（通信与信息系统专业论文）tdscdmagsm双模终端综合测试仪低层协议栈的设计与实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： l 蜀 舀 e t 期： 2 里1 2 ：垒：圭空 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注 本人签名： 导师签名： 密在一年解密后适用本授权书。 日期： 兰生：! ! ：兰! 日期：掣且血l 一 北 在 序 网 必然选择，双模手机的产能和质量必将直接影响2 g 向3 g 的平滑过渡。因此双 模终端综合测试仪的开发需求也愈发迫切。在此背景下，作者参与了 “t d s c d m g s m 双模终端综合测试仪 协议栈的研发工作。 课题的研究目标包括完成g s m 低层协议栈软件模块的设计和编码调试，配 合其他模块共同搭建g s m 终端测试系统，还需完成仪表的系统集成和新测试功 能的添加，实现仪表全面升级至双模制式。 论文对比分析了t d s c d m a 和g s m 通信系统的技术特点，并着重分析了 g s m 系统的协议栈部分。在此基础上，设计并实现了基于状态机的g s m 低层协 议栈软件中l a p d m 模块；在分析原t d 综合测试仪的系统结构的基础上设计并 实现了双模仪表中协议栈部分的集成方案；在明确网络互操作性相关需求的基础 上，设计并实现了由t d 到g s m 的双模终端电路域切换流程的测试功能。 课题内容采用c 语言开发，利用进程内多线程调度算法，配合其他软件模 块，完成了研究任务，其研究成果已应用于“t d s c d m a g s m 双模终端综合测 试仪”，并已成功商用。 关键词：双模t d s c d m a g s m 协议栈l a p d m 系统间切换测试 北京邮电大学硕七研究生论文 t h ed e s i g na n dr e a l i z a n o n0 f p r o t o c o ls t a c ki nt d - s c d m a g s m d u a l m o d et e r m i n a lt e s t s e t a b s t r a c r t h et d - s c d m ap r o p o s e db yo u rc o u n t r yi sat e c h n i c a ls t a n d a r do ft h e3 r d g e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m t h a n k st ot h eh a r ds t u d ya n da c t i v ei n n o v a t i o no ft h e s c i e n t i f i cr e s e a r c hp e r s o n n e l ，i t sm o r et h a nad e c a d eh a sw i t n e s s e dt h er a p i d d e v e l o p m e n to ft d s c d m ai nc h i n a b u tt h ec o n s t r u c t i o no fa c t u a ln e t w o r ki sa g r a d u a lp r o c e s s ，i t sn e t w o r ks t i l lh a sl i m i t e dc o v e r a g e ，a n dt h ei n t e r - c i t yr o a m i n g r e l i e so ng s ma l lt h es a m e t oi n s u r et h eq u a l i t yo fs e r v i c e ，t h ed u a l - m o d ep h o n e s m u s tb ea ni n e v i t a b l ec h o i c ei nt h et r a n s i t i o np e r i o d t h e n ，b e c a u s eo ft h eh u g e n u m b e ro fg s m u s e r s ，t h ef u n c t i o n a l i t ya n dq u a l i t yo fd u a l - m o d ep h o n e sw i l ld i r e c t l y a f f e c tt h es m o o t ht r a n s i t i o nf r o m2 gt o3 g s oi t b r i n g sa nu r g e n td e m a n do ft h e d u a l - m o d et e s ts e td e v e l o p m e n tt o o u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di n d e v e l o p i n gt h eg s mp r o t o c o ls t a c ki n “t d g s md u a l m o d et e r m i n a lt e s ts e t ” t h er e s e a r c ho b j e c ti st oi m p l e m e n tt h eg s mt e r m i n a lt e s ts e ta n du p g r a d et h e o r i g i n a lt e s ts e ti n t oad u a l - m o d et e s ts e t t h i st h e s i sc o m p a r e da n da n a l y z e dt h et e c h n o l o g i e so ft h et w os y s t e m s ，a n d a t t a c h e dm o s ti m p o r t a n c et ot h eg s mp r o t o c o ls t a c k o nt h i sb a s i s ，d e s i g n e da n d r e a l i z e dt h el a p d mm o d u l ew i t ham e t h o db a s e do ns t a t em a c h i n e t h ei n t e g r a t i o n s c h e m eo ft h ep r o t o c o ls t a c kw a sw o r k e do u td e p e n d i n go nt h es t r u c t u r eo f t d - s c d m at e r m i n a lt e s ts e t e n s u r e dt h e r e q u i r e m e n t s o ft h e i n t e r o p e r a b i l i t y b e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e m s ，t h e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h et e s tc a s eo ft h e h a n d o v e rp r o c e s sf r o mt d - s c d m at og s mi nc sf 论l d t h ep r o t o c o ls t a c km o d u l ew a sd e v e l o p e db yca n du s e dt h em u l t i t h r e a d e d s c h e d u l i n ga l g o r i t h m w i t ht h ec o o p e r a t i o nb e t w e e ni ta n do t h e rp a r t s ，t h ew o r kw a s f i n i s h e d t h er e s e a r c hr e s u l th a sb e e nu s e di nt h e t d s c d m 【a g s md u a l - m o d e t e r m i n a lt e s ts e t ”，w h i c hh a sb e e np u ti n t oc o m m e r c i a lu s es u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：d u a l - m o d et d s c d m a g s m p r o t o c o ls t a c k l a p d m i n t e r - s y s t e mh a n d o v e rt e s t i n g 北京邮电大学硕士研究生论文 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 项目背景和选题意义。1 1 2课题研究内容及目标2 1 3 论文内容安排2 第二章g s m 与t d s c d m a 网络模式研究4 2 1g s m 系统与t d s c d m a 系统综述4 2 1 1t d s c d m a 第三代移动通信标准4 2 1 2t d s c d m a 与g s m 的技术差异。4 2 2g s m 第二代移动通信系统。6 2 2 1g s m 网络无线接口及系统结构6 2 2 2g s m 网络关键技术7 2 2 3g s m 协议栈8 2 3g s m 低层协议栈1 0 2 3 1低层协议栈定义1 0 2 3 2l a p d m 支持的信道1 0 2 3 3l a p d m 帧的结构及分类1 1 2 3 4l a p d m 层功能分析1 3 2 4本章小结1 5 第三章g s m 系统低层协议栈研究1 6 3 1g s m 测试系统简述1 6 3 1 1g s m 测试系统业务类型1 6 3 1 2 g s m 系统射频一致性测量项概述1 7 3 2 g s m 系统低层协议栈软件设计1 7 3 2 1g s m 低层协议栈软件架构设计1 7 3 2 2g s m 低层协议栈状态机设计方案2 0 3 3l a p d m 的设计与实现。2 2 3 3 1 l a p d m 状态机设计方案2 2 3 3 2 l a p d m 线程框架设计与实现2 3 3 3 3l a p d m 处理流程设计及接口实现算法2 4 3 3 4l a p d m 功能模块实现方案2 6 3 4 本章小结3 1 第四章双模系统集成与系统间切换功能开发3 2 4 1 双模系统集成方案一一。3 2 北京邮电人学硕七研究生论文目录 4 1 1t d s c d m a 单模终端综测仪系统结构一错误l 未定义书签。 4 1 2 双模系统协议栈部分集成方案3 3 4 2系统间切换功能的设计与开发。3 6 4 2 1终端连接模式下的系统间切换的必要性3 6 4 2 2t d s c d m a 到g s m 语音业务切换流程测试3 7 4 3 本章小结3 9 第五章总结与展望4 0 5 1论文及研究工作总结4 0 5 2收获与展望4 0 参考文献4 2 附录：4 3 1 改谢4 4 北京邮电大学硕士毕业论文第一章 第一章绪论 1 1项目背景和选题意义 中国自主提出的以智能天线、同步码分多址、接力切换、时分双工为主要特 点的t d s c d m a 技术，是以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的 第三代移动通信国际标准，是我国电信史上重要的里程碑。自1 9 9 8 年初诞生以 来，t d s c d m a 的发展前景及随之而来的无限商机吸引了众多的设备制造商、 研究机构纷纷投入到相关产品的开发阵营中来，覆盖了从系统、芯片、终端到测 试仪表的产业链的各个环节，极大地加速了t d s c d m a 产业化的整体进程。 科技进步的同时，人们对移动通信的要求也在不断提高。因此，t d s c d m a 在积极引入新的技术特性，( 如用于满足高速下行传输的需求的h s d p a ) 进一步 提高系统性能，满足用户需求。但实际网络的建设需要考虑覆盖成本、投资能力 等多方面因素，因此目前t d s c d m a 网络仍然主要覆盖奥运城市以及一些大中 型城市，服务水平始终低于用户期望值。只有依赖覆盖较好的g s m 网络，才能 提供优质的3 g 移动通信服务。面对网络覆盖率不全面的现实情况，如何在继承 g s m 移动网络通信覆盖优势的同时，让用户充分享受3 g 带来的新体验，将成 为网络建设初期必须考虑的关键问题。而双模手机的通行能力恰好能确保用户在 两种网络制式下都能享受到良好的通信服务体验，并且双模手机能有效降低运营 商的成本，最大程度地保护运营商的现有客户资源【1 l 。因此，在网络过渡阶段， 双模手机将成为市场的必然选择。鉴于上述原因，以t 3 g 于2 0 0 4 年推出的首款 t d s c d m 山6 s m 双模手机芯片作为开端，各大芯片厂家、终端厂家都将双模制 式作为主要发展方向。 在产业链中，终端测试仪表也是非常重要的一环，它适用于用户设备的研发、 生产、维修、认证各个阶段，提供射频指标、无线资源管理( r r m ) 一致性等全 方位的测试用例，是终端获得入网许可保障通信服务质量的关键要素。因此， 产业链对t d s c d m a g s m 双模终端测试仪的需求也日益紧迫。 根据网络现状，课题提出在原有t d s c d m a 终端综测仪的基础上开发g s m 射频一致性测试模块，升级至双模的研究课题。并针对目前市面上已有的 t d s c d 蝴s m 双模综合测试仪的普遍问题，即实际工作时仍为单模测试系 统，仅分别提供两种网络模式的测试功能。进一步增加了系统间互操作性相关的 测试流程，以实现真正意义上的双模测试系统。 综上，“t d - s c d 蝴s m 双模终端测试系统一项目具有一定时代性、创新 性，能满足当前产业链上的迫切需求，对国内3 g 事业的发展及t d s c d m a 标 北京邮电大学硕士毕业论文 第一章 准的推广具有积极意义。作者有幸参与了此项目，并负责其中低层协议栈的开发。 低层协议栈模块是系统中的必要组成，起着承上启下的关键作用，与资源配置、 空口信令息息相关，能表明网络制式、体现网络特点。因此低层协议栈开发是项 目中的重要研究课题，也是实现目标成果的关键环节之一。 1 2课题研究内容及目标 考虑到原有测试仪已涵盖t d s c d m a 的射频一致性测试；我国g s m 终端 历经近2 0 年的考验，已经相当成熟稳定，若提供g s m 射频一致性测试，将主 要应用在生产线上，仅需提供产线要求的4 个射频一致性测量项。因此要完成双 模系统升级，最高效的是完成仪表内g s m 测试模块的开发、系统集成和新测试 功能开发三方面工作。因此，本课题的研究对象也仅包含g s m 系统的低层协议 栈部分，即以l a p d m 层为主，包含部分r r + n a s 功能的协议栈软件模块实体。 具体的工作内容包括：g s m 测试系统低层协议栈软件模块的设计与实现，双模 测试系统中协议栈模块的集成和终端系统间切换测试的流程控制。 课题研究期望实现的目标成果有：设计并实现g s m 系统的低层协议栈中 l a p d m 软件模块，配合搭建g s m 单模终端测试系统并调试稳定，按协议规定， 提供测试系统所需的协议栈功能；根据原有仪表架构，设计合理的协议栈模块集 成方案，尽可能少地占用系统资源以实现仪表迅速、灵活地切换当前网络制式； 设计符合协议规范的空口信令交互流程和内部处理机制，与终端联调，实现双模 终端由t d s c d m a 到g s m 的系统间话音业务切换流程测试，支持双模终端测 试。 1 3论文内容安排 本论文共分为五章。 第一章将说明本文的行业背景和选题意义；归纳并总结课题研究的主要工作 内容和目标成果。 第二章将对比分析t d s c d m a 和g s m 两大通信系统的技术特点，并主要 分析g s m 通信系统。根据课题研究内容，重点探讨g s m 网络的l a p d m 层的 概念、结构、功能等关键要素。 第三章将简要分析g s m 测试系统的功能需求和原s p 6 1 0 0 测试仪中协议栈 软件模块的层次结构，并在此指导下，详细论述低层协议栈软件模块的开发过程。 如对低层协议栈软件模块及l a p d m 层的状态机设计思路的阐述、对具体实现方 案的探讨分析。本章的论述的重点在于低层协议栈模块中的主要功能实体 l a p d m 层的设计与实现 2 北京邮电大学硕士毕业论文第一章 第四章将首先概述原t d s c d m a 终端综合测试仪的系统架构和内部接口， 再据此讨论仪表中协议栈软件模块所采用的系统集成方案；说明新测试功能的设 计思路，并重点分析协议栈模块对其进行流程控制的具体实现方案。 第五章将总结全文，说明课题研究成果并简单回顾作者的科研工作情况；讨 论课题研究中一些有待改进的地方，最后将展望本项目的进一步研究方向。 3 北京邮电大学硕士毕业论文第二章 第二章g s m 与t d s c d m a 网络模式研究 2 1g s m 系统与t d s c d m a 系统综述 本节将对g s m 和t d s c d m a 两大通信系统技术特点做简单的对比分析， 了解通信系统从2 g 到3 g 的发展趋势。 2 1 1t d s c d m a 第三代移动通信标准 t d s c d m a 第三代移动通信标准作为世界公认的3 g 三大主流标准之一， 是中国通信史上第一个拥有完全自主知识产权的国际通信标准。它的提出，是整 个中国通信产业的重大突破，必将对我国乃至世界通信的发展产生深远的影响。 t d s c d m a 具有灵活的空中接口，并采用了同步c d m a 、智能天线、软件 无线电、低码片速率、动态信道分配( d c a ) 、接力切换和联合检测等一系列高 新技术。由于采用时分双工的工作方式和综合性多址接入方式提高了频谱利用 率，并大大增加了网络的抗干扰能力和系统容量。尤其适合于移动i n t e m e t 业务 ( 第三代移动通信的主要业务) 。因此，一经提出便得到广泛的重视和支持。图 2 1 说明了t d s c d m a 的多址方式：f d m a 以不同的频率信道实现通信，t d m a 以不同的时隙实现通信，c d m a 以不同的代码序列实现通信忙j 。 隅j 遣 c d m a 图2 1t d - s c d m a 多址方式结构示意图 2 1 2t d s c d m a 与g s m 的技术差异 g s m 系统是目前使用人数最多，覆盖范围最广的2 g 移动通信系统，为人 们的生活、工作带来了极大的便利。随着科学技术的不断发展，为了适应人们对 移动通信更加人性化、智能化、多媒体化的要求，第三代移动通信应运而生，作 为将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统除了能提 4 北京邮电大学硕十毕业论文第二章 供丰富的3 g 业务，是否也能提供如g s m 系统一样良好的通信质量，稳定的网 络环境，实现真正的“宽频多媒体全球数字移动电话技术 呢? 答案当然是肯定 的。但由于实际网络建设的相对滞后，将经历一个长期双网共存的过渡时期。新 生的3 g 系统的发展初期必须依靠现有的2 g 网络来保证覆盖。掌握两个系统的 技术特点，有利于网络系统的融合和演进，帮助实现网络的平滑过渡。因此本文 对它们的技术特点进行对比分析，总结出以下主要区别： 1 工作方式不同：t d s c d m a 系统采用的是t d d ( 时分双工) ，而g s m 系统 采用的是f d d ( 频分双工) 。 t d d 方案的优势在与系统可根据不同的业务类型来灵活地调整链路的上、 下行转换点1 4 1 ，相比必须使用成对的收发频率的f d d ，可提供最佳的频谱利用率 和业务容量；且t d d 上、下行工作于同一频率，电波传输的一致性使之很适合 运用智能天线技术，提高了设备的可靠性，还可以大大降低基站设备成本。当然， t d d 也存在缺陷：由于多采用时间分隔控制，相比f d d 的连续控制，将面临宏 小区覆盖的问题；其次，在芯片处理速度和算法上，t d d 暂时还达不到更高标 准，因此它可支持的峰值移动速率还远小于f d d 系统；最后，f d d 可消除邻近 蜂窝区基站和本区基站之间的干扰，抗干扰性能一定程度上好于t d d 系统。综 合考虑目前频率资源的稀缺及不对称数据业务量持续激增的现实，t d s c d m a 采用t d d 节约频谱资源，是科学合理且具有现实意义的。 2 无线传输技术不同：无线传输技术上两系统的差异主要体现在三个方面。 首先二者的多址接入方式不同。t d s c d m a 采用t d d 基础上的码分多址， 频分多址和时分多址相结合的多址接入方式，并加入了智能天线，将显著降低小 区及小区间干扰，增加系统容量、增益和覆盖半径。而g s m 采用f d d 基础上 的时分多址接入，并通过频率复用、跳频的方式提高频率复用率，增大系统容量： 两个系统的调制方式也不一样。相比t d s c d m a 使用的q p s k 、8 p s k 、 1 6 q a m 高阶调制技术，g s m 使用的g m s k 调制，提供的传输能力十分有限。 最后，t d s c d m a 引入了接力切换的概念。g s m 和t d s c d m a 均支持硬 切换，但由于t d s c d m a 工作在t d d 方式，基站根据接收信号估计上行和下 行信道特性比较容易，同时又采用了智能天线，上行同步等新技术。因此基于这 几种技术的接力切换让t d 系统具备了信道利用率高、切换成功率高的优越特性。 3 网络结构不同：网络的系统架构及内部层次由它提供的服务决定。 t d - s c d m a 的网络系统结构如图2 2 所示，阴影部分标识了g s m 系统从升 级至g p r s ，并进一步演进到t d s c d m a 网络结构中新增的功能模块。说明随 着网络模式的不断升级。系统的网络架构也在不断发生变化 5 北京邮电大学硕十毕业论文 第二章 图2 - 2t d - s c d m a 网络系统结构示意图 两个系统结构差异的产生，是由于当前日益丰富的业务类型和激增的数据 量，以及用户对通信速率、质量r 渐提高的需求导致的。因为要满足这些条件， 网络要提供更强的处理能力来更好更快地完成复杂的运算。但基于有限的技术水 平，依靠g s m 系统中为数不多的处理单元，是无法实现的。那么若根据流水线 思想，将复杂处理分解为若干步骤，由不同模块按一定流程分别实现，共同配合 完成。因此，t d s c d m a 系统必须增加新的处理模块来实现复杂的处理流程。 2 2g s m 第二代移动通信系统 通过上节的对比，t d s c d m a 系统展现了它明显的技术优势，因此2 g 网 络被3 g 网络取代是未来必然的发展趋势。但是必须考虑到过渡时期的网络现实 状况。g s m 网络是数字蜂窝移动通信系统的代名词，是第二代移动通信标准的 重要代表。目前，世界上已经有上百个运营商在g s m 分配的频带内运行，可以 想象，g s m 能向用户提供相当范围的覆盖，使用户在众多国家内漫游，实现名 副其实的“全球移动通信”。充分利用g s m 网络的现有资源，是辅助t d s c d m a 网络的发展建设，促进双网融合，实现网络平滑演进的首要任务。因此，本节将 继续深入研究g s m 通信系统。 2 2 1g s m 网络无线接口及系统结构 我国的g s m 通信系统采用9 0 0 m h z ( g s m 9 0 0 ) 和1 8 0 0 m h z ( d s c l 8 0 0 ) 两个 频段。在t d m a 中，每个载频被定义为一个t d m a 帧i 钔。相邻两频点问隔为 2 0 0 k h z ，每个频点，又分为8 个时隙，代表8 个全速率物理信道。g s m 系统中 的物理信道通常被定义为某个特定t d m a 帧固定位置上的时隙( i s ) ，一个t s 就是一个物理信道，因此这8 条全速率信道即为8 条物理信道。协议规定g s m 6 北京邮电大学硕士毕业论文第二章 i 赫_ i 摆o m c 氍t 凰j l 一兰# 三一军一一t 三= = = 已一j 丽芷一”一r - il i - 叫llr - l _ ：l 卤 五一 p s t n l s d n p d n 图2 - 3g s m 系统结构图【6 l 1 移动台( m s ) ：整个g s m 系统中用户能直接接触的唯一设备。用户识别模块 ( s i m ) 是其重要组成部分，包含所有用户信息和某些无线接口信息，也包括 鉴权和加密信息，它的应用，使得终端设备可以不固定于某单一用户。 2 基站子系统( b s s ) ：由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 两个功能实 体构成。对下，无线部分b t s 通过无线接口直接与移动台相接，负责信息的 无线传输及相关控制；对上，控制部分b s c 通过与n s s 中的移动业务交换 中心( m s c ) 和o s s 相连，完成对b s s 各接口、无线资源和无线参数的管理。 3 网路子系统( n s s ) ：由一系列功能实体构成。主要提供g s m 系统的交换功 能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。n s s 各功 能实体间、n s s 与b s s 之间，都通过7 号信令网路互相通信。 4 操作支持子系统( o s s ) ：负责移动用户、移动设备的管理及网路操作维护等。 2 2 2g s m 网络关键技术 g s m 网络系统作为移动通信发展史上的成功典范，有许多关键技术值得研 究探讨，总的来说，g s m 通信系统的技术特点可以归纳为以下几点： 1 g s m 系统结构清晰，各子系统间分工明确，且都有定义明确的标准化接口 方案，可保证所有g s m 系统设备间的互连。同时，g s m 系统与各种公用通 信网间也详细定义了标准接口规范，可以与各种公用通信网实现互连互通。 2 g s m 除了基本话音业务，还支持各种承载、补充业务及与i s d n 相关的业务。 3 g s m 系统采用的复用方式，抗干扰能力较强，系统通信质量高且频率复用 率也较高。同时它具有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。 4 g s m 系统采用了较强的鉴权和加密技术，能确保用户和网络的安全需求。 限于篇幅，本文仅简单论述g s m 系统中所使用的跳频技术及其积极作用。 7 北京邮电大学硕十毕业论文 第二章 跳频，可分为快速跳频和慢速跳频两种。g s m 中采用的是慢速跳频，指按 固定问隔改变一个时隙使用的频率。也就是移动台在每个时隙内部都使用固定频 率，而在该时隙后，下一帧对应的时隙要按网络配置的跳频规则使用新的频率。 g s m 中的跳频，又分为基带跳频和射频跳频两种。在实际网络建设时，要根据 具体情况选择适用的跳频方式。两者的主要区别在于：基带跳频通过腔体合成器 实现，射频跳频通过混合合成器实现1 7 1 。由于腔体合成器衰耗小，所以基站配置 较大时，基带跳频覆盖范围较大。但是混合合成器的发信机( t x ) 能发送所有参 与跳频的频点，腔体合成器的t x 仅能对应一个频点。那么当使用基带跳频时， 若携带b c c h 频点的t x 出现故障，将可能导致整个小区通信瘫痪。而射频跳频 的t x ，能自动通过另一载频发射携带b c c h 的t d m a 帧，因此一定程度上能 保证小区通信的稳定性。 通过采用跳频技术，能使小区内部用户所占频点的干扰被该载波的其它呼叫 共享，从而提高网络的整体性能。综上，通过跳频技术的运用，可以起到频率分 集和干扰源分集的作用，提高无线信号抗衰落的能力，并进一步提高g s m 网络 系统的频率利用率，加强系统的抗干扰能力，保证系统的通信质量。 2 2 3g s m 协议栈 g s m 协议栈结构如图2 4 所示，主要分为三部分： m ml a y e r 罔k 鬲而 r r s a p ( ；m h l ? k r s a l r r1 y f r n ( ) nr r c s 城 寸怼霄一s t x k 鑫4 南f 州la ( j khl磊1 i r r r rm a n a g e m e n t i l i i i r h ： 1 l 1 a i 胁 、r l | 一一一j l d c i i p h yfl1 ) 图2 _ 4g s m 系统结构图 8 北京邮电人学硕士毕业论文第二章 1 l i ：物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ，负责提供物理信道，透明地传送数据比特位。 提供的功能具体包括：数据的编解码、交织、加密、调制解调等等。由于物 理层开发将涉及调制解调等信号处理过程，与协议栈其他层的处理方式区别 较大。因此，在本课题中，物理层是作为独立的系统模块开发实现的。 2 l 2 ：数据链路层( d a t au l l l 【l a y e r ) ，主要负责数据在l 1 和l 3 之间的无差错 传输。在g s m 系统中仅包含如图中标注的c s 域的l a p d m 层；对应图中的 p s 域的r l c m a c 层，是在g s m 升级为g p r s 系统后，为支持速率较高的 分组域数据业务才出现的。 3 l 3 ：网络层( n e t w o r kl a y e r ) ，属于协议栈结构中的高层。仪表中主要实现了 其内部的r r ( r a d i or e s o u r c e ) 、m m ( m o b i l i t ym a n a g e m e n t ) 两个子层，m m 主要支持移动用户终端完成鉴权、位置更新等移动性管理过程，但所有m m 过程都必须建立在r r 连接已建立的基础之上。因此，r r 为l 3 提供基本服 务，即在无线接口上管理传输路径，也就是g s m 系统中的逻辑信道。g s m 系统的逻辑信道是根据传递的消息种类不同而定义的，映射到不同的物理信 道来实现数据的传输功能。由图2 - 4 可知，g s m 系统协议栈的电路域部分支 持以下逻辑信道： 1 业务信道t c h ：用于携载信息，包括语音或用户数据，支持多种速率。 2 控制信道：用于携带信令或同步数据，又可进一步分为广播信道( b c h ) 、公 共控制信道( c c c h ) 和专用控制信道( d c c h ) ： b c h ：下行信道，采用点对多点的传播方式，所携带的信息可被小区内 所有的手机接收。包括b c c h ，f c c h 和s c h 信道。其中频率校j 下信道 ( f c c h ) ，携带用于校正m s 频率的消息，配合同步信道( s c h ) 帮助终端完 成与基站的同步；广播控制信道( b c c h ) ，用于广播终端在空闲时仍保持有 效工作状态所需的大量网络信息，所有这些消息被称为系统消息。 c c c h ：不由某个用户专用，是面向小区内的所有用户的单向信道。包 括r a c h ，p c h ，a g c h 和c b c h 。在下行方向，p c h ，a g c h 和c b c h 分别广播寻呼请求、专用信道指配和短消息；上行方向，r a c h 是终端用于 发送专用信道的请求消息的唯一公共控制信道。具体来说，当网络想与某一 用户建立通信时，会利用寻呼信道( p c h ) 以点对多点的传播方式发起寻呼流 程；当网络收到此m s 发出的信道请求后，会根据该请求，通过接入许可信 道( a g c h ) 向所有移动台广播信道分配的有关信息，来完成专用信道的分 配；小区广播控制信道( c b c h ) 用于广播短消息和本小区内一些公共的消 息；当某终端想与网络建立连接时，将通过随机接入信道( r a c h ) 发送接入 请求，或者用于发送终端对寻呼消息的应答，也属于点对点传播方式。 9 北京邮电大学硕十毕业论文 第二章 d c c h ：提供给某一个具体的m s 专用的信道类型，包括s d c c h 、 s a c c h 、f a c c h 。其中独立专用控制信道( s d c c h ) 主要用于传送建立连接 时的交互信令、为双向专用信道；慢速随路控制信道( s a c c h ) 伴随t c h 和 s d c c h 出现。在上行链路主要传递无线测量报告和第一层报头消息；下行 链路它主要传递系统消息的部分类型及第一层报头消息；快速随路控制信道 ( f a c c h ) ，可用于信令消息的高速传送。原理是通过借用2 0 m s 的话音突发 脉冲序列来传送信令，即占用业务信道t c h 的资源，这种情况被称为偷帧。 2 3g s m 低层协议栈 通过本文对g s m 的网络结构，关键技术，协议栈机构及支持信道的概述， 可以从整体了解g s m 低层协议栈软件模块在g s m 通信系统中的需要提供的功 能。本节在此基础上，将以l a p d m 为论述核心，重点分析课题研究的g s m 测 试系统中的低层协议栈部分。 2 3 1低层协议栈定义 课题定义的g s m 低层协议栈，是相对测试系统中协议栈控制模块而言的， 其组成部分除了实际网络系统中的l a p d m 层，还包括为了实现测试功能，而抽 象出的部分r r + n a s 层的功能。 2 3 2l a p d m 支持的信道 l a p d m 为图2 3 中连接高层和物理层的媒介，即为g s m 系统中的l 2 ，作 为课题定义的低层协议栈软件模块中实际存在的完整的功能实体，是课题的重要 研究对象。l a p d m 在连接模式下被用于传送信令，不支持数据传输，因此不支 持业务信道。协议规定，l a p d m 只处理以下信道的数据： 1 b c c h ：包含详细的网络和小区特定信息【8 1 ，如小区的所有可用频点、跳频 2 3 4 5 序列、寻呼组、c c c h 信道的相关参数、邻近小区b c c h 频点等。 p c h ：下行信道，用于发送寻呼消息。 a g c h ：对r a c h 的应答。用于为终端指派一个s d c c h 。 s d c c h ：用于发送针对特定用户的系统信令：呼叫建立、鉴权、位置更新、 t c h 的分配和短消息传输。 s a c c h ：下行用于发送小区相关信息、功率控制、信道配置、迁时、跳频等 信息；上行用于终端上报通信质量、测量报告、手机状态、时间校准等信息； 部分情况下也用于短消息业务。 f a c c h ：用于要求切换。由于s a c c h 带宽不足，所以必须利用t c h 来发 送信令，完成切换，此时占用的2 0 m s 话音信道就是f a c c h 。在实际生活中， 1 0 北京邮电大学硕士毕业论文 第二章 在通话过程中若听到语音有小的中断时，那么就可能发生了切换。 2 3 3l a p d m 帧的结构及分类 在通信系统中，数据链路层的一项基本功能就是把单个比特构成一个基本元 素，以便在信道上传输，这个基本元素便是帧。l a p d m 作为g s m 网络系统的 数据链路层，为了压缩传播速率，直接沿用了物理层( l 1 ) 块( b l o c k ) 的概念， 定义帧的长度固定为2 3 b y t e ( 等于物理层块的大小) 。 地址杯! 警 o 。2 l b s a p i n ( s ，l n ( r jf i i 总 l 图2 - 5l a p d m 帧结构图 注：n ( s ) - 发信机发送序列号n ( r ) 谣收机序列号s a p i 业务接入点标识 图2 5 为l a p d m 通用的帧结构。其中，地址部分的长度不确定，只在控制 信道上固定为一字节，控制信道帧结构的地址部分内部结构如图2 7 所示： b i t 87654321 图2 - 6l a p d m 帧地址域结构图 e a 比特是地址域出现多字节情况时用于表明结束的符号比特，当本字节为 地址域最后一字节时，将被置1 ；c r 比特用于标识帧类型，即是命令帧( c o m m a n d ) 还是响应帧( r e s p o n s e ) 。s a p i 字段表明了此帧所属的业务接入点( s a p ) 。 由于数据长度不一定恰好等于信息部分长度，l a p d m 定义了分段重组。当 有分组处理时，每一帧中多出一个比特，用1 、0 分别代表有、无后续帧。而此 时l a p d m 帧的控制部分和信息部分之间将包含一个长度指示字段。接收端通过 这个特殊比特和长度指示字段，就能完成消息的重组。此长度指示字段的大小也 不固定，只在控制信道上固定为1 字节。各比特含义如图2 6 所示。 8 t8 。3 2l 图2 - 7 控制信道上长度指示域结构图 注：i - l e n g t hi n d i c a t e m - t h em o r eb i t l 即为长度指示值，指示了信息部分的有效信息长度。而mb i t 在除了i 帧 以外的其他帧上，都固定为0 。在l 帧下，若为l ，说明帧内信息部分的数据全 部来自同一条l 3 消息；若为0 ，在前一帧的m b i t 为o 的情况下，说明此帧信息 字段一定至少包含一条完整的l 3 消息，若前一帧mb i l 为l ，则说明此帧的信息 字段一定包含前一帧所携带的l 3 消息的最后一个分段嘲 具体到各信道，帧结构又略有差别： 北京邮电人学硕士毕业论文第二章 b c c h 和c c c h ：长度指示域( l e n g t hi n d i c a t o rf i e l d ) 占1 字节，剩余的2 2 字 节均可用于填充层三的有效数据。 f a c c h 和s d c c h ：除了1 字节的长度指导区外，控制区和地址区也各占用 1 字节，因此最多只可填充2 0 字节的层三的信息。 s a c c h ：除了长度指导区、控制区、地址区共占三字节之外，还增加了两个 字节的l 1 信息段，因此最多只能填充1 8 个字节的l 3 数据1 9 j 。 结构不同，本质上说明了功能、性质的差异。因此形式各样的l a p d m 帧的 结构，其实代表的是不同功能、属性的帧类型，以及g s m 协议对不同的帧类型 规定的l a p d m 不同处理流程。在课题中，可以通过编写相应的功能函数，完成 帧类型判断，并根据协议，为不同类型的帧提供不同的操作，实现协议栈功能。 l a p d m 协议中，由控制域字段来体现帧类型。首先，根据帧结构中是否包含序 列号，可分为有编号帧和无编号帧( u 帧) 。有编号帧根据其内部包含的信息内容 的性质，又可分为包含数据的i 帧( 信息帧) ，以及包含信令的s 帧( 监督帧) 。这 三种类型的帧，根据在使用过程中的具体含义及其作用，又可以继续细分为具有 特定职能的子类型。表2 1 描述了本课题涉及的帧类型及对应的地址域结构： 表2 - 1l a p d m 帧类别及对应控制域字段分析表 类型命令响应8 76 5 43 21含义功能描述 用于证实模