5G終端模擬系統隨機接入過程的設計與實現

徐方圓 張治中 李 晨

(重慶郵電大學通信與信息工程學院 重慶 400065)

0 引 言

傳統測試基站容量的方法是使用多個終端對基站進行呼叫，缺點是需要布置多個終端測試，成本高且十分復雜。而5G終端模擬器能同時模擬多個用戶的行為，在進行基站測試時，只需要放置幾臺終端模擬設備就可以代替大量的終端，這樣大大減少了測試基站容量的復雜性。在5G終端模擬系統中，隨機接入過程是一個至關重要的過程，只有經過隨機接入過程后UE才能進行上行數據的傳輸。文獻[1]提出了NB-IOT系統的隨機接入過程的實現，主要針對物聯網中超低復雜性和低吞吐量來設計，具有窄帶隨機接入的特點。文獻[2]提出了基于TD-LTE系統的隨機接入過程的設計與實現，主要面向TD-LTE系統中終端的隨機接入，對用戶的接入速度和時延達不到5G低時延高速的標準要求。為了使多個用戶能夠獲得上行同步以及滿足時延標準，5G終端模擬系統中的隨機接入過程具有十分重要的作用。

1 基于線程池中隨機接入過程設計

為更好提高系統資源利用率和管理系統資源，設計出了線程池。在MAC層實現中，創建一個主進程，在主進程中創建任務管理線程、管理線程、監控線程，以及一個任務池、空閑線程池、忙碌線程池。對線程池的動態調度和調整，由監控線程負責。將MAC層中的消息事件封裝成任務并激活休眠，是任務管理線程的主要任務。管理線程主要負責從任務池中取任務以及從線程池中取線程，通過條件變量進行同步。監控線程主要負責動態調整和調度線程池。任務池主要將任務封裝成任務對象。空閑線程池主要是負責創建線程對象，忙碌線程池主要對與任務匹配的線程進行處理。當任務線程中的任務到達時，管理線程才會從休眠的狀態中被激活。

管理線程先將任務線程池中線程ID與空閑線程池中的線程ID賦值，然后將任務池中的函數指針放到線程池對象中進行匹配，最后將匹配到的任務放到相應的空閑線程池中的線程中。

將空閑線程池中的線程添加到忙碌線程池中，在忙碌線程池中處理匹配的任務。主要思路如下：創建空閑線程池鏈表和忙碌線程池鏈表，在空閑線程池中創建8個用戶線程。此時監控進程對空閑線程池中的線程進行判斷，如果創建的用戶線程大于空閑線程池線程總量的80%，則添加20%的空閑線程池線程總量。如果創建的用戶線程小于線程池線程總量的50%，則殺死多余20%空閑線程池線程總量。獲取用戶線程鏈表的頭結點，當第一個任務到達時，將空閑線程池中的第一個用戶線程節點取出，然后添加到忙碌線程池鏈表頭節點后面，并將此用戶線程節點的指針域置為空。當第二個任務到達時，將空閑線程池中的第二個用戶線程節點取出，添加到忙碌線程池鏈表的第一個節點后面，并將添加的第二個用戶線程節點的指針域置為空。以此類推，當8個用戶同時添加時，只需將空閑線程池中的8個線程添加到忙碌線程池中，由忙碌線程池來處理8個用戶的任務。最終，降低添加用戶線程的時間復雜度，從原來輪詢整個線程鏈表時的O(N)下降到O(1)，具體流程如圖1所示。

圖1 線程池設計

圖2 鏈表的設計

隨機接入消息所在的任務對象與空閑線程池中的任務對象，通過管理線程進行匹配。如果匹配成功，將空閑線程池中匹配成功的線程添加到忙碌線程池，并對隨機接入消息進行處理，通過原語發送到物理層。以隨機接入過程為例子，利用線程池的思想設計具體流程如圖3所示。

圖3 隨機接入過程設計

2 5G終端模擬系統隨機接入設計

隨機接入主要采用狀態分析法對各個交互接口進行分析。以原語的形式對接入狀態進行設計，5G終端模擬系統中UE的狀態轉移圖如圖4所示。

圖4 UE狀態分析

UE剛開機時處于空狀態NUL，UE的RRC層命令MAC層去測量周圍小區的功率和頻點。經物理層測量后上報給RRC層，RRC層就會根據測量的值取平均最終得出小區駐留的結果。此時UE就會處于選擇態SEL。當小區駐留后，基站會不斷地廣播MIB消息，UE收到基站廣播的MIB消息后對其進行解析然后命令物理層接收SIB1消息。當物理層接收到SIB1消息并解析成功后，UE由選擇態SEL變成空閑態IDL。當UE需要接入到基站時就會從空閑態IDL變成接入態ACC，此時UE開始隨機接入。當隨機接入完成時，UE由接入態ACC變成連接態CON。當UE連接到小區時，如果想要斷開無線連接，UE會從連接態CON變成非激活態INA。當UE處于非激活態時，此時UE與核心網保持連接，但斷開了無線連接。本文主要研究UE從接入態ACC到連接態CON的過程。

原語是協議通信的一種形式，也是函數接口的一種表示方法，運用原語來描述協議棧之間的消息交互更加準確。當UE發起隨機接入時，原語設計如圖5所示。具體步驟如下：

圖5 UE原語設計

步驟1物理層在收到PHY_SSB_REQ后，開始SSB的測量，測量的過程中會不斷地向MAC層發送PHY_SSB_ACK，當收齊SSB后，MAC層選擇隨機接入前導和隨機接入資源，并將選擇的結果和其他參數通過原語PHY_RACH_REQ發給物理層。

步驟2物理層在收到隨機接入響應后，組裝原語PHY_RACH_REC發給MAC，MAC收到該原語后，首先存儲消息中的退避值(無退避值則設為0)，然后根據消息中的RAPID是否與前導匹配來判斷隨機接入響應是否接收成功，如果成功，則執行定時提前命令以及保存上行授權信息，如果失敗且未達到前導最大發送次數，重新發起前導和資源選擇并重發。最后將接收成功或失敗(達到前導最大發送次數)的結果通過原語MAC_ACC_IND發送給RRC層。

步驟3若隨機接入響應接收成功，則RRC會將RRC連接建立請求通過原語MAC_RRC_SETUP發送至MAC層隊列來建立請求，然后開啟競爭解決定時器。

步驟4當物理層收到Msg4后，進行解碼，將解碼結果通過原語PHY_DL_ACK發送到MAC層，MAC層收到后停止競爭解決定時器，根據Msg4中攜帶的競爭解決標識或C-RNTI判斷競爭解決是否成功，若成功則組裝原語MAC_CCCH_IND上報給RRC，至此隨機接入過程完成。若不成功且未達到前導最大發送次數，則再次發送前導。如果競爭解決成功，則RRC會向MAC層發送原語MAC_CONNECT_REC，MAC層收到后保存參數，并發送PHY_CONNECT_REQ給物理層，之后MAC層跳到連接態。

3 測試和結果分析

測試的方案有很多，論文主要基于Linux平臺下進行模擬測試，最終生成測試日志log。然后將傳統用戶模擬與本文設計模擬的線程資源占用率進行對比。整個測試的形式是以消息的傳輸形式體現的。對于基于競爭的隨機接入測試時，首先，按照TS38.331協議標準配置隨機接入前導資源。其次，當發送Msg1后，UE開啟時間窗ra-ResponseWindow。在有效的時間窗內，對收到的隨機接入響應的數據包進行解析。最后對競爭解決進行測試，主要的判斷依據是能否接收到小區的信息，如果能說明競爭解決成功。

如圖6所示，按照TS38.331協議配置了發送前導碼的相關資源。如圖7可知，隨機接入響應能成功解出ra_RNTI并且RAR中的RAPID的值與preamble id相等，說明隨機接入響應成功。Msg3的發送數據如圖8所示。當發送Msg3時，終端側開啟競爭解決定時器并在定時器定時的范圍內成功地接收了Msg4。Msg4的接收如圖9所示，最終UE建立了RRC連接并成功駐留主小區。

圖6 隨機接入資源選擇測試用例

圖7 RAR PDU解析

圖8 Msg3的發送數據

圖9 Msg4的接收

傳統模擬用戶在模擬過程中采用線程的結構，其資源利用情況如圖10所示。本文設計的是5G終端模擬采用的是線程池架構設計，其資源利用情況如圖11所示。結果表明，采用線程池架構實現隨機接入過程的CPU占用率比傳統的使用線程的CPU占用率低30%左右。隨機接入過程中大大減少創建線程和銷毀線程的環節。故此方案設計更有利于資源的節省和提高資源利用效率。

圖10 采用普通線程系統的資源利用情況

圖11 采用線程池系統的資源利用情況

4 結 語

針對資源能耗的問題，文中首先提出了一種線程池的架構對隨機接入過程進行設計，避免頻繁創建線程造成的資源浪費。然后根據UE的狀態，對UE隨機接入過程原語進行設計。最后，對5G終端模擬系統中UE的隨機接入過程進行測試，并對傳統用戶模擬與本文設計模擬的線程資源占用率進行對比。結果表明，采用本文設計的5G終端模擬系統隨機接入過程的資源利用率大大增加，減少線程不必要的資源損耗。