IP网络测试技术提高高带宽无线网络设备开发水平
互联网 2022-11-28

链路自适应(也称为调度),首先是作为3GPP协议下HSDPA技术的一个特点推出的,它是手机无线网络分配射频资源的一种方法。采用这样方法,基站采用的射频协议在每个传输时间间隔(TTI)为下行链路传输提供数据及为上行链路传输分配资源(见图1)。

图1:每个TTI必须执行的处理功能。

由于TTI可短至1ms,该调度技术提供了极大灵活性,以将流量路由和吞吐率与可用资源匹配起来。它是高通量、稳定和有效利用带宽的关键。然而,链路自适应实施中的一个根本问题一直困扰着手机设备的发展:常规的测试设置无法充分查明并定位链路自适应方法在工作中出现的错误和失败。本文提出了一种测试设置,它能以精准到具体TTI的水平检测并定位调度错误。

测试链路自适应的常规策略

传统上,功能和性能测试是协议和系统验证过程中两个截然不同的部分。调度通常包括在功能测试部分,而该功能同时也对性能(数据吞吐量)有根本性的影响。

传统的功能测试方法产生巨量的日志记录(log),因为每个TTI(也即每1ms)调度软件都接收输入并做出决策。这意味着,日志分析既繁琐又耗时,因此并不进行该工作。相反,链路自适应通常是采用简单但有限配置(与满足覆盖现实使用各可能情况的要求有相当差距)实施的功能测试。

链路自适应的性能测试是通过测量数据吞吐量实现的。因链路自适应功能测试的范围有限,所以必须等到性能测试开始,才可进行完整的功能验证。显而易见,这通常处在项目开发的后期。在很多时候,链路自适应存在的性能问题,与功能上的错误息息相关。如果这些功能问题是在性能测试过程中发现的,则必须对这些问题予以纠错,这可能意味着必须对设备的某些部分进行重新设计并重新进行部分验证。因此,精准的性能测试数据就成为一种宝贵资源,它使开发工程师能集中精力在确实较劲的地方调试差错并反复验证。

不幸的是,今天的常规性能测试设置提供的输出非常不精确。它们包括运行于PC或UNIX工作站上的服务器应用和拨号PC上运行的客户端应用。服务器和客户端应用实现数据通信协议(如FTP传输)、进行测量并提供结果。

问题是,Windows或Unix操作系统(OS)一般提供的计时精度约为500ms。真实情况是,Windows应用中数据包的实际传输通常使用NDIS技术,它具有优于Windows本身的计时精度,但对这些传输的测量受操作系统的影响。

更糟的是,即使这种数百毫秒水平粗放的计时精度,操作系统或计算机制造商也不能保证。因为LTE(以及HSPA和HSPA+的一些配置)的TTI为1ms,显然,基于Windows的应用可能提供的数据流通量不会超过OSI堆栈应用层面的总吞吐量水平。所以,精准到具体TTI的功能问题的详细定位信息就不可能提供。为找出有助于调试吞吐量问题的这类信息,研究一个简化的例子就很有帮助(见图2)。

图2:包重传造成的后果是降低了数据吞吐率。

例如通过基站传输的一个IP数据流。采用链路自适应,调度器采用最大和最小的可用块大小;每一块大小都传输相同的块数。如果我们分别采用256bit和7,480bit作为最小和最大传输块(TBS),这就将实现约1,948,000bps(也即约2Mbps)的总数据吞吐量。(为简单起见,计算中,这个例子没包括协议报头;并且选定的IP报头和数据大小都假定为128bit。)

想象一下,下一次实施相同测量的情况,射频协议的性能已经恶化(可能是由于协议软件性能的下降),导致每个第三大的数据包都传丢了。射频协议栈必须重发丢失的数据包,这将使数据吞吐量降低至约1,504,000bps(约1.5Mbps)。这就比第一次测量降低了25%。

使用常规性能测试设置,工程师不会了解吞吐量降低的原因或故障所在,他们看到的只是吞吐率。但若测量系统能提供精准计时,则只需测量数据包延迟便很容易找出问题。

测试链路自适应的一种新方法

数据通信领域测量吞吐量的一种替代方法提供了这种能力。在数据通信领域(如手机行业),吞吐量测量被用于测试性能。为此任务设计的精密仪器能提供与被测系统性能相关的精确数据,如吞吐量(帧计数和数据包大小精度)、延迟和抖动。

使用这样的IP测试设置(见图3)测试射频协议栈的性能会曝光常规的基于服务器的测试系统无法查证的隐藏在TTI水平的错误。

图3:安立提出的测试设置样本。

安立提出的测试系统会执行如下操作:

1. 移动设备(手机或其它用户设备)使用射频协议栈为基站模拟器(如安立用于LTE的MD8430A)建立一个拨号。这就在基站和拨号PC之间创建了一个数据链接。

2. 一台IP测试仪器(如Anritsu的MD1230B数据流量发生器和分析仪)生成一个确定的IP数据流。该流经过基站模拟器到射频协议栈(负责调度数据传输)和射频发射级。一旦用户设备收到IP数据,用户设备就将数据发送到拨号PC。

3. 拨号PC内的IP软桥将来自COM端口(来自拨号)的IP数据回送至IP仪器(通过以太网端口)。

4. IP仪器接收返回的数据流。现在它可以通过比对每个接收到的数据包与传输的时间和内容来计算往返时间、抖动、吞吐量和错误率。

对上行测量,过程相同但方向相反。

新设置的优势

对定时测量(往返时间和抖动)和数据包的数量和规模(吞吐量和包/位错误率)的测量来说,IP工具的精度远超任何PC/Unix应用。通常,此类仪器可提供精确到μs(某些测量,甚至是ns)的计时精度。此外,该计时精度是由仪器制造商保证的。

IP仪器的另一个优势是IP数据流的可重复性。基于PC/Unix的方案实现一种真正的数据协议栈(如在FTP应用的TCP)时,会对可用传输带宽的变化做出动态反应。这使得它不可能在不查看TCP日志的情况下,得到有关射频协议性能的相关信息。这就使业已繁琐的过程益发麻烦:在这种情况下,用户在分析射频协议日志前,必须要分析TCP日志。而IP仪器,可以永远发送相同的数据模式,从而使用户能够专注于射频协议分析。

重复性的另一方面来自这样一个事实:当协议栈处理信息时,射频协议会对被传输的信息重复几次地进行背书和格式重组。该过程如何进行取决于提供给射频协议的初始IP包的大小。因此,实现重复性的关键是:不仅要发送具有相同抖动特性的相同数量的数据包,还要在每次测量时重复IP数据包的大小。借助IP分析仪可以做到这点,但基于PC/Unix的应用则无法实现。

如果正确定义了IP数据流,并了解射频协议配置,则这种测量方法可以很快地给出用户设备所用的射频协议栈性能的详细信息。

在射频传输领域采用IP测试方法

就此,一个明显的问题是:如果使用现有商用IP分析仪的好处如此明显,为什么这种技术尚未被手机行业采用?原因在于射频协议。

比对数据传输领域的协议,射频协议极其复杂;采用快速链路自适应技术以来,它们变得越发难以把捉。由于这种更高的复杂性,所以,为了从先前描述的重复性和精确错误定位的好处中获益,在设计IP数据流及在将IP测量结果与射频协议的性能关联时,就必须倍加小心。

所以,为应用这种来自数据通信领域的技术,手机开发业者要有一个学习过程。但若移动行业能够成功地采用IP分析技术,则好处就是通过精确定位和协议层错误表征来提升手持设备性能。通过提高设备的功能完整性,开发商还可以更快地完成运营商的验收测试,并在其设备基准测试中获得更高分数。

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