（通信与信息系统专业论文）tdscdma终端rrc协议测试研究.pdf

重庆邮电大学硕十论文 摘要 摘要 t d s c d m a 作为第三代移动通信国际标准的三大主流标准之一，是移动通信诞 生以来中国首个拥有自主知识产权的标准。它得到了国内外众多通信巨头的大力支 持，目前在中国已建立起完整的t d s c d m a 产业链。t d s c d m a 的大规模商用指 日可待，t d s c d m a 产业的发展已进入了最后的攻关阶段，测试任务相当繁重而紧 张。文章正是产生于这样的背景下，系统地阐述了t d s c d m a 协议软件的r r c 模 块从协议分析到实现，再到测试验证的完整开发过程。 首先，介绍了协议测试相关理论，为协议测试提供了理论依据。其次，对 t d s c d m a 终端r r c 子层协议进行了详细分析，着重分析了r r c 连接模式下的 几个重点过程。然后，介绍r r c 实体的具体实现。包括基于有限状机对状态进行 了划分、定义连接模式下各个状态之间的转移以及使用s d l 与c 代码相结合的方 法对r r c 进行具体实现。 最后，重点对已实现的r r c 模块进行t r c n 板级测试。作者结合多年的 t d s c d m a 终端协议栈测试经验，针对协议栈软件开发后期的需求，对t r c n 和 s d l 协仿真测试方法进行了改进，提出了基于t r c n 的板级测试方法，并对 t d s c d m a 终端r r c 子层的无线承载重配置和小区更新两个重点过程进行了板级 测试。通过对测试得出的m s c 图的详细分析，把实际测试结果中的状态转移、m s c 图中的信号流程、消息交互以及数据流等与预期的情况进行比较。验证了原因为无 线链路失败的小区更新过程设计的正确性，也定位出在无线承载重配置的设计过程 中存在的故障点，同时也验证了t r c n 板级测试方法的有效性。 关键词：t d s c d m a ，无线资源控制，协议测试，t r c n 板级测试方法 重庆邮电大学硕十论文 摘要 a b s t r a c t a so n eo ft h et h r e em a i ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sf o rt h e t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，t d s c d m ai st h ef i r s ts t a n d a r do fc h i n aw i t ha u t o n o m o u si n t e l l e c t u a l p r o p e r t y i ti sv i g o r o u s l ys u p p o r t e db yb o t h 内r d 盟a n dd o m e s t i cc o m m u n i c a t i o ng i a n t s p r e s e n t l y , t d s c d m ai n d u s 缸 yc h a i nh a sa l r e a d yb e e ne s t a b l i s h e di nc h i n a l a r g e s c a l e c o m m e r c i a li sj u s ta r o u n dt h ec o r l l e l ) i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n th a se n t e r e dt h ef i n a la t t a c k s t a g eo ft h el e s e l t r e h ) a n dt h et e s t i n gt a s kh a sb e e nq u i t eo l l e r o u sa n di n t e n s e t h i sp a p e r i s b a s e d0 1 1s u c hab a c k g r o u n d , i te x p o s i t st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fr r cf r o mt h e a n a l y s i st ot h er e a l i z a t i o na n dt h ec e r t i f i c a t i o nl a s t l y f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h ec o r r e l a t e dt h e o r i e sa b o u tp r o t o c o lt e s t , w h i c hp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ep r o t o c o lt e s t s e c o n d l y , i tg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so i lt h ep r o t o c o l o fr r c ，i tm a i n l ya n a l y z e st h er e e o n f i g u r a t i o n , c e l lu p d a t ea n dm e a s u r e m e n t t h e n ，i t i n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o na b o u tr r c ，i n c l u d i n gt h ed i v i s i o no fs t a t e , t h et r a n s f e ro fs t a t e u n d e re o r m e c t i o na n du s i n gs d la n dcc o d et or e a l i s er r c f i n a l l y , i tf o c u s e so nt h eb o a r d - l e v e lt e s tb a s e do nt t c n f o rr r c a c c o r d i n gt ot h e d e m a n do f t h el a t e rd e v e l o p m e n t , c o m b i n e dw i t ht h ea u t h o r sm a n yy e a r so 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 kt e s t i n ge x p e r i e r l c l 嚣，i tp r o p o s e st h et i c nb o a r d - l e v e lt e s tm e t h o d b a s e do ni m p r o v i n gt h et e s tm e t h o d so ft r c na n ds d l ，a n dt h e n , i tt a k e st w ot e s tc a s e s a b o u tr r ca sa t le x a m p l et ov e r i f yi t i ta n a l y s e st h em s cb yt i c nb o a r d l e v e lt e s t p a r t i c u l a r l y t h e n , c o m p a r e dt h ee x p e c t a n ts i t u a t i o nw i t ht h es t a t et r a n s f e r , t h es i g n a lf l o w a n dt h ed a t ai nm s c ，t h ec o r r e c t n e s sa b o u tc e l l u p d a t e , t h em i s t a k e a b o u tr b r e c o n t i g u r a t i o na n d t h ev a l i d i t ya b o u tt h et e s tm e t h o dw a sv e r i f i e d k e y w o r d s ：t d s c d m a ，r a d i o r e s o u r c ec o n t r o ls u b l a y e r ( r r c ) ，p r o t o c o lt e s t ，t r c n b o a r d 1 e v e lt e s tm e t h o d i i 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 1 1t d s c d m a 系统概述 第一章绪论 第三代移动通信系统( 3 g 。t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 是一代有能 力解决第一、二代移动通信系统的主要弊端的先进的移动通信系统。它的一个突出 特点是要实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点、与任何人、 用任意方式、高质量地完成任何信息的移动通信与传输。 i m t 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) 是国际电信联盟提出 的第三代移动通信系统，其目的在于形成全球统一的频率、统一的标准、实现全球 漫游和提供多种业务，总共包括c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a 三个主流标 准在内的五大标准体系【1 1 1 2 。t d s c d m a 也被称为低码片速率( l c r ，l o wc h i pr a t e ) t d d 工作方式，完全在第二代g s m 的核心网基础上演进，实现从第二代到第三代 的平滑过渡。t d s c d m a 系统集c d m a 、t d m a 、f d m a 技术优势于一体，系统 容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强。它的主要技术特点【1 】【3 】如下： t d d 模式便于提供非对称业务 t d s c d m a 系统工作在t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 模式，在周期性重复的 时间帧里传输基本t d m a 突发脉冲，通过周期性地转换传输方向，在同一载波上交 替进行上下行链路传输。t d d 方案的优势在于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。在传输对称业务时，可选用对称的转换点位置；在传输 非对称业务时，可在非对称的转换点位置范围内选择，从而提供最佳频谱利用率和 最佳业务容量。t d d 方式的另一优势就是系统无需成对的频段，可以使用f d d 系 统无法使用的任意频段。 低码片速率 t d - s c d m a 系统的码片速率为1 2 8 m e s ，是高码片速率3 8 4m 酏的三分之一。 接收机接收信号采样后的数字信号处理大大降低，从而降低了系统设备成本，适合 采用软件无线电技术，还可以在目前d s p 的处理能力允许和成本可接受的条件下使 用智能天线、联合检测、m i m o 等新技术来降低干扰、提高容量。另外，低码片速 率也提高了频谱利用率、使频率使用更加灵活。 ( d 上行同步 上行同步就是指上行链路各终端信号在基站解调器完全同步，它通过软件及物 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 理层设计来实现，这样可使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会 产生多址干扰，克服了异步c d m a 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到 达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，提高了t d s c d m a 系统的容 量和频谱利用率，还可简化硬件电路，降低成本。 ( d 智能天线 t d s c d m a 系统的上、下行信道使用同一载频，上下行射频信道完全对称，从 而有利于智能天线的使用。智能天线系统由一组天线阵及相连的收发信机和先进的 数字信号处理算法构成。在发送端，智能天线根据接收到的终端到达信号在天线阵 产生的相位差，利用先进的数字信号处理算法提取出终端的位置信息，根据终端的 位置信息，有效地产生多波束赋形，每个波束指向一个特定终端并自动地跟踪终端 移动，从而有效地减少了同信道干扰，提高了下行容量。空间波束赋形的结果使得 在保持小区覆盖不变的情况下，极大地降低总的射频发射功率，一方面改善了空间 电磁环境，另一方面也降低了无线基站的成本。在接收端，智能天线通过空间选择 性分集，可大大提高接收灵敏度，减少不同位置同信道用户的干扰，有效合并多径 分量，抵消多径衰落，提高上行容量。智能天线无法解决的问题是时延超过码片宽 度的多径干扰和高速移动的多普勒效应造成的信道恶化。因此，在多径干扰严重的 高速移动环境下，智能天线必须和联合检测、干扰抵消及r a k e 接收等抗干扰的数 字信号处理技术同时使用，才可能达到最佳效果。 ， ( d 联合检测 t d s c d m a 系统是干扰受限系统。系统干扰包括多径干扰、小区内多用户干扰 和小区间干扰。这些干扰破坏各个信道的正交性，降低c d m a 系统的频谱利用率。 传统的r a k e 接收机技术把小区内的多用户干扰当作噪声处理，而没有利用该干扰 不同于噪声干扰的独有特性。联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术，是消除和 减轻多用户干扰的主要技术，它把所有用户的信号都当作有用信号处理，这样可充 分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度降低多径多址干 扰，但同时也存在多码道处理过于复杂和无法完全解决多址干扰等问题。将智能天 线技术和联合检测技术相结合，可获得较为理想的效果。t d s c d m a 系统采用的低 码片速率有利于各种联合检测算法的实现。 ( d 接力切换 由于t d s c d m a 系统采用智能天线，可以定位用户的方位和距离，所以系统 可以采用接力切换方式。两个小区的基站将接收来自同一个手机的信号，两个小区 都将对此手机定位，并在可能切换区域将定位结果向基站控制器报告，基站控制器 根据用户的方位和距离信息，判断手机用户现在是否移动到应该切换给另一个基站 的临近区域，并告知手机周围同频基站信息。如果进入切换区，便由基站控制器通 2 重庆虫器电人学硕七论文第一章绪论 知另一个基站做好切换准备，通过一个信令交换过程，手机就由一个小区像交接力 棒一样切换到另一个小区。这个切换过程具有软切换不丢失信息的优点，又克服了 软切换对临近基站信道资源和服务基站下行信道资源浪费的缺点。接力切换还具有 较高的准确度和较短的切换时间，从而提高了切换成功率，是t d s c d m a 系统所 特有的一种切换方式。 t d s c d m a 不仅在技术和成本上都有很大优势，而且最重要的是我国拥有 t d s c d m a 的自主知识产权，因此t d s c d m a 是我国3 g 发展的重点，同时也得 到了世界上众多通信公司的青睐。 1 2t d s c d m a 协议测试的研究背景 我国政府长期以来对t d s c d m a 的发展给予了巨大的支持，t d s c d m a 产 业发展得十分迅速。国内几大运营商积极为t d s c d m a 网络技术试验提供网络试 验环境，中国移动、中国电信和中国网通已经在北京、上海、青岛、保定、秦皇岛、 厦门、广州、深圳等八大城市建立了t d s c d m a 试商用网，中国移动对t d s c d m a 试商用用户规模放号，正式进入t d s c d m a 试商用阶段。大唐、华为、中兴、普 天、t 3 g 、重邮信科、展讯、西门子、阿尔卡特、三星、l g 等众多国内外通信企业 也纷纷参与到t d s c d m a 的研发和产业化工作中，为推动t d s c d m a 的发展起到 十分重要的作用，各企业对t d s c d m a 的研发质量和研发速度都将直接影响 t d s c d m a 的商用进程。 重邮信科公司是国内最早从事t d s c d m a 移动终端研发的单位之一，首批参 与我国t d s c d m a 标准的起草和制定工作，2 0 0 3 年加入t d s c d m a 产业联盟， 掌握了t d s c d m a 移动终端的核心技术，在基带芯片、物理层软件、协议栈软件、 手机参考设计解决方案上具备强大的技术基础和研发实力，是目前t d s c d m a 手 机厂商中少数拥有t d s c d m a 协议栈软件知识产权的厂商。它的l c r 协议栈软件 包是基于3 g p pt d s c d m a 标准研发的产品，此产品已通过了国家原信产部组织的 室内一致性测试、i o t 测试、外场测试等，已应用在展讯和重邮信科共同支持的终 端平台和重邮信科自主开发的终端平台上，所支持的四家客户全部通过了信产部组 织的入网测试和运营商的采购测试，在提供完整的l c r 协议栈商用解决方案方面取 得了重大的进展。 自2 0 0 5 年3 月以来，作者亲自参与了协议栈软件的开发，主要负责t d s c d m a 协议栈软件r r c 、g m m 、m m 、r l c 以及m a c 等各子层的集成测试和系统测试 工作。在深刻理解相关协议的基础上，根据协议开发的不同需求设计适当的测试方 法进行测试。测试主要包括测试流程的设计、测试用例的编写以及对测试结果进行 3 重庆邮电犬学硕十论文 第一章绪沦 仔细的分析，定位问题所在。t d s c d m a 即将面临大规模的商用，t d - s c d m a 测 试工作和任务相当艰巨而繁重，根据t d s c d m a 协议开发的需求和资金、人力资 源有限等实际情况，结合对协议研究和测试的经验，本文以r r c 模块为例进行了 深入的探讨。 1 3 论文内容安排 第一章：绪论。首先，简要介绍t d s c d m a 系统的特点和t d s c d m a 协议测 试的研究背景：然后，概括论文的内容安排。 第二章：协议测试理论。首先，对协议测试在开发中的地位以及协议测试常见 的几种分类方式进行介绍；然后，阐述有限状态机的原理。 第三章：t d s c d m a 终端r r c 子层协议分析。首先，简要介绍t d s c d m a 终端协议分层结构，根据r r c 连接是否建立将r r c 划分为空闲模式和连接模式； 然后，重点对r r c 子层连接模式下的小区更新、测量和重配置等几个重点过程进 行详细的分析。 、 第四章：t d s c d m a 终端r r c 子层的实现过程。首先，基于有限状态机，对 r r c 子层的状态进行了划分，描述了连接模式下各个状态间的转移过程；然后，采 用s d l 作为开发工具，对r r c 子层的实现进行了详细设计。 第五章：t d s c d m a 终端r r c 子层协议测试，本章是全文的重点章节。首先， 简要介绍了协议测试工具t r c n ；然后，根据协议栈软件开发后期的需求，在t t c n 和s d l 协仿真测试方法的基础上进行了改进，提出t t c n 板级测试思想，设计t f c n 板级测试方法；最后，通过选取r r c 两个测试用例进行t r c n 板级测试，通过对 测试结果的详细分析，验证r r c 模块设计的正确性，体现了t t c n 板级测试方法 的有效性。 第六章：结论。回顾和总结论文内容，并展望下一步研究工作的重点。 4 重庆邮电大学硕十论文第二章协议测试理沦 2 1 协议测试 第二章协议测试理论 协议是某一种活动或者行为所遵守的准则或规则。协议最早诞生于通信系统中， 协议设计的历史与通信本身一样古老。为了实现远距离的信息传递，一方面需要有 发送和接收信号的硬件设备装置；同时还需要建立一套规则、标准和约定，用来规 定信号的传送和接收方式以及所传送信号的意义，这就是协议。协议的开发过程主 要包括：协议设计、协议描述、协议验证与协议性能分析、协议实现、协议测试、 协议维护六个阶段【4 】。过程如图2 1 所示。 图2 1 协议的开发过程图 协议可以用自然语言、程序设计语言、形式化描述语言等来描述。无论采用哪 种语言进行协议描述，开发人员对于协议的不同理解都会导致不同的协议实现，有 时甚至会是错误的实现。不同的通信设备商都是各自依据协议来开发产品，要想使 5 重庆邮电大学硕士论文第二章协议测试理论 这些产品实现互联互通完成用户的需求，就需要一种有效的方法来对协议实现进行 判别，这就是协议测试【5 】。 协议的实现通过软件来体现，因此协议软件的开发具有一般软件开发的特点， 协议测试也具备一般软件测试的特点，是一种特殊的软件测试。协议测试理论贯穿 协议测试的全过程，其主要研究内容可以概括为测试组织、测试方法、测试生成、 测试集描述、测试管理、测试执行和判决、测试结果分析等方面【6 7 1 。由于实验活 动的条件、资源、时间、技术局限性，协议测试并不能保证一个协议实现的完全正 确。即测试只能表明“存在错误 ，而不能证明“不存在错误 【引，但是在精心设 计的严密系统测试活动检查下，可以有效地把协议实现出错的概率降到实际应用可 以接受的程度，这是协议测试的一个基本出发点。从协议开发过程可以看出，协议 测试开始于协议开发生命周期之初，并且贯穿整个协议开发的全部过程，在协议开 发过程中起着至关重要的作用。 2 2 协议测试的分类 软件测试的方法和技术多种多样，从不同的角度可以分为很多种类，以下几种 分法是最基本，也是最常见的。 2 2 1 按被测对象的控制观察方式分类 协议测试是从软件测试的基础上发展而来的，因此协议测试也具有一般软件测 试的特点。根据被测对象的控制观察方式1 6 】，协议测试可分为黑盒测试、白盒测试 以及灰盒测试。 黑盒测试也叫功能测试或者数据驱动测试，是在已知产品应该具有的功能的情 况下，通过测试来检验每个功能是否能正确的使用，是否能满足客户的需求。在测 试的时候，把程序看作一个不能打开的黑盒子，完全不考虑程序的内部结构和内部 处理过程。通过黑盒测试通常可以发现不正确或者遗漏的功能、检查在接口上能否 正确接收数据、能否产生正确的输出信息、访问外部信息是否有错、性能上能否满 足要求以及界面是否错误、是否美观等。用于黑盒测试的具体方法【6 1 1 7 1 主要有等价 类划分、边界值分析、错误推测、因果图等。 白盒测试又称结构测试或逻辑测试，是在已知产品内部逻辑结构及处理过程， 清楚软件产品的程序结构和语句的前提下，通过测试程序内部变量、逻辑结构、运 行路径等，检验程序内部动作或运行是否符合设计规范要求。白盒测试要求对所有 逻辑路径进行测试，是穷举路径测试，即测试者必须从检查程序的逻辑着手，得出 6 重庆邮电人学硕士论文第二二章协议测试理论 测试数据。另外白盒测试又是基于覆盖的测试，测试应该保证每个模块中的所有独 立路径至少使用一次，对所有逻辑值均测试为真值和假值，检查内部数据结构，确 保其有效性，还必须在上下边界及可操作范围内运行所有的循环，白盒测试的常见 方法主要有逻辑覆盖、循环覆盖和基本路径测试等。 灰盒测试是在综合了白盒测试和黑盒测试的基础上提出的一种测试方法。以产 品的主要性能和功能为测试依据，根据产品的程序图、功能说明书以及测试者的实 践经验来设计测试用例，不强调要在对程序中各语句处理内容完全了解的情况下进 行。测试产品主要功能的同时也测试产品的主要性能，可以根据测试者的经验来选 取，把容易发生错误的变量输入、流程图中关键路径和程序图等作为测试的内容， 忽略掉不容易发生错误的变量输入和流程图中不影响或者不改变内部逻辑的细节。 灰盒测试能最大限度的结合白盒测试和黑盒测试的优点，避免把测试工作分为两次 进行，提高了测试效率，文章要介绍的就是一种灰盒测试的方法。 2 2 2 按协议测试的目的分类 按协议测试的目的，协议测试可以分成四个方面来进行研究【9 】【1 0 1 1 1 2 】：一致性 测试、互操作性测试、性能测试和坚固性测试。实际上，在一个产品投入市场之前， 都应该进行过这几种类型的测试。 一致性测试是一种功能测试【”l ，它依据协议的描述对协议的某个实现进行测 试。一致性测试只对协议实现的外部即可以观察到的行为进行测试，而不涉及协议 实现的内部结构。在多个厂家的设备进行互连时，通过协议一致性测试可以提高运 营商对设备( 协议实现) 是否符合相应的协议标准的置信程度，提高相同协议标准下 不同实现进行正常通信的可靠程度。在理想情况下，不同厂家按照相同标准设计的 产品在网络中应该都能够正常的通信，但实际情况并非如此，由于各个厂家的技术 标准或是专利等方面的原因，其产品并不一定完全符合国际标准。因此，在产品投 入市场之前对其进行协议一致性测试是必不可少的。 互操作性测试是为了解决一致性测试中的不足之处。因为单纯对一个协议实现 进行一致性测试并不能保证一个协议实现和另一个协议实现之间的成功通信，而互 操作性测试就是为了检测一个协议实现与其它系统之间的交互作用的过程。一致性 测试和互操作性测试结合起来的双重保障才能决定一个设备能否有条件入网。 性能测试也称为压力测试，产品如果只通过了一致性测试和互操作性测试还不 能保障产品真正入网，还要能够经受大业务量的考验。逢年过节等在通讯高峰期间 网络设备承受的业务可能是平时的数倍，这时设备就要求依然能正常工作。因此对 产品的健壮性、吞吐量、承受负荷的能力等都需要进行性能测试。 7 重庆邮电大学硕+ 论文 第二章协议测试理论 坚固性测试是检测协议实体或系统在各种恶劣环境下运行的能力( 信道被切断、 通信系统掉电、注入干扰报文等) 。 2 2 3 按协议测试的层次分类 在实际协议测试过程中测试是分层次进行的，主要可以分为单层测试、集成测 试和系统测试几个层次。单层测试、集成测试和系统测试的关系可以用图2 2 来表 不。 图2 2 单层测试、集成测试和系统测试的关系图 单层测试主要测试单层的内部结构( 如逻辑和数据流) 以及该层的功能和可观 测的行为，通常可以使用白盒测试方法测试单层的内部结构，使用黑盒测试方法测 试单层的功能和可观测的行为。单层测试集中在检查软件设计的最小单元模块上， 通过测试发现该模块的实际功能与实现时定义该模块的功能说明不符合的情况，或 者编码的错误。总的来说单层测试主要解决模块结构、局部数据结构、边界条件、 独立的路径和错误的处理五个方面的问题，保证高可靠性的模块，是组成可靠系统 的坚实基础。 集成测试也叫组装测试或者联合测试，是在单层测试的基础上，将模块按照设 计要求组装成为子系统或系统进行的测试。也就是说在集成测试之前，单层测试已 经完成，并且集成测试所使用的对象应当是已经过单层测试保证了的单元。集成测 试的主要目标是发现与接口有关的问题，如数据穿过接口时可能丢失、个模块与 另一个模块可能有由于疏忽的问题而造成有害影响、把子功能组合起来可能实现不 了预期的主功能、个别看起来是可以接受的误差可能积累到不能接受的程度、全局 数据结构是否有问题以及会不会被异常修改等。 8 重庆邮电大学硕+ 论文第二章协议测试理论 系统测试是测试的最终应用，将已经集成好的软件系统，嵌入到对应的硬件等 外设当中，在实际运行环境下对根据协议开发出的软件进行测试。对终端协议栈而 言，就是将开发出的协议栈软件嵌入到目标板上，测试过程在实际网络中进行。 除了以上几种划分方法之外，还可以按照测试是否需要执行被测软件的角度来 进行划分、按照测试采用的工具角度来进行划分、按照测试的对象采用的开发手段 来进行划分等等。论文研究的r r c 测试，是在协议栈软件开发中后期，采用t t c n 板级测试的方法进行的测试，实际上它是一种灰盒测试方法，也可以广泛运用到一 致性测试或者系统测试中。 2 3 有限状态机 有限状态机【1 4 1 【1 5 】【1 6 】【1 7 1 ( f s m ，f i n i t es t a t em a c h i n e ) 又称为序列机( s e q u e n t i a l m a c h i n e ) 或有限自动机( f i n i t ea u t o m a t a ) 。有限状态机模型，作为一种描述方法， 非常适合用于描述离散系统，因此广泛用于自动控制、通信等领域。特别是在丌u 推出s d l 语言后，有限状态机在通信协议描述中占据主导地位，并逐渐扩展到其他 应用领域。下面简单介绍一下有限状态机模型。 在有限状态机模型中，包含有限的状态集合、输脯出集合、跃迁函数集、输 出函数集，在任何时刻状态机总是停留于某个状态，当有输入信号到达则状态机产 生相应动作( 调用相应的跃迁函数和输出函数) ，产生输出并发生状态跃迁。因此， 形式上，可以定义有限状态机( 米兰机) 如下。 一个有限状态机是一个6 元组。f - ，每个元素的含义 说明如下： i 是输入符号集，为一个有限集合； o 是输出符号集，为一个有限集合； s 是内部状态集，为一个有限集合； s 。s ，是初始状态； 6 ：s x i j s ，迁移函数( t g 叫做次态函数) ； 办s x i 寸o ，输出函数。 迁移函数和输出函数一起刻画f s m 的行为。需要注意的是，如果迁移函数 和输出函数定义于所有的状态输入组合，称这种有限状态机是完全描述的( 或完全 定义的) 。 现实的系统往往是先把系统分解成多个功能比较单一，相互独立的子系统，每 一个子系统用一个状态机描述，所有的状态机构成一个大系统。因为是多状态机 ( m f s m ，m u l t i f s m ) ，又因为多状态机之间要相互通信，所以也称为通信有限状 重庆邮电大学硕十论文 第二章协议测泼理沦 态机( c f s m ，c o m m u n i c a t i n gf s m ) 。通信有限状态机和前面定义的f s m 相似： 它接收输入消息，产生输出消息，并根据一些预定的方案改变内部状态。所不同的 是：c f s m 包含多个有限状态机，状态机之间通过有界的先进先出( f o ) 队列通 信，队列用来把一个状态机的输出映射到另一个状态机的输入上。 有时，系统的状态跃迁和输出不仅与系统所处的状态及当时的输入有关，还可 能和一些历史数据有关。为了能使用有限状态机描述这样的系统，就产生了扩展有 限状态机( e f s m ，e x t e n d e df s m ) 。 根据设计t d s c d m a 高层软件的需要，设计了一种融合了c f s m 和e f s m 特 点的有限状态机，称它为通信扩展有限状态机( c e f s m ，c o m m u n i c a t i n ge x t e n d e d f s m ) ，即一个系统可以包含多个扩展有限状态机，状态机之间通过队列通信，每 一个状态机只有一个接收队列，它们只能从自己的队列接收消息，但每个状态机在 理论上可以向任何队列发送消息，包括给自己的队列发送。这样，一个状态机传递 消息给另一个状态机，只要把消息发送到其对应的接收队列中就可以。 图2 3 c e f s m 示意图 图2 3 表示一个简单的c e f s m ，包含四个状态机，每个状态机图中圆圈表示状 态，箭头表示状态迁移，信封表示队列，圆柱表示数据存储。每个状态机从自己的 队列中收取消息，并根据当前状态和历史数据做出响应，保存必要的信息，输出消 1 0 重庆邮电大学硕+ 论文 第二章协议测试理论 息到相应状态机的队列，产生状态迁移。 论文t d s c d m a 终端r r c 协议开发以及协议测试都是基于有限状态机的思想 进行的，开发人员根据t d s c d m a 终端r r c 协议建立起协议的结构模型，并采用 一种形式化描述语言s d l 来对该模型进行描述；协议测试人员也是根据协议描述， 采用基于有限状态机的测试集生成方法产生测试集，构造测试用例进行测试，最后 再基于有限状态机的协议故障模型对测试结果进行分析的。 2 6 本章小结 本章主要介绍了协议测试的理论，首先介绍了协议测试在协议开发过程中重要 作用，按被测对象的控制观察方式、按协议测试的目的以及协议测试的阶段等对协 议测试进行了分类，然后描述了在协议开发和测试中所采用的有限状态机理论模型 进行了阐述。 重庆邮电大学硕士论文第三章t d - s c d m a 终端r r c 协议分析 3 1 概述 第三章t d s c d m a 终端r r c 协议分析 t d s c d m a 网络体系【3 】属于通用移动通信系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b f i e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) ，u m t s 是i m t - 2 0 0 0 的一种，它的网络结构由核心网 ( c n ，c o r en e t w o r k ) 、i m 盯s 陆地无线接入网( i 兀r a n ，u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s sn e t w o r k ) 和用户设备( 1 y e ，u s e re q u i p m e n t ) 三部分组成。其中u t r a n 对 应终端协议栈接入层的功能，而c n 对应终端协议栈非接入层的功能。t d s c d m a 系统结构如图3 1 所示。 匿 堡 图3 1t d - s c d m a 系统结构图 3 2t d s c d m a 终端协议总体结构 1 人机界面 令 l i 协议层软件 l 今 l 物理层软件 令 l 硬件 _ 图3 2t d s c d m a 移动终端系统总图 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章t d - s c d j c d t 终端r r c 协议分析 t d s c d m a 终端系统由人机界面、协议层软件、物理层软件、硬件几大部分构 成，协议层软件位于人机界面和物理层软件之间，如图3 2 所示。 ， 整个系统的设计遵循了分层结构的设计方式，文章只涉及协议层软件部分，其 它几个部分没有涉及。类似o s i 参考模型，在u u 接口上，协议栈分层结构【2 0 】【2 1 1 如 图3 3 所示。 4 粤举锋一 tj 一 二二! d u 三p l i c a t i o n 三a v o i d a n 二c e 二 上摊g 觥 u 黼 一1 iii r r c 控制 6 = = = ， 鼎 啦壬巳 丫丫 辑 剿 涮 吒 垂7 镬彩碉瞄缀黝 缓 罄啪e ，l 瞄驻缀l 癌i 戮，+ 。5荔，疆 p：习 一- 、一_ j s _ 一 一| rii-i rt ? 。r 掰翼r “k 蝣：蠲 蓼 删 t l c 5 山影 黝 。 殇 争4 j ： 、，潮阻c 势。一鼋 l霭、： 翻l r l c 留丐 ” 习 r c 暨，f 。? 。彘渤 匡7 j 删娩蹴磊熬。季? 【。魄；麓黝磊搿彩l l 缓，羡；z 人，j 、一 li1 山 i l 眦| i l i i i lll l i ilili p h y ui 图3 3t o - s c d m a 终端协议栈的分层结构图 按功能和任务协议层被分为三层【1 1 ：物理层( l 1 ) 、数据链路层( l 2 ) 和网络 层( l 3 ) 。其中l 2 层又分为四个子层：媒体接入层( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) ， 无线链路控制层( i 己l c ，r a d i ol i i l l 【c o n t r 0 1 ) ，分组数据汇聚协议层( p d c p ，p a c k e t d a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 和广播多播控制层( b m c ，b r o a d c a s t m u l t i c a s tc o n t r 0 1 ) 。 l 3 层和r l c 层又被分为控制平面( c 平面) 和用户平面( u 平面) ，在控制平面 1 3 重庆邮电大学硕士论文第三章t d - s c d m a 终端r r c 协议分析 内，l 3 层分为无线资源控制( r r c ，r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 、移动性管理( m m ， m o b i l i t ym a n a g e m e n t ) 和连接管理( c m ，c o n n e c t i o nm a n a g e m e n t ) 等3 个子层。 用户平面提供用户信息的传输以及相关控制过程，信令平面负责对传输平面的控制 和支持，完成资源的管理和控制等。 按照信令和过程接入与否，又可以将l 1 、l 2 、l 3 的r r c 子层作为接入层，而 l 3 的m m 和c m 子层作为非接入层。r r c 位于l 3 的底层，接入层的顶层，处于 非常重要的地位，是接入层和非接入层的主要控制中心，控制着层间主要的接口和 业务接入点( s a p ) ，不仅要为上层提供来自网络系统的无线资源参数，同时还要 控制下层的主要参数和行为。总的来说r r c 是整个控制平面的核心、是终端协议 的无线总管、接入平面和非接入平面进行对话的桥梁、是协议信令与用户数据通道 的调度员。无线资源控制层完善与否、可靠与否，很大程度上影响整个t d s c d m a 终端协议栈软件的性能。 3 3r r c 空闲模式和连接模式 在协议中，以是否建立了r r c 连接为判断标准，可以将r r c 划分为两个模式： 空闲模式和连接模式【2 2 1 1 2 3 1 。 3 3 1 空闲模式 u e 打开电源直至发送一个建立r r c 连接的请求给u t r a n 为止，将一直处于 空闲模式。在空闲模式下，u e 的所有连接在接入层都是关闭的，l i e 的识别通过非 接入层标识，如i m s i 、t m s i 和p t m s i 来区别。u t r a n 若要寻址一个特定的u e ， 它只能在一个小区内向所有的u e 或向监听同一寻呼时段的所有u e 发送寻呼信息。 当u e 开机后或在漫游中，它的首要任务就是找到网络，并和网络取得联系才 能获得网络的服务。l i e 在空闲模式下的主要任务可细分为p l m n 选择和p l m n 重 选，小区选择和小区重选以及位置登记。当u e 开机后，首先应该选择一个p l m n ， 当选中一个p l m n 之后，就开始选择属于这个p l m n 的小区。l i e 通过一定的方法 结合时间性和有效性，选择一个信号质量最好的小区驻留，驻留小区成功，接着发 起位置登记过程。当u e 驻留小区并成功登记之后，随着u e 的移动，当前小区和 邻近小区的信号强度都在不断变化，u e 又要进行小区重选过程，选择一个最合适 的小区。 重庆邮电大学硕士论文第三章t d - s c d m a 终端r r c 协议分析 3 3 2 连接模式 只有在发送一个r r c 连接请求后，u e 才能发起从空闲模式到连接模式的转移， 这一事件是由网络发送的寻呼请求或i r e 的高层请求来触发的。在收到r r c 连接建 立的确认消息后，l i e 将进入连接模式下；若连接建立失败，l i e 将返回空闲模式。 r r c 连接建立后，u e 进入1 7 限a n 连接模式，此时将被分配一个无线网络临 时标识( r n n ) 来作为公共传输信道上的l i e 标识。u t r a n 连接模式下的砌状 态反映了l i e 的连接等级以及在该状态下哪些传输信道可用。u e 的连接等级包括小 区和u r a 两个等级。当需要寻呼时，w f r a n 将检查给定l i e 的当前连接等级，从 而决定寻呼消息是在u r a 内发送，还是在一个特定的小区内发送。 u e 在连接模式下分为c e l lp c h ，l i r ap c h ，c e l lf a c h ，c e l ld c h 四 种状态。当u e 从空闲模式向连接模式转移时，只能转移到c e l lf a c h 或者 c e l ld c h 状态。状态之间的转移如图3 4 所示。 厂、 气滴瑶藏燃 砌屺i 车格释赫 空闲模式 一、 列k 连接释i 哆搦静 l 图3 4r r c 的状态及状态转移图 c e l ld c h 状态：在此状态下，l i e 被分配了专用的物理信道，还可能被分配 了物理下行共享信道或物理上行共享信。该状态下主要是传输和处理一些实时性很 强、量很大的数据。u e 进入d c h 状态有两种方法：一种是u e 在空闲模式下，r r c 连接建立分配的是专用信道，l i e 从空闲模式进入c e l l _ d c h 状态；另外一种，l i e 处于c e l lf a c h 状态下，使用公共传输信道，通过重配置过程或者小区更新过程， 切换信道后使用专用传输信道，l i e 就从c e i ，i ，f a c h 状态进入c e l l d c h 状态。 需要注意的是从c e l ld c h 状态，可以直接跳转到c e l lp c h 状态或者u r ap c h 状态，但是从这两个状态都不能直接跳转到c e l ld c h 状态。 c e l lf a c h 状态：在此状态下，l i e 没有被分配专用的物理信道，在下行方 重庆邮电大学硕士论文第三章t d - s c d m a 终端r r c 协议分析 向是连续监视f a c h 传输信道，在上行方向可以使用公共或共享传输信道( r a c h 等) ，在任何时候可以在相关的信道上发起接入过程。u e 可以处理b c c h 、c c c h 、 d c c h 上的r r c 消息，如果u t r a n 分配了共享信道( s h c c h ) ，u e 也可以处理 在共享信道上传输的消息。该状态下主要是传输一些量很小的数据，当业