4G／3G終端RRM一致性測試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

李清泉，鄧 鋼

（北京郵電大學 泛網(wǎng)無線通信教育部重點實驗室，北京100876）

0 引 言

作為TD－SCDMA的后續(xù)演進，TD－LTE是由我國主導提出的準4G移動通信標準，其后續(xù)演進的TD－LTE－Advanced已成功入選ITU的4G標準，在國際上得到廣泛認可[1]。從TD－LTE商用情況來看，TD－LTE將首先實現(xiàn)局部覆蓋，為熱點地區(qū)提供準4G服務，而現(xiàn)有的TD－SCDMA和GSM網(wǎng)絡提供全覆蓋3G或語音服務。因此，僅僅支持TD－LTE一種無線接入技術 （radio access technology，RAT）的單模終端已不能滿足用戶及市場的需求[2]，同時支持TD－LTE，TD－SCDMA和GSM的多模終端成為3G系統(tǒng)到LTE系統(tǒng)平滑過渡的橋梁。

無線資源管理 （radio resource management，RRM）一致性測試包含小區(qū)重選，切換，測量上報，隨機接入等多方面的內(nèi)容，是對終端無線資源管理性能的全面考察。國內(nèi)現(xiàn)有的RRM一致性測試系統(tǒng)主要針對各單模系統(tǒng)設計，文獻[3]中給出一種TD－LTE終端無線資源管理一致性測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，而支持TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間的RRM一致性測試系統(tǒng)是考察多模終端在線狀態(tài)下進行系統(tǒng)間無線資源管理能力的重要手段。系統(tǒng)間無線資源管理的難點在于系統(tǒng)間同步及異系統(tǒng)操作時延計算，這將影響到對終端性能評估的準確性。

本文將在分析現(xiàn)有單模RRM一致性測試系統(tǒng)的基礎上，提出將TD－LTE和TD－SCDMA單模RRM一致性測試系統(tǒng)級聯(lián)以實現(xiàn)TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間RRM一致性測試系統(tǒng)的方案，設計TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間互操作所需的控制軟件，解決異系統(tǒng)互操作時延計算方案，最后以一個TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間小區(qū)重選實例驗證該設計的可行性和有效性。

1 基于TTCN的RRM一致性測試模型

文獻[4]中給出了一種基于TTCN－3的RRM一致性測試系統(tǒng)解決方案，該解決方案的框架圖如圖1所示。

圖1 基于TTCN－3的RRM一致性測試架構

從硬件層面來看，該測試系統(tǒng)主要由兩個部分組成:上位機和系統(tǒng)模擬器，其中上位機將運行測試用例，系統(tǒng)模擬器作為系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)相應系統(tǒng)底層、空口協(xié)議棧功能。

從軟件層面上看，該測試系統(tǒng)由位于上位機的L3軟件和位于系統(tǒng)模擬器的L1，L2軟件構成。該系統(tǒng)使L3（包括RRC／NAS）協(xié)議棧和L1，L2實現(xiàn)了物理上的分離，這種架構兼顧了系統(tǒng)的可靠性以及可移植性。

文獻[4]中對 TD－LTE／TD－SCDMA雙?；ゲ僮飨到y(tǒng)測試模型有具體定義，其框架如圖2所示。

其中的EUTRAN PTC和UTRAN PTC分別用來實現(xiàn)模擬TD－LTE系統(tǒng)和TD－SCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡層 （L3）的相關功能，包括定義L3的原語、變量、約束、函數(shù)、實現(xiàn)L3的所有RRM功能。PTC（paralleled test component）實質上可理解為一個進程中的線程，在整個可執(zhí)行的測試套中，各個PTC各司其職，除了完成自己相應的功能外，也可以同步協(xié)調來完成同一個功能。

PDCP，RLC，MAC，PHY分別實現(xiàn)層1和層2協(xié)議棧基本功能，在這些基本功能實現(xiàn)后，通過設計層3中各PTC的流程來實現(xiàn)對終端不同的測試需求。

圖2 TD－LTE／TD－SCDMA互操作測試模型

2 TD－LTE／TD－SCDMA 系統(tǒng)間 RRM 一致性測試系統(tǒng)實現(xiàn)

TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間RRM一致性測試系統(tǒng)硬件部分主要通過級聯(lián)已有的TD－LTE和TD－SCDMA單模系統(tǒng)模擬器，并基于此設計控制軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)間的互操作。

2.1 硬件平臺

根據(jù)測試模型的定義，TD－LTE／TD－SCDMA雙?；ゲ僮饔布軜嬛饕捎?臺上位機＋2臺系統(tǒng)模擬器，SS（系統(tǒng)模擬器）來模擬不同RAT的L1，L2協(xié)議棧和射頻功能，另外按協(xié)議中對終端RRM一致性測試的無線信道環(huán)境的要求，還需要增加信道仿真器，射頻切換箱用于模擬無線環(huán)境。

基于該設計思想，系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。

圖3 硬件結構

TD－LTE系統(tǒng)模擬器、TD－SCDMA系統(tǒng)模擬器:用于模擬各類型小區(qū)場景，每一臺系統(tǒng)模擬器模擬一個小區(qū)；射頻切換箱用于根據(jù)各測試例特定的射頻線連接方式及信道環(huán)境設置[9]（AWGN、多徑衰落等）。

針對TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間互操作的場景，需要設計射頻切換箱如圖4所示，下行信號需要經(jīng)過信道模擬器 （CE），疊加AWGN和多徑衰落，而對上行信號則不經(jīng)過CE，在理想信道環(huán)境中傳輸。

在系統(tǒng)控制計算機的控制下，自動完成系統(tǒng)中各設備射頻輸入輸出端口及UE天線的連接。

2.2 軟件架構

基于TTCN－3的測試模型，系統(tǒng)的軟件架構如圖5所示。

各部分軟件功能見表1。

圖4 射頻切換箱連接

圖5 系統(tǒng)軟件結構

表1 各部分軟件功能

3 TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間互操作控制

系統(tǒng)間互操作的流程控制基于TTCN－3實現(xiàn)，全部運行在L3軟件中，主要是兩個PTC的實現(xiàn)，分別模擬兩個小區(qū)的流程，本節(jié)將解決系統(tǒng)間互操作的同步和時延計算問題。

3.1 測試成分實現(xiàn)

對于異系統(tǒng)的測試例需要兩種不同接口的PTC來模擬兩種小區(qū)，顯式創(chuàng)建EUTRA＿PTC和UTRAN＿PTC然后分別在這兩個測試成分上實現(xiàn)各自小區(qū)的測試流程，定義測試例代碼為:

testcase TC＿4＿3＿4＿2 （）runs on MTC＿LTE system SYSTEM＿LTE｛

var EUTRA＿PTC v＿EUTRA :＝EUTRA＿PTC.create alive；／／創(chuàng)建EUTRA＿PTC

var UTRAN＿PTC v＿UTRAN :＝UTRAN＿PTC.create alive；／／創(chuàng)建 UTRAN＿PTC

var GERAN＿PTC v＿GERAN :＝null；

var CDMA2000＿PTC v＿CDMA2000 :＝null；

var IMS＿PTC v＿IMS＿PTC1 :＝null；

var IMS＿PTC v＿IMS＿PTC2 :＝null；

timer t＿GuardTimer :＝int2float（36000）；

f＿MTC＿ConnectPTCs＿LTE（v＿EUTRA，v＿UTRAN，v＿GERAN，v＿CDMA2000，v＿IMS＿PTC1，v＿IMS＿PTC2）；

v＿EUTRA.start（f＿RRM ＿TC＿4＿3＿4＿2＿EUTRA （））； ／／運行EUTRA＿PTC的測試步

v＿UTRAN.start（f＿TC＿4＿3＿4＿2＿UTRAN（））； ／／運行UTRAN＿PTC的測試步

t＿GuardTimer.start；

f＿MTC＿MainLoop（t＿GuardTimer）；｝

在函數(shù)f＿MTC＿ConnectPTCs＿LTE中實現(xiàn)各個接口的連接和映射如圖6，以實現(xiàn)本端配置，空口消息，測試成分間的同步等功能。從圖中可以看出，所有內(nèi)部PTC的對外接口全部映射到抽象測試系統(tǒng)上，即對下層系統(tǒng)模擬器而言，高層被抽象成一個測試系統(tǒng)，而屏蔽了內(nèi)部的復雜邏輯。

圖6 測試成分接口映射

3.2 系統(tǒng)間互操作的同步

系統(tǒng)間互操作的RRM一致性測試系統(tǒng)的同步主要包括兩方面內(nèi)容:L3兩個PTC流程同步和物理層幀結構的同步。

PTC之間的同步，通過內(nèi)部接口 （圖6）UTRAN和EUTRAN交換特定的觸發(fā)消息來實現(xiàn)，當一個PTC完成一個流程后，需要等待另一個PTC的觸發(fā)消息，才能繼續(xù)執(zhí)行，這樣保證了兩個PTC同步協(xié)調。

物理層幀結構的同步通過硬件手段實現(xiàn)，在系統(tǒng)開機時，通過LTE系統(tǒng)模擬器發(fā)送一個觸發(fā)信號給TD－SCDMA系統(tǒng)模擬器來保證物理層幀號同時開始計數(shù)，從而保證異系統(tǒng)幀結構的同步對齊。

3.3 TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間互操作時延計算方案

RRM測試的一個重要指標是時延，它是指從執(zhí)行可觸發(fā)終端進行某項無線資源管理行為的外部環(huán)境變化或空口信令開始，到終端完成該無線資源管理操作所經(jīng)歷的時間。它綜合反應了終端物理層測量能力、數(shù)據(jù)處理能力、決策算法性能等多方面能力，包含小區(qū)重選時延、切換時延、測量上報時延等的計算。對于系統(tǒng)間互操作，由于TDLTE和TD－SCDMA的幀結構并不完全相同，因而相比于單模系統(tǒng)，系統(tǒng)間RRM一致性測試的時延計算具有復雜性，是異系統(tǒng)級聯(lián)時需要解決的重要問題，本文給出了一種解決方案。

3.3.1 TD－LTE／TD－SCDMA幀結構分析

TD－LTE和 TD－SCDMA 幀結構[5，6]見圖7，分析可知TD－SCDMA的子幀和 TD－LTE的半幀是對齊的，都是5ms。TD－LTE系統(tǒng)幀號從0－1023循環(huán)，子幀號從0－9循環(huán)，周期為1024＊10ms＝10.24s；而 TD－SCDMA的子幀號從0－8191循環(huán)，周期為8192＊5ms＝40.96s。

圖7 TD－LTE和TD－SCDMA幀結構對比

此處需注意，TD－LTE一個幀號加1表示10ms，而TD－SCDMA子幀號加1表示5ms，所以TD－LTE的一個周期1023個幀對應于TD－SCDMA的2047個子幀。

3.3.2 時延計算方案

對于TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間互操作的無線資源管理，測試中時延計算的起點和終點可能分別在兩個系統(tǒng)中，這樣就有4種情況組合，見表2。其中場景1和場景3與單模中時延計算類似，而場景2和場景4是系統(tǒng)間時延計算的特例。下面將以場景2為例，介紹時延計算方案。

表2 時延計算場景分類

對于場景2，延時計算如圖8所示。

該計算方案關鍵步驟為:

（1）在系統(tǒng)開機時進行一次物理層硬件同步，保證兩個系統(tǒng)物理層幀號都從0開始計數(shù)；

（2）在時延計算起點獲取起點幀號p＿StartTiming，同時開啟一個定時器p＿Toffset，用來估算經(jīng)過了幾個幀周期 （由于定時器無法達到ms級精度，因而只能用來估算經(jīng)過了幾個幀周期）；

（3）在時延計算終點獲取終點幀號p＿EndTiming，同時讀取當前定時器Toffset的值。

（4）將TD－SCDMA幀號換算到一個TD－LTE幀周期中，即 （p＿EndTimingMOD 2048），結果與p＿Start－Timing相減算出在一個周期中的偏移值。

（5）（p＿Toffset／ （2048＊5））估算已過去的周期數(shù)，與4中結果相加即得到最終時延。

基于此方案所計算的時延精度取決于TD－LTE和TDSCDMA上報幀號的最小間隔，TD－LTE最小上報間隔為1ms，而TD－SCDMA最小上報間隔為5ms，因此最終算出的時延精度為＋／－5ms，滿足文獻[8]中對時延精度的要求。

圖8 時延計算

對于場景4，與此情況類似，此處不再贅述。

4 TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間重選實例

本節(jié)將以文獻[7]定義的 TD－LTE／TD－SCDMA 系統(tǒng)間重選測試例4.3.4.2為例，詳細介紹在本文所提出的系統(tǒng)上實現(xiàn)測試例的方法。該重選實例用于驗證終端能夠搜索和測量TD－SCDMA鄰小區(qū) （處于較低的重選優(yōu)先級），并與當前服務的TD－LTE小區(qū)比較，滿足系統(tǒng)間重選準則，執(zhí)行重選。

4.1 測試點分析

執(zhí)行一次測試例，會發(fā)生兩次重選，從TD－SCDMA小區(qū)重選回TD－LTE只是為下一次循環(huán)做準備，而從TDLTE重選到低優(yōu)先級的TD－SCDMA小區(qū)才是測試點，重選時延定義為:從滿足重選的功率變化T2時刻開始，到終端開始在目標小區(qū)cell2上SYNCH－UL序列以發(fā)送RRC連接建立請求進行RAU過程。

重選到低優(yōu)先級的異系統(tǒng)鄰小區(qū)時延[1]定義為:

Treselect＿UTRA＿TDD（重選時延）＝TevaluateUTRA＿TDD（小區(qū)評估時間）＋TSI＿UTRA，（接收系統(tǒng)消息時間）

＝19.2s＋1280ms

＝20.48s

該測試例允許最大21s的重選時延，要求置信度在95%的情況下，成功次數(shù)大于90%則判為PASS。

4.2 參數(shù)配置

該測試例分別涉及2個小區(qū)，即一個TD－LTE服務小區(qū) （小區(qū)1），和一個TD－SCDMA鄰小區(qū) （小區(qū)2），小區(qū)1配置為Band38，小區(qū)2配置為BandA，則頻點，帶寬信息見表3。

異系統(tǒng)鄰小區(qū)的組網(wǎng)是測試例實現(xiàn)的關鍵，主要通過鄰小區(qū)列表來實現(xiàn)，在TD－LTE與TD－SCDMA組網(wǎng)的場景下，LTE中通過sib6廣播鄰小區(qū)TD－SCDMA的相關信息，而TD－SCDMA通過sib19來廣播鄰小區(qū)LTE的相關信息，在兩個PTC各自初始化完自己的系統(tǒng)消息后，相互交換關鍵參數(shù)，存在對方的鄰小區(qū)列表中，鄰小區(qū)列表組織見表4。

表3 小區(qū)基本參數(shù)

表4 鄰小區(qū)列表內(nèi)容組織

4.3 測試流程

首先將終端調度到State 2A[9]，即在LTE小區(qū)上完成注冊并回到空閑狀態(tài)，激活測試模式，然后包含2個連續(xù)時間段T1（85s）和T2（25s），在T1之前cell1和cell2功率都打開，被UE識別，cell1和cell2屬于不同的跟蹤區(qū)／路由區(qū)，因此重選后需要進行跟蹤區(qū)／路由區(qū)更新。

T1和T2兩個時間段內(nèi)的詳細參數(shù)配置參見文獻，這里主要關注觸發(fā)終端小區(qū)重選的環(huán)境變化，即兩小區(qū)功率RSRP （TD－LTE）和 RSCP （TD－SCDMA）。T1，T2時間內(nèi)兩小區(qū)功率變化見表5。

表5 兩小區(qū)各時刻功率變化

綜合分析表4和表5中參數(shù)，可以確定終端在該測試環(huán)境的正確行為應為:

（1）在T1時間內(nèi)駐留在TD－LTE小區(qū)上 （cell1），并且根據(jù) S準則[10，11]計算 S值如下

Srxlevcell1＝－87－（－140）－0＝53

根據(jù)測量啟動準則:s－NonIntraSearch在系統(tǒng)消息sib3中缺省，則需要測量鄰小區(qū)，即在T1時間內(nèi)，已經(jīng)測量到TD－SCDMA小區(qū) （cell2），則評估其服務質量

Srxlevcell2＝－72－（－103）－0＝31

根據(jù)重選到低優(yōu)先級鄰小區(qū)準則:Srxlev cell1＞46dB（threshServingLow），不會重選到cell2。

（2）在T2時刻功率變化后

Srxlevcell1＝－101－（－140）－0＝39

Srxlevcell2＝－72－（－103）－0＝31

此時滿足:Srxlevcell1＜46dB（threshServingLow）

Srxlevcell2＞24dB（threshXlow）

TreselectionRAT＝0s

會立即觸發(fā)UE重選到鄰小區(qū)，當T2結束，又會回到T1。

（3）再次回到T1時刻時，終端還駐留在TD－SCDMA小區(qū) （cell2）

Srxlevcell1＝53＞46dB （threshXhigh）

滿足重選到高優(yōu)先級鄰小區(qū)的準則，則終端又重選回Cell1，依此過程循環(huán)下去。

測試例信令流程如圖9所示。

4.4 結果驗證

按照本文設計的TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間重選測試例，已能成功運行在RRM一致性測試系統(tǒng)上，經(jīng)過與終端聯(lián)調，能夠成功通過測試，運行情況如圖10所示。

圖9 測試例信令流程

從圖10中的MSC圖可以看到從eutran＿Cell6重選到utran＿Cell8的過程，首先通過RRCConnectionReq在TDSCDMA小區(qū)上發(fā)起連接建立，然后通過ROUTINGAREAUPDATEREQUEST來發(fā)起位置更新，最后完成安全模式等剩余流程釋放連接回到空閑態(tài)。輸出的log信息中顯示本次重選時延是1041ms，小于20.48s，本次判為成功。而總體統(tǒng)計中重復了46次，失敗1次，滿足置信區(qū)間要求，所以該測試例判為PASS。

5 結束語

本文通過對TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間無線資源管理一致性測試系統(tǒng)模型的研究，提出了基于TTCN－3的異系統(tǒng)RRM一致性測試系統(tǒng)方案，著重解決了系統(tǒng)間互操作同步和時延計算方案，并基于此實現(xiàn)了3GPP協(xié)議規(guī)定的TD－LTE／TD－SCDMA系統(tǒng)間小區(qū)重選測試例。驗證結果表明，該方案所設計的系統(tǒng)能夠完成異系統(tǒng)協(xié)議棧功能，與終端完成交互，實現(xiàn)測試例流程，且測試用例腳本與硬件平臺相分離的結構，使其具有很高的可移植性，適用于不同的硬件平臺，增強了測試用例腳本的通用性。然而對于測試例實現(xiàn)中的異常流程的處理還有待進一步完善，以提高系統(tǒng)的容錯性；另外，該系統(tǒng)只考慮了TD－LTE／TD－SCDMA兩模間的互操作性，通過級聯(lián)GSM系統(tǒng)模擬器，可以實現(xiàn)2／3／4G多?；ゲ僮?，以適應多模網(wǎng)絡融合的需求。

圖10 重選測試例MSC

[1]WANG Yingmin，SUN Shaohui.Technology principle and system design of TD－LTE[M].1st ed.Beijing:Posts and Telecom Press，2010:3－7 （in Chinese）.[王映民，孫韶輝.TD－LTE技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京:人民郵電出版社，2010:3－7.]

[2]LI Weiping.Research of TD－LTE，TD－SCDMA，GSM inter－RAT cell reselection mechanism based on load balancing[D].Chongqing:CUPT，2011:18－24 （in Chinese）.[李偉平.TE－LTE，TE－SCDMA，GSM系統(tǒng)間小區(qū)重選機制研究——基于負載均衡的小區(qū)重選研究[D].重慶:重慶郵電大學，2011:18－24.]

[3]Dong Hongcheng，Liu Limin.The application of TTCN－3in the conformance testing of TD－LTE system[C]／／Second International Conference on Business Computing and Global Informatization，2012.

[4]3GPP TS 36.523－3V11.0.0user equipment（UE）conformance specification Part 3:Test suites[S].2011.

[5]3GPP TS 36.211V10.5.0physical channels and modulation[S].2012.

[6]3GPP TS 25.221V11.0.0Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels（TDD）[S].2012.

[7]3GPP TS 36.521－3V11.0.0:user equipment （UE）conformance specification；radio transmission and reception；part 3:radio resource management （RRM）conformance testing[S].2012.

[8]3GPP TS 36.133V11.4.0requirements for support of radio resource management[S].2012.

[9]3GPP TS 36.508V10.1.0common test environments for user equipment（UE）conformance testing[S].2012.

[10]3GPP TS 36.304V10.2.0user equipment（UE）procedures in idle mode[S].2011.

[11]3GPP TS 25.304V11.0.0user equipment（UE）procedures in idle mode and procedures for cell reselection in connected mode[S].2012.