Design and Implementation of Re－establishment Test Architecture Based on TTCN－3

張德民1　許小寒1　伍會(huì)娟2　吳中華1　張有緣1(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1，重慶　400065;成都軍區(qū)昆明民族干部學(xué)院教研部2，四川成都　650202)

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基于TTCN－3重建測(cè)試架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2012ZX03001024)。

修改稿收到日期:2015－03－26。

第一作者張德民(1955－)，男，1988年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)信號(hào)、電路與系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，教授;主要從事信號(hào)處理與通信系統(tǒng)方面的研究。

0　引言

目前，隨著4G技術(shù)的迅猛發(fā)展，TD－LTE技術(shù)也得到廣泛的應(yīng)用。TD－LTE作為我國(guó)自主創(chuàng)新的TD－SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，其相關(guān)的技術(shù)試驗(yàn)都在有條不紊地推進(jìn)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。在TD－LTE［1］商業(yè)化的進(jìn)程中，作為TD－LTE產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，TD－LTE終端向著低功耗、高性能的方向快速發(fā)展。目前TD－LTE終端測(cè)試工作的展開也顯得越發(fā)迫切，對(duì)終端的測(cè)試已然成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)［2］。

無線資源管理(radio resource management，RRM)是無線網(wǎng)絡(luò)及終端的關(guān)鍵功能，該功能的實(shí)現(xiàn)與否會(huì)對(duì)終端設(shè)備性能、用戶體驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響［3］。本文將RRM中無線資源控制(radio resource control，RRC)連接重建過程［4］的測(cè)試?yán)鳛榍腥朦c(diǎn)，設(shè)計(jì)測(cè)試流程，編寫樹表結(jié)合表示法(tree and tabular combined notation，TTCN)［5］測(cè)試套;然后在基于實(shí)際通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納總結(jié)，搭建重建過程的RRM一致性測(cè)試平臺(tái);最后在搭建的測(cè)試平臺(tái)上對(duì)編寫的測(cè)試?yán)M(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。終端與測(cè)試平臺(tái)的正確交互，既驗(yàn)證了測(cè)試?yán)恼_性，又驗(yàn)證了平臺(tái)的合理性。

1　測(cè)試平臺(tái)的搭建

1.1歸納測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

LTE接入演進(jìn)型分組系統(tǒng)(evolved packet system，EPS)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　LTE接入EPS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 The network architecture of LTE access EPS

測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建模型如圖2所示。其中，演進(jìn)全球陸地?zé)o線接入網(wǎng)(evolved UTRAN，E－UTRAN)在測(cè)試平臺(tái)中被分離為TD－LTE處理單元(TD－LTE processingunit，TDPU)和無線資源控制(radio resource control，RRC)子層。RRC與非接入層(non－access stratum，NAS)之間以S1－MME接口相連接。TTworkbench功能模塊包括RRC和NAS子層，TTCN功能模塊與TDPU等其他模塊連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的RRM一致性測(cè)試。

圖2　測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建模型Fig.2　The test platform building model

1.2搭建RRM一致性測(cè)試平臺(tái)

在圖2搭建的測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上，把其中一些子層進(jìn)行分離和歸納，然后在一些特定功能模塊上實(shí)現(xiàn)各子層的功能，并搭建基于TTCN－3的RRC重建的RRM一致性測(cè)試平臺(tái)［6］，如圖3所示。

歸納后搭建的測(cè)試平臺(tái)包括以下功能模塊:應(yīng)用模塊(application，APP)、高級(jí)RISC微處理器模塊(advanced RISC machines，ARM)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列模塊(field－programmable gate array，F(xiàn)PGA)、數(shù)字信號(hào)處理模塊(digital signal process，DSP)、射頻模塊(radio frequency，RF)和被測(cè)實(shí)現(xiàn)模塊(implementation under test，IUT)。

APP模塊是由用戶自己設(shè)定，包含了針對(duì)每一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的所有問題和功能，在該測(cè)試?yán)惺褂肨TCN－3作為應(yīng)用模塊。在TTCN－3中，編寫了測(cè)試代碼，主要實(shí)現(xiàn)NAS和RRC的功能。在ARM模塊上實(shí)現(xiàn)了PDN網(wǎng)關(guān)、業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)(service gateway，SGW)、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(packet data convergence protocol，PDCP)、無線鏈路控制(radio link control，RLC)和媒體接入控制(medium access control，MAC)等子層的功能。DSP模塊負(fù)責(zé)物理層(physical layer，PHY)功能的實(shí)現(xiàn)。這樣TTCN－3、ARM和DSP模塊連接，共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)端的開發(fā)環(huán)境。FPGA模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和下行同步。RF模塊模擬無線通信環(huán)境，實(shí)現(xiàn)被測(cè)實(shí)體與測(cè)試平臺(tái)的連接和通信。該測(cè)試平臺(tái)還加入了一個(gè)主控模塊，它能夠?qū)崿F(xiàn)PC與TDPU的中轉(zhuǎn)處理，也用于加載應(yīng)用軟件。

圖3　重建測(cè)試?yán)腞RM一致性測(cè)試平臺(tái)Fig.3 RRM conformance testing platform of re－establishment test case

基于TTCN－3的測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)流程進(jìn)行控制，而且TTCN－3的核心語言形式可以與其圖形表示格式(GFT)相互轉(zhuǎn)化。GFT圖以一種更加簡(jiǎn)單、直觀的圖形表示方式來描述TTCN－3的行為［7］。該測(cè)試平臺(tái)不僅擁有以上TTCN－3的優(yōu)點(diǎn)，并且在以往測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)各功能模塊加以總結(jié)，提出了實(shí)現(xiàn)各模塊功能的途徑;同時(shí)，F(xiàn)PGA等模塊的加入提高了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和處理的效率，使平臺(tái)變得更合理且穩(wěn)定。

2　RRM重建過程測(cè)試設(shè)計(jì)

2.1 RRC連接重建過程

RRC連接重建成功的流程如圖4所示。

圖4　RRC連接重建成功流程圖Fig.4 Successful procedure of RRC connection re－establishment

對(duì)于處于RRC_CONNECTED的UE且其安全性已經(jīng)被激活，它將初始化該進(jìn)程來繼續(xù)RRC連接。只有當(dāng)相關(guān)的小區(qū)已經(jīng)準(zhǔn)備好，連接重建才能繼續(xù)，即該進(jìn)程需要有一個(gè)有效的UE上下文。如果E－UTRAN接收到RRC連接重建請(qǐng)求，而無線承載保持被暫時(shí)擱置狀態(tài)時(shí)，SRB1運(yùn)作重新開始。如果接入層安全性還沒被激活，UE不初始化該進(jìn)程，而是直接跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)。

如上所述，RRC連接重建過程只有當(dāng)接入層安全性已經(jīng)被激活，并且發(fā)生以下幾種情形的一種時(shí)，才會(huì)被初始化: (1)在檢測(cè)到無線鏈路失敗后; (2)在切換失敗后; (3)在從E－UTRA的移動(dòng)性失敗后; (4)在接收到來自于低層的完整性檢驗(yàn)失敗后; (5)在RRC連接重配置失敗后。初始化該進(jìn)程以后，如果定時(shí)器T310正在運(yùn)行，則停止運(yùn)行;并啟動(dòng)定時(shí)器T311，將所有的RBs暫時(shí)擱置，除了SRB0;然后配置底層，此時(shí)將重新執(zhí)行小區(qū)選擇，即小區(qū)重選過程［8］。

2.2重建過程的測(cè)試?yán)O(shè)計(jì)

2.2.1測(cè)試流程設(shè)計(jì)

同頻RRC重建過程的測(cè)試，是驗(yàn)證當(dāng)服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)在同一載頻上并且UE檢測(cè)到無線鏈路失敗或者切換失敗等情況時(shí)，終端能否在規(guī)定的重建時(shí)延限制內(nèi)發(fā)送RRC連接重建請(qǐng)求給系統(tǒng)模擬器(system simulator，SS)來重新建立RRC連接。測(cè)試中需要一個(gè)服務(wù)小區(qū)和一個(gè)鄰小區(qū)，分別稱之為小區(qū)1和小區(qū)2，使UE能在同一個(gè)E－UTRA TDD載頻上監(jiān)測(cè)相鄰小區(qū)，并在檢測(cè)到無線鏈路失敗的情況下，UE能夠發(fā)起RRC連接重建流程，并在物理隨機(jī)接入信道(physical random access channel，PRACH)上向小區(qū)2發(fā)送前導(dǎo)完成小區(qū)重選到小區(qū)2。如圖5所示為RRM重建過程一致性測(cè)試流程圖。

圖5　同頻RRC重建測(cè)試流程圖Fig.5　The test flowchart of intra－frequency RRC re－establishment

首先，使得UE處于3A－RF狀態(tài)，3A－RF狀態(tài)是UE由開機(jī)之后的空狀態(tài)駐留到小區(qū)1進(jìn)入到空閑狀態(tài)后接收到網(wǎng)絡(luò)端的尋呼進(jìn)入測(cè)試模式的連接態(tài)。然后SS發(fā)送連接重配置給UE，UE會(huì)發(fā)送連接重配置完成給SS，在配置好T2、T3階段的參數(shù)以后，UE檢測(cè)到無線鏈路失敗時(shí)發(fā)起RRC連接重建流程，并在1.5 s內(nèi)發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)到小區(qū)2，表示測(cè)試?yán)晒?zhí)行一次，然后切換回小區(qū)1。若切換不成功，則UE關(guān)機(jī)，繼續(xù)上述流程。

根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定的參數(shù)值，RRC連接重建時(shí)延被定義為從T3開啟到UE向小區(qū)2發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)的這段時(shí)間。測(cè)試中的RRC連接重建時(shí)延由以下公式得到:

式中: TUL_grant為從目標(biāo)小區(qū)獲得上行授權(quán)的時(shí)間，由于測(cè)試?yán)某晒εc否是由系統(tǒng)模擬器接收到PRACH花費(fèi)的時(shí)間來判定的，所以在該測(cè)試?yán)蠺UL_grant并沒有用到; TUE_re－establish_delay= 50 ms + Nfreq×Tsearch+ TSI+ TPRACH，Nfreq=1，Tsearch=100 ms; TSI=1 280 ms為接收目標(biāo)小區(qū)系統(tǒng)消息所需的時(shí)間; TPRACH= 15 ms是由于隨機(jī)接入進(jìn)程而引起的時(shí)延; TUE_establish_delay= 1 445 ms，在測(cè)試中允許1.5 s內(nèi)即可。

2.2.2測(cè)試參數(shù)配置

以上測(cè)試流程執(zhí)行的過程中，所需配置的部分參數(shù)如表1所示。

表1　測(cè)試?yán)牟糠謪?shù)配置Tab.1 Partial test parameters of the test case

表1中，N310表示從底層收到的連續(xù)的失步(outof－sync)指示的最大個(gè)數(shù)，N311表示從底層收到的連續(xù)的同步(in－sync)指示的最大個(gè)數(shù)。定時(shí)器T310在接收N310個(gè)連續(xù)不同步時(shí)啟動(dòng)，在鏈路恢復(fù)即接收N311個(gè)連續(xù)同步時(shí)停止，當(dāng)定時(shí)器T310超時(shí)時(shí)將觸發(fā)RRC連接重建過程。定時(shí)器T311是控制UE開始RRC連接重建到UE選擇一個(gè)小區(qū)過程所需的時(shí)間，期間UE執(zhí)行cell－selection過程。特殊子幀包含3個(gè)部分:下行導(dǎo)頻時(shí)隙(downlink pilot time slot，DwPTS)、保護(hù)間隔(guard period，GP)、上行導(dǎo)頻時(shí)隙(uplink pilot time slot，UpPTS)。DwPTS上傳輸?shù)氖窍滦械膮⒖夹盘?hào)，也可以傳輸一些控制信息; UpPTS上可以傳輸一些短的隨機(jī)接入和探測(cè)參考信號(hào)的信息; GP是上下行之間的保護(hù)時(shí)間。特殊子幀的配置目前一共有9種，配置0到配置8，該測(cè)試?yán)x的是配置6。在同一幀內(nèi)，不同的上下行子幀的配置有7種，配置0到配置6，該測(cè)試?yán)x的是配置1。PRACH配置索引指示了PRACH的頻域資源索引、時(shí)域的無線幀、半幀、子幀的資源占用情況，該測(cè)試?yán)x的是配置53。

在測(cè)試執(zhí)行過程中，各個(gè)定時(shí)器時(shí)段內(nèi)兩個(gè)小區(qū)的參數(shù)如表2所示。需要說明的是，測(cè)試執(zhí)行過程中一直存在加性高斯白噪聲的干擾。表2中，BWchannel代表信道帶寬，兩個(gè)小區(qū)均設(shè)定為10 MHz。E^s/Iot表示每個(gè)資源粒子上接收功率與所有噪聲干擾的功率譜密度之比。Noc表示白噪聲源的功率譜密度，白噪聲源模擬的是來自小區(qū)在測(cè)試過程中未被定義的干擾。E^s/ Noc表示每個(gè)資源粒子上接收功率與模擬來自小區(qū)的白噪聲源的功率譜密度之比。RSRP表示參考信號(hào)的接收功率。

表2　測(cè)試?yán)木唧w小區(qū)測(cè)試參數(shù)配置Tab.2 Specific test parameters of the LTE cells in the test case

3　測(cè)試結(jié)果的分析

按照以上測(cè)試流程編寫測(cè)試?yán)⒃诖罱ê玫臏y(cè)試平臺(tái)上執(zhí)行，得到具體的測(cè)試結(jié)果仿真圖。

PC端TTCN－3利用TTCN參數(shù)配置請(qǐng)求與證實(shí)這一對(duì)原語驗(yàn)證與主控的通信。TTCN－3發(fā)送小區(qū)激活請(qǐng)求來激活小區(qū)，使得終端能夠收到小區(qū)1的系統(tǒng)消息，并在小區(qū)1上成功駐留后，主控會(huì)回小區(qū)激活證實(shí)給TTCN－3。接著TTCN－3會(huì)下發(fā)尋呼請(qǐng)求，由主控轉(zhuǎn)發(fā)到底層后發(fā)給終端，終端會(huì)再接收小區(qū)1的系統(tǒng)消息并接入進(jìn)入連接態(tài)。然后利用小區(qū)重配請(qǐng)求與證實(shí)來設(shè)置T2、T3階段的參數(shù)。最后TTCN－3等待當(dāng)終端成功接入到小區(qū)2時(shí)，底層會(huì)回一個(gè)預(yù)先約定的AC1D證實(shí)，表示接入成功。

通過觀察仿真可知，測(cè)試執(zhí)行過程中到達(dá)每條原語的時(shí)間有明確的顯示，而且也便于追蹤測(cè)試流程執(zhí)行到哪條原語，易于查錯(cuò)和糾錯(cuò)。

4　結(jié)束語

本文從LTE接入EPS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)受到啟發(fā)，結(jié)合TTCN－3協(xié)議一致性測(cè)試搭建基于E－UTRAN TDD同頻RRC重建測(cè)試?yán)钠脚_(tái)，編寫重建測(cè)試，并在該平臺(tái)上成功執(zhí)行。該方法完善了TD－LTE系統(tǒng)協(xié)議一致性測(cè)試技術(shù)理論，并為以后的研究提供了可行的方案。未來隨著4G技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟和5G技術(shù)的萌生，基于TTCN－3的測(cè)試開發(fā)將會(huì)變得愈加重要。

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Design and Implementation of Re－establishment Test Architecture Based on TTCN－3

張德民1許小寒1伍會(huì)娟2吳中華1張有緣1
(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1，重慶400065;成都軍區(qū)昆明民族干部學(xué)院教研部2，四川成都650202)

摘要:對(duì)LTE接入演進(jìn)型分組系統(tǒng)(EPS)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了研究，構(gòu)造出了對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中各模塊的測(cè)試平臺(tái);然后對(duì)各模塊功能進(jìn)行分離與歸納，提出各模塊的實(shí)現(xiàn)平臺(tái);并在此基礎(chǔ)上搭建了無線資源管理(RRM)無線資源控制(RRC)連接重建測(cè)試?yán)囊恢滦詼y(cè)試平臺(tái);最后編寫RRC連接重建測(cè)試?yán)臏y(cè)試腳本，并在此平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行分析，得出了測(cè)試用例設(shè)計(jì)的正確性以及測(cè)試平臺(tái)的可行性與合理性。

關(guān)鍵詞:長(zhǎng)期演進(jìn)無線資源管理演進(jìn)型系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)議一致性測(cè)試平臺(tái)樹表結(jié)合表示法4G TTCN－3

Abstract:The network architecture of LTE access evolved packet system (EPS)is researched，and the test platform corresponding to each module of the network architecture is constructed; then the functions of each module are separated and summarized，the implementation platform of each module is put forward; and the radio resource management(RRM)conformance test platform for the test case of radio resourcce control (RRC)connection re－establishment is built on this basis; finally，the test script of the test case of RRC connection re－establishment is composed and verified on this platform.Through analyzing the verification results，it is found that the design is correct，and the test platform is feasible and reasonable.

Keywords:Long term evolution Radio resource management(RRM)EPS network architecture Protocol conformance test platform Tree and tabular combined notation 4GTTCN－3

中圖分類號(hào):TH－3; TP3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603004