在當今競爭激烈的移動市場下，世界各地的運營商需要快速推出高品質的差異化服務。LTE在技術上的復雜性必然會帶來新的嚴峻挑戰，想要繼續發展，移動運營商不能再僅依靠設備供應商在“理想狀況”下驗證網絡性能。為了保證LTE用戶所需要的移動體驗，運營商必須在部署新的服務之前及網絡部署過程中，自行檢驗新服務的功能、彈性和可擴展性。

　　本文綜合描述了如何在現實條件和極端規模下，而不是通過猜測來獲取網絡性能的關鍵要素，從而使網絡設備供應商和移動運營商切實了解網絡在面對高壓力、大規模及復雜的移動應用組合時的表現。

　　通過一種自動化、可重復且行之有效的方法，無線網絡的復雜性完全可以在實驗室中進行復制和驗證。最終，運營商可以利用本文介紹的概念和方法來評估當面對高壓力、系統過載甚至大規模設備故障時的用戶體驗。

　　LTE測試的3個階段

　　本章定義了LTE網絡實驗室測試的3個階段，分別是協議和功能測試、負載和壓力測試、回歸測試。

　　（1）協議和功能測試

　　協議和功能測試包括驗證3GPP規范中定義的基本過程，可以單獨驗證每個協議層，也可以將完整的協議棧作為一個整體進行驗證。例如，運營商希望利用一個用戶設備（UE）自動測試“附著”過程，或者希望測試跟蹤區更新（TAU）過程。為了確保信令流程和每個消息信元的正確性，必須對該過程的每個步驟進行分析。

　　從理論而言，軟件可能采取的每一個路徑都應進行模擬。信令規范中每個基本流程在不同條件下可能有多個路徑，因此測試過程的設計必須強制被測設備執行各種代碼路徑。

　　這樣不同路徑的例子有正常附著、在用戶漫游時的附著、當用戶沒有已分配TMSI時的附著。所有條件都應允許UE進行附著，但必須根據不同條件適用不同的決策和行為。

　　附著過程失敗時，必須考慮其他路徑。在這里，必須進行“容錯測試”，在這種測試中，將生成一些負面條件以觸發不同類型的反應。輸入模擬應允許向系統中注入適當的條件，如果被測設備在負面條件下反應適當，那測試用例的執行結果就被認為是成功的。

　　協議和功能測試通常在產品開發的設計與早期QA階段進行。然而，為了進行回歸測試，運營商實驗室也可以執行完整功能測試計劃的子計劃。功能測試也可以在網絡中同時加載有正常流量的情況下執行，以反映被測設備更為準確的真實結果。

　　（2）負載和壓力測試

　　壓力測試包括模擬大量的流量以衡量流量負載條件下的網絡性能、容量和服務質量（QoS)的關鍵績效指標（KPI）。它的目的是在性能和容量兩方面給被測設備造成壓力。

　　負載測試在流量壓力上有兩個層次：

　　最大預期真實場景條件下的流量模型是通過研究當前網絡條件并結合網絡增長預測來確定的。在進行過載條件測試時，會在最大預期真實場景條件的基礎上將各個指標增加一個預定的比例，以衡量網絡承受和管理瞬時過載的能力。

　　作為真實場景的網絡建模，流量組合將基于現網的網絡數據或既定的行業標準進行構建。為了盡量貼合實際網絡的的壓力效果，流量模型的各個方面都應包含在模擬之中。

　　（3）回歸測試

　　回歸測試涉及一系列持續執行的測試用例，目的是驗證沒有因為網絡修改而引入異常情況。回歸測試用例庫是專門為驗證現有的特性和功能而設計的。

　　例如，如果一個網元支持特性A、B和C，這些特性經過驗證后被部署到現網中。然而，設備供應商后來可能升級了該網元以支持特性D。新特性的正確性會進行測試，但還必須針對升級后的網元進行回歸測試，以確保網元升級后，特性A、B、C仍然能夠正常運行，不會產生新錯誤和意外情況，或造成性能和容量退化。完成上述測試后，將向回歸測試用例庫中添加一組用于D特性的測試案例，以便在對將來增加的新特性進行回歸測試時，也能正確驗證特性D。

　　因此，回歸測試用例庫相當于一個不斷發展的測試計劃，將隨著時間的增長和新功能的加入而不斷壯大。自動回歸測試工具通常被用來在每次修改網絡后自動運行回歸測試套件。

　　為使網絡在發展過程中保持健康狀態，回歸測試起著至關重要的作用，它可以確保每個新功能或配置更改不會破壞現有的功能。這種類型的測試適用于如下所述的設備隔離和集成測試拓撲。

　　LTE測試中的流量構建

　　本節提供了在測試實驗室中準確復現現網流量場景需要考慮的重要因素，并提出了對于流量類型和組合的建議，以幫助在實驗室里更準確地鏡像出真實的網絡場景。

　　1、用戶面流量

　　要使用的用戶面流量在很大程度上取決于測試目標。對于任何涉及QoS測量的測試，應當模擬與現網相匹配的流量。要準確衡量用戶從各項業務中所獲得的體驗，生成真實流量是唯一正確的方法。

　　另一個影響應用流量選擇的變量是策略和計費執行功能（PCEF）下存在的靜態或動態策略（即，使用策略和計費規則功能）。流量策略要求PCEF檢查流量并依據檢查結果制定策略，進而影響PCEF的運行狀況。

　　最基本的流量分類為基于TCP的流量與基于UDP的流量。我們已經發現，這個簡單的規則有時可能會影響TCP（有狀態的）流量的實際體驗質量，其影響方式有時會出乎我們的意料，例如：

　　●在未來2~3年內，超過60%的網絡流量將由視頻業務所消耗。網絡流量的數量和復雜性會不斷增加，使服務質量更難以保持，因為網絡性能的任何不佳表現都會馬上被客戶察覺。在網絡壓力測試所用的流量模型中加入真實視頻流，可以從用戶的角度來衡量網絡服務質量。而像“平均意見得分”這樣的工具可以用來精確測量這方面的用戶體驗。對于用POLQA?和PESQ算法計算得到的MOS分，使用真實音頻和視頻流量是唯一的衡量方法。

　　同樣，在測試VoLTE時也應使用真實聲音流。使用真實聲音樣本進行仿真，將會得到準確的MOS分值，從而可以測量用戶在使用該服務時將會獲得的真實體驗。由于VoLTE服務將不會是OTT，而是運營商的一個重要收入來源，因此了解人們對運營網絡的期待將是至關重要的。

　　●使用基于TCP傳輸的有狀態流量與使用基于UDP的無狀態流量可能對于網絡產生完全不同的壓力負荷。在無狀態用戶面流量下可平穩運行的測試，在使用有狀態流量時，往往會產生意想不到的結果，如TCP超時和重傳。網關可能會對數據包進行不同處理，PGW/PCEF的“盡力而為”策略也可能會對數據包產生負面影響，使最終結果與預期不符。只有使用例如Http等基于TCP傳輸的流量，才能使我們識別、隔離并修復可能出現的問題。

　　但是，也有一些情況下必須要使用無狀態UDP流量，如當SGW被單獨測試時。由于網關通常不會根據用戶面上的流量類型而有不同表現，所以使用無狀態流量就足夠了。在進行系統測試時，為確定丟包問題，也會需要將無狀態流量與有狀態的、視頻/語音流量進行組合。

　　2、控制和用戶平面流量組合

　　某些網元同時負責控制面和用戶面的處理。所以，對于這兩類流量的使用和組合情況依賴于測試的目標。

　　在大多數的測試中，為模擬用戶的真實行為，建議使用真實流量組合。客戶在整個測試期間需要執行大量控制面行為，例如附著和分離、切換、IDLE和CONNECTED的狀態轉換等。以上這些控制面的行為，應同時在用戶面流量下執行（如網絡下載、VoLTE呼叫、視頻、即時消息等）。將控制面和用戶面流量相結合，是真實衡量被測系統性能的唯一途徑。

　　對于旨在專門測量用戶數據轉發性能的測試，使用一種包含有限控制面流量和較大用戶面流量的測試配置就足夠了。SGW和PGW轉發測試就是這樣一個例子，這種測試可以根據需要附著大量UE，然后在UE會話上運行用戶平面流量。

　　對于專門用來驗證被測設備中應用流量識別的測試，測試應配置建立多個UE會話，而這些會話隨之產生的流量就足夠適用了。例如，針對PGW的DPI能力的測試。
　　3、真實流量組合

　　為了測試同時處理控制面和用戶面的系統或網元，流量結構的確定是負載和壓力測試中的最重要考慮因素之一。

　　LTE測試的拓撲結構和相關KPI

　　LTE網絡中的各個網元可以進行隔離測試，具體做法是：模擬所有與該網元有聯系的其他網元，然后通過各種信令流程來驗證被測網元的反應。將設備隔離開來，可以驗證其“黑盒”功能在所有條件下都與預期一致。

　　由于所有到被測設備的連接都在測試設備的控制下，這就可以通過各種輸入來驗證是否能夠正確反饋。此外，測試設備可用于驗證在模擬接口上的響應本身。eNodeB、MME、DRA和Diameter服務器（如HSS和PCRF）都是進行隔離測試的熱門選擇。

　　雖然隔離測試可以證明設備的承載能力和處理能力，當將設備連接到其他真實設備后再進行測試則能更好地反映設備的真實性能。在網絡測試中使用其他真實設備時，可以引入“真實”的接口互操作性，以及相關的延遲和表現，就能更準確地了解實際系統運行狀況。我們通常把這種測試拓撲稱為多網元測試或者集成測試。

　　一個接口上產生的延遲可能會影響其他接口的工作，而如果這些延遲在系統中傳播的話，會使系統的運行遇到瓶頸。將多個設備同時進行測試，是最準確的性能測試之一，可以幫助真正隔離和確定引起異常行為的特定網元。

　　合理選擇和組合隔離測試與集成測試，并且使用正確的流量構建，可以使我們清晰地了解LTE網絡的實際處理能力和用戶體驗質量。下面介紹幾種典型的測試拓撲。

　　1、EPC(MME+SGW/PGW)測試拓撲

　　作為運營商測試中最流行的拓撲，它的被測對象是真正的MME和S/PGW，使之可以在無需涉及空口的情況下涵蓋最大數量的實際設備。

　　測試儀表在這里主要模擬的是eNodeB和PDN。這種拓撲結構一般會有兩種變化。

　　這種拓撲還可以添加非3GPP網元，如DNS和防火墻。雖然3GPP未作直接規定，但這些網元對于網絡的操作仍是至關重要的，而它們往往也會成為整個系統的瓶頸。

　　如果不僅要測試核心網絡的業務和信令功能，還要測試核心網與真實Diameter服務器之間的互動和互操作性，就應該使用圖1所示的第一個拓撲結構。這提供了一個系統級測試，使其可以模擬生產網絡以及其在現實世界中的運行。這種拓撲結構還應作為實驗室回歸測試的最終驗證步驟，比如在進行網元軟件升級時，應當在完成這一步驟后，再向運營網絡部署升級。

　　2、端到端的EPS系統測試拓撲

　　理想情況下這種拓撲結構將整個網絡作為被測系統：E-UTRAN、EPC（包括Diameter服務器）和DNS、防火墻等支持網元。

　　該拓撲結構通常包括一種雙模式模擬：一些小區中的UE將使用真實的eNodeB通過空中接口進行模擬，而在測量端到端QoS時，還將模擬eNodeB，用大量UE生成足夠多的流量，以完全加載整個核心網絡。

　　這一拓撲結構的主要測試目的是在盡可能準確地模擬現網流量的前提下驗證實驗室網絡中端到端的操作。由于這一測試架構包括了最大數量的真實網元，所以它是對現網的最準確鏡像。

　　這一拓撲具有雙重模擬，既可用于提供高流量壓力，又能使所模擬的UE進行真正的端到端QoS測量。這是一個實用的方法，因為在核心網絡上單獨使用UE模擬來產生可觀的用戶平面和控制平面負載往往被證明成本過高，而這種雙重模擬的方法則通常被設計處理數以百萬計的UE和Gbit/s級的流量。

　　eNodeB模擬提供的負載使得在eNodeB和UE模擬上可以進行更多真實的QoS測量。雖然僅使用UE模擬和真實eNodeB進行QoS測試仍然有效，但如果在這么做的同時對核心網絡增加壓力，那這些測試所得到的結果會更能反映在實際網絡中的用戶體驗。

　　3、帶有UMTS的EPC拓撲

　　這個測試拓撲，可以驗證EPS網絡是否有能力承載3GUMTS/HSPA接入網絡。

　　EPC的設計可以比LTERAN提供更多的服務，在設計之初就可以接受其他3GPP分組接入網絡（UMTS）和非3GPP接入網絡（如Wi-Fi）。有了這個設計，不同的接入方式可以被錨定在EPC核心上，而這一功能由SGW和PGW提供。

　　該拓撲與EPC測試拓撲是相同的，并增加了一個真正的SGSN作為被測系統的一部分，通過Gn或S4接口連接到EPC。為了模擬UTRAN接入到SGSN，在IuPS接口上引入RNC模擬，用于仿真UE從數據域接入。

　　LTE的部署在最初將是遞增的，運營商會在一些UMTS覆蓋的區域內增加一些由LTE覆蓋的熱點。這意味著隨著用戶進出LTE覆蓋區，LTE和UMTS之間會進行頻繁切換，這種切換被稱為iRAT（inter-RadioAccessTechnology）切換。因此，向EPC系統測試配置中引入UMTS接入，可以實現許多重要的測試用例。UMTS核心有兩種方式可連接到EPC：

　　（1）正如Pre-release83GPP規范定義的那樣，SGSN通過Gn接口與GGSN進行通訊。GGSN要么與PGW共置，要么就是PGW的一部分。這個GGSN/PGW組合成為了錨點。

　　（2）SGSN通過S4接口與SGW進行通訊，這種方式適用于升級到R8及以上且具有這一功能的SGSN。然后，S12的接口被用于RNC和SGW間的直接用戶面通信。

　　這里，iRAT切換必須包括在切換配置內。LTE內部切換仍會被執行，但iRAT切換將成為測試的一部分，并且模擬出入UMTS覆蓋區的用戶。由于切換的錨點將是SGW或PGW，因此這對于包括iRAT切換在內的系統測試是一種有效的測試配置。

　　4、帶有IMS的EPC-VoLTE拓撲

　　IMS是由3GPPR5規范引入的。簡言之，它是一個旨在提供由運營商管理的跨越所有類型接入方式的富媒體服務。近年來，IMS在業內得到了一定程度的認可，現在已經成為EPS（VoLTE）提供語音服務的標準。IMS網絡接收并管理來自LTE網絡的所有語音呼叫，且是GSMA指定和推廣的RCS或JOYN?功能集的核心。

　　這里介紹的測試拓撲是基于之前的拓撲——配有UMTS的EPC，外加一個真正的IMS網絡。對于網絡訪問APN，PDN模擬和之前相同。但對于語音呼叫，為了模擬從PSTN呼入/出的VoLTE，又引入了一個新的模擬來取代從IMS接入到PSTN的MGW和MGCF。

　　IMS的存在還向系統中引入了一個重要的Diameter協議接口（即P-CSCF與PCRF間的Rx接口），此接口對于允許IMS觸發建立VoLTE呼叫所需的專用承載很關鍵。

　　考慮到VoLTE和UMTS網絡之間的互操作性，在被測系統中還引入了來自UMTSCS核心網的MSC服務器和MGW。因此同時，還引入了對IuCS接口上RNC的模擬和下面兩個重要的接口：

　　●SG：SG接口位于MME和MSC服務器之間，可以同時支持語音通話和短信的CSFB功能操作。

　　●Sv：Sv接口允許在MSC服務器與MME間進行協調，以進行SRVCC切換。

　　這種類型測試的數據組合主要側重于狀態性的語音數據，以便在語音電話上執行MOS評分，準確地測量出QoS。另外，還應該有基于TCP數據并在“盡力而為”承載上運行的伴隨數據組合，從而可以測量高壓力對于“盡力而為”數據和語音流上的影響。例如，當語音通話上的負載增加時，為保證語音通話質量，應降低“盡力而為”數據的QoS。而要使語音通話質量保持不變，http下載速度應變慢。

　　LTE是運營商迄今為止部署的最重要最復雜的技術之一，諸如VoLTE之類的新興實時服務進一步強化了這一挑戰。LTE為運營商搭建了一個平臺，可以用來提供差異化服務、采用新的價格結構、與OTT的播放器進行合作或競爭。

　　在此關鍵時刻，運營商必須調整思路，使用正確的測試方法獲知被測設備的各項指標。從協議測試到容量和壓力測試，乃至回歸測試中，都應該使用正確的流量組合和測試拓撲，才能正確地評估網絡的容量和性能，以及用戶在真實網絡壓力下的實際體驗質量。

　　只有對設備的實際能力有清晰的了解，才能從一開始就設定正確的網絡部署框架。這一點非常重要，既可以提供用戶所期望的最終質量，也可以解放富有創造性的運營商，使他們能夠自由自在地開發出更多進階服務項目。如果能夠驗證這些新網絡與新服務的功能、質量、靈活性和可擴展性，運營商在即將拉開大幕的LTE舞臺上將獲得明顯的戰略優勢。