（通信与信息系统专业论文）tdscdma终端协议栈软件测试方法研究.pdf

北京交通大学硕士论文 中文摘要 中文摘要 摘要：t d - s c d m a 是我国具有自主知识产权的第三代移动通信标准。在整个 t d s c d m a 产业链中，终端是至关重要的一环。终端的通信功能主要依赖于终端 协议栈软件，只有依靠性能可靠的协议栈软件，用户的通信需求才能得到满足， 通信质量才能得到保障，因此，研究t d s c d m a 终端协议栈软件的有效测试方法， 从根本上保证协议栈软件的质量，对t d s c d m a 产业化具有重大意义。 论文对t d s c d m a 终端的软硬件架构进行了研究，明确了协议栈在终端中的 地位。对t d s c d m a 终端侧协议栈的结构，功能和通信机制进行了研究。结合 c m m i 等软件工程理论、软件测试理论和项目经验，针对t d s c d m a 终端协议栈 软件项目的特点，提出了一种协议栈软件测试模型和一套测试方法，能够有效保 证协议栈软件测试质量。提出了优化t d s c d m a 终端协议栈软件系统测试用例集 的方法，在保证功能覆盖的同时进一步提高了测试效率。设计了一种用于 t d s c d m a 终端协议栈软件系统测试的软硬件协同铡试方法，并对方法的有效性 进行了验证。 关键词：t d s c d m a ；协议栈；软件测试 分类号：t n 9 2 9 5 3 北京交通大学硕士论文 a b s t ra c t a b s t r a c t ：1 】d s c d m ai st h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r do f w h i c hc h i n ah a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s 1 1 艟r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o f i d s c d m at e r m i n a li sak e yi s s u et ot d s c d m ai n d u s t r i a l i z a t i o n p r o t o c o ls t a c k s o r w a r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm o d u l e sf o rt e r m i n a ls o l t w a r e w i t h o u tas t a b l e a n dr e | i a b l ep r o t o c o ls t a c k , c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n to fu s 懿c a nn o tb es a t i s f i e d w e l l ，a n dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo f u s e r sc 锄n o tb eg u a r a n t e e d t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho f t e s tm e t h o do ft d s c d m ap r o t o c o ls t a c ks o f t w a r et og u a r a n t e eq u a l i t yo ft e r m i n a l p r o t o c o ls t a c ks o f l w a r o ) i ss i g n i f i c 姐ti nt h ep r o c e s so f t d - s c d m a i n d u s t r i a l i z a t i o n i nt h i st h e s i s f i r s t l y , s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r c h f f e c t m eo f t d - s c d m at e n n i n a la r o i n t r o d u c t e d s e c o n d l y , t h es t r u c t u r e , f u n c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo f t d - s c d m at e r m i n a lp r o t o c o ls t a c ka r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l s n e x t , a c c o r d i n gt ot h e c h a r a t e r i s t i co f t d - s c d m at m a lp r o t o c o ls t a c ks o f t w a r ep r o j e c lc o m b i n i n gt h e o r y o fs o f t w a r ep r o j e c ta n dt h e o r yo fs o f t w a r et e s ta n de x p e r i a l c ef r o ms e v e r a lt e r m i n a l s o r w a r e p r o j e c t s ，a t e s t m o d u l e a n d a s e t o f t e s t m e t h o d s w h i c h c a n i m p r o v e t h e q u a l i t y a n de f f i c i e n c yo ft d s c d m ap r o t e c o ls t a c ks o r w a r et e s ta l ep r o p o s e d t h e n a m e t h o dw h i c hc a no p t i m i z et e s tc a s es e to f t d s c d m a p r o t o c o ls t a c ks o f t w a r es y s t e m t e s ti sp r o p o s e d f i n a l l y , b a s e do nc h a r a c t e r i s t i co fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e o ft d s c d m at e r m i n a l ，as o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o o p e r a t i o nt e s tm e t h o d ，w h i e h i n c l u d e sb _ i g hl a y e rp r o t o c o ls i g n a lt r a c i n g , p h y s i c a ll a y e rm o n i t o r i n ga n dp r o g r a m p l a y b a c ki sd e v e l o p e d ，a n dv a l i d a t i o no f t h i sm e t h o di sp r o v e n k e y w o r d s ：t d s c d m a ；p r o t o c o ls t a c k ；s o f t w a r et e s t c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 3 北京交通大学硕士论文图清单 图清单 图2 - 1t d s c d m a 终端的硬件架构1 2 图2 - 2 t d s c d m a 终端软件架构1 4 图3 - lt d s c d m a 接入网结构图1 6 图3 - 2t d s c d m a 终端协议栈的分层结构1 7 图3 3 终端侧r r c 层的协议模型2 8 图3 _ 4 支持p s c s 的u n i t s 非接入层协议模型3 0 图3 5r r c 建立过程的信令流程图3 4 图4 1 不同阶段的缺陷修改成本3 5 图铊缺陷放大模型3 6 图4 3v 模型3 8 图“w 模型3 9 图4 - 5 带有质量控制和缺陷管理的改进型w 模型4 2 图粕t e s t l o g 测试用例列表4 3 图4 - 7t e s t l o g 自动生成的饼状图和柱状图样式的测试报告4 4 图4 8 软件缺陷的管理流程4 5 图乒9m a n t i s 的主界面4 5 图4 - 1 0m a n t i s 的b u g 统计界面4 5 图4 - 1 1 协议栈软件测试流程4 6 图4 - 1 2r r c 层协议一致性测试系统架构4 9 图5 一l 测试用例集优化算法流程图5 3 图6 1j t a g 仿真器5 8 图6 - 2 物理层监视器软件工作窗口5 8 图6 - 3u a r t 和u s b 之间的转换5 9 图6 4 信令跟踪软件功能示意图5 9 图6 - 5 信令跟踪软件工作窗口6 0 图6 - 6t r a c e r 3 2 界面6 0 图昏7 测试网络环境示意图6 1 图6 - 8 测试设备连接示意图6 3 图6 - 9c sm oc a l l 的信令流程6 6 北京交通大学硕士论文表清单 表清单 表3 1 物理层和r r c 子层间的状态原语1 9 表3 2 物理层和r r c 子层问的控制原语1 9 表3 - 3 物理层和m a c 子层问的原语1 9 表3 - 4 传输信道2 0 表3 5 物理信道2 0 表3 - 6 传输信道与物理信道的映射关系2 1 表3 7 逻辑信道与传输信道的映射关系2 3 表3 - 8 m a c 层和r l c 层之间的原语2 4 表3 - 9 m a c 层和r r c 层之间的原语2 5 表3 1 0r l c 层和高层之间的原语2 6 表4 1t d s c d m a 终端协议栈软件测试方法集4 7 表5 1 切换测试用例与需求的对应关系5 4 表6 1c s 业务测试需要的软件6 2 表6 2p s 业务测试需要的软件6 2 表6 3 测试需要的硬件6 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：金镐 签字日期：知一年t 2 月纫日 导师签名：彳枷 签字日期：刁年，明砑日 ， 北京交通大学硕士论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：金稿 签字日期： 帅7 年2 月功日 致谢 首先我要感谢我的导师钟章队教授。钟老师我国通信领域的中青年专家，承 担着多项重大科研项目，平时总是不辞辛劳地往返于北京和青藏线等我国铁路重 点建设区域。但即使在这样繁忙的工作中他依然给予了学生们悉心的教导和无微 不至的关怀。他严谨求实的治学态度，开阔的视野，对通信行业、对中国铁路建 设事业和对国家发展的强烈责任感给了我极大的影响、启发和鼓舞：他在职业规 划、人生目标上给与的点拨与帮助更是让我受益匪浅。在此衷心感谢钟老师在两 年半的时间里对我的关心和指导。 朱刚副教授作为我们的班主任，帮助我们制定了科学的学习计划，他的高标 准严要求让班级形成了优秀的学习风气，使我们顺利完满的完成了专业课的学习， 为进行科研工作打下了坚实的基础。在此向朱阿老师表示衷心的谢意。 杨焱老师和许荣涛老师对我的论文提出了许多的宝贵意见，王化深老师、王 壬5 l 老师、赵岚老师、熊慧丽老师、董丽敏老师、何建军老师和电信学院团委的老 师们在研究生期间都给与我很多的帮助与指导，在此一并表示感谢。 我还要感谢我的研究生同学们，尤其是周茜、陈皓、李丹、吴祖辉、林俊亭、 杜加懂，他们在我研究生学习、生活期间给予了热情帮助，感谢他们的无私与慷 慨，也感谢他们优秀的科研能力和充满智慧的思想所带给我的启发。 同时我要感谢我的实习单位摩托罗拉( 中国) 电子有限公司、法国电信北京 研发中心和北京天暮科技有限公司。它们为我提供了很多学习和提商的机会，论 文中的很多灵感都来自于在这些公司实习过程中的体会。它们优秀的管理和卓越 的企业文化也对我产生了很重要的影响。 最后我要感谢我的父母和女友，他们的理解、支持、帮助和鼓励使我能够专 心完成学业，使我能够时刻保持脚踏实地、奋斗不息的生活态度。因为有他们， 我才能对未来更加充满信心。 引言 1 引言 1 1 课题研究背景与意义 从1 9 7 8 年美国贝尔实验室研制出第一代移动通信系统a m p s 以来，移动通信 得到了快速发展。第二代移动通信系统g s m 和i s - 9 5 用了短短十几年的时间就已 遍布世界各地。第二代移动通信系统实现了从模拟制式到数字制式的转变，解决 了第一代系统频谱利用率低、业务种类受限、通话易被窃听等缺点，语音传输质 量好，并可实现稳定的低速数据业务。但随着国际交流的日益频繁和对信息的需 求与日俱增，人们迫切的需求一种可以实现全球漫游、能够提供高速数据业务和 更多业务类型的移动通信网络。 1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 提出了第三代移动通信的概念，很多国家和地区都 提出了相关的通信标准。1 9 9 8 年6 月，我国向国际电联提出了自己的第三代移动 通信系统标准t d s c d m a 。2 0 0 0 年5 月，t d - s c d m a 被国际电联接纳为与 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 并列的第三代移动通信系统三大主流标准之一1 1 。 t d s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的所有技术优势，具有灵活的空中接口， 并采用了智能天线、联合检测等一系列先进技术。t d s c d m a 与其他第三代移动 通信系统标准相比，主要在以下三个方面具有较为明显的优判l 】： ( 1 ) 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力 t d s c d m a 采用了t d d 方式，仅需要1 6 m h z ( 单载波) 的最小带宽，频 率安排灵活，不需要成对的上下行频率。无论利用1 5 m h z 带宽组网，还是1 0 m h z 、 5 m h z 带宽组网，均可一定地区组成蜂窝网。这些都有效解决了当前频率资源紧张 的问题。 ( 2 ) 高频谱利用率 t d s c d m a 频谱利用率高，抗干扰能力强，系统容量大，适用于在人口密集 地区传输对称与非对称业务，尤其适合i a t c m e t 业务。 ( 3 ) 设备成本低 具有自主知识产权，设备成本低，系统性价比高，可大大节省系统建设和运 营成本。 t d - s c d m a 系统的建设与完善对于我国信息产业发展具有战略意义，因此对 t d s c d m a 系统的研究在我国一直是一个热点问题。 终端是移动通信系统的重要组成部分之一，它也是一个移动通信系统能否在 市场上获得成功的决定性因素因为终端是网络与用户之间的唯一媒介，只有终 9 北京交通大学硕士论文 端技术过硬，用户才能稳定的使用网络提供的服务，反之，如果终端通性能不理 想，用户对于网络的满意度就会大打折扣，进而会极大的影响戮鼹络的推广与发 展。正是由于终端的这种重要性，我国一直都把t d - s c d m a 终端产品的研发做为 系统产业化过程中的重点攻关对象。而协议栈软件是实现t d s c d m a 终端通信功 能的核心模块，它负责将用户的业务需求转换成网络可接受的形式并传送给网络， 同时也要把来自网络的数据与指令传转换成用户可识别的业务状态，是否具备功 能完善、性能稳定的协议栈软件是t d s c d m a 终端能否走向成熟的关键要素。目 前我国已有一些厂商开展了t d s c d m a 终端协议栈软件的研发工作并取得了令 人瞩目的成绩。但由于t d s c d m a 标准本身还在进一步发展和完善之中，而且不 断有如n 频点多载波、t d - s c d m a g s m 自动双模、h s d p a 、m b m s 等新技术的 加入，协议栈软件也在随之不断的改进和增强，这对t d s c d m a 终端协议栈软件 的产品质量与研发进度提出了越来越高的要求。如何既能保证产品质量稳定过硬 又能使产品快速推出正在成为t d s c d m a 终端产业化过程中亟待解决的问题，因 此，研究更高效、更有效的t d - s c d m a 终端协议栈软件测试方法具有重要的现实 意义。 1 2 研究方法与研究目标 本文在分析研究t d - s c d m a 终端的软硬件架构和t d s c d m a 终端协议栈工 作原理的基础上，吸收借鉴c m m i 等软件工程思想和软件测试领域的研究成果， 结合多个终端软件测试项目的经验，对t d s c d m a 终端协议栈软件测试方法进行 了系统和深入的研究。论文拟在以下三个方面取得研究成果： ( 1 ) 提出一种能够有效保证t d - s c d m a 终端协议栈软件质量和项目进度的 测试模型和测试方法集。 ( 2 ) 提出精简优化t d - s c d m a 终端协议栈软件系统测试用例集的方法，提 高t d - s c d m a 新技术应用条件下系统测试的效率。 ( 3 ) 设计一种高层信令跟踪、物理层数据监视和程序运行重放相结合的软 硬件协同测试方法，并通过实测案例对该方法的有效性进行检验。 1 3 论文内容组织形式 在内容安排上，全文共分六章： 第一章：引言。介绍了本课题的研究背景，指出了研究t d - s c d m a 终端协议 栈软件测试方法的意义介绍了本文中采用的研究方法和拟取得的研究成果。介 l o 引言 绍了论文的内容组织形式。 第二章：t d - s c d m a 终端软硬件架构。研究了t d s c d m a 终端的硬件架构 和软件架构，对软硬件各组成部分进行了介绍，重点指出了协议栈软件在硬件平 台上的运行方式和在终端整体软件架构中所处的层次地位。 第三章：t d s c d m a 终端协议栈原理。介绍了t d s c d m a 终端协议栈的层 次结构和各层的主要功能，并以r r c 连接建立过程为例对协议栈的工作机制进行 了研究。 第四章：t d s c d m a 终端协议栈软件测试模型和测试方法集研究。介绍了软 件测试和c m m i 的基本理论；提出了可有效保证t d s c d m a 终端协议栈软件质 量和项目进度的测试模型，并搭建了与测试模型相配套的测试平台；提出了适用 于t d s c d m a 终端协议栈软件项目的钡4 试方法集。 第五章：测试用例优化算法研究及其在t d s c d m a 终端协议栈软件系统测试 中的应用。研究了一种可以有效精简测试用例集的算法，并应用该算法对 t d s c d m a 终端协议栈软件系统测试的测试用例集进行了优化。 第六章：t d s c d m a 终端协议栈软件系统测试方法研究及应用。研究了如何 通过软硬件跟踪协议栈各层信令；详细介绍了如何搭建系统测试的测试环境和如 何执行测试；以实测用例对软硬件协同测试方法进行了检验，并证明了方法的有 效性。 北京交通大学硕士论文 2t d - s c d m a 终端软硬件架构 随着电子技术、通信技术和软件技术的快速发展，现在的终端设备正在向小 型化、多功能化、高集成化、高性能化、智能化和开放化的方向发展。本章将简 要介绍t d - s c d i v l a 终端的软硬件架构，并明确协议栈在其中所处的层次和运行机 制。 2 1t d - s c d m a 终端的硬件架构 t d s c d m a 终端的硬件架构如图2 1 所示 圄2 - 1t d - s c i ) i v l a 终端的硬件架构 f i g u r e2 - 1h a r d w a x e , a r c h i t e c t u r eo f t d - s c d m a t e r m i n a l 各部分的功能如下： ( 1 ) 射频模块 3 1 射频模块主要包括发射机和接收机。发射机负责把来自基带的信号经过两级 混频调制到射频频段，再经过功率放大器放大后由天线发射出去：接收机负责将 天线接收到的信号经过低功率噪声放大器、混频器后送入基带 ( 2 ) 模拟基带模块1 3 】 模拟基带模块主要负责把射频接收下来的模拟信号变为数字信号以便后面的 数字基带模块处理，同时也把数字基带模块处理过的数据变为模拟信号送给射频 模块发射。 有些高整合度的终端设计方案也会将模拟基带模块和数字基带模块，或者和 t d - s c d m a 终端软硬件架构 电源管理模块整合在一起，以减少终端元器件的数量，简化设计开发生产的难度 和降低功耗。 ( 3 ) 数字基带模块 数字基带模块是终端通信功能和系统控制的核心。其中d s pm o d e m 部分主要 完成t d - s c d m a 协议栈物理层的基带处理功能，包括数字联合检测、调制解调、 交绷解交织、信道编码译码、脉冲整形等。协议栈软件中的l i c 层、l 2 层和l 3 层 部分，操作系统、驱动软件、人机界面、应用程序等则由a r m 处理器来处理。同 时数字基带模块还有管理各种外设和接口的能力。 随着3 g 、w i f i 、w i m a x 等可以提供高速数据业务的无线网络的发展以及手 机的功能不断与传统p c 机系统功能相融合，传统的由单颗数字基带芯片同时完成 协议处理、软件运行和外设管理等多重任务的模式越来越体现出性能不足的态势， 因此目前很多具备丰富业务能力的终端在数字基带芯片之外加上一颗独立的应用 处理器，专门完成各种应用功能的实现和大部分外设的管理，进而使数字基带芯 片能够充分使用它的运算能力来做好协议处理的工作。但这样的双c p u 架构带来 的缺点就是系统复杂度、成本和功耗的上升。 同时，也有些厂家用一种新的芯片架构实现了各方面要求的平衡。这种架构 的数字基带芯片也是一个d s pm o d e m 和一个a r m 处理器的架构，但d s p 不仅承 担物理层的协议处理工作，高层的协议也通过它运行，这样a r m 处理器的绝大多 数资源就被解放出来运行应用程序。 ( 4 ) 电源管理模块 电源管理芯片主要负责各个功能模块的供电，并负责省电模式下的管理。 ( 5 ) 各种外设 r o m r a m f l a s h 模块为终端提供动态和静态的存储空间。键盘模块提供基本 输入功能。音频模块一般用d s p 实现，可完成通话过程中的语音编解码，完成 m p 3 等格式音频文件的编解码。l c d 摄像头视频模块用于图形显示、图像处理和 视频文件的编解码。s t m u s i m 模块用于支持s i m 古，u s i m 卡。w i f i 模块、蓝牙 模块和各种接口扩展了终端的连接能力。g p s 模块可为终端提供g p s 导航功能。 外接存储卡模块则为终端用户提供了采用各种存储卡来增加终端存储空间的功 能。 2 2t d - - s c d i n a 终端的软件架构 由于功能和佳能等方面的特殊需求，手机终端软件对内存占用，c p u 占用， 资源管理、响应速度，异常处理，稳定性和扩展性等方面要求较高，而且为便于 1 3 北京交通大学硕士论文 第三方应用程序的开发和集成，手机终端中要设置屏蔽底层差异性的中间层。 t d - s c d m a 终端的软件架构如图2 - 2 所示【4 】。 图2 - 2t d - s c d m a 终端软件架构 f i g u r e2 - 2s o f t w a r es m m u r eo f t d - - s c d m a t e r m i n a l 各部分主要功能如下： ( 1 ) 驱动模块 驱动模块主要由d s pm o d e m 驱动和数字基带芯片控制的各种外设的驱动组 成，主要包括l c d 显示屏、键盘、音频设备、存储设备、时钟、电源管理模块、 各种接口、u s i m s i m 卡等的驱动程序。 ( 2 ) 物理层适配模块 物理层适配模块用于对d s pm o d e m 、语音接口和射频模块的控制，由协议栈 软件中的l 1 c 子层和操作系统负责对它进行控制 ( 3 ) 协议栈模块 协议栈模块是整个终端的通信功能核心，通过它终端才能完成和网络之间的 通信。t d - s c d m a 协议栈模块的具体结构将在本文的下一章中介绍。 ( 4 ) 操作系统嘲 操作系统是终端软硬件资源管理和控制的核心，它隐藏了硬件设备的物理差 异，使硬件系统与上层软件具有了相对独立性。终端操作系统具有很好的实时性， 1 4 具体功能有：带有优先级的任务调度；在不同的进程和任务问传递消息；定时器 功能：中断处理；静态和动态的内存管理；队列管理；进程管理和有限状态机的 实现等。 目前t d s c d m a 终端使用的大多是封闭式操作系统，这类操作系统具有架构 简单、占用内存空阃小，节电等特点，相对于开放式操作系统来说不具备功能扩 展性。随着t d s c d m a 软硬件架构的不断完善，已经在g s m g p r s 、w c d m a 等通信终端中得到广泛应用的开放式操作系统也被应用到t d s c d m a 终端中来。 ( 5 ) 操作系统适配模块 操作系统适配模块的主要功能是屏蔽操作系统和底层通信模块、硬件平台的 差异性，通过为上层的用户界面应用程序模块提供统一的应用程序接口方便应用 软件的开发。一般来说，操作系统适配模块会包含a t 命令解析器、t c p i p 协议 栈、协议栈中间件等子模块。 ( 6 ) 用户界面，应用程序模块 用户界面应用程序模块为用户提供图形化的操作界面和各类应用程序的入 口。该模块对终端的通信性能影响不大，但它的设计水平直接影响终端的功能性、 和使用的便捷性。 ( 7 ) 测试模块 测试模块可以在用户界面上提供终端的工程模式，如显示接收信号的强度、 邻小区列表等，用于系统测试。 北京交通大学硕士论文 3t d - s c d m a 终端协议栈原理 第三代移动通信系统与g s m 系统最大的不同在于无线接入技术的不同， t d s c d m a 的接入网是一个全新的网络。如图3 1 所示，t d - s c d m a 接入网包括 一个或几个无线网络子系统( r n s ) ，一个r n s 由一个无线网络控制器( r n c ) 和一个或多个基站n o d eb 组成r n c 与核心网之间是i u 接口，n o d eb 和r n c 之间为i u b 接口。在接入网内部r n c 之间通过i u r 接口互联。r n c 用来分配和控 制与之相连或相关的n o d e b 无线资源。n o d e b 则完成i u b 接口和u u 接口之间的 数据流的转换，同时也参与一部分无线资源管理。终端则通过u u 接口与接入网相 连【2 】。 核心两 l 。 i ：r n s i r n s i il 心cl 扣l 1 ： li 。 il 吵“少 in 。d c bi i n 。蚓 匕 m c bl l n o dc b j) dl c (3 c ib3 c u u 一一u u 一一u t l u u 终端 图3 - it d s c d m a 接入网结构 f i g u r e3 - is t r u c t u r eo f t i ) - s c d m a r a n 3 1t d s c d m a 终端协议栈架构 从图3 1 中可知，t d s c d m a 终端通过u u 接口与网络进行联系，因此终端 协议栈架构的基础就是u u 接口协议。同时考虑到在实现过程中软硬件的协调，一 般都会在物理层和m a c 层之间引入一个中阃层l ic o n t r o l ，用于对d s pm o d e m 进行控制。 1 6 t d - s c d m a 终端协议栈原理 t d s c d m a 终端协议栈的分层结构如图3 - 2 所示。 loi 卤卣 申蛳 i ： ， m m g m mu 1 l a s “。f l u p d c pb m c l 产一牵一争争 卜 m a c y | h l 志。洲 ! ! 二二二二 图3 - 2t d - s c d m a 终端协议栈的分层结构 f i g u r e3 - 2l a y e r e ds 岫r eo f t d - s c d m a t e r m i n a lp r o t o c o ls t a c k 在u u 接口上，协议栈按其功能和任务，被分为物理层( l i ) 、数据连路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 等3 层。其中l 2 又分为媒体接入控制( m a c ) 、无线链路控制( r l c ) 、 分组数据会聚协议( p d c p ) 和广播多播控制( b m c ) 等四个子层。l 3 和r l c 按 其功能又被分为控制平面和用户平面，l 2 的p d c p 和b m c 只存在于用户平面中。 在控制平面上，l 3 又分为无线资源控制( r r c ) 、移动性管理( m m ) 和连接管理 ( c m ) 等3 个子层，其中c m 层还可按其任务进一步进行划分( 如呼叫控制c c 、 补充业务s s 、短消息s m s 、会话管理s m 等功能模块) 。按其信令及过程是否和 接入有关，u u 接口协议也被分作接入层( 包括l 1 、l 2 和l 3 的r r c 子层) 和非 接入层( m m 、c m 等) 2 1 。 在图3 - 2 中，用圆圈来标注的是层( 或子层) 之间的业务接入点( s a p ) 。在 物理层和m a c 子层之问的s a p 提供传输信道，在r l c 子层和m a c 子层之间的 s a p 提供逻辑信道，子层提供3 类s a p ，对应于r l c 的3 种操作模式：非确 北京交通大学硕士论文 认模式( u m ) 、确认模式( a m ) 和透明模式( 刑) 。在控制平面中，接入层和非 接入层之间的s a p 定义了通用控制( g c ) 、通知( n t ) 和专用控制( d c ) 等3 类 业务接入点埘。 从图3 - 2 中可知，除了在相邻的层或子层之间可以进行通信外，在不相邻的层 或子层之间也可以进行通信。例如，在r r c 予层与m a c 子层和l 1 层之间都有控 制s a p ，这些控制s a p 是r r c 用来控制l 1 和m a c 配置【2 】。 根据协议栈的分层结构，低层通过s a p 向高层提供服务，这些服务是通过原 语来实现的。对于控制s a p ，可以跨过不同的层或子层来向高层提供服务。 为了适配终端高层协议栈和物理层，充分发挥数字基带芯片在软件运行和数 字信号处理方面的专长，在终端的高层和物理层之间增加了l 1c o n t r o l 层( 简称为 l 1 c 层) 。l 1 c 层是高层协议栈和物理层之间的桥梁，它的主要功能有：与高层 ( m a c 和i 强l c ) 的接口处理；识别、解析高层发来的消息( 命令或数据) ，并启 动相应的任务进行处理；将准备上报给高层的信息，按与高层约定的格式进行封 装并发送给高层。负责与d s pm o d e m 的通信，控制物理层过程，如物理层测量， 传输信道到物理信道的映射等，反馈物理层上报的信息，如测量报告等f 6 】。在下文 的物理层协议部分不再单独区分l 1 c 的功能和底层的基带处理功能。 3 2 接入层 3 2 1 物理层嘲 物理层位于o s i 参考模型中的最底层，它的主要任务是为上层提供数据传输 服务以及完成其它一些基本过程，如基带信号处理，物理层测量、功率控制、上 行同步、小区搜索、随机接入等。物理层向上层提供的服务主要通过请求、证实 和指示这3 类层问抽象服务原语来实现。物理层通过控制信道与r r c 层通信，通 过传输信道与m a c 层通信 ( 1 ) 控制信道 控制信道位于r r c 和物理层之间，信道上主要传递控制类和状态类的信息。 物理层和r r c 层之间的原语可以分作两类，一类叫做状态原语，而另一类叫做控 制原语，分别如表3 1 和表3 2 所示。r r c 通过控制信道对物理层的结构及过程进 行控制，如传输信道结构、无线链路配置、测量过程及参数等。而物理层则通过 同一信道对来自r r c 的请求进行证实。控制信道上的原语只在本地两层之间传递， 不会通过空中接口发送，所以开发者可以根据需要进行扩充新和自定义。 表3 - 1 物理层和r r c 子层问的状态原语 t a b l e3 - 1s t a t u sp r i m i t i v e sb e t w e e l l 脚i c a ll a y e ra n dr r c l a y e r 原语名 说明 c p h y = s y n c - i n d c p h y - o u t - o f - s y n c - i n d c p 删翰鲫职m 锄“t e q c p h y d 订e a s u r e m e n t - i n d c p h y e 胁i n d 物理层向r r c 指示由c c t r c h 标识的物理信道同步已经建立 物理层向r r c 指示过去建立的同步已丢失 r r c 用该原语来配置物理层的测量参数 物理层用该原语来向r r c 报告测量结果 物理层向r r c 报告检测到了某种严重的错误 表3 2 物理层和r r c 子层问的控制原语 t a b l e3 - 2c o n t r o lp r i m i t i v e sb e n v p h y s i c a ll a y e ra n dr r cl a y e r 原语名说明 c p h y - t r c h - c o n f i g - r e q c n f c p h y - t r c h _ r e l e a s e - r e q c n f c p h y - r l - s e t u p - r e q c n f c p h y - r l - r e l e a s e - r e q c n f c p h y - r i , - m o d i f y - r e q c n f c p h y c o m m i t - r e q c p h y - o u t - o f - s y n c - c o n f i g - r e q c n f r r c 使用该原语配置或修改一条已经存在的传输信道 r r c 请求物理层释放一条已经存在的传输信道 r r c 请求物理层建立一条无线链路用于数据的收发 i l r c 请求物理层释放一条已经存在的无线链路 r r c 请求物理层改变一条已经存在的无线链路配置 r r c 用该原语来同步网络和终端的物理信道改变时间 r r c 请求物理层重新配置同步或失步检测的条件 ( 2 ) 传输信道 传输信道位于m a c 层和物理层之间，使用p h y 原语来提供层间数据传输服 务。m a c 层与物理层之间可并行存在多条传输信道。通过传输信道交换的内容多 涉及对等层实体之间的通信，因而在3 g p p 的规范中对传输信道进行了规范化处 理，定义了一系列的层间通信参数和通信过程。在通信建立或通信进行过程中， 网络随时可以对这些参数进行配置或重配置。m a c 层与物理层之间的通信原语名 及说明见表3 3 表3 - 3 物理层和m a c 子层间的原语 t a b l e3 - 3p r i m i t i v e st m t w o mp h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e r 原语名说明 p h y - d a t a - r e q m a c 层使用该原语来请求物理层向对等层实体发送数据 p h y - d a t a - i n d物理层通知m a c 层在所配置的传输信道上收到了数据 p h y - s t a t u s i n d物理层通知m a c 层发生了发送就绪、硬件故障等特定事件 北京交通大学硕士论文 道。 所有的传输信道可以按其性质将它们分为两类：公共传输信道和专有传输信 表3 4 传输信道 t a b l e3 - 4t r a n s p o r t c h a n n e l s ( 3 ) 物理信道 t d - s c d m a 系统的物理信道采用四层结构：系统帧号、无线帧、子帧、时隙 ，码。一个物理信道是由频率、时隙、信道码、训练序列位移和无线帧分配等诸多 参数来共同定义的。如表3 5 所示，物理信道按其承载的信息被分成了不同的类别： 表3 - 5 物理信道 t a b l e3 - 5p h y s i c a lc h a n n e l s 信道名描 述 p - c c p c h 主公共控制物理信道 s - c c p c h 辅公共控制物理信道 f p a c h 快速物理接入倍道 p r a c h 物理随机接入信道 仅用于承载来自传输信道b c h 的数据。u e 上电后将搜索 并解码该信道上的数据以获取小区系统信息 用于承载来自传输信道f a c h 和p c h 的数据 不承载传输信道信息，因而与传输信道不存在映射关系。 n o d eb 使用f p a c h 来响应在u p p t s 时隙收到的u e 接 入请求，调整u e 的发送功率和同步偏移 用于承载来自传输信道r a c h 的数据 t d - s c d m a 终端协议栈原理 p u s c h 物理上行共享信道 p d s c h 物理下行共享信道 p i c h 寻呼指示信道 d p c h 专用物理信道 承载来自传输信道u s c h 的数据 承载来自传输信道d s c h 的数据在下行方肉，传输信道 d s c h 不能独立存在，只能与f a c h 或d c h 相伴而存在 不承载传输信道的数据，但却与传输信道p c h 配对使用， 用以指示特定的u e 是否需要解读其后跟随的p c h 信道 用于承载来自专用传输信道d c h 的数据。物理层将根据 需要把来自一条或多条d c h 的层2 数据组合在一条或多 条c c t r c h 信道内，然后再根据所配置物理信道的容量将 c c t r c h 数据映射到物理信道的数据域 ( 4 ) 信道的映射及组合 传输信道的数据通过物理信道来承载，表3 6 给出了t d s c d m a 系统中传输 信道和物理信道的这种映射关系。从表中可以看出，所有的传输信道都有一个物 理信道与之相映射，而部分物理信道与传输信道并没有映射关系，也就是说，这 些物理信道不承载来自传输信道的信息。按3 g p p 协议规定，只有映射到同一物理 信道的传输信道才能够进行编码组合，因此来自p c h 和f a c h 的数据可以在物理 层进行编码组合生成c c t r c h ( 编码组合传输信道) 。其它的传输信道数据都只能 自身组合，而不能相互组合。另外，b c h 和r a c h 由于自身性质的特殊性，也不 能进行组合。 表3 石传输信道与物理信道的映射关系 t a b l e3 - 6m a p p i n go f t t a n s p o r tc h a n n e l sa n dp h y s i c a lc h a n n e l s 传输信道物理信道 专用物理信道d p c h