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摘要 为了更精确地完成TD-SCDMA测试仪中相关信令的解码测试工作，对TD-SCDMA系统的Uu接口RLC层信令在Iub接口实现的解码进行了深入分析和研究，给出了RLC层的信令消息结构和流程，提出了RLC解码的一种算法，并且应用到TD-SCDMA测试仪中，经调试并实际测试后，得到了预期的良好效果。经过再改进，完全可以满足市场需要。
0、引言
TD-SCDMA系统作为第三代移动通信系统的主流标准之一，受到了全球研究学者、移动通信运营厂商和广大用户的密切关注，具有广阔的发展前景[1]。TD-SCDMA于2000年5月在土耳其召开的国际电联2000年全会上被批准为国际电联的正式标准后，经过几年的发展，无论在形式上还是在实质上，都已在国际上被广大运营商、设备制造商所认可和接收。TD-SCDMA系统综合了4种多址方式：TDMA，FDMA，CDMA和SDMA，采用了6大关键技术：智能天线、联合检测、接力切换、上行同步及动态信道分配和软件无线电。通过这些技术[2-7]极大地降低了系统的干扰，扩大了系统的容量，提高了频谱的利用率，同时也节省了系统的成本开支。在中国，用TD-SCDMA标准组建第三代移动通信运营网的呼声更是越来越高。TD-SCDMA网络的大规模建设已经迫在眉睫。作为组网的重要支撑技术的测试仪的开发显得异常重要。
针对这种情况，重庆邮电大学在对TD-SCDMA技术充分研究的基础上，研制出了具有自主知识产权的TD-SCDMA移动通信网络测试仪，完善了TD-SCDMA产业链，并形成系列产品并推向市场。TD-SCDMA网络测试仪提供了强大的分析、统计和处理功能，支持UMTS R99，R4，R5等多种版本网络的信令及业务分析，提供协议解码、通用指标统计、呼损分析、呼叫追踪、多接口关联分析以及协议仿真测试等功能，是移动无线网、接入网及SS #7网络设备研发、网络组建、网络维护、网络优化、网络安全、运营决策及增值应用的实用工具。
1、Iub接口RLC层消息
TD-SCDMA系统中Node B和RNC（无线网络控制）的接口，即Iub接口[3]，用来传输RNC和Node-B之间的信令和无线接口的数据，它的协议栈是典型的三平面表示法[4]：无线网络层、传输网络层和物理层。无线网络层由控制平面的NBAP和用户平面的帧协议（FP）组成；传输网络层目前采用ATM传输；物理层可以使用E1\T1\STM-1等多种接口，目前常用的是E1和STM-1。Iub接口主要功能为：Iub传输资源管理、Node-B的管理与维护、系统信息管理、公共信道业务管理、专用信道业务管理、共享信道业务管理、定时与同步管理、数据传输等。Iub接口在网络中的位置相当于GSM中的Abis接口。在现行的第三代移动通信系统标准中，Iub接口没有象Iur接口和Iu接口一样做成完全开放的接口。
在协议祯（FP）[8]传输的RRC消息数据被添加了MAC头、RLC头，还有可能被分段或者串接等，因而对于信令数据而言，只有除去了MAC头、RLC头，并经过组装（有分段的情况）后才能成为完整的RRC层信令数据，进行解码或者进一步处理。由于其层次多，数据复杂，已成为测试仪开发中的一个难点。其中连接RRC（或者PDCP，BMC）和MAC层的RLC层的数据更是类别众多，结构多变，相当复杂。
RLC[9]层在MAC[10]之上，在RRC（或者PDCP层，BMC层）之下，进行相对独立的管理和控制。RLC子层所支持的功能如下[9]：①工程分段和重组，在发送端执行将不同长度的高层PDU分段，使之成为较小的RLC PDU，并在接收端进行重组，RLC单元的大小可以根据实际的传输格式集进行调整；②串接，当一个RLC SDU的内容不能填满一个RLC PDU时，下一个RLC SDU的第一段可能放在该RLC PDU中与前一个RLC SDU的最后一段连接在一起；③填充，当连接不适当且要发送的剩余数据不能填满一个完整的RLC PDU时，RLC PDU的剩余数据域将用填充比特填满；④用户数据传输，该功能用于在RLC业务用户之间的数据传输，RLC支持确认、非确认、透明的数据传输，QoS的设置控制用户数据的传输；⑤纠错，该功能与物理层采用编码等方式降低误码率不同，RLC子层的确认传输方式利用重传机制提供纠错功能，例如选择重发、返回N、停止等待自动重传请求；⑥高层PDU的顺序传递，在确认模式下进行数据传输时，该功能保证递交到RLC的高层PDU的发送顺序，若高层要求提供无顺序的传递服务，RLC将不使用该功能；⑦重复检测，该功能在接收端检测接收到的RLC PDU是否重复接收，确保送到高层的PDU只递交一次；⑧流量控制，该功能允许RLC接收端控制对等发送端RLC信息发送的速率；⑨序列号检查，该功能用于非确认传输模式，保证重组PDU的完整性并提供一个检测恶化的RLC SDU的机制，将抛弃恶化的RLC SDU；⑩协议错误检侧和恢复，该功能用于在RLC协议操作中检测错误并进行恢复；⑾加密，该功能阻止未经允许的数据用在RLC层的非透明模式中；⑿轮询，该功能用于RLC发送端请求RLC接收端回复一个状态报告；⒀状态传输，为了通知RLC发送端PDU是否接收到，一个RLC接收端将使用该功能传送一个状态报告；⒁SDU的抛弃，该功能允许RLC的发送端释放缓冲区中的一个RLC SDU；⒂暂停/继续功能，该功能用于暂停和继续数据的传输；⒃重建功能，该功能用于重建一个确认和非确认模式的RLC实体；⒄高层数据分段或连接成为固定长度的分组，第三代移动通信系统能够传输不同性质、不同速率的多种业务，而在物理层传输的数据包的长度是相对固定的，RLC层根据物理层的数据传输格式，将来自高层的大小不等的数据包（SDU）分段或连接成为固定长度的分组（RLC PDU）。
图1 RLC子层的总体模型
Fig 1 Overall model of RLC
RLC层消息利用透明模式（TM）、非确认模式（UM）和确认模式（AM）等3种数据传输方式，为不同类型的业务提供不同的传输通道。其中，AM传输方式以一套较复杂的机制提供数据的可靠传输，并且使高层可以通过对AM实体参数的不同配置，获得更高级别的QoS控制；非确认模式的RLC实体和透明模式的RLC实体即可作为发送RLC实体也可以作为接收RLC实体。发送RLC实体发送RLC PDUs，接收RLC实体接收RLC PDUs，而确认模式的RLC实体则由发送端发送RLC PDUs的AM实体和接收端接收RLC PDUs的AM实体组成。RLC子层的总体模型如图1所示。
2、RLC层消息解码关键原理
对于RLC层的解码，主要考虑下面几种功能对解码所具有的普遍性影响：①RLC层支持分段和重组功能，在发送端将根据RRC建立时候的传输格式集等的指示对高层PDU分段，使之成为较小的PDU，并在接收端重组、解码时考虑到一条逻辑信道中的传输数据是在一个高层PDU依次传输，而需要对其重组；②RLC层支持串接功能，当一个RLC SDU的内容不能填满一个RLC PDU时，下一个RLC SDU的第一段可能放在该RLC PDU中，与前一个RLC SDU的最后一段连接在一起，解码时将依靠解出的LI（长度指示）的内容来具体分析串接数据的结构，并对其进行处理；③RLC具有填充功能，解码时也可以依据LI来做出判断处理。此外，其他功能造成的解码问题由于不具有普遍性，我们只是在解码中对具体问题具体分析。
RLC层为高层（RRC，PDCP，BMC）[11]提供的数据传输服务有3种模式：透明模式、非确认模式和确认模式。他们的传输的消息结构如图2所示。
图2 RLC PDU格式
Fix.2 RLC PDU format
图2给出了RLC PDU的3种传输模式中所包含的各个字段，这些字段都是解码程序模块设计及实际运行需要的，下面对部分关键的RLC头包含的字段做出如下解释[9]：①D/C字段，占用1 bit，对于数据PDU，D/C字段值为1；②SN字段，在UM PDU中占用7 bit，在AM PDU中占用12 bit，表示PDU传输的序列号；③HE，E字段，指示下一字段是要传输的数据还是RLC头中的长度指示，其中HE占用2 bit，E占用1 bit；④P字段，轮询比特；用于请求对等端发送状态报告，0表示不请求状态报告，1表示请求状态报告，占用1 bit；⑤LI字段，是长度指示字段[9]，该字段在解码函数模块中非常重要，其字段提取的正确性是解码能否成功的保证。
长度指示用来指示在PDU中每个RLC SDU结尾的最后一个八位组。除了保留专用目的的预定义值外，长度指示为：从RLC头的末尾直到一个RLC SDU片断最后一个八位组之间的八位组数目，包括在他们涉及的PDU中。长度指示大小为7 bit或者15 bit，其长度指示大小由上行和下行独立决定。对于UM和AM PDUs，长度指示值不能超过（PDU的值—RLC头）指示的值。涉及相同PDU的长度指示万一重发也不重新安排，和他们涉及的RLC SDUs有相同的顺序。
（1）对AM模式的长度指示。如果AM PDU大小模式≤126 octets，则用7 bit长度指示，否则使用15 bit长度指示。对于一个RLC实体，长度指示的大小总是和所有的AM PDUs相同。其他具体意义和UM模式相似。
（2）对于UM模式的长度指示。如果最大UM PDU大小模式≤125 octets，则使用7 bit长度指示，否则使用15 bit长度指示。在“最大UM PDU大小”模式中，长度指示的大小都和所有的UM PDUs相同。如果RLC SDU开始于RLC PDU的开头，并且RLC PDU在上行链路传输，而且在先前的RLC PDU中，指示的RLC SDU尾部恰好在最末端，或者是一个八比特组的“长度指示”（仅当15 bit长度指示被使用）不存在。此时，如果使用7 bit长度指示，长度指示值为111 1100；如果使用15 bit长度指示，值为111 1111 1111 1100。
（3）在下行链路的情况。①如果使用7 bit长度指示，接收端将会准备收到值为111 1100的长度指示；当值为111 1100的长度指示存在和当它不存在时，接收端会根据接收到的UMD PDU更新VR（US），如果VR（US）更新的步骤不等于1（例如一个或者多个UMD PDUs没收到），则丢弃拥有这个片断的SDU或者是在这个没收到的UMD PDUs中的指示到这个SDUs的尾端的长度指示。②如果使用15 bit的长度指示，接收端将准备接收到的值为111 1111 1111 1100的长度指示；当值为111 1111 1111 1100的长度指示存在和不存在的时候，接收端会根据接收到的UM PDU更新VR（US），如果VR（US）更新的步骤不等于1（例如一个或者多个UM PDUs没收到），则丢弃拥有这个片断的SDU，或者在这个没收到的UM PDUs中的指示到这个SDUs的尾端的长度指示。上述2种情况中，RLC SDU片断的末端恰好是PDU的末端，这就没有对RLC SDU的长度指示。③如果用7 bit长度指示，值为000 0000的长度指示将用在下一个PDU的第一个长度指示上。④如果用15 bit长度指示，值为000 0000 0000 0000的长度指示将用在下一个PDU的第一个长度指示上。这种情况，若一个PDU包含一个15 bit长度指示指示一个RLC SDU末端，而PDU只剩下一个八位组，则PDU最后一个八位组将由发送端填充，并由接收端忽略，没有长度指示指示这个额外的填充，并且PDU最后一个八位组不填充到下一个SDU数据的初始八位组。
在以上情况下，PDU中使用15 bit长度指示，一个RLC SDU的最后一个片断是一个刚好填充PDU的短八位组，即，①如果下一个PDU用15 bit长度指示，值为111 1111 1111 1011的长度指示将用在下一个PDU的第一个长度指示上，当前PDU的剩余一个八位组将被发送端填充，被接收端忽略，而且没有指示额外填充的长度指示；②如果下一个PDU使用7 bit的长度指示，RLC配置为UM模式，值为000 0000的长度指示将用在下个PDU的第一个长度指示上，并且传输前，它的序列号将会增加2。
如果RLC PDU使用7 bit的长度指示，在RLC PDU中最后一个RLC SDU的末端有一个或者多个填充八位组，则用PDU最后的值为111 1111的长度指示值来指示存在的填充。同样，如果RLC PDU使用15 bit长度指示，在RLC PDU中最后一个RLC SDU的末端由一个或者多个填充八位组，则用PDU最后的值为111 1111 1111 1111的长度指示值来指示存在的填充（注意：在长度指示指示的存在RLC PDU内含的填充后，填充的长度可以为0）。
如果长度指示在等待发送，而没有用到RLC SDU，一个由这个长度指示、适当填充长度指示和填充组成的RLC PDU将会被传输。
长度指示预定义值用来指示填充。长度指示为7 bit和15 bit情况的保留值在表1和表2中列出，仅有预定义长度指示值能指示填充空间，这些值仅用于其他对PDU的长度指示值之后。
表1 长度指示为7 bit情况的保留值
Tab.1 Retention value when LI denotes 7 bits
表2 长度指示为15 bit情况的保留值
Tab.2 Retention value when LI denotes 15 bits
状态PDUs能够在AMD PDU中使用部分或者全部填充空间被捎带。一个预定义长度指示值将用来指示捎带状态PDU，这个长度指示值代替了填充长度指示，捎带状态PDU直接附加在PDU数据之后。当只有部分填充空间被使用时，捎带状态PDU的尾端有一个SUFI域NO_MORE或者ACK指示，所以没有额外长度指示来显示这里还有填充。
如果配置了外在信令的SDU丢弃，则一个AMD PDU能包含最大数字为15的长度指示来指示对应的的15个PDU，AMD PDU剩余空间将填充或者是捎带状态PDU。不同的模式有不同的SDU传输结构，所以将根据模式的不同采用不同的解码方法如下。
（1）透明模式，在一个TTI中传输且仅传输一个上层SDU，且本层SUD传输时不添加RLC头结构，对于本层的SDU来说，它只是上层PDU的部分或者全部数据，因此方法比较简单，只需要将其在TTI中传输的数据按照传输顺序串接起来就可以形成一个完整的上层PDU数据，可直接供上层使用或者上层解码使用。
（2）非确认模式，发送端通过UM-SAP从高层接收SDU后，将根据UM参数指示进行SDU分段或者串接，然后添加RLC层控制信息头，进行传输。解码程序中将先解出RLC层控制信息头的信息，然后根据头信息中的LI等信息进行分析研究，对后面的PDU数据进行分段（如果传输时候有串接情况）和串接（如果传输时候有分段情况）处理。
（3）确认模式的数据PDU传输的情况，从解码的角度来看，其传输方法也和非确认模式类似（控制信息头稍有不同，解码时指针的移动大小稍不同；数据最后可能有捎带状态PDU，可对其采用确认模式的、控制PDU的解码方法），也可以采用确认模式的方法进行解码，确认模式的控制PDU解出PDU头信息后，采用循环的方法对若干个超域（SUFI）进行解码。
3、RLC层消息解码算法分析
我们主要对TM模式、UM模式、AM模式的解码算法进行分析，其各个算法流程如图3，图4，图5所示。
图3 RLC层TM消息解码算法流程图
Fig.3 Arithmetic for RLC TM decode
图4 RLC层UM消息解码算法流程图
Fig.4 Arithmetic for RLC UM decode
图5 RLC层AM消息解码算法流程图
Fig.5 Arithmetic for RLC AM decode
（1）对于TM模式传输的消息解码，其算法相对简单，解码时候只需要根据一个TTI指示的接口函数做出判断，将同一个TTI的消息片断按照接收次序组装起来，是一个完整上层消息，可送入上层解码。
（2）对于UM模式传输的消息解码，首先判断PDU的长度，然后指针从头开始，按照消息结构提出PDU消息头的各个特征片断（如SN，LI等）的数据，并用一个数据结构存储其值，同时指针根据特征片断的长度向后移动，消息头解码结束后，根据消息头中LI和指针的继续移动，对SDU或者SDU片断进行处理，分别进行组装或者提取后，形成完整的上层SDU送入上层。对于SUD片断，需要数据结构对其暂时存贮，我们可使用容器或者链表等进行处理。
（3）对于AM模式传输的消息解码，首先指针指向第一比特，判断是数据PDU还是控制PDU，如果是数据PDU，可参照UM模式解码算法，需要注意的是PDU的填充可能有捎带状态PDU，可将其数据提取出来，按照控制PDU的算法进行处理；如果是控制PDU，可使指针按照消息结构各个特征片断的长度进行移动，并解码，需要注意的是，控制PDU中的SUFI可能有多个，我们可使用循环处理的方法进行处理。
4、解码测试程序分析
测试程序使用Visual C++语言编写，在VC环境中经过编译、连接之后，执行程序就会出现如图6所示的对话框，提示选择所需解码模式。键入解码模式后，屏幕提示输入所需解码的PDU长度，输入数据采用16进制表示，最后，程序会提示输入代码的内容。
UM模式中没有长度指示的解码示例，程序运行结果如图7所示，输入的数据长度是0x04，内容是0x2a，0x78，0x98，0x22。
图6 输入代码
Fig.6 Input code
图7 无LI的解码结果
Fig.7 Decode result without LI
UM模式中有一个长度指示的解码示例，程序运行结果如图8所示，输入的数据长度是0x04，内容是0x03，0xf8，0x99，0x88。
图8 长度指示LI为0x7C的解码结果
Fig.8 Decode result with LI 0x7C
图8为LI是0x7c情况的解码示例，此情况可用于判断SDU第一个片断的开始。根据PDU的格式，序列号取前7 bit，即SN=(1)16=(1)10，扩展比特为下一比特，即E=(1)16而根据E比特的含义可知：当其为1时，下一字节为LI和E，因而程序进入有长度指示的解码部分。又因为本程序只涉及了LI为7 bit的情况，所以下7 bit为LI，即LI=(1111100)2=(7C)16=(124)10此时下一比特为0，即E=(0)16，表示下一字节为数据。
UM模式中有LI1和LI2 2个长度指示的解码示例，2个LI都为普通值的情况，输入长度为0x07，内容为0xed，0x05，0x06，0x44，0x55，0x66，0x77的代码，其运行结果如图9所示。
图9 LI1=0x02，LI2=0x03的解码结果
Fig.9 Decode result with LI1=0x02 and LI2=0x03
UM模式中有3个及其以上LI的解码示例，LI1-0x7c，LI2，LI3，LI4，LI5为普通值的情况，输入变量为0xed，0xf9，0x05，0x07，0x09，0x0c，0x11，0x22，0x33，0x44，0x55，0x66，长度为0x0c，其运行结果加图10所示。
图10 LI1=0x7c，LI1，LI2，LI3，LI4为普通值的解码结果
Fig. 10 Decode result with LI1 0x7c and other
利用测试程序还可以测试其他模式以及其他所有因为LI不同而形成的不同类型的PDU。经大规模测试，程序解码正确，算法合理。
5、结束语
RLC层信令的解码和组装是测试仪中通过Iub口测试Uu口消息信令的关键一步，它在MAC层解码基础上，将信令消息进一步解析并组装或者拆分，形成完整的上层消息，其中，根据解码后的RLC消息头进行信令消息的组装是其中的难点，我们经缜密思考做出上述解码算法，还使用Visual C++语言对RLC层消息解码部分进行了编程。该程序dll模块已经应用到“重庆邮电大学TD-SCDMA网络测试仪”中，测试其效果良好。目前已经准备再次改进，力争尽早达到TD-SCDMA市场应用的各种要求。
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作者：龚珏 雒江涛 张治中 来源：重庆邮电学院学报
