Тестирование и анализ работы LTE сетей

Развертывание LTE сети требует решения комплекса серьезных задач. В данном материале мы рассмотрим, как и чем проводить анализ радиоэфира, тестирование наземной подсистемы радиодоступа (базовые станции eNoteB) и пакетного ядра EPC сети LTE.

В настоящее время современные технологии беспроводной развиваются в одном направлении: к системам на базе OFDM-MIMO и далее к системам четвертого поколения. У сотовых технологий одна четкая тенденция: миграция в сторону LTE, стандарта 3GPP.

Технология LTE обеспечивает теоретическую пиковую скорость передачи данных до 326,4 Мбит/с от базовой станции к пользователю (де-факто 5—10 Мбит/с) и до 172,8 Мбит/с в обратном направлении. Для сравнения, сети второго поколения (2G) теоретически способны обеспечить пиковую скорость передачи данных с помощью технологии GPRS 56—114 Кбит/с, а помощью EDGE до 473,6 Кбит/с. Сети третьего поколения (3G) обеспечивают скорость передачи данных до 3,6 Мбит/с. Реальная же скорость передачи данных пользователям LTE в полосе частот шириной 20 МГц составляет до 150 Мбит/с (в случае применения MIMO 2х2), а в обратном направлении — до 75 Мбит/с.

Основным достоинством LTE является то, что она строится на базе существующего оборудования со сравнительно легкой интеграцией GSM и WCDMA, поэтому сеть LTE поддерживает существующие абонентские устройства 2G и 3G. Этого лишены сети WiMAX, которые, так же как сети LTE, относятся к четвертому поколению.

По мере развития сетей LTE все более актуальными становятся вопросы тестирования инфраструктуры этих сетей. Тестирование сети LTE необходимо проводить в течении всего жизненного цикла начиная с запуска сети в эксплуатацию. Но прежде чем говорить о том, как и чем тестировать сеть LTE, кратко рассмотрим ее архитектуру.

Архитектура LTE сети

Сеть LTE состоит из наземной подсистемы радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network), которую образуют узлы eNodeB - базовые станции LTE, и пакетного ядра EPC (Evolved Packet Core). Узлы eNodeB осуществляют радиообмен с пользовательскими устройствами UE (User Equipment), используя технологии OFDMA и SC-FDMA и современные способы радиосвязи с применением более чем одной антенны - MIMO. Основными функциональными элементами EPC являются: узел управления мобильностью MME (Mobility Management Entity), обслуживающий шлюз SGW (Serving Gateway), пакетный шлюз PGW (Packet Data Network Gateway), а также узел для выставления счетов пользователям и реализации правил системной политики PCRF (Policy and Charging Rules Function). Информация о пользователях хранится на сервере HSS (Home Subscriber Server). Элементы сети взаимодействуют друг с другом через стандартизированные интерфейсы, указанные 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 обеспечивает 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 и реализует правила системной политики, фильтрует пакеты для каждого пользователя с анализом 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.

Тестирование и анализ LTE сети

Тестирование LTE сети – это многосторонняя задача, касающаяся тестирования не только радиоканала, но и анализа производительности узлов проводной части сети. На рисунке 1 знаком «*» обозначены участки сети, требующие контроля и для которых уже существуют различные тестовые решения:

• анализаторы интерфейсов и протоколов;

• системы имитации емкости сети (Capacity Advisor);

• анализаторы антенно-фидерного тракта, анализаторы сигналов, радиочастотные анализаторы и анализаторы базовых станций (Cell Advisor);

• тестовые мобильные трубки и радиочастотные пробники с постобработкой для драйв-тестирования (RAN Advisor).

Основные потребители средств тестирования LTE сетей это, безусловно, операторы связи. Потенциальными потребителями являются сертифицирующие центры, надзорные органы и производители LTE-оборудования.

Тестирование наземной подсистемы радио-доступа и пакетного ядра LTE. Решения Capacity Advisor

Инфраструктура сети LTE ориентирована на технологию Ethernet, для тестирования которой можно использовать анализаторы транспортных сетей, например MTS-5800, MTS-6000Av2 или MTS-8000v2 или более простые сетевые тестеры.

Работу многих функций eNodeB можно проверить нагрузочным тестированием, 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). 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 Capacity Advisor, который мог бы создать нагрузочное тестирование, задействовать сразу все интерфейсы eNodeB и должным образом скоординировать их работу. Данное решение имитирует работу всех элементов сети LTE, с которыми eNodeB взаимодействует в реальной сети. Более того, данное решение отлично справится с задачей анализа работы сетевых элементов в случае увеличения емкости сети.

Тестирование базовых станций LTE. Решения Cell Advisor

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 EVM (Error Vector Magnitude) 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 OBW (Occupied BandWidth);

• коэффициента утечки мощности в соседний канал ACLR (Adjacent Channel Leakage power Ration) 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 тестирования параметров физического уровня базовых станций LTE, eNodeB операторам связи хорошо подойдут компактные модели анализаторов антенно-фидерных трактов, радио-частотных анализаторов и анализаторов сигналов. Все эти устройства могут быть объединены в универсальные анализаторы базовых станций. Яркими представителями этой категории являются модели JD745A и JD785A, которые отличаются частотным диапазоном 100 кГц – 4 ГГц и 100 кГц – 8 ГГц соответственно. Данные устройства будут оптимальны для специалистов, которым предстоит заниматься инсталляцией и техническим обслуживанием узлов eNodeB.

Анализаторы JD745A / JD785A объединяет в себе широкий набор инструментов тестирования, включая:

• анализатор антенно-фидерных трактов (работающий в диапазоне частот от 5 МГц до 4/6 ГГц);

• спектроанализатор (от 100/9 кГц до 4/8 ГГц);

• измеритель мощности (от 10 МГц до 4/8 ГГц);

• анализатор помех;

• сканер каналов;

• генератор сигналов на разных уровнях мощности;

• анализатор сигналов LTE (с шириной полосы частот до 20 МГц), GSM/EDGE, WCDMA/HSDPA, TD-SCDMA/HSDPA, cdmaONE/CDMA2000, WiMAX;

• анализатор E1 и STM-1.

Стоит отметить, что анализ сигналов LTE на базе JD745A / JD785A включает проведение радиочастотных измерений и анализ качества модуляции в сетях LTE-FDD и LTE-TDD. Эти опции обеспечивают ряд полезных дополнительных тестов согласно рекомендации 3GPP TS 36.141.

Анализ зоны покрытия LTE. Решения RAN Advisor

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, например решение FTA компании VIAVI, и широкополосный сканер, подсоединенные к ноутбуку. Наряду с тестированием сотовых сетей 2G и 3G такие системы поддерживают и технологию LTE.

См. также:

• BYOD: концепция, технологии и решения

• Взлом WiFi или как я ловил шпионов в корпоративной Wi-Fi сети

• GSM шлюзы: отзывы и применения

• Применяем беспроводные гарнитуры в офисе

Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.