如何进行2.5G/3G核心网络测试

本文介绍了在分组交换2.5G/3G核心网络和业务层中建立会话所需的一些关键程序。本文首先将用IMS会话作为具体例子，强调相关的测试挑战，以及如何通过泰克G35协议测试平台来解决这些挑战;最后对2.5G/3G核心网络基础设施上的基于蜂窝网的即按即说(PoC)和多媒体广播多播业务(MBMS)等新业务的影响进行了。

　　简介

　　HSDPA和HSUPA等的最新标准化UMTS R5和R6功能，正在将移动网络转化为真正的宽带通信系统。语音收入的不断下降要求运营商通过为客户开发新业务来寻求收入增长来源。

　　IEEE 802.16e标准(通常称为移动WiMAX)这一替代移动宽带技术的到来，将强化这一趋势。有了这项新技术，竞争业务提供商也将出现，从而使越来越多的最终用户在其日常生活中采用基于IP的业务。　　IMS和其它分组数据平台使业务提供商具备了以较低整体成本部署具有更高QoE的多业务的能力。铃声下载、短信、电子邮件、图片短信和信息业务等多种各样的应用程序也同样受欢迎。将这些类型的业务移植到一个共同的平台以优化经营费用的相关成本，是移动(和固定)运营商采用基于IMS的系统的强大推动力。

　　主/次PDP环境

　　所有这些不同应用程序的一个共同点是，其可用性都需要特定的接入点。接入点是为移动台(MS)和所选应用程序之间的连接提供的IP路由器。MS必须知道接入点名称(APN)，以便通过GPRS子系统接触所需的接入点。这通过图1所示的PDP环境激活程序来实现。

　　图1：PDP环境激活程序(MS启用)。

　　MS发送含有PDP类型、PDP地址、接入点名称、所要求的业务质量(QoS)和协议配置选项的激活PDP环境请求消息到SGSN。SGSN利用APN(APN有一个“完全合格的域名”格式)选择一个外部网络的参考点(GGSN)。APN是指向用户希望连接的外部分组数据网络(PDN)的逻辑名称。域名业务器的功能是将逻辑APN名称转换到IP地址。根据RFC 1034，该功能是标准因特网功能。这样，SGSN就找到了连接到所需的外部网络上的GGSN。接下来，SGSN向GGSN发起“创建PDP环境程序”。

　　所要求的QoS指出了想要的QoS规范。协议配置选项可被用于向GGSN请求可选的PDP参数。然后，通过SGSN透明地发送协议配置选项。

　　发送激活PDP环境请求后，在等待激活PDP环境接受或拒绝消息的同时，在MS中启动计时器。

　　SGSN验证激活PDP环境请求。如果无法得出GGSN的地址，或者如果不能转换APN，或者如果SGSN确定激活PDP环境请求无效，则SGSN将拒绝PDP环境激活的请求。

　　如果PDP环境激活程序成功，将在MS和外部分组数据网络(PDP)之间建立用户面隧道。重要的是要注意到这仅是从GPRS来看的用户面隧道，从外部PDN来看，也有可能携带如SIP消息的控制面信息。

　　如上所述，接入点是外部业务平台的第一接触点。这些业务平台的例子有：短消息信业务中心(SMSC);多媒体信息业务中心(MMSC);无线应用协议(WAP);IP多媒体子系统(IMS);互联网。

　　一个GGSN可以提供通过不同的APN访问不同的业务。从外部PDN来看，必须区分主次PDP环境(图2)。主PDP环境总是为MS和具体APN之间的第一连接而建立。如果需要与相同APN建立进一步连接，则可以建立最多10个次PDP环境。通常情况下，每个IMS媒体流将通过一个单独的隧道进行独立路由，这主要是因为第5版中GPRS收费功能无法对一个数据流生成多个收费记录。此外，不同的IMS用户面会话可能有不同的QoS要求。

　　图2：PDP环境类型。

　　因此，PDP环境可成以下两类。1. 主PDP环境：向不同APN提供连接。SGSN就每个主PDP环境为MS分配一个唯一的IP地址。2. 次PDP环境：为相同APN提供连接，但QoS不同。次PDP环境总是与一个主PDP环境相关联。两个IP地址和接入点从主的PDP环境中被重复使用。

　　任何有效的主或次PDP环境的QoS，可以采用PDP环境变更程序通过MS或网络进行变更。图3描述了G35协议测试仪模拟的议定QoS参数。

　　图3：业务IE的质量(G35协议模拟器屏幕截图)。

　　所支持的PDP环境的最大数量取决于MS的容量。典型的测试移动平台支持多达6个PDP环境。SGSN/GGSN节点可以每个MS支持多达11个PDP环境。对于完整的压力测试，G35模拟高达600万个移动用户，而每个模拟的MS可以有高达11个激活的PDP环境。由于具有超过6,000万个同时工作的GPRS隧道的容量，G35可以模拟移动场景，以及从小到乡村规模，大到城市规模的用户负载。

　　用G35进行GPRS域验证

　　Tektronix的G35 GPRS功能和和负载测试平台是一个可扩展的多技术系统。在其基本配置中，便携式装置只配备一个模拟板。对于复杂的负载情景，机架系统可配备多达13个模拟板。不同的硬件接口可以组合成一个机柜，例如模拟2.5G接入网络用的(GERAN)E1板、UMTS无线接入网模拟用的ATM板(UTRAN)以及模拟外部PDN的以太网板。

　　G35以其无可比拟的灵活性，为大量的网络元素提供了模拟和仿真能力，因此可以测试各种条件下的GPRS子系统。典型的应用案例如图4所示。

　　图4：GPRS负载测试的典型拓扑。

　　G35模拟无线接入网络，包括一定数量的移动用户。这些用户可能分布在60个虚拟无线蜂窝单元内，但在最简单的情景中，所有模拟用户都位于同一蜂窝单元内。

　　蜂窝单元设置用的典型参数包括技术(2G、3G)、路由区编码(RAC)、移动国家代码(MCC)和移动网络代码(MNC)。这种方法允许使用者将用户进行相应群集，并模拟各种移动行为，比如：(1)移动列车(moving train)——所有用户均附在一个3G蜂窝单元上。一段时间之后经过一段时间，3G覆盖丢失。所有用户需要执行系统间的变更和附在2G网络单元上。(2)过境(crossing the border)——用户用不同的RAC、MNC或MCC切换蜂窝单元。需要执行路由区更新程序。(3)市区(urban area)——用户差不多均匀分布在几个蜂窝单元并与以伪随机方式切换到其它蜂窝单元。用户需要执行蜂窝单元重选或蜂窝单元变更程序。

　　使用相同的命令将触发所有移动情况。根据单元的配置，G35会自动检测并启动相关的移动管理程序。

　　根据使用情况，也可以模拟其他网络元素，如设备信息寄存器(EIR)、CAMEL、SMS中心、定位中心、归属位置寄存器(HLR)等。许多运营商都有相当数量的预付费用户，因此，对于预付费和后付费用户的混合配置，也有必要模拟SGSN和CAMEL中心之间Ge接口的有关事务处理。

　　另一个典型测试情景是结合了背景负载的功能测试。这在推出新业务时尤为重要。大量模拟用户执行标准的GPRS程序，如ATTACH、PDP环境激活/去激活、IP转换和DETACH。这些用户构成产生的背景负荷的群组。另一较小群组由有限数量的用户(如1至20名)组成，并将新业务(如IMS)有关程序注入GPRS子系统。

　　利用这种测试方法，可以在所有相关方面验证协议的执行。例如：协议执行情况是否符合标准?是否有足够能力承受异常行为/意外错误条件?长时间进行的稳定性测试期间，是否会发生内存泄漏?

　　这样的测试情景也可以与错误插入相结合，这是一种模拟异常情况的确定性方法。利用这个功能，测试工程师可以将不规则程序注入到一定数量的用户流量中。存在大量供测试工程师选择的预定义的错误状况。例如，可以重现无线电连接的丢失、模拟不合格手机(如重复消息)或模拟不当配置的终端(如尝试连接到不存在的APN)。对于一定百分比的用户，每个错误将以伪随机方式注入。不同的错误状况可与其他状况混合。

　　异常状况和错误状况的影响仍然不明确，因为这些状况往往不能在真正的网络节点进行测试。异常状况的一个例子是，用户发起的PDP环境激活与网络发起的DETACH程序相冲突。标准中通常没有对异常情况下的预期网络行进行定义。

　　负载测试和功能测试的结合是一种新的测试范例，它消除了隔离负载/功能测试的固有弊端。

　　G35的设计旨在支持真实负载和压力测试情景的模拟。一个关键的因素在于生成控制和用户面流量的能力。每个PDP环境可以单独与特定的用户面负载规范相关联。利用G35，每个MS可以激活高达11个PDP环境，而每个PDP环境与另一负载规范相关。

　　通过模拟器可以内部生成用户面内容，也有可能将外部内容(如网页浏览、外部视频业务器的视频流)注入到用户面隧道。

　　在复杂的生态系统中，症状和其根源往往相距甚远。分布在HLR到SGSN(Gr接口)的单个误计算或损坏的五件套可能引起SGSN和RNC(IuPS接口)之间的完整性检查错误。为彻底解决问题，G35结合了监视和主动测试功能。

　　假设运营商想要模拟一个拥有10万个移动用户的接入网络，并想监视核心网络(到HLR、CAMEL骆驼中心等网络节点)的流量，再进一步假设完整的网络是基于IP。在这样的状况下，测试和测量工具上的投资将大大低于过去，因为运营商只需要投资带一个以太网板的G35。以太网板可用于同时主动测试(生成负载)和被动测试(监视)，而不需要单独的协议监视设备。

　　G35提供了大量的统计信息和计数器以支持分析任务。测试结果可以导入到Excel文件或数据库，以支持生成详细的报告。
推式业务(push service)

　　典型的电信和网页浏览等互联网业务一般认为是拉式业务(pull service)。最终用户发起事务处理和请求内容，如特定网页。而推式业务是指由局端(如PoC业务器或广播/组播业务器)发起事务的通讯方法。推式事务处理往往基于订阅模式，用户需要提前告诉局端“一旦有新内容则发送特定信息(如体育新闻、天气预报”。

　　利用3GPP第6版的两个推式业务已经推出。下面将对其进行仔细分析，并研究这些业务是如何影响GPRS子系统的。

　　基于蜂窝网的即按即说

　　基于蜂窝网的即按即说(PoC)是一种在用户群之间提供有效、简单的语音通信的新标准。该标准的前提是用户已经订阅了一个或多个用户组。用户设备提供管理PoC业务设置和编制组列表的可能性。相应的协议称为XCAP(XML配置访问协议)和XDM(XML文件管理)。

　　所有小组成员之间交换SIP信号后，语音流将从发起端发送到PoC业务器。然后，业务器将语音流分发到用户组的所有用户端。一次只能有一名用户拥有“发言权”并发送语音数据到PoC业务器，这使该业务类似于“对讲机”。语音流控制协议(TBCP)用于对向PoC参与者分配的“发言权”进行控制，包括发送关于用户已被授予发言权以及其语音将被其他参与者听到的通知。

　　资源效率是PoC业务的优势。用户的语音信息分割后通过基于分组的GPRS子系统传输。与典型的双向通信业务不同的是，PoC仅需要一个单向用户面信道。虽然以分组为导向的技术可能导致质量下降，比如在语音帧引入约2秒的延迟，但对该类型的应用而言，所实现的语音质量通常已经足够好了。

　　移动广播/组播业务

　　移动广播/组播业务(MBMS)是一种IP数据广播业务，即一种向大量收件人传输如视频和音频剪辑等内容的方法。因此，MBMS是一种单点对多点的单向承载业务，其中数据从单一源传送给多个收件人。3GPP已经定义了两种运营模式：广播模式和组播模式。

　　广播模式是发送信息到一个广播业务区内所有用户的高效率方法(如雷暴警告)。组播模式基于订阅模式。多媒体广播/组播业务有一些高层次的要求：MBMS通知程序用于指示MBMS数据传输开始;明确机制以便当蜂窝单元内至少有一个用户时激活网络，为单元内的组播会话启动MBMS数据传输;明确机制以停止不再包含任何活动用户的单元内的给定组播会话的MBMS数据传输。

　　用于MBMS业务激活和会话启动的RNC和SGSN之间的RANAP程序，如图5所示。

　　图5：MBMS业务激活和会话启动。

　　SGSN通过发送RANAP MBMS UE的连接请求，发起MBMS MS连接程序，其目的是向RNC提供该MS激活的MBMS业务清单。图5的右边屏幕截图显示该信息的结构，这是用G35消息构建系统(MBS)创建的。该消息由四个序列组成，每个序列中包含PLMN标识(pLMNidentity)和业务标识(serviceID)。在本例中，RNC得到这一特定的用户已启动四个不同业务的通知。pLMNidentity和serviceID用变量代表，因为这些参数在描述流量的其他信息(如MBMS会话开始)也是必需的。

　　然后，RNC用MBMS UE连接响应确认。由于RNC并没有为这种业务提供MBMS环境(因为这是第一次MS激活该业务)，所以不知道该业务的IP组播地址或APN。RNC使用MBMS信息请求消息，向SGSN请求该信息。SGSN用MBMS信息响应消息(参数：IP多播地址、APN)响应。该业务环境创建后，RNC发送MBMS的注册请求消息，并通知核心网RNC已经准备接收MBMS会话开始消息。MBMS注册响应、MBMS会话启动和MBMS会话响应后，建立下行线路数据传输。

　　这些业务会如何影响GPRS子系统?显而易见的是，这些业务将导致用户面流量显著增加。这导致流量模型变得更加不可预测，因为要获得业务的蜂窝单元不确定程度也越来越高。各种数据广播业务将相互争夺带宽。因此，QoS的意义如下：(1)在广播区的流量接收无法保证，接收器可能遇到数据丢失;(2)MBMS不支持个别转播;(3)为减少流量，必须有网络运营商只发送组播信息到含有组播组成员的指定组播区蜂窝单元的可能性;(4)网络运营商必须能够为每个广播业务个别设定QoS;(5)应能适应MBMS数据传送到不同的RAN或当前可用的无线资源;(6)如果存在网络资源限制，运营商应能定义支持或不支持广播业务的规则。

　　展望

　　GPRS标准化由ETSI的SMG(特别行动组)于1994年发起，主要的GPRS规范由SMG #25于1997年批准并于1999年完成。原来的GPRS的概念设计是一种分组交换子系统——电路交换式GSM核心网络的垂直扩展。

　　GPRS将在未来数年内完全超过电路交换子系统。许多网络设备厂商努力开发和规范GPRS分组交换域的新接入技术(如UMA和FemtoCells)，从而推动了这种趋势的发展。

　　未来的移动网络架构将是水平式的，如图6所示，是基于4G IP的综合网络架构。SGSN和GGSN构成传输网络的核心要素。随着LTE的到来，这两个要素会演进成MME指示的两个新要素(移动管理实体)和SAE Gateway(系统架构演进)。

　　图6：基于4G IP的综合网络。

　　SGSN和GGSN在确保目前顺利运营和未来业务无缝集成到移动生态系统中，发挥了关键作用。

　　每个通信系统的目的不在于技术本身，而是对应用程序和最终用户认为的相关QoE提供可靠支持。

　　对于网络运营商和设备制造商，关键是要了解负载过重的GPRS子系统如何工作，以及GPRS网络如何受引入的新业务以及各种性能要求的影响。

　　许多新业务，如PoC和MBMS，不会在2009年初配置。虽然第一个终端将在2008年出现，但这些业务成为大众市场业务仍需要几年时间。

　　了解满负荷下提供的这些业务和其他业务的性能特点是GPRS的测试方法的基础。正如扬基集团(Yankee Group)所指出的，“测试提供商必须能对网络的复杂性和规模进行仿真，才可以有信心地提供业务”。　　Tektronix G35具备使用一个平台即可完成所需所有测试的能力。它具有的独特特性，比如模拟周围所有网络要素、错误插入、高性能和大量的移动协议，是综合的功能性负载和压力测试的基础，不仅是排他性的，而且是针对GPRS的。Tektronix的G35及其前身K1297-G20，被全球所有主要网络运营商和网络设备制造商广泛采用。从用户的反馈来看，我们可以负责任的说，G35已经是经大量证实可靠的测试和测量工具。