一种TD－LTE多模终端电路域回退性能测试方案

施苑英

（西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安710121）

随着时分长期演进（Time Division Long Term Evolution，TD－LTE）产业成熟和商用推广，TDLTE终端将从现阶段以数据类终端为主向多模智能手机过渡，而语音技术方案是TD－LTE手机发展的重要环节［1］。作为第三代合作伙伴计划（3GPP）定义的一种过渡性语音解决方案，电路域回退（Circuit Switched FallBack，CSFB）技术能够利用现有的2G／3G网络为TD－LTE用户提供语音业务，从而在TD－LTE建网初期快速实现对语音业务的支持，同时也保护了移动运营商已有的网络投资。

CSFB技术的引入，使终端呼叫处理流程更加复杂，将导致呼叫建立时延增长，并可能引起数据业务的中断［2］。为了确保良好的用户体验，需要对终端的CSFB业务性能进行测试验证。文献［3］分析了CSFB性能测试的需求，文献［4］从理论上对CSFB呼叫的时延性能进行了研究，并给出了理论参考值，但是二者均未提供测试的具体实现方案。文献［5］提出一种CSFB外场测试解决方案，即在实际网络中对多模终端进行性能测试。该方案虽然能够验证终端在实际使用环境中的工作性能，但是测试的前提条件是核心网已经升级支持CSFB，并且测试结果会受到终端设备、网络设备、网络部署等多方面因素的影响，不利于问题的定位。此外，还存在着设备操作不便、无线环境复杂、测试情景不能再现等诸多问题［6］，不能满足大批量终端高效、准确、自动测试的需要。本文拟设计一种实验室环境下的测试方案，利用软硬件模拟真实的网络环境，控制终端在预设场景下进行电路（Circuit Switched，CS）域呼叫，以获取所需要的各项性能指标。

1 CSFB基本原理

CSFB的本质是利用TD－LTE系统中移动管理实体与2G／3G系统中移动交换中心之间的SGs接口，解决驻留在TD－LTE网络的多模终端在电路业务和分组业务之间的移动性管理和寻呼等问题［7］，从而使TD－LTE网络能够触发多模终端从TDLTE接入回退至2G／3G接入，以提供语音、短信等CS域业务。当CS域业务结束后，终端将再次返回至 TD－LTE 网 络 驻 留。目 前，3GPP 标 准［8－10］分 别定义了不同的回退和返回方式。

1.1 回退方式

回退方式是影响CSFB业务性能和用户体验的重要因素，主要有3种类型［8］。

（1）重定向

适用于回退至GSM、TD－SCDMA、WCDMA等多种目标系统。在该方式中，TD－LTE网络仅向终端提供回退的目标频点，终端可以选择接入该频点上的任意小区。3GPP定义了两种重定向机制：R8方式和R9方式。二者区别在于R9方式直接在重定向消息中为终端提供了2G／3G邻小区的系统广播消息。

（2）分组域切换（Packet Switched Handover，PSHO）

适用于回退至GSM、TD－SCDMA、WCDMA等多种目标系统。在该方式中，TD－LTE网络预先为终端选定回退的目标小区，并通过切换命令消息通知终端在完成PS切换的同时执行CSFB过程。

（3）小区变更命令（Cell Change Order，CCO）

仅适用于回退至GSM系统。该方式与重定向方式的处理流程基本一致，区别在于此时TD－LTE网络指定了回退的目标小区。3GPP定义了两种CCO机制：无网络辅助（Network Assisted Cell Change，NACC）的CCO和有NACC的CCO。二者区别在于后者向终端提供了目标小区的系统信息。

1.2 返回方式

语音业务结束后，终端需要快速返回到TDLTE网络驻留，以便继续为用户提供高速的数据业务。目前主流的返回方式［9－10］有两种类型。

（1）自动重选

一种基本的返回方案。在该方案中，终端挂机后先执行路由区更新（Routing Area Update，RAU）或者联合位置区／路由区更新（Location Area Update／Routing Area Update，LAU／RAU）过程，驻留在2G／3G网络中。然后通过小区重选返回到TDLTE系统。

（2）重定向

一种优化的返回方案，也称快速返回（Fast Return，FR）。在该方案中，终端挂机时，2G／3G网络在释放消息中提供相邻TD－LTE小区的频点、测量带宽、物理层小区ID等信息［9］，使终端可以直接接入TD－LTE小区，而不需要在2G／3G网络驻留。

2 CSFB性能测试内容

CSFB是一项涉及多种网络的复杂技术，在实际应用中容易出现问题，导致网络服务质量下降，造成不良的用户体验。为此，在大规模部署CSFB之前，需要针对影响用户体验的性能指标进行测试。

2.1 测试指标

综合考虑传统语音业务的性能指标要求和CSFB技术的特征，定义3项CSFB性能测试指标。

（1）呼叫建立时延

对于呼出业务（Mobile Originating，MO），CSFB呼叫建立时延定义为：从TD－LTE侧收到终端发出的业务请求开始，至2G／3G侧向终端发出A－lerting消息之间的时间间隔。对于呼入业务（Mobile Terminating，MT），呼叫建立时延定义为：从TD－LTE侧向终端发出Paging消息开始，至2G／3G侧收到来自终端的Alerting消息之间的时间间隔。相比传统CS域语音呼叫过程，CSFB增加了终端与TD－LTE网络建立RRC连接、发起CSFB业务请求等处理，因此必然会增加呼叫建立的时延。如果该时延过长，将导致用户体验变差；而不同的回退实现方式，会产生不同的时延性能。因此，有必要对不同回退方式下终端的呼叫建立时延进行测试，以选择最佳的实现机制。

表1比较了不同回退方式下MO呼叫建立时延的构成。

表1 不同回退方式下的呼叫建立时延（MO）

（2）呼叫结束后的返回时延

呼叫结束后的返回时延定义为：从2G／3G侧向／从终端发出／收到Release Complete消息开始，至TD－LTE侧收到来自终端的Tracking Area Update Complete消息之间的时间间隔。在这段时间内，终端需要执行路由区更新、异系统间的转移等过程，不允许用户发起／接受新的数据业务，导致数据业务被暂时中断。该时延决定了用户不可及的时间，影响着用户数据业务的体验。

表2比较了不同返回方式下返回时延的构成。

表2 不同方式下的呼叫结束后返回时延

（3）呼叫建立成功率

呼叫建立成功率定义为成功建立呼叫的次数占总呼叫次数的百分比，它是影响语音业务用户体验的重要指标。传统2G／3G语音呼叫的成功率不低于98%，而CSFB呼叫受多种因素的影响（如异系统条件下终端检测无线信号的能力），成功率会低于该值，但是不应小于95%。

2.2 测试场景

上述测试指标值不仅受所选取的回退方式、返回方式等因素的影响，还与测试场景有密切的关系，例如终端作为主叫方和被叫方时的CSFB处理流程有所不同，因此呼叫建立时延存在差异。表3总结了CSFB性能测试的典型场景，主要考虑了TD－LTE和2G／3G网络的信号强弱，终端在CSFB呼叫中的位置（主叫方或者被叫方），以及终端回退到2G／3G网络时LA是否发生变化等4种影响因素。

表3 CSFB性能测试的典型场景

3 测试方案

针对CSFB性能测试需求，设计了一种在实验室环境下模拟真实网络的方案，可以直接在实验室内完成测试任务，并验证终端执行CSFB业务时的协议流程和性能指标是否满足要求。

3.1 测试系统结构

测试系统由硬件平台和控制软件两部分组成。硬件平台的结构如图1所示，由主控制器、系统模拟器（System Simulator，SS）、信道模拟器和射频切换器等组成。主控制器负责控制整个测试过程，它通过执行控制软件来模拟空口的信令流程，用于实现核心网及空口RRC层的功能；同时还负责小区功率、系统消息等SS参数的配置以及信道模拟器参数的设置。SS模拟TD－LTE小区、TD－SCDMA小区和GSM小区，根据主控制器的命令执行空中接口层一和层二的协议处理，实现与被测终端之间的通信。信道模拟器用于模拟基站与终端之间无线信道上存在的多径衰落和其他小区或用户产生的干扰。射频切换器实现各SS、信道模拟器以及被测终端之间的连接，并提供多路射频信号的合路功能。

图1 CSFB性能测试平台的硬件结构

控制软件由主控程序和测试用例组成。主控程序提供与测试者之间的人机界面，供测试者制定测试计划、配置测试参数、运行测试脚本、以及查看测试统计信息等。测试用例采用TTCN－3（Testing and Test Control Notation－Version 3）语言编写，实现测试流程的控制，包括设置测试场景、处理RRC层和非接入层（Non Access Stratum，NAS）信令消息、通过AT指令控制终端自动开关机和发起／接受语音呼叫、计算时延等测试指标。

3.2 测试案例

设计及编写测试用例是测试系统开发的主要任务之一。通过具体案例，介绍测试用例的开发过程。表4是待开发测试用例的简要描述。

表4 “R8重定向＋FR”测试用例的定义

要求在网络正常覆盖条件下，采用“R8重定向＋FR”方案从TD－LTE回退至GSM系统，即回退方式选择目前国际广泛部署的R8重定向方案，返回机制采用性能较优的FR方案。

根据测试用例描述表，设计如图2所示的测试流程。

图2 “R8重定向＋FR”测试流程

首先设置测试环境，包括创建TD－LTE小区和GSM小区、配置小区参数、配置信道模型及信噪比。然后，通过AT指令命令被测终端（User Equipment，UE）开机。由于UE已预先设置了选网优先级信息，即先选TD－LTE再选GSM，所以UE将在TD－LTE小区驻留，并发起联合附着请求。当UE成功附着后，主控制器通过AT指令命令UE发起CS呼叫，此时UE会发送Extended Service Request请求，TD－LTE小区则通过包含GSM小区频点信息的RRC连接释放消息指示UE执行重定向过程。UE在该频点进行小区搜索，如果未能识别到目标GSM小区，则本轮测试失败。测试用例根据当前的统计数据判断是否已经满足置信度［11－12］要求，若满足则停止测试，并输出测试结果，否则进行新一轮测试。如果UE识别到目标GSM小区，将在该小区驻留并发送CM Service Request请求以继续完成CS呼叫建立过程。如果呼叫建立时延的测量值小于由表1预先估算的上限值，将呼叫成功次数加1，否则将呼叫失败次数加1。

当CS业务结束后，将进行信道释放过程。GSM小区在Channel Release消息中，通过小区选择指示语将TD－LTE小区的信息发送给UE，使UE可以快速识别到目标TD－LTE小区，并在该小区驻留。如果UE没有识别到目标TD－LTE小区，则测试失败。如果返回时延的测量值小于由表2预先估算的上限值，将返回成功次数加1，否则将返回失败次数加1。待UE在TD－LTE网络完成TAU过程后，本轮测试正常结束。最后，根据测试结果判断是否还需要进行新一轮测试。如果不需要，则命令UE关机，释放所有小区，并输出测试统计结果。如果还要继续测试，应先通过AT指令命令UE关机，并释放其占用的无线资源。

采用TTCN－3语言实现图2的测试流程，并将生成的测试文件加载到系统中，即可对终端进行测试。测试用例执行过程中会自动记录每一轮CSFB呼叫的建立时延和返回时延，对这些数据进行统计平均，结果可以直观地反映终端性能的优劣。为了比较，表5列出两款被测终端的测试平均数据，同时给出理论参考值［4］作为对照。

表5 两款被测终端的测试平均数据

由表5可见，A、B两款终端都成功通过测试，表明其性能指标均未超过预先设定的上限值。但是根据测试数据可以发现，二者实际性能存在明显差异。终端A呼叫建立时间较长，而且存在回退失败的情况，说明其检测GSM信号的能力偏弱，需要较长的检测时间甚至会出现无法接通的现象。此外，由测试结果易见，两款终端的时延值均显著小于理论参考值，这是因为仿真系统重点模拟与被测终端之间的空口处理过程，简化了核心网处理及被叫侧接续的过程，所以表1中“建立端到端连接”和表2中“TAU过程”的处理时延远小于实际情况。

4 结论

设计的 TD－LTE／TD－SCDMA／GSM 多模终端测试系统，能够模拟CSFB语音业务的各种使用场景，并对不同场景下终端的呼叫建立时延、返回时延、接通成功率等性能指标进行定量测试，从而直观地反映被测终端的性能水平。

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