LTE-A異構網(wǎng)中分流承載技術的設計與實現(xiàn)

方一鳴，李小文，張涵嫣

(重慶郵電大學 重慶市移動通信技術重點實驗室，重慶 400065)

LTE-A異構網(wǎng)中分流承載技術的設計與實現(xiàn)

方一鳴，李小文，張涵嫣

(重慶郵電大學 重慶市移動通信技術重點實驗室，重慶 400065)

3GPP在LTE-A異構網(wǎng)絡中提出了小小區(qū)增強策略的分流承載技術，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)架構中的接入網(wǎng)，為UE(User Equipment)提供聯(lián)合的數(shù)據(jù)傳輸。通過對分流承載技術的研究，提供了其應用場景，制定了接收實體的重排序規(guī)則，并為分流承載設計了建立與去建立流程圖，最后用TTCN-3(Testing and Test Control Notation version 3)測試系統(tǒng)的終端無線資源管理(Radio Resource Management，RRM)一致性測試平臺對流程設計進行了驗證。

分流承載技術；雙連接；重排序機制；一致性測試

0 引言

隨著移動通信技術的愈發(fā)成熟，終端的數(shù)據(jù)處理能力不斷增強，移動分組業(yè)務正經(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到了1 Gbps[1]。由于數(shù)據(jù)業(yè)務量的膨脹式增長，通信網(wǎng)絡的服務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)絡的吞吐量，典型的應用場景是增大宏小區(qū)的覆蓋范圍，但這種場景會帶來功率不均衡和頻繁切換等問題導致信令負載過大，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)，終端可以同時利用宏基站和小基站的無線資源。

1 分流承載技術的介紹

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)，兩者為用戶設備提供聯(lián)合的數(shù)據(jù)傳輸，此時UE處于雙連接(Dual Connectivity)狀態(tài)。早在Rel-10/11的研究階段，3GPP就提出了通過聚合多個載波來達到更大的帶寬，進而提供更高的數(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用于理想回程鏈路而雙連接技術應用于非理想回程鏈路[3]，并且相比于在載波聚合技術中只有一個基站管理宏小區(qū)和小小區(qū)，雙連接技術中是兩個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)中的移動性管理實體(Mobility Management Entity,簡稱MME)建有S1-MME接口，并被CN(Core Network)視作移動錨點。管理小小區(qū)的基站稱為輔基站，其主要功能是為UE提供額外的無線資源的節(jié)點。

1.1 網(wǎng)絡體系結構設計

分流承載技術的實現(xiàn)主要集中在用戶平面設計上，針對用戶平面的網(wǎng)絡體系，本文給出了設計方案1，如圖1所示。由圖1可以看出，EPS承載數(shù)據(jù)包由服務網(wǎng)關通過S1-U接口發(fā)送給MeNB，MeNB將部分數(shù)據(jù)包通過Uu接口發(fā)送給UE，另一部分數(shù)據(jù)包通過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Uu接口發(fā)送給UE。同一承載的數(shù)據(jù)包借助了2個基站無線資源進行發(fā)送，極大地提高了該承載的吞吐量。

圖1 用戶平面網(wǎng)絡體系設計

1.2 協(xié)議棧架構設計

針對用戶平面的協(xié)議棧架構，本文給出了設計方案2，如圖2所示。

圖2 用戶平面協(xié)議棧架構設計

圖2方案：分流承載用戶平面具備2個獨立的無線鏈路控制(Radio Link Control,RLC)層以及低層的各協(xié)議層。對于發(fā)送實體，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)點的RLC層，另一部分數(shù)據(jù)包由自身的RLC層進行發(fā)送；對于接收實體，2個RLC層將接收到的數(shù)據(jù)包遞交給統(tǒng)一的PDCP層進行處理[4]。固對于分流承載，發(fā)送實體具有路由功能，接收實體具有重排序功能[5]。

2 重排序機制設計

在傳統(tǒng)的單連接場景中，接收實體只會收到一個RLC遞交來的數(shù)據(jù)包，且數(shù)據(jù)包是通過PDCP的序列號(Sequence Number,SN)進行按序遞交，對于RLC確定模式(Acknowledge Mode,AM)，數(shù)據(jù)包的遞交更會是連續(xù)的、完整的[6]。而對于分流承載應用場景，由于2條傳輸鏈路的RLC彼此獨立，雖然各RLC仍向PDCP遞交有序的數(shù)據(jù)包，但對于接收實體，由于鏈路時延不同，從2個RLC接收到的數(shù)據(jù)包之間仍有可能是亂序的，因此，接收實體需要對數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)一重排序處理[7]。重排序處理有以下幾點需要注意：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)務的需求，即有效性和穩(wěn)定性在不同時候給予不同的側重；針對需求本文設計了圖3這種重排序機制，條件觸發(fā)模塊和定時計算模塊實現(xiàn)流程如圖4所示。條件關閉模塊和超時處理模塊實現(xiàn)流程如圖5所示，傳輸實例如圖6所示。

圖3 重排序算法架構示意圖

圖4 條件觸發(fā)模塊和定時計算模塊實現(xiàn)流程示意圖

圖5 條件關閉模塊和超時處理模塊實現(xiàn)流程示意圖

圖6 重排序傳輸實例示意圖

設計機制：① 條件觸發(fā)模塊用于在接收實體接收到的PDCP PDU滿足PDCP定時器開啟條件時，開啟定時器，并在定時器時長內(nèi)進行數(shù)據(jù)接收并排序[8]。② 定時計算模塊用于計算定時器開啟的時長，定時器的時長與分流承載映射的RLC模式相關。在定時器開啟計時期間，不再開啟新的定時器進行計時。通過對定時器開啟條件的設置和不同模式下定時器的時長設置進行數(shù)據(jù)包的接收和排序，接收實體PDCP對收到的亂序數(shù)據(jù)包予以等待，且不會因為等待時間過長而導致緩沖區(qū)阻塞。③ 條件關閉模塊用于當滿足接收實體PDCP的定時器關閉條件時，關閉定時器，并將完成排序的數(shù)據(jù)包處理后傳輸給上層[9]。④ 超時處理模塊負責定時器超時后的處理過程，當分流承載映射到RLC AM模式，分流承載鏈路釋放后，如果接收實體仍未收到需要的PDCP PDU包，它會向發(fā)送實體發(fā)送狀態(tài)報告以請求定時器重啟并重傳數(shù)據(jù)。當分流承載映射到RLC UM模式，接收實體則直接將在定時器運行期間收到的PDU進行排序并遞交給上層，不請求重傳。

3 建立流程與去建立流程設計

本文的應用場景是UE與MeNB的連接一直存在，當UE所在源小區(qū)的負荷情況高于門限值且SeNB位于MeNB的覆蓋范圍內(nèi)，即會發(fā)生分流承載的建立過程[10]。同理當負荷門限降低到門限值以下則發(fā)生分流承載去建立過程。針對分流承載的建立和去建立過程，本文給出圖7和圖8所示流程設計方案。

圖7 分流承載建立過程流程圖

圖8 分流承載去建立過程流程圖

建立過程設計方案：單連接模式時，UE周期性地將信號質(zhì)量和負荷情況上報給MeNB，MeNB根據(jù)報告做出決策，發(fā)起分流承載建立過程。當SeNB接收到MeNB的分流承載建立請求，根據(jù)MeNB指示進行相應配置。之后UE接收到MeNB的RRC連接重配置請求，并根據(jù)指示進行相應重配，隨后UE發(fā)起隨機接入過程建立上行鏈路同步[5]。至此分流承載過程建立完成后，此時UE處于雙連接模式。

去建立過程設計方案：雙連接模式時，UE周期性地將信號質(zhì)量和負荷情況上報給MeNB，MeNB根據(jù)報告做出決策，發(fā)起分流承載去建立過程。當SeNB接收到MeNB的分流承載去建立請求，根據(jù)MeNB指示進行相應配置。之后SeNB發(fā)送狀態(tài)報告給MeNB以指示傳輸失敗的數(shù)據(jù)包的SN號。隨后UE接收到MeNB的RRC連接重配置請求并根據(jù)指示進行相應重配。至此分流承載過程去建立完成后，此時UE處于單連接模式，隨后會對SeNB傳輸失敗的數(shù)據(jù)包進行重傳。

4 測試方法與結果

分流承載建立與去建立流程測試平臺的搭建主要由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)的測試儀表1、測試儀表2、開關箱、信道模擬設備以及被測體。在測試過程中，通過比較TTCN-3收到的UE消息與期望收到的消息內(nèi)容的匹配程度，來判斷RRC層是否滿足RRM的一致性測試要求[11]。具體測試架構如圖9所示。

圖9 測試平臺架構圖

如圖9所示，測試整體架構由被測系統(tǒng)和測試終端構成。PC通過TTworkbench平臺來實現(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實現(xiàn)RRC子層以下的功能，MC負責PC與TDPU之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)和一些常用參數(shù)的顯示[12]。

該流程的測試過程是基于消息的，其消息測試和設計流程也是一致的，測試流程符合RRC協(xié)議描述，且最終測試結果為success。該測試結果滿足RRM一致性測試的要求，故認為此流程的設計是可行的。

5 結束語

移動通信系統(tǒng)發(fā)展至今，僅通過增強宏網(wǎng)絡能力以提供經(jīng)濟、高效的服務已變得愈發(fā)困難，部署低功率節(jié)點從而提供小小區(qū)覆蓋的網(wǎng)絡策略逐漸成為了一個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)絡策略的分流承載技術的基本原理，設計了排序算法及激活流程，最后通過TTCN-3測試語言證明了流程設計的正確性。

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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異構網(wǎng)中分流承載技術的設計與實現(xiàn)[J].無線電通信技術,2017,43(1):89-93.

2016-10-11

國家科技重大專項資助項目(2012ZX03001024)

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

TN929.5

A

1003-3114(2017)01-89-5