по тестовым моделям, определенным спецификацией 3GPP TS 36.141. Также предлагается измерительное ПО для тестирования систем WCDMA/HSPA, Wi-Fi, Mobile WiMAX и др. Встраиваемый в MS2830A опциональный векторный генератор сигналов работает в диапазоне частот от 250 кГц до 3,6 или 6 ГГц. С его помощью можно тестировать приемники узлов eNodeB и отдельные компоненты радиосистем, включая усилители мощности.
Производителям eNodeB можно порекомендовать более высокоуровневую модель анализатора серии MS269xA и отдельный векторный генератор сигналов MG3710A — оба устройства выпускает Anritsu. По сравнению с MS2830A этот тандем имеет лучшие рабочие характеристики и более широкий диапазон функциональных возможностей, включая возможность проверки функциональности MIMO.
eNodeB «в обертке»
Узел eNodeB представляет собой довольно сложное устройство, в котором сочетаются функции узла NodeB и контроллера RNC, входящих в состав сети UMTS. Сложность и многофункциональность eNodeB наглядно иллюстрирует стек протоколов интерфейса Uu (рис. 3).
Рис. 3. Стек протоколов интерфейса Uu
Очевидно, что для полного тестирования eNodeB, одних измерений параметров физического уровня недостаточно — необходимо также функциональное и нагрузочное тестирование, осуществляемое с помощью имитатора UE, который реализует весь протокольный стек и поддерживает потоки тестовых данных (в плоскости пользователя), соответствующие широкому диапазону сетевых услуг. Кроме того, чтобы полностью загрузить и даже перегрузить узел eNodeB, имитатор должен обеспечивать высокоскоростную передачу данных по достаточно большому числу соединений с UE.
Среди задач нагрузочного тестирования узла eNodeB в плоскости пользователя можно назвать измерение его реальной пропускной способности, оценку его способности поддерживать требуемые уровни Quality of Service (QoS) для каждого потока трафика и определение обеспечиваемых этим узлом уровней Quality of Experience (QoE). Для измерения показателей QoE в составе тестового комплекса должны быть соответствующие средства, например, средство оценки качества голосовых услуг по алгоритму PESQ.
Работу многих функций eNodeB можно проверить только с помощью тестового комплекса, реализующего «оберточное» (wraparound) тестирование, когда все интерфейсы eNodeB подключаются к тестовому оборудованию, имитирующему работу всех окружающих eNodeB элементов сети LTE (многочисленные UE, соседние eNodeB, узел MME и шлюз SGW). На уровне 3 сигнализация между UE и eNodeB (осуществляемая через интерфейс Uu) тесно связана с сигнализацией в рамках
Компания Ixia предлагает соответствующее комплексное тестовое решение, в состав которого входят платформа IxCatapult, приложение IxLoad и шасси серии XM с нагрузочными модулями. Данное решение имитирует работу всех элементов сети LTE, с которыми eNodeB взаимодействует в реальной сети (рис. 4).
Рис. 4. Тестирование eNodeB
Решение, о котором идет речь, способно сымитировать до 1000 активных UE на сектор (с применением специального модуля XAir) при поддержке шестисекторной конфигурации eNodeB. Оно реализует все протоколы стека Uu посредством своих кодеров, декодеров и библиотек процедур.
На интерфейсе Uu это решение поддерживает каналы шириной 5, 10, 15 и 20 МГц; виды модуляции QPSK, 16QAM и 64QAM; скорости передачи до 150 Мбит/с (пользователям) и до 75 Мбит/с (в обратном направлении); режимы передачи SISO, MIMO 2×2, с использованием нескольких антенн (transmit diversity) или технологии формирования луча. Тестовые сигналы могут подаваться по кабелю (через интерфейс CPRI) или по радио (в
Задачи тестирования EPC
Прежде чем развертывать сеть LTE, необходимо измерить основные характеристики предполагаемого решения для сети EPC и проверить ряд важных аспектов его функционирования.
В первую очередь нужно убедиться в том, что элементы ядра будущей сети LTE работают нормально и обладают достаточно высокой производительностью, ведь EPC будет агрегировать трафик тысяч eNodeB, каждый из которых может иметь пропускную способность до 1 Гбит/с или более. Для этого надо провести нагрузочное и функциональное тестирование элементов EPC с использованием многопротокольного тестового комплекса, имитирующего работу других элементов EPC на интерфейсах испытуемого устройства («оберточное» тестирование). Тесты на производительность должны выполняться как для пользовательского трафика, так и для трафика сигнализации, поскольку со временем EPC придется устанавливать соединения для миллионов пользователей.
Крайне важным аспектом функционирования EPC является обеспечение надлежащего качества обслуживания пользователей. Типичный абонент сети LTE будет использовать множество различных мобильных приложений, осуществляя голосовую связь, обмен текстовыми сообщениями, просмотр видео, считывание и отправку электронной почты. Для проверки уровней QoE потребуется тестовый комплекс, генерирующий реалистичный трафик Triple Play. Тестирование QoE позволит оценить воспринимаемое пользователями качество аудио- и видеосервисов.
Первые сети LTE будут представлять собой островки в море существующих сетей 2G и 3G, поэтому очень важно убедиться в том, что EPC сможет успешно взаимодействовать с ними. Кроме того, надлежит проверить функциональность DPI (с ее помощью PGW распознает различные виды трафика и обеспечивает требуемые уровни QoS для них), возможность интеграции с IMS, функции обеспечения информационной безопасности и тарификации пользователей.
После испытаний eNodeB и элементов EPC по отдельности оператору следует выполнить сквозное тестирование сети LTE с целью измерения ее пропускной способности и показателей QoE при передаче трафика по всему пути его следования — от мобильного устройства до операторских серверов приложений.
Провести функциональное и нагрузочное тестирование (с определением показателей QoE) как отдельных элементов сети LTE (включая eNodeB, SGW
Рис. 5. Тестирование шлюзов EPC
При подготовке испытаний средства Ixia позволяют задавать различные типы абонентов сети мобильной связи (например, это может быть геймер, участвующий в многопользовательских играх, или корпоративный абонент, использующий
Инструменты для работы в поле
Для измерений на сетях мобильной связи широко используются различные модели компактных анализаторов
Рис. 6. MT8220T BTS Master компании Anritsu
Поскольку в инфраструктуре сети LTE применяется технология Ethernet, обслуживающим базовые станции специалистам пригодится портативный
Помимо контроля работы и диагностики отдельных базовых станций, осуществляемых с помощью портативных анализаторов, специалистам операторских компаний приходится проводить широкомасштабное
Рис. 7. Pilot Pioneer компании DingLi Communications
Данное решение, работающее с различными телефонами и сканерами, является дружественным к пользователю и хорошо масштабируемым. Оно может отображать результаты измерений на карте в реальном масштабе времени и одновременно записывать их для последующего анализа. Собираемые данные отражают восприятие пользователями сетевых услуг и помогают повышать степень удовлетворенности пользователей.
Для постобработки результатов
Для диагностики серьезных неполадок в работе