5G終端模擬器中信令分析技術的研究與實現(xiàn)

段 浴，曹龍漢 ，張治中，3，高尚蕾

1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065

2.重慶通信學院 控制工程重點實驗室，重慶 400035

3.重慶重郵匯測電子技術研究院有限公司，重慶 401121

1 引言

隨著移動通信網絡的迅速發(fā)展，2018年12月，國內三大運營商已獲得工信部關于5G試驗頻率的使用許可批復，標志著全國范圍的大規(guī)模5G試驗即將迅速展開。目前，我國主流廠商華為已經完成5G商用研發(fā)的第三階段測試，中興通訊、中國信科等也已完成了部分測試。2019年1月，隨著全國首個5G地鐵站在成都開通，5G試商用加速布局，這意味著5G時代即將來臨。

據IMT-2020（5G）推進組于2014年5月面向全球發(fā)布的《5G愿景與需求白皮書》描述，5G網絡的理論傳輸速度峰值可達每秒數十Gb，將數百倍于4G網絡傳輸速度[1]?，F(xiàn)有的增強型長期演進（Long Term Evolution-Advanced，LTE-A）空口監(jiān)測分析儀難以處理如此海量的移動數據，難以適應5G的網絡結構，不能滿足實際應用的需求[2]，迫切需要更高性能的測試工具[3]。美國和歐盟正在積極研發(fā)用于5G測試的模擬終端[4]，日本安立公司與韓國三星正在合作研發(fā)支持5G NR全協(xié)議棧連接性測試的5G終端模擬設備。目前，我國生產的大部分通信儀器儀表總體還屬于中低產品，同世界發(fā)達國家還存在著較大的差距，核心技術及相關專利等不足，高端的設備非常少[5]。因此研發(fā)具有自主創(chuàng)新知識產權的新型5G終端模擬儀器，可提升國內高端通信儀器設備研發(fā)能力，保證5G網絡建設和優(yōu)化，推動我國5G產業(yè)鏈的快速發(fā)展。

在5G終端模擬器中，信令分析技術是模擬終端信令分析系統(tǒng)的核心技術，通過對信令流程的分析，得出問題的具體位置，并利用數據特征解決通信中的問題。近年來，也有很多研究人員對此進行研究。張帆在GSM網絡信令解碼合成過程中，對用戶網絡信息進行關聯(lián)回填[6]。楊豐瑞等人在LTE網絡信令分析過程中，采用哈希算法完成業(yè)務呼叫/事務詳細記錄（Call/Transaction Detail Record，XDR）合成[7]。李雷等人在 LTEAdvanced網絡的Uu接口信令分析中，使用多協(xié)議關聯(lián)技術完成信令流程信息的關聯(lián)[8]。梁鵬等人在LTEAdvanced網絡中，提出一種基于用戶行為分析的信令分析算法（User Behavior Analysis Signaling Analysis Algorithm，UBA-SAA）[9]。然而上述方法只通過用戶數據信令流程和用戶業(yè)務數據流程關聯(lián)，并未考慮同一用戶的同一信令流程關聯(lián)消息，且只適用于傳統(tǒng)的LTE-A空口監(jiān)測儀分析。為此，本文將在5G終端模擬器信令分析過程中，結合傳統(tǒng)的LTE-A空口監(jiān)測儀分析中信令分析技術，提出一種以鏈地址法與哈希大頂堆相結合處理哈希沖突的改進信令分析算法，并設計了在該算法基礎上的新型信令分析系統(tǒng)架構，重點研究信令分析過程中的解碼合成與多協(xié)議關聯(lián)，實現(xiàn)信令分析系統(tǒng)中的信令精準監(jiān)測功能。測試結果表明，該信令分析技術能顯著提高信令分析系統(tǒng)模塊中信令分析性能，證明了該技術的可靠性。

2 信令分析系統(tǒng)整體結構

傳統(tǒng)的LTE-A網絡是以演進型UMTS全球地面無線接入網（Evolved Umts Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN）扁平化、演進核心網（Evolved Packet Core，EPC）集中化的結構，固定的網絡點到點（Point-to-Point，P2P）通信[10]。用戶面設備（User Equipment，UE）承載較多控制功能，控制面設備功能單一，功能模塊之間緊耦合，將導致信令監(jiān)測分析過程中網絡側數據采集效率較低，且解碼合成后XDR不能高效存儲。

結合LTE-A空口監(jiān)測分析儀中信令分析技術，通過引入5G網絡基于服務化系統(tǒng)結構（Service-Based Architecture，SBA），核心網（Next Generation Core，NGC）通過控制面和轉發(fā)面分離，簡化用戶面實現(xiàn)高效轉發(fā)，無線接入網（New Radio，NR）通過集中單元/分布單元（Centralized Unit/Distribution Unit，CU/DU）分離，實現(xiàn)無線資源集中協(xié)作和控制，實現(xiàn)網絡功能去緊耦合。根據3GPP及相關行業(yè)測試規(guī)范要求，5G終端模擬器中信令分析系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：L1L2子系統(tǒng)、L3解碼合成子系統(tǒng)、反查子系統(tǒng)。圖1是5G終端模擬器中信令分析系統(tǒng)框架。

圖1 5G終端模擬器中信令分析系統(tǒng)框架

L1、L2子系統(tǒng)功能主要是完成數據采集及解碼解密重組、L3解碼合成子系統(tǒng)功能是完成信令面與業(yè)務面解碼和合成出表、反查子系統(tǒng)功能是完成從客戶端獲取當前頁面需要顯示的消息解碼結果。

3 信令分析系統(tǒng)模塊設計

5G終端模擬器信令分析系統(tǒng)借鑒互聯(lián)網技術（Internet Technology，IT）領域微服務風格（Micro Service Style，MSS）的設計理念，在信令交流中引入“服務調用”，依據模塊化的設計思想，將網絡功能定義為多個可以相對獨立，可被靈活調用的服務模塊。信令分析具體步驟如下：

步驟1主要是基帶板從天線采集實時數據，作為同相正交（In-phase Quadrature，IQ）數據存儲到本地，并將L1的數據發(fā)送到層二板。

步驟2層二板將L1數據進行存儲，為關鍵性解密解碼做準備，在完成對MAC協(xié)議、RLC協(xié)議、PDCP協(xié)議的解析之后，輸出L2的數據到層三板。

步驟3層三板將L2數據進行存儲，完成RRC和NAS層的解碼合成及IP、應用用戶名協(xié)議解析。

步驟4將解碼結果按照信令消息的關鍵Key值進行多協(xié)議關聯(lián)，合成XDR并存放到數據庫中。

信令分析系統(tǒng)按功能可分為信令采集模塊、解碼合成模塊、多協(xié)議關聯(lián)模塊和合成出表與數據反查模塊四大模塊。

3.1 信令采集模塊

該模塊的功能主要是利用采集卡獲取無線端口用戶的信令數據，實現(xiàn)原始信令數據的采集。采用從信令鏈路上采集的信令消息，且將采集到的信令消息進行協(xié)議分析，并根據消息類型分為信令面數據和業(yè)務面數據，分別對應空口的控制平面和用戶平面。信令面數據主要包括承載在PDCP上的RRC和NAS協(xié)議以及系統(tǒng)信息塊（System Information Block，SIB）、主信息塊（Master Information Block，MIB）等UE與gNB之間用于維護控制消息傳輸的信令數據，業(yè)務面數據包括PDCP及其承載的IP協(xié)議等用戶數據，如表1所示。

表1 信令面與業(yè)務面數據

3.2 解碼合成模塊

信令采集模塊從層二板獲取L2數據，并根據消息類型將數據識別為信令面與業(yè)務面，分別對應空口的控制平面和用戶平面，分別發(fā)送到信令面無鎖隊列與業(yè)務面無鎖隊列的尾部，相應的解碼合成模塊從隊列頭部獲取數據，分別進行解碼合成。首先判斷L2數據是否為空，如果不為空就按協(xié)議類型解碼，若為空就結束解碼。根據不同類型的協(xié)議，調用不同的解碼器，調用對應解碼函數進行解碼。

信令面解碼主要包括對NAS及RRC協(xié)議的解碼，采用抽象語法標記（Abstract Syntax Notation One，ASN.1）標準定義格式，將協(xié)議以特定的格式存放在描述文本中，再用相應的編譯器把文件生成C++代碼，循環(huán)解碼至頂層數據。業(yè)務面解碼主要是對包括IP、TCP、HTTP、UDP、DNS、FTP等協(xié)議的用戶數據的解碼。各層協(xié)議都有對應的端口號指向上層協(xié)議，對各層協(xié)議進行循環(huán)解碼，直至解至頂層數據。具體解碼流程如圖2（a）所示。

協(xié)議合成是對各層協(xié)議按照協(xié)議類型，根據不同的合成信息去獲取用戶和信令具有相互關聯(lián)的信息，并將其組合形成完整的信令流程。協(xié)議合成包括Diameter、NAS、RRC等協(xié)議的合成信息。

首先，需要初始化合成模塊，獲取解碼數據，解碼的結果為L3數據，其中包含MsgId與CDR ID對應消息的字段，協(xié)議的流量統(tǒng)計信息以及存儲協(xié)議棧數據。此外，需要為每層協(xié)議定義各自的協(xié)議合成器，通過消息的關鍵信息Key值在哈希表中查找對應信令流程消息并判斷其是否存在，若存在則更新統(tǒng)計信息，若不存在則創(chuàng)建新的XDR。與此同時，進行超時檢查，若未超時則將相應Key值添加進去，當收到結束消息時，調用合成出表模塊將合成XDR和統(tǒng)計表發(fā)送到多協(xié)議關聯(lián)模塊進行關聯(lián)。具體合成流程如圖2（b）所示。

圖2 解碼合成流程

3.3 多協(xié)議關聯(lián)模塊

多協(xié)議關聯(lián)是指為了進行實時的關聯(lián)回填而去進行網絡用戶信息的自動關聯(lián)，通過查詢臨時的關鍵關聯(lián)信息Key值，然后借助監(jiān)測系得到真實的關鍵值合成完整的信令流程，并填入到XDR中[11]。

本系統(tǒng)是以小區(qū)無線網絡臨時標識（Cell Radio Network Temporary Identifier，C-RNTI）作為用戶標識，將同一用戶的同一信令流程中相關聯(lián)的消息組合在一起，形成完整的信令流程。按照協(xié)議類型合成協(xié)議事務詳細記錄，并提取協(xié)議類型、關聯(lián)主鍵及取值，UE標識（userID）、國際移動用戶識別碼（International Mobile Subscriber Identification Number，IMSIN）、用戶IP地址（UserIP）、事務開始時間（Runtime）、事務結束時間（Endtime）等用于關聯(lián)分析的關鍵信息，如表2所示。最后將相同用戶的信令面和業(yè)務面數據進行匹配關聯(lián)，打上多協(xié)議關聯(lián)標簽，進一步合成綜合XDR。多協(xié)議關聯(lián)流程如圖3所示。

表2 實驗中使用的UCI數據集

圖3 多協(xié)議關聯(lián)

3.4 合成出表與數據反查模塊

將同一用戶的關聯(lián)字段進行合成，合成后的XDR通過Socket接口發(fā)送到入庫程序，出表到數據庫中?？蛻舳艘榭唇Y果時，先向服務器請求消息統(tǒng)計信息，統(tǒng)計信息返回到客戶端。客戶端通過對服務發(fā)起請求，服務進程通過查找L2關鍵數據獲取概要信息，并返回給客戶端，用戶通過信令反查可查看多協(xié)議關聯(lián)后的合成信令流程。

4 算法設計

4.1 哈希信令分析算法

在傳統(tǒng)哈希信令分析算法（Hash Signaling Analysis Algorithm，HSAA）中，對信令的合成與多協(xié)議關聯(lián)會將信令的關鍵信息Key值映射到哈希表中。哈希函數又名散列函數（Hash Function）[12]，哈希表由于在數據查詢中查詢速度快且插入、刪除操作方便而被廣泛應用[13]。信令流程信息關聯(lián)合成XDR時，選取源IP、源端口號、目的IP、目的端口號作為Key值構建哈希函數，采用哈希算法利用信令消息關鍵Key值在哈希表中查找對應信令流程，完成相關信令流程關聯(lián)[14]。

用Hash索引的方式，索引值采用特定的Key值，不同的信令流程都有與其相對應Key值，綜合信令XDR合成過程中，用戶的Key值可能對應不同Value[15]。此時具有相同哈希地址的Key值就會產生沖突[16]，其哈希地址為p=H(Key)，當出現(xiàn)沖突時，就為產生沖突的地址H(Key)求一個地址序列：

其中，H(Key)為哈希函數，m為表長，di稱為增量序列。

HSAA算法在處理哈希沖突時一般用開放地址法，但是開放地址法容易產生數據堆積問題，當結點規(guī)模很大時會浪費很多空間，消耗內存較大，不適于大規(guī)模的數據存儲[17]；在插入時可能會出現(xiàn)多次沖突的現(xiàn)象[18]，且當刪除的元素是多個沖突元素中的一個時，需要再處理后面的元素，實現(xiàn)較復雜。

HSAA算法中，對信令關鍵消息Key值的Value出現(xiàn)概率是按直接插入法進行排序，但是直接插入法比較次數較多，時間復雜度較大，效率較低。

4.2 哈希大頂堆信令分析算法

在信令綜合流程中，HSAA算法在處理哈希沖突時效率不高，因此在改進信令分析算法中，用鏈地址法處理哈希表沖突。根據哈希Key值查找哈希表中Value，得到存在沖突的哈希表項指向鏈表的地址，將所有具有同一哈希地址的關鍵Key值，放在同一個同義詞鏈表中，用數組存放各個鏈表的頭指針。

在信令分析中，假設m為5的哈希函數關鍵值序列XK{K1,K2,K4,K5,K6,K9,K10,K11,…,Kn}，鏈地址法處理沖突時的哈希表如圖4所示。

圖4 鏈地址法處理沖突時的哈希表

在信令分析建立哈希表的過程中，在哈希表鏈地址法的基礎上，對信令消息的關鍵Key值進行排序，本文提出一種哈希大頂堆信令分析算法（Big Top Heapsort Hash Signaling Analysis Algorithm，BTH-HSAA）。將同一用戶信令消息具有相同Value的關鍵Key值，采用大頂堆排序的方法將關鍵字按Value出現(xiàn)的概率排序，按概率大小去決定處理沖突時鏈表中的位置，提高哈希地址沖突時的查找效率。

在信令分析中，假設信令消息關鍵字序列X(k,v){(k1,v1)，(k2,v2)，(k3,v3)，(k4,v4)，(k5,v5)，(k6,v6)，(k7,v7)，(k8,v8)}，信令消息關鍵Key值哈希大頂堆如圖5所示。

圖5 信令消息關鍵Key值哈希大頂堆

采用鏈地址法與大頂堆排序結合處理哈希沖突的BTH-HSAA算法流程如圖6，具體步驟如下：

步驟1初始化合成模塊，獲取解碼數據信令消息關鍵Key值。

步驟2選取用戶動態(tài)標識C-RNTI作為Key值構建哈希函數，根據哈希函數構建哈希表，將關鍵Key值映射到哈希表。

步驟3對信令關鍵消息Key值按其Value出現(xiàn)的概率利用大頂堆方法從大到小進行排序。

步驟4按Value值出現(xiàn)概率的大小去決定處理沖突時鏈表中Key值的位置，將概率較大的Key值放在哈希表中沖突較小的位置。

步驟5在哈希表中用鏈地址法去處理沖突，訪問哈希表記錄，通過消息的關鍵信息Key值在哈希表中查找對應信令流程消息，并判斷其是否存在。

步驟6若存在則更新統(tǒng)計信息，將同一用戶同一信令流程信息關聯(lián)合成，若不存在則創(chuàng)建新的XDR。

圖6 BTH-HSAA算法流程

4.3 算法分析

在信令分析的信令流程合成中，通過查找消息的關鍵信息Key值，判斷其在哈希表中對應信令流程消息去創(chuàng)建XDR，主要的操作就是對關鍵Key值的比較查詢，把查找過程中查找關鍵Key值查找成功時的平均比較次數稱作平均查找長度（Average Search Length，ASL），對n個元素的查找表，平均查找長度定義為：

其中，Pi為查找表中第i個數據元素的概率，Ci為查找到第i個數據元素時已經比較過的次數。

在信令消息合成中，在查找信令消息關鍵值的Value概率基礎上，將關鍵Key值映射到哈希表中一個位置來訪問記錄。見表3所示，HSAA算法處理哈希沖突時使用的是直接插入法排序，關鍵消息Key值比較次數較多，時間復雜度為O(n2)。而BTH-HSAA算法，處理哈希沖突時使用大頂堆排序，查找過程中比較次數大大減少，在最壞的情況下時間復雜度才為O(nlbn)。因此，查找耗時顯著減少，而且在BTH-HSAA算法中，處理哈希沖突時使用鏈地址法，鏈表中的結點是動態(tài)申請的，處理沖突簡單，且無堆積現(xiàn)象，平均查找長度較短，較開放地址法更加節(jié)省空間，且在鏈表首部插入結點，刪除結點也比較方便，只需調整指針而不需要對其他沖突元素作調整。因此對于BTH-HSAA算法，數據量越大相對耗時越少，從而提高數據處理的高效性和準確性，同時也提高了動態(tài)內存資源的重復利用。

圖7 測試過程及結果

表3 信令分析算法對比

5 測試結果與分析

5.1 測試結果

測試環(huán)境：Windows10操作系統(tǒng)，處理器為Inter?Core? i5-4460 CPU@3.20 GHz，安裝內存8.00 GB的平臺。

本文以Visual Studio 2017編譯器運行環(huán)境，測試程序使用C++語言編寫。測試過程中，以5G中TS38.331協(xié)議為基礎，利用信令消息中基站分配給UE的一個動態(tài)標識C-RNTI作為關鍵消息Key值。由于C-RNTI的取值范圍為003D～FFF3，因此在其范圍內隨機生成模擬數據源，通過賦值得到5 000個測試用例。部分數據測試如圖7所示，通過改進BTH-HSAA算法，例如在哈希表中查找信令流程消息的關鍵信息Key值“0x4d6”的對應Value，查找結果為“0x29a”，并判斷其存在，則更新統(tǒng)計信息，將同一用戶同一信令流程信息關聯(lián)合成。

5.2 性能分析

通過對以上測試用例進行測試，5 000個測試用例均成功測試通過。在測試過程中，通過Visual Studio 2017編譯器的診斷工具，如圖8所示，可以實時查看算法程序所用內存資源及耗時。

圖8 測試過程診斷

本文將BTH-HSAA算法測試結果與HSAA算法與UBA-SAA算法進行比較。如圖9所示，相對于HSAA與UBA-SAA，改進BTH-HSAA使用鏈地址法處理哈希沖突，無內存堆積，消耗內存平均降低61.83%和58.53%，實現(xiàn)了內存資源的動態(tài)重復利用，更加節(jié)省內存資源。

圖9 測試信令分析消耗內存對比

在測試結果中，如表4所示，測試數據500個、2 500個、5 000個時，HSAA 算法耗時 167.4 ms、393.1 ms、751.2 ms，UBA-SAA耗時163.7 ms、376.5 ms、616.5 ms，改進BTH-HSAA算法耗時154.9 ms、251.8 ms、333.5 ms，相對耗時平均降低45.85%和39.57%。相對于HSAA和UBA-SAA算法，新型架構下改進的BTH-HSAA算法所需時間顯著減少。如圖10所示，HSAA算法信令數據分析速率較低，而且當數據量逐漸增大時，信令數據分析速率還會略微下降；UBA-SAA算法速率有一定提升，但提升幅度不大；而改進BTH-HSAA算法的信令數據分析速率隨著數據量逐漸增大，能保持逐漸增高的信令分析速率。由此表明，在信令分析中該改進算法非常有效。

圖10 信令數據分析速率對比

6 結束語

針對5G終端模擬器中信令分析系統(tǒng)，本文設計了一種新型的信令分析系統(tǒng)架構，相對于傳統(tǒng)扁平化的LTE-A網絡，引入5G網絡服務化系統(tǒng)結構，依據模塊化設計思想，實現(xiàn)無線資源集中協(xié)作和控制，以及網絡功能去緊耦合。同時，在信令分析過程中，在對信令關聯(lián)合成XDR時，選取用戶動態(tài)標識C-RNTI作為信令消息關鍵Key值構建哈希函數，結合鏈地址法與哈希大頂堆排序的優(yōu)點，提出一種改進信令分析算法。測試結果表明，相對于傳統(tǒng)信令分析系統(tǒng)，新型架構下的改進算法耗時與消耗內存顯著減少，而且當數據量越大時，效果越明顯。表明該系統(tǒng)是有效的、可行的，對即將試商用的5G網絡的優(yōu)化、測試具有重要意義。

表4 信令分析算法耗時 ms