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发布日期: 2011年8月31日

适应无线回传演进的测试策略

适应无线回传演进的测试策略

7/28/2010

智能手机技术推动着以数据为中心的服务高速增长,再加上社交网站(如 My Space、Facebook 等)和多媒体应用(如游戏、YouTube 等)的兴起,促使无线服务运营商在接入网和核心网中转向采用基于数据包的以太网/IP 技术。这些运营商作出这一决定的最重要推动因素是可扩展性和成本节约。

随着接入网信息流的增大,回传网络迁移到基于数据包的技术就变得愈发必要。传统时分复用 (TDM) 技术已经良好运行了许多年,但是严重的可扩展性问题开始变得明显起来。与传统 TDM 相比,在回传网络中部署以太网/IP 技术将显著降低运营商的资本开支 (CAPEX) 和运营开支 (OPEX)。

向围绕以太网/IP 的回传网络转变时会面临许多挑战。这项技术的本质是“尽力而为”,因而会使用带内服务质量 (QoS) 或服务等级 (CoS) 机制来维持所提供的每项服务的端到端质量和可靠性。所有网络交换或路由设备都必须正确配置才能维持端到端质量。使用适当的测试策略验证网络配置变得越来越重要,因为这将有助于无线运营商增强网络的可靠性和性能,从而提高每用户平均收入 (ARPU) 和客户满意度。

无线回传的演进

传统上,大多数无线回传网络均由 E1 构成,它被用于建立基站发信台 (BTS) 或基站控制器 (BSC) 与移动交换中心 (MSC) 之间的连接。向全数据包网络的演进正在进行。

在当前以及以后的数年中,回传网络都将由 E1/T1(用于语音)和以太网/IP(用于数据服务)技术的组合构成。这种混合网络技术通过增加非实时数据的信息流,从而为突破潜在的信息流瓶颈提供了经济的解决方案。

无线回传网络拓扑。
图 1. 无线回传网络拓扑。

完全实施 4G/LTE 后,所有信息流都将在以太网/IP 上运行。随着电信级以太网的日益成熟,无线回传终将转变为完全基于数据包。这会简化网络架构,降低成本,并且为通过以数据为中心的应用来实现预期增长提供了必需的可扩展性。

无线回传 LTE 网络。
图 2. 无线回传 LTE 网络。

以太网/IP 无线回传带来的挑战

在基于数据包的系统中,并非所有信息流都得到平等的创建。实时服务(语音/视频)的运行采用用户数据协议 (UDP) 作为传输协议。如果某个数据包丢失,将不会重传。这样设计是因为,如果发生语音或视频重传,那么最终用户便会立刻觉得服务质量较差。在数据包交换网络上传输实时数据(如语音和视频)时必须考虑特别的要素和配置,这样才能保持高质量的传输。

回传网络传输实时服务和非实时数据(电子邮件、网络浏览)服务,这两类服务同时存在。此外,信息流中还存在管理服务。这些服务包括同步、操作、管理和维护 (OAM),以及管理控制。每项服务都需要指定的优先级设置以维持预期的 QoS。RFC 2475 规定了差分服务的架构。差分服务代码点 (DSCP) 的使用提供了一种带内机制,用以控制同一以太网/IP 链路上运行的不同服务的优先级。


LTE 信息流

传输服务等级

PCP

DSCP

LTE 接口

同步

同步

7

111xxx

Sync

承载 OAM

承载 OAM

4

100xxx

OAM

QCI 级别

1/2

语音/实时视频

6

110xxx

S1、X2

3

视频点播

3

011xxx

S1、X2

4

实时网络游戏

5

101xxx

S1、X2

5

控制管理

7

111xxx

S1、X2

6/7/8/9

其他

0、1、2

000xxx-
010xxx

S1、X2

图 3. LTE 差分服务。

这种方法为应对高拥塞期间的丢包问题提供了解决方案。路由器负责检查传入服务的数据包的 DSCP 设置,从而确定哪项服务具有优先权,然后决定在过载期间丢弃哪些数据包是安全的。这种差分服务结构提供了确保控制平面信息(如同步、控制管理数据等)的方法,并且在发生拥塞或缓冲队列不适合的情况下,实时服务(语音/实时视频)以较高的优先级通过网络转发。在每一跳均实施这项技术,这就意味着沿路径的所有路由/交换设备都必须得到正确配置才能确保端到端 QoS。

另外,还使用了速率限制来设置每项服务的传输速率。这有助于管理拥塞和改善帧延迟。需要为每项服务分配特定的承诺信息速率 (CIR);该速率对应于保证特定服务的适当性能的比特率。

在无线回传网络中实施速率限制的实例可以是针对语音信息流的。在这种情况下,使用符合特定规范(如 G.729)的编码器/解码器(编解码器)对模拟信号进行编码。这种模数转换在移动设备或 BTS 完成,具体取决于系统。G.729 编解码器的数字输出大约为每用户 40 kbit/s 的 IP 信息流。因此,如果基站在任意时间的平均峰值为 300 个通话,那么 CIR 必须为 12 Mbit/s。

每项服务都必须有 CIR。在以前的“尽力而为”模式下,可能会抑制网络浏览之类的服务以避免拥塞,从而保证优先级更高的流量。这样,服务运营商就能够管理核心网中的汇集信息流大小并控制帧延迟。

为了保证 CIR,通常将信息流速率限制设置为超额信息速率 (EIR)。该比特率略高于 CIR 并且考虑到了信息流的突发。图 4 中示出了这些速率限制,其中的颜色说明如下:绿色代表保证的 CIR,黄色代表尽力而为信息流,红色代表丢弃的信息流(即比特率高于 EIR 的信息流)。

信息流速率限制
图 4. 信息流速率限制。

无线回传的关键性能指标

关键性能指标 (KPI) 是用于指示特定信息流类别的最低性能的特定信息流特性。以下 KPI 会直接影响回传网络的性能:

帧延迟或时延是帧或数据包从离开发送端口的时刻起到抵达目标端口时刻之间的时间差。该指标对语音或视频等实时数据的质量有着直接影响。管理服务(如同步协议)负责 BSC 和移动设备之间的通信,其响应时间必须非常短。这将有助于确保高质量的语音传输、小区切换、信令和可靠连接。

帧丢失对于所有实时服务(如语音或实时视频)以及控制信息流的同步和管理而言都是一个严重的问题。丢包会导致糟糕的感知质量。丢失控制数据包会增大时延,并且还可能导致连接故障甚至通话中断。

带宽是指可以转发的最大数据量。该测量值是一秒钟测量窗口内转发的信息流总量的比率。对于不同的性能保证,带宽可以为“承诺值”,也可以为“超额值”。

帧延迟变化(或数据包抖动)是指数据包传输的到达时间之间的变化。在数据包通过网络传输期间,它们通常会排队等待,并以突发方式被发送至下一跳。可能发生随机优先级排序,从而导致数据包以随机速率发送。因此设备会以不规则的时间间隔接收到数据包。抖动会对终端节点的接收缓冲区造成压力,如果抖动幅度过大,则会造成该缓冲区使用过度或使用不充分。

实时应用对于数据包抖动尤为敏感。因此,设计了缓冲区来存储一定数量的视频或音频数据包,然后以固定时间间隔对这些数据包进行处理,从而向最终用户提供流畅无误的传输。抖动过大会影响体验质量 (QoE),因为抵达速率较快的数据包会导致缓冲区溢出,从而丢失数据包。抵达速率较慢的数据包会使缓冲区处于空状态,从而出现静止图像或没有声音的情况。

 

数据

实时信息流

高优先级信息流

带宽

非常敏感

敏感

敏感

帧丢失

非常敏感

非常敏感

非常敏感

帧延迟

敏感

敏感

敏感

帧延迟变化

不敏感

非常敏感

不敏感

图 5. 信息流的敏感程度。

无线回传的测试策略

国际电信联盟 (ITU) 目前正在制定一项称为 Y.156sam 的建议草案。这项全新以太网测试方法面向电信级以太网,考虑了当今网络架构上运行的以太网服务的重要 KPI。

为什么说 ITU-T Y.1564 是适合的解决方案?

ITU-T Y.1564 文档介绍了测量点对点或点对多点网络上基于以太网的服务的性能的标准方法。在该建议制定之前,可用来验证基于以太网的网络性能的唯一方法是 IETF 的“网络互联设备的基准测试方法”(也称为 RFC 2544)。该测试方法最初设计用于评估网络设备的性能特征。它用于验证网络的原因是当时没有其他方法可供选择。RFC 2544 缺少当前及未来回传网络所需的某些测量参数,下面进行了重点介绍:

  • RFC 2544 测试套件包括四项连续测试,无法在测量帧延迟时监测帧丢失
  • 由于其连续测试的性质,RFC 2544 不容易提供用于在规定的试运行时期内运行测试的方法
  • RFC 2544 测试被规定为单数据流测试,不符合当今网络中需要的多数据流分析
  • 标准的 RFC 2544 测试套件不测量帧延迟变化

ITU-T Y.1564 测试

ITU-T Y.1564 建议包括两个测试阶段。

第一个阶段是网络配置测试,该测试用于验证网络是否确实针对每项已规定的服务进行了正确配置。测试信息流将根据每项服务的相应的 QoS/CoS 要求来设置。在测量最大吞吐量、帧丢失、帧延迟和帧延迟变化的同时使信息流的流量逐渐增大,以验证网络是否已配置为正确的 CIR 和 EIR 速率并且是否所有服务都拥有正确的优先级。

每项服务均由带宽递增的测试流来表示。测量每个递增步进的信息流吞吐量、帧丢失、帧延迟和帧延迟变化。将信息流速率递增至 CIR 速率,然后递增至 EIR 速率,最后超过 EIR 以检验是否存在任何过冲,如果存在过冲,则表示发生了不正确的带宽限制。

递增测试的配置

ITU-T Y.1564 网络配置测试
图 6. ITU-T Y.1564 网络配置测试。

ITU-T Y.1564 建议的第二个阶段是服务测试,该测试将所有服务指定为以规定的 CIR 传输,同时测量它们的 KPI。该测试可以在指定的持续期来运行。

 ITU-T Y.1564 服务测试
图 7. ITU-T Y.1564 服务测试。

服务测试提供了测试网络长期质量的方法,确保即使在网络信息流负载较重的情况下也能正确提供服务。

EXFO 的 Y.1564 实施 — EtherSAM

EXFO 是首家将 ITU-T Y.1564 植入其电信级以太网测试解决方案中的测试设备制造商;该功能适用于 10/100/1000M 和万兆以太网速率。

EXFO 不仅遵照 Y.1564 规范,而且还实施了双向测试方法(即两台表测试模式),该方法用 EtherSAM 在网络配置和服务测试阶段同时在两个方向进行测试。该测试最终将减少上门次数并增强客户对网络性能的信心,因为所有测试都根据实际场景来执行。对网元的不当配置进行故障排除的时间也将缩短,因为路径的每个方向均得到验证,从而可以实现 100% 的首次成功率。
两台表测试模式下的双向测试

图 8. 两台表测试模式下的双向测试。

EtherSAM — 节约时间的方法

与 RFC 2544 相比,采用 EtherSAM 方法将使测试时间明显缩短。例如,RFC 2544 需要 20 分钟才能完成单项服务的吞吐量/时延测量循环。如果网络性能存在问题(如时延过大),RFC 2544 必须在测试时延之前先运行吞吐量测试。这意味着要浪费 10 分钟才能发现问题。解决了性能问题之后,还必须重新运行 RFC 2544 测试序列。必须为每项服务重复这一序列,因为该方法以单个数据流为基础。

如果使用 EtherSAM,执行相同的吞吐量和时延测试只需 25 秒。这样就能够快速确定任何时延问题,使得技术人员可以立即进行故障排除。在确保网络配置的正确性之后,可以同时测试所有服务并持续所需的时间段,从而提供更符合实际的连续测试。另外,还可利用所有可用的帧参数来设置每项服务以模拟实时信息流或数据。

可以存储和重新调用测试配置文件,这样就实现了可重复性和易用性。可以采用包括 .pdf、.txt、.csv 和 .html 在内的多种格式提供报告。

结论

ITU-T Y.1564 测试规范提供了针对多项业务来验证网络配置是否正确以及进行长期流量负载测试的功能,是适合当今及未来无线回传网络的理想测试策略。这种方法有助于确保无线网络的基站回传部分符合预期 QoS 参数,同时降低成本并改善平均修复时间 (MTTR)。随着基站回传网络完全转变为数据包交换网络,EXFO 的 EtherSAM 测试解决方案将为其提供相应的验证方法和可操作性。