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 (см. Рисунок 1).

 

 

Рисунок 1. Архитектура сети LTE при взаимодействии с сотовыми сетями предыдущих стандартов.

 

Сеть LTE состоит из усовершенствованной универсальной наземной подсистемы радиодоступа (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN), которую образуют узлы eNodeB (базовые станции LTE), и усовершенствованного пакетного ядра (Evolved Packet Core, EPC). Узлы eNodeB осуществляют радиообмен с пользовательскими устройствами (User Equipment, UE), реализуя эффективные технологии OFDMA и SC-FDMA и современные способы радиосвязи с применением более чем одной антенны (MIMO и формирование луча). В полосе частот шириной 20 МГц скорость передачи данных пользователям составляет до 150 Мбит/с (в случае применения MIMO 2х2), а в обратном направлении — до 75 Мбит/с. Основными функциональными элементами EPC являются: узел управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME), обслуживающий шлюз (Serving Gateway, SGW), пакетный шлюз (Packet Data Network Gateway, PGW), а также узел для выставления счетов пользователям и реализации правил системной политики (Policy and Charging Rules Function, PCRF). Информация о пользователях хранится на сервере Home Subscriber Server (HSS). Элементы сети взаимодействуют друг с другом через стандартизированные интерфейсы (они указаны на Рисунке 1).

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 IP-пакетов и шифрование потоков данных, передачу (через радиоинтерфейс Uu) пейджинговых и широковещательных сообщений, маршрутизацию пользовательских данных к SGW и др.

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 E-UTRAN шлюз SGW служит «якорем» мобильности при осуществлении хэндоверов между узлами eNodeB и при роуминге между сетью LTE и сетями 2G/3G. Кроме того, SGW управляет контекстами UE и инициирует вызовы неактивных UE, когда поступают предназначенные для них данные.

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.

Технология LTE — еще довольно молода (ее первоначальные спецификации были включены в набор спецификаций 3GPP Release 8, разработка которого была в основном завершена в декабре 2008 года), поэтому степень функциональной зрелости узлов eNodeB на физическом и протокольных уровнях пока низка. Всестороннее тестирование eNodeB, отдельных элементов EPC и всего сетевого тракта (от радиоинтерфейса до серверов приложений, реализующих операторские IP-сервисы) в лабораторных условиях позволит операторам связи избежать дорогостоящих ошибок при выборе сетевого решения. Далее многофункциональные портативные приборы, предназначенные для полевого тестирования, потребуются операторам для инсталляции и технического обслуживания сетей LTE. Помимо операторов потенциальными потребителями средств тестирования LTE в нашей стране являются сертифицирующие центры, надзорные органы и будущие российские производители LTE-продукции.

 

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 Ration, 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.

 

Рисунок 2. MS2830A Signal Analyzer компании Anritsu.

Для точного тестирования параметров физического уровня eNodeB в лабораторных условиях операторам связи хорошо подойдет сравнительно недорогой и высокопроизводительный прибор MS2830A Signal Analyzer компании Anritsu (см. Рисунок 2), который при наличии необходимых опций функционирует как спектроанализатор (в полосе частот от 9 кГц до 3,6, 6 или 13,5 ГГц, в зависимости от модификации), а также как векторные анализатор и генератор сигналов.

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 или 31,25 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 GSM/EDGE, WCDMA/HSPA, 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.

По словам Алексея Сонина, регионального менеджера компании Anritsu по России и странам СНГ, в плане тестирования оборудования LTE российские операторы проявляют интерес к анализатору MS2830A, и в прошлом году одна из компаний «большой тройки» приобрела этот прибор со встроенным векторным генератором сигналов и ПО для испытаний оборудования GSM, WCDMA и LTE для оснащения своей тестовой лаборатории.

Производителям eNodeB можно порекомендовать более высокоуровневую модель анализатора серии MS269xA и отдельный векторный генератор сигналов MG3700A — 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»

 

Рисунок 3. Стек протоколов интерфейса Uu.

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 (см. Рисунок 3).

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 E-UTRAN (через интерфейс X2) и с сигнализацией между eNodeB и EPC (через интерфейс S1). Эта тесная связь затрудняет тестирование какого-либо интерфейса в отдельности или даже делает это невозможным. Поэтому-то и нужен тестовый комплекс, который мог бы задействовать сразу все интерфейсы eNodeB и должным образом скоординировать их работу.

 

Рисунок 4. Шасси XM12 компании Ixia с нагрузочными модулями.

Компания Ixia предлагает соответствующее комплексное тестовое решение, в состав которого входят платформа IxCatapult, приложение IxLoad и шасси серии XM (см. Рисунок 4) с нагрузочными модулями. Данное решение имитирует работу всех элементов сети LTE, с которыми eNodeB взаимодействует в реальной сети (см. Рисунок 5).

Решение, о котором идет речь, способно сымитировать сотни пользователей на сектор 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 и 20 МГц, конфигурацию MIMO 2x2, передачу тестовых сигналов по кабелю (через интерфейс CPRI v3.0/4.0) или по радио (в LTE-диапазонах I—XIV). Оно может имитировать множество типичных сетевых событий, включая регистрацию пользователей в сети LTE и выход из нее, а также различные виды хэндовера: от одного eNodeB к другому, между секторами одного и того же eNodeB и между сетями радиодоступа на базе разных технологий.

 

 

Рисунок 5. Тестирование eNodeB.

 

Стоит отметить, что недавно компания Ixia анонсировала решение для тестирования экосистемы фемтосот LTE. Оно позволяет проверить работу как отдельных элементов данной экосистемы (узла Home eNodeB и шлюза этих узлов), так и всего тракта в целом — от радиоинтерфейса до IP-ядра, а кроме того, выполнение хэндовера между макро- и фемтосотой.

 

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. В частности, нужно проверить непрерывность голосового вызова при переходе пользователя из сети LTE в сеть 2G или 3G. Что касается голосовой связи по LTE, то сейчас предлагаются три варианта реализации данной услуги — на базе IMS, с переключением пользовательского терминала в сеть 2G или 3G и VoLGA. Поскольку рынок еще не выбрал лучший из них, важно протестировать все три варианта. 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 и т. д.), так и сетевого тракта в целом (от радиоинтерфейса до серверов приложений) можно с помощью вышеупомянутого комплексного тестового решения компании Ixia (на Рисунке 6 показано подключение шлюзов SGW и PGW к тестовому оборудованию Ixia).

 

 

Рисунок 6. Тестирование шлюзов EPC.

 

При подготовке испытаний средства Ixia позволяют задавать различные типы абонентов мобильной связи (например, это может быть геймер, участвующий в многопользовательских играх, или корпоративный абонент, использующий видео-конференц-связь и IPsec VPN) и их действия в сети.

 

ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ РАБОТЫ В ПОЛЕ

Для измерений на сетях мобильной связи широко используются различные модели компактных анализаторов антенно-фидерных трактов, спектроанализаторов и анализаторов базовых станций. Специалистам, которым предстоит заниматься инсталляцией и техническим обслуживанием узлов eNodeB, компания Anritsu рекомендует свой портативный анализатор базовых станций MT8221B BTS Master. При массе менее 5 кг это устройство объединяет в себе широкий набор инструментов тестирования, включая двухпортовый анализатор антенно-фидерных трактов (работающий в диапазоне частот от 400 МГц до 4 ГГц), спектроанализатор (от 150 кГц до 7,1 ГГц), измеритель мощности (от 10 МГц до 7,1 ГГц), анализатор помех, сканер каналов, векторный генератор сигналов (от 400 МГц до 6 ГГц), анализаторы сигналов LTE (с шириной полосы частот до 20 МГц), GSM/EDGE, WCDMA/HSDPA, TD-SCDMA/HSDPA, cdmaONE/CDMA2000, WiMAX, а также анализаторы используемых в сотовых сетях каналов T1, T3, OC-3c, E1 и STM-1.

Поскольку инфраструктура сети LTE ориентирована на технологию Ethernet, а такого анализатора в составе MT8221B BTS Master нет, обслуживающим базовые станции специалистам придется брать с собой отдельный портативный Ethernet-анализатор. Таких приборов на рынке довольно много, из них можно порекомендовать модель MT9090A (с модулем Gigabit Ethernet) компании Anritsu или SunLite GigE фирмы Sunrise Telecom. Стоит отметить, что для своих анализаторов базовых станций серии MT822xB BTS Master и спектроанализаторов серии MS272xC Spectrum Master компания Anritsu недавно выпустила опции, обеспечивающие проведение радиочастотных измерений и анализ качества модуляции в сетях LTE TDD.

Помимо контроля работы и диагностики отдельных базовых станций, осуществляемых с помощью портативных анализаторов, специалистам операторских компаний приходится проводить широкомасштабное драйв-тестирование (drive testing) своих сотовых сетей. В процессе такого тестирования на автомобиле, оснащенном специальным измерительным оборудованием, объезжают территорию, на которой развернута сотовая сеть, и определяют ее зону радиопокрытия, емкость и показатели качества обслуживания. Как правило, для драйв-тестирования используют тестовый мобильный телефон и широкополосный сканер, подсоединенные к ноутбуку. На рынке уже появились системы драйв-тестирования, которые наряду с технологиями сотовых сетей 2G и 3G поддерживают и технологию LTE.

Для диагностики сложных проблем в работе E-UTRAN потребуется анализатор протоколов интерфейса Uu, такой как WaveJudge 4900 LTE компании Sanjole. Работая в полевых условиях, это устройство способно захватывать (в эфире) трафик между UE и еNodeB и декодировать его. Затем захваченный трафик можно тщательно проанализировать в лаборатории. Быстро поставить диагноз помогает отображаемая данным прибором временная корреляция между радиосигналами (физический уровень) и декодированными сообщениями протоколов более высоких уровней — MAC, RLC, PDCP и NAS. К основным функциям WaveJudge 4900 LTE относятся также радиочастотный анализ и анализ качества модуляции.

Алексей Засецкий — директор по развитию бизнеса компании Syrus Systems. Владимир Шельгов — научный редактор компании Syrus Systems. С ними можно связаться по адресам: it@syrus.ru, shelgov@syrus.ru.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями