李才齐，张治中，程 方

(重庆邮电大学 通信网测试技术工程研究中心，重庆 400065)

LTE-A空口仪表RLC协议监测技术研究

李才齐，张治中，程 方

(重庆邮电大学 通信网测试技术工程研究中心，重庆 400065)

随着LTE网络的成熟和商业化，运营商迫切需要测量仪器进行LTE网络状况分析，基于此进行了LTE-A空口监测仪表的研发。为了满足LTE-A空口监测仪表中信令解码的相关需求，对LTE系统空中接口的RLC协议进行了深入分析和研究，并根据3GPP LTE R8标准给出了RLC层消息结构及解码算法。解码方案经测试取得了预期的效果，经改进可以应用到LTE-A空口监测仪表中，满足仪表解码需要。

LTE-A；RLC；空中接口；解码

随着国际范围的3GPP LTE技术的商用化，新型的无线网络分析和优化的仪表日益得到重视和发展。作为4G移动通信系统代表的LTE无线网络通信技术，将移动通信领域最近10年出现的多种先进技术融为一体，而其中的MIMO与OFDM技术的融合，是LTE技术中最重要的技术之一[1-2]。相比于3G网络，LTE的网络架构发生了很大的变化，它由演进后的接入网E-UTRAN和演进后的核心网EPC组成，并将核心网电路交换域取消，仅存在分组交换域。LTE网络的扁平化结构导致传统的信令采集点的消失，因此需要从Uu口采集空口信令。

LTE-A空中接口监测仪表对于运营商来说，可以在LTE网络的建设、测量、网络优化和网络维护中发挥重要作用。在网络建设初始阶段，LIE-A空口监测仪表可以帮助运营商进行协议一致性测试和验证工作，运营商也可以通过该仪表的帮助进行网络规划；在网络建成之后，可以将仪表用于网络优化，将其作为传统路测仪表的功能补充；仪表在LTE网络中，通过串接上下层协议，提供跨层智能关联分析功能，将其作为移动互联网业务支撑和分析工具。而仪表的这些分析功能是下层的解码结果为基础进行的扩展，本文的主要研究内容即LTE-A空口监测仪表中RLC层协议解码在ARM平台上的实现。

1 空口仪表硬件平台

RLC层解码的处理是放在协议板板卡的DSP中的，为更清楚地了解该层软件的运行环境，在此对LTE-A空口监测仪表的物理架构及协议板板卡进行简单的介绍。

1.1 仪表物理架构

如图1所示，LTE-Advanced空口协议监测仪表采用MAC层聚合的设计方式。多张L1层的“射频+基带板卡”通过PCIE 2.0 X1接口与L2、L3层的“协议板板卡”相连接，“协议板板卡”通过PCIE 2.0 X2接口与“核心板板卡”相连接，笔记本或平板PC通过有线/无线网络的方式访问LTE-Advanced空口协议监测仪表。

图1 LTE-Advanced空口协议监测仪表物理架构

空口仪表主要组件功能包括以下5部分：

1)射频+基带板板卡：采集射频数据，将射频的原始数据(IQ数据)恢复成比特流数据。通过NGFF接口存储原始数据，将比特流数据封装成PCIE 2.0协议帧，通过PCIE 2.0 X1接口将PCIE 2.0协议帧发送到“协议板板卡”进行处理。

2)协议板板卡：对LTE-Advanced的MAC层、RLC层、PDCP层进行协议关联和分析处理。

图2 LTE-Advanced协议栈处理流程(接收方向)

3)核心板板卡：系统的中央处理器，实现RRC层、NAS层等控制面的协议分析，实时跟踪监测多用户的业务建立、信令过程和数据流量，进行用户业务行为分析以及网络问题分析。

4)笔记本或平板PC：人机交换平台，通过Web等形式向用户展示分析、处理后的数据。

5)机箱背板：对PCIE 2.0接口进行关联。

LTE-Advanced空口协议监测

仪表的数据处理流程：首先，“射频+基带板卡”将天线接收的射频原始数据恢复成比特流数据，并将比特流数据封装成PCIE 2.0协议帧，送往机箱背板；其次，“协议板板卡”接收“机箱背板”传送来的PCIE 2.0协议帧，对PCIE 2.0协议帧进行解帧处理，并依据LTE-Advanced的协议栈体系结构形式，实现MAC层的载波调度、解复用，实现RLC层进行级联、ARQ处理和PDCP层的解密、头解压处理，将LTE-Advanced的比特流数据恢复成TCP/IP数据包，同时，将TCP/IP数据包封装成PCIE 2.0协议帧并送往“核心板板卡”；再次，“核心板板卡”接收“机箱背板”传送来的经过“协议板板卡”处理的PCIE 2.0协议帧，并对PCIE 2.0协议帧进行解帧处理，恢复成TCP/IP数据包，实时跟踪监测多用户的业务建立、信令过程和数据流量，进行用户业务行为和网络问题分析；最后，笔记本或平板PC通过有线或无线网络访问LTE-Advanced空口协议监测仪表，以网页等形式，向用户展示分析、处理的数据。

1.2 协议板板卡方案

对于协议板板卡的设计方案，由于不太需要考虑硬件协处理器的算法加速要求，因此采用DSP的硬件设计方案即可满足要求。DSP采用片上系统(SOPC)的设计思想，DDR3、FLASH、USB/串口都作为外围器件以供DSP的片上系统运行。DSP硬件设计中，由于协议板板卡不再需要考虑诸如Viterbi、Turbo等算法的硬件加速要求，因此选择T3300多核DSP作为设计方案。

在逻辑设计方案上，虽然每个协议层有自己独特的要求和特点(详情请参考LTE-Advanced协议标准)，但方案的核心设计思想是一致的，即从空口数据中恢复出TCP/IP数据包。接收端数据处理的基本流程如图2所示。

去除PHY层的CRC形成MAC PDU帧(即MAC头+MAC SDU)→去除MAC层的头部信息形成RLC PDU帧(即RLC头+RLC SDU)→去除RLC层的头部信息形成PDCP PDU帧(即PDCP头+PDCP SDU)→去除PDCP层的头部信息形成PDCP SDU帧→对PDCP SDU进行IP头解压形成IP数据包(即IP头+负载)。

2 空中接口RLC协议

LTE的网络架构与3G相比，发生了较大的变化，其接入网演进为扁平化结构，从而使得用户面和控制面时延更小。LTE在网络架构上的演进，导致了传统的信令采集点的消失，对LTE网络进行监测，只能通过用户同LTE基站的空中接口(即Uu接口)采集空口信令。

Uu接口协议承担各种无线承载业务的建立、配置和释放工作。Uu接口协议栈包括了三层两面，三层具体指网络层、数据链路层和物理层，两面包括用户面和控制面[3]。

图3是空口协议栈的基本结构图，可以看出物理层位于协议栈的最底层，物理层提供比特流传输的所有功能。数据链路层被分成3个子层：媒体接入控制(Medium Access Control，MAC)层、无线链路控制(Radio Link Control，RLC)层和分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)层。用户平面和控制平面中都包括了数据链路层：在用户面负责传输和加密用户业务数据，在控制面负责信令的传输、加密和完整性保护工作。位于接入网的控制平面的无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)层，即网络层，负责终端和接入网之间所有信令交互的处理以及对其他层的控制工作。

图3 空口协议栈

Uu接口控制面协议栈如图4所示，控制面协议栈主要负责控制和管理无线接口，包括物理层协议、PDCP/RLC/MAC各层协议和RRC协议。

图4 控制面协议栈

图5为用户面协议栈，包括了物理层协议和数据链路层各个协议(MAC、RLC、PDCP)，MAC子层通过传输信道从物理层获取相应的服务，RLC子层通过逻辑信道从MAC子层获取相应的服务。RLC层功能主要是对RLCSDU进行分段和级联，按照底层传输机会指示的大小，组成RLC PDU，以保证PDU的大小符合无线传输块的格式要求[4]。

图5 用户平面协议栈

协议栈中的RLC层位于PDCP层之下，MAC层之上，与MAC层之间通过逻辑信道进行连接，与PDCP层和RRC层之间通过SAP(业务接入点)进行连接[5]。RLC层数据格式可以通过RRC层进行配置，对等实体间可以通过底层进行RLC PDU的传输，发送端可以接收来自高层的RLC SDU，接收端可以向高层发送重组后的RLC SDU。

如图6所示，RLC层有3种传输方式：透明模式(TM)、非确认模式(UM)、确认模式(AM)。与之相对的，RLC层的实体包括RLC TM实体，RLC UM实体，RLC AM实体。其中RLC TM实体和RLC UM 实体又分为发送实体和接收实体，这两个实体独立负责收发数据。而RLC AM实体与前面两个实体有所不同，ARQ机制的引入使得发送实体和接收实体之间存在信息的交互，因此需要在同一个实体中进行发送和接收。

在3种不同的模式下，RLC实体的功能不同，将其概括如下。

1)RLC TM实体

RLC TM模式主要用于不需要RLC配置的RRC消息，可以通过BCCH、DL/UL CCCH、PCCH信道进行RLC SDU的传输。RLC TM发送实体不对RLC SDU进行串联、分段等工作，发送实体对RLC SDU不做任何改动，向下层发送，不添加RLC头。RLC TM接收实体对收到的RLC SDU不做任何修改，将收到的数据包直接发送到上层实体。

2)RLC UM实体

RLC UM实体通过DL/UL DTCH信道进行RLC SDU的传输，适用于延时敏感和容忍差错的实时应用，主要完成的是RLC SDU分块、串联、重排序、重复检测、重组等功能。

RLC UM发送实体在获得特定的发送机会时，要根据MAC层指示期待的RLC PDU大小进行分段或者串接RLC SDU，使得新生成的RLC PDU大小能够适应MAC层指示的PDU大小，并添加相应的RLC头后，将RLC PDU向下层发送。RLC UM接收实体检测收到的UMD PDU是否重复，重复则丢弃该PDU，若没有重复，则重排失序的UMD PDU。同时接收实体也能够检测出UMD PDU在MAC是否丢失，避免过长的重排序时延。若发现某RLC SDU的UMD PDU丢失，则丢弃其他同RLC SDU 的PDU。

3)RLC AM实体

图6 RLC子层模型

RLC AM实体适用于错误敏感、时延容忍的非实时应用，通过DL/UL DCCH/DTCH信道进行RLC SDU的传输。 RLC AM实体主要完成数据PDU分段、串接、重传、再分块、轮询、状态报告、状态禁止等工作。

RLC AM发送实体在获得特定的发送机会时，要根据MAC层指示期待的RLC PDU大小进行分段或者串接RLC SDU，若PDU大小大于MAC层传输机会指示的PDU大小，则对PDU进行分段以适应MAC层传输机会指定的PDU大小；反之，则对PDU进行串接。若收到需要重传的PDU，对PDU重传时可以进行再分段，重传的PDU再分段后变成AMD PDU段，分段方式同上。分段后添加相应的RLC头，然后发送给下层传输。

RLC AM接收实体接收到PDU后，检测收到的AMD PDU是否重复，重复则丢弃。若检测出AMD PDU在MAC层丢失，则请求重传。若PDU被乱序接收，则重排失序的AMD PDU，从重排的PDUs中重组出RLC SDU，并按序分发给上层。

3 RLC消息解码原理

图7 UMD PDU和AMD PDU格式

仪表在进行协议分析的时候，首先需要进行的就是协议的解析，与数据的封装过程相反，协议数据包的解析是封装的逆过程，将数据包按需要进行解析，并提取需要的参数用于分析。由于需要对消息进行实时处理，解码的性能就显得尤为重要。以前的研究中解码都是利用纯软件实现的，虽然实现起来相对容易，但处理的效率也不是本文中RLC层消息的解码将软件放在第1部分描述的硬件平台协议板卡T3300的ARM中进行，突破传统的纯软件设计方案的限制，可以大幅度提升消息处理性能。

此外，软件设计中也有许多因素会影响到消息解码的性能。1)RLC分段功能：分段过程中，要将上层发送给RLC层的RLC SDU按照MAC层发送机会指示的大小分割成大小合适的RLC PDU，由于数据流量大，这个过程中占用的缓存空间也比较大，解码过程中考虑使用动态分配的方式来处理，以充分利用内存。2)RLC重组功能：由于在接收端需要对收到的RLC PDU或RLC PDU段进行重排序，因此要维护一个重排序窗口并对窗口内PDU按照序列号升序进行排序，解码中主要依靠高效的排序算法来达到提升处理效率的目的。

RLC PDU的数据包具有多种格式，TM模式由于不具有RLC头，故解码也不需要对其进行处理。UM模式和AM模式PDU格式如图7所示。

在3GPP R8-R11版本中，R1是保留域，长度1 bit，发送实体置R1域为“0”，接收实体忽略此域。1)D/C为数据/控制域，长度为1 bit，若该域为0表示该PDU为控制PDU，若该域为1表示该PDU为数据PDU；2)RF为重分段标志域，长度1 bit，若该域为0表示该PDU为AMD PDU，若该域为1表示该PDU为AMD PDU段；3)P为轮询比特域，长度1 bit，若该域为1表示指示AM RLC实体的发送部分从它的对等AM RLC实体请求一个STATUS报告，若为0表示没有请求报告。4)FI表示成帧信息域，长度为2 bit，指示一个RLC SDU是否在数据域的开始部分，和/或数据域的末尾部分被分段。特别地，该FI域指明该数据域的第一个字节，是否对应RLC SDU的第一个字节，及该数据域的最后一字节是否对应RLC SDU的最后一个字节；5)E表示扩展比特域，长度为1 bit，若为0表示数据域从信息头固定部分之后八位组开始，若为1表示一个E域和LI域的集合从信息头固定部分之后的八位组开始；6)SN表示序列号域，对于AMD PDU，AMD PDU段和STATUS PDU，为10 bit，对UMD PDU，为5 bit或10 bit(可配通过RRC置)。该域指示相应的UMD或AMD PDU的序列号。对于一个AMD PDU段，其SN域指示构造该AMD PDU段的原始AMD PDU的序列号。对于每个UMD或AMD PDU，序列号逐增加1。

4 解码算法分析

本文中主要对UM和AM的解码算法进行分析，TM模式不含RLC头，解码比较简单，在此不作分析。UM模式和AM模式的解码算法流程如图8和图9所示。

图8 UM模式解码流程

图9 AM模式解码流程

UM模式解码，首先判断SN的长度，然后根据SN长度值进入相应的解码模块，通过指针偏移并按位与，取出包头中的FI、E、SN等字段值。判断E的值，若为0则解码结束，若为1则需继续进行扩展部分解码。扩展部分解码时，根据扩展部分E的值作为循环判断，若E为1则需继续进行包头解码，若E为0则跳出包头解码部分。将这些解析的结果保存在一个结构体里，输出解码结果，而剩下的数据部分放入缓存，等待可能的后续处理。

AM模式解码，指针首先指向第一个比特D/C，提取该字段的值，判断是数据PDU还是控制PDU。若为控制PDU，则指针按照控制PDU格式进行偏移，提取出相应的字段并保存。值得注意的是，控制PDU进行解码时由于长度的不确定性，需要反复判断字段值并进行循环解码。若为数据PDU，解码的方式类似UM模式解码。

5 结果验证

解码结果的验证采用逐一解析的方式，即通过协议对照，分析数据包的各个字段值，将该值与解码结果呈现的值进行对比，以验证解码结果的准确性，对比结果如表1所示。

现以一个UM模式SN为5 bit带扩展字段的数据PDU为例进行分析。在解码输入接口传入的数据PDU内容为“63 80 18 02 80 30 C8 23 15 51 79 4D 35 69 71 26”，解码输出端的结果为“FI=1，E=1，SN=3，E1=1，LI1=1，E2=1，LI2=2，E3=0，LI3=3，数据包内容=C8 23 15 51 79 4D 35 69 71 26”。根据协议中的数据PDU格式，将PDU内容转换为二进制数据流，第一个字节内容为01100011，不难得出LI字段值为01，即数据域第一个字节对应RLC SDU第一个字节，但最后一个字节不对应RLC SDU最后一个字节。E字段值为1，表示第一个8位组后面跟有一个E和LI域。SN字段的值为00011，表示该PDU序列号为3。第2和第3个字节内容为10000000 0001 1000，即第一个扩展字段E1为1，LI1为00000000 001，后面紧跟有一个扩展字段。按照上述步骤依次解析，得出结果“E2=1，LI2=2，E3=0，LI3=3”。后面的数据域由于数据较多进行了截取，只保留了一小部分。通过与解码结果比较，结果一致，证明解码结果正确。

表1 解码结果分析

模式数据协议分析结果解码结果正确性TMA50451B57716数据=A50451B57716Data=A50451B57716正确UM010451B57716C8231551FI=0，E=0，SN=1，数据=0451B57716C8231551FI=0，E=0，SN=1，Data=0451B57716C8231551正确UM638018028030C8231551794D35697126FI=1，E=1，SN=3，E1=1，LI1=1，E2=1，LI2=2，E3=0，LI3=3，数据包内容=C8231551794D35697126FI=1，E=1，SN=3，E1=1，LI1=1，E2=1，LI2=2，E3=0，LI3=3，Data=C8231551794D35697126正确AM8404C004159CAFD2936B4458C110002EDC=1，RF=0，P=0，FI=0，E=1，SN=8，E1=1，LI1=1024，E2=0，LI2=1045，数据包内容=9CAFD2936B4458C110002EDC=1，RF=0，P=0，FI=0，E=1，SN=8，E1=1，LI1=1024，E2=0，LI2=1045，Data=9CAFD2936B4458C110002E正确

6 结束语

未来几年内，随着运营商LTE网络建设的完善，LTE-A空口监测仪表将在网络的分析与优化中发挥重要作用。而空口协议的解码又是仪表分析数据的来源，RLC层信令解码是网络重传效率和协议关联分析的关键。本文对LTE-A空口检测仪表中RLC层信令解码原理进行了分析，并给出了解码流程，在协议板卡T3300芯片上，利用C语言编程将解码程序放入ARM内运行，准确地完成了解码工作，对LTE-A空口仪表的协议解码具有重要意义。

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李才齐(1990— )，硕士生，主研LTE空口监测技术、通信网测试技术；

张治中(1972— )，教授，博士生导师，主要研究方向为5G移动通信系统总体技术、通信网测试技术、宽带信息网络、NGN网络等；

程 方(1972— )，女，教授，硕士生导师，主要研究方向为TD-LTE、宽带信息网、泛在网、NGN等通信网测试方法与标准、信令监测技术。

责任编辑：许 盈

RLC Protocol Monitoring Technology in LTE-A Air Interface Instrument

LI Caiqi, ZHANG Zhizhong, CHENG Fang

(EngineeringResearchCenteronCommunicationNetworksTestingTechnology,ChongqingUniversityofPostandTelecommunications,Chongqing400065,China)

With the maturity and commercial of LTE networks, operators urgently needs measuring instrument to analyze the network status in LTE networks.In order to satisfy the requirement of signaling decoding in LTE-A air interface monitoring instrument,deep analysis and research for the RLC protocol on the air interface of LTE system are done, then the message structure and the decoding algorithm are given. The decoding program achieves the desired result, it can be applied in LTE-A air interface monitoring instrument after improving to meet the market demand.

LTE-A; RLC; air interface; decode

国家科技重大专项(2015ZX03001013)；重庆高校创新团队项目(KJTD201312)

TN929.5；TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.17.015

2015-05-26

【本文献信息】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).