LTE-Uu接口協(xié)議棧中ASN.1模塊的設計與應用*

李校林 ，文小強

（1.重慶信科設計有限公司，重慶 400065；2.重慶郵電大學，通信新技術應用研究所，重慶 400065）

1 引言

隨著移動通信技術的蓬勃發(fā)展，以及移動通信與寬帶無線接入技術的相互融合，3GPP開展了UTRA長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術的研究。與以往的TDSCDMA等3G移動通信系統(tǒng)相比，LTE能提供對各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С趾捅纫酝幸苿油ㄐ畔到y(tǒng)更高的數(shù)據(jù)傳輸率，這必然會加大用戶設備（UE）與eNodeB之間的信令交互。在3GPP制定的標準中，引入了使用UPER編碼規(guī)則的ASN.1語言來描述LTE-Uu接口協(xié)議棧信令消息[1]。ASN.1的數(shù)據(jù)類型可分為簡單類型和復合類型兩大類。簡單類型是通過直接規(guī)定一組該類型值而定義的不可分解的基本數(shù)據(jù)類型，包括 Null，Bool，Integer，Bit String，Octet String，Object Identifier等。復合類型是引用一個或多個其他類型構成的任意復雜的數(shù)據(jù)類型，這里的其他類型可以是簡單類型，也可以是復合類型。復合類型有Sequence，Choice，Set，Sequence of，Set of等[2]。 LTE-Uu 接口協(xié)議棧信令消息采用的均是緊湊而快的編碼方式，從而能獲得更高的通信效率。需要指出的是，ASN.1中數(shù)據(jù)類型的編碼，具體實現(xiàn)時必須嚴格按照X.691協(xié)議來完成。否則即使是編解碼過程中1 bit的差錯，也可能使整個LTE系統(tǒng)無法正常運行[3]。

文獻[4-7]討論了提出開發(fā)自動編譯器和新ASN.1運行庫等的解決方法，但這些都主要針對TD-SCDMA及其他協(xié)議標準，而且一方面LTE-Uu接口協(xié)議棧的大部分功能與TD-SCDMA等相比已經(jīng)有了很大的變化，另一方面信令消息隨著LTE協(xié)議版本的變化仍然在不斷改變。因此，筆者結合文獻[4-7]各自ASN.1方案具有的優(yōu)點，對LTE-Uu接口協(xié)議棧中ASN.1語言描述信令消息的編碼和解碼技術及在此基礎上的一致性測試應用做了探索性的研究。

2 LTE-Uu接口協(xié)議棧結構

在3GPP協(xié)議中，LTE-Uu接口協(xié)議棧從功能和任務上來看，分為物理層（L1）、數(shù)據(jù)鏈路層（L2）和無線資源控制層（L3）。數(shù)據(jù)鏈路層又分為媒介接入控制（Medium AccessControl，MAC）層、無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Date Convergence Protocol，PDCP）層[8]。

ASN.1編解碼模塊處于LTERRC層中信息的最關鍵部分，是LTE-Uu接口協(xié)議棧信息塊重組過程的核心之一[1]。L3 RRC層消息在發(fā)送端首先經(jīng)過ASN.1編解碼模塊的編碼，形成RRC的PDU模塊，再分別經(jīng)L2的PDCP，RLC層和MAC層處理后，經(jīng)L1物理層發(fā)送出去。在接收端，則需要進行發(fā)送端的逆過程，經(jīng)L1物理層接收后，經(jīng)過L2的MAC，RLC和PDCP層的處理，再送往L3 RRC層的ASN.1編解碼模塊進行信令消息的解碼，完成信令消息的解析。

其中，MAC層的主要任務是完成邏輯信道與傳輸信道之間的映射，因此發(fā)送端的MAC層實體需要通過對不同映射關系下的數(shù)據(jù)添加不同的MAC頭來區(qū)分不同類型的數(shù)據(jù)。接收端則需要根據(jù)不同的傳輸信道指示及數(shù)據(jù)格式去掉相應的MAC頭；RLC層的功能主要完成數(shù)據(jù)的分段、重組及確保數(shù)據(jù)的正確有序傳輸；PDCP層主要完成對信令消息的加密和完整性保護；最后是RRC層進行ASN.1消息編解碼的模塊化處理及解析。

3 ASN.1UPER編解碼模塊設計與實現(xiàn)

目前，國內(nèi)外通信軟件協(xié)議棧制造商對LTE中各個接口協(xié)議棧都十分重視。OSSNokalva和Trillium公司推出的軟件除了信令消息分析功能外，有的還具備部分協(xié)議模擬功能。雖然ASN.1編解碼部分在這些軟件中的形式各有千秋，但其達到的效果是完全一致的。ASN.1編解碼處理流程如圖1所示。

在對LTE-Uu接口協(xié)議棧的ASN.1編解碼模塊的設計中提出了軟件設計中模塊定義和代碼實現(xiàn)的方案，并給出了實際開發(fā)中遇到的某些困難的解決方法。要實現(xiàn)ASN.1編解碼模塊，需要：

1）將該協(xié)議棧中用ASN.1記法描述的消息（rrc.asn）編譯成C語言描述的源文件（rrc.h）；

2）生成ASN.1記法描述的消息（rrc.asn）中對應C數(shù)據(jù)結構的編解碼函數(shù)（rrc.c）。

圖1中的編譯是指將ASN.1記法描述的rrc.asn文件編譯成rrc.h文件以及與rrc.h對應的rrc.c文件。其中rrc.h文件用于聲明編譯之后生成的C數(shù)據(jù)類型和編解碼函數(shù)，rrc.c文件用于實現(xiàn)編解碼函數(shù)。這些編解碼函數(shù)再調(diào)用圖1中的ASN.1編解碼基本函數(shù)庫（Basic_asn.h，Basic_asn.c）實現(xiàn)編解碼功能。最后得到用于LTE-Uu接口協(xié)議棧的可執(zhí)行文件，從而完成從ASN.1描述到二進制比特流的轉(zhuǎn)換，使得其信息能在LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡中傳輸。

圖1的編譯過程比較繁雜，因為如果將TD-SCDMA空中接口的ASN.1消息手工翻譯成C文件則會多達數(shù)萬行，任務龐大。不過LTE RRC的ASN.1消息相對TD-SCDMA來說，簡化了很多。筆者通過剔除不必要的ASN.1類型并設計特定的數(shù)據(jù)結構，將LTE RRC的這些消息經(jīng)過ASN.1映射成C文件后，再加上其他一些優(yōu)化措施，將整個LTE RRC 消息的 C 文件（rrc.c，rrc.h）壓縮至 1～2Mbyte。

LTERRC消息編譯成C代碼文件后，還需進行編解碼函數(shù)庫的編寫。ASN.1模塊的比較核心部分就是編解碼函數(shù)庫，它包括ASN.1的各個數(shù)據(jù)類型所對應的編解碼函數(shù)，具體實現(xiàn)必須嚴格根據(jù)X.691協(xié)議中的UPER編碼規(guī)則來編寫。之后，再進行一系列的嚴格測試才能確定其正確性。最后完整的ASN.1編解碼函數(shù)庫的源代碼約為6 000行。

4 ASN.1編解碼模塊的測試與應用

由于LTE RRC的ASN.1消息中包含很多協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），不同的PDU下面又包含許多復雜結構。因此使用結構測試的方法對ASN.1編解碼模塊進行測試，同時通過觀察該模塊在一致性測試中的應用來進一步驗證ASN.1編解碼模塊的可靠性。

4.1 ASN.1模塊的結構測試

結構測試又稱為“白盒測試”或單元測試，它是基于軟件內(nèi)部結構進行測試的，其目的是通過執(zhí)行每條語句、遍歷程序的各個分支來檢查整個程序代碼的正確性。在測試的實現(xiàn)中采取了有步驟分層次的方法：先對簡單類型編解碼函數(shù)進行測試，然后對復雜類型編解碼函數(shù)進行測試。

為確保測試的準確性和可靠性，在復雜類型測試中采用了兩種方法：一種是采用手工對接口信令消息中包含RRC-Connection-Setup消息的DL-CCCH-Message進行賦值，先調(diào)用ASN.1編解碼模塊進行編碼，對于編碼后的結果再調(diào)用ASN.l編解碼模塊進行解碼。選取DL-CCCH-Mes-sage消息是因為這種類型消息包含了幾乎所有的ASN.1的數(shù)據(jù)類型，并且包含的復合結構比較多，具有很強的通用性。經(jīng)多次符合X.691標準的隨機賦值測試后發(fā)現(xiàn)，解碼后的結果與開始的賦值是完全一致的。

另外一種方式是結合OSSNokalva公司的OSSASN.1 GUI軟件對DL-CCCH-Message消息賦值，通過該軟件生成符合UPER編碼規(guī)則的比特流。先調(diào)用ASN.1編解碼模塊解碼，對解碼后的結果再調(diào)用ASN.1編解碼模塊進行編碼。最后將輸入的比特流和解碼后的比特流進行比較，看兩者是否一致。由于某些消息編碼后比特流比較龐大，因此改進的措施是將解碼之后的比特流輸出到文件，使用Ultra Compare Professional工具進行比較。

通過反復多次隨機取值的結構測試，各個PDU預輸入的比特流和編碼后比特流經(jīng)軟件比較仍然一致，這說明ASN.1編解碼模塊通過了結構測試。由于在實際的連接消息通信過程中，消息的各項參數(shù)值是很難預測的，所以僅通過結構測試是不夠的，還必須與一致性測試中ASN.1編解碼模塊應用結合起來。

4.2 ASN.1編解碼模塊的應用

對于LTE協(xié)議棧的開發(fā)測試而言，比較關心的是開發(fā)是否滿足標準，是否能與其他基于同一個協(xié)議標準的產(chǎn)品實現(xiàn)互通等問題。而協(xié)議一致性測試可以檢測所實現(xiàn)的協(xié)議實體與協(xié)議規(guī)范是否一致，是協(xié)議實體之間互操作性和性能保證的基本前提。在測試系統(tǒng)和被測實體之間通過發(fā)送、接收信令數(shù)據(jù)來完成協(xié)議一致性測試。

根據(jù)圖2所示過程在Telelogic TAU的TTCN Suite環(huán)境下設計一個測試例，此環(huán)境同時支持TTCN和ASN.1兩種語言。根據(jù)3GPPTS 36.331（RRC）協(xié)議的RRCConnection Establishment過程，使用TTCN和ASN.1語言在Telelogic TAU 4.0的TTCN Suite平臺中構造測試例、測試集，然后脫離工具平臺，完成與Windows系統(tǒng)集成[9]。

與Windows系統(tǒng)集成時具體使用VC6.0模擬出一個簡單的協(xié)議實體，被測實體ITU為UE，它發(fā)送一條RRC-Connection-Request后，便會等待eNodeB返回對應的響應消息RRC-Connection-Setup，UE接收到此條消息并進行相應配置成功后會回應消息RRC-Connection-Setup-Complete。測試系統(tǒng)模擬基站（eNodeB），通過執(zhí)行測試例發(fā)送或等待接收數(shù)據(jù)并比對得出測試結果。在進行協(xié)議一致性測試對LTE基本協(xié)議通信仿真的過程中，ASN.1編解碼模塊會取出其中包含RRC消息的數(shù)據(jù)流包，調(diào)用解碼函數(shù)進行解碼。如能正常解碼，再分析消息流程是否符合3GPP制定的標準流程，這樣從另一個角度驗證了ASN.1編解碼模塊的可靠性。

對測試系統(tǒng)和被測系統(tǒng)的通信端口IP等正確配置后，運行測試例，測試系統(tǒng)根據(jù)圖2所示的RRCConnection Establishment過程進行流程測試。將編碼后的請求消息RRC-Connection-Request發(fā)送給測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)收到并解析為正確的請求消息后會返回1條對應的響應消息RRC-Connection-Setup，被測系統(tǒng)接收到該消息后進行解析，并回應RRC-Connection-Setup-Complete，測試系統(tǒng)接收到該消息后進行解析，得出判決結果，如圖3所示。通過查看最后的判決結果，可以發(fā)現(xiàn)這與圖2實際的LTE基本協(xié)議通信中連接建立流程是一致的。由此可知，ASN.1編解碼模塊能夠準確解析接收到的數(shù)據(jù)，并且能準確地將描述的信息轉(zhuǎn)換成比特流的形式。因此，該方案是有效、可行的。

5 小結

ASN.1編解碼模塊在LTE-Uu接口協(xié)議棧中占有相當重要的地位，也是決定能否與LTE系統(tǒng)中其他模塊之間達到互通的基礎。通過結構測試和在一致性測試中的應用，文中所涉及的與ASN.1編解碼模塊相關的協(xié)議描述及實現(xiàn)方法、通信協(xié)議一致性測試都是有效、可行的。對于ASN.1的諸多應用領域而言，這些方法也具有一定的通用性。

[1]3GPP.TS 36.331 v.9.1.0，3rd generation partnership project； technical specification group radioaccessnetwork；evoloved universal terresitrial radio access （E-UTRA）； radio resource control （RRC） protocol specification.[S].2010.

[2]ITU-T Recommendation X.680，Abstract syntax notation（ASN.1）：specification of basic notation[S].2002.

[3]ITU-TRecommendation X.691，Information technology-ASN.1 encoding rules：specification of packed encoding rules （PER）[S].2002.

[4]李小文，王寧.TD-SCDMA系統(tǒng)中ASN.1編譯碼器的設計和實現(xiàn)[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2009，21（3）：358-361.

[5]趙曉華，鄧秀蘭，余厚金.T.38協(xié)議棧中ASN.1模塊的改進設計[J].電視技術，2004，28（3）：32－34.

[6]TRIVUNOVIC B D，POPOVIC M V， BASICEVIC I V， et al.A design and implementation of ASN.1 parser for H.323 protocol stack[C]//Proc.TELSIKS 2007.[S.l.]：IEEE Press，2007：60-63.

[7]LV Q，HUANG Benxiong，WANG Furong.Themechanism of ASN.1 encoding&decoding implementation in network protocols[C]//Proc.ITCC′03.[S.l.]：IEEE Press，2003： 622-626.

[8]3GPP TS 36.300 V9.2.0，Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA） and evolved universal terrestrial radio access network（E-UTRAN）； overall description； stage 2[S].2010.

[9]李小文，李貴勇，陳賢亮.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)、信令及實現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2003.