TD-SCDMAUu接口的信令分析

1、td-scdma uu接口的信令分析0、引言在木文屮，我們針對td-scdma如何對uu接口協(xié)議信令進行測試，根據uu接口協(xié)議信 令在iub用戶平面的承載方式提出了一種通過iub接口實現(xiàn)uu接口信令測試和研究的一種 方法。1、fp幀協(xié)議及uu接口第2層協(xié)議格式分析td-scdma 接入網(universal terrestrial radio access network, utran)結構如圖 1 所示， 在td-scdma系統(tǒng)中通用地面無線接入網絡部分主要是由無線網絡控制器、節(jié)點b (nodeb)和用戶設備(ue)構成。iub接口位于節(jié)點b (nodeb)與無線網絡中心(rnc) 之間。u

2、u接口存在于ue與nodeb之間。在2個rnc之間是iur接口，傳遞2個rnc之 間的信息。圖1 td-scdma系統(tǒng)utran網絡接口iub接口包括2個功能層：無線網絡層和傳輸網絡層，而每一層又分為控制平面和用戶平面。 無線網絡層用八平面山和應的iub-fp協(xié)議組成，其主要功能是把uu接口上的數(shù)據承載到 iub接口上的fp數(shù)據幀。在uu接口上按其功能和任務分為物理層，數(shù)據鏈路層和網絡層等 3層。其屮，數(shù)據鏈路層又分為媒體接入控制(mac)、無線鏈路控制(rlc)、分紐數(shù)據匯 聚協(xié)議(pdcp)和廣播/多播控制(bmc)等4個子層。uu接口協(xié)議棧第3層協(xié)議和rlc 按其功能又分為控制平面和用戶

3、平面，uu接口協(xié)議棧第2層協(xié)議的pdcp和bmc只存在 于用戶平面中。在控制平面上，uu接口 |辦議棧笫3層i辦議乂被分為無線資源控制(rrc)、 移動性管理(mm)和連接管理(cm)等3個子層。uu接口用戶平面的語音、分組數(shù)據和控制平面的信令數(shù)據在nodeb都作為用戶數(shù)據從用戶 平面發(fā)送。用戶平面的fp協(xié)議將uu接口控制平面和用戶平面的數(shù)據封裝成幀，然后在事 先分配的aal2鏈路上進行傳送。從而實現(xiàn)uu接口的信令和用戶數(shù)據在nodeb以透明方 式傳送給rnc端。nodeb用戶平面成幀協(xié)議包括x usch fp, dsch fp, pch fp, fach fp, rach fp和dchfp,

4、根據數(shù)據屬于不同的傳輸信道，采用對應的fp協(xié)議對數(shù)據進行 封裝。我們重點討論uu接口控制平面部分mac, rlc協(xié)議在iub上的承載方式、測試軟 件屮采用的解碼方法以及rrc pdu的分段重組算法。首先介紹fp協(xié)議本身的消息結構和對uu接口協(xié)議數(shù)據的承載方式。圖2描述了 iub接口 用戶平面fp協(xié)議基木數(shù)據幀結構。圖2 lub用戶平面數(shù)據幀結構fig 2 iub interface user plane message format圖2中,數(shù)據幀頭部（header）包含以下幾部分:head crc （幀頭crc）:主要是對幀頭 信息進行校驗；ft （幀類型）:1 bit0表示數(shù)據幀，1表示控制

5、幀；t1；i （傳輸格 式指示）：提供凈負荷的傳輸格式信息；other information （其他信息）：如定時信息、 測量信息和功率信息等。凈負荷（payload）主要由3部分組成：tb （傳輸塊）：攜帶要 傳輸?shù)臄?shù) 據信息，每個tb塊就包含了一個mac協(xié)議的pdu；spare extension （預留塊）： 為將來增加新的te （信息元素）保留位置；pay load crc （凈負荷crc）:對凈負荷數(shù)據 進行校驗。uu接口控制平而協(xié)議棧第2層協(xié)議主要包括mac和rlc協(xié)議，它們和無線網絡層的協(xié)議信 令都將通過fp成幀協(xié)議映射到lub接口的aal2承載上，下面將分別介紹mac和rlc

6、協(xié)議的 信令消息格式。mac層與物理層之間的通信是通過傳輸信道進行的，而與無線鏈路控制層之間的通信則是使 丿ij邏輯信道。因此，在mac子層小將完成邏輯信道和傳輸信道之間的相互映射，并根據邏 輯信道的資源速率為傳輸信道選擇合適的傳輸格式（tf）,血傳輸格式的選擇是根據連接建 立時由rrc實體定義的傳輸格式集（tecs）進行的。mac層的pdu結構如圖3所示。圖3 mac層基木pdu結構fig. 3 mac protocol pdu formatmac子層pdu結構解析如卜tcte字段編碼：tctf主要用來識別rach和each ±的邏輯倍道，從mac pdu結構也可看 出，tctf字

7、段只存在于rach和fach上。 ue-id類型編碼：ue-id type字段只用于目標邏輯信道為dcch或dtch、傳輸信道為公共 傳輸信道或共享信道的情況，即需要ue-td的場合，來指示所用ue-id的類型。這里需要 注意的是：dtch/dcch rach 時,ue-td type 必須為 c-rnti (01) ； dtch/dcch dsch/usch 時,ue-id type 必須為 dsch-rnti (01)。 ue-ld編碼：ue-ld字段只用于目標邏輯信道為dcc1i或dtclk傳輸信道為公共傳輸信道 或共享信道的情況，用來識別不同的ue。 c/t字段編碼：c/t字段用于在有

8、邏輯信道復用時識別不同的邏輯信道，其編碼對公共傳 輸信道和專用信道都相同。在rlc層和mac層之間的sap提供邏輯信道,rlc提供3類sap,對應于rlc的3種操作模 式：非確認模式(um)、確認模式(am)和透明 模式(tm)。在控制平面rlc向高層(rrc) 提供的服務為信令無線承載(srb)；在用戶平面rlc向高層(pdcp、bmc)提供的服務為無 線承載(rb)。在控制平而和用戶平面上，rlc提供的服務沒有區(qū)別。在透明模式下，rlc 使用tmd pdu來傳輸用戶數(shù)據。tmd pdu在傳送rlc sdu數(shù)據時不添加任何rlc頭,其pdu 就是上層數(shù)據本身。在非確認模式和確認模式下，rlc

9、分別使用umd pdu和amd pdu來傳輸 用戶數(shù)據。um和am模式的pdu格式分別如圖4,圖5所示。圖4 um模式pdu結構fig. 4 um mode pdu format圖5 am模式pdu結構fig. 5 am mode pdu formatd/c：用于標識pdu是數(shù)據pdu還是控制pdu的字段，值為0時表示pdu為控制pdu,值為1 時表示pdu為數(shù)據pduosn：該域指示rlc pdu的序號,二進制編碼。輪詢比特(p):該域用來請求一個從接收端的狀態(tài)報告(一個或者兒個狀態(tài)pdu)。用于 請求對等端發(fā)送狀態(tài)報告。0表示不請求狀態(tài)報告，1表示請求狀態(tài)報告。pdu類型：指示控制pdu的

10、類型。 擴展比特(e):該比特指示下個八位組是否是長度指示。0表示下一個字段是數(shù)據、捎帶 sta-tus pdu或填充。1表示下一個字段是長度指示li和擴展比特e。保留1 (r1):在復位pdu和復位應答pdu中的這個域用來組成一個復合8比特組,編碼為 “000” o其它值保爾并口在協(xié)議版本中考慮為無效。報頭擴展比特(he):這個2bit域指示下個8位組是數(shù)據述是長度指示和擴展比特。長度指示(li):用來指示在pdu中的每個rlc sdu結尾的最后一個8位組。2、傳輸信道在iub接口上的aal2類承載映射關系的確定在iub接口用八平面，不同的傳輸信道対應著不同的fp成幀協(xié)議，采用不同的幀格式和

11、傳 輸格式。在這里要獲取uu接口信令pdu需要先確定當前數(shù)據幀的傳輸格式。而不同的傳輸 信道各自具備一套傳輸格式集，數(shù)據幀的傳輸格式屬于這個集合并且由數(shù)據幀屮攜帶的指示 字段指示當詢數(shù)據幀所采用的傳輸格式。傳輸格式集是在傳輸信道建立吋山rrc實體發(fā)送 傳輸信道建立消息的過程中指示的，一個傳輸格式集中包含了在該傳輸信道上可能出現(xiàn)的多 個傳輸格式。所以只需要知道每個iub接口上的aal2類承載對應的是那個傳輸信道，就可 以知道fp數(shù)據幀的傳輸格式屈于哪一個傳輸格式集，從而確定具格式。下面就具體介紹如 何確定一個ml2類承載對應的傳輸信道。因為專用傳輸信道對應的aal2類承載能夠從公共傳輸信道獲取的

12、信令消息中得知，所以關 鍵在于找到公共傳輸信道對應的aal2類承載，具體來說就是獲得fach, rach, pch信道對 應的2類承載。首先建立公共傳輸信道中各類信道的傳輸格式集合和公共傳輸信道的atm 連接集合；接著捉取公共傳輸信道屮atm連接上的幀長度，并記錄各自的atm連接傳輸參 數(shù)vpi/vci/cid；將提取的數(shù)據幀長度與建立的傳輸格式集合屮的數(shù)據進行比較，以判斷 該數(shù)據幀屬于哪一種公共傳輸信道，以此判斷公共傳輸信道類型4。具體的判斷依據如下: 如果某一 atm連接上數(shù)據幀的長度屬于某個傳輸信道的幀長度集合，則標記該連接承載該 傳輸信道。如果標記為某傳輸信道類型的atm連接上出現(xiàn)了不

13、屬于該信道的幀長度集合的數(shù) 據幀長度，則重新標記該連接不屬于該傳輸信道類型。最終利川各信道數(shù)據幀長集合屮的 非交集部分可成功地判斷出傳輸信道和aal2類承載的映射關系。該過程的算法描述如圖6 所示。圖6傳輸信道aal2類承載映射關系分析過程fig.6 arithmetic about confirm!ng the aal2 bear for transport channels在獲得了傳輸信道與ml2類承載的映射關系z后，將根據不同的傳輸信道格式集包含的fp 幀的tb塊長度來提取mac層的pduo3、mac協(xié)議解碼分析從fp數(shù)據幀屮獲得mac層pdu之后就開始mac層的解碼和提取sdu過程。m

14、ac實體主要實 現(xiàn)邏輯信道與傳輸信道的映射，在解碼流程屮mac模 塊主要實現(xiàn)mac頭信息解碼以及提取 rlc協(xié)議的pdu,并將該pdu對應的邏輯信道類型信息和pdu數(shù)據段一起傳送給rlc解碼模 塊。上面一節(jié)中論述了 mac協(xié)議pdu的通用格式，但是根據傳輸信道對應的邏輯信道不同，mac 實體將按具體情況包含不同的字段信息。下面僅以rach信道為例，介紹mac頭字段在對應 不同邏輯信道時字段內容的變化情況。在傳輸信道rach ±,依據邏輯信道的不同，mc頭的結構有所不同，如圖7所示。圖7 rach信道上mac頭信息類型fig.7 mac protocol message type on

15、 rach從圖7可以看出，由于傳輸信道對應的邏輯信道不同，mac頭信息字段有比較人的差別，所 以在fp數(shù)據幀完成從tb塊中捉取mac pdu z后還需要將該pdu所在的傳輸信道類型作為 mac模塊解碼所需的必耍信息一并送給mac解碼模塊。另外mac層解碼模塊述需要知道各個 傳輸信道上的邏輯信道復用情況，這需要根據被測試設備的配置信息來確定。在獲得了 mac pdu和該pdu對應的傳輸信道類型信息后，mac解碼模塊對該pdu進行解碼。 由于不同的傳輸信道對應的邏輯信道不同且mac頭的字段結構也不相同，這里我們以rach 信道為例，對mac協(xié)議pdu解碼方法做如下分析。首先取得該mac pdu的比

16、特單位長度和該pdu對應的傳輸信道類型。然后根據邏輯信道復用 悄況，判斷該rach信道是否映射唯一邏輯信道shcch,若是則無mac頭。否則，進行mac 頭解碼，通過tctf字段進行邏輯信道類型判斷。首先取mac pdu頭部前2個bit,如果是(00)b,則該pdu映射的邏輯信道為ccch；若為(10)b,則該pdu映射的邏輯信道為shcch。 在這2種情況下，mac頭信息長度均為2 bito如果前2 bit是(01) b,那么邏輯信道為 dcch或dtch,且該種情況ftctf字段應該為6 bit (010001) , mac頭總長為26 bit。若 為其他值則是異常情況。在確定了 rach

17、信道映射的邏輯信道類型之后，按照其邏輯信道類 型所對應mac頭信息字段內容分別對各個字段進行解碼。mac pdu除去頭信息部分剩下的 便是uu接口 rlc協(xié)議的pdu數(shù)據。mac解碼模塊將得到的rlc pdu和該pdu對應的邏輯信 道類型信息一同傳送給rlc解碼模塊。上述mac模塊解碼算法如圖8所示。圖8 rach信道m(xù)ac協(xié)議解碼流程fig8 arithmetic about mac message decode on rach4、rlc協(xié)議分段重組算法分析在經過mac解碼模塊后將得到uu接口 rlc協(xié)議的pdu數(shù)據塊otd-scdma信令分析儀中的rlc 解碼模塊主要實現(xiàn)rlc信息解碼和l

18、u接口第3層協(xié)議pdu的重組，并且將完整的pdu送給 uu接口協(xié)議棧第3層協(xié)議對應的rrc解碼模塊。rlc協(xié)議的本層信息字段都是固定字節(jié)長度, 其解碼方法與mac模塊采用的取位操作一致，這里不再贅述。本節(jié)主要針對rlc模塊如何 實現(xiàn)重組上層rrc pdu進行論述。在透明模式卜，uu接口協(xié)議棧第3層協(xié)議數(shù)據可能分段也可能不分段，不管是否分段，上 層協(xié)議的一個pdu都將在一個tti內傳送，j1rlc協(xié)議不附加任何協(xié)議信息。即是說透明 模式下一個fp數(shù)據幀內就包含了一個uu接口協(xié)議棧第3層協(xié)議的完整信令pdu, fp模塊將 其攜帶的所有tb塊經過mac模塊對mac協(xié)議信息解碼后交給rlc模塊，再由r

19、lc模塊對每 個mac解碼模塊送上來的pdu進行連接就能得到3接口協(xié)議棧第3層協(xié)議的完整信令數(shù)據。uu接口協(xié)議棧第3層協(xié)議pdu在確認模式和非確認模式下的分段重組規(guī)則一致，下面就以 非確認模式進行分析。rlct作在非確認模式時，使用umpdu來傳送數(shù)據。非確認模式下 的消息格式結構前而己經介紹了，在解碼過程屮實現(xiàn)分段重組獲得完整的uu接口協(xié)議棧第 3層協(xié)議pdu關鍵在于li字段。li可以提取uu接口協(xié)議棧第3層協(xié)議pdu的數(shù)據字節(jié)。 一個rlc pdu可能包含不止一個uu接口協(xié)議棧第3層協(xié)議sdu,相應的lt指示每個uu接 口協(xié)議棧第3層協(xié)議sdu的長度。同樣，一個高層的pdu也可能在rlc層

20、分段，l1特定指 示高層pdu的開頭和結尾。l1字段長度為7 bit,當l1取值為0000000時,表明之前的rlc pdu恰好由最后一個rlc sdu填充，并且在這個z前的rlc pdu中的rlc sdu末端沒冇指示 其長度,可用于判斷前邊一個sdu的結束；li取值為1111100時,表明第一個rlc pdu的 數(shù)據8位組是rlc sdu的第一個8位組，可用于判斷sdu的笫一個片斷的開始；當ij取值 為1111111時，表明rlc pdu剩下為填充部分，用于判斷sdu的結束。另外11111011111110 作為li的保留值5。由于在um和am模式下sdu的長度是變化的，所以l1字段是解碼過

21、程中一個非常重要的參 最，在rlc模塊屮，主要根據l1的值及字段e對上層協(xié)議的pdu進行重組和定界。上層協(xié) 議的pdu在rlc分段，那么rlc pdu中的第一個lt值為7c或00,表示一個rrc pdu的第 一個片斷。其后該rrc pdu的片段將分別封裝在多個rlc pdu屮，且這些rlc pdu屮沒有 指示字段。直到rrcpdu分段的最后一個封裝到rlc pdu中吋，rlc實體會為其加上一個 普通的li指示，該li將表示這個片斷是被分段的rrc pdu的最后一段。如果是多個上層的 rrc pdu封裝在一個rlc pdu中,那么將有多個普通li來對多個rrc pdu進行定界。因此 rlc模塊的

22、重組主要就是根據i字段的值來進行。首先判斷是否是tm模式，若為tm模式 則將一個tbs屮的所有-ri.c pdu肓接串接形成一個完整的rrc pdu；若不是tm模式則找到 第一個li,判斷該li的值是否為0x7c或oxooo如果是,則表明這是一個rcc pdu分段的 第一個片斷，將其存入組裝緩沖區(qū)內；如果不是，則表明是一個普通的lt指示字段，標明 了一個完整rrc pdu的分界或者是一個rrc pdu分段的最后一段，于是將其與組裝緩沖區(qū)內 的己有字段連接再送到fp模塊的rrc pdu存儲鏈表中。如果當詢的rlc pdu中沒有l(wèi)i指示, 則表明該rlc pdu中包含的是一個rrc pdu片斷的中

23、間一段，此時緩沖區(qū)域內已經存放組 裝了該pdu的前邊所有片斷，因此將該片斷放入緩沖區(qū)內并連接在已有片斷后邊。圖9描述 t rlc模塊組裝流程。圖9 rlc模塊組裝流程fig. 9 rlc module recombine process5、fp模塊解碼及調度算法分析一個fp數(shù)據幀根據傳輸信道是否復用包含一個或多個tb塊集(tbs)和傳輸格式指示字段, 其屮一個tbs (傳輸塊集)對應一個傳輸信道在一個ttt內傳送的所有tb塊。每個tb塊是 由一個mac pdu和填充比特構成，在一個tbs中的所有tb塊長度以及tb塊對應的mac pdu 長度是相同的。其中mac pdu是由mac協(xié)議頭信息和上層

24、rlc協(xié)議的pdu組成。圖10清楚 的表明了三者pdu的封裝承載關系。圖10 uu接口協(xié)議pdu封裝過程fig 10 uu interface protocol pdu encapsulation process由于mac模塊和rlc模塊需要fp模塊提供相關必要信息川于各自的解碼，并且在aal2類承 載上是按一個fp數(shù)據幀為單位進行解碼的，所以mac模塊和rlc模塊不能獨立于fp模塊 存在，在該算法屮fp模塊完成對mac和rlc模塊的調度和數(shù)據傳遞。fp解碼模塊將根據tb 塊的個數(shù)，循環(huán)調用mac和rlc解碼功能模塊，循環(huán)次數(shù)取決于fp數(shù)據幀中tb塊個數(shù)6。fp協(xié)議信息字段主耍存在于數(shù)據幀的頭

25、部和尾部。在fp數(shù)據幀的幀頭部包含header crc, ft, cf以及tfi等字段，這些字段都是固定長度的信息單元。通過移位和位與的方式取出 固定比特長度的字段值，然后與3gpp標準進行比較并解釋其具體含義。通過頭部字段解碼 得到tfi值，通過該值在事先配置的傳輸格式集屮找到當前fp數(shù)據幀屮tbs采用的傳輸格 式。在確定了傳輸格式后，就能夠確定tbs總長度和每個tb塊的填充長度。同吋也能確定 數(shù)據幀尾的crct字段的個數(shù)，根據協(xié)議規(guī)定，一個tb塊對應一個lbit長度的crct字段。 在確定了 crc1字段個數(shù)之后，根據fp數(shù)據幀總長度確定數(shù)據幀尾部的擴展字段長度和 pay load crc

26、長度，然后按照bit位長度字段的解碼方法完成fp數(shù)據幀尾部的信息字段的 解碼。前面完成了 fp協(xié)議信息的解碼和tb塊的定界工作，接下來fp模塊將調用mac和rlc模塊 完成mac及rlc i辦議信息的解碼和rrc pdu的提取功能。在該調度算法中每一次循環(huán)將完成 一個tb塊上mac協(xié)議信息、rlc協(xié)議信息的解碼功能，并根據字段信息對tb塊中的rlc sdu 進行分段或重組得到0個、1個或多個rrc pduo首先fp模塊將根據傳輸格式去掉tb塊中 的填充比特，然后將得到的mac pdu送給mac解碼模塊。根據以上所述，fp解碼模塊還需 要將當前tb塊所屬的傳輸信道類型一并告知mac解碼模塊。在m

27、ac解碼模塊完成了 mac協(xié) 議 信息解碼后，它將返回一個rlcpdu以及該rlc pdu對應的邏輯信道類型給fp模塊。fp 模塊再調用rlc模塊，將得到的pdu和相應邏輯信道類型傳遞給rlc模塊完成解碼和分段重 組的功能。山于調用一次f1）模塊就將完成一個fp數(shù)據幀中多個tb塊的解碼，這樣將會產 生多個rrc pdu。因此,在fp模塊中將保存一個rrc pdu存儲鏈表,在調用了 rlc功能模 塊后得到的rrc pdu將被返|叫給fp模塊存儲到該pdu鏈表屮。在完成了一個fp數(shù)據幀屮所 冇tb塊的解碼后，將生成的所有rrc pdu送到上層rrc協(xié)議解碼模塊。以上介紹的是一個 傳輸信道映射到一個

28、ml2類承載上只有一個tbs的情況。如果在一個aal2類承載上存在多 個傳輸信道的復用，那么在一個fp數(shù)據幀中將會出現(xiàn)多個tbs, 個tbs就對應一個傳輸 信道在一個tti內傳送的所有數(shù)據。所以在傳輸信道復用的情況下還將按照tbs的個數(shù)， 重復執(zhí)行以上的解碼及提取步驟完成每個tbs的解碼。圖11描述了數(shù)據幀中只存在一個tbs 的解碼算法。圖11 fp模塊解碼流程fig.11 fp module decode process6、數(shù)據分析和軟件運行結果下面給出一個具體的uu接口消息在上述軟件模塊下的運行結果。這里以一條經過tub接口 從nodeb發(fā)向rnc的uu接口消息為例。該消息原始數(shù)據如表1所

29、示。表1原始消息比特數(shù)據串tab.1 bit stream data 首先按照3gpp協(xié)議標準對該數(shù)據串進行解釋。第一個字節(jié)由fp幀的頭crc和ft字段組成。 第一個字節(jié)二進制表示為(11000110)b,其中 頭crc字段占第一個字節(jié)的高7位(01100011) b,轉化為16進制為0x63o ft字段為最底位(00000001) b,轉化為16進制為0x01。頭校 驗crc數(shù)據用于校驗fp數(shù)據幀的頭部信息，ft指示了該fp幀為數(shù)據幀用于傳送uu接口數(shù) 據。第2個字節(jié)為cfn幀號，值為0x38o第3個字節(jié)高3位是填充bit,低5位是tf1字 段，這里tfi字段值為0x00,指示了該fp數(shù)據幀采用的傳輸格式在傳輸格式集小的序號。 如前所述，在獲得了該值后通過杳找傳輸格式集就能夠確定當前數(shù)據幀中tb塊人小。第4 個字節(jié)是一個sync ul字段值為0x6b,表明收到的sync ul的時間偏移。從笫5個字節(jié)(0x44) 開始到第25個字節(jié)(0x00),是當前幀的tbs。根據傳輸格式可以知道該tbs只包含了一 個tb塊。在知道tb塊大小及個數(shù)之后，就可以對'tbs定界，然后對fp幀的尾部信息進行 解碼。當前數(shù)據幀的尾部包含一個tb-