LTE-A空口監測分析儀中載波聚合的設計與實現

李茹瑩，張治中，鄧翔天

(1.重慶郵電大學 通信網與測試技術重點實驗室，重慶 400065； 2.重慶重郵匯測通信技術有限公司，重慶 401121)

0 引言

2014年第四代移動通信(the 4th Generation mobile communication technology, 4G)全面商用以來，用戶持續爆發式增長，至2017年6月末，移動電話用戶總數達到13.6億戶，4G用戶數達8.88億戶，手機上網用戶突破11億戶，2017年1—6月間，移動互聯網累計流量達88.9億GB，其中，通過手機上網的流量達到83.1億GB，占移動互聯網總流量的93.5%[1]，用戶對通信網的速率、可靠性要求不斷增加。

為了滿足用戶要求，第三代合作伙伴計劃(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)提出峰值速率1 Gb/s的長期演進的演進(Long Term Evolution-Advanced, LTE-A)標準，而載波聚合(Carrier Aggregation，CA)作為其關鍵技術之一，在國內外運營商中正加速部署[2]。該技術可通過將多個連續或不連續的頻譜聚合為一個大的傳輸帶寬，使它們共同為用戶所用，該技術后向兼容R8/9系統，為3GPP提出的最大100 MHz帶寬下1 Gb/s峰值速率提供技術支持，同時也可提高無線頻帶中零散頻譜的利用率[3]。

在LTE-A系統中，空中接口指終端與演進基站(Evolved Node B, eNodeB)之間的接口，也稱Uu接口，它是一個完全開放的用來建立、承載和釋放各種無線業務信令的接口[4]。LTE 網絡結構的扁平化，傳統信令采集點的消失，導致空口信令需要從Uu口采集，網絡管理和優化的復雜性增加，傳統的路測軟件己經很難滿足LTE-A中的新技術和新業務的測試需求，市場亟須一種新型網絡監控和優化解決方案。

本文基于LTE-A空口監測分析儀的設計，提出載波聚合在分析儀中的實現方案，并設計一種用戶管理方案，保證儀表在載波聚合下對多用戶的支持。

1 LTE-A空口監測分析儀整體設計

LTE空口監測儀表的主要作用是通過Uu接口捕獲用戶設備(User Equipment, UE)發往eNodeB的上行數據和eNodeB發往UE的下行數據，分析UE與eNodeB之間的信令建立過程以及用戶的網上行為，以達到通信網絡數據統計及故障診斷的目的。

儀表支持3GPP規定的TDD-LTE和FDD-LTE全部頻段，支持1.4M、5M、10M、15M、20M全帶寬設置，支持物理層(Physical Layer, PHY)、媒體接入控制層(Medium Access Control , MAC)、無線鏈路控制層(Radio Link Control, RLC)、分組數據匯聚協議(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)、 無線資源控制層(Radio Resource Control, RRC)和 非接入層(Non-Access Stratum, NAS)控制面協議棧，以及PHY、MAC、RLC、PDCP、網絡層協議分析、應用用戶面協議棧監測和多段多協議的跨層關聯分析，可準確地對信令和數據進行采集與解析[5]。

LTE-A空口監測分析儀按照物理架構劃分，包括主控板、射頻基帶板、層二處理板和系統時鐘板[6-7]。如圖1所示，各板卡之間通過一種高速串行總線標準——PCIE(Peripheral Component Interconnect Express)交換連接，并通過PCIE X1或PCIE X2總線進行高速率的數據通信。各板卡功能如圖1所示。

1)射頻基帶板包括射頻板卡和基帶板卡，射頻板卡負責采集射頻數據，基帶板卡負責將射頻采集的同相正交IQ數據恢復成比特流數據并封裝成幀。

2)層二處理板通過PCIE接收射頻基帶板的數據，負責PDCP、MAC、RLC子層的協議解析及數據處理和MAC數據存儲。

3)主控板進行層三及以上協議的解析，將層二處理板解析后的數據恢復成 TCP/IP數據包，實時監測用戶行為。

4)系統時鐘板負責為儀表提供統一高精度時鐘的功能。

相應的，如圖2所示，按照邏輯劃分，監測儀包括L1處理模塊、L2處理模塊、主控驅動接口模塊、L3及業務處理模塊、調度控制模塊、人機交互模塊和時鐘管理模塊。各模塊在板卡中的位置及其功能依次為：

1)L1處理模塊位于射頻基帶板上，主要進行LTE物理層解析；

2)L2處理模塊位于層二處理板上，主要進行MAC、RLC和PDCP的協議解析。

3)主控驅動接口模塊位于主控板上，主要提供上層訪問L1處理模塊和L2處理模塊的接口。

4)L3及業務處理模塊位于主控板上，主要進行RRC和NAS層的解碼合成，網絡層、應用層用戶面的協議解析。

5)調度控制模塊位于主控板上，主要根據用戶界面的配置，完成對L1處理模塊、L2處理模塊及時鐘管理模塊的配置及查詢，并可將解析的RRC等信息及時反饋給L1處理和L2處理模塊。當儀表處在掃描狀態時，該模塊可根據L1的反饋，作出判斷、選擇，配置調度監測儀資源。

6)人機交互模塊位于主控板上，主要進行用戶的操作控制界面、解析數據的展示。

7)時鐘管理模塊位于系統時鐘板上，主要進行監測儀時鐘的切換及狀態查詢。

L1處理模塊、L2處理模塊及主控驅動接口模塊之間通過寄存器接口和數據包接口相連接，其中寄存器接口通過計算機的外設部件互連(Peripheral Component Interconnect, PCI)寄存器讀寫方式實現，用于對配置及狀態信息的操作；數據包接口采用PCI的直接內存訪問操作實現，用于高速大量數據傳輸和一些主動信息的傳輸。系統時鐘板與主控驅動接口模塊之間通過通用異步收發傳輸器連接。

2 LTE-A空口監測分析儀中載波聚合的設計

載波聚合的引進是為了提高系統的峰值速率，從高層上看，載波聚合就是將多個小區的資源合并在一起為終端服務[8]。當支持載波聚合的終端處于空閑狀態或業務量不需要啟動載波聚合時，其行為與非載波聚合終端一致。空閑狀態時，終端仍以小區為單位進行小區的選擇、駐留、重選等操作。

文獻[9]中提出了兩種可選的載波聚合數據流聚合方案，包括數據流在MAC層聚合和數據流在物理層聚合。經過開銷性能等方面綜合比較，文獻[10]得出數據流在MAC層聚合更容易實現LTE向LTE-A的平滑過渡的結論，故在空口監測儀表中，采用MAC層數據聚合方案。如圖3所示，加入載波聚合的L2結構與R8/9版本的L2結構相比，LTE對載波聚合的支持在于MAC層為每個成員載波分配一個獨立的HARQ實體；并且，CA操作在MAC層完成，對PDCP及RLC層不可見[11]。

LTE-A最大支持5載波聚合，每個UE的服務小區由1個主小區(Primary Cell，PCell)和最多4個輔小區(Second Cell，SCell)組成，3GPP定義了主成員載波(Primary Component Carrier, PCC)和輔成員載波(Secondary Component Carrier，SCC)兩種類型的載波，分別對應主小區和輔小區的載波[12]。標準支持的CA載波聚合類型有頻帶內連續、非連續載波Intra-Band和頻帶間載波Inter-Band[13]，并要求連續Intra-band CA中心頻點間隔要滿足300 kHz的整數倍。

CA UE的SCell共有三種狀態：SCell配置未激活、SCell配置并激活、SCell未配置。當UE成功完成RRC連接建立過程時，只有PCell被配置。為了最大化地利用多載波，減少終端功耗，LTE-A 引入了額外的步驟，包括SCell添加/移除、SCell激活/去激活等，這些步驟根據UE業務量數據量大小、信道質量信息等通過RRC連接重配置消息RRCConnectionReconfiguration實現。

1)3GPP列出載波聚合5種部署場景，必須指出，CA是UE級的特性，在R10中，只適用于當多個小區具有重疊覆蓋且屬于同一eNodeB下，由于同一個基站下所有的載波處于同步狀態，故同一時刻的子幀具有相同的系統幀號與子幀號，配置了CA的UE在所有的服務小區內使用相同的小區無線網絡臨時標識C-RNTI，故在監測儀表中通過UE的載波信息和RNTI信息可判定其載波聚合信息。其中，載波的判定，可以根據物理信道ID 實現，RNTI信息由基帶板提供。LTE-A空口監測分析儀中載波聚合模塊在層二處理板中實現，主要功能是對射頻和基帶板卡掃描并存儲的信息進行MAC層聚合，把獨立發送的MAC PDU聚合為一個流，形成聚合數據流，送往 RLC 及 PDCP 子層進行解析。MAC層聚合的數據來自共享信道，其他信道的數據還是獨立的，L2板多用戶情況下用戶載波聚合數據的MAC層匯聚解析過程包括以下4步，如圖4所示。

圖3 載波聚合下的L2上下行結構 Fig. 3 L2 uplink and downlink architecture under carrier aggregation

圖4 載波聚合下MAC層數據匯聚過程 Fig. 4 Data aggregation process under carrier aggregation in MAC layer

1)用戶數據匯聚過程。

載波聚合情況下，數據系統幀號與子幀號相同，基帶板并行掃描存儲所有載波的同一時間點數據，并將不同用戶的共享信道在同一個數據包中傳輸給層二處理板。

2)共享信道數據解析過程。

數據匯聚過程完成后，基帶板輸入接口把一個用戶的所有載波數據組成一個數組，進行共享信道數據解析。此時，解析函數自行循環獲取每個載波的數據，如果某個載波沒有數據，則不作處理，繼續獲取下一個數據。

3)用戶數據存儲過程。

數據解析過程完成后，監測儀針對每個用戶建立一個數據索引，用戶緩存同一子幀內所有載波的共享信道數據。索引采用二維數組結構，針對共享信道，在非雙流情況下，每個載波最多存在一個MAC PDU，在二維數組中指定每個載波數據的索引號，不同載波的數據處理并行進行，防止數據處理沖突的問題。

4)L2協議解析過程。

數據存儲過程完成后，監測儀將調用L2解析函數按索引順序處理獲取的MAC PDU數據，此時不考慮不同載波數據的處理順序。由于不同用戶的數據不存在關聯性，故采用用戶間數據并行處理，而同一個用戶的多個數據則串行處理，避免數據交叉，降低L2軟件實現復雜度。

如圖5所示為LTE-A空口監測分析儀中載波聚合下的用戶存儲結構，監測儀為每個小區創建一個用戶節點數組，在其中存儲用戶小區無線網絡臨時標識(Cell Radio Network Temporary Identifier, C-RNTI)，其節點序號+1位置存儲用戶ID。同一儀表監控的所有小區中，用戶ID從0開始統一編號。處于載波聚合狀態的用戶在聚合的小區配置相同的用戶節點，通過用戶ID實現載波聚合數據的合并。

用戶ID的輔小區列表通過一個輔小區數組保存。輔小區索引數組為一個5成員數組，每個成員按序對應基帶小區，其保存的數值為在載波聚合中的輔小區索引號scellIndex，在增加輔小區時賦值，釋放輔小區時刪除。針對圖5中用戶數據，包括載波聚合信息的用戶有user0、user2和user9，相應的輔小區保存數組如圖6所示，如user0聚合的小區包括scellIndex0和scellIndex1。

圖5 LTE-A空口監測分析儀中載波聚合下的用戶存儲結構 Fig. 5 User storage structure under carrier aggregation in LTE-A air-interface analyzer

圖6 載波聚合下用戶輔小區索引數組 Fig. 6 User scellIndex array under carrier aggregation

如圖7所示為載波聚合下用戶節點管理流程，監測過程中，監測儀根據相應RRC消息選擇對用戶節點數組的操作。首先，判斷RRC消息是否為RRCConnectionSetup，若是，將本用戶存儲在圖4所示結構中，從0開始查找第一個未用的userID配置給該用戶，并標識此userID已經使用，以方便下一個用戶存儲；否則，判斷RRC消息是否為RRCConnectionRelease，若是，釋放本用戶釋放RRC連接，在所有小區中刪除對應的用戶節點；否則，繼續判斷RRC消息是否為RRCConnectionRecofiguration，若是，判斷消息中是否含有輔小區移除消息sCellToReleaseList，若是，根據消息中scellIndex查找對應的小區，刪除對應的用戶節點；否則，判斷是否含有sCellToAddModList消息，若是，判斷對應的小區已經存在相同的用戶RNTI，若存在，在用戶節點中添加載波信息，否則，在相應小區中創建用戶節點。

3 LTE-A空口監測分析儀載波聚合實現

監測儀中工作狀態下載波聚合監測流程包括以下步驟，如圖8所示：

1)儀表開機后，在儀表的運行界面提供的選項中選擇本次測試是否支持載波聚合，進行小區掃描。

2)當支持載波聚合時，選擇一個載波開始監測，否則，選擇需要監測的小區進入監測狀態。

在載波聚合下，掃描獲取的載波信息，可能不是來自同一個基站，如果同時監控多個支持載波聚合功能的基站，則需要監控的總的載波數量可能超過儀表性能，故選擇一個載波開始監測。

3)監測RRC連接重配置消息消息，檢測到輔小區添加消息后添加輔小區。

載波聚合消息包含在RRC連接重配置消息RRCconnectionReconfiguration中，包括輔小區移除消息sCellToReleaseList、輔小區添加消息sCellToAddModList等。在監控的載波中，解析出類似消息后，通過主控板配置L2板和基帶板實現輔載波的監控。

4)進入多小區監測狀態，調用L2解析函數，進行系統消息的解析。

系統信息分成MasterInformationBlock(MIB)和多個SystemInformationBlock(SIB)，MIB消息在廣播信道(Physical Broadcast Channel，PBCH)上廣播，SIB通過下行共享信道PDSCH的RRC消息下發。通過解析SIB消息可獲得UE小區調度、無線資源配置、小區重選/切換等信息。

4 結語

LTE-A空口監測儀表的研發，是新技術新業務下通信網絡發展的要求，擁有我國自主知識產權的LTE測試儀表，對打破以羅德施瓦茨、安捷倫為代表的儀表廠商對國內市場的壟斷具有重要意義。現階段，載波聚合技術作為通信網絡傳輸速率發展中解決帶寬障礙的關鍵技術，已經在國內投入使用，但是，空口測試類儀表尚未支持該功能，因此，本文提出了一種LTE-A空口監測儀設計方案，簡要說明了其物理架構及邏輯架構，并提出一種空口監測分析儀中載波聚合技術實現方案，以及載波聚合下多用戶管理方案，以滿足運營商測試需求。方案可應用于運營商、網絡監管部門等，通過方案的應用，加速載波聚合商用進展，利于通信網絡建設和維護。

圖7 用戶節點管理流程 Fig. 7 User node management process

圖8 載波聚合監測流程 Fig. 8 Carrier aggregation monitoring process

參考文獻(References)

[1] 中華人民共和國工業和信息化部.2017年1-6月份通信業經濟運行情況[EB/OL]. (2017- 07- 19) [2017- 08- 10]. http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057511/n3057518/c5734845/content.html.(Ministry and Information Technology of the People's Republic of China. Economic performance of the communications industry [EB/OL]. (2017- 07- 19) [2017- 08- 10]. http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057511/n3057518/c5734845/content.html.)

[2] LEE S, HYEON S H, KIM J, et al. The useful impact of carrier aggregation: a measurement study in south Korea for commercial LTE-advanced networks [J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2017, 12(1): 55-62.

[3] 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,2010:431.(WANG Y M, SUN S H. TD-LTE Principles and System Design [M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2010: 431.)

[4] 華燕.TD-LTE關鍵技術及發展趨勢探討[J].中國新技術新產品,2011(15):3.(HUA Y. Discussion on TD-LTE key technology and development trend [J]. China New Technologies and Products, 2011(15):3.)

[5] 中華人民共和國科學技術部.新一代寬帶無線移動通信網國家科技重大專項2013年度課題申報指南[EB/OL]. (2012- 05- 04) [2017- 08- 10]. http://www.most.gov.cn/tztg/201205/t20120504_94111.htm.(Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China. 2013 annual report guidance of new generation broadband wireless mobile communications network: National Science and Technology Major Project [EB/OL]. (2012- 05- 04) [2017- 08- 10]. http://www.most.gov.cn/tztg/201205/t20120504_94111.htm.)

[6] 彭宇,姜紅蘭,楊智明,等. 基于DSP和FPGA的通用數字信號處理系統設計[J]. 國外電子測量技術,2013,32(1):17-21.(PENG Y, JIANG H L, YANG Z M, et al. Design of general digital signal process based on DSP and FPGA [J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2013, 32(1):17-21.)

[7] 李才齊,張治中,程方.LTE-A空口儀表RLC協議監測技術研究[J].電視技術,2015,39(17):58-63.(LI C Q, ZHANG Z Z, CHENG F. RLC protocol monitoring technology in LTE-A air interface instrument [J]. Video Engineering, 2015, 39(17): 58-62.)

[8] 紀鋼. LTE載波聚合商用實踐與研究[C]//天津市電視技術研究會2016年年會論文集.天津:天津市電視技術研究會,2016:5.(JI G. The LTE CA commercial practice and research [C]// Proceedings of the 2016 Annual Conference on Tianjin TV Technology Research Association. Tianjin: Tianjin TV Technology Research Association, 2016: 5.)

[9] 3GPP REV-080030, Technology components [S]. [S.l.]: Erisson, 2008.

[10] 3GPP R1-082448, Carrier aggregation in advanced E-UTRA [S]. Warsaw: Huawei, 2008.

[11] 3GPP TS 36.300 V10.11.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description[S]. Valbonne: 3GPP, 2013:45-47.

[12] IWAMURA M, ETEMAD K, FONG M H, et al. Carrier aggregation framework in 3GPP LTE-advanced [J]. IEEE Communications Magazine, 2010, 48(8): 60-67.

[13] 章麗飛,陸巍.TD-LTE載波聚合組網研究[J].電信技術,2017(8):17-19.(ZHANG L F, LU W. TD-LTE carrier aggregation network research [J]. Telecommunications Technology, 2017(8): 17-19.)

This work is partially supported by the National Science and Technology Major Project (2015ZX03001013).

LIRuying, born in 1993, M. S. candidate. Her research interests include broadband communication network testing.

ZHANGZhizhong, born in 1972, ph. D., professor. His research interests include 5G mobile communication system, communication network testing, broadband information network.

DENGXiangtian, born in 1993, M. S. candidate. His research interests include broadband communication network testing.