（通信与信息系统专业论文）tetra集群通信系统基站设计与实现研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 本文是对“数字集群通信系统项目中基站控制器b s c 的硬件、软件设计。 项目参考欧洲t e t r a 集群通信标准。该标准对移动台m s 侧的信令有详细的描述， 但对基站b s 侧没有具体的给出。 本文通过对t e t r a 标准的研究，讨论了基站的硬件结构，软件协议分层。在 基站侧，t e t r a 有4 层，本文对这4 层协议都做了讨论。p h y 层，m a c 层，l l c 层，m l e 层是互相联系的整体，它们一起组成了一个基站的软硬件。 数据传输和小区切换是m l e 层完成的重要功能。在本文中，通过对空中接口 协议的研究，最终给出了小区切换的b s 侧信令流程，描述了b s 侧实现小区切换、 信道资源管理的具体方法和过程。对于数据传输，本文分析了其中的原语和上下 层之间的关系，给出了程序流程图和实现代码。还描述了小区切换的软件流程图。 最后，本文还与g s m 系统小区再选流程与t e t r a 系统的小区再选进行了比较，归 纳出了不同系统小区再选的特点和两者之间的不同。 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eb a s es t a t i o ni n t h e ”d i g i t a lt r u n k i n g c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”p r o j e c ti sd e s i g n e d t h ep r o j e c tr e f e r st oe u r o p e a nt e t r a t r t m k i n gc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s t h es t a n d a r dh a sd e t a i l e dd e s c r i p t i o no nm s - s i d e s i g n a l i n g ，b u tn os p e c i f i cd e s c r i p t i o no nb ss i d e b a s e do nt h er e s e a r c ho ft e t r as t a n d a r d ，t h es t r u c t u r eo ft h eb a s es t a t i o n h a r d w a r e ，s o f t w a r ep r o t o c o ll a y e ri sd i s c u s s e d o nt h eb a s es t a t i o ns i d e ，t e t r ah a s4 l a y e r s ，t h i s4 - l a y e rp r o t o c o lh a dd i s c u s s e di nt h i sp a p e r p h yl a y e r ，m a cl a y e r ，l l c l a y e r ，m l el a y e ra r ei n t e r - c o n n e c t e dw h o l e ，a n dt o g e t h e rt h e yf o r m e dab a s es t a t i o n s h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d a t at r a n s m i s s i o na n dc e l lh a n d o v e ra r et h ek e yf u n c t i o n so ft h em l e l a y e r i n t h i sp a p e r , t h r o u g ht h es t u d yo ft h ea i ri n t e r f a c ep r o t o c o l ，t h em e t h o d sa n dp r o c e s s e s o fc e l lh a n d o v e ro nt h eb s s i d ea r eg i v e nf i n a l l y t h es p e c i f i cr e a l i z a t i o no fc e l l h a n d o v e ri sd e s c r i b e d f o rd a t at r a n s m i s s i o n ，t h ef l o wc h a r ta n dt h e p r i m i t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rl a y e r sa r eg i v e n s o m ec o d e sa n df l o wc h a r t o fb ss i d ep r o t o c o la r eg i v e n f i n a l l y , c o m p a r i s o no fc e l lh a n d o v e rp r o c e s so fg s m a n dt e t r as y s t e mi sg i v e n a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w o g a i n e d k e yw o r d s ：t e t r a ，m l e ，b s 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：趱姿日期： 瑚、tl 牛 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：嗣凯毛 新签名：毖蜴吼 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 第一章引言 目前，通信行业的发展日新月异，3 g 的上马，给通信系统带来了新的发展 机遇。然而，对于不断发展的有特殊通信需求的专用移动通信市场来讲，虽然没 有像g s m 那样庞大的用户群体，但它也有着自己不可替代的优势，在通信行业中 占有一席之地。 集群通信系统是一种指挥，调度系统，对指挥，调度功能要求较高的企业， 事业，工矿，油田，农场，公安，警察以及军队等部门都十分迫切需求这种系统。 2 0 0 8 年北京奥运会就采用了t e t r a 数字集群通信系统来确保奥运会期间的交通 安全 ， 。由此看来，数字集群还是有着广阔的发展前景，并且，研究集群通信 标准是有必要的。 1 1 集群通信系统的发展 早期的专用移动通信主要由点对点无线电对讲机来完成，在上世纪8 0 年代 初发展成为单频道、单基地台的模拟系统，但只能提供语音通信功能；后来通过 不断发展，形成了多频道、单基地台系统，可以利用多频道提供话音及非话音业 务，且功能日益增多；在引入多频道共享技术之后的1 9 8 5 年发展成为第一代模 拟集群通信系统，即多频道共享的单基地台或多基地台通信系统，并于1 9 8 7 年 投入商用。多频道集群通信系统的控制器由几个信道形成一群，自动搜索可用信 道给用户使用，因此，多频道集群通信系统平均每频道可提供的用户数较多且效 率也较高。 随着数字技术的发展，集群通信系统已经开始向第二代的数字技术发展，其 频谱利用率比模拟系统大为提高，且具有更大的容量。为了更进一步提高频率使 用率，集群通信系统出现了将多个集群系统结合在一起统一管理，共用频道和信 道，共享覆盖区域，通信业务共担费用等朝着公众使用的方向发展。现代的集群 通信系统除了具有通话功能之外，还有命令传输、遥测、遥控等功能。 数字集群通信系统因其先进的技术特点满足了众多专业用户无法在传统通信 业务中解决的需求，发展空间广阔。美国著名数字集群运营商n e x t e l 己建立了 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 覆盖全美的数字集群商用共网，成为唯一能在美国全境自动漫游的系统。在欧洲， 英国d o l p h i n 电信公司的数字集群通信系统己覆盖全英9 7 人口的地区。法、德、 芬兰等许多欧洲国家也正在建设数字集群通信网。国际数字集群协会的专家经分 析认为，数字集群将在今后几年内成为无线通信的最有增长潜力的市场，其用户 数将增长到公共移动用户的i 5 以上。 g s m 、c d m a 在个人通信领域占有相当大的市场份额，但在移动通信的主要功 能指标上，数字集群通信网较g s m 、c d m a 有无法取代的优势。如下表： 表1 - 1 数字集群通信网与g s m 、c d m a 比较 类别数字集群通信网 g s m 、c d m a 服务对象专业用户、集团用户、个个人 人 通信方式点对点、点对面( 自主编点对点 控) 手机功能电话、单呼、群呼、脱网电话 使用 业务范围电话、数据、图像、对讲、电话、数据 g p s 接通速度0 3 秒接通接入速度约需1 0 秒 加密程度加密等级高、空中加密一般安全通信 话费成本低葡 成熟程度迅速发展中比较成熟 目前国际电信联盟( i t u ) 推荐的数字集群通信系统主要有北美的p r o j e c t 2 5 ， 爱立信公司的e d a c s ，日本的i d r a ，欧洲的t e t r a p o l 和欧洲电信标准协会( e t s i ) 的t e t r a ，美国m o t o r o l a 公司的i d e n ，以色列的f h m a 等7 种。但最具代表性 的是t e t r a 、i d e n 和a p r o j e c t 2 5 。 陆地集群无线电( t e t r a ) ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ) 欧洲电信标准 研究所制定的泛欧数字陆地集群移动通信标准。简称t e t r a 。t e t r a 原来是 泛欧集群无线电的英文缩写( t r a n s e u r o p e a nt r u n k e dr a d i o ) ，后改为陆 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 地集群无线电( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ) 。 t e t r a 具有很高的频谱效率、可靠的话音和数据传输、多样的操作特性。 除了用于话音和数据传输的标准( t e t r av + d 标准) 外，t e t r a 还包括无线 信道上的优化分组数据传输( t e t r ap d o 标准) 以及直接模式通信方式( t e t r a d o m 标准) 。t e t r a 系统平台可以综合话音和数据2 种业务，改进了系统的 灵活性和经济性。 1 2t e t r a 标准 t e t r a 是基于数字时分复用( t d m a ) 无线通信技术的系列标准，它包 括一系列已定义的开放接口，呼叫服务和协议。t e t r a 的通信业务包括话音， 电路方式数据传输，短数据信息及分组数据业务。t e t r a 标准还支持丰富的 补充业务，其中许多补充业务是t e t r a 特有的。 t e t r a 可看成是t e t r a 话音+ 数据( v + d ) 、t e t r a 分组数据优化( p d o ) 和t e t r a 直接模式通信( d m o ) 3 个普通标准的集合。所研制的设备可以包含上述一个或多 个标准功能，也可以根据用户的需求对标准进行变通处理，从而使t e t r a 更加灵 活、功能也更强。此外，还有话音编码器、符合性试验、法律交叉问题、t b r 和 s i m 卡等辅助性标准。 ( 1 ) t e t r av + d 使用2 5 k h z 信道的t d m a 系统，每射频信道分4 个时隙，能同时支持话音、 数据和图像的通信。与单个移动台相结合，可减少阻塞及互调干扰问题，数据传 输速率最高可达2 8 8 k b s ( 2 ) t e t r ap d o 使用2 5 k h z 信道的t d m a 系缈每射频信道分4 个时隙j 主要面向宽带、高 速数据传输。 t e t r a p d o 只能支持数据业务，t e t r av 十d 则数话兼容。它们的技术规范 都基于相同的物理无线平台( 调制相同，工作频率也可以相同) ，但物理层实现方 式不太一样，所以不能实现互操僧预计在i s o 第3 层可实现互操作。 ( 3 ) t e t r ad m o 当移动台处于网络覆盖范围外，或即使在覆盖范围之内，但需要安全通信时， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 可采用t e t r ad m o 方式，实现移动台对移动台的通信。如果终端处于网络覆盖范 围之内，通过入网终端，就可以在i s o 第3 层上提供集群方式与直通方式的相互 转换。 1 3t e t r a 的缺点 在t e t r a 数字集群标准中，没有规定基站和交换中心之间的接口，将基站和 交换中心统称为s w m i 。因此，不同的厂商对基站和交换的划分都可能是不同的， 而基站和交换之间的通信协议都是厂商自定义，对外不公开。在t e t r a 数字集群 空中接口标准中，对移动台侧的过程和处理方法的描述是比较详尽的，而对s w m i 侧的描述则不全面，通常以“s w m i 侧的处理过程不在本标准范围内 的理由省 略。 由t e t r a 数字集群空中接口协议的研究和分析可知，在开发过程中需要补充 一些s w m i 侧的原语过程和参数定义，而这些补充定义和具体协议栈开发有着密 切的关系。在制定t e t r a 数字集群标准的时候，e t s i 没有制定s w m i 内部的结构 和接口标准，显然是考虑到集群通信系统的客户定制化特点比较突出，单一的体 系结构和接口标准很难满足不同厂商的需要。因此，e t s i 没有制定基站和交换 之间的接口给t e t r a 数字集群数字集群分系统研制的进展带来了困难。 1 4 本文的主要研究工作 本论文主要对t e t r a 标准进行研究，对基站的总体设计做了阐述。实现基 站的各种功能。由于b s 侧t e t r a 并没有公开的标准，所以需要根据m s 侧的标准， 参考g s m 协议，得出t e t r a 的b s 设计方法。 具体来讲，第二章完成了系统的总体介绍，对系统的每个设备和协议层都 作了概要介绍。 第三章，讲述了b s c 的硬件结构，并且包括了怎样在硬件上开发应用程序。 重点介绍了b s c 的硬件结构和各部分之间的关系。 第四章讲述了b s c 的软件结构，也讲了l l c 的原语的实现方法。 第五章是本文的重点，提出了c 语言实现原语处理的方法，实现了m l e 数 据传输和小区切换，并给出了关键代码的实现。最后，比较g s m 通信系统，得出 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 了t e t r a 与g s m 的不同和特点。 第六章是对本文的总结与展望。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体介绍 第二章系统总体介绍 2 1t e t r a 网络结构 数字集群移动通信系统由网络基础设施、移动台和有线台组成。移动台和有 线台是用户使用的设备。有线台是与网络基础设施有线连接的设备。移动台按业 务划分有下列两种类型 1 ：话音终端由移动终端单元和终端设备单元组成，提供用户终端业务和承载业 务。 2 ：数据终端只包含移动终端单元，提供数据承载业务。 移动台按工作方式划分有下列两种形式 1 ：集群移动台只能工作于集群方式的移动台。 2 ：双模移动台既能工作于集群方式、又能工作于直通方式的移动台。其中可以 同时监视集群和直通方式的移动台又称为双监视移动台。 对于基站较少的本地网络，可以由一台交换控制设备进行集中交换。对于基 站数较多、覆盖范围较广、业务较大的区域网络，也可以采用多台交换控制设备 进行分散交换。具体网络结构图如下图所示。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体介绍 图2 1t e t r a 系统结构 图中的名词解释： 终端设备( t e ：t e r m i n a le q u i p m e n t ) 终端设备( t e ) 是指对用户拥有的连网设备和工作站的统称。 移动台( m s ) 包含用来获得t e t r a 业务的全部移动设备的物理组合。 基站( b s ) 即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中， 通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电 台。 2 2t e t r a 协议分层 t e t r a 规范没有限定无线网络的结构形式，只是用特定的接口来定义网络 基础设施( 在t e t r a 标准中常称之为交换与管理基础设施s w m i ) 。在t e t r a 规范 中定义的接口是保证互联，互通和网络管理所需要的。 下图描述了t e t r a 系统的几个实体和协议分层。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体介绍 b t s m a ch d l c p h ye 1 b s c m l e l l c h d l ch d l c e 1e 1 u mc za z 图2 2t e t r a 系统协议分层 m s c 图中有3 个接口，它们的说明如下。 u m 接口：u m 接口是t e t r a 的空中接口。 a z 接口：m s c 与b s c 之间的接口。a z 接口定义为网络子系统( n s s ) 与基站子系 统( b s s ) 间的通信接口。从系统上来讲，就是移动交换中心( m s c ) 与基站控制 器( b s c ) 之间的接口，物理链路采用标准的2 0 4 8 m b i t s 的数字传输链路实现。 此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。 c z 接口：b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，基站控制器) 和b t s ( b a s et r a n s c e i v e r s t a t i o n ，基站收发信台) 之间的接口，用于b s c 与b t s 之间传输业务信息和信令 信息。 下面讨论t e t r a 的空中接口分层。t e t r a 协议分为多剧 做为最低层的物 理层是位传输层，也就是无线传输的实际接口。所有与数据链路层有关的任务都 在第2 层，而第3 层用于连接控制( 网络层) 。用户数据被转发到应用层。此处 简要描述了与空中接口分析相关的协议层任务。 物理层 物理层或位传输层是t e t r a 协议的实际空中接口。要发送或接收数据，物理 层要与较低层的m a c 层通信。调制和解调、接收和发送间的转换、频率和时间同 步以及移动台功率控制都属于物理层的范围。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系统总体介绍 下层媒体访问控制层( l o w e r m a c ) 下层m a c 是数据链路层( 第2 层) 的子层。其工作是从接收到猝发信号( 所 谓猝发通信技术是先将信息存储起来，然后在某一瞬间以正常时1 0 1 0 0 倍或更 高速率猝发) 中过滤用户数据、完成信道解码、校正任何传输错误并将解码数据 指定到逻辑信道。然后数据被传送到上层m a c 。 在猝发发送时，下层m a c 必须对接收自上层m a c 的逻辑信道中的用户数据进 行编码，适配到猝发包中并发送到物理层。 上层媒体访问控制层( u p p e r m a c ) 上层m a c 也是第2 层的一部分，主要根据逻辑信道处理接收自下层m a c 的数 据。如果数据是信令数据( 控制平面) ，那么会被转发到逻辑链路控制子层。另 一方面，业务信道的数据( 用户平面) 则直接提供到更高的用户层( 4 至7 层) 。 在发送一侧，业务数据和信令数据被分配到相应的逻辑信道并转发到下层m a c 。 对于信令消息的发送，上层m a c 需要控制复杂的随机访问过程。 在上层m a c ，基站也管理控制帧协议。此协议负责发送基础信道，并每1 8 个帧数据发送同步和系统信息。 逻辑链路控制( l l c ) 做为数据链路层( 第2 层) 的子层，l l c 的任务是对接收到的数据进行真实 性检查。对m l e 发送来的需要发送的信令数据，l l c 为其加上一个头。如果另一 方的模块没有接收到或确认，l l c 则重新发送。在此过程中，持续告知更高层数 据传输的状态。 移动链路控制实体( m l e ) 做为网络层( 第3 层) 的子层，m l e 根据地址信息将接收到信令数据馈送到 数据包数据控制、移动管理或电路模式控制实体子层。这一过程称为协议路由。 m l e 扮演的另一个角色是选择适当的单元，以及持续监控相邻单元的状态。 此外，下行链路中的基站m l e 创建d - m l e - s y n c 和d - m l e - s y s i n f o 消息，为 创建基础信道提供重要信息。 移动管理( m m ) 移动管理子层保证移动台可以登录到网络并可以访问。其任务覆盖网络注册 ( 登入) 直至认证和防止不正当使用在内的多种功能。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系统总体介绍 电路模式控制实体( c m c e ) 电路模式控制实体任务可分为三个不同的方面。包括附j j n n 务、短数据服务 以及呼叫控制。 附加服务是在正常的话音和数据传输之外，可由网络运营商提供的更多更高 层应用层。短数据服务是支持发送短消息的特殊服务。呼叫控制负责建立呼叫。 子网相关会聚协议( s n d c p ) s n d c p 支持用户传输分组数据。s n d c p 是t e t r a 数字集群系统的网络层协议， 位于m l e 与i p 层之间，为无线用户提供分组数据业务。 至此，已经叙述了t e t r a 网络的结构和协议分层。这些已经是一个通信系统 的框架，对于实现，还需要更细节的研究。本文下面几章将描述t e t r a 网络中 b s c ( 基站信道控制器) 的具体实现过程和方法。第3 章将描述硬件，其余几章 描述协议软件实现。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章b s c 硬件结构 3 1 硬件描述 第三章b s c 硬件结构 m p c 8 2 7 0 芯片集成了2 个处理单元：一个嵌入式p o w e r p c6 0 3 e 核与一个精 减指令集( r i s c ) 的通讯处理模块( c p m ) 。这种双核的设计可以比传统的设计更 大的降低功耗和提供更加平衡的处理能力。c p m 承担了底层外围通讯的任务，而 c p u 则专注于管理高端的任务。m p c 8 2 7 0 家族支持丰富的协议和接口界面包括： 3 个百兆以太网m a c 、a t m 、h d l c 、一个3 2 位3 3 6 6 m h zp c i 总线和一个u s bh o s t d e v i c e 界面。 表3 1m p c 8 2 7 0 的主要参数如下： 主处理器m p c 8 2 7 0 ，3 2 位 c p u 主频 4 5 0 m h z c p m 主频 3 0 0 m h z 总线频率 1 0 0 m h z 内存配置1 片4 m 1 6 位数据宽度的f l a s h ，共8 m b 1 个s o d 工慨笔记本内存条s d r a m ，标配1 2 8 m b 状态指示1 个复位指示 对外接口双排3 0 4 插座 调试接口j t a g 由此可见，m p c 8 2 7 0 能够完成b s c 的通信处理功能，但是，b s c 需要有e 1 信号处理模块，而m p c 8 2 7 0 并没有这样的接口，所以，在核心板上我们设计了 e 1 接口电路，由单片机a t m e g a l l 2 8 控制。同时，单片机a t m e g a i l 2 8 还与m p c 8 2 7 0 通信，来处理通信事件。 下图是项目开发的硬件结构图： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章b s c 硬件结构 j t a g 接口r - 1a v r 单片机a t m e g a l l 2 8 e l 接口 电路 e 1 成帧 收发 器 时钟 同步 e 1 成帧 收发 器 r s 2 3 2 接口广1 电平转换 由 8l e d r s 2 3 2 接口 e l 接口 电路 j t a g 接口 s n m 【p u d p i p e t h e m e t 图3 1 硬件结构图 e t h e m e t 接口 图3 - 2e t h e r n e t 接口协议结构图3 3e 1 接口协议结构 从上图可以看出，底板分为三个部分，第一部分是a v r 系统部分，第二部分 是e l 接口部分，第三部分是核心板和外接接口部分。a t m e g a l l 2 8 单片机对j t a g 接口，l e d 指示灯和r s 2 3 2 接口直接控制，与时钟同步和e 1 成帧收发器之间进 行通信。另外，a t m e g a l1 2 8 单片机还与核心电路板m p c 8 2 7 0 通信。时钟同步准 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章b s c 硬件结构 确实现了对两个e 1 成帧器收发器的时钟同步控制。a t m e g a t l 2 8 单片机通过二 选一选择器选中其中一个e 1 成帧器收发器，提取一个2 0 4 8 m t t z 时钟，送至时 钟同步进行锁相，消抖处理，最后产生稳定的2 0 4 8 m t l z 时钟和8 m h z 帧同步信号 供系统使用。第三部分主要由m p c 8 2 7 0 核心电路板，电源电压电路，e t h e r n e t 接口，j t a g 接口，r s 2 3 2 接口以及电平转换电路组成。 所有软件( 操作系统和应用软件) 都固化在板上两片f l a s h 内，就相当于 p c 机的硬盘。f l a s h 上的内容可通过烧写工具来更新升级。用户可为开发应用 程序或更改其上的操作系统工作方式( 因为操作系统是开放源代码的) ，和在p c 上开发应用唯一的不同之处在于它要采用一种交叉编译的开发模式 项目选择嵌入式系统选择l i n u x 的原因： 0 可应用于多种硬件平台。l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，这对受开 销、时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台 上开发然后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 ol i n u x 可以随意地配置不需要任何的许可证或商家的合作关系。唯一的 限制是开发者必须做出对l i n u x 社区有益的改动。 它是免费的，源代码可以得到。这是最吸引人的。毫无疑问，这会节省 大量的开发费用。 o 内核直接提供网络支持，而不必象其他操作系统要外挂t c p i p 协议包 l i n u x 的高度模块化使添加部件非常容易。 ol i n u x 在台式机上的成功，也保证了l i n u x 在嵌入式系统中的辉煌前景。 3 2 建立宿主机开发环境 绝大多数的l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式进行的，即本机( h o s t ) 开发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适合于嵌入式系统的软件开发， 因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机( 即板子上系统) 运行开发 工具和调试工具。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的方式。 交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应的开发板叫做目标板。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章b s c 硬件结构 通常情况下，我们还需要一个调试器用于跟踪调试板卡运行情况或者烧写板卡启 动代码，整个调试环境如图所示： 主机系统 j 1 a g 调试器 目标系统 f 串口 串口 l ll 网卡2i 网口j t a g l j t a g ll i 网卡1 网口 l i l 图3 - 4 软件调试系统 主机系统中的网卡l 和目标系统直接相连，用于内核镜像的下载，n f s 的共 享等操作，串口连接用于接收目标系统的调试打印信息和向目标系统发送命令。 在这里，主机系统的网卡2 连接到了一个j t a g 调试器，然后再通过j t a g 接口连 接到了目标系统。该j t a g 调试器可以进行源码级调试，也可以进行汇编代码调试， 同时该调试器也支持f l a s h 的在线编程。 如果主机只有一块网卡，同样可以实现上面描述的试验环境。 开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码， ( 这种可执行代码并不能在宿主机上执行，而只能在目标板上执行。) 然后把可 执行文件下载到目标机上运行。调试时的方法很多，可以使用串口，以太网口等， 具体使用哪种调试方法可以根据目标机处理器所提供的支持作出选择。宿主机和 目标板的处理器一般都不相同，宿主机为i n t e l 处理器，而目标板为m o t o r o l a p o w e r p c8 2 7 0 ，g n u 编译器提供这样的功能，在编译编译器时可以选择开发所需 的宿主机和目标机从而建立开发环境。所以在进行嵌入式开发前第一步的工作就 是要安装一台装有指定操作系统的p c 机作宿主开发机，对于嵌入式l i n u x ，宿 主机上的操作系统一般要求为r e d h a tl i n u x ，在此，项目使用了r e d h a t9 0 作 为本套开发系统的宿主机p c 操作系统。嵌入式开发通常要求宿主机配置有网 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章b s c 硬件结构 络，支持n f s ( 为交叉开发时m o u n t 所用) ，支持f t p 服务器( 供板卡下载程序) ， 支持t f t p 服务器( 为下载烧写所用) 等等。然后要在宿主机上建立交叉编译调 试的开发环境。环境的建立需要许多的软件模块协同工作，整个安装过程如下。 1 在一台p c 上安装l i n u x 。 2 配置好网络，t f t p 服务和f t p ( e n a b l er u n n i n g ) ，建立交叉编译环境， 建立调试环境。 3 3 软件应用开发 应用程序的开发有两种模式： 1 先在宿主机( i n t e lc p u ) 上调试通过后，再移植到目标板( p p c 8 2 7 0 ) 上。移植的工作包括两个方面：函数库的问题。在程序移植时可能会有函数未定 义的问题。对于这种问题，一般要求开发者自己编制这些要用到却又未定义的函 数。 2 交叉编译开发模式，将宿主机和目标板通过串口相连，在宿主p c 机上 运行m i n i c o m 作为目标板的显示终端，使用交叉编译工具直接编译应用程序， 通过f t p 将编译好的程序下载到板卡j f f s 2 文件系统之上，直接在目标板上调试 应用。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章b s c 协议 第四章b s c 协议 b s c 的软件协议有d l l 和m l e 两层，下面几节将分别介绍。 4 1t e t r a 的数据链路层 数据链路可以粗略地理解为数据通道。物理层要为终端设备间的数据通信提 供传输媒体及其连接。媒体是长期的，连接是有生存期的。在连接生存期内，收发 两端可以进行不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和拆 除通信联络两过程。这种建立起来的数据收发关系就叫作数据链路。而在物理媒 体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错，为了弥补物理层上 的不足，为上层提供无差错的数据传输，就要能对数据进行检错和纠错。数据链路 的建立，拆除，对数据的检错，纠错是数据链路层的基本任务。 链路层是为网络层提供数据传送服务的，这种服务要依靠本层具备的功能 来实现。链路层应具备如下功能： 链路连接的建立，拆除，分离 帧定界和帧同步。链路层的数据传输单元是帧，协议不同，帧的长短和 界面也有差别，但无论如何必须对帧进行定界。 顺序控制，指对帧的收发顺序的控制。 差错检测和恢复。还有链路标识，流量控制等等。 t e t r a 的数据链路层( d l l 协议) 由两个子层构成：l l c 实体和m a c 实体。 d l l 应通过业务接入点( s a p ) 为m l e 提供支持不同功能的业务： t l a - s a p 为信令消息提供业务 t l b s a p 为广播系统信息提供业务 t l c s a p 为层管理，状态和通过数据接入的配置提供业务 l l c 和m a c 间的内部通信应该使用s a p ，即t m a s a p ，t m b s a p ，t m c - s a p 。 它们分别将信令，广播和层管理分离，就像在高层( m l e ) 看到的。采用原语和 参数作为协议描述，以便在内部边界处交换信息。上m a c 将包含m a c 协议功能。 在m a c 层内可能有一个虚拟的业务接入点t m v - s a p 以允许协议描述使用原语 和逻辑信道。在下m a c 子层上，专用逻辑信道的选择触发专用的信道编码。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章b s c 协议 业务接入点t p - s a p 用于m a c 和物理层之间的通信。 t m d s a p 支持电路模式。用于业务传输。 l l c 的功能： l l c 的任务是对接收到的数据进行真实性检查。对m l e 发送来的需要发送的 信令数据，l l c 为其加上一个头。如果另一方的模块没有接收到或确认，l l c 则 重新发送。在此过程中，持续告知更高层数据传输的状态。 l l c 可以提供基本链路( 无连接模式) 业务和高级链路( 面向链接模式) 业 务。在每种业务的内部，在协议中定义了确认和非确认数据传输， 在多数情况下，对单个m s 寻址的下行传输应该使用确认业务。含有有效地 址的全部上行传输应该采用确认传送。对m s 组寻址的正常消息传送应该在下行 链路采用非确认传送。 l l cal l cb t l d a t a 请求 t l d a t a 证实 t l d a t a 指示 t l - d a t a 响应 图4 1 基本链路的确认数据传输 在确认b l a c kp d u 中携带一个t l - s d u 号n ( s ) ，该号标识了在数据流的方 向上出现b l d a t ap d u 的数量。在确认b l a c kp d u 中发送相同的t l - s d u 号n ( r ) ， 同等实体确认这个b l d a t ap d u 的成功接收，如上图。 在前面的方案中，当发送b l - a c kp d u 时，第3 层t l - d a t a 应答有效。如果 第3 层信息无效，则发送一个短的确认p d u ，如下图所示。l l c 假设在l l c 之前， l l c 业务用户向t l d a t a 指示提供一个正常的t l - d a t a 响应，并且m a c 使得下一 个机会发送一个如上面所示的b l a c kp d u 。如果在发送b l - a c kp d u 后向l l c 提 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章b s c 协议 供t l - d a t a 响应，则类似使用b l d a t ap d u 发送t l d a t a 请求，l l c 发送t l d a t a 响应，象t l - d a t a 指示原语那样，向正在接收的业务用户展示t l - d a t a 响应。如 下图： l l ca l l cb t l d a t a 请求 t l d a t a 确认 t l d a t a 指示 t l d a t a 指示 t l d a t a 响应 t l d a t a 证实 图4 - 2 带有第3 层延迟响应的基本链路数据传送和确认 基本链路允许在无相互影响的两个方向同时进行数据传输，即可以把响应和 请求合在同一个p d u 中，用b l - a d a t ap d u 。对它的详细描述可以参考e t s i 标准。 l l cal l cb t l d a t a 指示 t l - d a t a 请求 图4 3 基本链路的非确认数据传输 1 8 运 、 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章b s c 协议 使用未确认数据传输模式主要是寻址一组m s ( 点对多点) 。b l u d a t a 不期 望响应和确认。发送l l c 实体可以多次重发u d a t ap d u ，以便提高正确接收的概 率。 1 l l c 基本链路中的差错检测采用3 2 比特的帧校验序列( f c s 广。：l l c 基本链 路中使用f c s 的差错检测是可选业务。如果高层请求使用f c s 进行差错检测，发 射侧的l l c 将通过t l s d u 计算出f c s ，并将f c s 添加到t l - s d u 尾部：。如果接收 侧l l c 接收到的t l - s d u 尾部附有f c s ，接收侧的l l c 将使用f c s 校验t l s d u 。 4 2l l c 数据软件流程图 在实现协议的过程中，引用了原语和缓冲区的概念。所谓原语，就是协议层 之间交换信息的数据单元。所谓缓冲区，就是用来暂时存放没有处理的原语的内 存区域。 由于原语有很多参数，所以用c 语言中的结构体来定义原语，典型的定义如 下： u n i o nt l _ a l _ u n it d a t a _ r e q u e s t u i n t l 6a 2 ： s t r u c t u i n t 8p r i m i t i v e t y p e ； u i n t 8p r i m i t i v e l e n g t h ： u i n t l 6e n d p o i n t i d e n t i f i e r ： u i n t 3 2a d d r e ss t y p e ：8 ： u i n t 3 2m a i n a d d r e s s：2 4 ： u i n t 8p d u p r i o r it y ： u i n t 8s t e a l i n g p e r m i s s i o n ； u i n t 8 e n c r y p t i o n a i ： a i u i n t 8 h a n d l e t o t h e r e q u e s t ： g s d u s d u ： m l e u ni t d a t ap d u s ： 1 9 t l _ a l _ u n i t d a t a _ r e q u e s t 1 4 字节+ 1 6 0 = 1 7 6 a i a i 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章b s c 协议 其中，u i n t 表示无符号整数。可以看到，结构体中的很多参数就是原语所需 要的参数。当然，每个原语的参数都会有所不同。值得一提的是，一般的原语都 会携带s d u 这个元素，s d u 是在空中接口中发送，用来让对等实体接收的部分。 对于缓冲区，采用定义数组的形式，形如： u i n t l 6g b u f 1 6 e 6 0 ； 由上面的定义可以看出，一个缓冲区可以存放1 6 条原语。它是一个二维数 组，每一维的第一个元素用来表示是否有数据存放，这样就实现了原语的存放。 下面将给出基本链路流程图： 图4 4 基本链路程序流程图 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章b s c 协议 上图为基本链路数据的发送过程，这是发送的一般过程，并没有包括所有的部分。 具体的代码可以查看附件中的程序。 4 3m l e 系统概述 m l e 是移动链路实体的英文缩写。m l e 负责控制较低层与无线电相关的功能， 包括基站与移动台无线电连接管理，登记区之间的移动性管理，移动台身份管理， 服务质量控制和协议鉴别。 4 3 1 札e 的功能结构 下图为m l e 系统的功能结构图。m l e 子系统的功能基本e h - - 个子模块完成， 它们是附属管理、数据传输、网络广播。下面一一介绍各部分的功能。 图4 5m l e 层功能结构图 1 附属管理 附属管理子模块对小区初选和小区再选程序负责。小区初选和小区再选程序包含 下列功能： 2 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章b s c 协议 通信资源接入； m l e 控制所有通信资源的接入。当m s 通电或其他启动后，在删注册完成后， m l e 将收到m l e - o p e n 请求原语，附属管理模块接收该原语，并使用m l e - o p e n 指示原语向c m c e 、s n d c p 报告链路接入打开。 小区再选通告和宣告管理； 通过数据传输子模块通知上层实体c m c e 、s n d c p 中断和恢复m l e 连接； 2 数据传送 m l e 数据传送子模块主要完成m l e 本层之间的以及m l e 与m s c 、下层l l c 之间的 数据传送的处理功能，主要内容涉及如下： 地址处理 m l e 管理所有用户地址( 即i t s i 和g t s i ) 和管理身份码( 即t m i ) 。 下层l l c 服务的选择： 通知上层实体c m c ea n ds n d c p 接入或者关闭通信资源： 路由和复用第二层服务终点和链接( 包