Тестирование мобильных телефонов с поддержкой UMA /GAN

UMA /GAN представляет собой систему, которая позволяет мобильным телефонам гладко пе­реходить из сотовой сети (такой как GERAN - GSM/EDGE) в сеть IP (такую как беспроводная LAN), передавая при этом речь, данные, речь и данные, или не передавая ничего. Являясь очередной вехой на пути слияния сетей, UMA/GAN дает владельцам сотовых телефо­нов все преимущества проводных широкополосных сетей. Первона­чально известная как Сеть нелицензируемого мобильного доступа (UMA) система была переимено­вана группой 3GPP в Сеть общего доступа (GAN) и теперь обе эти технологии фигурируют под общим названием GAN.

Архитектура и протоколы сис­темы GAN описаны в технических спецификациях 3GPP 43.318 и 44.318. Мобильные телефоны с функ­циями GAN должны подтвердить поддержку этих стандартов до вы­хода на рынок. Однако еще до этой демонстрации производители мо­бильных телефонов имеют множест­во возможностей проверить свои реализации GAN на соответствие стандартам. Возможность проверки способности телефона передавать голос и данные на ранних этапах разработки значительно повышает вероятность успеха во время тес­тирования на соответствие стан­дартам.

Даже для относительно устояв­шихся технологий, таких как GAN, конструкторы имеют некоторую свободу выбора характеристик сво­их продуктов в пределах, указанных спецификациями. Технология WLAN уже достаточно широко применяет­ся в мобильных телефонах, как для передачи голоса поверх IP (VoIP), так и для передачи данных. Одним из ключевых факторов, влияющих на распространение GAN, будет возможность гладкого переключения между сотовой сетью и сетью IP, чего не могут обеспечить автоном­ные решения WLAN.

Составные части сети

Система GAN добавляет в сеть GERAN/UTRAN новый архитек­турный элемент — контроллер GAN или GANC. Функции GANC экви­валентны функциям контроллера базовой станции (BSC) в типичной сети GERAN. Однако, в отличие от BSC, интерфейс GANC подключается к сети доступа IP и взаимодействует с телефоном через этот интерфейс (известный как интерфейс Up) с помощью специальных протоко­лов GAN. Для обеспечения обмена сигнализацией и данными между телефоном и опорной сетью GANC выполняет преобразование команд интерфейса Up в существующие протоколы интерфейса BSC/Опорной сети (BSSAP/BSSGP в случае gSm).

Для того чтобы воспользоваться услугой GAN, мобильный телефон должен быть двухрежимным с воз­можностью обнаружения входа и выхода из сетей Bluetooth или Wi-Fi, что позволяет ему переключаться в режим GERAN/UTRAN и выходить из этого режима. Кроме того, телефон должен создавать туннель VPN на основе защищенного IP-протокола (IPSec) с обслуживающим его GANC через промежуточный защищенный шлюз (SEGW) с поддержкой GAN. Данные, голос и сигнализация, не­обходимые для работы сотовой связи, соответствующим образом кодируются и передаются через этот туннель.

Установка соединения

Как правило, в сети GAN исполь­зуется несколько контроллеров GANC, которые разделяют между собой функции GAN и обеспечивают равномерное распределение нагруз­ки. Каждый GANC сети выполняет, по меньшей мере, одну из следующих логических функций: Регистрирую­щий GANC (P-GANC), Стандартный GANC (D-GANC) и Обслуживающий GANC (S-GANC).

Абонент сотовой связи может воспользоваться услугами GAN толь­ко в том случае, если его телефон находится в зоне действия нели- цензируемой сети беспроводного доступа, к которой ему разрешено подключаться. Выполняя первую попытку соединения, телефон дол­жен обнаружить Стандартный GANC (D-GANC). Поэтому телефон начинает процедуру поиска и пытается найти D-GANC, который можно использо­вать в процедуре регистрации.

Для получения адреса D-GANC и соответствующего защищенного шлюза (SEGW), телефон подклю­чается к Регистрирующему GANC (P-GANC) в собственной сотовой сети общего доступа (HPLMN) через свя­занный с P-GANC шлюз SEGW. Адре­са P-GANC и соответствующего ему SEGW могут передаваться телефону, который имеет заранее настроенное Полное доменное имя (FQDN) или IP-адрес; в противном случае теле­фон может получить FQDN на основе информации, хранящейся в (U)SIM. Требования к адресации описаны в спецификациях 3GPP TS 23.003.

Затем телефон создает защи­щенный туннель с SEGW соответ­ствующего D-GANC и пытается заре­гистрироваться в D-GANC. D-GANC может выполнить регистрацию и взять на себя функции S-GANC для данного соединения или может перенаправить телефон в другой S-GANC. Телефон сможет сохранять регистрацию в S-GANC в течение неограниченного времени, не нахо­дясь в активном режиме GAN, и од­новременно пользоваться услугами GERAN/UTRAN, что позволяет свое­временно переключить голосовую связь и передачу данных на GAN. Как только телефон будет полно­стью переключен на GAN или сам решит переключить ся на GAN, он обновляет текущую информацию о месте положения абонента (которая хранится в опорной сети), после чего голос, данные и сигнализация могут передаваться в телефон не через сотовую сеть, а через GANC.

Роль защищённого шлюза

Важным элементом системы GAN является защищенный шлюз (SEGW), обеспечивающий защищен­ное соединение между мобильным телефоном и сетью оператора на другом конце “незащищенной” IP- сети, которая используется для ус­тановки соединения.

В типичной конфигурации GAN, SEGW отвечает за установку и под­держание защищенного соедине­ния (шифрованный IPSec/IKEv2) между мобильным телефоном и опорной сотовой сетью, в которой расположен GANC. После установки соединения GAN, телефон должен аутентифицировать безопасный шлюз с помощью подписанных от­крытых ключей шифрования. Это исключает “заманивание” абонента в другую, пиратскую сеть, если GAN используется поверх IP-сети общего доступа.

Также SEGW используется для подтверждения права абонентов на пользование услугами GAN, высту­пая посредником между телефоном и сервером Учетных записей, Ау­тентификации и Авторизации (AAA). Сервер AAA принимает решение об аутентификации на основе запросов, посылаемых телефону, и получаемых от него ответов, которые принужда­ют телефон и сеть доказать, что им известны общие секретные значе­ния “k”, хранящиеся в SIM или USIM абонента и в реестре расположения сетей, к которому подключен сервер AAA. Кроме аутентификации сети и телефона, результаты работы алго­ритма аутентификации используются для получения ключей, необходимых для шифрования соединения IPSec между телефоном и SEGW.

Протоколы аутентификации, ис­пользуемые телефоном и сервером AAA, отличаются для сетей 2G и 3G. Используемые в обоих случаях про­токолы опираются на существующие технологии аутентификации 2G и 3G, но значительно усилены для улучше­ния защиты в более уязвимых сетях доступа IP. Для аутентификации в сетях 2G используется Расширяе­мый протокол аутентификации для модуля идентификации абонента (EAP-SIM), тогда как в сетях 3G ис­пользуется расширяемый протокол аутентификации для аутентификации UMTS и соглашения о ключах шиф­рования (EAP-AKA).

В тех сценариях тестирования, где не удается отключить в телефоне защитные функции GAN, в системе тестирования должен использовать­ся SEGW и сервер AAA с соответ­ствующими функциями IPSec и EAP. чтобы позволить телефону подклю­читься и использовать услуги GAN.

Проблемы тестирования

Прежде чем приступить к провер­ке конструктивных характеристик телефона GAN, конструктор должен ответить на несколько вопросов. Какие параметры надо проверить на соответствие спецификациям? Какие сценарии реального применения надо проверить, чтобы наилучшим образом определить соответствие телефона его назначению? На каком этапе проектирования следует тес­тировать телефон, чтобы свести к минимуму возможные переделки и повторное тестирование?

Как и в сотовой сети, слабым мес­том скорее всего будет установка со­единения, обрыв соединения и фун­кции переключения между сотами, которые создают множество возмож­ностей для возникновения проблем и неудовлетворенности абонентов. Для тщательного исследования этих фун­кций проектировщик должен иметь под рукой необходимые средства измерения и находиться в контакте с другими участниками проекта. Это облегчает принятие решений по ре­зультатам тестирования.

Система GAN впервые использует новые процедуры сигнализации и представляет собой технологию уров­ня доступа, используемую многими существующими функциями более высокого уровня. 3GPP определяет несколько тестов на соответствие, которым должны удовлетворять теле­фоны с поддержкой GAN. Эти тесты перечислены в 3GPP TS 51.010-1. И поскольку основное внимание в этих спецификациях уделяется тестиро­ванию новых специальных процедур GAN, они практически не охватывают проверку существующих сотовых тех­нологий, используемых поверх GAN. Поэтому многие операционные сце­нарии должны тестироваться самими инженерами-проектировщиками и в том числе:

•   успешное или неудачное обнару­жение GAN;

•   успешная или неудачная регист­рация GAN, включая обновления реестра;

•   первоначальный выбор режима мобильной станции между режи­мами GAN и GERAN/UTRAN;

•   исходящие из мобильного телефо­на (MO) и принимаемые мобиль­ным телефоном (MT) голосовые соединения на основе GAN;

•   соединения на основе GAN для передачи данных и приложения, использующие эти соединения;

•   соединения в режиме двойной передачи (DTM) или SS (UTRAN) на основе GAN;

•   передача SMS поверх GAN в соеди­нениях MO и MT на основе GSM;

•   передача SMS поверх GAN в соеди­нениях MO и MT на основе GPRS;

•   все применимые сценарии перехода в соту и выхода из соты, включая:

•   вход (из G/U в GAN),

•   выход (из GAN в G/U),

•   переход в соту (из G/U в GAN),

•   выход из соты (из GAN в G/U),

•   команда на смену соты (из G/U в GAN),

•   переключение в соту и из соты во время соединения DTM или SS (из GAN в G/U и из G/U в GAN).

Схема тестирования GAN

С помощью комплекта для тестиро­вания беспроводных коммуника­ционных устройств, такого как Agilent 8960, можно реализовать многие контролируемые и воспроизводимые сценарии для тестирования функций GAN. Такое тестирование очень важ­но во время разработки телефона GAN, начиная с ранних этапов про­ектирования и заканчивая проверкой и интеграцией системы, имитацией полевых условий, проверкой опера­ционной совместимости и тестиро­ванием на соответствие стандартам.

Схема функционального тестиро­вания приведена на рис. 1. Для эмуля­ции GANc используется программное обеспечение, работающее на ПК.

В этой схеме соединение с сетью IP может обеспечиваться любым уст­ройством, способным подключаться к телефону и получать IP-адрес. На рис. 2 в качестве такого устройства используется обычная серийно вы­пускаемая точка доступа WLAN.

Рис.1

Рис.2

Прочие проблемы тестирования

Помимо проверки работоспособнос­ти мобильного телефона в соответс­твии с требованиями стандартов GAN, проектировщик должен предусмотреть тестирование телефона в ситуациях, которые не определены стандартом, но встречающиеся при повседневном использовании. Ниже приведены три сценария такого тестирования, которые особенно полезны для прогнозирова­ния поведения телефона в условиях реальной эксплуатации.

Анализ потребляемого тока

В отличие от стандартов сотовой связи, стандарты WLAN не уделяют должного внимания емкости аккумуля­тора абонентских устройств, которые могут оказаться в этом смысле очень “прожорливыми”. Однорежимный теле­фон GSM, даже постоянно работающий в режиме ожидания, может работать от батарей в пять раз дольше телефона, работающего в WLAN. А время разго­вора может отличаться еще больше. Поскольку телефон с поддержкой GAN должен одновременно контролировать сети GeRAn, UTRAN и GAN, продол­жительность работы от аккумулятора может стать основной конструктивной проблемой.

Можно тщательно проанализи­ровать влияние потребляемого тока на основные функции, например во время пакетной передачи данных, как показано на рис. 3. Вертикаль­ная ось этого графика представляет изменения, связанные со временем, а горизонтальная ось — изменения, связанные с амплитудой.

Рис.3

Качество речи

Передача голоса поверх GAN аналогична передаче голоса поверх IP (VoIP) в том смысле, что для передачи голосовых данных используются IP-пакеты. В случае GAN, IP-пакеты содержат инкапсу­лированную голосовую информацию в кодировке GSM. Передача голоса поверх GAN отличается от голосо­вого соединения GERAN/UTRAN в основном способом выбора кодека, который в случае GAN определяется процентом потерянных пакетов, а не принимаемым уровнем мощности или отношением уровня несущей к уровню шумов.

В настоящее время тесты чувст­вительности приемника, относящи­еся к изменениям скорости данных кодека или гистерезису, связанному с числом потерянных пакетов, не оп­ределены; тем не менее, эти факторы оказывают существенное влияние на субъективно воспринимаемые характеристики телефона, поскольку даже незначительные изменения, вносимые кодеком AMR, могут об­наруживаться взыскательным слуша­телем. Проверка качества речи дает неоценимый вклад в оценку того, насколько телефон с поддержкой GAN способен преодолеть описан­ные трудности (рис. 4).

Рис.4

Тестирование пропускной способности

Третий и основной пункт тестиро­вания потребительских качеств телефона заключается в оценке скорости передачи данных между конечными точками и выявлении возможных задержек, способных ухудшить восприятие абонента. Эмуляция различных сценариев при­менения обязательна для проекти­ровщика, который должен измерять скорость передачи данных в WLAN- соединении и любые изменения, возникающие в процессе переклю­чения вызова, например в ячейку GERAN и обратно.

Это особенно важно в связи с десятикратным повышением теоре­тически достижимой скорости в ти­пичной сети доступа GAN (такой как беспроводная LAN) в сравнении со значительно меньшими скоростями, достижимыми в GERAN/UTRAN, что хорошо видно на рис. 5

Рис.5

заключение

Проверяя конструктивные осо­бенности реализации перед тестированием на соответствие стандартам, необходимо учесть множество факторов. Перечень сценариев тестирования, хоть и далек от полноты, все же создает прочную основу для оценки харак­теристик телефона. Выполнение этих тестов с помощью схем, ими­тирующих систему GAN, позволяет проектировщикам оценить влияние различных факторов и тем самым сократить до минимума число ите­раций, которые могут потребовать­ся в процессе разработки. Такой подход существенно экономит время, усилия и деньги.

Аналогично, тестирование при­годности телефона в условиях, близ­ких к реальным, позволяет инженеру предсказать субъективное вос­приятие характеристик телефона абонентом, а значит и качество конструкции телефона. Тестирование пригодности является ценным инс­трументом и улучшает перспективы успешного выхода на рынок. На­стольные комплекты для тестирова­ния беспроводных устройств, напри­мер Agilent 8960, позволят просто и без особых затрат измерять харак­теристики устройств, использующих новые передовые технологии, такие как UMA/GAN.