開發(fā)可行運營模式，實現(xiàn)LTE潛力

開發(fā)可行運營模式，實現(xiàn)LTE潛力

?為滿足移動通信市場數(shù)據(jù)流量指數(shù)級增長的需要，運營商們在保持相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)成本的同時正紛紛轉(zhuǎn)向LTE技術(shù)。由于LTE把無線網(wǎng)絡(luò)智能管理功能放在了eNodeB之內(nèi)，因而傳統(tǒng)監(jiān)測工具已不再具備接入和監(jiān)測能力。鑒于此，為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，新一代移動通信技術(shù)和性能監(jiān)測解決方案應(yīng)運而生。
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圖1: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型 – 經(jīng)濟學(xué)模型
[左圖圖示內(nèi)容：]
Voice Dominant:語音業(yè)務(wù)主導(dǎo)
Traffic: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量
Revenues & Traffic Decoupled: 收益與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量關(guān)系
Revenues: 收益
Data Dominant: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主導(dǎo)
Time: 時間
[右圖圖示內(nèi)容：]
Traffic Volume: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量
Voice Dominant: 語音業(yè)務(wù)主導(dǎo)
Netwokr Cost (existing Technologies): 網(wǎng)絡(luò)成本(現(xiàn)有技術(shù))
Revenue: 收益
Portability: 業(yè)務(wù)移植
Network Cost (LTE/SAE): 網(wǎng)絡(luò)成本(LTE/SAE)
Data Dominant: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主導(dǎo)
Time: 時間
LTE效率挑戰(zhàn)
?? Apple iPhone和類似設(shè)備的推出，導(dǎo)致移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量大幅上升。在第一批HSPA覆蓋區(qū)域內(nèi)，移動寬帶業(yè)務(wù)流量迅速超過了語音業(yè)務(wù)，其中50%以上流量更是與iPhone的使用有關(guān)。在大多數(shù)國家，由于競爭激烈，許多運營商被迫提供統(tǒng)一費率的移動寬帶套餐，其結(jié)果是盡管移動寬帶需求猛增，但平均每個用戶收入(ARPU)卻保持不變。一部iPhone或與iPhone類似的智能手機生成的流量要相當于30部語音/短信型手機所生成的流量，而一張筆記本電腦無線網(wǎng)卡生成的流量則相當于450部語音/短信型手機所生成的流量。因此，預(yù)計到2013年，移動寬帶業(yè)務(wù)將占到所有移動業(yè)務(wù)份額的80%以上。為在這種新環(huán)境中生存，運營商們必需降低或使運營費用(OPEX)保持不變，而同時又需要能夠提供大幅增長的業(yè)務(wù)流量。
?? 為了建立一種商業(yè)模式以減弱業(yè)務(wù)流量對網(wǎng)絡(luò)成本造成的影響，運營商們正迅速把自己的網(wǎng)絡(luò)升級到高效的全IP分組交換矩陣網(wǎng)絡(luò)（all-IP packet switched matrices）。僅僅在一年前，4G還被作為四種技術(shù)之間的競爭而被提及，即LTE、WiMAX、UMA和UMB。隨著縈繞著4G技術(shù)煙霧逐漸被澄清，LTE技術(shù)最終勝出。UMA和WiMAX仍將作為小規(guī)模使用的技術(shù)存在，而UMB技術(shù)則在2008年11月被高通公司廢棄。隨著基于3GPP和CDMA的技術(shù)有了明確的演進道路，LTE將提供一種通用的4G技術(shù)，并在可預(yù)見的未來，實現(xiàn)獨一的、相互兼容的全球通信構(gòu)架。
通信革命
?? LTE技術(shù)在保證與現(xiàn)有的3GPP和CDMA網(wǎng)絡(luò)共存的基礎(chǔ)上，在其無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)中都引入了重大變革。早期2.5G和3G的無線接入網(wǎng)現(xiàn)在都輔以演進型UTRAN (E-UTRAN)。2.5G和3G基站將被新的eNodeB所取代，而核心網(wǎng)則會被EPC替代。這一網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與E-UTRAN和其它接入網(wǎng)被統(tǒng)稱為系統(tǒng)架構(gòu)演進(SAE)。SAE提供了兩個新的功能單元：移動管理實體(MME)節(jié)點，負責(zé)信令控制；SAE網(wǎng)關(guān)，負責(zé)處理用戶平面。

強健的接入技術(shù)?
圖2: 把信號分擔到多個副載波中改善了信號的強健性

Transmitter: 發(fā)射機
Receiver: 接收機
Interference: 干擾
?? LTE采用全IP網(wǎng)絡(luò)，摒棄了傳統(tǒng)的ATM連接方式。eNodeB越過無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)，采取直接與MME和SGW相連的方式。正交頻分復(fù)用(OFDM)無線接入技術(shù)被用于下行鏈路而單載波頻分多址(SC-FDMA)技術(shù)則被上行鏈路所采用。采用基于單載波的OFDM技術(shù)，其主要優(yōu)點是能夠應(yīng)對各種復(fù)雜的信道條件。它可以根據(jù)與信道條件有關(guān)的反饋信息，實現(xiàn)用戶到副載波的自適應(yīng)指配。這樣，細化后信號中即使發(fā)生了很小比例的數(shù)據(jù)丟失，也不會對信號的接收和感知產(chǎn)生負面的影響。
多入多出(MIMO)天線技術(shù)同時應(yīng)用于上行鏈路和下行鏈路。通過把多部發(fā)射機和接收機植入天線中，發(fā)射機和接收機可以使用一系列副載波實現(xiàn)信號的傳送，從而保證在發(fā)生干擾時不受到影響。LTE的調(diào)制解調(diào)方案 – 64-QAM/16-QAM/QPSK – 保證了在距離增大時信號強度的穩(wěn)定性。動態(tài)帶寬分配技術(shù)實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在用戶發(fā)生干擾或收到其它過強信號影響時，基站會為受干擾的數(shù)據(jù)流分配更多的帶寬和功率。
全IP業(yè)務(wù)
?? LTE中的語音通信采用IP語音(VoIP)實現(xiàn)，要求時延低于150毫秒(ms)。LTE在無線側(cè)交互中只引入了不到10ms的非常低的時延，從而滿足了這一要求。在有線側(cè)，無論是VoIP被叫實體、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、還是IPTV服務(wù)器等等，用戶與設(shè)備間端到端的時延則要高出一個量級，為接近100 ms。
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圖3: 元層診斷圖

SON Diagnostics: SON診斷

節(jié)約運營成本
?? 在運營和效率方面，LTE把通信網(wǎng)絡(luò)提升到全新的水平。許多主要運營工作都自動完成，如配置、優(yōu)化和問題識別，以最大限度地降低相關(guān)的運營成本。這些自主的自動化流程由諸如MME及運營和管理中心(OMC)這樣的二級實體設(shè)備控制，這些設(shè)備控制和管理著某個網(wǎng)段或整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)發(fā)生的本地行為。傳統(tǒng)診斷功能將被移植到元層診斷方式中，其具體包括：
自行配置: 中央配置服務(wù)器把新網(wǎng)元自動與網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)起來。針對如DHCP和NETCONF等協(xié)議擴展設(shè)置運營和安全參數(shù)，只需要很少或根本不需要人員干預(yù)。
自行優(yōu)化: 對于重復(fù)的優(yōu)化任務(wù)，如相鄰小區(qū)列表優(yōu)化、覆蓋和容量優(yōu)化、移動強健性優(yōu)化和移動負載均衡優(yōu)化，均在eNodeB第一層使用強大的自主知識產(chǎn)權(quán)的算法內(nèi)部完成。
? 自動問題識別和自我修復(fù): 使用一套嚴格定義的規(guī)則和精心選定的KPI，在第一級響應(yīng)層就自動識別和處理常見問題。當整個小區(qū)發(fā)生中斷時，可以使用預(yù)先定義的相鄰小區(qū)管理策略予以補償。
高效運營模式的需求
?? 盡管全球達成一致把LTE作為通向4G的唯一技術(shù)，并在網(wǎng)絡(luò)部署速度和經(jīng)費方面帶來了巨大的機會，但可行的LTE運營模式仍在探討過程中。特別是，LTE運營和維護需求給監(jiān)測系統(tǒng)帶來了重大的挑戰(zhàn)。首先，它需要能監(jiān)測大量的數(shù)據(jù)。一臺用戶設(shè)備(UE)終端最多可以支持100 Mbits/s，一個小區(qū)最高可以支持330 Mbits/s的數(shù)據(jù)速率。這使得10 Gbits/s有線接口成為標準接口。
?? 第二，摒棄RNC意味著將不會再有RNC和eNodeB之間接口上的測量報告。而這個接口在以前一直用來捕獲重要數(shù)據(jù)，如每條連接消耗多少帶寬及重傳控制。一種替代方案是接入空中接口，但這種方式卻又需要配備復(fù)雜昂貴的頻譜分析工具。幸運的是，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商們開始提供標準的跟蹤或日志端口，來接入eNodeB內(nèi)部隱藏的流程。
? 監(jiān)測系統(tǒng)所面臨的第三個挑戰(zhàn)則源自LTE中去掉了電路交換，以實現(xiàn)全IP網(wǎng)絡(luò)。被保護的64kByte信道將消失。行為特點差異非常大的各種業(yè)務(wù)都將實時地使用同一個傳輸架構(gòu)傳送，因此部署高效的QoS監(jiān)測工具就先的尤為重要。多家運營商正推動實現(xiàn)LTE插件標準(VoLGA – 通用接入承載的LTE語音)，以期繼續(xù)在LTE接入網(wǎng)上使用電路交換業(yè)務(wù)，足以說明這一挑戰(zhàn)之大。即使這一標準成功實現(xiàn)，但由于LTE中絕大部分業(yè)務(wù)是XoIP，用戶平面診斷在4G中的重要程度較以前也要大大提高。

? 自動自行優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)(SON)功能是4G網(wǎng)絡(luò)運營中的關(guān)鍵要素。它們提供了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和解析以及精心設(shè)計的調(diào)試、驗證和認證程序，以保證SON運行。自動化功能能夠大大減少長期內(nèi)要求的維護工作量。但它們只在90%的時間內(nèi)有效，因此必須監(jiān)測和診斷這些功能。此外，SON由基于一定規(guī)則的專家系統(tǒng)組成，在一致性測試和驗收測試中必需驗證這些系統(tǒng)。
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圖4: LTE RAN測試策略
數(shù)據(jù)采集時間?備注?RAN服務(wù)器?追蹤端口上的RAN代理?Uu探頭?Dol (%)
24/7/365???僅S1 CP和X2?X???10
24/7/365???基于Uu、X2和S1 CP關(guān)聯(lián)，進行永久監(jiān)測和KPI計算?X?X??50
定期“按需調(diào)試”???按需監(jiān)測eNodeB子集，進行調(diào)試及分析根本原因
??RAN服務(wù)器/OSS，根據(jù)點擊拓撲模型，配置按需檢索操作
??監(jiān)測Uu、X2 S1CP和S1UP?X?X??80
戰(zhàn)術(shù)性“基于場景的調(diào)試”???選擇少量的相關(guān)eNodeB
??使用Uu探頭，基于場景進行監(jiān)測
??監(jiān)測Uu、X2 S1CP和S1UP????

開發(fā)監(jiān)測和測試戰(zhàn)略
?? 圖4說明了從各種無線接入網(wǎng)(RAN)診斷策略的分析中，我們可以看到數(shù)據(jù)采集成本和時間與洞察深度(DOI)之間的矛盾。安裝了無源探頭的RAN以無源方式嗅探控制平面，捕獲S1和X2接口上轉(zhuǎn)發(fā)的信令消息。這種方法成本低、方便，可以實現(xiàn)一年365天、一周7天、全天24小時運行。但是，如其右欄所示，其提供的DOI約為最完善的方法的10%。
??? RAN代理方法在兩種工作模式下提供了額外的DOI。在低負荷模式下，數(shù)據(jù)跟蹤、日志和計數(shù)器從專有的eNodeB跟蹤端口中提取。一般情況下，還包括來自Uu接口的空中接口運營相關(guān)的數(shù)據(jù)。然后這些信息由RAN代理處理，以KPI和計數(shù)器的形式通過S1回程發(fā)回中央監(jiān)測系統(tǒng)，然后可以與S1、CP和X2接口上的探頭系統(tǒng)所采集到的信息關(guān)聯(lián)起來。跟蹤接口上提供的其它數(shù)據(jù)可以把DOI提升到高達50%。這種方法提供的診斷能力取決于跟蹤端口的功能和性能，這在不同制造商之間差異非常大。
??? 在高負荷模式下，RAN代理提供完整的呼叫跟蹤和數(shù)據(jù)包解碼功能及KPI和計數(shù)器。需要回程傳送的數(shù)據(jù)量明顯要大于低負荷模式，正因如此，這種方法通常作為運維活動的一部分使用，而不是一周七天、全天24時使用。在測試、調(diào)試或優(yōu)化活動期間，專家通常會親臨現(xiàn)場，運行系統(tǒng)。在需要把數(shù)據(jù)與其它遠程接口關(guān)聯(lián)起來時，專家會手動把數(shù)據(jù)傳回中央監(jiān)測系統(tǒng)。也可以遠程運行高負荷模式RAN代理，在非高峰時間內(nèi)安排上傳大量的測試數(shù)據(jù)。高負荷RAN代理方法的DOI可以高達80%。
??? 在上述方法無法提供足夠信息來解決問題時，可以把Uu探頭連接到公共公用無線接口(CPRI)上。Uu探頭可以監(jiān)測Uu接口的物理層以及更高層，并可以把這些數(shù)據(jù)與其它接口的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。此外，CPRI接口上收集的空中接口信息完全獨立于eNodeB跟蹤端口上提供的空中接口信息，后者的是已經(jīng)基于eNodeB本身的基帶處理過的信息。
自上而下方法與自下而上方法
???? 調(diào)試LTE網(wǎng)絡(luò)的基本方法有兩種。自上而下方法是指先從應(yīng)用層開始，考察各種性能指標，如語音質(zhì)量或頁面加載時間等。例如，如果語音質(zhì)量有問題，那么將識別和分類各個事務(wù)，并與每個事務(wù)中的消息關(guān)聯(lián)起來。調(diào)試工具根據(jù)IMSI/IMEI和其它指標過濾事件，直接接入消息細節(jié)。

???? 自下而上方法則需要查看各個幀的問題，如丟包或幀偏移，然后向上查看它們屬于哪些連接。調(diào)試工具提供了每條協(xié)議消息的分布、統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖形窗口和數(shù)字窗口，按時間以圖形方式顯示事件，直接進入消息細節(jié)及從單個消息向上鉆取到整個呼叫流程。
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圖5: LTE診斷架構(gòu)
[圖示內(nèi)容：]
Tektronix LTE Test System: 泰克LTE測試系統(tǒng)
Tektronix Ethernet Probes: 泰克以太網(wǎng)探頭
Tektronix High Speed IP Probe: 泰克高速IP探頭
Tektronix Air Interface Probe: 泰克空中接口探頭
測試結(jié)構(gòu)布局
? 圖5概括了我們建議的被動監(jiān)測測試系統(tǒng)的架構(gòu)。其基本理念是圍繞三個關(guān)鍵網(wǎng)元，即：eNodeB、MME和SGW，同時覆蓋其每個周邊接口。
?? 為確定eNodeB運行情況，接入第一層和第二層無線接口信息至關(guān)重要。經(jīng)濟高效測試的關(guān)鍵是能夠?qū)崟r提供信息，并用清楚精確的圖形表示這些信息，允許用戶立即識別被觀察的行為是否滿足要求的性能指標。供應(yīng)商們正日益采用CPRI代替天線和基站之間昂貴的RF連接。通過eNodeB上的CPRI端口，可以支持多級物理層分析，并使用戶全面了解RF層的運行情況。
??? 通過CPRI端口采集關(guān)鍵空中接口的數(shù)據(jù)，可以使運營商深入挖掘eUTRAN網(wǎng)絡(luò)的物理層。RF參數(shù)測量提供了物理層分析功能，如輸入功率和接收帶寬、時鐘和時間偏移及頻率偏移等。通過對輸入功率、接收帶寬和時鐘、時間和頻率偏移等參數(shù)的測量，就可以進行對RF的連接分析。通過使用時域和頻域信令、資源模塊、OFDM符號和副載波使用情況等圖形化視圖，可以檢驗資源使用的情況。當然，還可以通過使用CQI、HARQ、BER和CRC測量分析功能，來考察信道質(zhì)量和錯誤控制。
向上分析OSI模型的下一層--MAC層也只能通過CPRI方式進行。調(diào)度器功能保證eNodeB根據(jù)可用的小區(qū)容量、無線條件和要求的服務(wù)質(zhì)量為用戶分配相應(yīng)的頻率和時間資源，這對保證網(wǎng)絡(luò)正常運行至關(guān)重要。監(jiān)測調(diào)度器性能可以提供關(guān)鍵信息，用以確定可以怎樣修改調(diào)度算法，從而提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)性能。
???? 將S1和X2接口控制和用戶平面關(guān)聯(lián)分析與CPRI鏈路上的Uu分析相結(jié)合，可以360°全方位了解eNodeB運行情況。把用戶平面、信令信息和無線參數(shù)結(jié)合起來的圖表可以幫助優(yōu)化工程師確定RF問題對上層用戶平面數(shù)據(jù)承載性能的影響。同時，小區(qū)級圖表展示了小區(qū)性能如何隨負荷及流量模式的不同而變化。通過把多個接口上的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，就可以簡便地計算各網(wǎng)元相關(guān)時延。在LTE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳送時及在LTE和其它技術(shù)之間切換時，可以跟蹤用戶呼叫和會話。
???? 自動把被監(jiān)測接口上的用戶呼叫和活動關(guān)聯(lián)起來，可以概括了解每個呼叫及最重要的屬性。通過向下鉆取比特級細節(jié)的功能，用戶可以深入到希望考察指標的一個呼叫子集上。對于特別關(guān)心的呼叫跟蹤幀，可以導(dǎo)出并進一步執(zhí)行用戶平面質(zhì)量分析。
???? 通過應(yīng)用對大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布掃描功能，用戶可以迅速識別到被監(jiān)測LTE接口上捕獲到的那些突發(fā)的或發(fā)生頻次奇高的某條消息或異常釋放原因等。通過觀察這一事件在不同時間的分布情況，用戶可以迅速查看到問題是與某個事件有關(guān)(如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重啟)，還是均勻分布在整個測試周期中。通過從各條消息和事件“向下鉆取”到相關(guān)呼叫跟蹤，使得用戶根據(jù)自己已有的經(jīng)驗就能夠迅速地對影響到的時間進行調(diào)查分析。
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圖6: 使用泰克K2Air LTE空中接口監(jiān)測儀獲得的LTE第一層/第二層相關(guān)無線信息
?? 如果想更具體地監(jiān)測LTE性能，可以使用KPI，通過映射多個參數(shù)和呼叫階段之間的復(fù)雜關(guān)系。KPI為了解不同參數(shù)之間的相互影響提供了關(guān)鍵洞察能力。借助LTE KPI，用戶可以確定多個業(yè)務(wù)方面的性能，如移動性管理(附著失敗、切換、跟蹤和位置更新成功/失敗)、業(yè)務(wù)管理(無線承載分析、吞吐量分析)和無線性能(連接建立時間、重傳數(shù)、資源分配)。KPI標識出存在問題的區(qū)域，然后有效地映射業(yè)務(wù)問題與網(wǎng)絡(luò)問題之間的關(guān)系。
前景展望
? 理論上，LTE擁有我們進入4G所需的一切功能，但想讓它發(fā)揮效用，我們還有很長的路要走。轉(zhuǎn)向LTE類似于我們十年前從固話窄帶ISDN傳送轉(zhuǎn)向基于DSL的寬帶上網(wǎng)。運營商面臨的主要變化是開發(fā)一種運營模式，這種模式首次在移動通信網(wǎng)絡(luò)中提供了IP級效率。復(fù)雜的自動功能、龐大的加密用戶平面業(yè)務(wù)、基于無數(shù)種業(yè)務(wù)組合的復(fù)雜QoS和QoE約定、復(fù)雜的OFDM/MIMO無線接口、等等，都必須予以處理。問題將會不斷被發(fā)現(xiàn)，而新的方法也必將被制定出來以解決這些問題。只有這樣，才能實現(xiàn)4G龐大的潛在優(yōu)勢。