LTE-A系统随机接入过程的实现

张涵嫣，孙贵芳，皮定杰

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)



LTE-A系统随机接入过程的实现

张涵嫣，孙贵芳，皮定杰

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

摘要：随机接入是LTE-A系统一个最基本的功能，它使终端与网络建立连接成为可能。在LTE-A系统中，随机接入过程是用户设备(UE)与网络端之间建立无线专有链路的首要过程。从LTE-A系统协议入手对竞争性随机接入过程进行了深入分析和讲述，并给出了测试用例相关模块的TD-LTE-A仪表侧的实现过程，之后通过TTCN-3构造测试例来实现竞争随机接入过程，在TTworkbench平台下进行测试，最后对测试结果分析，有效验证了随机接入过程实现的协议一致性。

关键词：长期演进；随机接入；测试例；测试系统

0引言

LTE-A系统中，终端和基站之间只有建立了上行同步才能实现数据传输，随机接入过程在实现上行同步的过程中有十分关键的作用[1]。触发随机接入的场景有以下6种[2]：① RRC_IDLE状态下的初始接入；② RRC连接重建过程；③ 切换；④ RRC_CONNECTED期间，下行数据到达(此时需要回复ACK/NACK)，上行失步；⑤ RRC_CONNECTED状态下，上行数据到达时，上行失步或没有可用的PDCCH资源来进行SR传输；⑥ RRC_CONNECTED下，需要定位UE的定时提前[3]。随机接入过程分为基于竞争和基于非竞争2种。基于竞争的随机接入过程适用于上述①～⑤种场景，基于非竞争的随机接入过程仅适用于切换，下行数据到达和定位的情况,所以竞争性随机接入是使用最频繁的接入方式。

1竞争随机接入基本流程

基于竞争的随机接入由终端主动发起[1]。终端MAC根据收到的系统信息中的参数配置随机选择随机接入前导码(preamble)和发送前导码的信道资源。竞争的随机接入过程包括2个阶段，细分为4个步骤，2个阶段为同步阶段和竞争解决阶段，步骤的流程图如图1所示。

由图1可知，竞争的随机接入过程主要分为4个步骤，包括：

① 终端向网络端发送随机接入前导码，随机接入前导码是由PHY层根据RRC层的配置参数，通过循环移位的ZC序列添加循环前缀(CP)计算而得[4]。让eNB知道存在一个终端试图跟基站建立连接，同时使eNB能估计与UE之间的传输时延并以此校准uplink timing；

图1　竞争的随机接入流程

② eNB发送随机接入响应，网络端MAC收到UE发送的前导以后，开始组装随机接入响应—MAC RAR PDU，如图2所示，包括time-advance消息确保上行同步，用于分配上行资源的上行授权，用于加扰随机接入消息3和竞争解决消息的临时C-RNTI。前两步实现了终端和基站之间的上行同步；

图2　随机接入响应结构

③ 终端根据随机接入响应中携带的定时提前量和上行资源分配信息等信息，发送用Temporary C-RNTI加扰的MSG3，发送MSG3之后，终端开启竞争解决定时器等待网络端的回复。MSG3消息存在HARQ重传过程，如果eNodeB没有收到或收到的是错误及未能解码的信息的话，需要在PHICH进行反馈的接收，HARQ过程提高了MSG3的正确率；

④ 收到MSG3后，网络端MAC层将MSG3中的唯一标识作为竞争解决消息回复给UE，如果UE在竞争解决定时器开启时间内收到网络端竞争解决消息，并且与内容与自己发出的相符，即认为随机接入成功，此时随机接入过程完成。

2TD-LTE RRM一致性测试系统框架介绍

3GPP协议36.521-3中给出了终端的RRM一致性测试解决方案的框架[3]，解决方案中的测试用例的开发与硬件平台是相互分离的，也就是说测试用例的开发使用专门的测试开发工具，由于测试用例是基于TTCN-3专用测试语言开发的，因此该测试用例不拘泥于底层的硬件平台，具有很强的一致性和通用性[5]，该方案如图3所示。

图3　E-UTRAN/SAE测试系统架构

基于TTCN-3的协议一致性测试平台主要有安装TTCN-3软件的PC，主控TDPU(TD处理单元，主要模拟协议栈的层一与层二的功能)以及信道噪声添加设备和终端设备[6]。具体测试架构原理图如图3所示，在TTCN-3的软件中构造的测试代码主要是协议栈非接入层(NAS)无线资源控制子层(RRC)的功能，这样TTCN-3中模拟的NAS层与RRC层加上TDPU中的层1与层2共同构成了网络端的开发环境，网络端通过无线射频口与终端进行通信。PC和测试仪表之间通过UDP端口通信，测试仪表和终端则通过射频口进行通信。主控是PC与TDPU通信的桥梁，也是应用软件加载之处。

在图3中，测试平台上增加有时延补偿装备。这样可以动态对测试过程中的时延进行补偿[7]，有助于提高测试设备的精度，从而提高终端在投放市场之后的稳定性与可靠性。编写测试例并在测试平台上运行，从而验证了随机接入处理过程。

3测试例实现

3.1测试主函数创建

首先在TTworkbench新建一个名为RRM_MAC_Testcase的module并生成RRM_MAC_Testcase.ttcn3文件[8]，其中包含了名为TC_6_2_3_1的定时提前精度的测试用例，该测试用例严格按照测试协议进行竞争的随机接入过程编写。当PC机测试软件运行竞争的随机接入测试例时，就会按照测试用例流程定义的测试步骤进行运行。代码的主体实现部分如下：

Function f_TC_6_2_3_1() runs on RRM_EUTRA_MTC

{

f_RRM_LTE_BS_config('06020301'O);

f_RRM_ReceiveReply('06020301'O);

f_LTE_BTS1_Initial(MC_TDPU_CellActiveReq);

f_LTE_BTS1_cnf();

f_LTE_BTS1_RAR_Config(RARConfig_4NotMatch);

f_LTE_BTS1_RAR_Config_cnf();

f_TC_6_2_3_1_TestBody();

}

该函数为测试用例的主函数的实现过程，测试用例还包括端口的映射和解除映射过程。f_RRM_LTE_BS_config()函数用来在控制面板显示当前运行的测试用例编号并根据测试例ID控制射频切换箱选择相应小区，主控需要给一个收到该编号的确认。

3.2测试例的实现步骤

实现步骤主要有[9]：

① 终端进状态2A：终端开机完成小区附着后进入RRC_IDLE状态的过程。在配置MAC层IDLE后，TD-LTE小区周期性的发送系统信息，终端在收到系统信息后完成随机接入、安全性过程一直到RRC连接释放整个过程。通过第三方跟踪软件跟踪终端和TD-LTE小区的交互，终端完成了“3GPP TS36.508clause4.5.2A”中规定的所有步骤，终端最终状态为RRC空闲状态(State 2A)。

② 参数配置：配置TD-LTE小区随机接入相应参数，MAC层根据配置的参数回复随机接入响应，主要实现代码如下：

f_LTE_BTS1_ConfigRAR(RARConfig_4NotMatch);

RARConfig_4NotMatch参数指定了TD-LTE小区MAC层对于终端发送的前导前4次回复不匹配的随机接入响应，也就是说MAC层在回复RAR的MAC PDU中的RAPID填入与终端发送的preamble不同的值。

③ 寻呼UE：目的是让终端发起随机接入过程，如果接入成功，则终端进RRC_CONNECTED状态。主要实现代码如下：f_RRM_LTE_Paging()。

④ 判决模块：终端在收到寻呼消息后，发起随机接入过程，向TD-LTE小区发送随机接入前导，网络端根据其发送的随机接入前导测量其前导功率值和定时提前量并上报高层，TTCN-3判决模块负责进行判决。

4结果验证

测试用例总共运行47次[10]，总的判定结果如图4所示，其中判定pass 46次，判定error 1次，满足测试用例一次错误，总的运行次数超过46次的要求。

图4　竞争的随机接入结果饼状图

5结束语

首先介绍了竞争型随机接入过程的原理，从测试架构入手，针对LTE-A系统MAC层随机接入过程建立一致性测试需求，在介绍测试系统的基础上，设计流程以及开发测试例，详细设计了竞争型随机接入过程的实现步骤，对测试例进行实现，然后在TTworkbench测试平台上运行测试例，验证了测试例的正确性。

参考文献

[1]3GPP TS 36.521-3.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) Radio Resource Management Conformance Testing(Release 10)[S],2012.

[2]沈嘉.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2008：210-213.

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[4]周健咏,王炎,莫洪波,等.TD-LTE终端一致性测试认证工作进展[J].电信网技术,2011(7):19-22.

[5]李小文,肖垒,宋海贝.TD-LTE系统移动性管理实体测试研究[J].光通信研究,2011(4):57-61．

[6]ETSI ES 201 873-5 V4.4.1.Methods for Testing and Specification(MTS); The Testing and Test Control Notation version 3; Part 5:TTCN-3 Runtime Interface(TRI)[S],2012.

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[9]张宁,孟文超，李小文.LTE系统RRC协议一致性测试例的设计与实现[J].电视技术,2014,38(7):80-83.

[10]Ying Z,Fa-tang C.Interference between Sounding Reference Signal and Random Access preamble based on LTE uplink[C]∥Information Engineering,2009.ICIE'09.WASE International Conference on.IEEE,2009:286-289.

Implementation of Random Access Test Case in LTE System on Conformance Testing Platform

ZHANG Han-yan，SUN Gui-fang，PI Ding-jie

(Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Abstract：Random access is a basic function in LTE-A system,it makes it possible to establish connection between terminals and network.In the LTE-A system,random access process is the primary process for user equipment(UE) to build proprietary link with network.The paper provides in-depth analysis on the process of competing random access from LTE-A system agreement,and gives the implementation of related modules on TD-LTE-A test instrument side,constructing TTCN-3 test cases to achieve the contention based random access procedure.The test under TTworkbench platform and the test results analysis effectively verify the consistency of the random access procedure protocol implemented.

Key words：LTE; random access; test case; TTCN-3

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-98-4

作者简介：张涵嫣(1992—)，女，硕士研究生，主要研究方向：移动通信。孙贵芳(1992—)，女，硕士研究生，主要研究方向:LTE高层协议栈开发。

基金项目：国家科技重大专项基金项目(2011ZX03001-003-01，2012ZX03001024)

收稿日期：2016-01-19

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.26

引用格式：张涵嫣，孙贵芳，皮定杰.LTE-A系统随机接入过程的实现[J].无线电通信技术,2016,42(3):98-101.