Измерения производительности и ключевых рабочих показателей сетей UMTS

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с предлагаемыми Анализаторами спектра, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Вступление

Контрольно-измерительное оборудование для выполнения глубинных (или их ещё называют «сквозных») анализов сетей SS7, GSM, GPRS явно не дотягивает до планки задач, выдвигаемых UTRAN - подсистемой радио доступа экосистем мобильной связи третьего поколения UMTS. Впервые измерения на UTRAN стали проводиться ещё примерно 6 лет назад через процедуры мониторинга, имитационного моделирования и нагрузочного тестирования. Мониторинг интерфейсов (хочу дать комментарии именно по этому термину – прим. автора) означает декодирование захваченных данных на соответствующих линках и проведение анализов на предмет того, как различные сегменты этих данных и сообщения соотносятся друг с другом. В целом, измерения на UTRAN проводились таким образом, что осуществлялась трассировка всех сообщений, принадлежащих одному-единственному вызову в целях получения достоверной информации о том, работают ли все сетевые элементы и категории (стеки) протоколов, вовлечённые в процесс, надлежащим образом, либо произошли некие сбои или какие-либо подозрительные события негативно повлияли на плавный ход прохождения тестируемого вызова, либо на качество предоставляемых оператором услуг. Все случаи, указывающие на нормальное поведение сети, были задокументированы в соответствующих отчётах (например, в аналитических сводках «Сигнализация UMTS», изданных издательством John Wiley & Sons, Ltd, 2006), предоставляющих прекрасные примеры для технических экспертов, изучающих алгоритмы прохождения вызовов и сопутствующие им сетевые процессы. 

По мере развёртывания сетей UMTS, приоритеты ведущих экспертов этой технологии стали всё более и более смещаться от исследований на функциональное поведение сетевых элементов к проведению глубинных анализов огромных массивов данных, содержащихся в сигнальной информации (сигнализации) и данных пользователя/полезная нагрузка. В результате появилась потребность в издании целого ряда технической литературы на эту тему и проведении дополнительных лабораторных и научно-исследовательских работ. В самом деле, если сравнить информацию, относящуюся к сетевым протоколам подсистем радио доступа в архитектурах UMTS и GSM, например, содержание отчётов измерений, передаваемых в сеть мобильными терминалами и базовыми станциями, то становится очевидным, что в случае с UMTS осуществляются значительно более специфические и комплексные измерения, относящиеся в первую очередь к радиочастотам. Отчёты посылаются более часто с применением более сложной методологии, чем это делается в GSM в целях обеспечения того качества услуг, которое соответствует стандартам UMTS.

Радиотехнология, лежащая в основе UMTS, просматривается в двух различных ипостасях: дуплексная связь с частотным разделением каналов (FDD, ещё известная как WCDMA), где данные восходящего и нисходящего каналов транслируются в двух различных диапазонах частот и дуплексная связь с временным разделением каналов (TDD), когда восходящие и нисходящие каналы разделены квантами времени (time slot). Мы не будем рассматривать технологию TDD, поскольку ни в Европе, ни в Америке она так и не была внедрена. Что касается Китайского решения, основанного на низкой скорости передачи элементов сигнала TDD (TD-SCDMA), то эти сети были совсем недавно развёрнуты и потребуется ещё достаточно времени, пока необходимость в измерениях сетевой производительности выйдет для операторов TD-CDMA на первый план. А сперва они должны сконцентрироваться на проведение тестов на функциональность. Тем не менее, большинство толкований, что касается измерительных процедур и ключевых рабочих показателей, которые будут представлены в настоящем цикле публикаций, также могут быть приемлемы для сетей TDD помимо непосредственных радиочастотных измерений и анализов мягкой эстафетной передачи (хэндовера), поскольку мягкого хэндовера в TDD не существует.  

Большинство идей и определений в сценариях измерений производительности UMTS не определены международными стандартами. Присутствует огромная «серая зона», покрывающая широчайший диапазон собственнических толкований, которые были рождены на свет операторами сетей и производителями телекоммуникационного оборудования. В результате, три четверти содержания настоящих публикаций будут посвящены описаниям терминов, которых не отыскать ни в одном международном документе по стандартизации. Кроме того, далеко не всегда т.н. «собственнические толкования» способны полностью раскрыть природу и суть осуществляемых измерений. Поэтому цель настоящих публикаций – попытаться сократить разрыв между частными определениями производительности сетей и теми, которые растолковываются организацией 3GPP (международный партнёрский проект по развитию сетей 3-его поколения – прим. автора), а также разрыв между теорией и практикой измерений на UMTS.  

Основные положения по измерениям производительности UTRAN – наземных сетей радио доступа UMTS

Измерения производительности являют собой новой подход при мониторинге данных. В прошлом, мониторинг сетей означал процесс, при котором сообщения декодировались и отфильтровывались для определения того, которые из них принадлежали одному и тому же вызову. Единичные вызовы анализировались и очень часто неполадки и сбои обнаруживались чисто случайно. Новый подход в тестировании – режим измерения производительности, представляет собой эффективный способ в любое время сканировать всю сетевую архитектуру и систематически отыскивать ошибки, «бутылочные горлышки» (ограничения) и подозрительные события (поведение сетевых компонентов).  

Процедуры измерения производительности и соответствующий инструментарий уже ранее применялись на GSM и 2.5G – сетях радио доступа GSM/GPRS, а также на опорных сетях этих поколений мобильной связи, однако, если рассматривать современные задачи по измерениям производительности UTRAN, то требования под 2G/2.5G выглядят очень упрощёнными. Для решения задач мониторинга GSM/GPRS было вполне достаточно собрать все необходимые протокольные сообщения (что сделать было совсем несложно), а также рассчитать и агрегировать результаты определённых измерений. В настоящее время, даже Технические Стандарты 3GPP 32.403 (Управление работой телекоммуникационных сетей, Управление производительностью (РМ), Управление производительностью – UMTS и комбинированных архитектур UMTS/GSM) содержат лишь минимальный набор требований, представляющих собой не более чем верхушку айсберга. Определения и рекомендации 3GPP (Партнёрский проект по развитию сетей 3-его поколения), приводимые в этом цикле публикаций, никак не в состоянии охватить широчайший перечень необходимых процедур для тестирования производительности UTRAN, некоторые описания недостаточно содержательны, чтобы можно было на их основе осуществлять реализацию каких-либо программных опций, а в отдельных случаях эти определения могут даже привести к получению неверных результатов тестов. Суммируя всё вышесказанное, можно с уверенностью констатировать, что спецификации требований по измерениям производительности UTRAN всё ещё незрелы и находятся в самой начальной фазе.  

В первой части наших публикаций будут даваться пояснения, что уже определено 3GPP, какие дополнительные требования могут представлять интерес, какие предпосылки и условия всегда необходимо держать в памяти, поскольку они имеют огромное влияние на получение любых результатов измерений, даже если эти условия не всегда чётко прописаны.

Среди инженеров-эксплуатационников бытует мнение, что наибольшей ошибкой при осуществлении измерений производительности является копирование и внесение ошибок. Эта цитата берёт своё начало из практики слепого копирования установленных требований вместо того, чтобы самостоятельно развивать собственные концепции и идеи. Таким образом, автор хочет подчеркнуть, что настоящий цикл публикаций – вовсе не готовое руководство к действию, тем более не истина в последней инстанции относительно терминологии, а скорее попытка осветить суть проблем, с которыми столкнутся инженеры при развёртывании подсистем радио доступа UTRAN. Кроме того, автор будет чрезвычайно благодарен тем, кто направит в адрес редакции свои комментарии и дополнения к публикациям о сетях UMTS, а также поделится практическим опытом их обслуживания.   

Общие идеи концепции измерений производительности

Алгоритмы измерений производительности в некоторой степени уникальны. Существует множество параметров и событий, которые могут быть измерены, равно как и множество режимов измерений, которые могут быть соотнесены друг с другом. Количество перестановок и комбинаций бесконечно. Таким образом, вполне резонно возникает вопрос: с чего начинать и какая последовательность действий будет правильной? 

На этот вопрос не существует универсального ответа, кроме, пожалуй, такого: Оператор сети должен определить для себя приоритетные бизнес цели на основании экономических основных показателях производительности (KPI). Именно бизнес цели должны стать краеугольным камнем при определении задач оптимизации сети. И уже после чёткой формулировки этих задач, должны быть идентифицированы технические KPI, на которых, согласно выбранной стратегии, зиждется надлежащее функционирование сетевой архитектуры. Согласно этой концепции, постепенно, шаг за шагом, операторы приступают к внедрению новых сервисов. В самом общем плане, речь идёт о голосовых вызовах и пакетной передаче данных. Именно эти услуги, в первую очередь, должны быть оптимизированы, ошибки выявлены и устранены. В общем и целом, будет правильным утверждать, что конечной целью выполнения измерений на производительность является отладка неполадок и оптимизация функционирования сети (рис. 1)

Тем не менее, чтобы оператор коммуникационной сети ни предпринимал, в конечном итоге именно его абоненты оценят, была ли на само деле эта сеть оптимизирована таким образом, что полностью соответствует их ожиданиям. Всё возрастающий коэффициент текучести абонентской базы (кол-во абонентов, разрывающих контракт и переходящих к оператору-конкуренту) может стать наглядным индикатором того, что на техническом уровне что-то не так. К счастью, для аналитиков и специалистов по маркетингу, озабоченных причинами упомянутого оттока, имеются очень хорошие новости: рассчитать реальный коэффициент оттока абонентской базы чрезвычайно проблематично. Это потому, что большинство абонентов операторов мобильных сетей являются предоплаченными (prepaid), а поскольку значительное количество таких абонентов достаточно часто бывают заграницей и, основываясь на том, что тарифы по предоплате практически всегда значительно ниже тарифов роаминга, то предоплаченных абонентов, при покупке ими местной SIM-карты, можно вполне назвать «временными». Как только они возвращаются к себе на родину, их предоплаченные контракты продолжают оставаться активированными, до тех пор, пока не истечёт срок их (контрактов) действия. Поэтому не всегда прервавшийся контракт можно назвать «оттоком». Точный коэффициент оттока всегда значительно меньше, чем официальные косвенные показатели. Но насколько? А вот для того, чтобы выяснить это, необходима дополнительная информация.

Факт необходимости дополнительной информации для проведения расчётов не-технических ключевых рабочих показателей на основе результатов измерений (в данном случае базируясь на счётчике, рассчитывающим количество аннулированных и истекших контрактов) также актуален и при вычислении технических KPI и Ключевых показателях качества (KQI), см. рис. 2

Общая концепция упомянутых выше индикаторов такова, что сетевые элементы и пробники, применяемые в качестве инстанций ресурсов услуг, помещаются на определённых узлах сетевой инфраструктуры для захвата данных, относящихся к категории производительности, например, кумулятивные счётчики протокольных событий. В постоянные интервалы времени или же близко к реальному времени, эти данные, относящиеся к параметрам производительности, переносятся на более высокий уровень системы обеспечения качества и управления производительностью. Типичным примером такого решения может стать программный пакет WatchMark™ от Vallent Corporation, которая запитывается данными о производительности сети, генерируемые контроллерами сетей радио доступа (RNC), центрами мобильной коммутации (MSC) и узлами поддержки GPRS (GSNs). Для этой цели, например, RNC каждые 15 минут записывает значения своих предопределённых пересчётных схем по производительности в предопределённый отчёт формата XML. Этот отчёт в файле XML передаётся через так называемый «вышерасположенный» интерфейс, соответствующий спецификациям TMF (Tele Management Forum) CORBA. Дополнительные данные, как-то: трафик и тарифные модели предоставляются иными источниками, таким образом, на свет рождается полностью законченное решение для управления бизнес процессами и качеством услуг.        

Как отмечается на сайте www.watchmark.com, всеобъемлющее решение: «…… предоставляет целый ряд преимуществ провайдеру услуг при управлении всей его базой данных абонентов, включая категории предоплаченных, франкированных (postpaid – прим. автора) и корпоративных». 

• Система управления качеством обеспечивает сквозную обозреваемость качества услуг, предоставляемых сетью, что является гарантией того, что каждая услуга (например, MMS, Wi-Fi, iMode, SMS, GPRS, etc.) функционирует надлежащим образом и доступна каждому абоненту сети;

• Международные договорённости и соглашения о предоставлении услуг с 3-ими сторонами (SLA), дают возможность сервис провайдерам тестировать, оценивать и осуществлять мониторинг уровня предоставляемых 3-ими сторонами услуг в пределах установленных спецификаций, чтобы гарантировать то, что оптимальное качество сервиса доходит до абонентов;

• Корпоративные SLA способствуют сервис провайдерам в установлении специфических соглашений со своими корпоративными абонентами, когда провайдеры могут предоставлять специализированные, отдельно оговоренные со своими абонентами услуги.       

Однако, в рамках этой концепции присутствует одна большая проблема: сетевые элементы, напитывающие данными вышестоящие уровни системы управления сетевой архитектуры, в основном спроектированы под коммутирующие соединения. RNC не предназначен для того, чтобы измерять и генерировать сведения, относящиеся к категории производительности. Точнее, это не есть основная обязанность этого сетевого узла. Известно, что наиболее критической частью сетей мобильной связи является радио интерфейс и подсистема UTRAN, контролируемая RNC, представляет собой превосходный участок для сбора данных, предоставляя общий обзор качества функционирования радио интерфейса, с учётом того, что методология drive test (определение радио покрытия с мобильного передвижного средства), способная выполнять те же задачи, достаточно дорога (необходимо, по меньшей мере, задействовать двух специалистов и один автомобиль для тестовой сессии в течение всего рабочего дня). Во-вторых, данные по функционированию сети, получаемые на протяжении drive tests, не могут часто организовываться в формат отчётов и переправляться на высшие уровни системы управления сетевой архитектуры для последующего анализа. Тем самым, возникает ситуация, когда большие массивы важнейшей информации, относящиеся к производительности сети, просто теряются и не доходят до назначения. Такая обстановка стимулирует острую необходимость в применении нового поколения измерительного инструментария, способного захватывать террабиты данных от интерфейсов UTRAN, осуществлять их высокопродуктивную фильтрацию и корреляцию, сохранять результаты и параметры ключевых рабочих показателей в базах данных, при этом быть способным отображать, экспортировать и импортировать результаты измерений с использованием стандартных компонентов и процедур. 

Перед тем, как приступить к обсуждению архитектур такого рода систем, будет полезно определиться с некоторой терминологией.

Что такое KPI?

Ключевые рабочие показатели (KPI) присутствуют везде, не только в телекоммуникациях. KPI не могут только отождествляться с техническими терминами. Существуют десятки экономических KPI, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, например, Индексы Dow Jones и курсы обмена валют. Оборот любой компании нельзя отнести к категории KPI, поскольку это величина общего характера, однако, валовый доход уже может считаться KPI. Таким образом, что различает данные, относящиеся к функционированию той или иной системы от KPI, так это то, что значения KPI рассчитываются по формулам. Для этих формул необходимы различные типы входных данных: кумулятивные величины наработки того или иного узла, постоянные значения (константы) и показания таймера, которые порой считаются наиважнейшими. Кроме того, значения KPI, которые уже были рассчитаны, очень часто встречаются в других формулах расчёта ключевых рабочих показателей.   

Большинство формул KPI достаточно просты. Трудности в оценке производительности сетей кроются не в самих формулах, а том, каким образом осуществляется отфильтровка входных данных, а затем их сбор и сортировка под определённые задачи расчётов. Сказанное выше можно продемонстрировать на простом примере. Представим себе KPI под названием NBAP Success Rate (Коэффициент успешных сессий прикладного участка базовой станции UMTS – Node B). Этот показатель указывает на то, какое количество процедур на NBAP (подсистема базовой станции) были завершены успешно, а какое количество провалилось. NBAP – протокол, задействуемый для связи между Node B и CRNC (управляющий контроллер подсистемы радио доступа). Для расчётов показателей NBAP Success Rate, необходимо вывести соответствующую формулу. В стандартах 3GPP 25.433 для прикладного участка Node B (NBAP) приводится описание и пояснения того, что называется процедурами сигнализации UMTS, где определяется, что в NBAP присутствуют только три типа сообщений: Исходное Сообщение, Удачный Исход и Неудачный Исход (см. рис. 3)

Исходя из этого, Коэффициент успешных сессий (NBAP Success Rate) может быть определён по следующей формуле:

 Коэффициент успешных сессий NBAP =  [Σ NBAP Удачных исходов / Σ NBAP Исходных сообщений] x 100%         

Формула выглядит довольно-таки внушительно, но слепое её применение приведёт к получению недостоверных результатов измерений, поскольку не учитывается важнейший фактор. Существует два различных класса сообщений NBAP. В классе 1 процедур NBAP, на Исходное сообщение приходит ответ с сообщениями Удачных или Неудачных исходов, что известно из общепринятой теории протоколов как Подтверждение или Ориентированный на соединение перенос данных. В классе 2 процедуры NBAP не подтверждаются или происходят без установления соединения. Это означает, что отсылается только Исходное сообщение, но от равноправного объекта никакого ответа не ожидается. Поскольку большинство сообщений NBAP, анализируемых на интерфейсе Iub, принадлежат к т.н. неподтверждённым процедурам класса 2 (что особенно актуально для всех отчётов по измерениям [обычным, целенаправленным]), то Коэффициент успешных сессий NBAP, рассчитываемый с применением вышеприведённой формулы, может показать значение менее 10% от реального, на которое оказывает значительное влияние целый ряд ошибок и иных факторов воздействия при выведении этого KPI. 

Таким образом, зная различия между процедурами NBAP класса 1 и 2, должен быть определён критерий фильтрации, который можно выразить следующим:

Коэффициент успешных сессий NBAP класса 1 = [Σ NBAP удачных исходов / Σ Исходных сообщений NBAP класса 1] х 100%

Точное определение этого KPI обычно не представляется в виде формул, а в основном в описательном виде. Больше примеров на эту тему будет приведено в последующих публикациях. Урок, который можно вынести из примера расчётов Коэффициента успешности сессий NBAP тот, что KPI нельзя сравнивать между собой лишь по одним названиям. KPI также нельзя сравнивать по их формулам. Когда происходит сравнение различных KPI между собой, то необходимо усвоить точные определения, особенно параметры фильтрации, применяемые для подбора входных данных и, как это поясняется в дальнейшем, уровни агрегации и взаимосвязь параметров. 

Никогда не следует доверять бесконечному перечню названий поддерживаемых KPI, что декларируется в различной рекламной и маркетинговой литературе, издаваемой производителями сетевого, коммутационного и контрольно-измерительного оборудования. На самом деле, очень часто такие перечни состоят из функций простых регистраторов событий. Поэтому, необходимо помнить, что всегда и во всех случаях требуется применять дополнительные данные, равно как и простые расчётные значения для вычислений наиболее значимых KPI и KQI.