測試具備UMA/GAN功能的移動電話技術(shù)問題

要預(yù)測客戶對一款手機性能的接受程度，從而預(yù)測手機設(shè)計的品質(zhì)，需要進行實際使用測試。使用測試是一種很有價值的工具，本文將介紹如何進行此類測試。

UMA/GAN是一種能讓移動電話在傳輸話音、數(shù)據(jù)、既有話音也有數(shù)據(jù)或既無話音也無數(shù)據(jù)時在蜂窩網(wǎng)絡(luò)(例如 GERAN--GSM/EDGE 無線接入網(wǎng))和IP接入網(wǎng)絡(luò)(例如無線 LAN)之間無縫切換的系統(tǒng)。作為網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展過程中一項里程碑式的技術(shù)，UMA/GAN能讓手機用戶得以享受固定寬帶網(wǎng)提供的服務(wù)。

UMA/GAN最初叫做免許可移動接入(UMA)網(wǎng)，之后被3GPP改名為通用接入網(wǎng)(GAN)，本文將這兩種技術(shù)統(tǒng)稱為GAN1。

3GPP技術(shù)規(guī)范43.318和44.3182, 3中描述了GAN的系統(tǒng)架構(gòu)和協(xié)議。一款手機必須經(jīng)測試符合這些標準的要求才能投放市場。但在此之前，手機開發(fā)商還有很多機會測試其GAN產(chǎn)品對標準的一致性。提早驗證手機處理數(shù)據(jù)和話音的能力將大大提高產(chǎn)品成功通過一致性測試的幾率。

即便對于像GAN這樣相對成熟的技術(shù)，設(shè)計者也仍然可以通過提供獨特的性能實現(xiàn)產(chǎn)品差異化。WLAN是一種已廣泛用于手機的技術(shù)，它既可用于實現(xiàn)VoIP，也可用作數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器。影響GAN使用的關(guān)鍵因素之一是IP網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)之間的無縫切換，這是WLAN方案單獨無法提供的功能。

網(wǎng)絡(luò)組件

GAN系統(tǒng)還為GERAN/UTRAN網(wǎng)絡(luò)添加了一種新的架構(gòu)組件：GAN控制器，簡稱GANC。GANC在功能上相當于典型GERAN網(wǎng)絡(luò)中的基站控制器(BSC)。但與BSC不同的是，GANC的前端連接的是IP接入網(wǎng)，而且是通過這個接口(被稱作上行接口)利用GAN專用協(xié)議與手機通信。為確保能在手機和核心網(wǎng)之間傳送信令和用戶數(shù)據(jù)，GANC還負責(zé)將上行接口的消息轉(zhuǎn)換為現(xiàn)有的BSC/核心網(wǎng)接口協(xié)議(在GSM情況下是BSSAP/BSSGP協(xié)議)。

只有雙模手機才能享受GAN服務(wù)，也就是說當用戶漫游出入藍牙或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)時手機必須能察覺，以便在GERAN/UTRAN模式和GAN模式之間切換。而且，手機還必須通過一個兼容GAN的中間安全網(wǎng)關(guān)(SEGW)在自己和服務(wù)GANC之間建立一個基于IPSec(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議保密)的VPN隧道。這樣作為移動服務(wù)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)、話音和信令業(yè)務(wù)都能得到正確保護，并通過這個隧道傳輸。

如何建立GAN連接

在進行GAN網(wǎng)絡(luò)部署時，通常需要幾個GANC來分擔(dān)提供GAN業(yè)務(wù)的任務(wù)，同時保證負載平衡。網(wǎng)絡(luò)中的每個GANC至少要為以下幾個邏輯實體中的一個提供服務(wù)：配置GANC(P-GANC)、默認GANC(D-GANC)或服務(wù)GANC(S-GANC)。

移動用戶如果有一部帶GAN功能的手機，只有當手機在其可以連接的免許可無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)時才能使用手機的GAN功能。手機首次嘗試建立連接時，需要識別默認GANC (D-GANC)。因此，它會啟動發(fā)現(xiàn)過程，以接收有關(guān)D-GANC的信息，并在注冊過程中使用這些信息。

為得到D-GANC的地址及其相關(guān)安全網(wǎng)關(guān)(SEGW)的信息，手機會通過P-GANC的關(guān)聯(lián)SEGW連接到其歸屬地公用陸地移動網(wǎng)(HPLMN)內(nèi)的配置GANC。一部預(yù)設(shè)了完全合格域名(FQDN)或IP地址的手機里應(yīng)存有該P-GANC的地址及關(guān)聯(lián)SEGW，否則手機也可以根據(jù)(U)SIM卡上的信息得到FQDN。3GPP TS 23.0035中對尋址要求有詳細描述。

接下來，手機要與D-GANC的SEGW建立一個安全通道，并嘗試通過該D-GANC注冊。該D-GANC若接受了注冊，就會成為本次連接的S-GANC，否則，它會將手機的注冊請求引導(dǎo)到另一個S-GANC。一部手機即使并未工作在GAN模式下也可以無限期地持續(xù)注冊在一個S-GANC上，同時享受GERAN/UTRAN服務(wù)，以便在需要時能及時將話音和數(shù)據(jù)切換至GAN網(wǎng)絡(luò)。一旦手機明確地切換至GAN網(wǎng)絡(luò)或用戶自己決定切換為使用GAN之后，手機用戶的當前位置信息(這些信息都保存在核心網(wǎng)上)就會通過手機刷新，然后，話音/數(shù)據(jù)和信令流量就會通過GANC而不是蜂窩網(wǎng)發(fā)送到手機。

安全網(wǎng)關(guān)的作用

GAN系統(tǒng)中一個很關(guān)鍵的部分就是安全網(wǎng)關(guān)(SEGW)，它在移動電話和位于 “不安全的”IP接入網(wǎng)另一端的運營商網(wǎng)絡(luò)之間提供了一條安全的連接。
在典型的GAN部署中，SEGW負責(zé)在手機和GANC所在的核心移動網(wǎng)之間建立并保持安全的(按IPSec/IKEv2標準加密)連接。在建立起GAN連接之后，手機必須采用已簽名的公鑰安全證書對安全網(wǎng)關(guān)進行認證。這是為了確保在用戶通過公共IP接入網(wǎng)使用GAN時，不會在不知情的情況下被“誘騙”到其他惡意網(wǎng)絡(luò)。

SEGW還能作為手機和相連的計費、認證與授權(quán)服務(wù)器(AAA)之間的通信中介，對用戶進行認證并允許他們使用網(wǎng)絡(luò)提供的GAN服務(wù)時。AAA服務(wù)器以發(fā)向手機的請求/響應(yīng)口令所得到的結(jié)果為基礎(chǔ)進行認證判決，并迫使手機和網(wǎng)絡(luò)都去證實用戶SIM或USIM卡上的共享私秘“k”值和該AAA服務(wù)器連接的網(wǎng)絡(luò)歸屬位置寄存器信息。除了對手機和網(wǎng)絡(luò)進行認證之外，認證算法的結(jié)果還可用于推算通信雙方所需的關(guān)鍵資料，以便對手機和SEGW之間的IPSec連接進行加密。

手機與AAA服務(wù)器之間的認證協(xié)議在2G和3G網(wǎng)絡(luò)中是不相同的。2G和3G網(wǎng)絡(luò)使用的認證協(xié)議均基于現(xiàn)有的2G和3G認證技術(shù)，但為增強對往往更易受攻擊的IP接入網(wǎng)的保護而做了很大改進。2G網(wǎng)絡(luò)采用的是針對用戶識別模塊(EAP-SIM)的擴展認證協(xié)議，而3G網(wǎng)絡(luò)采用的是針對UMTS認證和密匙協(xié)商(EAP-AKA)的擴展認證協(xié)議。

當測試條件不允許禁止手機中的GAN安全功能時，必須在測試系統(tǒng)中部署帶一定IPSec和EAP功能的SEGW與AAA服務(wù)器組件，這樣手機才能連接到GAN網(wǎng)絡(luò)并使用GAN服務(wù)。

測試注意事項

在嘗試驗證一部GAN手機的設(shè)計參數(shù)時，設(shè)計工程師需要回答以下幾個問題。第一，在測試與標準的一致性時，哪些參數(shù)是必須測試的？其次，哪些實際使用情形的測試最能表明手機的設(shè)計是否達到目標？最后是在設(shè)計過程中要想減少重復(fù)工作和不必要的重復(fù)測試，最佳的測試時機在何時？

就象純蜂窩網(wǎng)絡(luò)一樣，在GAN網(wǎng)絡(luò)中，呼叫建立、呼叫終止和切換功能最可能成為系統(tǒng)的弱點，從而增大服務(wù)故障和用戶不滿的幾率。為了徹底地試驗這些功能，設(shè)計工程師最好有一套具備測試功能的測試平臺，并且最好靠近設(shè)計小組的其他成員。這樣能夠促進設(shè)計小組根據(jù)測試結(jié)果進行高效的決策。

GAN系統(tǒng)引入了新的信令程序，這是一種被許多現(xiàn)有上層功能采用的接入層技術(shù)。3GPP在3GPP TS 51.010-14中規(guī)定了許多一致性測試項目，具備GAN功能的手機必須經(jīng)過這些測試才能上市。盡管這些測試規(guī)范對GAN專用的新程序測試給予了相當?shù)年P(guān)注，但對在GAN上部署的現(xiàn)有蜂窩通信技術(shù)的使用和用戶體驗卻鮮有涉及。因此，設(shè)計工程師可以選擇許多工作情景進行測試，包括：
* GAN發(fā)現(xiàn)程序的成功或失敗
* 包括寄存器更新在內(nèi)的GAN注冊程序的成功或失敗
* 在GAN和GERAN/UTRAN操作之間的初始移動站模式選擇
* 移動發(fā)起(MO)和移動終止(MT)的GAN話音呼叫
* 基于GAN的數(shù)據(jù)連接以及采用這些基礎(chǔ)連接的設(shè)備帶來的最終用戶體驗
* 基于GAN的雙模傳輸(DTM)或SS (UTRAN)連接
* 通過GAN傳送基于GSM的MO和MT點對點SMS短信
* 通過GAN傳送基于GPRS的MO和MT點對點SMS短信
* 所有適用的出入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的情景包括：漫游入(從G/U到GAN網(wǎng))、漫游出(從GAN到G/U)、切換入(從G/U到GAN)、切換出(從GAN到G/U)、蜂窩變更指令(從G/U到GAN)、在DTM或SS連接過程中的切換入/出(從GAN到G/U以及從G/U到GAN)

GAN測試的配置

使用諸如安捷倫8960這樣的專用無線通信測試套件，就能以可控并且可重復(fù)的方式仿真GAN功能測試所需的各種不同情景。此類測試在GAN手機的整個開發(fā)周期內(nèi)(從早期設(shè)計階段，一直到系統(tǒng)集成和驗證、仿真和現(xiàn)場測試、互通性測試以及一致性測試)都是非常重要的。

圖1給出了一種GAN手機功能測試的配置，其中在PC機上運行的應(yīng)用程序用于模仿GANC。

圖1：用軟件進行GANC仿真。

在這種配置中，任何能夠與手機連接并獲取一個IP地址的設(shè)備都能提供一個IP網(wǎng)絡(luò)連接。圖2中使用的是一個普通的商用WLAN接入點。

圖2：利用安捷倫8960測試套件和商用WLAN接入點進行GAN測試配置。

其他測試考慮因素

除了驗證一款手機的性能是否符合GAN標準之外，設(shè)計工程師還應(yīng)考慮一些標準沒有涉及但與日常使用有關(guān)的測試項目。下面舉了三個使用測試的例子，從中可以看出這些測試對預(yù)測手機的實際使用性能很有幫助。

電流消耗分析

與蜂窩通信標準不同，WLAN標準并沒有過多考慮用戶設(shè)備的電池容量，因此其耗電量可能較大。一款單模GSM手機，即便一直運行于待機狀態(tài)，其電池使用時間可能也是運行于WLAN模式的手機電池的5倍。如果再算上通話時間，二者的差別會更大。因為一部具備GAN功能的手機必須同時監(jiān)測GERAN、UTRAN和GAN網(wǎng)絡(luò)，所以電池使用時間應(yīng)該是設(shè)計中需要主要考慮的一個因素。

可以通過一種全面的分析來評估關(guān)鍵應(yīng)用點上(例如在圖3所示的分組數(shù)據(jù)傳輸期間)電流消耗帶來的影響。圖3的縱軸對應(yīng)時間變化，橫軸對應(yīng)幅度變化。

圖3：利用14565B CCDF測量和分析電池的電流消耗。

話音質(zhì)量

在利用IP分組作為底層攜帶話音數(shù)據(jù)方面，Voice over GAN 與Voice over IP (VoIP)非常類似。在GAN中，IP分組包含的是經(jīng)過GSM編碼并封裝好的話音信息。Voice over GAN與GERAN/UTRAN話音呼叫的不同主要在于編解碼器選擇的決策不同，在GAN中編解碼器的選擇由丟失分組所占的百分比而不是手機感知的功率電平或載波與干擾的相對電平?jīng)Q定。

盡管GAN標準中至今并未針對編解碼速率變化或任何與丟失分組個數(shù)相關(guān)的滯后現(xiàn)象強制進行接收機靈敏度測試，但這些因素可能在很大程度上影響用戶可感知的手機性能，因為AMR編解碼器哪怕只發(fā)生輕微的改變，敏感用戶都可能察覺到。話音質(zhì)量測試在評估一部GAN手機設(shè)計對這些問題的解決效果如何方面大有幫助(見圖4)。

圖4：話音質(zhì)量與分組丟失率和滯后之間的關(guān)系。

數(shù)據(jù)吞吐量測試

第三類，也是最基本的一類使用測試是評估端到端數(shù)據(jù)吞吐率并發(fā)現(xiàn)可能影響用戶體驗的反應(yīng)延遲。設(shè)計工程師必須對多種使用情景進行仿真，并測量WLAN連接上的端到端IP數(shù)據(jù)率以及在呼叫切換走(例如切換到GERAN服務(wù)蜂窩)和切換回時出現(xiàn)的任何變化。

這一點非常重要，因為在使用典型GAN接入網(wǎng)(例如無線LAN)時理論上可達到的數(shù)據(jù)率與使用GERAN/UTRAN網(wǎng)較慢的數(shù)據(jù)率相比將呈幾何級數(shù)的增加，見圖5。

圖5：從GAN到GERAN再到GAN轉(zhuǎn)換的流量分析。

本文小結(jié)

在一致性測試之前進行設(shè)計實現(xiàn)的驗證時需要考慮許多因素。文中提到的測試情景列表雖然還不夠全面，但仍為摸清手機性能提供了非常可靠的基礎(chǔ)。在一套能夠模仿GAN系統(tǒng)的套件中進行這些測試可以幫助工程師評估各種不同決策可能產(chǎn)生的影響，從而最大程度地減小設(shè)計周期中可能需要的反復(fù)次數(shù)。該方法極大節(jié)約了設(shè)計人員的時間、精力與設(shè)計成本。類似的，實際使用測試也能讓工程師預(yù)測客戶對手機性能的可接受程度，從而預(yù)測出手機設(shè)計的質(zhì)量。所以說，使用測試是一種非常有價值的工具，應(yīng)該收入設(shè)計工程師的工具箱，以便提高產(chǎn)品獲得成功商用的幾率。

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