如何测试具备UMA/GAN功能的移动电话

        要预测客户对一款手机性能的接受程度，从而预测手机设计的品质，需要进行实际使用测试。使用测试是一种很有价值的工具，本文将介绍如何进行此类测试。 
        UMA/GAN是一种能让移动电话在传输话音、数据、既有话音也有数据或既无话音也无数据时在蜂窝网络(例如 GERAN--GSM/EDGE 无线接入网)和IP接入网络(例如无线 LAN)之间无缝切换的系统。作为网络融合发展过程中一项里程碑式的技术，UMA/GAN能让手机用户得以享受固定宽带网提供的服务。UMA/GAN最初叫做免许可移动接入(UMA)网，之后被3GPP改名为通用接入网(GAN)，本文将这两种技术统称为GAN1。 
        3GPP技术规范43.318和44.3182, 3中描述了GAN的系统架构和协议。一款手机必须经测试符合这些标准的要求才能投放市场。但在此之前，手机开发商还有很多机会测试其GAN产品对标准的一致性。提早验证手机处理数据和话音的能力将大大提高产品成功通过一致性测试的几率。 
        即便对于象GAN这样相对成熟的技术，设计者也仍然可以通过提供独特的性能实现产品差异化。WLAN是一种已广泛用于手机的技术，它既可用于实现VoIP，也可用作数据调制解调器。影响GAN使用的关键因素之一是IP网和蜂窝网之间的无缝切换，这是WLAN方案单独无法提供的功能。 
        网络组件 
       GAN系统还为GERAN/UTRAN网络添加了一种新的架构组件：GAN控制器，简称GANC。GANC在功能上相当于典型GERAN网络中的基站控制器(BSC)。但与BSC不同的是，GANC的前端连接的是IP接入网，而且是通过这个接口(被称作上行接口)利用GAN专用协议与手机通信。为确保能在手机和核心网之间传送信令和用户数据，GANC还负责将上行接口的消息转换为现有的BSC/核心网接口协议(在GSM情况下是BSSAP/BSSGP协议)。 
       只有双模手机才能享受GAN服务，也就是说当用户漫游出入蓝牙或Wi-Fi网络时手机必须能察觉，以便在GERAN/UTRAN模式和GAN模式之间切换。而且，手机还必须通过一个兼容GAN的中间安全网关(SEGW)在自己和服务GANC之间建立一个基于IPSec(互联网协议保密)的VPN隧道。这样作为移动服务基础的数据、话音和信令业务都能得到正确保护，并通过这个隧道传输。 
       如何建立GAN连接 
       在进行GAN网络部署时，通常需要几个GANC来分担提供GAN业务的任务，同时保证负载平衡。网络中的每个GANC至少要为以下几个逻辑实体中的一个提供服务：配置GANC(P-GANC)、默认GANC(D-GANC)或服务GANC(S-GANC)。 
       移动用户如果有一部带GAN功能的手机，只有当手机在其可以连接的免许可无线网络覆盖范围内时才能使用手机的GAN功能。手机首次尝试建立连接时，需要识别默认GANC (D-GANC)。因此，它会启动发现过程，以接收有关D-GANC的信息，并在注册过程中使用这些信息。 
       为得到D-GANC的地址及其相关安全网关(SEGW)的信息，手机会通过P-GANC的关联SEGW连接到其归属地公用陆地移动网(HPLMN)内的配置GANC。一部预设了完全合格域名(FQDN)或IP地址的手机里应存有该P-GANC的地址及关联SEGW，否则手机也可以根据(U)SIM卡上的信息得到FQDN。3GPP TS 23.0035中对寻址要求有详细描述。 
       接下来，手机要与D-GANC的SEGW建立一个安全通道，并尝试通过该D-GANC注册。该D-GANC若接受了注册，就会成为本次连接的S-GANC，否则，它会将手机的注册请求引导到另一个S-GANC。一部手机即使并未工作在GAN模式下也可以无限期地持续注册在一个S-GANC上，同时享受GERAN/UTRAN服务，以便在需要时能及时将话音和数据切换至GAN网络。一旦手机明确地切换至GAN网络或用户自己决定切换为使用GAN之后，手机用户的当前位置信息(这些信息都保存在核心网上)就会通过手机刷新，然后，话音/数据和信令流量就会通过GANC而不是蜂窝网发送到手机。 
       安全网关的作用 
       GAN系统中一个很关键的部分就是安全网关(SEGW)，它在移动电话和位于 “不安全的”IP接入网另一端的运营商网络之间提供了一条安全的连接。 
       在典型的GAN部署中，SEGW负责在手机和GANC所在的核心移动网之间建立并保持安全的(按IPSec/IKEv2标准加密)连接。在建立起GAN连接之后，手机必须采用已签名的公钥安全证书对安全网关进行认证。这是为了确保在用户通过公共IP接入网使用GAN时，不会在不知情的情况下被“诱骗”到其他恶意网络。 
       SEGW还能作为手机和相连的计费、认证与授权服务器(AAA)之间的通信中介，对用户进行认证并允许他们使用网络提供的GAN服务时。AAA服务器以发向手机的请求/响应口令所得到的结果为基础进行认证判决，并迫使手机和网络都去证实用户SIM或USIM卡上的共享私秘“k”值和该AAA服务器连接的网络归属位置寄存器信息。除了对手机和网络进行认证之外，认证算法的结果还可用于推算通信双方所需的关键资料，以便对手机和SEGW之间的IPSec连接进行加密。 
       手机与AAA服务器之间的认证协议在2G和3G网络中是不相同的。2G和3G网络使用的认证协议均基于现有的2G和3G认证技术，但为增强对往往更易受攻击的IP接入网的保护而做了很大改进。2G网络采用的是针对用户识别模块(EAP-SIM)的扩展认证协议，而3G网络采用的是针对UMTS认证和密匙协商(EAP-AKA)的扩展认证协议。 
       当测试条件不允许禁止手机中的GAN安全功能时，必须在测试系统中部署带一定IPSec和EAP功能的SEGW与AAA服务器组件，这样手机才能连接到GAN网络并使用GAN服务。 
       测试注意事项 
       在尝试验证一部GAN手机的设计参数时，设计工程师需要回答以下几个问题。第一，在测试与标准的一致性时，哪些参数是必须测试的？其次，哪些实际使用情形的测试最能表明手机的设计是否达到目标？最后是在设计过程中要想减少重复工作和不必要的重复测试，最佳的测试时机在何时？ 
       就象纯蜂窝网络一样，在GAN网络中，呼叫建立、呼叫终止和切换功能最可能成为系统的弱点，从而增大服务故障和用户不满的几率。为了彻底地试验这些功能，设计工程师最好有一套具备测试功能的测试平台，并且最好靠近设计小组的其他成员。这样能够促进设计小组根据测试结果进行高效的决策。 
       GAN系统引入了新的信令程序，这是一种被许多现有上层功能采用的接入层技术。3GPP在3GPP TS 51.010-14中规定了许多一致性测试项目，具备GAN功能的手机必须经过这些测试才能上市。尽管这些测试规范对GAN专用的新程序测试给予了相当的关注，但对在GAN上部署的现有蜂窝通信技术的使用和用户体验却鲜有涉及。因此，设计工程师可以选择许多工作情景进行测试，包括：
* GAN发现程序的成功或失败
* 包括寄存器更新在内的GAN注册程序的成功或失败
* 在GAN和GERAN/UTRAN操作之间的初始移动站模式选择
* 移动发起(MO)和移动终止(MT)的GAN话音呼叫
* 基于GAN的数据连接以及采用这些基础连接的设备带来的最终用户体验
* 基于GAN的双模传输(DTM)或SS (UTRAN)连接
* 通过GAN传送基于GSM的MO和MT点对点SMS短信
* 通过GAN传送基于GPRS的MO和MT点对点SMS短信
* 所有适用的出入蜂窝网络的情景包括：漫游入(从G/U到GAN网)、漫游出(从GAN到G/U)、切换入(从G/U到GAN)、切换出(从GAN到G/U)、蜂窝变更指令(从G/U到GAN)、在DTM或SS连接过程中的切换入/出(从GAN到G/U以及从G/U到GAN) 
       GAN测试的配置 
       使用诸如安捷伦8960这样的专用无线通信测试套件，就能以可控并且可重复的方式仿真GAN功能测试所需的各种不同情景。此类测试在GAN手机的整个开发周期内(从早期设计阶段，一直到系统集成和验证、仿真和现场测试、互通性测试以及一致性测试)都是非常重要的。
图1给出了一种GAN手机功能测试的配置，其中在PC机上运行的应用程序用于模仿GANC。

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图1：用软件进行GANC仿真。

          在这种配置中，任何能够与手机连接并获取一个IP地址的设备都能提供一个IP网络连接。图2中使用的是一个普通的商用WLAN接入点。

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图2：利用安捷伦8960测试套件和商用WLAN接入点进行GAN测试配置。

          其他测试考虑因素 
          除了验证一款手机的性能是否符合GAN标准之外，设计工程师还应考虑一些标准没有涉及但与日常使用有关的测试项目。下面举了三个使用测试的例子，从中可以看出这些测试对预测手机的实际使用性能很有帮助。 
          电流消耗分析 
          与蜂窝通信标准不同，WLAN标准并没有过多考虑用户设备的电池容量，因此其耗电量可能较大。一款单模GSM手机，即便一直运行于待机状态，其电池使用时间可能也是运行于WLAN模式的手机电池的5倍。如果再算上通话时间，二者的差别会更大。因为一部具备GAN功能的手机必须同时监测GERAN、UTRAN和GAN网络，所以电池使用时间应该是设计中需要主要考虑的一个因素。 
          可以通过一种全面的分析来评估关键应用点上(例如在图3所示的分组数据传输期间)电流消耗带来的影响。图3的纵轴对应时间变化，横轴对应幅度变化。

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图3：利用14565B CCDF测量和分析电池的电流消耗。 
        

　　话音质量 
        在利用IP分组作为底层携带话音数据方面，Voice over GAN 与Voice over IP (VoIP)非常类似。在GAN中，IP分组包含的是经过GSM编码并封装好的话音信息。Voice over GAN与GERAN/UTRAN话音呼叫的不同主要在于编解码器选择的决策不同，在GAN中编解码器的选择由丢失分组所占的百分比而不是手机感知的功率电平或载波与干扰的相对电平决定。 
        尽管GAN标准中至今并未针对编解码速率变化或任何与丢失分组个数相关的滞后现象强制进行接收机灵敏度测试，但这些因素可能在很大程度上影响用户可感知的手机性能，因为AMR编解码器哪怕只发生轻微的改变，敏感用户都可能察觉到。话音质量测试在评估一部GAN手机设计对这些问题的解决效果如何方面大有帮助(见图4)。

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图4：话音质量与分组丢失率和滞后之间的关系。 
        

　　数据吞吐量测试 
        第三类，也是最基本的一类使用测试是评估端到端数据吞吐率并发现可能影响用户体验的反应延迟。设计工程师必须对多种使用情景进行仿真，并测量WLAN连接上的端到端IP数据率以及在呼叫切换走(例如切换到GERAN服务蜂窝)和切换回时出现的任何变化。 
        这一点非常重要，因为在使用典型GAN接入网(例如无线LAN)时理论上可达到的数据率与使用GERAN/UTRAN网较慢的数据率相比将呈几何级数的增加，见图5。

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图5：从GAN到GERAN再到GAN转换的流量分析。         

　　本文小结 
        在一致性测试之前进行设计实现的验证时需要考虑许多因素。文中提到的测试情景列表虽然还不够全面，但仍为摸清手机性能提供了非常可靠的基础。在一套能够模仿GAN系统的套件中进行这些测试可以帮助工程师评估各种不同决策可能产生的影响，从而最大程度地减小设计周期中可能需要的反复次数。该方法极大节约了设计人员的时间、精力与设计成本。类似的，实际使用测试也能让工程师预测客户对手机性能的可接受程度，从而预测出手机设计的质量。所以说，使用测试是一种非常有价值的工具，应该收入设计工程师的工具箱，以便提高产品获得成功商用的几率。 
        台式无线通信测试套件为设计工程师提供了一种简单并且高性价比的评估UMA/GAN等新兴技术的方法。