NB-IoT终端一致性测试模型设计

“智慧城市”专题NB-IoT终端一致性测试模型设计王晰1，李致远2（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）【摘 要】*主要介绍了NB-IoT终端一致性测试系统的测试模型，包括测试回环模式、系统测试模型和相应TTCN-3代码的设计。该设计作为NB-IoT终端一致性测试的一种特殊测试方法，有效灵活地实现了对终端芯片协议栈的测试。NB-IoT；终端一致性测试；测试回环模式；TTCN-3【关键词】doi:10.3969/.1006-1010.2018.05.002 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2018)05-0006-08引用格式：王晰,李致远. NB-IoT终端一致性测试模型设计[J]. 移动通信, 2018,42(5): of NB-IoT UE Conformance Testing Model

WANG Xi1, LI Zhiyuan2(1. Telecommunication Development Industry Alliance, Beijing 100191, China;2. Industry Development and Promotion Center, MIIT, Beijing 100846, China)[Abstract]

The testing model of NB-IoT UE conformance testing system is introduced. including testing loop mode, system

testing model and corresponding TTCN-3 code design. As a special testing method to test NB-IoT UE conformance,

the proposed design fl exibly achieves the test on protocol stack of UE.

[Key words]NB-IoT; UE conformance testing; test loop mode; TTCN-3

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。*基金项目：中华人民共和国科学技术部“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项“LTE-A Pro终端一致性TTCN测试集开发”（2017ZX03002002）收稿日期：2017-12-0762018年第5期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“智慧城市”专题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。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。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 mode G将下行ESM DATA

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，2018年第5期7Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“智慧城市”专题TTCN CODEConfig/ControlTTCN CODE

SRB1 DRB DRB

SRB1bisSRB1bisPDCP

RLCTMTM

Ciphering

Ciphering

DCCHDCCHRLC

AM

AM

MAC(transparent mode)DTCH

DTCH

MAC

PHY

PHY

Loopback above RLC in UE

Loopback above PDCP in UE

图1 MAC/RLC CP测试模型图2 PDCP测试模型CPSS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进行比对。SRB1bisSRB0发送给TTCNSRB1TTCN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。RRC/NAS Emulator

在RLC CP测试模型中，SS的L1和MAC层配置with NAS Integrity &CipheringTTCN CODE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DRBControl据，AS加密可选。UPSS的L1、MAC、RLC配置为正常模式，PDCP配置为透传模式。ROHC为正常模式，RLC层配置为透传模式Integrity（仅使用AMCiphering模式），TTCN将完全控制RLC层PDU的生成，SS3.3 RRC/NAS层测试模型PDCPRRC/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RLCCiphering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MACRLC 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。DCCHCCCHDCCHAMTMAMAM典型特性进行测试，所以测试模型中同时要考虑到CPDTCH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PDCP3.2 PDCP层测试模型PDCP测试模型如图2所示。PHYNB-IoT PDCP测试例要求终端支持UP模式，其测UE Operation in Normal Mode82018年第5期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

PHY“智慧城市”专题Loopback above RLC in UETTCN CODECPUPSRB1bisSRB0SRB1DRBControlRRC/NAS Emulator

with NAS Integrity &CipheringIntegrityCipheringROHCCipheringPDCPAMTMAMAMRLCDCCHCCCHDCCHDTCHMACPHYUE Operation in Normal Mode图3 RRC/NAS层测试模型层，启用AS加密和完整性保护。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）。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。type union NB_SystemRequest_Type {NB_CellConfigRequest_Type Cell,NB_CellAttenuationList_Type CellAttenuationList,NB_RadioBearerList_Type RadioBearerList,Null_Type EnquireTiming,NB_AS_Security_Type AS_Security,NB_PagingTrigger_Type Paging,NB_L1Mac_IndicationControl_Type

L1MacIndCtrl,NB_PDCP_CountReq_Type PdcpCount,NB_RLC_CountsReq_Type RlcCounts,NB_RA_NPDCCH_Order_Type NpdcchOrder};（2）NB_SYSIND：系统响应上报端口，负责上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2018年第5期9Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“智慧城市”专题报SS的PHY、MAC等协议层的特定的指示响应。type union NB_SystemIndication_Type {charstring Error,NB_RachPreamble_Type RachPreamble,NB_DPR_Type DPR,NB_HarqError_Type HarqError,HARQ_Type UL_HARQ};（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。type record NB_C_Plane_Request_Type {NB_RRC_MSG_Request_Type Rrc optional,NAS_MSG_RequestList_Type Nas optional};type record NB_C_Plane_Indication_Type {NB_RRC_MSG_Indication_Type Rrc optional,NAS_MSG_IndicationList_Type Nasoptional};（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。type record DRB_DataPerSubframe_DL_Type {integer SubframeOffset,HarqProcessAssignment_Type HarqProcess

optional,L2DataList_Type PduSduList};type record DRB_DataPerSubframe_UL_Type {L2DataList_Type PduSduList,integer NoOfTTIs};type union L2DataList_Type {MAC_PDUList_Type MacPdu,RLC_PDUList_Type RlcPdu,PDCP_PDUList_Type PdcpPdu,};};};PDCP_SDUList_Type PdcpSdu,RLC_SDUList_Type RlcSdu（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。type union NASEMU_NBIOT_NB_L2SDU_MSG

{bitstring Ccch,bitstring Dcch（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。type union NasCtrlRequest_Type {NAS_Security_Type Security,NAS_CountReq_Type NasCount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102018年第5期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“智慧城市”专题SYSTEM_CTRL_REQSYSTEM_INDSYSIND portSYSTEM_CTRL_CNFSYS portTest case (TTCN-3)NAS_CTRL_REQNAS_CTRL_CNFSRB_COMMON_INDSRB_COMMON_REQSRB portDRB_COMMON_INDDRB_COMMON_REQDRB portNASCTRL portNAS Emulation(TTCN-3)NAsCountSecurityNASSecurity(per UE)SRB2:SRB1:NASRRC onlyRRC+ NAS,onlyNAS onlyRRC/NAScodecSRB0:RRConlyRRC_PDU_REQ/RRC_PDU_INDSRB portRRC(below RRC)PDCPPDCP ConfigRRC Security (per RB)Control PlaneUser PlaneSRB2SRB1SRB0PDCPDRBCiphering/ROHCRLC ConfigRLCAMTMRLCAM/UM/TMDCCHL1MacIndCtrlDCCHCCCHDTCHMAC ConfigRB-MappingMACSystemIndicationC-RNTICcchDcchDtchConfigRachProcedureConfigBcchConfigCellConfigRequestSpsConfigLogical ChannelsLCID=2LCID=1LCID=0PagingTriggerPcchConfigStaticCellInfoPCCH

CTRLBCCH

CTRLRACH

CTRLCCCH/DCCH/DTCH

CTRLPhysicalLayerConfigDLPhysicalLayerConfigULReferencePowerPHYL1_TestModePdcchOrderEnquireTimingSystemIndicationCellAttenuationPBCH/PCFICH/PHICH/PDCCH/PDSCHPRACH/PUCCH/PUSCH图4 NB-IoT ASP测试接口

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。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。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，2018年第5期11Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“智慧城市”专题NB_L2_DATA_REQNBIOT L2 CP test case (TTCN-3)NB_L2_SDU_MSGNAS_CTRL_REQNB_SRB_COMMON_INDNB_SRB_COMMON_REQNB_SRB portSRB1/SRB1bis:RRC onlyRRC+ NAS,NAS onlyNAScodecL1/2 configuration forL2 CP test casesNB_SYSTEM portNB_L2_DATA_INDNAS_CTRL_CNFNASCTRL portNB_L2_DATA portNB_L2_SRB portNASCountSecurityNASSecurity(per UE)SRB0:RRConlyL2 SDU (bitstring)RRCcodecRRC PDUTest mode / normal moderouting

NAS Emulation (TTCN-3)System InterfaceNB_SYSTEM portL2TestMode (disabled | enabled)RLC Counts Get/SetNB_RLC_RbConfig (AM | TM)NB_MAC_TestModeConfig (None | Transparent)NB_L2_DATA portNB_RRC_PDU_REQ/NB_RRC_PDU_INDSRB portSRB portnormal modeRLCMACL2TestModeSystem Adaptor图5 L2 CP回环测试接口多种垂直行业，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NB-IoT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。[2] 3GPP TS 36.523-2. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA) and Evolved Packet Core (EPC);

User Equipment (UE) conformance specifi cation; Part 2:

Implementation Conformance Statement (ICS) proforma

specifi cation[S]. 2017.[3] 3GPP TS 36.523-3. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA) and Evolved Packet Core (EPC); User

Equipment (UE) conformance specifi cation; Part 3: Test

Suites[S]. 2017.

[4] 3GPP TS 36.509. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA) and Evolved Packet Core (EPC);

Special conformance testing functions for User Equipment

(UE)[S]. 2017.[5] 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC)

protocol specifi cation[S]. 2017.

[6] 3GPP TS 36.322. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA); Radio Link Control (RLC) protocol

参考文献：[1] 3GPP TS 36.523-1. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA) and Evolved Packet Core (EPC);

User Equipment (UE) conformance specifi cation; Part 1:

Protocol conformance specifi cation[S]. 2017.

122018年第5期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“智慧城市”专题specifi cation[S]. 2017.

[7] 3GPP TS 36.323. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol

(PDCP) specifi cation[S]. 2017.[8] 3GPP TS 36.331. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC);

Protocol specifi cation[S]. 2017.

[9] 3GPP TS 24.301. Technical Specification Group Core

Network and Terminals; Non-Access-Stratum (NAS)

protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3[S].

2017.[10] 3GPP TS 36.508. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA) and Evolved Packet Core (EPC);

Common test environments for User Equipment (UE)

conformance testing[S]. 2017. ★作者简介王晰：工程师，硕士，现任职于TD产业联盟，从事LTE/NB-IoT终端协议一致性测试和RRM一致性测试TTCN代码的开发、调试以及可执行测试套的应用研究工作，并多次赴法国ETSI MCC TF160工作组参与LTE的TTCN测试集代码开发及维护工作。李致远：工程师，硕士，现任职于工业和信息化部产业发展促进中心，从事终端协议、射频、RRM一致性测试，外场测试与TTCN代码研发和调试工作。（上接第5页）deployment study for low power wide area cellular

IoT[C]//IEEE International Symposium on Personal,

Indoor, and Mobile Radio Communications, 2016: 1-6.[2] 戴博,袁弋非,余媛芳. 窄带物联网（NB-IoT）标准与关键技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2016.[3] Hoglund A, Lin X, Liberg O, et al. Overview of 3GPP

Release 14 Enhanced NB-IoT[J]. IEEE Network,

2017,31(6): 16-22.[4] Li Y, Cheng X, Cao Y, et al. Smart Choice for the

Smart Grid: Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2017(99): 1.

[5] 程日涛,邓安达,孟繁丽,等. NB-IoT规划目标及规划思路初探[J]. 电信科学, 2016(S1): 137-143.

[6] 于宏毅. 无线移动自组织网[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2005.[7] 潘巍. 无线自组织网路由器MAC层和网络层设计[D]. 2009.[8] 姜晶,张宪,于云选,等. 基于MD5算法的物联网传输模块设计[J]. 传感器与微系统, 2017,36(7): 124-126.[9] 郭小波,李松涛,张德贤. 基于联合退避-功率感知机制的物联网节点信息防碰撞算法[J]. 计算机工程,

2017,43(6): 46-52.[10] 胡志伟,梁加红,陈凌,等. 移动自组网仿真技术研究综述[J]. 系统仿真学报, 2011(7): 1-6. ★范星宇：高级工程师，博士毕业于北京理工大学，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院物联网技术研发中心，从事物联网技术与应用研究、LTE无线网分析研究工作。马吉军：现任万向集团公司研究院智能制造总监、工业互联网产业联盟理事，从事信息物理系统共性技术验证实验室、智能制造示范试验线和工业互联网平台研发工作。作者简介田琦：工程师，硕士毕业于北京理工大学，现任中国信息通信研究院信息通信工程定额质监中心副主任，从事通信建设标准研究与通信建设市场管理工作。2018年第5期13Copyright©博看网 . All Rights Reserved.