LTE-A空口监测分析仪中载波聚合的设计与实现

李茹莹，张治中，邓翔天

(1.重庆邮电大学 通信网与测试技术重点实验室，重庆 400065； 2.重庆重邮汇测通信技术有限公司，重庆 401121)

0 引言

2014年第四代移动通信(the 4th Generation mobile communication technology, 4G)全面商用以来，用户持续爆发式增长，至2017年6月末，移动电话用户总数达到13.6亿户，4G用户数达8.88亿户，手机上网用户突破11亿户，2017年1—6月间，移动互联网累计流量达88.9亿GB，其中，通过手机上网的流量达到83.1亿GB，占移动互联网总流量的93.5%[1]，用户对通信网的速率、可靠性要求不断增加。

为了满足用户要求，第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)提出峰值速率1 Gb/s的长期演进的演进(Long Term Evolution-Advanced, LTE-A)标准，而载波聚合(Carrier Aggregation，CA)作为其关键技术之一，在国内外运营商中正加速部署[2]。该技术可通过将多个连续或不连续的频谱聚合为一个大的传输带宽，使它们共同为用户所用，该技术后向兼容R8/9系统，为3GPP提出的最大100 MHz带宽下1 Gb/s峰值速率提供技术支持，同时也可提高无线频带中零散频谱的利用率[3]。

在LTE-A系统中，空中接口指终端与演进基站(Evolved Node B, eNodeB)之间的接口，也称Uu接口，它是一个完全开放的用来建立、承载和释放各种无线业务信令的接口[4]。LTE 网络结构的扁平化，传统信令采集点的消失，导致空口信令需要从Uu口采集，网络管理和优化的复杂性增加，传统的路测软件己经很难满足LTE-A中的新技术和新业务的测试需求，市场亟须一种新型网络监控和优化解决方案。

本文基于LTE-A空口监测分析仪的设计，提出载波聚合在分析仪中的实现方案，并设计一种用户管理方案，保证仪表在载波聚合下对多用户的支持。

1 LTE-A空口监测分析仪整体设计

LTE空口监测仪表的主要作用是通过Uu接口捕获用户设备(User Equipment, UE)发往eNodeB的上行数据和eNodeB发往UE的下行数据，分析UE与eNodeB之间的信令建立过程以及用户的网上行为，以达到通信网络数据统计及故障诊断的目的。

仪表支持3GPP规定的TDD-LTE和FDD-LTE全部频段，支持1.4M、5M、10M、15M、20M全带宽设置，支持物理层(Physical Layer, PHY)、媒体接入控制层(Medium Access Control , MAC)、无线链路控制层(Radio Link Control, RLC)、分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)、 无线资源控制层(Radio Resource Control, RRC)和 非接入层(Non-Access Stratum, NAS)控制面协议栈，以及PHY、MAC、RLC、PDCP、网络层协议分析、应用用户面协议栈监测和多段多协议的跨层关联分析，可准确地对信令和数据进行采集与解析[5]。

LTE-A空口监测分析仪按照物理架构划分，包括主控板、射频基带板、层二处理板和系统时钟板[6-7]。如图1所示，各板卡之间通过一种高速串行总线标准——PCIE(Peripheral Component Interconnect Express)交换连接，并通过PCIE X1或PCIE X2总线进行高速率的数据通信。各板卡功能如图1所示。

1)射频基带板包括射频板卡和基带板卡，射频板卡负责采集射频数据，基带板卡负责将射频采集的同相正交IQ数据恢复成比特流数据并封装成帧。

2)层二处理板通过PCIE接收射频基带板的数据，负责PDCP、MAC、RLC子层的协议解析及数据处理和MAC数据存储。

3)主控板进行层三及以上协议的解析，将层二处理板解析后的数据恢复成 TCP/IP数据包，实时监测用户行为。

4)系统时钟板负责为仪表提供统一高精度时钟的功能。

相应的，如图2所示，按照逻辑划分，监测仪包括L1处理模块、L2处理模块、主控驱动接口模块、L3及业务处理模块、调度控制模块、人机交互模块和时钟管理模块。各模块在板卡中的位置及其功能依次为：

1)L1处理模块位于射频基带板上，主要进行LTE物理层解析；

2)L2处理模块位于层二处理板上，主要进行MAC、RLC和PDCP的协议解析。

3)主控驱动接口模块位于主控板上，主要提供上层访问L1处理模块和L2处理模块的接口。

4)L3及业务处理模块位于主控板上，主要进行RRC和NAS层的解码合成，网络层、应用层用户面的协议解析。

5)调度控制模块位于主控板上，主要根据用户界面的配置，完成对L1处理模块、L2处理模块及时钟管理模块的配置及查询，并可将解析的RRC等信息及时反馈给L1处理和L2处理模块。当仪表处在扫描状态时，该模块可根据L1的反馈，作出判断、选择，配置调度监测仪资源。

6)人机交互模块位于主控板上，主要进行用户的操作控制界面、解析数据的展示。

7)时钟管理模块位于系统时钟板上，主要进行监测仪时钟的切换及状态查询。

L1处理模块、L2处理模块及主控驱动接口模块之间通过寄存器接口和数据包接口相连接，其中寄存器接口通过计算机的外设部件互连(Peripheral Component Interconnect, PCI)寄存器读写方式实现，用于对配置及状态信息的操作；数据包接口采用PCI的直接内存访问操作实现，用于高速大量数据传输和一些主动信息的传输。系统时钟板与主控驱动接口模块之间通过通用异步收发传输器连接。

2 LTE-A空口监测分析仪中载波聚合的设计

载波聚合的引进是为了提高系统的峰值速率，从高层上看，载波聚合就是将多个小区的资源合并在一起为终端服务[8]。当支持载波聚合的终端处于空闲状态或业务量不需要启动载波聚合时，其行为与非载波聚合终端一致。空闲状态时，终端仍以小区为单位进行小区的选择、驻留、重选等操作。

文献[9]中提出了两种可选的载波聚合数据流聚合方案，包括数据流在MAC层聚合和数据流在物理层聚合。经过开销性能等方面综合比较，文献[10]得出数据流在MAC层聚合更容易实现LTE向LTE-A的平滑过渡的结论，故在空口监测仪表中，采用MAC层数据聚合方案。如图3所示，加入载波聚合的L2结构与R8/9版本的L2结构相比，LTE对载波聚合的支持在于MAC层为每个成员载波分配一个独立的HARQ实体；并且，CA操作在MAC层完成，对PDCP及RLC层不可见[11]。

LTE-A最大支持5载波聚合，每个UE的服务小区由1个主小区(Primary Cell，PCell)和最多4个辅小区(Second Cell，SCell)组成，3GPP定义了主成员载波(Primary Component Carrier, PCC)和辅成员载波(Secondary Component Carrier，SCC)两种类型的载波，分别对应主小区和辅小区的载波[12]。标准支持的CA载波聚合类型有频带内连续、非连续载波Intra-Band和频带间载波Inter-Band[13]，并要求连续Intra-band CA中心频点间隔要满足300 kHz的整数倍。

CA UE的SCell共有三种状态：SCell配置未激活、SCell配置并激活、SCell未配置。当UE成功完成RRC连接建立过程时，只有PCell被配置。为了最大化地利用多载波，减少终端功耗，LTE-A 引入了额外的步骤，包括SCell添加/移除、SCell激活/去激活等，这些步骤根据UE业务量数据量大小、信道质量信息等通过RRC连接重配置消息RRCConnectionReconfiguration实现。

1)3GPP列出载波聚合5种部署场景，必须指出，CA是UE级的特性，在R10中，只适用于当多个小区具有重叠覆盖且属于同一eNodeB下，由于同一个基站下所有的载波处于同步状态，故同一时刻的子帧具有相同的系统帧号与子帧号，配置了CA的UE在所有的服务小区内使用相同的小区无线网络临时标识C-RNTI，故在监测仪表中通过UE的载波信息和RNTI信息可判定其载波聚合信息。其中，载波的判定，可以根据物理信道ID 实现，RNTI信息由基带板提供。LTE-A空口监测分析仪中载波聚合模块在层二处理板中实现，主要功能是对射频和基带板卡扫描并存储的信息进行MAC层聚合，把独立发送的MAC PDU聚合为一个流，形成聚合数据流，送往 RLC 及 PDCP 子层进行解析。MAC层聚合的数据来自共享信道，其他信道的数据还是独立的，L2板多用户情况下用户载波聚合数据的MAC层汇聚解析过程包括以下4步，如图4所示。

图3 载波聚合下的L2上下行结构 Fig. 3 L2 uplink and downlink architecture under carrier aggregation

图4 载波聚合下MAC层数据汇聚过程 Fig. 4 Data aggregation process under carrier aggregation in MAC layer

1)用户数据汇聚过程。

载波聚合情况下，数据系统帧号与子帧号相同，基带板并行扫描存储所有载波的同一时间点数据，并将不同用户的共享信道在同一个数据包中传输给层二处理板。

2)共享信道数据解析过程。

数据汇聚过程完成后，基带板输入接口把一个用户的所有载波数据组成一个数组，进行共享信道数据解析。此时，解析函数自行循环获取每个载波的数据，如果某个载波没有数据，则不作处理，继续获取下一个数据。

3)用户数据存储过程。

数据解析过程完成后，监测仪针对每个用户建立一个数据索引，用户缓存同一子帧内所有载波的共享信道数据。索引采用二维数组结构，针对共享信道，在非双流情况下，每个载波最多存在一个MAC PDU，在二维数组中指定每个载波数据的索引号，不同载波的数据处理并行进行，防止数据处理冲突的问题。

4)L2协议解析过程。

数据存储过程完成后，监测仪将调用L2解析函数按索引顺序处理获取的MAC PDU数据，此时不考虑不同载波数据的处理顺序。由于不同用户的数据不存在关联性，故采用用户间数据并行处理，而同一个用户的多个数据则串行处理，避免数据交叉，降低L2软件实现复杂度。

如图5所示为LTE-A空口监测分析仪中载波聚合下的用户存储结构，监测仪为每个小区创建一个用户节点数组，在其中存储用户小区无线网络临时标识(Cell Radio Network Temporary Identifier, C-RNTI)，其节点序号+1位置存储用户ID。同一仪表监控的所有小区中，用户ID从0开始统一编号。处于载波聚合状态的用户在聚合的小区配置相同的用户节点，通过用户ID实现载波聚合数据的合并。

用户ID的辅小区列表通过一个辅小区数组保存。辅小区索引数组为一个5成员数组，每个成员按序对应基带小区，其保存的数值为在载波聚合中的辅小区索引号scellIndex，在增加辅小区时赋值，释放辅小区时删除。针对图5中用户数据，包括载波聚合信息的用户有user0、user2和user9，相应的辅小区保存数组如图6所示，如user0聚合的小区包括scellIndex0和scellIndex1。

图5 LTE-A空口监测分析仪中载波聚合下的用户存储结构 Fig. 5 User storage structure under carrier aggregation in LTE-A air-interface analyzer

图6 载波聚合下用户辅小区索引数组 Fig. 6 User scellIndex array under carrier aggregation

如图7所示为载波聚合下用户节点管理流程，监测过程中，监测仪根据相应RRC消息选择对用户节点数组的操作。首先，判断RRC消息是否为RRCConnectionSetup，若是，将本用户存储在图4所示结构中，从0开始查找第一个未用的userID配置给该用户，并标识此userID已经使用，以方便下一个用户存储；否则，判断RRC消息是否为RRCConnectionRelease，若是，释放本用户释放RRC连接，在所有小区中删除对应的用户节点；否则，继续判断RRC消息是否为RRCConnectionRecofiguration，若是，判断消息中是否含有辅小区移除消息sCellToReleaseList，若是，根据消息中scellIndex查找对应的小区，删除对应的用户节点；否则，判断是否含有sCellToAddModList消息，若是，判断对应的小区已经存在相同的用户RNTI，若存在，在用户节点中添加载波信息，否则，在相应小区中创建用户节点。

3 LTE-A空口监测分析仪载波聚合实现

监测仪中工作状态下载波聚合监测流程包括以下步骤，如图8所示：

1)仪表开机后，在仪表的运行界面提供的选项中选择本次测试是否支持载波聚合，进行小区扫描。

2)当支持载波聚合时，选择一个载波开始监测，否则，选择需要监测的小区进入监测状态。

在载波聚合下，扫描获取的载波信息，可能不是来自同一个基站，如果同时监控多个支持载波聚合功能的基站，则需要监控的总的载波数量可能超过仪表性能，故选择一个载波开始监测。

3)监测RRC连接重配置消息消息，检测到辅小区添加消息后添加辅小区。

载波聚合消息包含在RRC连接重配置消息RRCconnectionReconfiguration中，包括辅小区移除消息sCellToReleaseList、辅小区添加消息sCellToAddModList等。在监控的载波中，解析出类似消息后，通过主控板配置L2板和基带板实现辅载波的监控。

4)进入多小区监测状态，调用L2解析函数，进行系统消息的解析。

系统信息分成MasterInformationBlock(MIB)和多个SystemInformationBlock(SIB)，MIB消息在广播信道(Physical Broadcast Channel，PBCH)上广播，SIB通过下行共享信道PDSCH的RRC消息下发。通过解析SIB消息可获得UE小区调度、无线资源配置、小区重选/切换等信息。

4 结语

LTE-A空口监测仪表的研发，是新技术新业务下通信网络发展的要求，拥有我国自主知识产权的LTE测试仪表，对打破以罗德施瓦茨、安捷伦为代表的仪表厂商对国内市场的垄断具有重要意义。现阶段，载波聚合技术作为通信网络传输速率发展中解决带宽障碍的关键技术，已经在国内投入使用，但是，空口测试类仪表尚未支持该功能，因此，本文提出了一种LTE-A空口监测仪设计方案，简要说明了其物理架构及逻辑架构，并提出一种空口监测分析仪中载波聚合技术实现方案，以及载波聚合下多用户管理方案，以满足运营商测试需求。方案可应用于运营商、网络监管部门等，通过方案的应用，加速载波聚合商用进展，利于通信网络建设和维护。

图7 用户节点管理流程 Fig. 7 User node management process

图8 载波聚合监测流程 Fig. 8 Carrier aggregation monitoring process

参考文献(References)

[1] 中华人民共和国工业和信息化部.2017年1-6月份通信业经济运行情况[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,孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京:人民邮电出版社,2010:431.(WANG Y M, SUN S H. TD-LTE Principles and System Design [M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2010: 431.)

[4] 华燕.TD-LTE关键技术及发展趋势探讨[J].中国新技术新产品,2011(15):3.(HUA Y. Discussion on TD-LTE key technology and development trend [J]. China New Technologies and Products, 2011(15):3.)

[5] 中华人民共和国科学技术部.新一代宽带无线移动通信网国家科技重大专项2013年度课题申报指南[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,姜红兰,杨智明,等. 基于DSP和FPGA的通用数字信号处理系统设计[J]. 国外电子测量技术,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] 李才齐,张治中,程方.LTE-A空口仪表RLC协议监测技术研究[J].电视技术,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] 纪钢. LTE载波聚合商用实践与研究[C]//天津市电视技术研究会2016年年会论文集.天津:天津市电视技术研究会,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] 章丽飞,陆巍.TD-LTE载波聚合组网研究[J].电信技术,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.