基于TTCN－3重建测试架构的设计与实现

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

张德民1　许小寒1　伍会娟2　吴中华1　张有缘1(重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室1，重庆　400065;成都军区昆明民族干部学院教研部2，四川成都　650202)



基于TTCN－3重建测试架构的设计与实现

国家科技重大专项基金资助项目(编号:2012ZX03001024)。

修改稿收到日期:2015－03－26。

第一作者张德民(1955－)，男，1988年毕业于北京邮电大学信号、电路与系统专业，获硕士学位，教授;主要从事信号处理与通信系统方面的研究。

0　引言

目前，随着4G技术的迅猛发展，TD－LTE技术也得到广泛的应用。TD－LTE作为我国自主创新的TD－SCDMA标准的长期演进标准，其相关的技术试验都在有条不紊地推进，发展势头迅猛。在TD－LTE［1］商业化的进程中，作为TD－LTE产业的重要组成部分，TD－LTE终端向着低功耗、高性能的方向快速发展。目前TD－LTE终端测试工作的展开也显得越发迫切，对终端的测试已然成为业内关注的焦点［2］。

无线资源管理(radio resource management，RRM)是无线网络及终端的关键功能，该功能的实现与否会对终端设备性能、用户体验及网络质量产生至关重要的影响［3］。本文将RRM中无线资源控制(radio resource control，RRC)连接重建过程［4］的测试例作为切入点，设计测试流程，编写树表结合表示法(tree and tabular combined notation，TTCN)［5］测试套;然后在基于实际通信系统网络架构的基础上进行归纳总结，搭建重建过程的RRM一致性测试平台;最后在搭建的测试平台上对编写的测试例进行调试运行。终端与测试平台的正确交互，既验证了测试例的正确性，又验证了平台的合理性。

1　测试平台的搭建

1.1归纳测试平台架构

LTE接入演进型分组系统(evolved packet system，EPS)的网络架构如图1所示。

图1　LTE接入EPS系统的网络架构Fig.1 The network architecture of LTE access EPS

测试平台构建模型如图2所示。其中，演进全球陆地无线接入网(evolved UTRAN，E－UTRAN)在测试平台中被分离为TD－LTE处理单元(TD－LTE processingunit，TDPU)和无线资源控制(radio resource control，RRC)子层。RRC与非接入层(non－access stratum，NAS)之间以S1－MME接口相连接。TTworkbench功能模块包括RRC和NAS子层，TTCN功能模块与TDPU等其他模块连接，实现对终端的RRM一致性测试。

图2　测试平台构建模型Fig.2　The test platform building model

1.2搭建RRM一致性测试平台

在图2搭建的测试平台的基础上，把其中一些子层进行分离和归纳，然后在一些特定功能模块上实现各子层的功能，并搭建基于TTCN－3的RRC重建的RRM一致性测试平台［6］，如图3所示。

归纳后搭建的测试平台包括以下功能模块:应用模块(application，APP)、高级RISC微处理器模块(advanced RISC machines，ARM)、现场可编程门阵列模块(field－programmable gate array，FPGA)、数字信号处理模块(digital signal process，DSP)、射频模块(radio frequency，RF)和被测实现模块(implementation under test，IUT)。

APP模块是由用户自己设定，包含了针对每一项网络服务的所有问题和功能，在该测试例中使用TTCN－3作为应用模块。在TTCN－3中，编写了测试代码，主要实现NAS和RRC的功能。在ARM模块上实现了PDN网关、业务网关(service gateway，SGW)、分组数据汇聚协议(packet data convergence protocol，PDCP)、无线链路控制(radio link control，RLC)和媒体接入控制(medium access control，MAC)等子层的功能。DSP模块负责物理层(physical layer，PHY)功能的实现。这样TTCN－3、ARM和DSP模块连接，共同构成了网络端的开发环境。FPGA模块主要负责数据的接收和下行同步。RF模块模拟无线通信环境，实现被测实体与测试平台的连接和通信。该测试平台还加入了一个主控模块，它能够实现PC与TDPU的中转处理，也用于加载应用软件。

图3　重建测试例的RRM一致性测试平台Fig.3 RRM conformance testing platform of re－establishment test case

基于TTCN－3的测试平台能够实时地对流程进行控制，而且TTCN－3的核心语言形式可以与其图形表示格式(GFT)相互转化。GFT图以一种更加简单、直观的图形表示方式来描述TTCN－3的行为［7］。该测试平台不仅拥有以上TTCN－3的优点，并且在以往测试平台的基础上对各功能模块加以总结，提出了实现各模块功能的途径;同时，FPGA等模块的加入提高了数据的转发和处理的效率，使平台变得更合理且稳定。

2　RRM重建过程测试设计

2.1 RRC连接重建过程

RRC连接重建成功的流程如图4所示。

图4　RRC连接重建成功流程图Fig.4 Successful procedure of RRC connection re－establishment

对于处于RRC_CONNECTED的UE且其安全性已经被激活，它将初始化该进程来继续RRC连接。只有当相关的小区已经准备好，连接重建才能继续，即该进程需要有一个有效的UE上下文。如果E－UTRAN接收到RRC连接重建请求，而无线承载保持被暂时搁置状态时，SRB1运作重新开始。如果接入层安全性还没被激活，UE不初始化该进程，而是直接跳转到IDLE状态。

如上所述，RRC连接重建过程只有当接入层安全性已经被激活，并且发生以下几种情形的一种时，才会被初始化: (1)在检测到无线链路失败后; (2)在切换失败后; (3)在从E－UTRA的移动性失败后; (4)在接收到来自于低层的完整性检验失败后; (5)在RRC连接重配置失败后。初始化该进程以后，如果定时器T310正在运行，则停止运行;并启动定时器T311，将所有的RBs暂时搁置，除了SRB0;然后配置底层，此时将重新执行小区选择，即小区重选过程［8］。

2.2重建过程的测试例设计

2.2.1测试流程设计

同频RRC重建过程的测试，是验证当服务小区和目标小区在同一载频上并且UE检测到无线链路失败或者切换失败等情况时，终端能否在规定的重建时延限制内发送RRC连接重建请求给系统模拟器(system simulator，SS)来重新建立RRC连接。测试中需要一个服务小区和一个邻小区，分别称之为小区1和小区2，使UE能在同一个E－UTRA TDD载频上监测相邻小区，并在检测到无线链路失败的情况下，UE能够发起RRC连接重建流程，并在物理随机接入信道(physical random access channel，PRACH)上向小区2发送前导完成小区重选到小区2。如图5所示为RRM重建过程一致性测试流程图。

图5　同频RRC重建测试流程图Fig.5　The test flowchart of intra－frequency RRC re－establishment

首先，使得UE处于3A－RF状态，3A－RF状态是UE由开机之后的空状态驻留到小区1进入到空闲状态后接收到网络端的寻呼进入测试模式的连接态。然后SS发送连接重配置给UE，UE会发送连接重配置完成给SS，在配置好T2、T3阶段的参数以后，UE检测到无线链路失败时发起RRC连接重建流程，并在1.5 s内发送随机接入前导到小区2，表示测试例成功执行一次，然后切换回小区1。若切换不成功，则UE关机，继续上述流程。

根据3GPP标准制定的参数值，RRC连接重建时延被定义为从T3开启到UE向小区2发送随机接入前导的这段时间。测试中的RRC连接重建时延由以下公式得到:

式中: TUL_grant为从目标小区获得上行授权的时间，由于测试例的成功与否是由系统模拟器接收到PRACH花费的时间来判定的，所以在该测试例中TUL_grant并没有用到; TUE_re－establish_delay= 50 ms + Nfreq×Tsearch+ TSI+ TPRACH，Nfreq=1，Tsearch=100 ms; TSI=1 280 ms为接收目标小区系统消息所需的时间; TPRACH= 15 ms是由于随机接入进程而引起的时延; TUE_establish_delay= 1 445 ms，在测试中允许1.5 s内即可。

2.2.2测试参数配置

以上测试流程执行的过程中，所需配置的部分参数如表1所示。

表1　测试例的部分参数配置Tab.1 Partial test parameters of the test case

表1中，N310表示从底层收到的连续的失步(outof－sync)指示的最大个数，N311表示从底层收到的连续的同步(in－sync)指示的最大个数。定时器T310在接收N310个连续不同步时启动，在链路恢复即接收N311个连续同步时停止，当定时器T310超时时将触发RRC连接重建过程。定时器T311是控制UE开始RRC连接重建到UE选择一个小区过程所需的时间，期间UE执行cell－selection过程。特殊子帧包含3个部分:下行导频时隙(downlink pilot time slot，DwPTS)、保护间隔(guard period，GP)、上行导频时隙(uplink pilot time slot，UpPTS)。DwPTS上传输的是下行的参考信号，也可以传输一些控制信息; UpPTS上可以传输一些短的随机接入和探测参考信号的信息; GP是上下行之间的保护时间。特殊子帧的配置目前一共有9种，配置0到配置8，该测试例所选的是配置6。在同一帧内，不同的上下行子帧的配置有7种，配置0到配置6，该测试例所选的是配置1。PRACH配置索引指示了PRACH的频域资源索引、时域的无线帧、半帧、子帧的资源占用情况，该测试例所选的是配置53。

在测试执行过程中，各个定时器时段内两个小区的参数如表2所示。需要说明的是，测试执行过程中一直存在加性高斯白噪声的干扰。表2中，BWchannel代表信道带宽，两个小区均设定为10 MHz。E^s/Iot表示每个资源粒子上接收功率与所有噪声干扰的功率谱密度之比。Noc表示白噪声源的功率谱密度，白噪声源模拟的是来自小区在测试过程中未被定义的干扰。E^s/ Noc表示每个资源粒子上接收功率与模拟来自小区的白噪声源的功率谱密度之比。RSRP表示参考信号的接收功率。

表2　测试例的具体小区测试参数配置Tab.2 Specific test parameters of the LTE cells in the test case

3　测试结果的分析

按照以上测试流程编写测试例，并在搭建好的测试平台上执行，得到具体的测试结果仿真图。

PC端TTCN－3利用TTCN参数配置请求与证实这一对原语验证与主控的通信。TTCN－3发送小区激活请求来激活小区，使得终端能够收到小区1的系统消息，并在小区1上成功驻留后，主控会回小区激活证实给TTCN－3。接着TTCN－3会下发寻呼请求，由主控转发到底层后发给终端，终端会再接收小区1的系统消息并接入进入连接态。然后利用小区重配请求与证实来设置T2、T3阶段的参数。最后TTCN－3等待当终端成功接入到小区2时，底层会回一个预先约定的AC1D证实，表示接入成功。

通过观察仿真可知，测试执行过程中到达每条原语的时间有明确的显示，而且也便于追踪测试流程执行到哪条原语，易于查错和纠错。

4　结束语

本文从LTE接入EPS系统的网络架构受到启发，结合TTCN－3协议一致性测试搭建基于E－UTRAN TDD同频RRC重建测试例的平台，编写重建测试，并在该平台上成功执行。该方法完善了TD－LTE系统协议一致性测试技术理论，并为以后的研究提供了可行的方案。未来随着4G技术的发展逐渐成熟和5G技术的萌生，基于TTCN－3的测试开发将会变得愈加重要。

参考文献

［1］马霓，邬钢，张晓博，等.LTE－UMTS长期演进理论与实践［M］.北京:人民邮电大学出版社，2009:5－83.

［2］Shen Yuan，Luo Tao，Win M Z.Neighboring cell search for LTE systems［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2012，11(3): 908－919.

［3］3GPP TS 36.521－3.Evolved universal terrestrial radio access (E－UTRA)radio resource management (RRM)conformance testing (Release 10)［S］.2012.

［4］林华东.LTE终端RRC连接重建过程研究与实现［J］.科技创新与应用，2013(14):57－58.

［5］陈发堂，徐莉.TD－LTE/GSM互操作性测试系统的设计与实现［J］.自动化仪表，2014，35(11):76－79.

［6］陈发堂，牛勇清，韩娜娜，等.协议一致性测试平台的搭建及仿真实现［J］.电子技术应用，2014，40(4):137－140.

［7］董宏成，张宁，李小文.TTCN－3在RRC协议一致性测试中的应用［J］.电子技术应用，2013，39(7):117－120.

［8］张勇，卞伶俐.LTE系统无线资源控制连接重建过程研究与实现［J］.电视技术，2011，35(1):85－88.

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

张德民1许小寒1伍会娟2吴中华1张有缘1
(重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室1，重庆400065;成都军区昆明民族干部学院教研部2，四川成都650202)

摘要:对LTE接入演进型分组系统(EPS)网络架构进行了研究，构造出了对应网络架构中各模块的测试平台;然后对各模块功能进行分离与归纳，提出各模块的实现平台;并在此基础上搭建了无线资源管理(RRM)无线资源控制(RRC)连接重建测试例的一致性测试平台;最后编写RRC连接重建测试例的测试脚本，并在此平台上进行验证。通过对验证结果进行分析，得出了测试用例设计的正确性以及测试平台的可行性与合理性。

关键词:长期演进无线资源管理演进型系统网络架构协议一致性测试平台树表结合表示法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

中图分类号:TH－3; TP3

文献标志码:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603004