董 銳 牛 罡 梁青云 耿 芳 劉小兵

（國網(wǎng)鄭州供電公司 鄭州 450000）

1 引言

載波聚合技術在無線網(wǎng)絡中的運用使通信系統(tǒng)的容量越來越大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蚀蠓嵘?。隨著無線網(wǎng)絡提供的通信容量越來越高，其在社會生產(chǎn)的各個領域也扮演越來越重要的角色。作為評價網(wǎng)絡能力的重要指標，無線網(wǎng)絡的容量已經(jīng)是通信網(wǎng)絡建設重要指標之一［1］。

基于載波聚合技術的無線通信網(wǎng)絡與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡存在巨大不同。首先是基于載波聚合技術的無線通信網(wǎng)絡容量遠大于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡，理論上連續(xù)40MHz的信道可以提供高達1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率［2］。如此巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率是對測試性能的巨大挑戰(zhàn)。其次，信道在聚合過程中存在動態(tài)性，尤其當終端數(shù)量快速增加時，信道的動態(tài)聚合效率會在較大程度上降低通信系統(tǒng)的真實速率［3］。因此傳統(tǒng)FTP文件下載上傳速率測試無法準確測試出系統(tǒng)的真實容量。

本文在對聚合信道容量的計算基礎上，引入一種脈沖時測試數(shù)據(jù)包發(fā)送的測試方法，通過脈沖式的數(shù)據(jù)包降低平均測試包的流量，減弱對測試系統(tǒng)的性能要求，同時通過高頻率的數(shù)據(jù)包發(fā)送，模擬出真實通信環(huán)境中終端信道的動態(tài)聚合，以獲取真實的無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2 信道容量的計算

在基于載波聚合的無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中，一個CA（Carrier Aggregation）終端在通訊時需要聚合多個信道才能獲取滿足業(yè)務需求的帶寬資源［4］，由于用于聚合的子載波信道資源是有限的，因此當CA終端數(shù)量增加到信道不足以滿足其帶寬需求時，就需要通過在終端用戶之間動態(tài)調度信道資源來滿足其傳輸帶寬的需要，在信道動態(tài)調度的過程中CA終端的信道不固定，其中相對固定的部分信道為靜態(tài)子信道，而需要切換的信息則稱為動態(tài)子信道，顯然CA終端的總帶寬就是靜態(tài)子信道帶寬和動態(tài)子信道帶寬之和［5］。

假設無線網(wǎng)絡中動態(tài)信道個數(shù)為Hd，靜態(tài)子信道的個數(shù)為Hs，CA終端聚合的子信道總數(shù)時h，動態(tài)子信道數(shù)為hd，那么靜態(tài)子信道數(shù)為h-hd，并且滿足條件{0 ≤h-hd≤Hs，0≤hd≤Hd}。在單位傳輸間隔T內(nèi)，無線信號基站會依據(jù)調度策略地從總數(shù)為Hd的動態(tài)信道資源池中選擇hd個信道分配給CA終端［9］。設基站的最大發(fā)射功率為Pm表示，則均勻分配在hd個動態(tài)信道上的發(fā)射概率為

假設動態(tài)信道與信號基站和CA終端沒有耦合關系，且動態(tài)信道中的信號幅度完全隨機，且信號曲線包絡服從瑞利分布，則任一動態(tài)信道的增益系數(shù)Ai是增益平均值為0、增益方差為的增益符合高斯分布的隨機變量［6］。則任一動態(tài)信道x上的信噪比為

式1中ki= | Ai|2，是符合卡方分布的隨機變量，其自由度是CA終端數(shù)量的2倍［12］。式（1）中 σ2為增益均值為零的高斯背景噪聲的方差。設信道i的帶寬為D，則信道的容量為

結合式（1）和式（2）可以得出信道i的香農(nóng)容量是

聚合信道的容量是其子靜態(tài)和子動態(tài)信道容量之和的上限，且每個子信道的帶寬相同，所以聚合信道容量理論上只與其信噪比有關［13］。在基于載波聚合的無線網(wǎng)絡中每個動態(tài)子信道被選中的概率基本一致，其概率均勻正太分布在0～1之間［7］。按照上述原則，動態(tài)子信道的容量C可根據(jù)式（3）進行聚合概率加權，最后求和得出。動態(tài)子信道可獲得的容量Cd為

聚合信道的總容量為動態(tài)子信道容量和靜態(tài)子信道容量之和［8］：

式（6）中Cs式靜態(tài)子信道的容量和，Ps∕Hs為靜態(tài)子信道的信噪比。根據(jù)式（6）可知基于載波聚合的無線網(wǎng)絡的通信系統(tǒng)的容量與信噪比和動態(tài)子信道的聚合概率相關。

3 測試方案

3.1 測試原理

對無線網(wǎng)絡容量的測試方法通常是使用FTP下載和上傳大文件，通過對文件的傳輸速度來測量無線網(wǎng)絡的容量［10］。但是對于基于載波聚合的無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)而言，使用FTP這種較為簡單的方法將無法準確地測量出系統(tǒng)的容量。從載波聚合信道容量計算公式（6）中可以看出信道容量由靜態(tài)子信道和動態(tài)子信道組成，動態(tài)子信道在基于載波聚合地無線網(wǎng)絡中是對所有CA終端是共享，因此動態(tài)信道聚合概率具有一定的偶然性和碰撞幾率，如果信道聚合概率較大，那么碰撞幾率也會快速上升，導致信道容量地大幅度地下降［14～15］。而且基于載波聚合的無線網(wǎng)絡下載速度很大，40MHz的帶寬信道可以獲得近1Gbps的傳輸速率，對測試環(huán)境中的CA終端和服務器的性能要求比較高，如果CA終端和服務器在內(nèi)存或CPU上存在性能瓶頸，也會在較大程度上影響最終的測試結果。

由此，本文提出一種針對載波聚合無線網(wǎng)絡的脈沖采樣帶寬測試方法，其測量原理就是以較高的頻率向無線網(wǎng)絡發(fā)送適當?shù)臄?shù)據(jù)包，通過對CA終端的流量監(jiān)測從而實現(xiàn)對無線網(wǎng)絡最大帶寬的測量。測試數(shù)據(jù)包的發(fā)送維持一定的高頻率，使得測試系統(tǒng)在CA終端的動態(tài)子信道保持一定的切換率的前提下保持有較高的瞬時負荷，獲得網(wǎng)絡的接近真實使用環(huán)境的最大值容量。測試數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間維持一定的時間間隔，使得測試系統(tǒng)的平均負載較低，使得測試系統(tǒng)獲得無線網(wǎng)絡的最大帶寬的同時又使得測試系統(tǒng)的負載不至于過高，以降低搭建測試系統(tǒng)的成本，提高測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1所示的是測試數(shù)據(jù)包發(fā)送時序的示意圖。測試數(shù)據(jù)包的發(fā)生頻率為2Hz。在兩次數(shù)據(jù)包發(fā)送中間不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。若干數(shù)量連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)包為一個測試數(shù)據(jù)組。

圖1 測試數(shù)據(jù)包發(fā)送示意

假設采用支持Category 4的CA終端測試信道總帶寬為20MHz的基于載波聚合無線網(wǎng)絡的有效容量，那么終端設備在物理層上下行鏈路的最大數(shù)據(jù)塊接收速率是150 Mbit∕s。要想達到這個速率，測試系統(tǒng)需要在1s的傳輸時間間隔（Transmission Time Interval，TTI）中傳輸 150 kbit。通常無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包MTU小于其最大負載1500Byte，假設1個測試數(shù)據(jù)包大小為1400 Byte，約為11200bit，那么至少需要13個測試數(shù)據(jù)包構成的測試數(shù)據(jù)組來填充一個TTI。為了確保容量測試的準確性，需要連續(xù)地向測網(wǎng)絡發(fā)送測試數(shù)據(jù)組，以保證CA終端有足夠的測試負載。這是由于受到測試數(shù)據(jù)組發(fā)送延時的影響，如果不連續(xù)發(fā)送測試數(shù)據(jù)包，可能會導致1個TTI內(nèi)發(fā)送不到13個測試數(shù)據(jù)包，所以包含13個測試數(shù)據(jù)包的測試組至少應發(fā)送多次，這樣才可以保障多數(shù)TTI內(nèi)可以發(fā)送足夠測試數(shù)據(jù)負載，如圖2所示。測試數(shù)據(jù)組發(fā)送越多，容量測試的準確性也就越高，同時網(wǎng)絡容量測試干擾度也越高。

圖2 測試數(shù)據(jù)組發(fā)送時序圖

以80個測試數(shù)據(jù)包計算單元，假設數(shù)據(jù)包為1400 Bytes，那么在聚合信道上會有約860000 bit的傳輸負載，其中有效數(shù)據(jù)負載大約是96%。假設每秒可完成有效帶寬測試2次，則有效容量測試所占用的時間比例為860000*2∕150000000=1.14%。這個時間比例較低，意味著對測試系統(tǒng)性能要求不高，測試系統(tǒng)運行的穩(wěn)定較高。

3.2 測試方法

基于載波聚合技術的無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)容量測試通過在CA終端和測試服務器上安裝有效帶寬測試軟件進行測試。CA終端和服務器的測試流程如圖3所示。測試數(shù)據(jù)組發(fā)送的時間間隔可依據(jù)測試環(huán)境設置，，在測試數(shù)據(jù)組發(fā)送的時間間隔中不發(fā)送測試數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)容量測試為上下行同時測試。測試數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程中先發(fā)上行數(shù)據(jù)，再發(fā)下行數(shù)據(jù)，其中上行和下行測試數(shù)據(jù)包的比例可以根據(jù)不同的業(yè)務場景進行適應性的調整。

圖3 測試流程

4 實驗驗證

根據(jù)上述測試原理和測試方法，本文搭建了包括測試服務器、CA終端、無線基站、頻率測試儀和操作終端的測試系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)網(wǎng)絡圖

其中頻率測試儀用以測試聚合的信道的頻譜，分析動態(tài)信道的切換情況。測試服務器和CA終端按照3.2節(jié)所描述的測試方法發(fā)送和接受測試數(shù)據(jù)包。操作終端對測試過程中的對指標進行實時記錄?；拘盘柊l(fā)送的頻譜為223.025MHz～230MHz，單個子信道的帶寬為0.025MHz，總信道數(shù)40個，測試數(shù)據(jù)組發(fā)送的時間間隔設定為0.5s，基站信號發(fā)射功率為1W。

無線網(wǎng)絡的測試指標有上下行速率、丟包率、平均延時等。本文主要從基于載波聚合技術的無線網(wǎng)絡的容量測試角度考慮，主要針對CA終端的上下行數(shù)據(jù)傳輸速率指標進行記錄和測試。

在測試過程中，通對不同的信道聚合數(shù)的傳輸速率計算值與測試值的比較來評估測試系統(tǒng)的準確性。測試情況如表1所示。

表1 不同信道數(shù)的帶寬測試值與計算值對比

從表1中可以看出測試值和計算值十分接近，最大誤差為5%左右，平均誤差為2.6%，測試精度能夠滿足工程需要。

5 結語

本文詳細闡述了一種基于脈沖數(shù)據(jù)包的無線通信系統(tǒng)容量測試原理和方法，說明了這種測試方法能夠較為真實地測試出基于載波聚合技術的無線網(wǎng)絡的容量，并且降低了基于載波聚合技術的無線網(wǎng)絡的較高數(shù)據(jù)傳輸速率的對測試系統(tǒng)的性能要求。實驗證明了這種測試方法是一種更加適應基于載波聚合的、高速率的無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的測試解決方案。

在基于脈沖數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)測試方案的實際使用中，需要結合被測網(wǎng)絡的速率和無線信道的帶寬，調整測試數(shù)據(jù)包的大小和發(fā)送間隔，盡量利用最少的數(shù)據(jù)流量探測真實的最大網(wǎng)絡帶寬，同時在保證測試系統(tǒng)準確度的前提下，降低對測試系統(tǒng)的性能要求。