LTE-A異構(gòu)網(wǎng)中分流承載技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方一鳴，李小文，張涵嫣

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

LTE-A異構(gòu)網(wǎng)中分流承載技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方一鳴，李小文，張涵嫣

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

3GPP在LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中提出了小小區(qū)增強(qiáng)策略的分流承載技術(shù)，即在MeNB(Master eNB)的覆蓋范圍內(nèi)部署SeNB(Secondary eNB)，二者共同組成E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)系統(tǒng)架構(gòu)中的接入網(wǎng)，為UE(User Equipment)提供聯(lián)合的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)對(duì)分流承載技術(shù)的研究，提供了其應(yīng)用場(chǎng)景，制定了接收實(shí)體的重排序規(guī)則，并為分流承載設(shè)計(jì)了建立與去建立流程圖，最后用TTCN-3(Testing and Test Control Notation version 3)測(cè)試系統(tǒng)的終端無(wú)線資源管理(Radio Resource Management，RRM)一致性測(cè)試平臺(tái)對(duì)流程設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

分流承載技術(shù)；雙連接；重排序機(jī)制；一致性測(cè)試

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的愈發(fā)成熟，終端的數(shù)據(jù)處理能力不斷增強(qiáng)，移動(dòng)分組業(yè)務(wù)正經(jīng)歷著巨大的變革。以LTE系統(tǒng)為例，在20 M帶寬內(nèi)可以支持下行最大速率100 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，而后繼的LTE-A系統(tǒng)中，下行最大速率更是達(dá)到了1 Gbps[1]。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的膨脹式增長(zhǎng)，通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力和部署策略面臨著巨大的挑戰(zhàn)。密集小區(qū)部署的提出極大地提升了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，典型的應(yīng)用場(chǎng)景是增大宏小區(qū)的覆蓋范圍，但這種場(chǎng)景會(huì)帶來(lái)功率不均衡和頻繁切換等問(wèn)題導(dǎo)致信令負(fù)載過(guò)大，因此在3GPP Rel-12中引入雙連接[2]的概念，即在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)部署小小區(qū)，終端可以同時(shí)利用宏基站和小基站的無(wú)線資源。

1 分流承載技術(shù)的介紹

分流承載，是在主基站的覆蓋范圍內(nèi)或其邊界處部署小小區(qū)，兩者為用戶設(shè)備提供聯(lián)合的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)UE處于雙連接(Dual Connectivity)狀態(tài)。早在Rel-10/11的研究階段，3GPP就提出了通過(guò)聚合多個(gè)載波來(lái)達(dá)到更大的帶寬，進(jìn)而提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。雙連接與載波聚合最大的不同之處就是載波聚合是應(yīng)用于理想回程鏈路而雙連接技術(shù)應(yīng)用于非理想回程鏈路[3]，并且相比于在載波聚合技術(shù)中只有一個(gè)基站管理宏小區(qū)和小小區(qū)，雙連接技術(shù)中是兩個(gè)基站分別管理宏小區(qū)和小小區(qū)。其中管理宏小區(qū)的基站成為宏基站，它與核心網(wǎng)中的移動(dòng)性管理實(shí)體(Mobility Management Entity,簡(jiǎn)稱MME)建有S1-MME接口，并被CN(Core Network)視作移動(dòng)錨點(diǎn)。管理小小區(qū)的基站稱為輔基站，其主要功能是為UE提供額外的無(wú)線資源的節(jié)點(diǎn)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分流承載技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要集中在用戶平面設(shè)計(jì)上，針對(duì)用戶平面的網(wǎng)絡(luò)體系，本文給出了設(shè)計(jì)方案1，如圖1所示。由圖1可以看出，EPS承載數(shù)據(jù)包由服務(wù)網(wǎng)關(guān)通過(guò)S1-U接口發(fā)送給MeNB，MeNB將部分?jǐn)?shù)據(jù)包通過(guò)Uu接口發(fā)送給UE，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)包通過(guò)宏基站與輔基站之間的數(shù)據(jù)接口傳輸給SeNB，并由SeNB通過(guò)Uu接口發(fā)送給UE。同一承載的數(shù)據(jù)包借助了2個(gè)基站無(wú)線資源進(jìn)行發(fā)送，極大地提高了該承載的吞吐量。

圖1 用戶平面網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì)

1.2 協(xié)議棧架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)用戶平面的協(xié)議棧架構(gòu)，本文給出了設(shè)計(jì)方案2，如圖2所示。

圖2 用戶平面協(xié)議棧架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2方案：分流承載用戶平面具備2個(gè)獨(dú)立的無(wú)線鏈路控制(Radio Link Control,RLC)層以及低層的各協(xié)議層。對(duì)于發(fā)送實(shí)體，依據(jù)確定的分流策略，數(shù)據(jù)包匯聚協(xié)議(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)層將數(shù)據(jù)包一部分發(fā)送給分流節(jié)點(diǎn)的RLC層，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)包由自身的RLC層進(jìn)行發(fā)送；對(duì)于接收實(shí)體，2個(gè)RLC層將接收到的數(shù)據(jù)包遞交給統(tǒng)一的PDCP層進(jìn)行處理[4]。固對(duì)于分流承載，發(fā)送實(shí)體具有路由功能，接收實(shí)體具有重排序功能[5]。

2 重排序機(jī)制設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的單連接場(chǎng)景中，接收實(shí)體只會(huì)收到一個(gè)RLC遞交來(lái)的數(shù)據(jù)包，且數(shù)據(jù)包是通過(guò)PDCP的序列號(hào)(Sequence Number,SN)進(jìn)行按序遞交，對(duì)于RLC確定模式(Acknowledge Mode,AM)，數(shù)據(jù)包的遞交更會(huì)是連續(xù)的、完整的[6]。而對(duì)于分流承載應(yīng)用場(chǎng)景，由于2條傳輸鏈路的RLC彼此獨(dú)立，雖然各RLC仍向PDCP遞交有序的數(shù)據(jù)包，但對(duì)于接收實(shí)體，由于鏈路時(shí)延不同，從2個(gè)RLC接收到的數(shù)據(jù)包之間仍有可能是亂序的，因此，接收實(shí)體需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)一重排序處理[7]。重排序處理有以下幾點(diǎn)需要注意：① 提高排序的有效性；② 排序方法需安全可靠；③ 需滿足不同模式傳輸業(yè)務(wù)的需求，即有效性和穩(wěn)定性在不同時(shí)候給予不同的側(cè)重；針對(duì)需求本文設(shè)計(jì)了圖3這種重排序機(jī)制，條件觸發(fā)模塊和定時(shí)計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。條件關(guān)閉模塊和超時(shí)處理模塊實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示，傳輸實(shí)例如圖6所示。

圖3 重排序算法架構(gòu)示意圖

圖4 條件觸發(fā)模塊和定時(shí)計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)流程示意圖

圖5 條件關(guān)閉模塊和超時(shí)處理模塊實(shí)現(xiàn)流程示意圖

圖6 重排序傳輸實(shí)例示意圖

設(shè)計(jì)機(jī)制：① 條件觸發(fā)模塊用于在接收實(shí)體接收到的PDCP PDU滿足PDCP定時(shí)器開(kāi)啟條件時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器，并在定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收并排序[8]。② 定時(shí)計(jì)算模塊用于計(jì)算定時(shí)器開(kāi)啟的時(shí)長(zhǎng)，定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)與分流承載映射的RLC模式相關(guān)。在定時(shí)器開(kāi)啟計(jì)時(shí)期間，不再開(kāi)啟新的定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。通過(guò)對(duì)定時(shí)器開(kāi)啟條件的設(shè)置和不同模式下定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)包的接收和排序，接收實(shí)體PDCP對(duì)收到的亂序數(shù)據(jù)包予以等待，且不會(huì)因?yàn)榈却龝r(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致緩沖區(qū)阻塞。③ 條件關(guān)閉模塊用于當(dāng)滿足接收實(shí)體PDCP的定時(shí)器關(guān)閉條件時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器，并將完成排序的數(shù)據(jù)包處理后傳輸給上層[9]。④ 超時(shí)處理模塊負(fù)責(zé)定時(shí)器超時(shí)后的處理過(guò)程，當(dāng)分流承載映射到RLC AM模式，分流承載鏈路釋放后，如果接收實(shí)體仍未收到需要的PDCP PDU包，它會(huì)向發(fā)送實(shí)體發(fā)送狀態(tài)報(bào)告以請(qǐng)求定時(shí)器重啟并重傳數(shù)據(jù)。當(dāng)分流承載映射到RLC UM模式，接收實(shí)體則直接將在定時(shí)器運(yùn)行期間收到的PDU進(jìn)行排序并遞交給上層，不請(qǐng)求重傳。

3 建立流程與去建立流程設(shè)計(jì)

本文的應(yīng)用場(chǎng)景是UE與MeNB的連接一直存在，當(dāng)UE所在源小區(qū)的負(fù)荷情況高于門限值且SeNB位于MeNB的覆蓋范圍內(nèi)，即會(huì)發(fā)生分流承載的建立過(guò)程[10]。同理當(dāng)負(fù)荷門限降低到門限值以下則發(fā)生分流承載去建立過(guò)程。針對(duì)分流承載的建立和去建立過(guò)程，本文給出圖7和圖8所示流程設(shè)計(jì)方案。

圖7 分流承載建立過(guò)程流程圖

圖8 分流承載去建立過(guò)程流程圖

建立過(guò)程設(shè)計(jì)方案：?jiǎn)芜B接模式時(shí)，UE周期性地將信號(hào)質(zhì)量和負(fù)荷情況上報(bào)給MeNB，MeNB根據(jù)報(bào)告做出決策，發(fā)起分流承載建立過(guò)程。當(dāng)SeNB接收到MeNB的分流承載建立請(qǐng)求，根據(jù)MeNB指示進(jìn)行相應(yīng)配置。之后UE接收到MeNB的RRC連接重配置請(qǐng)求，并根據(jù)指示進(jìn)行相應(yīng)重配，隨后UE發(fā)起隨機(jī)接入過(guò)程建立上行鏈路同步[5]。至此分流承載過(guò)程建立完成后，此時(shí)UE處于雙連接模式。

去建立過(guò)程設(shè)計(jì)方案：雙連接模式時(shí)，UE周期性地將信號(hào)質(zhì)量和負(fù)荷情況上報(bào)給MeNB，MeNB根據(jù)報(bào)告做出決策，發(fā)起分流承載去建立過(guò)程。當(dāng)SeNB接收到MeNB的分流承載去建立請(qǐng)求，根據(jù)MeNB指示進(jìn)行相應(yīng)配置。之后SeNB發(fā)送狀態(tài)報(bào)告給MeNB以指示傳輸失敗的數(shù)據(jù)包的SN號(hào)。隨后UE接收到MeNB的RRC連接重配置請(qǐng)求并根據(jù)指示進(jìn)行相應(yīng)重配。至此分流承載過(guò)程去建立完成后，此時(shí)UE處于單連接模式，隨后會(huì)對(duì)SeNB傳輸失敗的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳。

4 測(cè)試方法與結(jié)果

分流承載建立與去建立流程測(cè)試平臺(tái)的搭建主要由6大部分組成，它們是安裝了TTCN-3的PC，分別模擬主輔小區(qū)的測(cè)試儀表1、測(cè)試儀表2、開(kāi)關(guān)箱、信道模擬設(shè)備以及被測(cè)體。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)比較TTCN-3收到的UE消息與期望收到的消息內(nèi)容的匹配程度，來(lái)判斷RRC層是否滿足RRM的一致性測(cè)試要求[11]。具體測(cè)試架構(gòu)如圖9所示。

圖9 測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)圖

如圖9所示，測(cè)試整體架構(gòu)由被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試終端構(gòu)成。PC通過(guò)TTworkbench平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的NAS和RRC層的主要功能。SS由 Main Controller(MC)與TD-LTE系統(tǒng)處理單元 (TD-LTE Processing Unit，TDPU)組成。TDPU實(shí)現(xiàn)RRC子層以下的功能，MC負(fù)責(zé)PC與TDPU之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和一些常用參數(shù)的顯示[12]。

該流程的測(cè)試過(guò)程是基于消息的，其消息測(cè)試和設(shè)計(jì)流程也是一致的，測(cè)試流程符合RRC協(xié)議描述，且最終測(cè)試結(jié)果為success。該測(cè)試結(jié)果滿足RRM一致性測(cè)試的要求，故認(rèn)為此流程的設(shè)計(jì)是可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展至今，僅通過(guò)增強(qiáng)宏網(wǎng)絡(luò)能力以提供經(jīng)濟(jì)、高效的服務(wù)已變得愈發(fā)困難，部署低功率節(jié)點(diǎn)從而提供小小區(qū)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)策略逐漸成為了一個(gè)極其具備吸引力的解決方案。本文介紹了基于小小區(qū)覆蓋網(wǎng)絡(luò)策略的分流承載技術(shù)的基本原理，設(shè)計(jì)了排序算法及激活流程，最后通過(guò)TTCN-3測(cè)試語(yǔ)言證明了流程設(shè)計(jì)的正確性。

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[5] 3GPP TS 36.323 V12.4.0,Packet Data Convergence Protocol (PDCP) Specification[S],2015.

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[7] Methods for Testing and Specification (MTS) The Testing and Test Control Notation version 3 part 3: TTCN-3 Graphical Presentation Format (GFT)[S],ETSI ES 201873-3 V3.1.3,2005.

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[9] Methods for Testing and Specification (MTS) The Testing and Test Control Notation version 3 part 3: TTCN-3 Graphical presentation Format (GFT)[S],ETSI ES 201873-3 V3.1.3,2005.

[10] Dahlman E,Parkvall S,Skold J.4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband [M].Elsevier: Academic Press,2011.

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[12] 董宏成,張 寧,李小文.TTCN-3在RRC協(xié)議一致性測(cè)試中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(7):117-120.

Design and Implementation of Split Bearing Technique in Heterogeneous Networks Based on LTE-A

FANG Yi-ming,LI Xiao-wen,ZHANG Han-yan

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

3GPP has proposed split bearing technique in LTE-A heterogeneous networks for enhanced small cell,in which SeNB is deployed in the coverage of MeNB,and both of them form the access network in E-UTRAN system and support united data transmission for UE.Based on an analysis of split bearing,the scenarios of split bearing technique are provided and the reordering mechanism is designed for the receiving entity.Finally,the radio resource management (RRM) conformance testing platform based on terminal TTCN-3 (Testing and Test Control Notation version 3) is used to test the process.

split bearing technique;dual connectivity;reordering mechanism;conformance test

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.22

方一鳴，李小文，張涵嫣.LTE-A異構(gòu)網(wǎng)中分流承載技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(1):89-93.

2016-10-11

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012ZX03001024)

方一鳴(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向：TD-LTE系統(tǒng)協(xié)議棧開(kāi)發(fā)，RRM一致性測(cè)試儀表開(kāi)發(fā)。李小文(1955—)，男，教授，研究員，研究生導(dǎo)師，主要研究方向：TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、 TD-LTE系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

TN929.5

A

1003-3114(2017)01-89-5