NB-IoT終端連接管理特性的一致性測(cè)試集設(shè)計(jì)

金 艦 中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師

吳 星 中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室助理工程師

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展與成熟，其在未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位也越發(fā)凸顯，許多國(guó)家將其定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一類適用連接距離較長(zhǎng)的廣域網(wǎng)通信技術(shù)方案。

3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)工作在授權(quán)頻段的LPWAN技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)定義，NB-IoT（Narrow Band-Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）就是其中一種重要的窄帶蜂窩通信技術(shù)，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要方案之一，隨著市場(chǎng)的發(fā)展和技術(shù)的成熟，目前NB-IoT系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入飛速發(fā)展期。在標(biāo)準(zhǔn)方面，3GPP R14版本已于2017年6月凍結(jié)，為了更好地迎合市場(chǎng)需求在R13的基礎(chǔ)上NB-IoT增強(qiáng)技術(shù)又增加了定位和多播功能，提供了更高的數(shù)據(jù)速率，在非錨點(diǎn)載波上進(jìn)行尋呼和隨機(jī)接入，增強(qiáng)了連接態(tài)的移動(dòng)性，同時(shí)支持更低的UE功率等級(jí)。

NB-IoT終端一致性測(cè)試成為商用終端市場(chǎng)化步驟中不可或缺的內(nèi)容，不僅對(duì)不同廠商終端芯片的互聯(lián)互通有十分積極的作用，而且能避免不同芯片終端廠商對(duì)核心協(xié)議的理解造成的偏差。本文主要介紹NB-IoT協(xié)議一致性測(cè)試框架中的RRC連接管理特性部分，設(shè)計(jì)基于TTCN-3語言的終端協(xié)議一致性測(cè)試方案。

2 TTCN-3語言與NB-IoT一致性測(cè)試框架

TTCN-3 是 ETSI（European Telecommunications Standards Institut，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）發(fā)布的專門針對(duì)模型測(cè)試和自動(dòng)化互操作性測(cè)試的開發(fā)語言，可獨(dú)立于協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法和測(cè)試儀表在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行，具有良好的靈活性、擴(kuò)展性和可移植性。TTCN-3就是TTCN的第三個(gè)版本。

終端協(xié)議一致性測(cè)試依賴大量的信令交互，在TTCN-3實(shí)現(xiàn)中，這些來往于協(xié)議棧各層間的信令由消息模板承載，通過在相關(guān)協(xié)議層中控制和比對(duì)信令消息模板給出測(cè)試的判決結(jié)果。

TTCN-3執(zhí)行測(cè)試?yán)鞒讨饕婕暗街骺刂撇糠趾蜏y(cè)試?yán)糠?。主控制部分包含運(yùn)行測(cè)試?yán)囊恍┏跏蓟畔?，保證各個(gè)功能模塊能正常運(yùn)作。測(cè)試?yán)a編寫部分和C代碼思路類似，只是使用TTCN-3的語法。

NB-IoT協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)仍沿用LTE系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，TTCN-3代碼運(yùn)行于Host PC之上，控制硬件平臺(tái)SS（系統(tǒng)模擬器）的行為。SS主要用來模擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)的PDCP/RLC/MAC層和射頻部分。

3 NB-IoT RRC連接管理特性與測(cè)試模型

圖1 終端協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

NB-IoT的協(xié)議棧仍基于LTE設(shè)計(jì)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特性，去掉了一些不必要的功能，減少了協(xié)議棧處理流程的開銷。為簡(jiǎn)化信令交互，NB-IoT的無線接口協(xié)議棧提出了兩種EPS優(yōu)化方案：一種稱為控制面CIoT EPS優(yōu)化，最大的特點(diǎn)是通過NAS信令傳輸數(shù)據(jù)，減少控制面的消息總數(shù)，此方案具有強(qiáng)制性，在不激活用戶面的情況下，將用戶數(shù)據(jù)或SMS直接封裝在NAS消息中通過SRB傳輸；另一種稱為用戶面CIoT EPS優(yōu)化，基于用戶面?zhèn)鬏斢脩魯?shù)據(jù)，此方案是可選項(xiàng)。

傳統(tǒng)的RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）層支持空閑和連接兩種狀態(tài)。由于NB-IoT不支持不同技術(shù)間的切換，RRC狀態(tài)模式相對(duì)簡(jiǎn)單。與LTE系統(tǒng)相比，NB-IoT的RRC連接態(tài)也在LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上減少了以下功能：網(wǎng)絡(luò)對(duì)切換、測(cè)量報(bào)告等移動(dòng)性的控制；尋呼和系統(tǒng)消息的監(jiān)聽；信道質(zhì)量的反饋等。另外，NB-IoT的RRC空閑態(tài)存在以下變化：新增RRC Suspend/Resume過程、不支持終端空閑態(tài)的DRX等。當(dāng)基站釋放連接時(shí)，基站會(huì)下達(dá)指令讓NB-IoT終端進(jìn)入Suspend模式，該Suspend指令帶有一組Resume ID，此時(shí)終端進(jìn)入Suspend模式并存儲(chǔ)當(dāng)前的AS Context。當(dāng)終端需要再次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只需要在RRC Connection Resume Request中攜帶Resume ID，基站即可通過此ID來識(shí)別終端，并跳過相關(guān)配置信息交換，直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸。此過程不僅大大減少了信令開銷，還延長(zhǎng)了終端的電池壽命。

在最新發(fā)布的R14版本中，NB-IoT新增了支持CP模式下的RRC重建來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)態(tài)切換，即NB-IoT在CP模式、AS層安全性未激活情況下，支持RRC Connection Reestablishment，恢復(fù) SRB1bis和數(shù)據(jù)傳輸。System Information Block Type2-NB通過CPR eestablishment字段指示小區(qū)是否允許重建，當(dāng)發(fā)生無線鏈路失敗時(shí)，UE請(qǐng)求RRC Connection Reestablishment。

當(dāng)eNB收到CP模式下RRC Connection Reestablishement Request后，在S1接口上把UE相關(guān)信息（S-TMSI UL-NAS-MAC UL-NAS-Count等）發(fā)送給MME。MME校驗(yàn)UL-MAC信息，如果通過則生成DL-NAS-MAC，下發(fā)給基站。由基站下發(fā)RRC Connection Reestablishment，包括dl-NAS-MAC。如果校驗(yàn)失敗，則認(rèn)為恢復(fù)失敗，離開RRC連接狀態(tài)，如果校驗(yàn)成功，UE使用配置的專用無線資源，UE恢復(fù)SRB1Bis，具體流程如圖2所示。

由于協(xié)議一致性測(cè)試的特殊性，對(duì)于RRC層及以上的協(xié)議一致性測(cè)試，TTCN-3模擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)行為，SS使用正常功能的底層配置。NB-IoT RRC測(cè)試模型如圖3所示，本模式下將終端設(shè)置為正常模式，啟用包括完整性保護(hù)與加密保護(hù)的NAS安全，但不配置ROHC。對(duì)于用戶面，啟用PDCP和AS安全，同樣包括完整性保護(hù)與加密保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)側(cè)的物理層、MAC層和RLC層配置為正常模式即可，保證實(shí)現(xiàn)各自功能。SRB0的下行端口和上行端口均在RLC層之上；SRB1的端口位于RRC/NAS仿真器之上；SRB1bis的端口位于RRC/NAS仿真器之下。這里的RRC/NAS仿真器作為一個(gè)并行測(cè)試組件，對(duì)NAS消息提供加密和完整性功能。對(duì)于用戶面，PDCP層配置為正常模式，DRB端口位于PDCP層之上，啟用AS安全。同時(shí)，TTCN代碼中還要通過系統(tǒng)控制端口對(duì)上行調(diào)度授權(quán)和下行調(diào)度分配進(jìn)行配置。

圖2 CP模式下的RRC重建

圖3 NB-IoT RRC層測(cè)試模型

4 用例無線鏈路失敗的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為保障終端協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的完整性，NB-IoT協(xié)議一致性測(cè)試用例采用對(duì)每個(gè)協(xié)議層單獨(dú)測(cè)試的方法。NB-IoT的RRC層測(cè)試用例集中在TS 36.523-1中的第22章，本節(jié)以無線鏈路失敗為例，體現(xiàn)RRC連接重配的TTCN-3設(shè)計(jì)過程。

終端在進(jìn)行RRC連接建立過程、RRC連接恢復(fù)過程、RRC連接重建立過程和RRC連接重配過程中，可以通過專用無線資源配置（例如，RRC連接建立消息、RRC連接恢復(fù)消息、RRC連接重建立消息和RRC連接重配置消息等）獲取無線鏈路失敗檢測(cè)以及空口無線鏈路恢復(fù)需要的參數(shù)，包括N310、N311、T301、T310及T311，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)表

當(dāng)檢測(cè)到定時(shí)器T310超時(shí)，終端認(rèn)為發(fā)生了無線鏈路失敗，如果未激活接入層安全，則終端通知NAS層發(fā)生了RRC連接失敗進(jìn)入空閑態(tài)，如果已經(jīng)激活接入層安全，則終端發(fā)起RRC連接重建立過程。根據(jù)以上特征完成以下測(cè)試流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

完整測(cè)試?yán)拇a設(shè)計(jì)，主要完成以下4個(gè)部分：

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)類型定義，包括：消息結(jié)構(gòu)、IE(信息元素)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2）實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的構(gòu)建，包括：常量和模板、消息及參數(shù)值、消息及參數(shù)的匹配表達(dá)。

（3）測(cè)試配置的定義和管理建立：定義測(cè)試組件（Component）、定義測(cè)試端口（Port）、測(cè)試組件動(dòng)態(tài)管理：測(cè)試組件到抽象測(cè)試系統(tǒng)接口的映射、測(cè)試組件接口間的連接、測(cè)試組件的創(chuàng)建與終止。

（4）測(cè)試流程的實(shí)現(xiàn)，包括：消息收發(fā)、過程函數(shù)的計(jì)算、測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證判決。

其中，一個(gè)測(cè)試流程對(duì)應(yīng)一個(gè)TTCN-3函數(shù)。根據(jù)以上思路設(shè)計(jì)無線鏈路失敗的大致檢驗(yàn)步驟如下：

●設(shè)置初始小區(qū)功率。

●等待10s（需設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)＞T310+T311+不同步情況的時(shí)間）。

●改變小區(qū)功率滿足注冊(cè)條件。

●檢查終端是否在合適小區(qū)上發(fā)送RRCConnection Request-NB。

●UE進(jìn)行TAU過程，釋放RRC連接。

●通過配置的SRB發(fā)送RRC連接重配置消息。

●等待UE發(fā)送RRCConnection Reconfiguration Complete-NB消息。

●測(cè)試?yán)袥Q。

●釋放小區(qū)，關(guān)機(jī)結(jié)束。

在測(cè)試?yán)跏蓟渲秒A段，首先需初始化NB-IoT系統(tǒng)配置。通過函數(shù)f_NBIOT_Init(c1,USER_PLANE)對(duì)所有小區(qū)、安全性、移動(dòng)性參數(shù)進(jìn)行初始化。

測(cè)試前言部分，創(chuàng)建NB-IoT小區(qū)，通過函數(shù)f_NBIOT_CellConfig_Def完成Ncell1和Ncell2創(chuàng)建和配置。f_NBIOT_CellInfo_GetSIB2()和f_NBIOT_CellInfo_SetSIB2()獲取Ncell1和Ncell2小區(qū)參數(shù)并修改t311_r13的值為ms30000后重新設(shè)置Ncell1和Ncell2的SIB2-NB消息如表2所示。

圖4 RRC代碼設(shè)計(jì)流程

在測(cè)試開始前，f_UT_Switch OnUE(UT,false)打開UE，f_NBIOT_CellInfo_GetGuti()獲取小區(qū)的GUTI（全球唯一臨時(shí)UE標(biāo)識(shí)）并且在小區(qū)上完成注冊(cè)前兩步流程。該測(cè)試?yán)龣z測(cè)支持用戶面優(yōu)化的終端，所以還要激活接入層（AS）安全。然后，使用函數(shù)f_NBIOT_NAS_Attach Complete_UP()完成預(yù)置條件部分。

表2 SIB2-NB消息

測(cè)試主體部分流程不再贅述，主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：通過函數(shù)f_NBIOT_SetCell PowerList()配置調(diào)整小區(qū)功率，f_NBIOT_Tracking Area Update()發(fā)起跟蹤區(qū)域更新至新小區(qū)；通過函數(shù)f_NBIOT_Generic RbEst()建立無線承載；通過函數(shù)f_NBIOT_SS_RRC_Release Security()，f_NBIOT_SS_SRBs_DRBs_Reset()釋 放RRC安全、SRB、DRB，重新配置SRB、DRB；系統(tǒng)通過f_NBIOT_ActivateDRBs_RRCConnection Reconfig()發(fā)送RRC重配消息。

最后，通過函數(shù)f_NBIOT_TestBody_Set(false)表示測(cè)試主體結(jié)束，函數(shù)f_NBIOT_Postamble()完成測(cè)試條件復(fù)位，命令終端關(guān)機(jī)。

5 結(jié)束語

基于以上設(shè)計(jì)，通過儀表供應(yīng)商提供的代碼調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)用例編譯和運(yùn)行，得到儀表輸出的測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過分析測(cè)試日志對(duì)比特殊消息，得出驗(yàn)證正確的測(cè)試判決結(jié)果與預(yù)期相符。

本文結(jié)合TTCN-3核心語言，重點(diǎn)關(guān)注NB-IoT協(xié)議一致性測(cè)試中的RRC連接管理內(nèi)容和流程設(shè)計(jì)。測(cè)試集作為GCF規(guī)定的終端進(jìn)行一致性測(cè)試誰時(shí)必須使用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試使其代碼，是儀表唯一的運(yùn)行腳本和調(diào)試參考，深入理解協(xié)議重點(diǎn)流程的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，對(duì)推動(dòng)NB-IoT終端一致性測(cè)試的發(fā)展以及NB-IoT設(shè)備的成熟商用能起到良好的推動(dòng)作用。