LTE-A空口監(jiān)測分析儀中載波聚合的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李茹瑩，張治中，鄧翔天

(1.重慶郵電大學(xué) 通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065； 2.重慶重郵匯測通信技術(shù)有限公司，重慶 401121)

0 引言

2014年第四代移動通信(the 4th Generation mobile communication technology, 4G)全面商用以來，用戶持續(xù)爆發(fā)式增長，至2017年6月末，移動電話用戶總數(shù)達(dá)到13.6億戶，4G用戶數(shù)達(dá)8.88億戶，手機(jī)上網(wǎng)用戶突破11億戶，2017年1—6月間，移動互聯(lián)網(wǎng)累計(jì)流量達(dá)88.9億GB，其中，通過手機(jī)上網(wǎng)的流量達(dá)到83.1億GB，占移動互聯(lián)網(wǎng)總流量的93.5%[1]，用戶對通信網(wǎng)的速率、可靠性要求不斷增加。

為了滿足用戶要求，第三代合作伙伴計(jì)劃(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)提出峰值速率1 Gb/s的長期演進(jìn)的演進(jìn)(Long Term Evolution-Advanced, LTE-A)標(biāo)準(zhǔn)，而載波聚合(Carrier Aggregation，CA)作為其關(guān)鍵技術(shù)之一，在國內(nèi)外運(yùn)營商中正加速部署[2]。該技術(shù)可通過將多個(gè)連續(xù)或不連續(xù)的頻譜聚合為一個(gè)大的傳輸帶寬，使它們共同為用戶所用，該技術(shù)后向兼容R8/9系統(tǒng)，為3GPP提出的最大100 MHz帶寬下1 Gb/s峰值速率提供技術(shù)支持，同時(shí)也可提高無線頻帶中零散頻譜的利用率[3]。

在LTE-A系統(tǒng)中，空中接口指終端與演進(jìn)基站(Evolved Node B, eNodeB)之間的接口，也稱Uu接口，它是一個(gè)完全開放的用來建立、承載和釋放各種無線業(yè)務(wù)信令的接口[4]。LTE 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的扁平化，傳統(tǒng)信令采集點(diǎn)的消失，導(dǎo)致空口信令需要從Uu口采集，網(wǎng)絡(luò)管理和優(yōu)化的復(fù)雜性增加，傳統(tǒng)的路測軟件己經(jīng)很難滿足LTE-A中的新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的測試需求，市場亟須一種新型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和優(yōu)化解決方案。

本文基于LTE-A空口監(jiān)測分析儀的設(shè)計(jì)，提出載波聚合在分析儀中的實(shí)現(xiàn)方案，并設(shè)計(jì)一種用戶管理方案，保證儀表在載波聚合下對多用戶的支持。

1 LTE-A空口監(jiān)測分析儀整體設(shè)計(jì)

LTE空口監(jiān)測儀表的主要作用是通過Uu接口捕獲用戶設(shè)備(User Equipment, UE)發(fā)往eNodeB的上行數(shù)據(jù)和eNodeB發(fā)往UE的下行數(shù)據(jù)，分析UE與eNodeB之間的信令建立過程以及用戶的網(wǎng)上行為，以達(dá)到通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及故障診斷的目的。

儀表支持3GPP規(guī)定的TDD-LTE和FDD-LTE全部頻段，支持1.4M、5M、10M、15M、20M全帶寬設(shè)置，支持物理層(Physical Layer, PHY)、媒體接入控制層(Medium Access Control , MAC)、無線鏈路控制層(Radio Link Control, RLC)、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)、 無線資源控制層(Radio Resource Control, RRC)和 非接入層(Non-Access Stratum, NAS)控制面協(xié)議棧，以及PHY、MAC、RLC、PDCP、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分析、應(yīng)用用戶面協(xié)議棧監(jiān)測和多段多協(xié)議的跨層關(guān)聯(lián)分析，可準(zhǔn)確地對信令和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與解析[5]。

LTE-A空口監(jiān)測分析儀按照物理架構(gòu)劃分，包括主控板、射頻基帶板、層二處理板和系統(tǒng)時(shí)鐘板[6-7]。如圖1所示，各板卡之間通過一種高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)——PCIE(Peripheral Component Interconnect Express)交換連接，并通過PCIE X1或PCIE X2總線進(jìn)行高速率的數(shù)據(jù)通信。各板卡功能如圖1所示。

1)射頻基帶板包括射頻板卡和基帶板卡，射頻板卡負(fù)責(zé)采集射頻數(shù)據(jù)，基帶板卡負(fù)責(zé)將射頻采集的同相正交IQ數(shù)據(jù)恢復(fù)成比特流數(shù)據(jù)并封裝成幀。

2)層二處理板通過PCIE接收射頻基帶板的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)PDCP、MAC、RLC子層的協(xié)議解析及數(shù)據(jù)處理和MAC數(shù)據(jù)存儲。

3)主控板進(jìn)行層三及以上協(xié)議的解析，將層二處理板解析后的數(shù)據(jù)恢復(fù)成 TCP/IP數(shù)據(jù)包，實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶行為。

4)系統(tǒng)時(shí)鐘板負(fù)責(zé)為儀表提供統(tǒng)一高精度時(shí)鐘的功能。

相應(yīng)的，如圖2所示，按照邏輯劃分，監(jiān)測儀包括L1處理模塊、L2處理模塊、主控驅(qū)動接口模塊、L3及業(yè)務(wù)處理模塊、調(diào)度控制模塊、人機(jī)交互模塊和時(shí)鐘管理模塊。各模塊在板卡中的位置及其功能依次為：

1)L1處理模塊位于射頻基帶板上，主要進(jìn)行LTE物理層解析；

2)L2處理模塊位于層二處理板上，主要進(jìn)行MAC、RLC和PDCP的協(xié)議解析。

3)主控驅(qū)動接口模塊位于主控板上，主要提供上層訪問L1處理模塊和L2處理模塊的接口。

4)L3及業(yè)務(wù)處理模塊位于主控板上，主要進(jìn)行RRC和NAS層的解碼合成，網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層用戶面的協(xié)議解析。

5)調(diào)度控制模塊位于主控板上，主要根據(jù)用戶界面的配置，完成對L1處理模塊、L2處理模塊及時(shí)鐘管理模塊的配置及查詢，并可將解析的RRC等信息及時(shí)反饋給L1處理和L2處理模塊。當(dāng)儀表處在掃描狀態(tài)時(shí)，該模塊可根據(jù)L1的反饋，作出判斷、選擇，配置調(diào)度監(jiān)測儀資源。

6)人機(jī)交互模塊位于主控板上，主要進(jìn)行用戶的操作控制界面、解析數(shù)據(jù)的展示。

7)時(shí)鐘管理模塊位于系統(tǒng)時(shí)鐘板上，主要進(jìn)行監(jiān)測儀時(shí)鐘的切換及狀態(tài)查詢。

L1處理模塊、L2處理模塊及主控驅(qū)動接口模塊之間通過寄存器接口和數(shù)據(jù)包接口相連接，其中寄存器接口通過計(jì)算機(jī)的外設(shè)部件互連(Peripheral Component Interconnect, PCI)寄存器讀寫方式實(shí)現(xiàn)，用于對配置及狀態(tài)信息的操作；數(shù)據(jù)包接口采用PCI的直接內(nèi)存訪問操作實(shí)現(xiàn)，用于高速大量數(shù)據(jù)傳輸和一些主動信息的傳輸。系統(tǒng)時(shí)鐘板與主控驅(qū)動接口模塊之間通過通用異步收發(fā)傳輸器連接。

2 LTE-A空口監(jiān)測分析儀中載波聚合的設(shè)計(jì)

載波聚合的引進(jìn)是為了提高系統(tǒng)的峰值速率，從高層上看，載波聚合就是將多個(gè)小區(qū)的資源合并在一起為終端服務(wù)[8]。當(dāng)支持載波聚合的終端處于空閑狀態(tài)或業(yè)務(wù)量不需要啟動載波聚合時(shí)，其行為與非載波聚合終端一致。空閑狀態(tài)時(shí)，終端仍以小區(qū)為單位進(jìn)行小區(qū)的選擇、駐留、重選等操作。

文獻(xiàn)[9]中提出了兩種可選的載波聚合數(shù)據(jù)流聚合方案，包括數(shù)據(jù)流在MAC層聚合和數(shù)據(jù)流在物理層聚合。經(jīng)過開銷性能等方面綜合比較，文獻(xiàn)[10]得出數(shù)據(jù)流在MAC層聚合更容易實(shí)現(xiàn)LTE向LTE-A的平滑過渡的結(jié)論，故在空口監(jiān)測儀表中，采用MAC層數(shù)據(jù)聚合方案。如圖3所示，加入載波聚合的L2結(jié)構(gòu)與R8/9版本的L2結(jié)構(gòu)相比，LTE對載波聚合的支持在于MAC層為每個(gè)成員載波分配一個(gè)獨(dú)立的HARQ實(shí)體；并且，CA操作在MAC層完成，對PDCP及RLC層不可見[11]。

LTE-A最大支持5載波聚合，每個(gè)UE的服務(wù)小區(qū)由1個(gè)主小區(qū)(Primary Cell，PCell)和最多4個(gè)輔小區(qū)(Second Cell，SCell)組成，3GPP定義了主成員載波(Primary Component Carrier, PCC)和輔成員載波(Secondary Component Carrier，SCC)兩種類型的載波，分別對應(yīng)主小區(qū)和輔小區(qū)的載波[12]。標(biāo)準(zhǔn)支持的CA載波聚合類型有頻帶內(nèi)連續(xù)、非連續(xù)載波Intra-Band和頻帶間載波Inter-Band[13]，并要求連續(xù)Intra-band CA中心頻點(diǎn)間隔要滿足300 kHz的整數(shù)倍。

CA UE的SCell共有三種狀態(tài)：SCell配置未激活、SCell配置并激活、SCell未配置。當(dāng)UE成功完成RRC連接建立過程時(shí)，只有PCell被配置。為了最大化地利用多載波，減少終端功耗，LTE-A 引入了額外的步驟，包括SCell添加/移除、SCell激活/去激活等，這些步驟根據(jù)UE業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)量大小、信道質(zhì)量信息等通過RRC連接重配置消息RRCConnectionReconfiguration實(shí)現(xiàn)。

1)3GPP列出載波聚合5種部署場景，必須指出，CA是UE級的特性，在R10中，只適用于當(dāng)多個(gè)小區(qū)具有重疊覆蓋且屬于同一eNodeB下，由于同一個(gè)基站下所有的載波處于同步狀態(tài)，故同一時(shí)刻的子幀具有相同的系統(tǒng)幀號與子幀號，配置了CA的UE在所有的服務(wù)小區(qū)內(nèi)使用相同的小區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識C-RNTI，故在監(jiān)測儀表中通過UE的載波信息和RNTI信息可判定其載波聚合信息。其中，載波的判定，可以根據(jù)物理信道ID 實(shí)現(xiàn)，RNTI信息由基帶板提供。LTE-A空口監(jiān)測分析儀中載波聚合模塊在層二處理板中實(shí)現(xiàn)，主要功能是對射頻和基帶板卡掃描并存儲的信息進(jìn)行MAC層聚合，把獨(dú)立發(fā)送的MAC PDU聚合為一個(gè)流，形成聚合數(shù)據(jù)流，送往 RLC 及 PDCP 子層進(jìn)行解析。MAC層聚合的數(shù)據(jù)來自共享信道，其他信道的數(shù)據(jù)還是獨(dú)立的，L2板多用戶情況下用戶載波聚合數(shù)據(jù)的MAC層匯聚解析過程包括以下4步，如圖4所示。

圖3 載波聚合下的L2上下行結(jié)構(gòu) Fig. 3 L2 uplink and downlink architecture under carrier aggregation

圖4 載波聚合下MAC層數(shù)據(jù)匯聚過程 Fig. 4 Data aggregation process under carrier aggregation in MAC layer

1)用戶數(shù)據(jù)匯聚過程。

載波聚合情況下，數(shù)據(jù)系統(tǒng)幀號與子幀號相同，基帶板并行掃描存儲所有載波的同一時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將不同用戶的共享信道在同一個(gè)數(shù)據(jù)包中傳輸給層二處理板。

2)共享信道數(shù)據(jù)解析過程。

數(shù)據(jù)匯聚過程完成后，基帶板輸入接口把一個(gè)用戶的所有載波數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)組，進(jìn)行共享信道數(shù)據(jù)解析。此時(shí)，解析函數(shù)自行循環(huán)獲取每個(gè)載波的數(shù)據(jù)，如果某個(gè)載波沒有數(shù)據(jù)，則不作處理，繼續(xù)獲取下一個(gè)數(shù)據(jù)。

3)用戶數(shù)據(jù)存儲過程。

數(shù)據(jù)解析過程完成后，監(jiān)測儀針對每個(gè)用戶建立一個(gè)數(shù)據(jù)索引，用戶緩存同一子幀內(nèi)所有載波的共享信道數(shù)據(jù)。索引采用二維數(shù)組結(jié)構(gòu)，針對共享信道，在非雙流情況下，每個(gè)載波最多存在一個(gè)MAC PDU，在二維數(shù)組中指定每個(gè)載波數(shù)據(jù)的索引號，不同載波的數(shù)據(jù)處理并行進(jìn)行，防止數(shù)據(jù)處理沖突的問題。

4)L2協(xié)議解析過程。

數(shù)據(jù)存儲過程完成后，監(jiān)測儀將調(diào)用L2解析函數(shù)按索引順序處理獲取的MAC PDU數(shù)據(jù)，此時(shí)不考慮不同載波數(shù)據(jù)的處理順序。由于不同用戶的數(shù)據(jù)不存在關(guān)聯(lián)性，故采用用戶間數(shù)據(jù)并行處理，而同一個(gè)用戶的多個(gè)數(shù)據(jù)則串行處理，避免數(shù)據(jù)交叉，降低L2軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

如圖5所示為LTE-A空口監(jiān)測分析儀中載波聚合下的用戶存儲結(jié)構(gòu)，監(jiān)測儀為每個(gè)小區(qū)創(chuàng)建一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)組，在其中存儲用戶小區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(Cell Radio Network Temporary Identifier, C-RNTI)，其節(jié)點(diǎn)序號+1位置存儲用戶ID。同一儀表監(jiān)控的所有小區(qū)中，用戶ID從0開始統(tǒng)一編號。處于載波聚合狀態(tài)的用戶在聚合的小區(qū)配置相同的用戶節(jié)點(diǎn)，通過用戶ID實(shí)現(xiàn)載波聚合數(shù)據(jù)的合并。

用戶ID的輔小區(qū)列表通過一個(gè)輔小區(qū)數(shù)組保存。輔小區(qū)索引數(shù)組為一個(gè)5成員數(shù)組，每個(gè)成員按序?qū)?yīng)基帶小區(qū)，其保存的數(shù)值為在載波聚合中的輔小區(qū)索引號scellIndex，在增加輔小區(qū)時(shí)賦值，釋放輔小區(qū)時(shí)刪除。針對圖5中用戶數(shù)據(jù)，包括載波聚合信息的用戶有user0、user2和user9，相應(yīng)的輔小區(qū)保存數(shù)組如圖6所示，如user0聚合的小區(qū)包括scellIndex0和scellIndex1。

圖5 LTE-A空口監(jiān)測分析儀中載波聚合下的用戶存儲結(jié)構(gòu) Fig. 5 User storage structure under carrier aggregation in LTE-A air-interface analyzer

圖6 載波聚合下用戶輔小區(qū)索引數(shù)組 Fig. 6 User scellIndex array under carrier aggregation

如圖7所示為載波聚合下用戶節(jié)點(diǎn)管理流程，監(jiān)測過程中，監(jiān)測儀根據(jù)相應(yīng)RRC消息選擇對用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)組的操作。首先，判斷RRC消息是否為RRCConnectionSetup，若是，將本用戶存儲在圖4所示結(jié)構(gòu)中，從0開始查找第一個(gè)未用的userID配置給該用戶，并標(biāo)識此userID已經(jīng)使用，以方便下一個(gè)用戶存儲；否則，判斷RRC消息是否為RRCConnectionRelease，若是，釋放本用戶釋放RRC連接，在所有小區(qū)中刪除對應(yīng)的用戶節(jié)點(diǎn)；否則，繼續(xù)判斷RRC消息是否為RRCConnectionRecofiguration，若是，判斷消息中是否含有輔小區(qū)移除消息sCellToReleaseList，若是，根據(jù)消息中scellIndex查找對應(yīng)的小區(qū)，刪除對應(yīng)的用戶節(jié)點(diǎn)；否則，判斷是否含有sCellToAddModList消息，若是，判斷對應(yīng)的小區(qū)已經(jīng)存在相同的用戶RNTI，若存在，在用戶節(jié)點(diǎn)中添加載波信息，否則，在相應(yīng)小區(qū)中創(chuàng)建用戶節(jié)點(diǎn)。

3 LTE-A空口監(jiān)測分析儀載波聚合實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測儀中工作狀態(tài)下載波聚合監(jiān)測流程包括以下步驟，如圖8所示：

1)儀表開機(jī)后，在儀表的運(yùn)行界面提供的選項(xiàng)中選擇本次測試是否支持載波聚合，進(jìn)行小區(qū)掃描。

2)當(dāng)支持載波聚合時(shí)，選擇一個(gè)載波開始監(jiān)測，否則，選擇需要監(jiān)測的小區(qū)進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)。

在載波聚合下，掃描獲取的載波信息，可能不是來自同一個(gè)基站，如果同時(shí)監(jiān)控多個(gè)支持載波聚合功能的基站，則需要監(jiān)控的總的載波數(shù)量可能超過儀表性能，故選擇一個(gè)載波開始監(jiān)測。

3)監(jiān)測RRC連接重配置消息消息，檢測到輔小區(qū)添加消息后添加輔小區(qū)。

載波聚合消息包含在RRC連接重配置消息RRCconnectionReconfiguration中，包括輔小區(qū)移除消息sCellToReleaseList、輔小區(qū)添加消息sCellToAddModList等。在監(jiān)控的載波中，解析出類似消息后，通過主控板配置L2板和基帶板實(shí)現(xiàn)輔載波的監(jiān)控。

4)進(jìn)入多小區(qū)監(jiān)測狀態(tài)，調(diào)用L2解析函數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)消息的解析。

系統(tǒng)信息分成MasterInformationBlock(MIB)和多個(gè)SystemInformationBlock(SIB)，MIB消息在廣播信道(Physical Broadcast Channel，PBCH)上廣播，SIB通過下行共享信道PDSCH的RRC消息下發(fā)。通過解析SIB消息可獲得UE小區(qū)調(diào)度、無線資源配置、小區(qū)重選/切換等信息。

4 結(jié)語

LTE-A空口監(jiān)測儀表的研發(fā)，是新技術(shù)新業(yè)務(wù)下通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的LTE測試儀表，對打破以羅德施瓦茨、安捷倫為代表的儀表廠商對國內(nèi)市場的壟斷具有重要意義?，F(xiàn)階段，載波聚合技術(shù)作為通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速率發(fā)展中解決帶寬障礙的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)在國內(nèi)投入使用，但是，空口測試類儀表尚未支持該功能，因此，本文提出了一種LTE-A空口監(jiān)測儀設(shè)計(jì)方案，簡要說明了其物理架構(gòu)及邏輯架構(gòu)，并提出一種空口監(jiān)測分析儀中載波聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，以及載波聚合下多用戶管理方案，以滿足運(yùn)營商測試需求。方案可應(yīng)用于運(yùn)營商、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管部門等，通過方案的應(yīng)用，加速載波聚合商用進(jìn)展，利于通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)。

圖7 用戶節(jié)點(diǎn)管理流程 Fig. 7 User node management process

圖8 載波聚合監(jiān)測流程 Fig. 8 Carrier aggregation monitoring process

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This work is partially supported by the National Science and Technology Major Project (2015ZX03001013).

LIRuying, born in 1993, M. S. candidate. Her research interests include broadband communication network testing.

ZHANGZhizhong, born in 1972, ph. D., professor. His research interests include 5G mobile communication system, communication network testing, broadband information network.

DENGXiangtian, born in 1993, M. S. candidate. His research interests include broadband communication network testing.