在当今竞争激烈的移动市场下，世界各地的运营商需要快速推出高品质的差异化服务。LTE在技术上的复杂性必然会带来新的严峻挑战，想要继续发展，移动运营商不能再仅依靠设备供应商在“理想状况”下验证网络性能。为了保证LTE用户所需要的移动体验，运营商必须在部署新的服务之前及网络部署过程中，自行检验新服务的功能、弹性和可扩展性。
本文综合描述了如何在现实条件和极端规模下，而不是通过猜测来获取网络性能的关键要素，从而使网络设备供应商和移动运营商切实了解网络在面对高压力、大规模及复杂的移动应用组合时的表现。
通过一种自动化、可重复且行之有效的方法，无线网络的复杂性完全可以在实验室中进行复制和验证。最终，运营商可以利用本文介绍的概念和方法来评估当面对高压力、系统过载甚至大规模设备故障时的用户体验。
LTE测试的3个阶段
本章定义了LTE网络实验室测试的3个阶段，分别是协议和功能测试、负载和压力测试、回归测试。
（1）协议和功能测试
协议和功能测试包括验证3GPP规范中定义的基本过程，可以单独验证每个协议层，也可以将完整的协议栈作为一个整体进行验证。例如，运营商希望利用一个用户设备（UE）自动测试“附着”过程，或者希望测试跟踪区更新（TAU）过程。为了确保信令流程和每个消息信元的正确性，必须对该过程的每个步骤进行分析。
从理论而言，软件可能采取的每一个路径都应进行模拟。信令规范中每个基本流程在不同条件下可能有多个路径，因此测试过程的设计必须强制被测设备执行各种代码路径。
这样不同路径的例子有正常附着、在用户漫游时的附着、当用户没有已分配TMSI时的附着。所有条件都应允许UE进行附着，但必须根据不同条件适用不同的决策和行为。
附着过程失败时，必须考虑其他路径。在这里，必须进行“容错测试”，在这种测试中，将生成一些负面条件以触发不同类型的反应。输入模拟应允许向系统中注入适当的条件，如果被测设备在负面条件下反应适当，那测试用例的执行结果就被认为是成功的。
协议和功能测试通常在产品开发的设计与早期QA阶段进行。然而，为了进行回归测试，运营商实验室也可以执行完整功能测试计划的子计划。功能测试也可以在网络中同时加载有正常流量的情况下执行，以反映被测设备更为准确的真实结果。
（2）负载和压力测试
压力测试包括模拟大量的流量以衡量流量负载条件下的网络性能、容量和服务质量（QoS)的关键绩效指标（KPI）。它的目的是在性能和容量两方面给被测设备造成压力。
负载测试在流量压力上有两个层次：
最大预期真实场景条件下的流量模型是通过研究当前网络条件并结合网络增长预测来确定的。在进行过载条件测试时，会在最大预期真实场景条件的基础上将各个指标增加一个预定的比例，以衡量网络承受和管理瞬时过载的能力。
作为真实场景的网络建模，流量组合将基于现网的网络数据或既定的行业标准进行构建。为了尽量贴合实际网络的的压力效果，流量模型的各个方面都应包含在模拟之中。
（3）回归测试
回归测试涉及一系列持续执行的测试用例，目的是验证没有因为网络修改而引入异常情况。回归测试用例库是专门为验证现有的特性和功能而设计的。
例如，如果一个网元支持特性A、B和C，这些特性经过验证后被部署到现网中。然而，设备供应商后来可能升级了该网元以支持特性D。新特性的正确性会进行测试，但还必须针对升级后的网元进行回归测试，以确保网元升级后，特性A、B、C仍然能够正常运行，不会产生新错误和意外情况，或造成性能和容量退化。完成上述测试后，将向回归测试用例库中添加一组用于D特性的测试案例，以便在对将来增加的新特性进行回归测试时，也能正确验证特性D。
因此，回归测试用例库相当于一个不断发展的测试计划，将随着时间的增长和新功能的加入而不断壮大。自动回归测试工具通常被用来在每次修改网络后自动运行回归测试套件。
为使网络在发展过程中保持健康状态，回归测试起着至关重要的作用，它可以确保每个新功能或配置更改不会破坏现有的功能。这种类型的测试适用于如下所述的设备隔离和集成测试拓扑。
LTE测试中的流量构建
本节提供了在测试实验室中准确复现现网流量场景需要考虑的重要因素，并提出了对于流量类型和组合的建议，以帮助在实验室里更准确地镜像出真实的网络场景。
1、用户面流量
要使用的用户面流量在很大程度上取决于测试目标。对于任何涉及QoS测量的测试，应当模拟与现网相匹配的流量。要准确衡量用户从各项业务中所获得的体验，生成真实流量是唯一正确的方法。
另一个影响应用流量选择的变量是策略和计费执行功能（PCEF）下存在的静态或动态策略（即，使用策略和计费规则功能）。流量策略要求PCEF检查流量并依据检查结果制定策略，进而影响PCEF的运行状况。
最基本的流量分类为基于TCP的流量与基于UDP的流量。我们已经发现，这个简单的规则有时可能会影响TCP（有状态的）流量的实际体验质量，其影响方式有时会出乎我们的意料，例如：
●在未来2~3年内，超过60%的网络流量将由视频业务所消耗。网络流量的数量和复杂性会不断增加，使服务质量更难以保持，因为网络性能的任何不佳表现都会马上被客户察觉。在网络压力测试所用的流量模型中加入真实视频流，可以从用户的角度来衡量网络服务质量。而像“平均意见得分”这样的工具可以用来精确测量这方面的用户体验。对于用POLQA?和PESQ算法计算得到的MOS分，使用真实音频和视频流量是唯一的衡量方法。
同样，在测试VoLTE时也应使用真实声音流。使用真实声音样本进行仿真，将会得到准确的MOS分值，从而可以测量用户在使用该服务时将会获得的真实体验。由于VoLTE服务将不会是OTT，而是运营商的一个重要收入来源，因此了解人们对运营网络的期待将是至关重要的。
●使用基于TCP传输的有状态流量与使用基于UDP的无状态流量可能对于网络产生完全不同的压力负荷。在无状态用户面流量下可平稳运行的测试，在使用有状态流量时，往往会产生意想不到的结果，如TCP超时和重传。网关可能会对数据包进行不同处理，PGW/PCEF的“尽力而为”策略也可能会对数据包产生负面影响，使最终结果与预期不符。只有使用例如Http等基于TCP传输的流量，才能使我们识别、隔离并修复可能出现的问题。
但是，也有一些情况下必须要使用无状态UDP流量，如当SGW被单独测试时。由于网关通常不会根据用户面上的流量类型而有不同表现，所以使用无状态流量就足够了。在进行系统测试时，为确定丢包问题，也会需要将无状态流量与有状态的、视频/语音流量进行组合。
2、控制和用户平面流量组合
某些网元同时负责控制面和用户面的处理。所以，对于这两类流量的使用和组合情况依赖于测试的目标。
在大多数的测试中，为模拟用户的真实行为，建议使用真实流量组合。客户在整个测试期间需要执行大量控制面行为，例如附着和分离、切换、IDLE和CONNECTED的状态转换等。以上这些控制面的行为，应同时在用户面流量下执行（如网络下载、VoLTE呼叫、视频、即时消息等）。将控制面和用户面流量相结合，是真实衡量被测系统性能的唯一途径。
对于旨在专门测量用户数据转发性能的测试，使用一种包含有限控制面流量和较大用户面流量的测试配置就足够了。SGW和PGW转发测试就是这样一个例子，这种测试可以根据需要附着大量UE，然后在UE会话上运行用户平面流量。
对于专门用来验证被测设备中应用流量识别的测试，测试应配置建立多个UE会话，而这些会话随之产生的流量就足够适用了。例如，针对PGW的DPI能力的测试。
3、真实流量组合
为了测试同时处理控制面和用户面的系统或网元，流量结构的确定是负载和压力测试中的最重要考虑因素之一。
LTE测试的拓扑结构和相关KPI
LTE网络中的各个网元可以进行隔离测试，具体做法是：模拟所有与该网元有联系的其他网元，然后通过各种信令流程来验证被测网元的反应。将设备隔离开来，可以验证其“黑盒”功能在所有条件下都与预期一致。
由于所有到被测设备的连接都在测试设备的控制下，这就可以通过各种输入来验证是否能够正确反馈。此外，测试设备可用于验证在模拟接口上的响应本身。eNodeB、MME、DRA和Diameter服务器（如HSS和PCRF）都是进行隔离测试的热门选择。
虽然隔离测试可以证明设备的承载能力和处理能力，当将设备连接到其他真实设备后再进行测试则能更好地反映设备的真实性能。在网络测试中使用其他真实设备时，可以引入“真实”的接口互操作性，以及相关的延迟和表现，就能更准确地了解实际系统运行状况。我们通常把这种测试拓扑称为多网元测试或者集成测试。
一个接口上产生的延迟可能会影响其他接口的工作，而如果这些延迟在系统中传播的话，会使系统的运行遇到瓶颈。将多个设备同时进行测试，是最准确的性能测试之一，可以帮助真正隔离和确定引起异常行为的特定网元。
合理选择和组合隔离测试与集成测试，并且使用正确的流量构建，可以使我们清晰地了解LTE网络的实际处理能力和用户体验质量。下面介绍几种典型的测试拓扑。
1、EPC(MME+SGW/PGW)测试拓扑
作为运营商测试中最流行的拓扑，它的被测对象是真正的MME和S/PGW，使之可以在无需涉及空口的情况下涵盖最大数量的实际设备。
测试仪表在这里主要模拟的是eNodeB和PDN。这种拓扑结构一般会有两种变化。
这种拓扑还可以添加非3GPP网元，如DNS和防火墙。虽然3GPP未作直接规定，但这些网元对于网络的操作仍是至关重要的，而它们往往也会成为整个系统的瓶颈。
如果不仅要测试核心网络的业务和信令功能，还要测试核心网与真实Diameter服务器之间的互动和互操作性，就应该使用图1所示的第一个拓扑结构。这提供了一个系统级测试，使其可以模拟生产网络以及其在现实世界中的运行。这种拓扑结构还应作为实验室回归测试的最终验证步骤，比如在进行网元软件升级时，应当在完成这一步骤后，再向运营网络部署升级。
2、端到端的EPS系统测试拓扑
理想情况下这种拓扑结构将整个网络作为被测系统：E-UTRAN、EPC（包括Diameter服务器）和DNS、防火墙等支持网元。
该拓扑结构通常包括一种双模式模拟：一些小区中的UE将使用真实的eNodeB通过空中接口进行模拟，而在测量端到端QoS时，还将模拟eNodeB，用大量UE生成足够多的流量，以完全加载整个核心网络。
这一拓扑结构的主要测试目的是在尽可能准确地模拟现网流量的前提下验证实验室网络中端到端的操作。由于这一测试架构包括了最大数量的真实网元，所以它是对现网的最准确镜像。
这一拓扑具有双重模拟，既可用于提供高流量压力，又能使所模拟的UE进行真正的端到端QoS测量。这是一个实用的方法，因为在核心网络上单独使用UE模拟来产生可观的用户平面和控制平面负载往往被证明成本过高，而这种双重模拟的方法则通常被设计处理数以百万计的UE和Gbit/s级的流量。
eNodeB模拟提供的负载使得在eNodeB和UE模拟上可以进行更多真实的QoS测量。虽然仅使用UE模拟和真实eNodeB进行QoS测试仍然有效，但如果在这么做的同时对核心网络增加压力，那这些测试所得到的结果会更能反映在实际网络中的用户体验。
3、带有UMTS的EPC拓扑
这个测试拓扑，可以验证EPS网络是否有能力承载3GUMTS/HSPA接入网络。
EPC的设计可以比LTERAN提供更多的服务，在设计之初就可以接受其他3GPP分组接入网络（UMTS）和非3GPP接入网络（如Wi-Fi）。有了这个设计，不同的接入方式可以被锚定在EPC核心上，而这一功能由SGW和PGW提供。
该拓扑与EPC测试拓扑是相同的，并增加了一个真正的SGSN作为被测系统的一部分，通过Gn或S4接口连接到EPC。为了模拟UTRAN接入到SGSN，在IuPS接口上引入RNC模拟，用于仿真UE从数据域接入。
LTE的部署在最初将是递增的，运营商会在一些UMTS覆盖的区域内增加一些由LTE覆盖的热点。这意味着随着用户进出LTE覆盖区，LTE和UMTS之间会进行频繁切换，这种切换被称为iRAT（inter-RadioAccessTechnology）切换。因此，向EPC系统测试配置中引入UMTS接入，可以实现许多重要的测试用例。UMTS核心有两种方式可连接到EPC：
（1）正如Pre-release83GPP规范定义的那样，SGSN通过Gn接口与GGSN进行通讯。GGSN要么与PGW共置，要么就是PGW的一部分。这个GGSN/PGW组合成为了锚点。
（2）SGSN通过S4接口与SGW进行通讯，这种方式适用于升级到R8及以上且具有这一功能的SGSN。然后，S12的接口被用于RNC和SGW间的直接用户面通信。
这里，iRAT切换必须包括在切换配置内。LTE内部切换仍会被执行，但iRAT切换将成为测试的一部分，并且模拟出入UMTS覆盖区的用户。由于切换的锚点将是SGW或PGW，因此这对于包括iRAT切换在内的系统测试是一种有效的测试配置。
4、带有IMS的EPC-VoLTE拓扑
IMS是由3GPPR5规范引入的。简言之，它是一个旨在提供由运营商管理的跨越所有类型接入方式的富媒体服务。近年来，IMS在业内得到了一定程度的认可，现在已经成为EPS（VoLTE）提供语音服务的标准。IMS网络接收并管理来自LTE网络的所有语音呼叫，且是GSMA指定和推广的RCS或JOYN?功能集的核心。
这里介绍的测试拓扑是基于之前的拓扑——配有UMTS的EPC，外加一个真正的IMS网络。对于网络访问APN，PDN模拟和之前相同。但对于语音呼叫，为了模拟从PSTN呼入/出的VoLTE，又引入了一个新的模拟来取代从IMS接入到PSTN的MGW和MGCF。
IMS的存在还向系统中引入了一个重要的Diameter协议接口（即P-CSCF与PCRF间的Rx接口），此接口对于允许IMS触发建立VoLTE呼叫所需的专用承载很关键。
考虑到VoLTE和UMTS网络之间的互操作性，在被测系统中还引入了来自UMTSCS核心网的MSC服务器和MGW。因此同时，还引入了对IuCS接口上RNC的模拟和下面两个重要的接口：
●SG：SG接口位于MME和MSC服务器之间，可以同时支持语音通话和短信的CSFB功能操作。
●Sv：Sv接口允许在MSC服务器与MME间进行协调，以进行SRVCC切换。
这种类型测试的数据组合主要侧重于状态性的语音数据，以便在语音电话上执行MOS评分，准确地测量出QoS。另外，还应该有基于TCP数据并在“尽力而为”承载上运行的伴随数据组合，从而可以测量高压力对于“尽力而为”数据和语音流上的影响。例如，当语音通话上的负载增加时，为保证语音通话质量，应降低“尽力而为”数据的QoS。而要使语音通话质量保持不变，http下载速度应变慢。
LTE是运营商迄今为止部署的最重要最复杂的技术之一，诸如VoLTE之类的新兴实时服务进一步强化了这一挑战。LTE为运营商搭建了一个平台，可以用来提供差异化服务、采用新的价格结构、与OTT的播放器进行合作或竞争。
在此关键时刻，运营商必须调整思路，使用正确的测试方法获知被测设备的各项指标。从协议测试到容量和压力测试，乃至回归测试中，都应该使用正确的流量组合和测试拓扑，才能正确地评估网络的容量和性能，以及用户在真实网络压力下的实际体验质量。
只有对设备的实际能力有清晰的了解，才能从一开始就设定正确的网络部署框架。这一点非常重要，既可以提供用户所期望的最终质量，也可以解放富有创造性的运营商，使他们能够自由自在地开发出更多进阶服务项目。如果能够验证这些新网络与新服务的功能、质量、灵活性和可扩展性，运营商在即将拉开大幕的LTE舞台上将获得明显的战略优势。
(审核编辑: Doris)
