NR-Scope：一款实用的 5G 独立组网遥测工具

Haoran WanXuyang CaoAlexander MarderKyle Jamieson普林斯顿大学约翰斯·霍普金斯大学文章目录摘要CCS 概念关键词1 引言2 相关工作3 设计3.1 UE 关联跟踪3.1.1 小区搜索与参数获取3.1.2 用户标识符与参数发现3.2 网络遥测3.2.1 遥测信息提取3.2.2 RAN 容量估计摘要下一代NextG蜂窝网络旨在满足智能手机和移动设备之上及之外的各种应用对服务质量Quality of ServiceQoS的要求。然而由于无法洞察 5G 无线接入网Radio Access NetworkRAN的内部状态应用层和传输层设计者难以应对通往移动客户端的无线最后一跳所具有的不确定性与此同时5G 网络运营商大多运行封闭网络限制了蜂窝网络与更广泛的互联网及用户应用开展协同设计的可能性。本文提出 NR-Scope一种被动式、可渐进部署且可独立部署的 5G 独立组网StandaloneSA遥测系统。它能够把细粒度的 RAN 容量、时延和重传信息流式传送给应用服务器application servers使应用能够在毫秒尺度上对注入负载和码率offered load and bit rate adaptation自适应作出比现有端到端时延测量或端到端丢包测量更加精确的决策。我们在多种 5G SA 基站上进行的实验评估表明NR-Scope 对 RAN 中每个用户设备User EquipmentUE的吞吐量估计误差均可低于 0.1%。代码已发布于 https://github.com/PrincetonUniversity/NR-Scope。注“Offered load注入负载”。指应用当前试图注入网络的流量速率也就是应用“想发送多少数据”。它不等于实际吞吐量如果注入负载超过链路容量多出的数据会在缓冲区中排队、被限速或丢失。“Bit-rate adaptation码率自适应”。指应用根据网络状况主动调整媒体编码码率的过程例如降低视频分辨率、帧率或者提高压缩程度以减少生成和发送的数据量。二者的区别与联系。注入负载是网络面对的输入量码率自适应则是应用调节该输入量的一种控制机制二者并不等价。例如链路容量从10 M b p s 10\ \mathrm{Mbps}10Mbps降至4 M b p s 4\ \mathrm{Mbps}4Mbps时应用若仍尝试发送8 M b p s 8\ \mathrm{Mbps}8Mbps其注入负载就是8 M b p s 8\ \mathrm{Mbps}8Mbps会引起排队码率自适应可以把视频编码码率降至约3.5 M b p s 3.5\ \mathrm{Mbps}3.5Mbps。加上音频、协议头、控制报文和重传等流量后最终注入负载可能接近4 M b p s 4\ \mathrm{Mbps}4Mbps。因此原句的含义是NR-Scope 帮助应用更准确地决定应向网络注入多少流量以及应当如何调整媒体码率。CCS 概念网络 → 无线接入点、基站和基础设施。关键词5G 网络遥测无线网络网络测量。ACM 参考格式Haoran Wan, Xuyang Cao, Alexander Marder, and Kyle Jamieson. 2024. NR-Scope: A Practical 5G Standalone Telemetry Tool. In Proceedings of the 20th International Conference on emerging Networking EXperiments and Technologies (CoNEXT ’24), December 9–12, 2024, Los Angeles, CA, USA. ACM, New York, NY, USA, 8 pages. https://doi.org/10.1145/3680121.36978081 引言5G 独立组网5G Standalone5G SA正在成为占主导地位的蜂窝无线接入网技术截至 2023 年底它承载了 25% 的移动数据流量预计到 2029 年这一比例将增长到 76% [2]。借助 RAN 和移动核心网中的优化5G SA 能够提供比 4G 更高的吞吐量、更大的容量和更低的时延从而为下一代新型应用提供丰富的施展空间例如移动云游戏、远程手术以及路侧与车联网连接。然而由于用户移动、信道衰落、遮挡和干扰无线网络的端到端吞吐量具有很强的波动性。这种吞吐量变化给许多应用带来了性能挑战其范围从大批量数据传输所需的拥塞控制 [7, 10] 一直到交互式视频 [8, 14, 31]。测量 5G SA 网络吞吐量的一种自然方法是通过端到端连接发送探测报文但是RAN 中大量的缓冲和链路层重传§5.4[10, 16] 限制了端到端测量所能达到的分辨率。此外RAN 的封闭性也妨碍了应用与蜂窝网络的协同设计。上述问题促使我们设计一种遥测工具以精确估计吞吐量、信道状况和小区的总体带宽帮助网络应用和端到端传输协议的设计者克服这些障碍。本文提出 NR-Scope这是一种 RAN 遥测工具能够从 5G SA 网络中解码必要的无线资源控制Radio Resource ControlRRC消息和下行控制信息Downlink Control InformationDCI。这些信息使 NR-Scope 能够确定小区配置、与该小区相连的所有 UE 的流量模式以及每个 UE 的信道状况。NR-Scope 与 5G SA 网络保持紧密同步并在每个传输时间间隔Transmission Time IntervalTTI中解码 DCI5G 中一个 TTI 的长度可以是 1、0.5 或 0.25 ms。NR-Scope 还可以获得每个 TTI 内实际交付的比特数从而准确估计 RAN 中每个 UE 的吞吐量使开发者能够改善应用性能并更深入地理解 5G RAN。最终形成的是一种开放式设计它完全独立于 5G 网络运营商和 5G 移动设备运行。我们在通用软件无线电外设Universal Software Radio PeripheralUSRP软件定义无线电平台上实现了 NR-Scope并在不同的 5G SA RAN 上对其进行了评估srsRAN、Aether Onramp 5G、Amarisoft Callbox 5G 和 T-Mobile 小区。实验结果表明与真实值相比NR-Scope 对无线资源使用量的估计非常准确Onramp 上的吞吐量误差中位数为 1.01 kbpsAmarisoft 上为 0 kbps总体吞吐量估计误差平均为 0.9%。进一步的结果还表明NR-Scope 能够检测报文聚合、RAN 剩余容量、调制与编码速率以及重传从而将这些关键网络路径变化实时告知应用。注这四项指标分别描述 5G 无线传输中“数据如何装入传输块”“还有多少资源可用”“每份资源能承载多少数据”以及“传输失败后是否重发”。它们可以串联成如下过程基站首先分配无线资源并选择调制与编码方案根据二者计算传输块大小TBS再把一个或多个网络报文装入传输块并发送未分配的资源构成 RAN 剩余容量传输块解码失败则触发重传。报文聚合Packet Aggregation。指基站把多个较小的 IP、TCP 或 UDP 报文装入同一个 5G 传输块TB并在同一个传输时间间隔TTI内一起发送。例如三个大小分别为 1500、1500 和 1000 Byte 的报文可能被装入一个约 4000 Byte 的 TB。被聚合的报文在物理层几乎同时到达所以接收端可能先经历一段没有报文的时间随后又同时收到多个报文这并不一定表示链路带宽突然增大。NR-Scope 通过比较每个 TTI 的 TBS 与收到的报文大小估计一个 TB 中包含了多少报文。这里的报文聚合不同于 PDCCH/DCI 的“聚合级别”前者是多个用户数据报文共用一个 TB后者是一条 DCI 占用多少控制信道资源。RAN 剩余容量RAN Residual Capacity。指当前小区尚未使用、仍可继续分配的无线传输能力。例如一个 TTI 内共有 100 个资源元素RE已经分配 60 个则还有 40 个未使用的 RE。NR-Scope 可以进一步估算如果把这些 RE 分配给某台 UE该 UE 还能增加多少比特率。剩余 RE 数量不能直接等同于固定的剩余 Mbps因为不同 UE 的信道条件和 MCS 不同即使获得相同数量的 RE信道较好的 UE 也可能比信道较差的 UE 传输更多数据。因此RAN 剩余容量既取决于未使用的资源数量也取决于目标 UE 使用这些资源时的 MCS表示潜在可增加的吞吐量而不是当前已经实现的吞吐量。调制与编码方案Modulation and Coding SchemeMCS。原文所说的“调制与编码速率”主要由 MCS 表示。MCS 同时决定调制阶数Q m Q_mQm​和编码率R RR调制阶数决定每个无线符号能够携带多少比特编码率决定发送数据中有效信息与纠错冗余的比例。信道较差时基站通常选择 QPSK 和较低编码率等较低 MCS以牺牲容量换取可靠性信道较好时可以选择 64-QAM、256-QAM 和较高编码率等较高 MCS在相同 PRB/RE 上传输更多比特。简化来看可传输比特数与“资源数量× Q m × R × \times Q_m\times R\times×Qm​×R×MIMO 层数”相关。MCS 越高单位资源承载的数据通常越多但如果选择得过高而信道不足以支持也更容易解码失败。重传Retransmission。论文中的 NR-Scope 主要检测物理层/MAC 层的混合自动重传请求HARQ重传。gNB 发出一个 TB 后UE 若成功解码便返回 ACK基站随后发送新数据若解码失败UE 返回 NACK基站需要重新发送原来的 TB。重传会占用原本可以用于新数据的无线资源降低有效吞吐量并增加报文时延和抖动。NR-Scope 通过跟踪 DCI 中的harq_id和new_data_indicatorNDI判断某次发送是新数据还是旧 TB 的重传。四者的联系。信道变差时基站通常降低 MCS使相同数量的 PRB 只能形成更小的 TBS一个 TTI 能聚合并发送的报文随之减少应用数据更容易排队。如果基站在较差信道上仍使用过高 MCSTB 解码失败和 HARQ 重传会增加消耗更多无线资源进一步降低有效剩余容量。因此这四项遥测共同回答基站一次发送了多少报文、小区还能承载多少额外流量、每份资源能够可靠携带多少数据以及有多少资源被用于重新发送失败的数据。2 相关工作蜂窝网络遥测。现有大多数遥测工具都针对 4G LTE在 4G LTE 中控制信息没有被加扰因此这些工具无须解码随机接入信道decode the RACH processRandom Access ChannelRACH过程§3.1.2。这类工具无法自行验证已解码信息的正确性例如 FALCON [12]、LTESniffer [17] 和 NG-Scope [34]而 NR-Scope 可以做到这一点§5.2。LTeye [19] 无法处理多输入多输出Multiple-Input Multiple-OutputMIMOOWL [9] 则不支持载波聚合。相比之下NR-Scope 面向 5G SA而 5G SA 的控制信道和数据信道具有更高的可配置性。注这里并不是说用户数据需要通过 RACH 传输。NR-Scope 是独立的被动监听器需要跟踪 UE 的随机接入和 RRC 建立过程才能获得后续解码所需的身份标识与配置。C-RNTI 与 DCI。UE 专用 DCI 与 C-RNTI 绑定不知道 C-RNTINR-Scope 就无法判断控制信息属于哪台 UE也无法可靠解码其资源分配。RACH 提供的信息。UE 接入时通过 MSG 1–4 建立连接TC-RNTI 最终转为 C-RNTI并确定 CORESET、PDCCH 搜索空间和 DCI 格式等配置。NR-Scope 主要跟踪这一过程若错过接入只能等待 UE 重新连接或从其他途径获得配置。技术说明。加扰不是加密知道 C-RNTI 只能解码控制信息不能读取用户业务内容。原文对 4G 的表述有所简化LTE 也会使用 RNTI 保护 DCI但其控制信道结构较固定已有工具可通过盲解码恢复或验证 RNTI5G 配置更灵活因此 NR-Scope 选择跟踪 RACH 来自动发现 UE。现有 5G 控制信道与蜂窝遥测工具具有以下局限性5GSniffer [22]该工具开发了一种用于预测用户活动的 5G 控制信道解码器但存在以下局限需要预先提供详细的小区信息。用户必须提供非常详细的底层小区信息requires very detailed, low-level cell information from users例如 DCI 格式、控制信道在频域中的位置以及信道交织模式而普通用户很难获得这些信息。支持的网络配置有限。该工具只能工作在子载波间隔Subcarrier SpacingSCS为 15 kHz 的频分双工Frequency Division DuplexingFDD系统中商业部署通常采用其他子载波间隔和时分双工Time Division DuplexingTDD例如美国的 T-Mobile 5G SA。因此它难以直接用于许多实际商用 5G 网络。据我们所知目前没有任何现有开源遥测工具能够在不要求用户提供底层小区信息的情况下为 5G RAN 中的所有 UE 解码 5G SA 无线资源控制消息和下行控制信息。Keysight WaveJudge [18]、ThinkRF [4] 等面向 5G 的工业遥测工具是闭源的通常需要昂贵的专用硬件而且没有进一步与端到端互联网协议及应用集成后者正是本文关注的重点。在手机端On the handsetMobileInsight [20] 和 QXDM [3] 可以从单个 UE 的视角捕获蜂窝协议栈不同层次的多种遥测信息但很难据此推断其他用户以及整个小区的资源使用情况。网络研究社区仍然需要一种能够解码高度灵活的 5G 控制信道、支持设计新型 RAN 感知机制的开放工具NR-Scope 正是为了填补这一空白。蜂窝感知传输和 RAN 设计Cellular-aware transport and RAN designs。相关工作可分为以下两类蜂窝网络感知型传输与应用PBE-CC [35]仅适用于 4G。它利用 NG-Scope [34] 解码 RAN 控制信道、估计其容量并更新一种类似 BBR [10] 的吞吐量估计算法。ABC [15]为 IP 首部中的显式拥塞通知Explicit Congestion NotificationECN比特赋予了修改后的含义但并未实现蜂窝网络版本。CQIC [21]利用 QXDM 解码 LTE RAN 的信道质量指示符Channel Quality IndicatorCQI以估计用户的潜在吞吐量但没有提供完整的 RAN 遥测。piStream [32] 和 CLAW [33]分别利用从信号强度测量中得到的资源块来改善视频业务和网页浏览业务不过从它们的结果可以看出信号强度的预测能力有限。RAN 设计RadioSaber [11]利用物理信道信息在 4G 核心网内部进行更好的切片管理perform better slicing management因此需要修改核心网协议栈。共同局限与 NR-Scope 的定位上述工作都以 4G 为背景而 NR-Scope 则面向未来的传输协议和应用提供 5G SA 小区遥测信息。注蜂窝网络遥测与蜂窝网络感知型传输、RAN 设计是上下游关系。类别运行位置调整对象论文中的例子蜂窝网络感知型传输终端、服务器、传输层或应用层发送速率、拥塞窗口、视频码率等PBE-CC、CQIC、piStream、CLAWRAN 设计基站、核心网或运营商网络内部无线资源分配、调度、切片管理等RadioSaber具体例子。蜂窝网络感知型传输视频应用发现小区容量下降于是主动降低视频码率。RAN 设计网络发现某个切片负载过高于是重新分配无线资源。二者的关系。无线控制信号 → 遥测工具 → RAN 状态 → 传输、应用或 RAN 管理决策。NR-Scope 位于遥测层为后续的 5G RAN 感知型设计提供数据基础。3 设计NR-Scope 的总体目标是解码并解释 5G RAN 通过无线电波广播的细粒度遥测信息 DCI。DCI 还会告诉每个 UE 应当在 5G SA 物理数据信道的何处接收或发送数据因此也能反映下行和上行信道中实际存在多少数据。此外NR-Scope 会解码 gNB 向 UE 发送的全部未加密 RRC all the unencrypted RRC messagesRadio Resource Control消息先前的工具 [9, 34] 并不提供这些消息。借助这些消息我们可以获得完整的第 2 层和第 1 层小区配置例如每条 DCI 使用的 MIMO 层数、重传模式以及上下行传输的时隙分配。注这里的“完整的第 2 层和第 1 层小区配置”是指 NR-Scope 能够获得解释 DCI、无线资源分配和吞吐量所需的 PHY 与数据链路层配置并不表示获得整个协议栈的所有内部状态。层次主要职责论文关注的信息第 3 层RRC建立连接、广播系统信息、下发底层配置PDCCH、MIMO、HARQ、上下行时隙等配置第 2 层数据链路层数据分段、复用、调度和重传MAC 调度、HARQ 重传模式、传输块配置第 1 层PHY真正通过无线电波发送比特PRB、OFDM、MCS、MIMO、PDCCH/PDSCH、上下行时隙第 2 层的细分。MAC负责资源调度、数据复用和 HARQ 重传是本文最关注的第 2 层子层。RLC负责数据分段、重组和部分重传。PDCP负责首部压缩、加密和完整性保护。SDAP负责把 5G QoS 流映射到无线承载。论文的实际重点。RRC 是第 3 层控制协议负责下发第 1、2 层配置NR-Scope 主要利用其中的 PHY 和 MAC 配置来解释 DCI而不是分析 RLC、PDCP、SDAP 的全部运行状态。预备知识。RAN 将时间和频率划分为物理资源块Physical Resource BlockPRB。PRB 是大小相等的频率切片用于向基站传送信息或从基站接收信息基站也称为小区或 gNodeBgNB。时间被划分为时隙即 TTITTI 同时也是上下行传输切换的基本单位。每个时隙包含 14 个正交频分复用Orthogonal Frequency-Division MultiplexingOFDM符号。一个 PRB 与一个 OFDM 符号共同构成一个资源元素组Resource Element GroupREG也就是一个 TTI 内的最小调度单位。与 4G 不同5G 支持三种子载波间隔15 kHz与 4G 相同、30 kHz 和 60 kHz分别对应 1、0.5 和 0.25 ms 的 TTI。注论文把 REG 称为“一个 TTI 内的最小调度单位”是一种简化。严格来说应区分资源栅格、PDCCH 映射与 PDCCH 聚合三个层次单位组成关系在 PDCCH 中的作用RE1 个子载波 × 1 个 OFDM 符号物理资源栅格中最小的时频元素REG1 个 RB × 1 个 OFDM 符号即 12 个 REPDCCH 在 CORESET 中进行资源映射的基本组成单位CCE6 个 REGPDCCH 编码和聚合的基本单位PDCCH1、2、4、8 或 16 个 CCE承载一条 DCI 的完整物理下行控制信道准确理解。REG 虽然是 PDCCH 资源映射的基本组成单位但单独一个 REG 不能构成完整的 PDCCH。一条 PDCCH 最少使用 1 个 CCE即 6 个 REG因此若讨论一条 PDCCH 可占用的最小聚合单位应当是 CCE而不是 REG。参见 3GPP TS 38.211 §7.3.2。两个关键信道包含了所需信息物理下行控制信道Physical Downlink Control ChannelPDCCH承载从 gNB 发往 UE 的控制流量物理下行共享信道Physical Downlink Shared ChannelPDSCH承载从 gNB 发往 UE 的数据流量。PDCCH 中的 DCI 指向 PDSCH 或物理上行共享信道Physical Uplink Shared ChannelPUSCH中的 PRB其中既包含小区配置信息也包含网络流量信息network traffic。图 1 展示了存在下行或上行流量时 gNB 与 UE 的调度过程图中的编号表示执行顺序我们通过解码 PDCCH同时获得下行和上行调度信息。NR-Scope 对上下行 DCI即调度结果都只需解码下行控制信道因此 UE 的状态和上行信道状态不会影响这一过程。注原文中的containing both cell configuration information and network traffic修饰的是 PDSCH/PUSCH 中被分配的资源而不是说 DCI 本身承载这两类内容。DCI 的作用。PDCCH 中的 DCI 负责指出 PDSCH/PUSCH 使用哪些 PRB以及相应的 MCS、HARQ 等调度参数相当于告诉 UE“去哪里、以什么方式收发”。共享信道承载的内容。PDSCH/PUSCH 使用这些资源承载实际内容既可能是 RRC 等小区配置或控制面信令也可能是视频、网页等用户业务流量并非每次传输都会同时包含两类内容。其中小区配置主要由基站通过下行 PDSCH 发送PUSCH 则可承载 UE 的上行 RRC 信令和用户数据。术语说明。原文的network traffic指实际的用户业务流量而不是描述流量的元信息因此“用户业务流量”比“网络流量信息”更准确。图 1——5G SA RAN 中下行和上行流量调度概览。小区无线网络临时标识符Cell Radio Network Temporary IdentifierC-RNTI是 RAN 用来识别特定移动设备或 UE 的唯一标识符。小区通过 RACH 过程为 UE 分配 C-RNTI。在该过程中UE 与 gNB 交换信息从而在二者之间建立 RRC 会话 [28]。RRC 是一种第 3 层协议其主要功能包括建立和释放连接以及广播系统信息。3.1 UE 关联跟踪与 4G 不同5G DCI 使用由 C-RNTI 派生的序列进行加扰is scrambled with C-RNTI derived sequence不知道 C-RNTI就无法解码 DCI。因此我们通过跟踪 UE 的关联过程来获得 C-RNTI。UE 关联跟踪UE association tracking分为两个步骤1小区搜索和公共小区参数获取2用户标识符确定和 UE 专用参数获取如图 2 所示。图 2——NR-Scope 的 UE 关联跟踪过程黑色背景表示 NR-Scope 执行的步骤。注UE 关联跟踪之所以分为两个步骤是因为 UE 专用信息依赖公共小区信息才能被发现和解码。NR-Scope 没有基站或手机配合必须先像普通 UE 一样了解小区的公共规则再识别具体 UE。步骤 1小区搜索和公共参数获取。这一阶段回答“正在监听哪个小区以及公共控制信道和随机接入资源在哪里”。处理链路为PSS/SSS 完成时间、频率同步并识别小区 → 从 PBCH 中的 MIB 获得系统帧号和 CORESET 0 等初始配置 → 从 PDCCH 中的 DCI 找到承载 SIB 1 的 PDSCH → 从 SIB 1 获得 RACH 和公共 PDCCH 配置。SIB 1 会说明 MSG 1 的时频位置、RACH 子载波间隔和初始接入参数这些信息面向小区内所有 UE通常每个小区只需获取一次并持续跟踪变化。步骤 2用户标识符和 UE 专用参数获取。知道公共接入规则后NR-Scope 才能跟踪新 UE 的 RACH/RRC 建立过程MSG 1 随机接入前导码 → MSG 2 返回 TC-RNTI 和上行授权 → MSG 3 发送 RRC Setup Request → MSG 4 返回 RRC Setup。MSG 4 完成后TC-RNTI 转为 C-RNTI同时确定该 UE 的 CORESET、PDCCH 搜索空间、DCI 格式和聚合级别等专用配置每个新 UE 接入时都需要执行这一阶段。图 2 的阅读边界。MSG 1MSG 4 展示的是标准中的完整接入流程并不表示 NR-Scope 会逐条完整解码四条消息。论文实现重点检测调度 MSG 4 的 DCI并在需要时获取 MSG 4 中的 UE 专用配置。3.1.1 小区搜索与参数获取此步骤的目标是模仿 UE 发现 5G 小区并提取信道配置参数的过程这些参数描述了 UE 用于接入小区的信道结构§3.1.2。基站会周期性地通过主信息块Master Information BlockMIB广播自身的基本信息其中包括一个时间索引即系统帧号以及初始接入的配置参数。UE 利用 MIB 中的信息定位包含控制资源集Control Resource SetCORESET0 的 PRBCORESET 0 是 PDCCH 的一部分。CORESET 0 承载一条 DCI该 DCI 指向 PDSCH 中包含系统信息块System Information BlockSIB1 的 PRB如图 2 左下角所示。5G SA 小区会广播 UE 初始接入所需的信号因此本工具无须额外工作即可对其解码。需要指出的是在 5G 非独立组网Non-StandaloneNSA模式下这些信息不会被直接广播而是通过锚定的 LTE 小区加密提供在这种情况下NR-Scope 需要用户手动输入 5G 小区信息。SIB 1 承载小区的公共信息包括物理信道配置以及 UE 在下一节 §3.1.2 所述 RACH 处理中可能需要的全部信息。这些信息包括 RACH 过程使用的子载波间隔、RACH 中 MSG 1 的参数和时频位置以及 PDCCH 参数从而省去了盲目搜索 [12, 34]。注 1一个系统帧为 10 ms系统帧号的范围为 0–1024它为每个系统帧建立索引UE 在同步时也需要使用该编号。注 2在 3GPP 标准中公共配置Common configuration面向 RAN 中的所有 UE而专用配置Dedicated configuration仅面向接收到该消息的特定 UE。3.1.2 用户标识符与参数发现此步骤的目标是获得用户的 C-RNTI以及承载遥测信息的信道参数。由于 RACH 之后的所有 DCI 都会使用由 C-RNTI 派生的序列进行加扰NR-Scope 必须解码 RACH 过程才能获得 C-RNTI。gNB 与 UE 之间会交换四条消息如图 2 所示前导码传输Preamble TransmissionMSG 1、随机接入响应Random Access ResponseMSG 2、RRC 建立请求RRC Setup RequestMSG 3和 RRC 建立RRC SetupMSG 4。SIB 1 告诉 UE 应当在何时、何处向小区发送 MSG 1由此启动整个过程。MSG 4 包含移动通信和遥测所需的大部分 UE 专用信息尤其是 UE 的 PDCCH 配置。NR-Scope 只需要解码 MSG 4与 4G 相同 [5]MSG 4 的 DCI 明文之后附有一个由临时小区 RNTITemporary Cell RNTITC-RNTI加扰的 DCI 循环冗余校验Cyclic Redundancy CheckCRC。基于这一点我们可以分别取得 NR-Scope 根据接收到的 DCI 明文计算出的 CRC以及 NR-Scope 另行接收到的、经 C-RNTI 加扰并附加在 DCI 后的 CRC再对二者执行异或运算以计算 C-RNTI此前的 4G 嗅探器 [12, 34] 对接收到的每条 DCI 也采用这一方法。在 MSG 4 之后TC-RNTI 会提升为 C-RNTINR-Scope 因而能够取得该 UE 的 C-RNTI而无须解码之前的消息同时我们还可以通过 CRC 校验验证 MSG 4 是否被正确解码。NR-Scope 也会从 MSG 4 中获得 CORESET 位置、DCI 聚合级别以及 gNB 与 UE 后续通信所使用的正确 DCI 格式。注 3MSG 2 包含一个 TC-RNTI以及允许 UE 发送 MSG 3 的授权MSG 3 包含发往 gNB 的 RRC 建立请求UE 与 gNB 使用 TC-RNTI 传输 MSG 4。MSG 4 完成后UE 与 gNB 建立 RRC 连接TC-RNTI 随之成为 C-RNTI。RACH 解码包括两项工作检测用于调度 RRC Setup 信息的 DCI以及使用该 DCI 解码承载实际 RRC Setup 消息数据的 PDSCH消息大小最多为 500 字节。一次 RRC Setup 的信号处理大约需要 1–2 ms由于一个时隙仅持续 0.5 ms针对每个新 UE 都执行这种解码的代价很高。根据我们的观察不同 UE 的 RRC Setup 内容相同因此可以跳过 PDSCH 解码只使用 DCI 来发现新 UE。与 SIB 不同每个 UE 在初次连接时只会收到一次 RRC Setup如果错过一次 RACHNR-Scope 在本次遥测会话中便无法解码该 UE 的 DCI。由于大多数 UE 在 RAN 中停留的时间很短§5.3错过一次 RACH 对吞吐量估计造成的误差并不十分严重。3.2 网络遥测接下来NR-Scope 提取遥测信息并估计 RAN 容量如图 3 所示。在每个 TTI 内我们解码 PDCCH 中面向各个 UE 的 DCI从而获得它们的上下行吞吐量、信道状况和重传信息。图 3——NR-Scope 的 UE 吞吐量估计NR-Scope 解码一个 TTI 内每个 UE 的 DCI并估计每个 UE 的吞吐量。3.2.1 遥测信息提取此步骤的目标是估计 RAN 中每个 UE 在数据信道PDSCH中的数据流量以及相关的物理层参数即比特率和信道质量。每个 UE 还会从 MSG 4 中取得 DCI 格式类型the DCI format type和聚合级别aggregation level [6]。由于 NR-Scope 已经解码了所需信息因此它会切换到与 UE 相同的带宽部分Bandwidth PartBWP即完整带宽的一部分来接收 DCI。在全部必要信息C-RNTI、DCI 格式均已知的情况下NR-Scope 按照标准的 3GPP DCI 解码流程 [26, 28] 接收 DCI得到 30–80 比特的 DCI 数据。注 4这些数据包括解交织结果以及调制与编码方案指示符它们是计算传输块大小TBS和随后估计容量所必需的。附录 B 给出了一条格式为 1-1 的 DCI 样例以及由它转换得到的 PDSCH 下行授权。3.2.2 RAN 容量估计在此步骤中NR-Scope 利用遥测信息计算分配给每个 UE 的容量比特率以及 RAN 的剩余容量。利用前述步骤中解码得到的 DCI 和 RRC 消息我们计算传输块大小Transport Block SizeTBSTBS 表示在当前 TTI 内为特定 UE 传输了多少比特。TBS 的计算遵循 3GPP 标准具体见附录 A。我们记录每个 TTI 内所有 UE 的 TBS并维护一个滑动窗口来计算每个 UE 的比特率。注NR-Scope 并不需要解密或读取 UE 的用户数据而是把控制信道中的“无线资源分配指令”换算成每台 UE 在每个 TTI 内能够传输的比特数再对一段时间内的结果求平均。计算 TBS 所需的两类信息。DCI 描述“当前这个 TTI 如何调度”RRC 描述“计算时采用哪些相对稳定的底层配置”。DCI 提供每个 TTI 动态变化的信息给哪台 UE 分配资源即通过 C-RNTI 确定调度对象在频域分配了多少 PRB在时域使用哪些 OFDM 符号调制与编码方案MCS由此得到调制阶数和编码率HARQ 进程以及本次发送是新数据还是重传。RRC 提供相对稳定的配置信息PDSCH 的传输与资源映射配置最大 MIMO 层数解调参考信号DMRS占用的资源其他物理层开销小区带宽以及 UE 当前使用的带宽部分BWP等。二者如何配合。NR-Scope 将上述信息结合按照“解码 DCI/RRC → 计算有效 RE 数量 → 结合调制阶数、编码率和 MIMO 层数 → 根据 3GPP 规则得到 TBS”的过程推算该 UE 在当前 TTI 中获得的传输容量。TBS 的含义。TBS 是一个 MAC/物理层传输块可以承载的比特数而不是某个 IP 报文的大小一个 TB 可以聚合多个小报文也可能只承载一个大报文的一部分。其简化关系为T B S ≈ 有效资源元素数 × 调制阶数 × 编码率 × MIMO 层数 \mathrm{TBS}\approx \text{有效资源元素数} \times \text{调制阶数} \times \text{编码率} \times \text{MIMO 层数}TBS≈有效资源元素数×调制阶数×编码率×MIMO层数对应附录 A 中的符号可近似理解为T B S ∝ N R E × Q m × R × v \mathrm{TBS}\propto N_{\mathrm{RE}}\times Q_m\times R\times vTBS∝NRE​×Qm​×R×v实际 TBS 还需要按照 3GPP 标准进行量化并查询规定的 TBS 表。因此即使两台 UE 获得相同数量的 PRB如果它们的信道状况和 MCS 不同计算出的 TBS 也可能不同。滑动窗口如何得到比特率。对 UEu uuNR-Scope 将窗口内各 TTI 的 TBS 相加再除以窗口持续时间Δ W \Delta_WΔW​r u ( t ) ∑ i ∈ W ( t ) T B S u , i / Δ W r_u(t)\sum_{i\in W(t)}\mathrm{TBS}_{u,i}/\Delta_Wru​(t)∑i∈W(t)​TBSu,i​/ΔW​没有调度该 UE 的 TTI 记为 0。例如一个 10 ms 窗口包含 20 个长度为 0.5 ms 的 TTI若 UE 在其中获得的 TBS 合计为 32,000 bit则窗口比特率为32,000 / 0.01 3.2 M b p s 32{,}000/0.013.2\ \mathrm{Mbps}32,000/0.013.2Mbps。窗口每前进一个 TTI就移除最旧结果并加入最新结果因此可以在抑制单个 TTI 突发波动的同时持续跟踪容量变化窗口越短反应越快但曲线越抖窗口越长则越平滑但反应越慢。“分配容量”、有效吞吐量与剩余容量。由 TBS 得到的首先是基站为 UE 调度的无线传输能力并不必然等于应用最终收到的有效吞吐量HARQ 重传会再次消耗无线资源却不会产生等量的新应用数据MAC/RLC/IP 等协议开销和解码失败也会造成差异。因此下一段会利用harq_id和new_data_indicatorNDI区分新数据与重传。对于 RAN 剩余容量NR-Scope 找出当前 TTI 中未分配的 RE并按照论文 §5.4.1 的方法将其公平分给各 UE再根据每台 UE 当前的 MCS 等参数重新计算潜在 TBS所以剩余容量表示“这些空闲资源若分配给某台 UE还能增加多少比特率”而不是简单地用链路峰值速率减去当前吞吐量。受无线衰落影响UE 可能无法成功解码下行流量从而触发重传。NR-Scope 通过跟踪 DCI 中的混合自动重传请求Hybrid Automatic Repeat RequestHARQ信息在物理层和 MAC 层捕获重传。gNB 最多为每个 UE 分配 16 个 HARQ 进程并通过 DCI 中的harq_id向 UE 指明所用进程。如果 UE 在某个 TTI 内正确解码数据并返回 ACKgNB 会翻转具有相同harq_id的 DCI 中的new_data_indicator以表示这是新数据。如果 UE 返回 NACKgNB 会在重传时继续使用相同的ndi。NR-Scope 为每个 UE 维护一个数组记录每个harq_id在先前 DCI 中的ndi从而检测重传。