5G終端模擬系統(tǒng)隨機接入過程的設(shè)計與實現(xiàn)

徐方圓 張治中 李 晨

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)

0 引 言

傳統(tǒng)測試基站容量的方法是使用多個終端對基站進行呼叫，缺點是需要布置多個終端測試，成本高且十分復(fù)雜。而5G終端模擬器能同時模擬多個用戶的行為，在進行基站測試時，只需要放置幾臺終端模擬設(shè)備就可以代替大量的終端，這樣大大減少了測試基站容量的復(fù)雜性。在5G終端模擬系統(tǒng)中，隨機接入過程是一個至關(guān)重要的過程，只有經(jīng)過隨機接入過程后UE才能進行上行數(shù)據(jù)的傳輸。文獻[1]提出了NB-IOT系統(tǒng)的隨機接入過程的實現(xiàn)，主要針對物聯(lián)網(wǎng)中超低復(fù)雜性和低吞吐量來設(shè)計，具有窄帶隨機接入的特點。文獻[2]提出了基于TD-LTE系統(tǒng)的隨機接入過程的設(shè)計與實現(xiàn)，主要面向TD-LTE系統(tǒng)中終端的隨機接入，對用戶的接入速度和時延達不到5G低時延高速的標準要求。為了使多個用戶能夠獲得上行同步以及滿足時延標準，5G終端模擬系統(tǒng)中的隨機接入過程具有十分重要的作用。

1 基于線程池中隨機接入過程設(shè)計

為更好提高系統(tǒng)資源利用率和管理系統(tǒng)資源，設(shè)計出了線程池。在MAC層實現(xiàn)中，創(chuàng)建一個主進程，在主進程中創(chuàng)建任務(wù)管理線程、管理線程、監(jiān)控線程，以及一個任務(wù)池、空閑線程池、忙碌線程池。對線程池的動態(tài)調(diào)度和調(diào)整，由監(jiān)控線程負責。將MAC層中的消息事件封裝成任務(wù)并激活休眠，是任務(wù)管理線程的主要任務(wù)。管理線程主要負責從任務(wù)池中取任務(wù)以及從線程池中取線程，通過條件變量進行同步。監(jiān)控線程主要負責動態(tài)調(diào)整和調(diào)度線程池。任務(wù)池主要將任務(wù)封裝成任務(wù)對象?？臻e線程池主要是負責創(chuàng)建線程對象，忙碌線程池主要對與任務(wù)匹配的線程進行處理。當任務(wù)線程中的任務(wù)到達時，管理線程才會從休眠的狀態(tài)中被激活。

管理線程先將任務(wù)線程池中線程ID與空閑線程池中的線程ID賦值，然后將任務(wù)池中的函數(shù)指針放到線程池對象中進行匹配，最后將匹配到的任務(wù)放到相應(yīng)的空閑線程池中的線程中。

將空閑線程池中的線程添加到忙碌線程池中，在忙碌線程池中處理匹配的任務(wù)。主要思路如下：創(chuàng)建空閑線程池鏈表和忙碌線程池鏈表，在空閑線程池中創(chuàng)建8個用戶線程。此時監(jiān)控進程對空閑線程池中的線程進行判斷，如果創(chuàng)建的用戶線程大于空閑線程池線程總量的80%，則添加20%的空閑線程池線程總量。如果創(chuàng)建的用戶線程小于線程池線程總量的50%，則殺死多余20%空閑線程池線程總量。獲取用戶線程鏈表的頭結(jié)點，當?shù)谝粋€任務(wù)到達時，將空閑線程池中的第一個用戶線程節(jié)點取出，然后添加到忙碌線程池鏈表頭節(jié)點后面，并將此用戶線程節(jié)點的指針域置為空。當?shù)诙€任務(wù)到達時，將空閑線程池中的第二個用戶線程節(jié)點取出，添加到忙碌線程池鏈表的第一個節(jié)點后面，并將添加的第二個用戶線程節(jié)點的指針域置為空。以此類推，當8個用戶同時添加時，只需將空閑線程池中的8個線程添加到忙碌線程池中，由忙碌線程池來處理8個用戶的任務(wù)。最終，降低添加用戶線程的時間復(fù)雜度，從原來輪詢整個線程鏈表時的O(N)下降到O(1)，具體流程如圖1所示。

圖1 線程池設(shè)計

圖2 鏈表的設(shè)計

隨機接入消息所在的任務(wù)對象與空閑線程池中的任務(wù)對象，通過管理線程進行匹配。如果匹配成功，將空閑線程池中匹配成功的線程添加到忙碌線程池，并對隨機接入消息進行處理，通過原語發(fā)送到物理層。以隨機接入過程為例子，利用線程池的思想設(shè)計具體流程如圖3所示。

圖3 隨機接入過程設(shè)計

2 5G終端模擬系統(tǒng)隨機接入設(shè)計

隨機接入主要采用狀態(tài)分析法對各個交互接口進行分析。以原語的形式對接入狀態(tài)進行設(shè)計，5G終端模擬系統(tǒng)中UE的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

圖4 UE狀態(tài)分析

UE剛開機時處于空狀態(tài)NUL，UE的RRC層命令MAC層去測量周圍小區(qū)的功率和頻點。經(jīng)物理層測量后上報給RRC層，RRC層就會根據(jù)測量的值取平均最終得出小區(qū)駐留的結(jié)果。此時UE就會處于選擇態(tài)SEL。當小區(qū)駐留后，基站會不斷地廣播MIB消息，UE收到基站廣播的MIB消息后對其進行解析然后命令物理層接收SIB1消息。當物理層接收到SIB1消息并解析成功后，UE由選擇態(tài)SEL變成空閑態(tài)IDL。當UE需要接入到基站時就會從空閑態(tài)IDL變成接入態(tài)ACC，此時UE開始隨機接入。當隨機接入完成時，UE由接入態(tài)ACC變成連接態(tài)CON。當UE連接到小區(qū)時，如果想要斷開無線連接，UE會從連接態(tài)CON變成非激活態(tài)INA。當UE處于非激活態(tài)時，此時UE與核心網(wǎng)保持連接，但斷開了無線連接。本文主要研究UE從接入態(tài)ACC到連接態(tài)CON的過程。

原語是協(xié)議通信的一種形式，也是函數(shù)接口的一種表示方法，運用原語來描述協(xié)議棧之間的消息交互更加準確。當UE發(fā)起隨機接入時，原語設(shè)計如圖5所示。具體步驟如下：

圖5 UE原語設(shè)計

步驟1物理層在收到PHY_SSB_REQ后，開始SSB的測量，測量的過程中會不斷地向MAC層發(fā)送PHY_SSB_ACK，當收齊SSB后，MAC層選擇隨機接入前導(dǎo)和隨機接入資源，并將選擇的結(jié)果和其他參數(shù)通過原語PHY_RACH_REQ發(fā)給物理層。

步驟2物理層在收到隨機接入響應(yīng)后，組裝原語PHY_RACH_REC發(fā)給MAC，MAC收到該原語后，首先存儲消息中的退避值(無退避值則設(shè)為0)，然后根據(jù)消息中的RAPID是否與前導(dǎo)匹配來判斷隨機接入響應(yīng)是否接收成功，如果成功，則執(zhí)行定時提前命令以及保存上行授權(quán)信息，如果失敗且未達到前導(dǎo)最大發(fā)送次數(shù)，重新發(fā)起前導(dǎo)和資源選擇并重發(fā)。最后將接收成功或失敗(達到前導(dǎo)最大發(fā)送次數(shù))的結(jié)果通過原語MAC_ACC_IND發(fā)送給RRC層。

步驟3若隨機接入響應(yīng)接收成功，則RRC會將RRC連接建立請求通過原語MAC_RRC_SETUP發(fā)送至MAC層隊列來建立請求，然后開啟競爭解決定時器。

步驟4當物理層收到Msg4后，進行解碼，將解碼結(jié)果通過原語PHY_DL_ACK發(fā)送到MAC層，MAC層收到后停止競爭解決定時器，根據(jù)Msg4中攜帶的競爭解決標識或C-RNTI判斷競爭解決是否成功，若成功則組裝原語MAC_CCCH_IND上報給RRC，至此隨機接入過程完成。若不成功且未達到前導(dǎo)最大發(fā)送次數(shù)，則再次發(fā)送前導(dǎo)。如果競爭解決成功，則RRC會向MAC層發(fā)送原語MAC_CONNECT_REC，MAC層收到后保存參數(shù)，并發(fā)送PHY_CONNECT_REQ給物理層，之后MAC層跳到連接態(tài)。

3 測試和結(jié)果分析

測試的方案有很多，論文主要基于Linux平臺下進行模擬測試，最終生成測試日志log。然后將傳統(tǒng)用戶模擬與本文設(shè)計模擬的線程資源占用率進行對比。整個測試的形式是以消息的傳輸形式體現(xiàn)的。對于基于競爭的隨機接入測試時，首先，按照TS38.331協(xié)議標準配置隨機接入前導(dǎo)資源。其次，當發(fā)送Msg1后，UE開啟時間窗ra-ResponseWindow。在有效的時間窗內(nèi)，對收到的隨機接入響應(yīng)的數(shù)據(jù)包進行解析。最后對競爭解決進行測試，主要的判斷依據(jù)是能否接收到小區(qū)的信息，如果能說明競爭解決成功。

如圖6所示，按照TS38.331協(xié)議配置了發(fā)送前導(dǎo)碼的相關(guān)資源。如圖7可知，隨機接入響應(yīng)能成功解出ra_RNTI并且RAR中的RAPID的值與preamble id相等，說明隨機接入響應(yīng)成功。Msg3的發(fā)送數(shù)據(jù)如圖8所示。當發(fā)送Msg3時，終端側(cè)開啟競爭解決定時器并在定時器定時的范圍內(nèi)成功地接收了Msg4。Msg4的接收如圖9所示，最終UE建立了RRC連接并成功駐留主小區(qū)。

圖6 隨機接入資源選擇測試用例

圖7 RAR PDU解析

圖8 Msg3的發(fā)送數(shù)據(jù)

圖9 Msg4的接收

傳統(tǒng)模擬用戶在模擬過程中采用線程的結(jié)構(gòu)，其資源利用情況如圖10所示。本文設(shè)計的是5G終端模擬采用的是線程池架構(gòu)設(shè)計，其資源利用情況如圖11所示。結(jié)果表明，采用線程池架構(gòu)實現(xiàn)隨機接入過程的CPU占用率比傳統(tǒng)的使用線程的CPU占用率低30%左右。隨機接入過程中大大減少創(chuàng)建線程和銷毀線程的環(huán)節(jié)。故此方案設(shè)計更有利于資源的節(jié)省和提高資源利用效率。

圖10 采用普通線程系統(tǒng)的資源利用情況

圖11 采用線程池系統(tǒng)的資源利用情況

4 結(jié) 語

針對資源能耗的問題，文中首先提出了一種線程池的架構(gòu)對隨機接入過程進行設(shè)計，避免頻繁創(chuàng)建線程造成的資源浪費。然后根據(jù)UE的狀態(tài)，對UE隨機接入過程原語進行設(shè)計。最后，對5G終端模擬系統(tǒng)中UE的隨機接入過程進行測試，并對傳統(tǒng)用戶模擬與本文設(shè)計模擬的線程資源占用率進行對比。結(jié)果表明，采用本文設(shè)計的5G終端模擬系統(tǒng)隨機接入過程的資源利用率大大增加，減少線程不必要的資源損耗。