開發可行運營模式，實現LTE潛力

?為滿足移動通信市場數據流量指數級增長的需要，運營商們在保持相對穩定的網絡成本的同時正紛紛轉向LTE技術。由于LTE把無線網絡智能管理功能放在了eNodeB之內，因而傳統監測工具已不再具備接入和監測能力。鑒于此，為了應對這一挑戰，新一代移動通信技術和性能監測解決方案應運而生。
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圖1: 數據業務模型 – 經濟學模型
[左圖圖示內容：]
Voice Dominant:語音業務主導
Traffic: 數據業務流量
Revenues & Traffic Decoupled: 收益與數據業務流量關系
Revenues: 收益
Data Dominant: 數據業務主導
Time: 時間
[右圖圖示內容：]
Traffic Volume: 數據業務流量
Voice Dominant: 語音業務主導
Netwokr Cost (existing Technologies): 網絡成本(現有技術)
Revenue: 收益
Portability: 業務移植
Network Cost (LTE/SAE): 網絡成本(LTE/SAE)
Data Dominant: 數據業務主導
Time: 時間
LTE效率挑戰
?? Apple iPhone和類似設備的推出，導致移動數據業務流量大幅上升。在第一批HSPA覆蓋區域內，移動寬帶業務流量迅速超過了語音業務，其中50%以上流量更是與iPhone的使用有關。在大多數國家，由于競爭激烈，許多運營商被迫提供統一費率的移動寬帶套餐，其結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，預計到2013年，移動寬帶業務將占到所有移動業務份額的80%以上。為在這種新環境中生存，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務流量。
?? 為了建立一種商業模式以減弱業務流量對網絡成本造成的影響，運營商們正迅速把自己的網絡升級到高效的全IP分組交換矩陣網絡（all-IP packet switched matrices）。僅僅在一年前，4G還被作為四種技術之間的競爭而被提及，即LTE、WiMAX、UMA和UMB。隨著縈繞著4G技術煙霧逐漸被澄清，LTE技術最終勝出。UMA和WiMAX仍將作為小規模使用的技術存在，而UMB技術則在2008年11月被高通公司廢棄。隨著基于3GPP和CDMA的技術有了明確的演進道路，LTE將提供一種通用的4G技術，并在可預見的未來，實現獨一的、相互兼容的全球通信構架。
通信革命
?? LTE技術在保證與現有的3GPP和CDMA網絡共存的基礎上，在其無線接入網和核心網中都引入了重大變革。早期2.5G和3G的無線接入網現在都輔以演進型UTRAN (E-UTRAN)。2.5G和3G基站將被新的eNodeB所取代，而核心網則會被EPC替代。這一網絡構架與E-UTRAN和其它接入網被統稱為系統架構演進(SAE)。SAE提供了兩個新的功能單元：移動管理實體(MME)節點，負責信令控制；SAE網關，負責處理用戶平面。

強健的接入技術?
圖2: 把信號分擔到多個副載波中改善了信號的強健性

Transmitter: 發射機
Receiver: 接收機
Interference: 干擾
?? LTE采用全IP網絡，摒棄了傳統的ATM連接方式。eNodeB越過無線網絡控制器(RNC)，采取直接與MME和SGW相連的方式。正交頻分復用(OFDM)無線接入技術被用于下行鏈路而單載波頻分多址(SC-FDMA)技術則被上行鏈路所采用。采用基于單載波的OFDM技術，其主要優點是能夠應對各種復雜的信道條件。它可以根據與信道條件有關的反饋信息，實現用戶到副載波的自適應指配。這樣，細化后信號中即使發生了很小比例的數據丟失，也不會對信號的接收和感知產生負面的影響。
多入多出(MIMO)天線技術同時應用于上行鏈路和下行鏈路。通過把多部發射機和接收機植入天線中，發射機和接收機可以使用一系列副載波實現信號的傳送，從而保證在發生干擾時不受到影響。LTE的調制解調方案 – 64-QAM/16-QAM/QPSK – 保證了在距離增大時信號強度的穩定性。動態帶寬分配技術實時監測網絡，在用戶發生干擾或收到其它過強信號影響時，基站會為受干擾的數據流分配更多的帶寬和功率。
全IP業務
?? LTE中的語音通信采用IP語音(VoIP)實現，要求時延低于150毫秒(ms)。LTE在無線側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，無論是VoIP被叫實體、網絡服務器、還是IPTV服務器等等，用戶與設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

節約運營成本
?? 在運營和效率方面，LTE把通信網絡提升到全新的水平。許多主要運營工作都自動完成，如配置、優化和問題識別，以最大限度地降低相關的運營成本。這些自主的自動化流程由諸如MME及運營和管理中心(OMC)這樣的二級實體設備控制，這些設備控制和管理著某個網段或整個網絡范圍內發生的本地行為。傳統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: 中央配置服務器把新網元自動與網絡關聯起來。針對如DHCP和NETCONF等協議擴展設置運營和安全參數，只需要很少或根本不需要人員干預。
自行優化: 對于重復的優化任務，如相鄰小區列表優化、覆蓋和容量優化、移動強健性優化和移動負載均衡優化，均在eNodeB第一層使用強大的自主知識產權的算法內部完成。
? 自動問題識別和自我修復: 使用一套嚴格定義的規則和精心選定的KPI，在第一級響應層就自動識別和處理常見問題。當整個小區發生中斷時，可以使用預先定義的相鄰小區管理策略予以補償。
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，并在網絡部署速度和經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測系統帶來了重大的挑戰。首先，它需要能監測大量的數據。一臺用戶設備(UE)終端最多可以支持100 Mbits/s，一個小區最高可以支持330 Mbits/s的數據速率。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據，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雜昂貴的頻譜分析工具。幸運的是，網絡設備制造商們開始提供標準的跟蹤或日志端口，來接入eNodeB內部隱藏的流程。
? 監測系統所面臨的第三個挑戰則源自LTE中去掉了電路交換，以實現全IP網絡。被保護的64kByte信道將消失。行為特點差異非常大的各種業務都將實時地使用同一個傳輸架構傳送，因此部署高效的QoS監測工具就先的尤為重要。多家運營商正推動實現LTE插件標準(VoLGA – 通用接入承載的LTE語音)，以期繼續在LTE接入網上使用電路交換業務，足以說明這一挑戰之大。即使這一標準成功實現，但由于LTE中絕大部分業務是XoIP，用戶平面診斷在4G中的重要程度較以前也要大大提高。

? 自動自行優化網絡(SON)功能是4G網絡運營中的關鍵要素。它們提供了網絡監測、數據采集和解析以及精心設計的調試、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要求的維護工作量。但它們只在90%的時間內有效，因此必須監測和診斷這些功能。此外，SON由基于一定規則的專家系統組成，在一致性測試和驗收測試中必需驗證這些系統。
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圖4: LTE RAN測試策略
數據采集時間?備注?RAN服務器?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關聯，進行永久監測和KPI計算?X?X??50
定期“按需調試”???按需監測eNodeB子集，進行調試及分析根本原因
??RAN服務器/OSS，根據點擊拓撲模型，配置按需檢索操作
??監測Uu、X2 S1CP和S1UP?X?X??80
戰術性“基于場景的調試”???選擇少量的相關eNodeB
??使用Uu探頭，基于場景進行監測
??監測Uu、X2 S1CP和S1UP????

開發監測和測試戰略
?? 圖4說明了從各種無線接入網(RAN)診斷策略的分析中，我們可以看到數據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接口上轉發的信令消息。這種方法成本低、方便，可以實現一年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，數據跟蹤、日志和計數器從專有的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的數據。然后這些信息由RAN代理處理，以KPI和計數器的形式通過S1回程發回中央監測系統，然后可以與S1、CP和X2接口上的探頭系統所采集到的信息關聯起來。跟蹤接口上提供的其它數據可以把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據包解碼功能及KPI和計數器。需要回程傳送的數據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、調試或優化活動期間，專家通常會親臨現場，運行系統。在需要把數據與其它遠程接口關聯起來時，專家會手動把數據傳回中央監測系統。也可以遠程運行高負荷模式RAN代理，在非高峰時間內安排上傳大量的測試數據。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探頭可以監測Uu接口的物理層以及更高層，并可以把這些數據與其它接口的數據關聯起來。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
???? 調試LTE網絡的基本方法有兩種。自上而下方法是指先從應用層開始，考察各種性能指標，如語音質量或頁面加載時間等。例如，如果語音質量有問題，那么將識別和分類各個事務，并與每個事務中的消息關聯起來。調試工具根據IMSI/IMEI和其它指標過濾事件，直接接入消息細節。

???? 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。調試工具提供了每條協議消息的分布、統計數據圖形窗口和數字窗口，按時間以圖形方式顯示事件，直接進入消息細節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
[圖示內容：]
Tektronix LTE Test System: 泰克LTE測試系統
Tektronix Ethernet Probes: 泰克以太網探頭
Tektronix High Speed IP Probe: 泰克高速IP探頭
Tektronix Air Interface Probe: 泰克空中接口探頭
測試結構布局
? 圖5概括了我們建議的被動監測測試系統的架構。其基本理念是圍繞三個關鍵網元，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重要。經濟高效測試的關鍵是能夠實時提供信息，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端口采集關鍵空中接口的數據，可以使運營商深入挖掘eUTRAN網絡的物理層。RF參數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。調度器功能保證eNodeB根據可用的小區容量、無線條件和要求的服務質量為用戶分配相應的頻率和時間資源，這對保證網絡正常運行至關重要。監測調度器性能可以提供關鍵信息，用以確定可以怎樣修改調度算法，從而提供更優質的服務性能。
???? 將S1和X2接口控制和用戶平面關聯分析與CPRI鏈路上的Uu分析相結合，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結合起來的圖表可以幫助優化工程師確定RF問題對上層用戶平面數據承載性能的影響。同時，小區級圖表展示了小區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據關聯起來，就可以簡便地計算各網元相關時延。在LTE網絡內部傳送時及在LTE和其它技術之間切換時，可以跟蹤用戶呼叫和會話。
???? 自動把被監測接口上的用戶呼叫和活動關聯起來，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。對于特別關心的呼叫跟蹤幀，可以導出并進一步執行用戶平面質量分析。
???? 通過應用對大量數據統計分布掃描功能，用戶可以迅速識別到被監測LTE接口上捕獲到的那些突發的或發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(如網絡節點重啟)，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”到相關呼叫跟蹤，使得用戶根據自己已有的經驗就能夠迅速地對影響到的時間進行調查分析。
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圖6: 使用泰克K2Air LTE空中接口監測儀獲得的LTE第一層/第二層相關無線信息
?? 如果想更具體地監測LTE性能，可以使用KPI，通過映射多個參數和呼叫階段之間的復雜關系。KPI為了解不同參數之間的相互影響提供了關鍵洞察能力。借助LTE KPI，用戶可以確定多個業務方面的性能，如移動性管理(附著失敗、切換、跟蹤和位置更新成功/失敗)、業務管理(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、資源分配)。KPI標識出存在問題的區域，然后有效地映射業務問題與網絡問題之間的關系。
前景展望
? 理論上，LTE擁有我們進入4G所需的一切功能，但想讓它發揮效用，我們還有很長的路要走。轉向LTE類似于我們十年前從固話窄帶ISDN傳送轉向基于DSL的寬帶上網。運營商面臨的主要變化是開發一種運營模式，這種模式首次在移動通信網絡中提供了IP級效率。復雜的自動功能、龐大的加密用戶平面業務、基于無數種業務組合的復雜QoS和QoE約定、復雜的OFDM/MIMO無線接口、等等，都必須予以處理。問題將會不斷被發現，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4G龐大的潛在優勢。