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TD-SCDMA网络测试仪中Uu接口的信令分析
何艺 雒江涛 张治中
2010-03-23 00:00:00 来源:[重庆邮电学院学报]

摘要 深入研究了在TD-SCDMA系统中对Uu接口协议栈进行信令监测的方法。给出了Node B节点的用户平面和Uu接口控制平面的结构模型和公共传输信道传输格式的确定方式,分析了Uu接口协议栈RLC协议的分段重组过程。在此基础上提出了从Iub接口FP协议数据帧中得到Uu接口协议栈数据,实现信令监测的一种算法。该算法的程序模块在实际环境下进行了测试,结果说明,运用该算法能够在Iub接口准确地、完整地监测和分析Uu接口的信令消息。

0、引言

  TD-SCDMA系统是TDMA和CDMA 2种基本传输模式的灵活结合。TD-SCDMA系统特别适合在城市人口密集地区提供高密度大容量话音、数据和多媒体业务。系统可以单独运营,也可以与其他技术配合使用[1]。中国将于2007年开始实施TD-SCDMA第三代移动通信网络的建设,各厂家的TD-SCDMA网络设备在设计和制造上虽然遵守标准的协议,但是在某些情况下仍出现了设备互联互通的问题[2],这就需要开发出适合中国国情的多协议信令检测仪表,为网络交换机的正常运行提供必备的检测依据和维护手段。

  我们在原有的GSM/CDMA等一系列信令分析仪表的基础上,针对TD-SCDMA系统,研制了TD-SCDMA网络测试仪。TD-SCDMA网络测试仪可为网络交换机的正常运行提供必备的检测依据和维护手段,是确保实现设备运行的关键技术之一。

  在本文中,我们针对TD-SCDMA如何对Uu接口协议信令进行测试,根据Uu接口协议信令在Iub用户平面的承载方式提出了一种通过Iub接口实现Uu接口信令测试和研究的一种方法。这样信令测试仪将不再需要无线信号接收模块,从而降低开发成本,缩短研发周期。经测试表明,采用该方法能够在Iub接口准确地测试Uu接口信令,满足设备厂商和运营商的测试需求。

1、FP帧协议及Uu接口第2层协议格式分析

  TD-SCDMA接入网(universal terrestrial radio access network,UTRAN)结构如图1所示,在TD-SCDMA系统中通用地面无线接入网络部分主要是由无线网络控制器、节点B(NodeB)和用户设备(UE)构成。Iub接口位于节点B(NodeB)与无线网络中心(RNC)之间。Uu接口存在于Ue与NodeB之间。在2个RNC之间是Iur接口,传递2个RNC之间的信息。

图1 TD-SCDMA系统UTRAN网络接口

Fig.1 Interfaces of TD-SCDMA UTRAN

  Iub接口包括2个功能层:无线网络层和传输网络层,而每一层又分为控制平面和用户平面。无线网络层用户平面由相应的Iub-FP协议组成,其主要功能是把Uu接口上的数据承载到Iub接口上的FP数据帧。在Uu接口上按其功能和任务分为物理层,数据链路层和网络层等3层。其中,数据链路层又分为媒体接入控制(MAC)、无线链路控制(RLC)、分组数据汇聚协议(PDCP)和广播/多播控制(BMC)等4个子层。Uu接口协议栈第3层协议和RLC按其功能又分为控制平面和用户平面,Uu接口协议栈第2层协议的PDCP和BMC只存在于用户平面中。在控制平面上,Uu接口协议栈第3层协议又被分为无线资源控制(RRC)、移动性管理(MM)和连接管理(CM)等3个子层。

  Uu接口用户平面的语音、分组数据和控制平面的信令数据在NodeB都作为用户数据从用户平面发送。用户平面的FP协议将Uu接口控制平面和用户平面的数据封装成帧,然后在事先分配的AAL2链路上进行传送。从而实现Uu接口的信令和用户数据在NodeB以透明方式传送给RNC端。NodeB用户平面成帧协议包括:USCH FP,DSCH FP,PCH FP,FACH FP,RACH FP和DCH FP,根据数据属于不同的传输信道,采用对应的FP协议对数据进行封装。我们重点讨论Uu接口控制平面部分MAC,RLC协议在Iub上的承载方式、测试软件中采用的解码方法以及RRC PDU的分段重组算法。

  首先介绍FP协议本身的消息结构和对Uu接口协议数据的承载方式。图2描述了Iub接口用户平面FP协议基本数据帧结构。

图2 Iub用户平面数据帧结构

Fig.2 Iub interface user plane message format

  图2中,数据帧头部(Header)包含以下几部分:①Head CRC(帧头CRC):主要是对帧头信息进行校验;②FT(帧类型):1 bit——0表示数据帧,1表示控制帧;③TFI(传输格式指示):提供净负荷的传输格式信息;④Other information(其他信息):如定时信息、测量信息和功率信息等。净负荷(Payload)主要由3部分组成:①TB(传输块):携带要传输的数据信息,每个TB块就包含了一个MAC协议的PDU;②Spare Extension(预留块):为将来增加新的IE(信息元素)保留位置;③Payload CRC(净负荷CRC):对净负荷数据进行校验。

  Uu接口控制平面协议栈第2层协议主要包括MAC和RLC协议,它们和无线网络层的协议信令都将通过FP成帧协议映射到Iub接口的AAL2承载上,下面将分别介绍MAC和RLC协议的信令消息格式。

  MAC层与物理层之间的通信是通过传输信道进行的,而与无线链路控制层之间的通信则是使用逻辑信道。因此,在MAC子层中将完成逻辑信道和传输信道之间的相互映射,并根据逻辑信道的资源速率为传输信道选择合适的传输格式(TF),而传输格式的选择是根据连接建立时由RRC实体定义的传输格式集(TFCS)进行的。MAC层的PDU结构如图3所示。

图3 MAC层基本PDU结构

Fig.3 MAC protocol PDU format

  MAC子层PDU结构解析如下。

  ●TCTF字段编码:TCTF主要用来识别RACH和FACH上的逻辑信道,从MAC PDU结构也可看出,TCTF字段只存在于RACH和FACH上。

  ●UE-Id类型编码:UE-Id type字段只用于目标逻辑信道为DCCH或DTCH、传输信道为公共传输信道或共享信道的情况,即需要UE-Id的场合,来指示所用UE-Id的类型。这里需要注意的是:DTCH/DCCH RACH时,UE-Id type必须为C-RNTI(01);DTCH/DCCH DSCH/USCH时,UE-Id type必须为DSCH-RNTI(01)。

  ●UE-Id编码:UE-Id字段只用于目标逻辑信道为DCCH或DTCH、传输信道为公共传输信道或共享信道的情况,用来识别不同的UE。

  ●C/T字段编码:C/T字段用于在有逻辑信道复用时识别不同的逻辑信道,其编码对公共传输信道和专用信道都相同。

  在RLC层和MAC层之间的SAP提供逻辑信道,RLC提供3类SAP,对应于RLC的3种操作模式:非确认模式(UM)、确认模式(AM)和透明模式(TM)。在控制平面RLC向高层(RRC)提供的服务为信令无线承载(SRB);在用户平面RLC向高层(PDCP、BMC)提供的服务为无线承载(RB)。在控制平面和用户平面上,RLC提供的服务没有区别。在透明模式下,RLC使用TMD PDU来传输用户数据。TMD PDU在传送RLC SDU数据时不添加任何RLC头,其PDU就是上层数据本身。在非确认模式和确认模式下,RLC分别使用UMD PDU和AMD PDU来传输用户数据[3]。UM和AM模式的PDU格式分别如图4,图5所示。

图4 UM模式PDU结构

Fig.4 UM mode PDU format

图5 AM模式PDU结构

Fig.5 AM mode PDU format

  D/C:用于标识PDU是数据PDU还是控制PDU的字段,值为0时表示PDU为控制PDU,值为1时表示PDU为数据PDU。

  SN:该域指示RLC PDU的序号,二进制编码。

  轮询比特(P):该域用来请求一个从接收端的状态报告(一个或者几个状态PDU)。用于请求对等端发送状态报告。0表示不请求状态报告,1表示请求状态报告。

  PDU类型:指示控制PDU的类型。

  扩展比特(E):该比特指示下个八位组是否是长度指示。0表示下一个字段是数据、捎带STA-TUS PDU或填充。1表示下一个字段是长度指示LI和扩展比特E。

  保留1(R1):在复位PDU和复位应答PDU中的这个域用来组成一个复合8比特组,编码为“000”。其它值保留并且在协议版本中考虑为无效。

  报头扩展比特(HE):这个2bit域指示下个8位组是数据还是长度指示和扩展比特。

  长度指示(LI):用来指示在PDU中的每个RLC SDU结尾的最后一个8位组。

2、传输信道在Iub接口上的AAL2类承载映射关系的确定

  在Iub接口用户平面,不同的传输信道对应着不同的FP成帧协议,采用不同的帧格式和传输格式。在这里要获取Uu接口信令PDU需要先确定当前数据帧的传输格式。而不同的传输信道各自具备一套传输格式集,数据帧的传输格式属于这个集合并且由数据帧中携带的指示字段指示当前数据帧所采用的传输格式。传输格式集是在传输信道建立时由RRC实体发送传输信道建立消息的过程中指示的,一个传输格式集中包含了在该传输信道上可能出现的多个传输格式。所以只需要知道每个Iub接口上的AAL2类承载对应的是那个传输信道,就可以知道FP数据帧的传输格式属于哪一个传输格式集,从而确定其格式。下面就具体介绍如何确定一个AAL2类承载对应的传输信道。

  因为专用传输信道对应的AAL2类承载能够从公共传输信道获取的信令消息中得知,所以关键在于找到公共传输信道对应的AAL2类承载,具体来说就是获得FACH,RACH,PCH信道对应的2类承载。首先建立公共传输信道中各类信道的传输格式集合和公共传输信道的ATM连接集合;接着提取公共传输信道中ATM连接上的帧长度,并记录各自的ATM连接传输参数VPI/VCI/CID;将提取的数据帧长度与建立的传输格式集合中的数据进行比较,以判断该数据帧属于哪一种公共传输信道,以此判断公共传输信道类型[4]。具体的判断依据如下:如果某一ATM连接上数据帧的长度属于某个传输信道的帧长度集合,则标记该连接承载该传输信道。如果标记为某传输信道类型的ATM连接上出现了不属于该信道的帧长度集合的数据帧长度,则重新标记该连接不属于该传输信道类型。最终利用各信道数据帧长集合中的非交集部分可成功地判断出传输信道和AAL2类承载的映射关系。该过程的算法描述如图6所示。

图6 传输信道AAL2类承载映射关系分析过程

Fig.6 Arithmetic about confirming the AAL2 bear for transport channels

  在获得了传输信道与AAL2类承载的映射关系之后,将根据不同的传输信道格式集包含的FP帧的TB块长度来提取MAC层的PDU。

3、MAC协议解码分析

  从FP数据帧中获得MAC层PDU之后就开始MAC层的解码和提取SDU过程。MAC实体主要实现逻辑信道与传输信道的映射,在解码流程中MAC模块主要实现MAC头信息解码以及提取RLC协议的PDU,并将该PDU对应的逻辑信道类型信息和PDU数据段一起传送给RLC解码模块。

  上面一节中论述了MAC协议PDU的通用格式,但是根据传输信道对应的逻辑信道不同,MAC实体将按具体情况包含不同的字段信息。下面仅以RACH信道为例,介绍MAC头字段在对应不同逻辑信道时字段内容的变化情况。

  在传输信道RACH上,依据逻辑信道的不同,MAC头的结构有所不同,如图7所示。

图7 RACH信道上MAC头信息类型

Fig.7 MAC protocol message type on RACH

  从图7可以看出,由于传输信道对应的逻辑信道不同,MAC头信息字段有比较大的差别,所以在FP数据帧完成从TB块中提取MAC PDU之后还需要将该PDU所在的传输信道类型作为MAC模块解码所需的必要信息一并送给MAC解码模块。另外MAC层解码模块还需要知道各个传输信道上的逻辑信道复用情况,这需要根据被测试设备的配置信息来确定。

  在获得了MAC PDU和该PDU对应的传输信道类型信息后,MAC解码模块对该PDU进行解码。由于不同的传输信道对应的逻辑信道不同且MAC头的字段结构也不相同,这里我们以RACH信道为例,对MAC协议PDU解码方法做如下分析。

  首先取得该MAC PDU的比特单位长度和该PDU对应的传输信道类型。然后根据逻辑信道复用情况,判断该RACH信道是否映射唯一逻辑信道SHCCH,若是则无MAC头。否则,进行MAC头解码,通过TCTF字段进行逻辑信道类型判断。首先取MAC PDU头部前2个bit,如果是(00)B,则该PDU映射的逻辑信道为CCCH;若为(10)B,则该PDU映射的逻辑信道为SHCCH。在这2种情况下,MAC头信息长度均为2 bit。如果前2 bit是(01)B,那么逻辑信道为DCCH或DTCH,且该种情况下TCTF字段应该为6 bit(010001),MAC头总长为26 bit。若为其他值则是异常情况。在确定了RACH信道映射的逻辑信道类型之后,按照其逻辑信道类型所对应MAC头信息字段内容分别对各个字段进行解码。MAC PDU除去头信息部分剩下的便是Uu接口RLC协议的PDU数据。MAC解码模块将得到的RLC PDU和该PDU对应的逻辑信道类型信息一同传送给RLC解码模块。上述MAC模块解码算法如图8所示。

图8 RACH信道MAC协议解码流程

Fig.8 Arithmetic about MAC message decode on RACH

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