在台灣WiMAX發展如火如荼之際，為順應全球4G發展趨勢，業者也須關注LTE產品的研發。其中，為確保產品符合LTE規範要求，以順利取得認證，避免不必要的成本浪費，而易用且完整的LTE測試系統即扮演重要角色。
全球微波存取互通介面(WiMAX)的誕生，加速4G無線行動寬頻服務發展的新契機，也點出目前3G在現有電信網路架構下無法提供行動網路服務的缺陷。為了突破寬頻分碼多重存取(WCDMA)系統5MHz頻寬的限制，第三代合作夥伴計畫(3GPP)開始發展下一世代的無線網路標準--長程演進計畫(LTE)，為無線通訊網路從線路交換語音網路邁向全資料封包網路的重要里程碑。
隨著世界行動寬頻通訊設備大廠阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)、易利信(Ericsson)、華為、摩托羅拉(Motorola)與諾基亞西門子通信(NSN)皆宣示開始進行LTE無線通訊系統的開發與布建，全球已有超過三十個國家、八十個LTE網路實現計畫正如火如荼展開。
北歐營運商TeliaSonera更率先於2009年12月發布LTE商業運轉，地點為挪威首都奧斯陸和瑞典首都斯德哥爾摩；而Telefonica、沃達豐(Vodafone)、威瑞森(Verizon)、NTT DoCoMo及中國移動等全球領導營運商也陸續將LTE無線通訊網路導入視為重點發展項目，通訊競賽已進入大規模行動寬頻服務之爭，LTE將是未來無線通訊的主流。
台灣網通業者積極投入LTE產品研發
由於LTE無線通訊功能將會是未來消費性電子產品的重點規格之一，國內網通廠紛紛投入LTE使用者設備(UE)的研發。在各式相關無線通訊用戶端使用者設備、數據卡、路由器將量產之際，加上台灣網通廠面臨低價格、低利潤的微利化競爭下，若能在產品推出市場前進行完整的系統測試，不但可降低整批回收的風險和損失，也能滿足使用者對系統效能的期待，所以完整的系統測試將會是LTE產品良窳與價格高低的關鍵。
本文將簡介LTE無線通訊系統，並同時說明LTE無線通訊用戶端的測試流程與測試項目，最後將針對重要性與日俱增的LTE無線通訊系統測試進一步介紹。
LTE架構符合成本效益
下世代網路(NGN)的基本趨勢是朝向All-IP網路的方向發展，採提供延伸網路的簡單方法以面對日益遽增的服務需求，並允許單純的加入新技術存取網路。一直以來，營運商必須建立各種網路提供不同類型的服務給客戶，但未來將會朝向單一網路並以簡單的方法提供所有的服務。無線網路存取技術也開始朝向提供更高的資料傳輸速率，以及改善頻譜使用率的方向演進，LTE無線通訊系統即是以此方向演進的主要標準之一。透過LTE系統，營運商可提高無線網路的傳輸容量與資料速度，並可支援更強大的服務功能和互動視訊等新型多媒體應用服務，提供使用者更多元的服務，滿足未來的無線通訊需求。
LTE是一個符合成本效益的網路架構，經由IP多媒體系統支援下世代網路及固定/行動網路匯流(Fixed Mobile Convergence, FMC)，提供使用者在行動網路上擁有類似家庭數位用戶迴路(DSL)網路的高傳輸速率，對營運商而言，則是提供布建簡單、具價格競爭優勢的整合型網路。其目標是在20MHz頻帶上的資料傳輸極值下行速率100Mbit/s；上行速率達50Mbit/s；在連線設定時間上必須有「隨時連線」的即時感覺，因此系統延遲時間將降為100毫秒(ms)；資料傳輸的延遲時間更少於5毫秒，使用傳輸量與頻譜效率也要求為高速下鏈封包存取(HSDPA)的三至四倍與高速上鏈封包存取(HSUPA)的二至三倍，並支援時速最高500公里的移動速率下之資料傳輸(時速0～15公里可達最佳傳輸速率)，未來更可支援多媒體群播與廣播服務(MBMS)，且LTE頻譜可介於1.25M～20MHz間。
為了實現上述要求，LTE須改進與增強現有3G系統的空中介面(Air Interface)技術和網路結構，因此分別於3GPP Rel. 8標準規範的LTE與系統架構演進(SAE)技術規範進行定義，分別演進成3GPP Rel. 8標準中定義新型無線存取網路的演進統一陸地無線接取網路(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN)與核心網路的演進數據分組核心網路(Evolved Packet Core, EPC)，其網路架構如圖1所示。目前業界多以LTE Rel.8為開發基礎，並持續朝Rel.9的HeNB、SON、LCS等新增功能持續演進。台灣廠商多著重於用戶端產品的開發，在這個低價化及微利化的趨勢下，如何協助台灣廠商進行有效率有系統性的測試將是一大成功關鍵。
 |
| 圖1 LTE無線通訊系統架構 |
先期IOT測試提高產品通過認證保障
LTE用戶端研發過程需要許多測試，歷經開發平台雛形(Board Prototype)、使用者設備產品雛形(UE Prototype)、最後才會進入量產階段，每一階段都需要各種不同的測試進行驗證確保最終產品品質。在圖2用戶端測試流程中，開發平台雛形階段一般須經過通訊協定測試(Protocol Test)與實體層/射頻測試(L1/RF Test)之後才會再做功能與平台整合測試(Function and Platform Test)與系統測試(System Test)。而在開發用戶端雛形的階段，通常會先經歷協定一致性測試(PCT Conformance Test)、射頻一致性測試(RCT Conformance Test)與先期互通性測試(Pre-IOT Test)後，然後才會到系統設備供應商端進行網路系統互通性測試(NVIOT Test)，最後才會到營運商的實際網路環境進行場域測試(Field Test)。在產測階段仍會進行最後的射頻測試(RF Test)與系統測試(System Test)，再進行量產。
 |
| 圖2 用戶端測試流程 |
無線通訊技術自WiMAX/LTE無線通訊系統開始為達更好的傳輸速率與品質，整個無線通訊系統包括適應性調變與編碼(Adaptive Modulation and Coding)、混合式自動重送請求(HARQ)、跨層整合設計(Cross Layer Design)等方面開始變得複雜，系統測試與先期互通性測試變得比以往的無線通訊產品更重要。而由於用戶端開發廠商無法掌控實體網路內容，因此提供使用者相對應的功能之前，並無法經由用戶端設備進行應用服務系統測試驗證，例如用戶端在使用服務時的用戶端上行/下行速率、不同格式內容傳輸、在手機電池低容量時是否能正常通訊/通話、撥打緊急電話以及基地台斷線後手機是否能夠重新連線等的系統測試。這些系統測試十分重要，目前的測試方法大部分是派員前往營運設備商的實驗室網路進行測試，非常耗費資源，且不易進行除錯。
若在商業網路上進行傳輸效能測試的成本更為龐大，以目前3G行動網路傳送10K簡訊服務(SMS)資料而言，每次就須花費2萬美元成本，其他如測試HTTP資料、電子郵件(E-mail)等項目之成本是累計的。因此若能利用專門的測試儀器先於內部實驗室端進行系統測試與前期互通性測試(Pre-IOT)，不但可輕易讀取LTE測試儀器log資訊以方便進行除錯，更能依一些預先設定的測試情境進行測試，研發與品管人員可不須學習太多系統方面的專業技術就能輕鬆進行測試，並且可隨時取得用戶端的狀態進行除錯，不但可節省相對花費的時間與精力，更可加快流程進度。由此可知，唯有做好系統測試才能確保研發的產品雛形與出貨產品品質，並且能在實驗室階段就先進行前期互通性測試才能減少營運商端測試的網路系統互通性測試成本。
目前市場上主要的幾家儀器設備商包含安捷倫(Agilent)、安立知(Anritsu)、羅德史瓦茲(R&S)、艾法斯(Aeroflex)都積極於提升測試的速度並推出新設備以滿足新的通訊標準(表1)。世界各大測試設備商大部分都以相同的測試設備硬體，提供不同的測試功能選項，採用的是一機可支援多項不同類型測試的測試設備開發策略。由於研發端與產品製造端等各方系統測試需求越來越多，每家研發廠商的測試設備需求多為一至二套高階研發測試設備與多套系統測試設備。因此尋找經濟實惠的系統測試儀器進行雛形與產品系統測試是目前業界迫切需求的，一套專屬符合系統測試需求，並幫助客戶降低成本考量的系統測試設備將扮演產業鏈之重要成功關鍵。
LTE網路測試系統架構較完整
LTE用戶端產品在產品設計階段分成LTE實體層與RF平台、LTE通訊協定軟體、以及各式上層使用者應用軟體程式等功能模組區塊分別進行開發，接著將這三大功能模組區塊整合為完成產品(圖3)。如同先前所提，LTE無線通訊系統的上層應用與服務更為多樣化，因此整合完成的產品須有良好且完整的系統測試與驗證，才能避免出貨後又回收的窘境。
 |
| 圖3 LTE無線通訊系統應用服務示意圖 |
然而由於測試儀器的價格高昂、過往2G、3G的功能較單純、且沒有相對需求等因素下，大多數廠商在產品雛形開發與量產的系統測試只進行RF傳輸效能的測試，實際上這對於系統測試並不夠，仍會造成往後產品量產的風險，因此還須進行通訊協定層軟體與上層應用程式軟體整合的重要功能測試，才是一完整的系統測試。
基於此一與日俱增的系統測試需求，資策會網多所正進行LTE網路測試系統(Network Testing System)的研發，自主開發完整的仿真LTE無線存取網路(Access Network)與核心網路(Core Network)協定軟體功能整合於LTE無線通訊系統測試驗證平台中，提供待測物進行相關的重要系統測試工作。
LTE網路測試系統由eNodeB模擬器(Emulator)、EPC模擬器、操作系統(含Wireshark通訊協定分析軟體)及應用服務伺服器(Application Server)組成(圖4)。並具有以下幾個主要特性：
 |
| 圖4 LTE網路測試系統架構 |
其一為提供具有eNodeB完整功能且符合經濟效益的eNodeB模擬器，自主研發eNodeB所需的無線存取與網路通訊協定軟體，符合系統測試需求。第二個特性為導入單機設備可管控多台eNodeB模擬器的EPC模擬器，包含MME及P-GW/S-GW三個重要模擬器，並結合HSS功能於MME模擬器中，與eNodeB構成仿真LTE網路，大幅簡化測試環境，並提供用戶端完整的系統測試功能以及訊息交換最佳化。而EPC模擬器中的MME/S-GW/P-GW模擬器可輕易進行動態配置以因應未來不同需求，並具備可同時管控多台eNodeB模擬器的功能，既可簡化測試環境架設流程與時間，並可方便有彈性擴充系統測試項目，因此十分吸引人。
LTE Network Testing System的第三項特點為，提供操作簡單並符合測試人員解讀需求的操作系統，並研發媒體存取(MAC)、RLC、PDCP、RRC、NAS各無線存取通訊協定層訊息解碼器，導入Wireshark通訊協定分析軟體，提供與用戶端通訊完整的MAC、RLC、PDCP、RRC、NAS各協定層訊息log，可以易於進行除錯與分析。
此外，LTE網路測試系統可提供用戶端各種不同的上層應用服務功能的測試，如FTP、音訊串流(Video Streaming)、網路語音通訊協定(VoIP)等應用服務。
基於LTE網路測試系統架構採用分離設計的優勢，藉由乙太網路(Ethernet)的連接，可以輕易動態配置各種不同的測試系統架構以滿足不同測試需求，如有以下三種不同的系統架構設定：
| ‧ |
|
| |
由一組EPC模擬器與一組eNodeB模擬器組成(圖5)，可進行基本連線，服務品質(QoS)及傳輸效能(Throughput Performance)測試，配合應用服務伺服器可進行Application IOT測試。 |
 |
| 圖5 LTE基本系統測試架構 |
| ‧ |
|
| |
由一組EPC模擬器與兩組eNodeB模擬器組成(圖6)，可以支援行動功能相關測試，此系統架構可視為一套完整具有行動功能的LTE仿真網路。 |
 |
| 圖6 LTE進階系統測試架構 |
| ‧ |
|
| |
由一組EPC模擬器與多組eNodeB模擬器組成(圖7)，可構成LTE仿真網路環境，以進行完整實驗網路的各項進階網路系統測試與先期互通性測試。 |
 |
| 圖7 LTE仿真網路系統測試架構 |
LTE網路測試系統分兩階段開發
目前網路測試系統開發過程分為兩大階段，第一階段將針對用戶端開發廠商所重視的基本連線服務功能提供測試服務，主要有以下測試項目。
| ‧ |
|
| |
將可完整測試用戶端連線上網流程，包括用戶端對eNodeB進行Cell Selection Procedure與RRC Connection Establishment Procedure，與MME、eNodeB進行NAS Attach Procedure、Default EPS Bearer建立及UE IP allocation等流程，可快速確認用戶端研發雛形或用戶端產品是否可正常連線，並可快速提供有效的連線錯誤資訊，有效協助廠商進行除錯。 |
| ‧ |
|
| |
將提供用戶端上行傳輸與下行傳輸系統效能測試項目(圖8)，並可針對各同調變方式(QPSK、16QAM、64QAM)測試用戶端系統效能是否達到要求。進行封包傳輸測試的流程時，必須確認用戶端完成連線上網流程後，且資料傳輸封包必須由用戶端設備經由eNodeB、服務閘道器(Serving GW)、到數據封包網路閘道器(PDN GW)才算完成完整的資料傳輸，藉由此測試環境的傳輸效率測試將會更為貼近真實網路傳輸系統效能。 |
 |
| 圖8 LTE用戶端連線上網與傳輸效率測試流程 |
第二階段將會提供未來無線通訊系統所著重的進階QoS與行動性功能測試，以及與應用服務功能相關的系統測試，主要有以下測試項目：
| ‧ |
|
| |
將提供測試用戶端可以支援各種不同QoS Class Index(QCI)傳輸服務能力，以及用戶端是否符合網路端AMBR(Aggregate Maximum Bit Rate)與GBR(Guaranteed Bit Rate)資料傳輸速率能力要求等測試項目。 |
| ‧ |
|
| |
換手(Handover)將提供測試用戶端於連線模式(Connected Mode)下的基地台訊號量測能力，用戶端於換手過程中的相關流程處理能力，以及於換手時資料傳輸狀況等測試項目，以確保用戶端具有完整的換手功能。 |
| ‧ |
|
| |
將提供用戶端於待機模式(Idle Mode)下的多種測試項目，包括有Cell Selection、Cell Re-Selection、Paging等，以驗證用戶端於待機模式的各種運作狀況是否正常，並且能否順利回到連線模式。 |
| ‧ |
|
| |
將提供用戶端於連線模式下各種進階功能的測試，包括測試用戶端執行上行與下行進階排程機制(Semi-Persistent Scheduling, SPS)的能力，是否確實執行eNodeB端要求的量測間距(Measurement Gap)設定，進行inter-frequency或inter-RAT的量測，以及是否確實執行eNodeB端要求的間斷式接收(Discontinuous Reception, DRX)設定，執行DRX功能，以驗證用戶端是否支援連線進階功能。 |
| ‧ |
|
| |
將可以提供各種不同的應用服務，例如FTP、影像串流(Video Streaming)、VoIP等，並可彈性配合LTE網路測試系統的設定，進行仿真LTE網路的應用服務系統測試，以驗證手機從上層的應用服務層到通訊協定層的整合系統效能是否符合要求，未來更可以進行相關設定，衍生進行先期互通性測試。 |
提升LTE網路測試系統方便性
資策會網多所研發的LTE網路測試系統除專注於核心技術研發，更重視整個測試系統的使用方便與測試效率，包含以下特色。
| ‧ |
|
| |
提供友善的圖形使用者介面，測試人員不需太多操作即可輕鬆進行測試動作。 |
| ‧ |
|
| |
提供內建系統測試的參數設定與不同測試項目的選擇，幫助測試人員可不用了解繁複的系統設定，僅須選擇欲進行之測試項目與基本參數即可迅速進入測試流程，節省測試人員的訓練時間並加快測試時程。 |
| ‧ |
|
| |
提供完整的通訊協定層log資訊以協助測試人員進行追蹤，並可幫助找到設計錯誤、加快修復時間。 |
| ‧ |
|
| |
支持多台eNodeB之環境設定以達到LTE系統測試的行動功能驗證 |
| ‧ |
|
| |
資策會自主開發之LTE網路測試系統可因應客戶不同需求進行客製化設計與服務，研發團隊累積多年WiMAX研發能量與經驗可配合網通系統廠或晶片商不同測試需求，提供迅速的LTE系統測試因應對策。 |
下一代行動通訊裝置須提供能滿足網路業者期望與要求的行動寬頻體驗，伴隨而來的是必須對新的LTE裝置進行完整的系統測試，以確保其品質符合LTE商業網路多樣化應用服務的需求，讓使用者享受LTE無線通訊網路提供的高速寬頻優勢。
LTE網路測試系統結合EPC及eNodeB模擬器的能力，模擬LTE完整網路的系統測試環境，可進行完整的終端到終端系統功能測試，提供涵蓋連線相關測試、資料傳輸、安全性、應用服務及行動性等廣泛且完整的測試項目，以滿足重要性與日俱增的LTE系統測試需求。
(本文作者皆任職於資策會網路多媒體研究所)