cdma2000网络测试方法

北京邮电大学无线通信中心　　张健明

　　cdma2000标准是国际上公认的3G标准之一，是由IS-95标准演变而来的。cdma2000可以同时支持高速分组数据业务与话音业务。与IS-95相比，cdma2000 1X的话音容量增加了将近一倍，前向和反向链路理论上最高的突发数据速率可达到624kbit/s（版本0可支持的最高数据速率为316.8kbit/s，版本A可支持的最高数据速率为624.0kbit/s）。另外，由于cdma2000与IS-95具有良好的兼容性，从现有的IS－95网络升级到cdma2000非常方便。

　　当然，cdma2000高性能的实现依赖于网络的设计和建设。对网络进行全面的性能测试是移动通信网络建设必不可少的过程，它可以帮助工程师和运营商在问题出现之前发现并解决它们，这对于新建的网络尤其重要。因为人们对新生事物总是抱着怀疑的态度，任何一点小问题都有可能打击消费者的信心而导致运营的失败。在无线环境中，由于路径损耗和多径衰落，处于不同位置的用户所拥有的信道质量存在着很大的差别，因而网络的QoS对地理位置相当敏感。通常来说，我们可以用路测的方法对网络性能进行测试。

　　在即将商用的3G移动网络中，数据业务将占据更大的比例，并逐渐成为主要业务。用户希望能够通过无线网络随时随地接入Internet。因此，诸如吞吐量、时延、时延扩展以及数据丢失率等表现数据业务性能的参数更值得我们关注。数据业务在传输过程中经常需要经过多个不同的网络，而这些途经网常常难以测试，因而使得无线网络数据业务的QoS测试变得十分困难。

　　本文讨论在移动通信网络建设过程中，如何利用路测的方法对网络的各项性能指标进行测试，尤其重点介绍了对数据业务端到端性能的测试。这类测试要在一辆经特殊装备的汽车上完成。对于数据业务的测量，需要在Internet端建立一个提供数据服务的服务器，在移动设备端配置一台计算机作为数据业务的客户端。测试车行驶的测试路线应覆盖尽可能大的网络服务区。下面详细介绍cdma2000的服务质量指标及其测试方案。

一、QoS 指标

　　3G网络有一套自定义的业务类型集。其它异种网络的业务接入3G网络时都映射为3G建议的4种业务类型：会话业务、流业务、交互业务和背景业务。会话业务，如电话和视频会议，用于承载实时的业务流。其特点是低时延、低数据丢失率，对时延抖动敏感。流业务类型的特征与会话业务基本相似。主要区别在于，流业务类型对时延的要求更低，对带宽的要求更高。交互和背景业务类型用于传统的Internet应用，如WWW、Email、Telnet、FTP和News等，主要的区别在于交互型业务是双向的，而背景类型业务主要用于Email或文件的背景下载。

　　当用户使用这些无线业务时，他们感受到的业务质量带有个人主观性。要客观地评价用户所能获得的QoS，必须定义一些量化且可测量的性能指标。对于传统的话音业务，重点需要考察下面一些指标。

　　（1）手机发射功率：衡量网络的反向覆盖质量。当手机远离基站时，路径损耗增大，手机需要更大的发射功率来克服路径损耗的影响。在网络的覆盖边缘，手机的发射功率接近它的最大发射功率。我们常用的Band Class 0频率段的III类手机的最大发射功率为23dBm（200mW）。

　　（2）手机接收功率：与导频的Ec/Io共同衡量网络的前向覆盖质量。接近覆盖边缘的手机的基站路径损耗比处于覆盖中心的损耗大，因此接收到的基站功率变小。

　　（3）接收导频的Ec/Io：接收到的导频信号的每码片能量与干扰功率谱密度之比。导频用于对基站发来的业务信号进行相干解调，当导频的Ec/Io过小时，手机就不能对业务信号进行正确的解调。

　　（4）呼叫建立时延：从移动台发起呼叫到开始通话这段等待时间。

　　（5）误帧率：接收到的错误的帧数与总帧数之比，反映话音质量高低。少量的错帧不影响人们对语音的识别，但是，如果误帧率过高将影响接收到的语音质量。

　　（6）掉话率：被中断的通话次数与总通话次数之比。

　　（7）呼叫失败率：呼叫建立失败的次数与总呼叫次数之比。

　　对于数据业务，用户感知的业务质量映射为下列可量化的QoS指标。

　　（1）吞吐量：在没有丢失的情况下，手机每秒发出或接收数据的字节数。吞吐量指标反映了cdma2000网络可以用多快的速度传送数据。现在，人们已经习惯了有线Internet的高速率，如果cdma2000网络不能提供足够高的吞吐量，将很难吸引客户。

　　（2）回路时延：手机从发出请求到收到确认这段等待时间。分组数据呼叫通常采用TCP协议，TCP有流量控制，它根据收、发双方之间的往返时延来优化带宽的分配。

　　（3）时延：分组从发出起，到目的主机收到该分组的这段等待时间。用户希望网络的反应速度快，时延小。cdma2000的总时延包括无线业务信道建立时延、链路层协议初始化时延、传输时延、服务器响应时延等。

　　（4）接入时长：从业务请求开始到PPP建立成功的时间，包括无线信道建立的时间和PDSN建立PPP连接的时间。

　　（5）休眠模式重新激活的时长：手机从休眠状态切换到激活状态过程的时长。由于无线信道的有限性和分组数据业务的突发性，cdma2000网络并不打算将无线信道让手机一直占用。如果手机在一段时间内没有数据突发，网络将释放分配给手机的无线信道，手机进入休眠状态。当手机侧或网络侧再次发起请求，网络重新为手机分配无线信道，手机切换到激活状态。

　　由于IP被公认为是用户接入Internet惟一而有效的协议，上述数据业务的QoS指标可以在应用层或IP层进行测量。

二、测试设备

　　一辆经特殊装备的车对于路测是必不可少的。车内装备的测试系统主要由一台计算机、一个GPS接收机和一个测试手机组成。计算机用于控制手机发起呼叫、发送和接收Internet业务。当然，计算机还用于对测试数据进行后处理。GPS接收机用于接收卫星发送的地理位置信息。测试手机则用于产生呼叫、接入无线网络以及收集网络信息等。测试手机的数目可以不止一个，这样可以同时进行多个测试任务。如果有两个测试手机，其中一个可以用于测试话音业务的掉话率，另一个则可以测试数据业务的吞吐量。测试时，手机可以放在车的后座上，由计算机控制，GPS接收机则要放在车顶，以保证卫星信号的接收质量。

　　除了以上描述的硬件设备外，测试当中还需要安装一些必要的软件，如电子地图、后处理分析器和统计工具等。然后，还需要一台绘图仪将测试结果绘制出来。

三、测试方法

　　虽然各种网络组件的性能测试已经由设备厂商在实验室完成，但这还不够，因为运营商和用户更关心实际环境中的网络性能。我们可以用路测的方法测量网络的实际性能，这是一种加扰测试。由于增加了业务量，加扰测试可能会影响网络的性能。因此，对网络QoS的路测通常在网络建设的初期或低业务时间段进行。

　　（1）采样点准则

　　网络的QoS对无线链路质量有很强的依赖性，而无线链路质量与地理位置又有着极大的相关性，并且变化剧烈。在蜂窝移动网络中，地理区域被划分为一个个小区，每个小区由一个装备了收发设备的基站提供服务。移动台与链路质量最好的基站进行通信。通常，移动台离基站越近，无线信号衰落越小，接收到的信号强度就越高，从而获得较好的QoS。而当移动台远离基站时，情况正好相反。另外，当移动台靠近阻挡物或进入信号深衰落地区时，信号发生剧烈下降，移动台获得的QoS也将变差。因此，对网络性能的客观评估要建立在一个正确的采样原则上。

　　QoS测试应在一辆行进的车上进行。选取的测试路线应覆盖尽可能大的网络服务区。然而，由于繁重的测试工作量和某些地区不方便车辆行驶等原因，要测试完网络服务区的所有地点几乎是不可能的。依据话务密度的大小，我们可以将整个网络区域划分为多个子区域，如商业区、居民区、公园等。对于每一个子区域，我们选取一部分道路和街道进行测量，重点区域或者高话务密度区可以增加测试比例。

　　（2）话音业务的测量

　　话音业务性能的测量通过拨打测试来进行。对于手机的发射功率、接收功率、接收导频的Ec/Io以及FER的测试，要将测试手机设置成全速率的Markov长时呼叫，手机测出的发射功率、接收功率、导频的Ec/Io和FER通过串口由计算机记录。由于无线信号的多径衰落，需要对一小段距离的功率测量值进行平均，以获得信号的本地均值。对此测量值进行平均的路径长度，既要保证平滑掉无线信号的快衰落，又不能由于波长太长而使信号的慢衰落也被滤除。一般来说，该长度应在40个波长以上。呼叫建立时延通过多次呼叫统计，每次呼叫的时延可以通过公式△t=t2-t1计算，其中t1表示移动台发起呼叫的时刻，t2表示移动台接收到指示呼叫建立成功的消息时刻（对于cdma2000，该时刻为手机接收到基站发来的业务连接完成层三信令的时刻）。掉话率和呼叫失败率通过500次以上的拨打测试来统计。对于掉话率的测试，呼叫测试时长应持续90到120秒，对于呼叫失败率，呼叫测试时长持续几秒即可。

　　（3）数据业务的QoS测量

　　数据业务QoS测试是进行一些数据业务应用程序的测试，如WWW、Email、FTP以及News。数据业务的测试系统如图1所示。在数据连接的移动台端，配置一台计算机用于请求Internet应用。在数据连接的网络端，建立一台独立的Linux服务器用于接收无线数据业务请求。为了尽可能消除数据传输过程中受到的途经网络的影响，我们应保证在Linux服务器和无线网络之间分配足够的带宽或在Internet空闲的时间段进行QoS测试。每种QoS指标的测试方法如下所述。

　　A．吞吐量测试：在Linux平台安装一个FTP服务器，测试文件的下载和上传。从接收到文件的大小以及计算机记录的传输时间，可以统计出数据的平均吞吐量。下载或上传文件的大小以1MB～10MB为宜。为了反映移动速度对吞吐量的影响，吞吐量的测试可以在静止或3km/h、30km/h、60km/h左右的速度下分别测试。

　　B．回路时延测试：通过UNIX标准的“ping”指令可以进行回路时延的测量。“ping" 指令发送一个Internet Control Message Protocol (ICMP)消息请求到目的主机，目的主机收到后将立刻送回一个响应。在路测过程中，回路时延的统计可以在一定时间间隔内不断发起“ping"命令来实现。

　　C．时延测试：时延的测量可以采用一类特殊的测试软件来完成。这种测试软件产生一些特殊的IP包，在这些特殊的IP包中，发送时间戳被插入到包的“净荷”里。当收到这些IP包时，解出发送时间即可计算出端到端的时延。

　　D．接入时长测试：在手机侧产生数据业务请求，在PPP连接成功后，断开PPP连接，再产生下一次请求。通过多次的呼叫，可以统计数据业务接入时长。每次呼叫的接入时长为无线信道建立时长和PPP连接建立时长之和。无线信道建立时长可以由计算机记录的手机的层三信令计算，它的值为业务建立连接完成信令和始发信令的时间差，PPP建立时长可以从操作系统的日志中计算出来。

　　E．休眠模式重新激活的时长测试：手机侧发起数据业务请求，在PPP连接成功后，静止一段时间，等待手机进入休眠状态，然后从手机侧（或网络侧）发起一个请求，这时手机发送始呼消息（网络侧的呼叫为寻呼消息），记录下业务连接完成消息和始呼消息的时间差即为休眠模式重新激活的时长。

四、网络性能统计

　　测试结束后，要对采集到的数据进行处理。通过对一些QoS指标的统计，我们可以定量地描述网络性能。通常，由各种QoS指标的均值和标准偏差可以反映出网络的性能。数据用图形的方式表达则使得对网络性能的描述更加直观。

　　在电子地图的帮助下，工程师可以找出网络的哪些地方出现了问题，如覆盖差，吞吐量低或无法进行数据连接等。电子地图的最小处理单位叫做“bin”，通常为20m×20m或50m×50m。每个bin里采集的数据要进行平均。不同的颜色用于表示不同的覆盖质量。吞吐量、时延指标等也可以借助地图的方式表示，另外PDF和CDF图也常用于表达网络性能的统计特性。

　　网络由IS-95过渡到cdma2000后，用户将享受到速率更高、种类更丰富的业务服务。然而，由于cdma2000是一种新的技术，为了满足客户需求，必须使客户获得可接受的服务质量。因此，必须对网络进行细致地试验、设计、安装和优化。在网络建设过程中的每一个阶段，都要对网络进行测试，以确保能提供的服务质量。

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