一種TD－LTE多模終端電路域回退性能測試方案

施苑英

（西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安710121）

隨著時分長期演進（Time Division Long Term Evolution，TD－LTE）產(chǎn)業(yè)成熟和商用推廣，TDLTE終端將從現(xiàn)階段以數(shù)據(jù)類終端為主向多模智能手機過渡，而語音技術方案是TD－LTE手機發(fā)展的重要環(huán)節(jié)［1］。作為第三代合作伙伴計劃（3GPP）定義的一種過渡性語音解決方案，電路域回退（Circuit Switched FallBack，CSFB）技術能夠利用現(xiàn)有的2G／3G網(wǎng)絡為TD－LTE用戶提供語音業(yè)務，從而在TD－LTE建網(wǎng)初期快速實現(xiàn)對語音業(yè)務的支持，同時也保護了移動運營商已有的網(wǎng)絡投資。

CSFB技術的引入，使終端呼叫處理流程更加復雜，將導致呼叫建立時延增長，并可能引起數(shù)據(jù)業(yè)務的中斷［2］。為了確保良好的用戶體驗，需要對終端的CSFB業(yè)務性能進行測試驗證。文獻［3］分析了CSFB性能測試的需求，文獻［4］從理論上對CSFB呼叫的時延性能進行了研究，并給出了理論參考值，但是二者均未提供測試的具體實現(xiàn)方案。文獻［5］提出一種CSFB外場測試解決方案，即在實際網(wǎng)絡中對多模終端進行性能測試。該方案雖然能夠驗證終端在實際使用環(huán)境中的工作性能，但是測試的前提條件是核心網(wǎng)已經(jīng)升級支持CSFB，并且測試結果會受到終端設備、網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡部署等多方面因素的影響，不利于問題的定位。此外，還存在著設備操作不便、無線環(huán)境復雜、測試情景不能再現(xiàn)等諸多問題［6］，不能滿足大批量終端高效、準確、自動測試的需要。本文擬設計一種實驗室環(huán)境下的測試方案，利用軟硬件模擬真實的網(wǎng)絡環(huán)境，控制終端在預設場景下進行電路（Circuit Switched，CS）域呼叫，以獲取所需要的各項性能指標。

1 CSFB基本原理

CSFB的本質是利用TD－LTE系統(tǒng)中移動管理實體與2G／3G系統(tǒng)中移動交換中心之間的SGs接口，解決駐留在TD－LTE網(wǎng)絡的多模終端在電路業(yè)務和分組業(yè)務之間的移動性管理和尋呼等問題［7］，從而使TD－LTE網(wǎng)絡能夠觸發(fā)多模終端從TDLTE接入回退至2G／3G接入，以提供語音、短信等CS域業(yè)務。當CS域業(yè)務結束后，終端將再次返回至 TD－LTE 網(wǎng) 絡 駐 留。目 前，3GPP 標 準［8－10］分 別定義了不同的回退和返回方式。

1.1 回退方式

回退方式是影響CSFB業(yè)務性能和用戶體驗的重要因素，主要有3種類型［8］。

（1）重定向

適用于回退至GSM、TD－SCDMA、WCDMA等多種目標系統(tǒng)。在該方式中，TD－LTE網(wǎng)絡僅向終端提供回退的目標頻點，終端可以選擇接入該頻點上的任意小區(qū)。3GPP定義了兩種重定向機制：R8方式和R9方式。二者區(qū)別在于R9方式直接在重定向消息中為終端提供了2G／3G鄰小區(qū)的系統(tǒng)廣播消息。

（2）分組域切換（Packet Switched Handover，PSHO）

適用于回退至GSM、TD－SCDMA、WCDMA等多種目標系統(tǒng)。在該方式中，TD－LTE網(wǎng)絡預先為終端選定回退的目標小區(qū)，并通過切換命令消息通知終端在完成PS切換的同時執(zhí)行CSFB過程。

（3）小區(qū)變更命令（Cell Change Order，CCO）

僅適用于回退至GSM系統(tǒng)。該方式與重定向方式的處理流程基本一致，區(qū)別在于此時TD－LTE網(wǎng)絡指定了回退的目標小區(qū)。3GPP定義了兩種CCO機制：無網(wǎng)絡輔助（Network Assisted Cell Change，NACC）的CCO和有NACC的CCO。二者區(qū)別在于后者向終端提供了目標小區(qū)的系統(tǒng)信息。

1.2 返回方式

語音業(yè)務結束后，終端需要快速返回到TDLTE網(wǎng)絡駐留，以便繼續(xù)為用戶提供高速的數(shù)據(jù)業(yè)務。目前主流的返回方式［9－10］有兩種類型。

（1）自動重選

一種基本的返回方案。在該方案中，終端掛機后先執(zhí)行路由區(qū)更新（Routing Area Update，RAU）或者聯(lián)合位置區(qū)／路由區(qū)更新（Location Area Update／Routing Area Update，LAU／RAU）過程，駐留在2G／3G網(wǎng)絡中。然后通過小區(qū)重選返回到TDLTE系統(tǒng)。

（2）重定向

一種優(yōu)化的返回方案，也稱快速返回（Fast Return，F(xiàn)R）。在該方案中，終端掛機時，2G／3G網(wǎng)絡在釋放消息中提供相鄰TD－LTE小區(qū)的頻點、測量帶寬、物理層小區(qū)ID等信息［9］，使終端可以直接接入TD－LTE小區(qū)，而不需要在2G／3G網(wǎng)絡駐留。

2 CSFB性能測試內容

CSFB是一項涉及多種網(wǎng)絡的復雜技術，在實際應用中容易出現(xiàn)問題，導致網(wǎng)絡服務質量下降，造成不良的用戶體驗。為此，在大規(guī)模部署CSFB之前，需要針對影響用戶體驗的性能指標進行測試。

2.1 測試指標

綜合考慮傳統(tǒng)語音業(yè)務的性能指標要求和CSFB技術的特征，定義3項CSFB性能測試指標。

（1）呼叫建立時延

對于呼出業(yè)務（Mobile Originating，MO），CSFB呼叫建立時延定義為：從TD－LTE側收到終端發(fā)出的業(yè)務請求開始，至2G／3G側向終端發(fā)出A－lerting消息之間的時間間隔。對于呼入業(yè)務（Mobile Terminating，MT），呼叫建立時延定義為：從TD－LTE側向終端發(fā)出Paging消息開始，至2G／3G側收到來自終端的Alerting消息之間的時間間隔。相比傳統(tǒng)CS域語音呼叫過程，CSFB增加了終端與TD－LTE網(wǎng)絡建立RRC連接、發(fā)起CSFB業(yè)務請求等處理，因此必然會增加呼叫建立的時延。如果該時延過長，將導致用戶體驗變差；而不同的回退實現(xiàn)方式，會產(chǎn)生不同的時延性能。因此，有必要對不同回退方式下終端的呼叫建立時延進行測試，以選擇最佳的實現(xiàn)機制。

表1比較了不同回退方式下MO呼叫建立時延的構成。

表1 不同回退方式下的呼叫建立時延（MO）

（2）呼叫結束后的返回時延

呼叫結束后的返回時延定義為：從2G／3G側向／從終端發(fā)出／收到Release Complete消息開始，至TD－LTE側收到來自終端的Tracking Area Update Complete消息之間的時間間隔。在這段時間內，終端需要執(zhí)行路由區(qū)更新、異系統(tǒng)間的轉移等過程，不允許用戶發(fā)起／接受新的數(shù)據(jù)業(yè)務，導致數(shù)據(jù)業(yè)務被暫時中斷。該時延決定了用戶不可及的時間，影響著用戶數(shù)據(jù)業(yè)務的體驗。

表2比較了不同返回方式下返回時延的構成。

表2 不同方式下的呼叫結束后返回時延

（3）呼叫建立成功率

呼叫建立成功率定義為成功建立呼叫的次數(shù)占總呼叫次數(shù)的百分比，它是影響語音業(yè)務用戶體驗的重要指標。傳統(tǒng)2G／3G語音呼叫的成功率不低于98%，而CSFB呼叫受多種因素的影響（如異系統(tǒng)條件下終端檢測無線信號的能力），成功率會低于該值，但是不應小于95%。

2.2 測試場景

上述測試指標值不僅受所選取的回退方式、返回方式等因素的影響，還與測試場景有密切的關系，例如終端作為主叫方和被叫方時的CSFB處理流程有所不同，因此呼叫建立時延存在差異。表3總結了CSFB性能測試的典型場景，主要考慮了TD－LTE和2G／3G網(wǎng)絡的信號強弱，終端在CSFB呼叫中的位置（主叫方或者被叫方），以及終端回退到2G／3G網(wǎng)絡時LA是否發(fā)生變化等4種影響因素。

表3 CSFB性能測試的典型場景

3 測試方案

針對CSFB性能測試需求，設計了一種在實驗室環(huán)境下模擬真實網(wǎng)絡的方案，可以直接在實驗室內完成測試任務，并驗證終端執(zhí)行CSFB業(yè)務時的協(xié)議流程和性能指標是否滿足要求。

3.1 測試系統(tǒng)結構

測試系統(tǒng)由硬件平臺和控制軟件兩部分組成。硬件平臺的結構如圖1所示，由主控制器、系統(tǒng)模擬器（System Simulator，SS）、信道模擬器和射頻切換器等組成。主控制器負責控制整個測試過程，它通過執(zhí)行控制軟件來模擬空口的信令流程，用于實現(xiàn)核心網(wǎng)及空口RRC層的功能；同時還負責小區(qū)功率、系統(tǒng)消息等SS參數(shù)的配置以及信道模擬器參數(shù)的設置。SS模擬TD－LTE小區(qū)、TD－SCDMA小區(qū)和GSM小區(qū)，根據(jù)主控制器的命令執(zhí)行空中接口層一和層二的協(xié)議處理，實現(xiàn)與被測終端之間的通信。信道模擬器用于模擬基站與終端之間無線信道上存在的多徑衰落和其他小區(qū)或用戶產(chǎn)生的干擾。射頻切換器實現(xiàn)各SS、信道模擬器以及被測終端之間的連接，并提供多路射頻信號的合路功能。

圖1 CSFB性能測試平臺的硬件結構

控制軟件由主控程序和測試用例組成。主控程序提供與測試者之間的人機界面，供測試者制定測試計劃、配置測試參數(shù)、運行測試腳本、以及查看測試統(tǒng)計信息等。測試用例采用TTCN－3（Testing and Test Control Notation－Version 3）語言編寫，實現(xiàn)測試流程的控制，包括設置測試場景、處理RRC層和非接入層（Non Access Stratum，NAS）信令消息、通過AT指令控制終端自動開關機和發(fā)起／接受語音呼叫、計算時延等測試指標。

3.2 測試案例

設計及編寫測試用例是測試系統(tǒng)開發(fā)的主要任務之一。通過具體案例，介紹測試用例的開發(fā)過程。表4是待開發(fā)測試用例的簡要描述。

表4 “R8重定向＋FR”測試用例的定義

要求在網(wǎng)絡正常覆蓋條件下，采用“R8重定向＋FR”方案從TD－LTE回退至GSM系統(tǒng)，即回退方式選擇目前國際廣泛部署的R8重定向方案，返回機制采用性能較優(yōu)的FR方案。

根據(jù)測試用例描述表，設計如圖2所示的測試流程。

圖2 “R8重定向＋FR”測試流程

首先設置測試環(huán)境，包括創(chuàng)建TD－LTE小區(qū)和GSM小區(qū)、配置小區(qū)參數(shù)、配置信道模型及信噪比。然后，通過AT指令命令被測終端（User Equipment，UE）開機。由于UE已預先設置了選網(wǎng)優(yōu)先級信息，即先選TD－LTE再選GSM，所以UE將在TD－LTE小區(qū)駐留，并發(fā)起聯(lián)合附著請求。當UE成功附著后，主控制器通過AT指令命令UE發(fā)起CS呼叫，此時UE會發(fā)送Extended Service Request請求，TD－LTE小區(qū)則通過包含GSM小區(qū)頻點信息的RRC連接釋放消息指示UE執(zhí)行重定向過程。UE在該頻點進行小區(qū)搜索，如果未能識別到目標GSM小區(qū)，則本輪測試失敗。測試用例根據(jù)當前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)判斷是否已經(jīng)滿足置信度［11－12］要求，若滿足則停止測試，并輸出測試結果，否則進行新一輪測試。如果UE識別到目標GSM小區(qū)，將在該小區(qū)駐留并發(fā)送CM Service Request請求以繼續(xù)完成CS呼叫建立過程。如果呼叫建立時延的測量值小于由表1預先估算的上限值，將呼叫成功次數(shù)加1，否則將呼叫失敗次數(shù)加1。

當CS業(yè)務結束后，將進行信道釋放過程。GSM小區(qū)在Channel Release消息中，通過小區(qū)選擇指示語將TD－LTE小區(qū)的信息發(fā)送給UE，使UE可以快速識別到目標TD－LTE小區(qū)，并在該小區(qū)駐留。如果UE沒有識別到目標TD－LTE小區(qū)，則測試失敗。如果返回時延的測量值小于由表2預先估算的上限值，將返回成功次數(shù)加1，否則將返回失敗次數(shù)加1。待UE在TD－LTE網(wǎng)絡完成TAU過程后，本輪測試正常結束。最后，根據(jù)測試結果判斷是否還需要進行新一輪測試。如果不需要，則命令UE關機，釋放所有小區(qū)，并輸出測試統(tǒng)計結果。如果還要繼續(xù)測試，應先通過AT指令命令UE關機，并釋放其占用的無線資源。

采用TTCN－3語言實現(xiàn)圖2的測試流程，并將生成的測試文件加載到系統(tǒng)中，即可對終端進行測試。測試用例執(zhí)行過程中會自動記錄每一輪CSFB呼叫的建立時延和返回時延，對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計平均，結果可以直觀地反映終端性能的優(yōu)劣。為了比較，表5列出兩款被測終端的測試平均數(shù)據(jù)，同時給出理論參考值［4］作為對照。

表5 兩款被測終端的測試平均數(shù)據(jù)

由表5可見，A、B兩款終端都成功通過測試，表明其性能指標均未超過預先設定的上限值。但是根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，二者實際性能存在明顯差異。終端A呼叫建立時間較長，而且存在回退失敗的情況，說明其檢測GSM信號的能力偏弱，需要較長的檢測時間甚至會出現(xiàn)無法接通的現(xiàn)象。此外，由測試結果易見，兩款終端的時延值均顯著小于理論參考值，這是因為仿真系統(tǒng)重點模擬與被測終端之間的空口處理過程，簡化了核心網(wǎng)處理及被叫側接續(xù)的過程，所以表1中“建立端到端連接”和表2中“TAU過程”的處理時延遠小于實際情況。

4 結論

設計的 TD－LTE／TD－SCDMA／GSM 多模終端測試系統(tǒng)，能夠模擬CSFB語音業(yè)務的各種使用場景，并對不同場景下終端的呼叫建立時延、返回時延、接通成功率等性能指標進行定量測試，從而直觀地反映被測終端的性能水平。

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