NB-IoT终端一致性测试模型设计*

王晰，李致远

（1.TD产业联盟，北京 100191；2.工业和信息化部产业发展促进中心，北京 100846）

1 引言

3GPP在Release 13制定了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）标准来应对大规模物联网需求，支持低成本、低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。NB-IoT标准核心协议和性能规范分别于2016年6月和12月冻结。NB-IoT一致性测试规范的制订工作于2016年3月启动，计划在2017年12月份结束。NB-IoT作为一个专门为低功耗设计的独立RAT（Radio Access Technologies，无线接入技术），使用180 kHz上下行带宽接入网络，下行子载波间隔15 kHz，上行子载波间隔3.75 kHz或15 kHz。其协议栈各层功能都进行了简化和调整，目前不支持异系统间Inter-RAT的移动性功能。NB-IoT分为两种模式：CP模式（Control Plane CIoT EPS optimizations，CP优化）和UP模式（分为S1-U data transfer（S1-U模式）和User Plane CIoT EPS optimizations（UP优化））。其中CP模式是NB-IoT终端必选支持模式，UP模式是可选支持模式，User Plane CIoT EPS optimizations是在S1-U data transfer的基础上增加了Suspend-Resume功能。

由于CP模式是NB-IoT终端的必选方案，所以将NB-IoT终端一致性测试的默认测试环境设计为CP。CP和UP都支持的功能仅在CP进行测试，UP的功能在UP测试环境下单独进行测试。NB-IoT协议一致性测试例仍然沿用LTE测试例的设计思路，即采用对每个协议层单独测试的方法，以保障NB-IoT终端协议栈实现的正确性和完备性。NB-IoT协议一致性测试例流程发布于3GPP TS 36.523-1的第22章节，协议一致性TTCN测试例代码发布于3GPP TS 36.523-3的NBIOT子测试集中。

NB-IoT协议一致性测试系统沿用LTE系统架构，TTCN-3代码运行于Host PC上，控制SS（系统模拟器）的行为。对于RRC/NAS层协议一致性测试，TTCN模拟了SS RRC/NAS层和网络侧行为，SS使用正常功能的底层配置。对于MAC/RLC/PDCP层协议一致性测试，TTCN-3代码模拟被测试层的部分功能，SS可配置为透传模式，可以通过配置激活终端不同的数据回环模式（UE Test loop mode）使终端将收到的下行数据发回网络来完成测试。本文主要介绍了NB-IoT终端测试回环模式、系统测试模型和相应TTCN-3代码的设计。

2 NB-IoT终端测试回环模式

NB-IoT协议一致性测试过程中，很多测试例需要激活终端测试回环模式来配合测试以达到测试目的。目前，测试中需要NB-IoT终端支持的测试回环功能包括：UE Test loop mode A/B/G/H，定义于3GPP TS 36.509协议中。Mode A和B作为LTE R8版本就要求支持的测试模式，可用于NB-IoT UP测试例，终端将DRB收到的下行用户数据通过PDCP层进行数据的回环；新测试模式Mode G和H专门为NB-IoT CP测试例引入，但不局限于NB-IoT终端，可用于所有支持Control Plane CIoT EPS optimizations功能终端的测试。

UE test loop modeG将下行ESMD ATA TRANSPORT消息中的用户数据回环到上行，该用户数据可以通过UE EMM实体或者SRB RLC实体，放入上行ESM DATA TRANSPORT消息中或作为RLC SDU发送出去。UE test loop mode H将下行RP-DATA消息中包含SMS用户数据的TPDU回环到上行，该SMS用户数据可以通过UE SMR实体或者SRB RLC实体，放入上行TPDU中或作为RLC SDU发送出去。Mode G和H都可配置上行回环延迟和重复发送。当终端收到CLOSE UE TEST LOOP消息之后，第一次收到用户数据时触发启动延迟定时器计时。

四种测试回环模式利用测试消息进行配置：ACTIVATE TEST MODE/ACTIVATE TEST MODE COMPLETE激活测试模式、CLOSE UE TEST LOOP/CLOSE UE TEST LOOP COMPLETE关闭回环、OPEN UE TEST LOOP/OPEN UE TEST LOOP COMPLETE断开回环、DEACTIVATE TEST MODE/DEACTIVATE TEST MODE COMPLETE去激活测试模式。

3 NB-IoT终端一致性测试系统测试模型

TS36.523-1第22章定义的NB-IoT协议一致性测试例中，运行于CP模式下的包括22.1.1 General、22.2.x Idle、22.3.1.x MAC、22.3.2.x RLC、部分22.4.x RRC、22.5.x EMM NAS、部分22.6.x ESM NAS测试例；运行于UP模式下的包括22.3.3.x PDCP、部分22.4.x RRC、部分22.6.x ESM NAS测试例。依赖于不同测试例的具体要求，对系统模拟器SS和终端使用不同的配置。

3.1 MAC/RLC层CP测试模型

MAC/RLC CP测试模型如图1所示，配置终端使用UE Test loop mode G或H，将IE GH_RLC_SDU_loopback设置为true，即利用RLC回环的方式。此时UE仍然可以接收RRC和NAS消息，只是在收到下行ESM DATA TRANSPORT（UE test loop mode G）或CP DATA（UE test loop mode H）时提取用户数据，将其作为上行RLC SDU完成数据回环功能。

在MAC CP测试模型中，SS的L1配置为正常模式，RLC和MAC层配置为透传模式，TTCN将完全控制RLC和MAC层PDU的生成（包括Padding），SS仅负责MAC PDU的编码和解码。下行方面，承载用户数据的NAS消息ESM DATA TRANSPORT或CP DATA经过NAS安全保护和编码后，经由RRC消息DLInformationTransfer-NB编码、RLC层AM PDU编码和MAC PDU组装发送到SS的MAC层。上行方面，SS将其收到的、来自终端包含BSR上报和/或回环用户数据等内容的上行MAC PDU发送给TTCN进行比对。TTCN将负责NAS COUNT的维护、测试模式激活时RLC层变量VTS和VRR的获取/维护/回存。

图1 MAC/RLC CP测试模型

在RLC CP测试模型中，SS的L1和MAC层配置为正常模式，RLC层配置为透传模式（仅使用AM模式），TTCN将完全控制RLC层PDU的生成，SS仅负责RLC PDU的编码和解码。下行方面，承载用户数据的NAS消息ESM DATA TRANSPORT或CP DATA经过NAS安全保护和编码后，经由RRC消息DLInformationTransfer-NB编码、RLC层AM PDU组装发送到SS的RLC层。上行方面，SS将其收到的RLC PDU发送给TTCN进行比对。TTCN将负责NAS COUNT的维护、测试模式激活时RLC层变量VTS和VRR的获取/维护/回存。

3.2 PDCP层测试模型

PDCP测试模型如图2所示。

图2 PDCP测试模型

NB-IoT PDCP测试例要求终端支持UP模式，其测试模型与LTE PDCP层测试模型相似，配置终端使用UE Test loop mode A，回环PDCP层之上的用户域数据，AS加密可选。

SS的L1、MAC、RLC配置为正常模式，PDCP配置为透传模式。

3.3 RRC/NAS层测试模型

RRC/NAS测试模型如图3所示。

RRC/NAS层测试例对CP和UP两种模式下的各自典型特性进行测试，所以测试模型中同时要考虑到CP和UP两种情况。

UE：配置为正常模式，使用NAS加密和完整性保护，不配置ROHC。对于UP，使用PDCP和AS加密和完整性保护。

SS：L1、MAC、RLC配置为正常模式，完成完整协议栈功能。SRB0上下行端口位于RLC层。SRB1/SRB1bis端口位于并行测试层，分居RRC和NAS模块的两侧，启用NAS加密和完整性保护。对于UP，PDCP配置为正常模式，DRB上下行端口位于PDCP层，启用AS加密和完整性保护。

图3 RRC/NAS层测试模型

NAS模拟器为SRB1/SRB1bis提供了NAS消息的加密和完整性保护功能。上行方向SS将RRC消息（包含了已经通过安全保护和编码的NAS消息）上报到SRB1/SRB1bis的RRC端口，下行方向在完成NAS消息的加密和完整性保护之后，将承载了NAS消息的RRC消息通过SRB1/SRB1bis的RRC端口发送给SS。TTCN通过系统控制端口完成UL调度授权（Scheduling Grant）和DL调度分配（Scheduling Assignments）。

4 NB-IoT终端一致性TTCN-3接口设计

NB-IoT ASP测试接口如图4所示，沿用原有LTE的接口设计思路，在简化LTE接口的基础上，又进行了重新设计。主要接口包括：

（1）NB_SYSTEM：系统配置端口，负责配置SS的PHY、MAC、RLC、PDCP层参数，包括控制系统消息、小区功率、AS安全参数、L2测试模式设置、L1/L2响应获取和变量读写、小区建立删除等。

（2）NB_SYSIND：系统响应上报端口，负责上报SS的PHY、MAC等协议层的特定的指示响应。

（3）NB_SRB：信令收发端口，用于无线承载SRB0/1/1bis上的RRC消息和承载有NAS消息的RRC消息的发送和接收。

（4）L2_DATA：数据收发端口，用于控制L2数据的发送和接收，数据种类包括MAC PDU、RLC PDU、RLC SDU、PDCP PDU、PDCP SDU。

（5）NB_L2_SRB：与NAS Emulator连接的内部信令编解码端口，用于将下行NAS和RRC消息进行安全保护和编码的码流传送。

（6）NASCTRL：与NAS Emulator连接的内部控制端口，用于请求NAS安全和NAS COUNT信息。

对于CP模式，由于SS的MAC和RLC层可能配置为透传模式，允许TTCN控制其MAC和RLC层。这就要求嵌套的ESM DATA TRANSPORT或CP DATA消息、RRC DLInformationTransfer-NB消息需要包括NAS安全保护的完整编码。TTCN仍然使用NAS emulator处理NAS消息以避免透传模式与正常模式之间NAS COUNT的维护冲突。在L2测试模式（L2TestMode）下，NAS emulator完成下行消息的编码和加密之后，不再将该码流发送给SS，而是发送回TTCN组装L2 PDU，将使用L2_DATA端口取代SRB端口收发L2 PDUs，即不再有信令通过SRB端口传输，所有的L2上下行消息都将通过L2_DATA端口交换。TTCN需要对SRB1bis的RLC变量VTS/VRR做如下处理：在RLC层进入透传模式之前从SS获取变量值，测试模式激活过程中维护变量值以及在RLC恢复正常模式之后配置SS保存变量值。

使用新增接口L2_DATA替换原LTE中DRB接口，发送CP透传模式下在SRB1bis上的L2数据、UP模式下DRB上的L2数据；新增接口L2_SRB用于L2测试模式下，用来与NAS emulator交换携带用户数据的下行NAS和RRC消息加密和编码之后的码流。开启L2测试模式下，L2 CP回环测试接口如图5所示。

图4 NB-IoT ASP测试接口

5 结束语

截至2017年11月底，NB-IoT Release13终端一致性测试集共测试例75个，其中3GPP已通过认证60个，已接收验证申请4个；GCF共通过验证63个。2017年11月27号召开的3GPP RAN5第77次会议上，全面启动了NB-IoT Release 14的测试工作。

图5 L2 CP回环测试接口

2017年NB-IoT在全球范围内发展迅猛，全球各大运营商、网络设备厂商、终端/芯片/模组厂商都在积极投入部署NB-IoT的解决方案。NB-IoT应用范围将涉及多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业、智慧城市等。我国NB-IoT产业在各方面的强力支持下得到加速推进。工信部已经正式给中国移动、中国联通、中国电信三大运行商正式分配了NBIoT系统频率和新的物联网号段，并对NB-IoT的建设发展提出了任务要求：目标到2020年，基于NB-IoT的M2M（机器与机器）连接总数超过6亿。

NB-IoT协议一致性测试例和TTCN-3标准测试集的发布，推动了测试仪表平台的完善，保障了NB-IoT终端/芯片/模组的产品性能，为我国乃至全球NB-IoT产业的爆发式发展起到了重要的支撑作用。

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