發揮LTE潛力　行動通訊性能監測應運而生

為滿足行動通訊市場數據流量指數極速增長的需求(圖1)，電信營運商在維持相對穩定網路成本的同時，正紛紛轉向長程演進計畫(LTE)技術。由於LTE將無線網路智慧管理功能置於eNodeB內，傳統監測工具已不再具備存取能力。為因應這項挑戰，新一代行動通訊技術和性能監測解決方案應運而生。

圖1　數據業務經濟學模型

LTE成為4G通訊主流技術  

蘋果(Apple)iPhone和類似設備的推出，導致行動數據業務流量大幅上升。在第一批高速封包存取(HSPA)覆蓋區域內，行動寬頻業務流量迅速超過語音業務，其中50%以上流量更是與iPhone的使用有關。在大多數國家，由於競爭激烈，許多運營商被迫提供固定費率的行動寬頻套餐，其結果是儘管行動寬頻需求猛增，但平均每戶貢獻值(ARPU)卻保持不變。一支iPhone或類iPhone智慧手機產生的流量，相當於三十支語音/簡訊(SMS)型手機所產生的流量，而一張筆記型電腦無線網卡產生的流量，則相當於四百五十支語音/簡訊型手機所產生的流量。因此，預計到2013年，行動寬頻業務將占所有行動業務的80%以上。為了在這種新環境中生存，營運商必須降低或使營運費用(OPEX)保持不變，同時大幅增加數據業務流量。  

為了建立一種新的商業模式，減弱業務流量對網路成本造成的影響，營運商正迅速地將自己的網路，升級為高效的全IP封包交換矩陣網路(All-IP Packet Switched Matrices)。僅僅在1年前，4G還稱為一組四種相互競爭的技術，即LTE、全球微波存取互通介面(WiMAX)、非授權行動存取(UMA)和超級行動寬頻(UMB)。隨著縈繞著4G的技術煙霧逐漸消散，LTE技術最終勝出，UMA和WiMAX仍將作為小規模使用的技術，而高通(Qualcomm)則在2008年11月停用UMB技術。隨著第三代夥伴計畫(3GPP)和分碼多重存取(CDMA)技術有了明確的演進路徑，LTE將提供一種通用的4G技術，並在可預見的未來，實現單一而相容的全球通訊基礎架構。  

LTE技術在與現有的3GPP和CDMA網路共存的基礎上，對無線存取和核心網路進行重大變革。早期2.5G和3G的無線存取網，現在都輔以演進型通用陸地無線存取網路(E-UTRAN)。新的eNodeB取代了2.5G和3G基地台，核心網則被新的演進型封包核心(EPC)取代。這一網路基礎架構與E-UTRAN和其他存取網被統稱為系統架構演進(SAE)。SAE提供兩個新的功能單元，包括行動管理實體(MME)節點，負責信令控制，以及SAE閘道，負責處理用戶平面。以下說明LTE技術的優勢。  

分配訊號至副載波避免干擾  

圖2　將訊號分散至多個副載波，以提升訊號的穩健性。

LTE採用全IP網路，摒棄了傳統的ATM連接方式。eNodeB略除無線網路控制器(RNC)，採取直接連接MME和SGW的方式。正交分頻多工(OFDM)無線存取技術用於下行鏈路，而上行鏈路則使用單載波分頻多重存取(SC-FDMA)技術，採用基於單載波的OFDM技術，其主要優點是能應對各種複雜的通道條件，可根據與通道條件有關的反饋資訊，實現用戶到副載波(User-to-subcarrier)的自適應指配。如此，細分後的訊號即使遺失很小比例的數據，也不會對訊號的接收和感知產生負面的影響(圖2)。  

多重輸入多重輸出(MIMO)天線技術同時應用於上行和下行鏈路。透過將多部發射器和接收器植入天線中，發射器和接收器可使用一系列副載波實現訊號的傳送，從而保證在發生干擾時不受到影響。LTE的編碼與調變機制64QAM/16QAM/正交相位鍵移調變(QPSK)可保證距離增長時訊號強度的穩定性，動態頻寬分配技術會監測網路，在訊號強度受到干擾或其他影響時，基地台會為受干擾的資料串分配更多的頻寬和功率。  

全IP架構實現VoIP  

LTE中的語音通訊採用網際網路語音通話協定(VoIP)進行，要求時延低於150毫秒(ms)，LTE在無線範圍內提供不到10毫秒的超低時延，滿足了這項要求。在有線的部分，無論是VoIP呼叫的實體、網路伺服器或網路電視(IPTV)伺服器等，用戶與連線另一端之間的時延則高出了一個量級，接近100毫秒。  

節約運營成本  

在營運和效率方面，LTE把通訊網路提升到全新的水準。許多主要的營運工作都自動完成，如配置、優化和問題識別，以將相關營運成本降至最低。這些自主的自動化流程由MME及營運和管理中心(OMC)的二級實體設備控制，這些設備控制和管理著某個網段或整個網路範圍內發生的本地行為。傳統診斷功能將被移植到個Meta-layer診斷方式中(圖3)，說明如下：

圖3　Meta-layer診斷圖

‧	自行配置
	中央配置伺服器自動建立新網路元件與網路的關聯。針對延伸動態主機設定協定(DHCP)和Netconf指令等協定設定營運和安全參數，只需少數或根本無需人員介入。

‧	自行優化
	對於重複的優化任務，如相鄰小區列表優化、覆蓋和容量優化、行動穩健性優化和行動負載均衡優化，均在eNodeB第一層使用強大的自主演算法完成。

‧	自動問題識別和自我修復
	使用一套嚴格定義的規則和精心選定的KPI，在第一級響應層就自動找出和處理常見問題。當整個小區發生中斷時，可以使用預先定義的相鄰小區管理策略予以補償。

LTE營運需求帶來監測挑戰  

儘管全球一致同意轉型至4G並採用LTE作為唯一技術，是提升部署速度、降低成本的重大機會，但可行的LTE營運模式仍在探討過程。特別是LTE營運和維護需求，帶來重大的監測挑戰。首先，待監測的數據數量龐大，一台用戶設備(UE)終端最多可支援100Mbit/s，一個小區最高可支援330Mbits/s的數據速率，這使10Gbit/s有線介面成為標準介面。  

其次，略除RNC意味著不再提供RNC和eNodeB之間介面的量測報告，而這個介面在以前一直用來擷取重要數據，如每條連線消耗多少頻寬及重傳處理方式。一種替代方案是存取空中介面，但這種方式須配備複雜昂貴的頻譜分析工具，幸運的是，網路設備製造商開始提供標準的追蹤或日誌埠，存取eNodeB內部隱藏的流程。  

監測系統所面臨的第三個挑戰，源自LTE中去除了電路交換，以實現全IP網路。受保護的64KByte通道將消失。有著重大即時行為差異的各種業務，將使用同一個傳輸基礎架構傳送，因此必須部署高效的服務品質(QoS)監測工具。  

多家營運商正推動實現LTE附加標準通用存取承載的LTE語音(Voice over LTE via Generic Access, VoLGA)，以期繼續在LTE存取網路上使用電路交換業務，足以說明此一挑戰之重大。即使這一標準成功實現，但由於LTE中絕大部分業務流量是XoIP，用戶平面診斷在4G中也遠比之前來得重要。  

自動自行優化網路(SON)功能是4G網路運營中的關鍵要素。其提供網路監測、數據擷取和解析，以及精心設計的疑難排除、驗證和認證程序，以確保SON的運作。自動化功能可大幅減少長期的維護工作量，但它們只在90%的時間內有效，因此必須監測和診斷這些功能。此外，SON由基於一定規則的專家系統組成，必須經過符合性測試和驗收測試驗證。  

制定監測/測試戰略  

表1說明了從各種無線存取網(RAN)診斷策略的分析中，數據擷取成本和時間與洞察深度(Depth of Inside, DOI)間的取捨。安裝被動探棒的RAN，以被動方式嗅探控制平面，擷取S1和X2介面上轉發的訊號訊息，這種方法成本低、方便，可以實現1年365天、1週7天、全天24小時運行。但是，如表1右欄所示，其提供的DOI約為最完善的方法的10%。

RAN代理方法在兩種運作模式下，提供額外的DOI。在低負載模式下，數據追蹤、日誌和計數器從專有的eNodeB追蹤埠中擷取，一般情況下，還包括來自Uu介面的空中介面運營相關的數據。這些資訊接著由RAN代理處理，以KPI和計數器的形式，透過S1回程傳回中央監測系統，然後可與S1 CP和X2介面上由被動探棒系統所蒐集到的資訊建立關聯。追蹤介面上提供的其他數據，可將DOI提升高達50%。這種方法提供的診斷能力取決於追蹤埠的功能和效能，在不同製造商之間差異非常大。  

在高負載模式下，RAN代理提供完整的通話追蹤、數據封包解碼功能及KPI和計數器。須要回程傳送的數據量比低負載模式多上許多，因此，這種方法通常用於維運活動，而非1週7天、全天24小時使用。在測試、疑難排除或優化活動期間，專家通常會親臨現場操作系統。在須要建立數據與其他遠端介面的關聯時，專家會手動把數據傳回中央監測系統。也可從遠端操作高負載模式RAN代理，在非高峰時間內安排上傳大量的測試數據。高負載RAN代理方法的DOI可高達80%。  

在上述方法無法提供足夠資訊以解決問題時，可將Uu探棒連接到公共公用無線介面(Common Public Radio Interface, CPRI)上。Uu探棒可監測Uu介面的實體層及更高層，並將這些數據與其他介面的數據建立關聯，此外，CPRI介面上收集的空中介面資訊，完全獨立於eNodeB追蹤埠上提供的空中介面資訊，後者是已經過eNodeB本身基頻處理過的資訊。  

由上而下/由下而上法檢視LTE網路問題  

進行LTE網路疑難排除的基本方法有兩種︰第一種由上而下法是指先從應用層開始，考察各種性能指標，如語音品質或頁面載入時間等，若語音品質有問題，將找出和分類各別異動，並與每筆異動中的訊息建立關聯，排障工具根據國際行動用戶識別碼(IMSI)/國際行動設備用戶識別碼(IMEI)和其他條件過濾事件，直接存取訊息細節。  

第二種由下而上法則須查看各個訊框的問題，如封包遺失或訊框偏移，然後向上查看其屬於哪些連接。排障工具提供了每條協定訊息的分布、統計數據圖形檢視和數值檢視，按時間以圖形方式顯示事件，直接進入訊息細節及從單個訊息向上鑽取到整個通話流程。  

LTE測試架構涵蓋周邊介面  

圖4為本文建議的被動監測測試系統架構概觀，其基本理念是圍繞三個關鍵網元，即eNodeB、MME和SGW，同時涵蓋每個周邊介面。為確定eNodeB運行情況，存取第一層和第二層無線介面資訊至關重要，經濟、高效測試的關鍵是能即時提供資訊，並以清楚精確的圖形表示這些資訊，允許用戶立即識別所觀察的行為是否滿足要求的效能指標。供應商正逐漸採用CPRI代替天線和基地台之間昂貴的射頻(RF)連接。透過eNodeB上的CPRI埠，可以支援多級實體層分析，並使用戶全面了解RF層的運行情況。

圖4　LTE診斷架構

透過CPRI埠蒐集關鍵空中介面的數據，可使運營商深入了解eUTRAN網路的實體層。RF參數量測提供實體層分析功能，如輸入功率和接收頻寬、時脈和時間偏移及頻率偏移等，而透過對輸入功率、接收頻寬和時脈、時間和頻率偏移等參數的量測，就可進行RF的連接分析；透過使用時域和頻域訊令、資源模組、OFDM符號和副載波使用情況等圖形化視圖，即可檢驗資源使用的情況。當然，還可透過使用CQI、HARQ、BER和CRC量測分析功能，調查通道品質和錯誤控制。  

向上分析OSI模型的下一層--媒體存取控制(MAC)層，也只能透過CPRI方式進行。排程器(Scheduler)功能確保eNodeB根據可用的小區容量、無線條件和要求的服務品質，為用戶分配相應的頻率和時間資源，這對保證網路正常運行至關重要。監測排程器性能可提供關鍵資訊，用以確定可如何修改排程演算法，從而提供更優質的服務性能。  

結合CPRI鏈路上的Uu分析及S1和X2介面的控制和用戶平面關聯分析，可以360o全方位了解eNodeB運行情況。結合用戶平面、訊令資訊和無線參數的圖表，可幫助優化工程師確定RF問題對上層用戶平面數據承載性能的影響。同時，小區級圖表顯示小區效能如何隨負載及流量模式的不同而變化，透過建立多個介面上數據的關聯，就可輕易計算各網元相關時延，在LTE網路內部傳送時及在LTE和其他技術之間交遞時，可追蹤用戶通話和數據連結。  

自動將監測介面上的用戶通話和活動建立關聯，可概括了解每次通話及最重要的屬性。透過向下鑽取至位元級細節的功能，用戶可深入到希望調查條件的一個通話子集上，對於特別關心的通話追蹤訊框，可匯出並進一步執行用戶平面品質分析。  

透過應用對大量數據統計分布掃描功能，用戶可迅速找出那些突發的訊息、發生頻率奇高的特定訊息，監測LTE介面上觀察到的釋放原因等。透過觀察此一事件在不同時間的分布情況，用戶可迅速查看到問題是與特定事件有關如網路節點重啟，還是均勻地分布在整個測試週期中，從個別訊息和事件向下鑽取到相關通話追蹤，可讓用戶迅速查出事件對相關使用經驗的影響。  

若想更具體地監測LTE性能，可以使用KPI來檢視對應多個參數和通話階段之間的複雜關係。KPI為了解不同參數之間的相互影響，提供關鍵洞察能力，借助LTE KPI，用戶可以確定多個業務方面的性能，如行動性管理(附著失敗、交遞、追蹤和位置更新成功/失敗)、業務管理(無線承載分析、吞吐量分析)和無線性能(連接建立時間、重傳數、資源分配)。KPI可找出存在問題的區域，然後有效地對應業務問題與網路問題之間的關係，而透過儀器廠商的LTE空中介面監測儀，可取得LTE第一與第二層無線訊息(圖5)。

圖5　使用K2Air LTE空中介面監測儀獲得的LTE第一層/第二層相關無線訊息

理論上，LTE擁有使用者進入4G所需的一切功能，但想讓其發揮效用，還有很長的路要走。轉型至LTE，類似於10年前從固網窄頻ISDN傳輸，轉型為數位用戶迴路(DSL)的寬頻上網。營運商面臨的主要挑戰，是發展一種營運模式，這種模式首次在行動電信網路中提供IP級效率，複雜的自動功能、龐大的加密用戶平面業務、基於無數種業務組合的複雜QoS和QoE約定、複雜的OFDM/MIMO無線介面等，都必須加以處理。然而問題將會不斷產生，也須制定新的方法以解決這些問題，唯有如此，才能實現4G龐大的潛在效益。

(本文作者為太克科技技術經理)