4G／3G終端RRM一致性測試系統的研究與實現

李清泉，鄧 鋼

（北京郵電大學 泛網無線通信教育部重點實驗室，北京100876）

0 引 言

作為TD－SCDMA的后續演進，TD－LTE是由我國主導提出的準4G移動通信標準，其后續演進的TD－LTE－Advanced已成功入選ITU的4G標準，在國際上得到廣泛認可[1]。從TD－LTE商用情況來看，TD－LTE將首先實現局部覆蓋，為熱點地區提供準4G服務，而現有的TD－SCDMA和GSM網絡提供全覆蓋3G或語音服務。因此，僅僅支持TD－LTE一種無線接入技術 （radio access technology，RAT）的單模終端已不能滿足用戶及市場的需求[2]，同時支持TD－LTE，TD－SCDMA和GSM的多模終端成為3G系統到LTE系統平滑過渡的橋梁。

無線資源管理 （radio resource management，RRM）一致性測試包含小區重選，切換，測量上報，隨機接入等多方面的內容，是對終端無線資源管理性能的全面考察。國內現有的RRM一致性測試系統主要針對各單模系統設計，文獻[3]中給出一種TD－LTE終端無線資源管理一致性測試系統的實現方法，而支持TD－LTE／TD－SCDMA系統間的RRM一致性測試系統是考察多模終端在線狀態下進行系統間無線資源管理能力的重要手段。系統間無線資源管理的難點在于系統間同步及異系統操作時延計算，這將影響到對終端性能評估的準確性。

本文將在分析現有單模RRM一致性測試系統的基礎上，提出將TD－LTE和TD－SCDMA單模RRM一致性測試系統級聯以實現TD－LTE／TD－SCDMA系統間RRM一致性測試系統的方案，設計TD－LTE／TD－SCDMA系統間互操作所需的控制軟件，解決異系統互操作時延計算方案，最后以一個TD－LTE／TD－SCDMA系統間小區重選實例驗證該設計的可行性和有效性。

1 基于TTCN的RRM一致性測試模型

文獻[4]中給出了一種基于TTCN－3的RRM一致性測試系統解決方案，該解決方案的框架圖如圖1所示。

圖1 基于TTCN－3的RRM一致性測試架構

從硬件層面來看，該測試系統主要由兩個部分組成:上位機和系統模擬器，其中上位機將運行測試用例，系統模擬器作為系統平臺，實現相應系統底層、空口協議棧功能。

從軟件層面上看，該測試系統由位于上位機的L3軟件和位于系統模擬器的L1，L2軟件構成。該系統使L3（包括RRC／NAS）協議棧和L1，L2實現了物理上的分離，這種架構兼顧了系統的可靠性以及可移植性。

文獻[4]中對 TD－LTE／TD－SCDMA雙模互操作系統測試模型有具體定義，其框架如圖2所示。

其中的EUTRAN PTC和UTRAN PTC分別用來實現模擬TD－LTE系統和TD－SCDMA系統的網絡層 （L3）的相關功能，包括定義L3的原語、變量、約束、函數、實現L3的所有RRM功能。PTC（paralleled test component）實質上可理解為一個進程中的線程，在整個可執行的測試套中，各個PTC各司其職，除了完成自己相應的功能外，也可以同步協調來完成同一個功能。

PDCP，RLC，MAC，PHY分別實現層1和層2協議棧基本功能，在這些基本功能實現后，通過設計層3中各PTC的流程來實現對終端不同的測試需求。

圖2 TD－LTE／TD－SCDMA互操作測試模型

2 TD－LTE／TD－SCDMA 系統間 RRM 一致性測試系統實現

TD－LTE／TD－SCDMA系統間RRM一致性測試系統硬件部分主要通過級聯已有的TD－LTE和TD－SCDMA單模系統模擬器，并基于此設計控制軟件來實現系統間的互操作。

2.1 硬件平臺

根據測試模型的定義，TD－LTE／TD－SCDMA雙模互操作硬件架構主要采用1臺上位機＋2臺系統模擬器，SS（系統模擬器）來模擬不同RAT的L1，L2協議棧和射頻功能，另外按協議中對終端RRM一致性測試的無線信道環境的要求，還需要增加信道仿真器，射頻切換箱用于模擬無線環境。

基于該設計思想，系統硬件結構如圖3所示。

圖3 硬件結構

TD－LTE系統模擬器、TD－SCDMA系統模擬器:用于模擬各類型小區場景，每一臺系統模擬器模擬一個小區；射頻切換箱用于根據各測試例特定的射頻線連接方式及信道環境設置[9]（AWGN、多徑衰落等）。

針對TD－LTE／TD－SCDMA系統間互操作的場景，需要設計射頻切換箱如圖4所示，下行信號需要經過信道模擬器 （CE），疊加AWGN和多徑衰落，而對上行信號則不經過CE，在理想信道環境中傳輸。

在系統控制計算機的控制下，自動完成系統中各設備射頻輸入輸出端口及UE天線的連接。

2.2 軟件架構

基于TTCN－3的測試模型，系統的軟件架構如圖5所示。

各部分軟件功能見表1。

圖4 射頻切換箱連接

圖5 系統軟件結構

表1 各部分軟件功能

3 TD－LTE／TD－SCDMA系統間互操作控制

系統間互操作的流程控制基于TTCN－3實現，全部運行在L3軟件中，主要是兩個PTC的實現，分別模擬兩個小區的流程，本節將解決系統間互操作的同步和時延計算問題。

3.1 測試成分實現

對于異系統的測試例需要兩種不同接口的PTC來模擬兩種小區，顯式創建EUTRA＿PTC和UTRAN＿PTC然后分別在這兩個測試成分上實現各自小區的測試流程，定義測試例代碼為:

testcase TC＿4＿3＿4＿2 （）runs on MTC＿LTE system SYSTEM＿LTE｛

var EUTRA＿PTC v＿EUTRA :＝EUTRA＿PTC.create alive；／／創建EUTRA＿PTC

var UTRAN＿PTC v＿UTRAN :＝UTRAN＿PTC.create alive；／／創建 UTRAN＿PTC

var GERAN＿PTC v＿GERAN :＝null；

var CDMA2000＿PTC v＿CDMA2000 :＝null；

var IMS＿PTC v＿IMS＿PTC1 :＝null；

var IMS＿PTC v＿IMS＿PTC2 :＝null；

timer t＿GuardTimer :＝int2float（36000）；

f＿MTC＿ConnectPTCs＿LTE（v＿EUTRA，v＿UTRAN，v＿GERAN，v＿CDMA2000，v＿IMS＿PTC1，v＿IMS＿PTC2）；

v＿EUTRA.start（f＿RRM ＿TC＿4＿3＿4＿2＿EUTRA （））； ／／運行EUTRA＿PTC的測試步

v＿UTRAN.start（f＿TC＿4＿3＿4＿2＿UTRAN（））； ／／運行UTRAN＿PTC的測試步

t＿GuardTimer.start；

f＿MTC＿MainLoop（t＿GuardTimer）；｝

在函數f＿MTC＿ConnectPTCs＿LTE中實現各個接口的連接和映射如圖6，以實現本端配置，空口消息，測試成分間的同步等功能。從圖中可以看出，所有內部PTC的對外接口全部映射到抽象測試系統上，即對下層系統模擬器而言，高層被抽象成一個測試系統，而屏蔽了內部的復雜邏輯。

圖6 測試成分接口映射

3.2 系統間互操作的同步

系統間互操作的RRM一致性測試系統的同步主要包括兩方面內容:L3兩個PTC流程同步和物理層幀結構的同步。

PTC之間的同步，通過內部接口 （圖6）UTRAN和EUTRAN交換特定的觸發消息來實現，當一個PTC完成一個流程后，需要等待另一個PTC的觸發消息，才能繼續執行，這樣保證了兩個PTC同步協調。

物理層幀結構的同步通過硬件手段實現，在系統開機時，通過LTE系統模擬器發送一個觸發信號給TD－SCDMA系統模擬器來保證物理層幀號同時開始計數，從而保證異系統幀結構的同步對齊。

3.3 TD－LTE／TD－SCDMA系統間互操作時延計算方案

RRM測試的一個重要指標是時延，它是指從執行可觸發終端進行某項無線資源管理行為的外部環境變化或空口信令開始，到終端完成該無線資源管理操作所經歷的時間。它綜合反應了終端物理層測量能力、數據處理能力、決策算法性能等多方面能力，包含小區重選時延、切換時延、測量上報時延等的計算。對于系統間互操作，由于TDLTE和TD－SCDMA的幀結構并不完全相同，因而相比于單模系統，系統間RRM一致性測試的時延計算具有復雜性，是異系統級聯時需要解決的重要問題，本文給出了一種解決方案。

3.3.1 TD－LTE／TD－SCDMA幀結構分析

TD－LTE和 TD－SCDMA 幀結構[5，6]見圖7，分析可知TD－SCDMA的子幀和 TD－LTE的半幀是對齊的，都是5ms。TD－LTE系統幀號從0－1023循環，子幀號從0－9循環，周期為1024＊10ms＝10.24s；而 TD－SCDMA的子幀號從0－8191循環，周期為8192＊5ms＝40.96s。

圖7 TD－LTE和TD－SCDMA幀結構對比

此處需注意，TD－LTE一個幀號加1表示10ms，而TD－SCDMA子幀號加1表示5ms，所以TD－LTE的一個周期1023個幀對應于TD－SCDMA的2047個子幀。

3.3.2 時延計算方案

對于TD－LTE／TD－SCDMA系統間互操作的無線資源管理，測試中時延計算的起點和終點可能分別在兩個系統中，這樣就有4種情況組合，見表2。其中場景1和場景3與單模中時延計算類似，而場景2和場景4是系統間時延計算的特例。下面將以場景2為例，介紹時延計算方案。

表2 時延計算場景分類

對于場景2，延時計算如圖8所示。

該計算方案關鍵步驟為:

（1）在系統開機時進行一次物理層硬件同步，保證兩個系統物理層幀號都從0開始計數；

（2）在時延計算起點獲取起點幀號p＿StartTiming，同時開啟一個定時器p＿Toffset，用來估算經過了幾個幀周期 （由于定時器無法達到ms級精度，因而只能用來估算經過了幾個幀周期）；

（3）在時延計算終點獲取終點幀號p＿EndTiming，同時讀取當前定時器Toffset的值。

（4）將TD－SCDMA幀號換算到一個TD－LTE幀周期中，即 （p＿EndTimingMOD 2048），結果與p＿Start－Timing相減算出在一個周期中的偏移值。

（5）（p＿Toffset／ （2048＊5））估算已過去的周期數，與4中結果相加即得到最終時延。

基于此方案所計算的時延精度取決于TD－LTE和TDSCDMA上報幀號的最小間隔，TD－LTE最小上報間隔為1ms，而TD－SCDMA最小上報間隔為5ms，因此最終算出的時延精度為＋／－5ms，滿足文獻[8]中對時延精度的要求。

圖8 時延計算

對于場景4，與此情況類似，此處不再贅述。

4 TD－LTE／TD－SCDMA系統間重選實例

本節將以文獻[7]定義的 TD－LTE／TD－SCDMA 系統間重選測試例4.3.4.2為例，詳細介紹在本文所提出的系統上實現測試例的方法。該重選實例用于驗證終端能夠搜索和測量TD－SCDMA鄰小區 （處于較低的重選優先級），并與當前服務的TD－LTE小區比較，滿足系統間重選準則，執行重選。

4.1 測試點分析

執行一次測試例，會發生兩次重選，從TD－SCDMA小區重選回TD－LTE只是為下一次循環做準備，而從TDLTE重選到低優先級的TD－SCDMA小區才是測試點，重選時延定義為:從滿足重選的功率變化T2時刻開始，到終端開始在目標小區cell2上SYNCH－UL序列以發送RRC連接建立請求進行RAU過程。

重選到低優先級的異系統鄰小區時延[1]定義為:

Treselect＿UTRA＿TDD（重選時延）＝TevaluateUTRA＿TDD（小區評估時間）＋TSI＿UTRA，（接收系統消息時間）

＝19.2s＋1280ms

＝20.48s

該測試例允許最大21s的重選時延，要求置信度在95%的情況下，成功次數大于90%則判為PASS。

4.2 參數配置

該測試例分別涉及2個小區，即一個TD－LTE服務小區 （小區1），和一個TD－SCDMA鄰小區 （小區2），小區1配置為Band38，小區2配置為BandA，則頻點，帶寬信息見表3。

異系統鄰小區的組網是測試例實現的關鍵，主要通過鄰小區列表來實現，在TD－LTE與TD－SCDMA組網的場景下，LTE中通過sib6廣播鄰小區TD－SCDMA的相關信息，而TD－SCDMA通過sib19來廣播鄰小區LTE的相關信息，在兩個PTC各自初始化完自己的系統消息后，相互交換關鍵參數，存在對方的鄰小區列表中，鄰小區列表組織見表4。

表3 小區基本參數

表4 鄰小區列表內容組織

4.3 測試流程

首先將終端調度到State 2A[9]，即在LTE小區上完成注冊并回到空閑狀態，激活測試模式，然后包含2個連續時間段T1（85s）和T2（25s），在T1之前cell1和cell2功率都打開，被UE識別，cell1和cell2屬于不同的跟蹤區／路由區，因此重選后需要進行跟蹤區／路由區更新。

T1和T2兩個時間段內的詳細參數配置參見文獻，這里主要關注觸發終端小區重選的環境變化，即兩小區功率RSRP （TD－LTE）和 RSCP （TD－SCDMA）。T1，T2時間內兩小區功率變化見表5。

表5 兩小區各時刻功率變化

綜合分析表4和表5中參數，可以確定終端在該測試環境的正確行為應為:

（1）在T1時間內駐留在TD－LTE小區上 （cell1），并且根據 S準則[10，11]計算 S值如下

Srxlevcell1＝－87－（－140）－0＝53

根據測量啟動準則:s－NonIntraSearch在系統消息sib3中缺省，則需要測量鄰小區，即在T1時間內，已經測量到TD－SCDMA小區 （cell2），則評估其服務質量

Srxlevcell2＝－72－（－103）－0＝31

根據重選到低優先級鄰小區準則:Srxlev cell1＞46dB（threshServingLow），不會重選到cell2。

（2）在T2時刻功率變化后

Srxlevcell1＝－101－（－140）－0＝39

Srxlevcell2＝－72－（－103）－0＝31

此時滿足:Srxlevcell1＜46dB（threshServingLow）

Srxlevcell2＞24dB（threshXlow）

TreselectionRAT＝0s

會立即觸發UE重選到鄰小區，當T2結束，又會回到T1。

（3）再次回到T1時刻時，終端還駐留在TD－SCDMA小區 （cell2）

Srxlevcell1＝53＞46dB （threshXhigh）

滿足重選到高優先級鄰小區的準則，則終端又重選回Cell1，依此過程循環下去。

測試例信令流程如圖9所示。

4.4 結果驗證

按照本文設計的TD－LTE／TD－SCDMA系統間重選測試例，已能成功運行在RRM一致性測試系統上，經過與終端聯調，能夠成功通過測試，運行情況如圖10所示。

圖9 測試例信令流程

從圖10中的MSC圖可以看到從eutran＿Cell6重選到utran＿Cell8的過程，首先通過RRCConnectionReq在TDSCDMA小區上發起連接建立，然后通過ROUTINGAREAUPDATEREQUEST來發起位置更新，最后完成安全模式等剩余流程釋放連接回到空閑態。輸出的log信息中顯示本次重選時延是1041ms，小于20.48s，本次判為成功。而總體統計中重復了46次，失敗1次，滿足置信區間要求，所以該測試例判為PASS。

5 結束語

本文通過對TD－LTE／TD－SCDMA系統間無線資源管理一致性測試系統模型的研究，提出了基于TTCN－3的異系統RRM一致性測試系統方案，著重解決了系統間互操作同步和時延計算方案，并基于此實現了3GPP協議規定的TD－LTE／TD－SCDMA系統間小區重選測試例。驗證結果表明，該方案所設計的系統能夠完成異系統協議棧功能，與終端完成交互，實現測試例流程，且測試用例腳本與硬件平臺相分離的結構，使其具有很高的可移植性，適用于不同的硬件平臺，增強了測試用例腳本的通用性。然而對于測試例實現中的異常流程的處理還有待進一步完善，以提高系統的容錯性；另外，該系統只考慮了TD－LTE／TD－SCDMA兩模間的互操作性，通過級聯GSM系統模擬器，可以實現2／3／4G多模互操作，以適應多模網絡融合的需求。

圖10 重選測試例MSC

[1]WANG Yingmin，SUN Shaohui.Technology principle and system design of TD－LTE[M].1st ed.Beijing:Posts and Telecom Press，2010:3－7 （in Chinese）.[王映民，孫韶輝.TD－LTE技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電出版社，2010:3－7.]

[2]LI Weiping.Research of TD－LTE，TD－SCDMA，GSM inter－RAT cell reselection mechanism based on load balancing[D].Chongqing:CUPT，2011:18－24 （in Chinese）.[李偉平.TE－LTE，TE－SCDMA，GSM系統間小區重選機制研究——基于負載均衡的小區重選研究[D].重慶:重慶郵電大學，2011:18－24.]

[3]Dong Hongcheng，Liu Limin.The application of TTCN－3in the conformance testing of TD－LTE system[C]／／Second International Conference on Business Computing and Global Informatization，2012.

[4]3GPP TS 36.523－3V11.0.0user equipment（UE）conformance specification Part 3:Test suites[S].2011.

[5]3GPP TS 36.211V10.5.0physical channels and modulation[S].2012.

[6]3GPP TS 25.221V11.0.0Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels（TDD）[S].2012.

[7]3GPP TS 36.521－3V11.0.0:user equipment （UE）conformance specification；radio transmission and reception；part 3:radio resource management （RRM）conformance testing[S].2012.

[8]3GPP TS 36.133V11.4.0requirements for support of radio resource management[S].2012.

[9]3GPP TS 36.508V10.1.0common test environments for user equipment（UE）conformance testing[S].2012.

[10]3GPP TS 36.304V10.2.0user equipment（UE）procedures in idle mode[S].2011.

[11]3GPP TS 25.304V11.0.0user equipment（UE）procedures in idle mode and procedures for cell reselection in connected mode[S].2012.