李校林 ，文小強(qiáng)

（1.重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，重慶 400065；2.重慶郵電大學(xué)，通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065）

1 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及移動(dòng)通信與寬帶無(wú)線接入技術(shù)的相互融合，3GPP開(kāi)展了UTRA長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)的研究。與以往的TDSCDMA等3G移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，LTE能提供對(duì)各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С趾捅纫酝幸苿?dòng)通信系統(tǒng)更高的數(shù)據(jù)傳輸率，這必然會(huì)加大用戶設(shè)備（UE）與eNodeB之間的信令交互。在3GPP制定的標(biāo)準(zhǔn)中，引入了使用UPER編碼規(guī)則的ASN.1語(yǔ)言來(lái)描述LTE-Uu接口協(xié)議棧信令消息[1]。ASN.1的數(shù)據(jù)類型可分為簡(jiǎn)單類型和復(fù)合類型兩大類。簡(jiǎn)單類型是通過(guò)直接規(guī)定一組該類型值而定義的不可分解的基本數(shù)據(jù)類型，包括 Null，Bool，Integer，Bit String，Octet String，Object Identifier等。復(fù)合類型是引用一個(gè)或多個(gè)其他類型構(gòu)成的任意復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，這里的其他類型可以是簡(jiǎn)單類型，也可以是復(fù)合類型。復(fù)合類型有Sequence，Choice，Set，Sequence of，Set of等[2]。 LTE-Uu 接口協(xié)議棧信令消息采用的均是緊湊而快的編碼方式，從而能獲得更高的通信效率。需要指出的是，ASN.1中數(shù)據(jù)類型的編碼，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)必須嚴(yán)格按照X.691協(xié)議來(lái)完成。否則即使是編解碼過(guò)程中1 bit的差錯(cuò)，也可能使整個(gè)LTE系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行[3]。

文獻(xiàn)[4-7]討論了提出開(kāi)發(fā)自動(dòng)編譯器和新ASN.1運(yùn)行庫(kù)等的解決方法，但這些都主要針對(duì)TD-SCDMA及其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而且一方面LTE-Uu接口協(xié)議棧的大部分功能與TD-SCDMA等相比已經(jīng)有了很大的變化，另一方面信令消息隨著LTE協(xié)議版本的變化仍然在不斷改變。因此，筆者結(jié)合文獻(xiàn)[4-7]各自ASN.1方案具有的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)LTE-Uu接口協(xié)議棧中ASN.1語(yǔ)言描述信令消息的編碼和解碼技術(shù)及在此基礎(chǔ)上的一致性測(cè)試應(yīng)用做了探索性的研究。

2 LTE-Uu接口協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

在3GPP協(xié)議中，LTE-Uu接口協(xié)議棧從功能和任務(wù)上來(lái)看，分為物理層（L1）、數(shù)據(jù)鏈路層（L2）和無(wú)線資源控制層（L3）。數(shù)據(jù)鏈路層又分為媒介接入控制（Medium AccessControl，MAC）層、無(wú)線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Date Convergence Protocol，PDCP）層[8]。

ASN.1編解碼模塊處于LTERRC層中信息的最關(guān)鍵部分，是LTE-Uu接口協(xié)議棧信息塊重組過(guò)程的核心之一[1]。L3 RRC層消息在發(fā)送端首先經(jīng)過(guò)ASN.1編解碼模塊的編碼，形成RRC的PDU模塊，再分別經(jīng)L2的PDCP，RLC層和MAC層處理后，經(jīng)L1物理層發(fā)送出去。在接收端，則需要進(jìn)行發(fā)送端的逆過(guò)程，經(jīng)L1物理層接收后，經(jīng)過(guò)L2的MAC，RLC和PDCP層的處理，再送往L3 RRC層的ASN.1編解碼模塊進(jìn)行信令消息的解碼，完成信令消息的解析。

其中，MAC層的主要任務(wù)是完成邏輯信道與傳輸信道之間的映射，因此發(fā)送端的MAC層實(shí)體需要通過(guò)對(duì)不同映射關(guān)系下的數(shù)據(jù)添加不同的MAC頭來(lái)區(qū)分不同類型的數(shù)據(jù)。接收端則需要根據(jù)不同的傳輸信道指示及數(shù)據(jù)格式去掉相應(yīng)的MAC頭；RLC層的功能主要完成數(shù)據(jù)的分段、重組及確保數(shù)據(jù)的正確有序傳輸；PDCP層主要完成對(duì)信令消息的加密和完整性保護(hù)；最后是RRC層進(jìn)行ASN.1消息編解碼的模塊化處理及解析。

3 ASN.1UPER編解碼模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，國(guó)內(nèi)外通信軟件協(xié)議棧制造商對(duì)LTE中各個(gè)接口協(xié)議棧都十分重視。OSSNokalva和Trillium公司推出的軟件除了信令消息分析功能外，有的還具備部分協(xié)議模擬功能。雖然ASN.1編解碼部分在這些軟件中的形式各有千秋，但其達(dá)到的效果是完全一致的。ASN.1編解碼處理流程如圖1所示。

在對(duì)LTE-Uu接口協(xié)議棧的ASN.1編解碼模塊的設(shè)計(jì)中提出了軟件設(shè)計(jì)中模塊定義和代碼實(shí)現(xiàn)的方案，并給出了實(shí)際開(kāi)發(fā)中遇到的某些困難的解決方法。要實(shí)現(xiàn)ASN.1編解碼模塊，需要：

1）將該協(xié)議棧中用ASN.1記法描述的消息（rrc.asn）編譯成C語(yǔ)言描述的源文件（rrc.h）；

2）生成ASN.1記法描述的消息（rrc.asn）中對(duì)應(yīng)C數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的編解碼函數(shù)（rrc.c）。

圖1中的編譯是指將ASN.1記法描述的rrc.asn文件編譯成rrc.h文件以及與rrc.h對(duì)應(yīng)的rrc.c文件。其中rrc.h文件用于聲明編譯之后生成的C數(shù)據(jù)類型和編解碼函數(shù)，rrc.c文件用于實(shí)現(xiàn)編解碼函數(shù)。這些編解碼函數(shù)再調(diào)用圖1中的ASN.1編解碼基本函數(shù)庫(kù)（Basic_asn.h，Basic_asn.c）實(shí)現(xiàn)編解碼功能。最后得到用于LTE-Uu接口協(xié)議棧的可執(zhí)行文件，從而完成從ASN.1描述到二進(jìn)制比特流的轉(zhuǎn)換，使得其信息能在LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

圖1的編譯過(guò)程比較繁雜，因?yàn)槿绻麑D-SCDMA空中接口的ASN.1消息手工翻譯成C文件則會(huì)多達(dá)數(shù)萬(wàn)行，任務(wù)龐大。不過(guò)LTE RRC的ASN.1消息相對(duì)TD-SCDMA來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)化了很多。筆者通過(guò)剔除不必要的ASN.1類型并設(shè)計(jì)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將LTE RRC的這些消息經(jīng)過(guò)ASN.1映射成C文件后，再加上其他一些優(yōu)化措施，將整個(gè)LTE RRC 消息的 C 文件（rrc.c，rrc.h）壓縮至 1～2Mbyte。

LTERRC消息編譯成C代碼文件后，還需進(jìn)行編解碼函數(shù)庫(kù)的編寫。ASN.1模塊的比較核心部分就是編解碼函數(shù)庫(kù)，它包括ASN.1的各個(gè)數(shù)據(jù)類型所對(duì)應(yīng)的編解碼函數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)必須嚴(yán)格根據(jù)X.691協(xié)議中的UPER編碼規(guī)則來(lái)編寫。之后，再進(jìn)行一系列的嚴(yán)格測(cè)試才能確定其正確性。最后完整的ASN.1編解碼函數(shù)庫(kù)的源代碼約為6 000行。

4 ASN.1編解碼模塊的測(cè)試與應(yīng)用

由于LTE RRC的ASN.1消息中包含很多協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），不同的PDU下面又包含許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此使用結(jié)構(gòu)測(cè)試的方法對(duì)ASN.1編解碼模塊進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)通過(guò)觀察該模塊在一致性測(cè)試中的應(yīng)用來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證ASN.1編解碼模塊的可靠性。

4.1 ASN.1模塊的結(jié)構(gòu)測(cè)試

結(jié)構(gòu)測(cè)試又稱為“白盒測(cè)試”或單元測(cè)試，它是基于軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試的，其目的是通過(guò)執(zhí)行每條語(yǔ)句、遍歷程序的各個(gè)分支來(lái)檢查整個(gè)程序代碼的正確性。在測(cè)試的實(shí)現(xiàn)中采取了有步驟分層次的方法：先對(duì)簡(jiǎn)單類型編解碼函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，然后對(duì)復(fù)雜類型編解碼函數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

為確保測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性，在復(fù)雜類型測(cè)試中采用了兩種方法：一種是采用手工對(duì)接口信令消息中包含RRC-Connection-Setup消息的DL-CCCH-Message進(jìn)行賦值，先調(diào)用ASN.1編解碼模塊進(jìn)行編碼，對(duì)于編碼后的結(jié)果再調(diào)用ASN.l編解碼模塊進(jìn)行解碼。選取DL-CCCH-Mes-sage消息是因?yàn)檫@種類型消息包含了幾乎所有的ASN.1的數(shù)據(jù)類型，并且包含的復(fù)合結(jié)構(gòu)比較多，具有很強(qiáng)的通用性。經(jīng)多次符合X.691標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)賦值測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，解碼后的結(jié)果與開(kāi)始的賦值是完全一致的。

另外一種方式是結(jié)合OSSNokalva公司的OSSASN.1 GUI軟件對(duì)DL-CCCH-Message消息賦值，通過(guò)該軟件生成符合UPER編碼規(guī)則的比特流。先調(diào)用ASN.1編解碼模塊解碼，對(duì)解碼后的結(jié)果再調(diào)用ASN.1編解碼模塊進(jìn)行編碼。最后將輸入的比特流和解碼后的比特流進(jìn)行比較，看兩者是否一致。由于某些消息編碼后比特流比較龐大，因此改進(jìn)的措施是將解碼之后的比特流輸出到文件，使用Ultra Compare Professional工具進(jìn)行比較。

通過(guò)反復(fù)多次隨機(jī)取值的結(jié)構(gòu)測(cè)試，各個(gè)PDU預(yù)輸入的比特流和編碼后比特流經(jīng)軟件比較仍然一致，這說(shuō)明ASN.1編解碼模塊通過(guò)了結(jié)構(gòu)測(cè)試。由于在實(shí)際的連接消息通信過(guò)程中，消息的各項(xiàng)參數(shù)值是很難預(yù)測(cè)的，所以僅通過(guò)結(jié)構(gòu)測(cè)試是不夠的，還必須與一致性測(cè)試中ASN.1編解碼模塊應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。

4.2 ASN.1編解碼模塊的應(yīng)用

對(duì)于LTE協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)測(cè)試而言，比較關(guān)心的是開(kāi)發(fā)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，是否能與其他基于同一個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)互通等問(wèn)題。而協(xié)議一致性測(cè)試可以檢測(cè)所實(shí)現(xiàn)的協(xié)議實(shí)體與協(xié)議規(guī)范是否一致，是協(xié)議實(shí)體之間互操作性和性能保證的基本前提。在測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)實(shí)體之間通過(guò)發(fā)送、接收信令數(shù)據(jù)來(lái)完成協(xié)議一致性測(cè)試。

根據(jù)圖2所示過(guò)程在Telelogic TAU的TTCN Suite環(huán)境下設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試?yán)?，此環(huán)境同時(shí)支持TTCN和ASN.1兩種語(yǔ)言。根據(jù)3GPPTS 36.331（RRC）協(xié)議的RRCConnection Establishment過(guò)程，使用TTCN和ASN.1語(yǔ)言在Telelogic TAU 4.0的TTCN Suite平臺(tái)中構(gòu)造測(cè)試?yán)?、測(cè)試集，然后脫離工具平臺(tái)，完成與Windows系統(tǒng)集成[9]。

與Windows系統(tǒng)集成時(shí)具體使用VC6.0模擬出一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議實(shí)體，被測(cè)實(shí)體ITU為UE，它發(fā)送一條RRC-Connection-Request后，便會(huì)等待eNodeB返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)消息RRC-Connection-Setup，UE接收到此條消息并進(jìn)行相應(yīng)配置成功后會(huì)回應(yīng)消息RRC-Connection-Setup-Complete。測(cè)試系統(tǒng)模擬基站（eNodeB），通過(guò)執(zhí)行測(cè)試?yán)l(fā)送或等待接收數(shù)據(jù)并比對(duì)得出測(cè)試結(jié)果。在進(jìn)行協(xié)議一致性測(cè)試對(duì)LTE基本協(xié)議通信仿真的過(guò)程中，ASN.1編解碼模塊會(huì)取出其中包含RRC消息的數(shù)據(jù)流包，調(diào)用解碼函數(shù)進(jìn)行解碼。如能正常解碼，再分析消息流程是否符合3GPP制定的標(biāo)準(zhǔn)流程，這樣從另一個(gè)角度驗(yàn)證了ASN.1編解碼模塊的可靠性。

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)系統(tǒng)的通信端口IP等正確配置后，運(yùn)行測(cè)試?yán)?，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)圖2所示的RRCConnection Establishment過(guò)程進(jìn)行流程測(cè)試。將編碼后的請(qǐng)求消息RRC-Connection-Request發(fā)送給測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)收到并解析為正確的請(qǐng)求消息后會(huì)返回1條對(duì)應(yīng)的響應(yīng)消息RRC-Connection-Setup，被測(cè)系統(tǒng)接收到該消息后進(jìn)行解析，并回應(yīng)RRC-Connection-Setup-Complete，測(cè)試系統(tǒng)接收到該消息后進(jìn)行解析，得出判決結(jié)果，如圖3所示。通過(guò)查看最后的判決結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)這與圖2實(shí)際的LTE基本協(xié)議通信中連接建立流程是一致的。由此可知，ASN.1編解碼模塊能夠準(zhǔn)確解析接收到的數(shù)據(jù)，并且能準(zhǔn)確地將描述的信息轉(zhuǎn)換成比特流的形式。因此，該方案是有效、可行的。

5 小結(jié)

ASN.1編解碼模塊在LTE-Uu接口協(xié)議棧中占有相當(dāng)重要的地位，也是決定能否與LTE系統(tǒng)中其他模塊之間達(dá)到互通的基礎(chǔ)。通過(guò)結(jié)構(gòu)測(cè)試和在一致性測(cè)試中的應(yīng)用，文中所涉及的與ASN.1編解碼模塊相關(guān)的協(xié)議描述及實(shí)現(xiàn)方法、通信協(xié)議一致性測(cè)試都是有效、可行的。對(duì)于ASN.1的諸多應(yīng)用領(lǐng)域而言，這些方法也具有一定的通用性。

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[2]ITU-T Recommendation X.680，Abstract syntax notation（ASN.1）：specification of basic notation[S].2002.

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[8]3GPP TS 36.300 V9.2.0，Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA） and evolved universal terrestrial radio access network（E-UTRAN）； overall description； stage 2[S].2010.

[9]李小文，李貴勇，陳賢亮.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2003.