（计算机应用技术专业论文）基于psos的数字集群通信系统软件的研究与实现.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 基于p s o s 的数字集群通信系统软件的研究与实现 专业：计算机应用技术 硕士生：高丽 指导教师：马光思教授 摘要 在指挥调度管理中提高政府对应急事件快速反应和抗风险的能力，确保在通信 异常下实现呼叫的持续性，开发基于g s m 的数字集群通信系统中的智能型基站显得 尤为重要。 论文结合作者参与设计和实现的基于g s m 数字集群通信系统中的智能基站，分 析了基站的结构、对外接口和实现协议。 论文深入研究了以嵌入式操作系统p s o s 为平台的基站中的任务管理、内存管理 和多任务调度机制a 遵照嵌入式系统的开发方法，在通信链路异常下，实现了跨小 区组呼、位置更新、广播等软件功能。 论文详细讨论了智能型基站的传输控制单板软件实现中对数字集群通信系统特 点和实现协议的综合考虑。在全面分析g s mf 办议的基础上，给出了针对智能型基站 同时服务于通信链路正常、异常的应用需求，在同一网元中综合实现了多个网元不 同协议的过程。 论文在最后总结部分介绍了智能型基站功能测试采用的黑盒测试方法，通过具 体的测试用例发现了组呼吊死问题，给出了相应的问题求解建议。并总结智能基站 实际应用的意义，提出了进一步研究的方向。 关键字：p s o s 智能型基站数字集群移动通信系统 传输控制模块 s t u d ya n d r e a l i z a t i o no fd i g i t a lt r u n k i n gc o m m u n i c a t i o n s y s t e ms o f t w a r eb a s e d o np s o s s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n & t e c h n o l o g y n a m e ：g a ol i i n s t r u c t o r ：p r o f m ag u a n g s i a b s t r a c t f o re n h a n c i n gr e a c t i o ns p e e do ne m e r g e n c ea n dc a p a b i l i t yt or i s k ，i n s u r i n gd u r a t i v e o fc a l li nc o m m u n i c a t i o ne x c e p t i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pi n t e l l i g e n tb a s es t a t i o n o fd i g i t a lt r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ng s mi nc o m m a n da n ds c h e d u l e s y s t e m w i t ht h ei n s t a n c eo fd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n tb a s es t a t i o ni nd i g i t a l t r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h es t r u c t u r e ，i n t e r f a c e a n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s w e r ea n a l y z e d t a s km a n a g e m e n t ，m e m o r ym a n a g e m e n ta n dm u l t i - t a s k sd i s p a t c hw a sr e s e a r c h e di n t h es o f l w a r eo fi n t e l l i g e n tb a s es t a t i o n ，w h i c hb a s e dc ap s o s t h es o f t w a r ef u n c t i o n ， s u c ha sv o i c eg r o u pc a l ls e r v i c ea m o n gc e l l s ，l o c a t i o nu p d a t e ，v o i c eb r o a d c a s tc a l ls e r v i c e w a sr e a l i z e di nc o m m u n i c a t i o ne x c e p t i o nf o l l o w i n gt h ed e v e l o p i n gm e a n sf o re m b e d s y s t e m t h er e a l i z a t i o no ft h eb o a r ds o f t w a r eo ft r a n s m i s s i o n & m a n a g e m e n tu n i tw a s i n t r o d u c e di nd e t a i l s ，w h i c h t a k ei n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i n k i n g c o i n i n u n i c a t i o ns y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ss y n t h e t i c a l l y b a s e do na n a l y z i n g t h eg s m p r o t o c o lr o u g h l y ，t h ed i f f e r e n tp r o t o c o lp r o c e s sw a si m p l e m e n t e d f o rm u l t i u n i t i nn e t w o r k ，w h i c hc o u l dc o p ew i t ht h ec o m m u n i c a t i o ne x c e p t i o n a tl a s t b l a c kb o xt e s tu s e di nf u n c t i o nt e s to fi n t e l l i g e n tb a s es t a t i o nw a si n t r o d u c e d ， t h ec o r r e s p o n d i n gs u g g e s t i o nf o r t h ep r o b l e m si nt h es y s t e mw a sp r o v i d e d t h e s i g n i f i c a n c eo fi n t e l l i g e n tb a s es t a t i o nw a sp r e s e n t e da n dt h ed i r e c t i o no f f u r t h e rr e s e a r c h i sp r o p o s e d k e y w o r d s ：p s o s i n t e l l i g e n tb a s es t a t i o nd i g i t a lt r u a k i n gc o n u n u n i c a t i o n t r a n s m i s s i o n & m a n a g e m e n tu n i t 声明 本人郑重声明我所呈交的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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 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。 论文作者签名： 高丽 关于论文使用授权的说明 日期：2 0 06 6 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：焉丽 注：请将此页附在论文首页。 新躲彩砀 日期：20 0 6 6 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 课题研究背景和意义 1 绪论 随着国民经济的发展，社会对信息化的要求越来越高，各部门、行业用户问的 协调调度需求日趋强烈，特别是面向应急联动的通信系统建设。因此数字集群移动 通信已经成为通信技术发展的热点。本课题依据本人在国内某大型通信设备公司对 基于g s m 的数字集群移动通信基站软件的开发经验，分析和研究了以嵌入式操作 系统p s o s 为平台的智能型基站的设计和实现。 公共安全和公众服务成为政府部门一项非常富有挑战性的工作。如何高效利用 有限的资源，提高政府对紧急事件快速反应和抗风险的能力，并为市民提供更快捷 的紧急救助服务，日益成为加强城市管理的主要内容之一；同样当社会发生犯罪、 火灾、爆炸等各种警情，群众医疗急救、煤水电抢修等各种紧急求救事件，需要政 府统一协调、统一调度相关部门协同工作。 但是对于意外事件突发区域，若不能很快地建立起通信覆盖区，或者在自然灾 害导致灾区的通信系统受损时，就无法实现对这样区域的指挥调度。为应对以上情 况，需要提供一种智能型的基站，这种基站既可以在正常情况下服务于用户问的通 信，又可以在通信系统受损时完成本基站覆盖区域内的调度通信。因此开发一种高 效利用有限资源，并提高对紧急事件快速反应和抗风险能力的智能型基站的需求就 日益凸现。 1 2 数字集群通信系统概述 数字集群通信系统是一种高级移动指挥、调度系统，是一种共享资源、分担费 用、向用户提供优良服务的多用途、高效能而又廉价的先进的无线电指挥、调度专 用移动通信系统。 1 2 1 数字集群通信系统及其特点 数字集群移动通信系统是一种全新的技术体制，它是在模拟集群移动通信系统 的基础上发展而来的专用移动通信系统，为应急指挥和调度通信提供了一种高效、 可靠的应用平台。与公用移动通信网的应用不同，集群移动通信系统的服务对象和 使用方式发生了很大的变化。集群是英文“t r u n k i n g ”的意思，其含义为“系统具 有的全部资源可以为系统内全体用户所使用，具有自动选择信道的能力”，它最早是 从双工对讲的工作方式逐步演化而来。 西安建筑科技大学硕士论文 数字集群移动通信具有数字通信的各种优点1 z ，6 1 ：频谱利用率高，信号抗衰落 的能力提高，可以提供多种业务服务，为用户提供话音加密鉴权技术，网络管理和 控制更加有效和灵活，采用数字处理技术使信道机和用户终端价格低廉，且重量轻、 体积小、耗电省。 1 2 2 数字集群通信系统发展概况 国际上存在多种数字集群系统，但目前在国际一k 较有影响力并且国内比较认可 的三种系统【2 。1 为：t e t r a 、i d e n 、f h m a ，同时我国还研制出具有自主产权的两 种数字集群系统：g o t a 、g t 8 0 0 。 ( 1 ) i d e n 系统 i d e n 是美国m o t o r o l a 公司的专利技术，是一个大容量数字集群无线通信系统， 使用基于典型蜂窝式的构造，加入了更多的无线业务，如有线电视、互联网接入、 数据库访问、文件传输、单呼以及紧急电话等。系统同时支持四种业务，即：集群、 电话、数据和短消息，且可集成于一个移动台中，其集群功能中，虽能实现一对多、 一对一等基本调度功能，支持本区和广区的调度服务，但用户不分优先等级且不能 直通，远离基站或者无线链路有故障时，这对于调度系统来说是一大缺陷。 i d e n 网是世界一l 最早的数字集群网。目前全世界用户数量超过6 0 0 万。作为世 界上最早的数字集群系统，i d e n 也是最成熟的系统，其衍生有d i m r s 和i d r h 标 准系统，在全球拥有很大的用户量但系统庞大、复杂、建网投入大。 ( 2 ) t e t r a 系统 t e t r a ( 泛欧无线数字集群标准) 是由e s t i ( 欧洲电信标准协会) 制定，是一 种“专网”和公网( p a m r ) 的开放性数字集群标准。t e t r a 规范由“语音+ 数据”和分 组数据两部分组成。t e t r a 系统还可以采用直通方式。其无线接入协议能同时支持 4 个单独方式的电路应用，即语音数据和任意数目的单独分组方式数据应用，形成 一个高性能多媒体无线终端口，并支持所有集群方式，可根据语音分布和类型分布 选择实施。 t e t r a 适用于提供话音、数据和图像的多媒体无线平台，这种多媒体功能对 潜在市场有很大的吸引力。t e t r a 的优势体现在：开放标准满足了众多供应商的需 求，形成了广阔的市场；由于标准制定的严密性和强有力的支持使得t e t r a 目前 得到了2 0 多个国家、6 0 多个组织或机构的支持；众多实力派公司参与开发生产， 既保证了规模经济，又降低了风险，有望开拓广阔的市场；标准在指定过程中考虑 全面、取长补短，使得t e t r a 标准具有较强的网络功能和业务功能并且可以在同 一个无线平台上提供话音、数据和图像服务，这要比用多个单独系统来完成这些功 能更为经济。 西安建筑科技大学硕士论文 ( 3 ) f h m a 系统 f h m a 系统由以色列p o w e r s p e c t r a mt e c h n o l o g y 公司研制并与美国合资的 g e o t e k 公司生产，现与韩国a n n mg e o n e t 合作。该系统1 9 9 2 研制，1 9 9 4 年试用， 现已经在美国、以色列、韩国等地使用。跳频部分以以色列r a e a e 研究所专利， 为g e o t e k 公司独家占有整个系统，得到f c c 认证，1 9 9 6 年获得韩国情报通信部认 可。 ( 4 ) g o t a 系统口j 1 2 0 0 2 年，中兴通讯组织研究新的集群实现方式，并提出了g o t a 数字集群技术 体制。g o t a 的含义是开放式集群架构( g l o b a lo p e nt r u n k i n ga r c h i t e c t u r e ) ，采用目 前移动通信系统中所采用最新的无线技术和协议标准，并进行了优化和改进，使其 能够符合集群系统的技术要求，同时又具有很强的共网运营能力和业务发展能力， 满足集群未来发展的需求。g o t a 可提供的集群业务包括：一对一的私密呼叫和一对 多群组n 乎叫、系统寻呼、群组寻i 呼、子群组寻呼、专用p t t 业务等特殊业务；对不 同的话务群组进行分类。除了集群业务以外，g o t a 还具有所有新的增值业务，如短 消息、定位、v p n 等，这些业务和集群业务结合起来，将为集团用户提供综合服务。 与传统集群通信方式相比，g o t a 技术的优势有：技术先进、业务丰富、投资少、见 效快、运营成本低。中兴通讯最新推出的g o t a 终端上已具有提供专供集群呼叫使 用的p t t 按键、扬声器及大容量的电池。这种终端可以支持丰富的集群业务，以及 短消息业务和分组数据业务。g o t a 方案成功解决了基于c d m a 技术的集群业务关 键技术。为了能够在c d m a 网络上进行p t t 通信，并且不影响原有c d m a 系统已 具备的业务功能和性能，g o t a 围绕着无线信道共享和快速链接这两项关键技术提出 解决方案，使新增的集群业务不会对传统通信业务和网络资源带来不利影响。 ( 5 ) g t 8 0 0 系统1 8 】 g t 8 0 0 ( g s mt r u n k8 0 0 m ) 是华为公司8 0 0 m g s m 集群通信系统，它是基于 g s m 平台，拥有独立知识产权的数字集群系统，g t 8 0 0 系统除了具备a s c i 基本功 能外，还提供了集群共网运营的能力，适应今后建设集群共网的发展需要。g t 8 0 0 系统在公网基础上可以进行类似于专网的调度，授权部门可进行应急联动跨部门专 网的调度。从业务的多样性和发展的趋势看，g t 8 0 0 具有更大的发展空间。g t 8 0 0 在原有的g s m 网络结构基础上增加了满足集群应用的物理、逻辑实体。从业务角 度讲，g t s 0 0 继承了g s m 公网丰富的现网应用业务，并且可以针对集团用户提供 集群业务。集群具有些不同于公网的重要特征：大区制、信道共享、接续时间短、 可靠性高、服务对象不同、服务质量要求高、多优先级控制等功能。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 3 数字集群通信系统发展趋势 集群通信系统是指挥调度通信的较高阶段，它采用微机控制通信，只要增加或 修改软件，就能实现所需的各种功能：从它的发展过程来看完j i l t 从理论走向实用 阶段。国外许多公司的集群系统己投入运营了好多年，但集群系统还在不断地改进 完善，竞相发展。其发展趋势可大致归纳为以下几个方面： 开拓新频段，提高频谱利用率： 设备向程控化、智能化和超小型化方向发展： 通信业务除话音外，还可传输数据、传真以及与数据有关的应用，如数据文 件、状态信息等。 1 3 本人的主要工作任务 智能型基站是在基于g s m 系统的数字集群通信系统的基础上研制开发的，其 最大的特点就是在不修改硬件平台的基础上就可以在故障的通信系统中提供本基站 覆盖区域的弱化功能。本课题完成对基于g s m 系统的数字集群通信系统的基站软 件平台的分析和基站软件的设计。 作者参与了智能型基站软件的设计、开发和测试工作，具体承担的研发任务如 下： ( 1 ) 参加技术资料的收集、翻译、整理与培训工作。 ( 2 ) 从标准族、技术体制、系统组成及业务功能特点几个方面对基于g s m 的数 字集群通信系统进行分析。 ( 3 ) 对所使用的嵌入式操作系统p s o s 系统进行研究，同时全面分析g s m 通信 协议，并参与设计和实现了基于p s o s 的智能型基站软件模块的划分。 ( 4 ) 参与智能型基站软件的实现和应用测试工作。 1 4 论文的组织结构 本文共分为六章： 第一章( 绪论) 简述了论文研究背景、研究对象和本人所做的工作 第二章( 基站b t s 概述) 介绍基于g s m 系统的数字集群系统的结构以及智能 型基站b t s 的构成、外部接口及使用的协议。 第三章( 嵌入式系统概述) 介绍了嵌入式系统的软硬件平台和嵌入式通信系统 软件开发过程。 第四章( 智能型基站设计) 详细分析了以p s o s 为软件平台的智能型基站软件 中任务管理、内存管理和多任务通信机制，并以此为基础实现了智能型基站软件的 西安建筑科技大学硕士论文 划分。 第五章( 传输控制单板软件的实现) 洋细介绍了智能型基站中的传输控制单板 软件的设计以及修改的协议的分析。 第六章( 总结) 介绍了智能型基站测试的方法，分析了测试中的具体问题并给 出了相应问题的求解建议。总结智能基站实际应用的意义，提出了进一步研究的方 向。 西安建筑科技大学硕士论文 2 基站b i s 概述 基于g s m 系统的数字集群系统在公网的基础上提供了专网的调度，适应建设 集群共网的发展需要【8 】，广泛应用于社会生活中，在政府统一i 办调、统一渊度、协 同工作中起到重要的作用。 本文对智能型基站b t s 系统的研发，它是基于g s m 的数字集群系统中的一个重 要网元，在内部结构上由多个独立的单板协调工作，在对外接口上分别与移动台m s 和基站控制器b s c 共同完成系统的无线接续功能。 2 1 基于6 s m 系统的数字集群系统 2 1 1 系统构成 基于g s m 系统的数字集群系统采用时分多址的专业数字集群新技术，结合蜂 窝技术，通过创造性地对t d m a 和t d s c d m a 技术的优化与融合，提供专业用户 所需的高性能、大容量的集群业务和功能，具有系统稳定、可持续发展能力强等特 点。基于g s m 系统的数字集群系统在继承g s m 系统的基础上，又增加了用于集群 通信的网元：组呼寄存器( g c r ) ，因此其系统结构图与g s m 系统结构图相类似。 基于g s m 系统的数字集群系统结构如图3 1 【8 j 所示。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 - 0 s s： 卤 o s s ：操作支持子系统 n m c ：网路管理中心 p c s ：用户识别卡个人化中心 v l r ：来访用户位置寄存器 e i r ：移动设各识别寄存器 p d n ：公用数据网 m s ：移动台 b s s ：基站子系统 d p p s ：数据后处理系统 o m c ：操作维护中心 h l r ：归属用户位置寄存器 b s c ：基站控制器 p s t n ：公用电话刚 n s s ：网路子系统 s e m c ：安全性管理中心 m s c ：移动业务交换中心 a u c ：鉴权中心 b t s ：基站收发信台 i s d n ：综合业务数字网 图2 1 基于g s m 系统的数字集群系统结构图 西安建筑科技大学硕士论文 基于g s m 系统的数字集群系统由一系列功能单元组成，由m s ( 移动台) 、n s s ( 网络子系统) 、b s s ( 基站子系统) 、o s s ( 操作维护子系统) 等几个主要部分构成。 f 1 1 移动台移动用户( m s ) 移动台是整个系统中直接由用户使用的设备，在g s m 系统中，物理设备与移 动用，是相互独立的。也就是说，用户的所有信息都存储在s 1 m 卡( 用户识别卡) 上，系统一中的任何一个移动台都可以利用s 1 m 卡来识别移动用户。由网络来进行相 关的认证，保证使用移动网的是合法用户。移动台有自己的识别i m e i ，称为国际移 动台没备识别号。每个移动台的i m e i 都是唯一的，网络对i m e i 进行检查，可以保 证移动台的合法性。s i m 卡中存储着用户的所有信息，包括国际移动用户识别码i m s i 等。 f 2 1 网络与交换子系统( n s s ) n s s 是整个系统的核心，它对g s m 移动用户之间及移动用户与其它通信网用 户之间通信起着交换、连接与管理的功能。完成g s m 系统的交换功能和用户数据 和移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。 ( 3 ) 基站子系统( b s s ) b s s 是g s m 系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，它通过无线 接口直接与移动台相连，负责无线发送接收和无线资源的管理。同时，它与n s s 相 连，实现移动用户间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信息和 用户信息等。当然，b s s 也要与操作支持子系统o s s 之间实现互通。 f 4 ) 操作与维护子系统( o s s ) o s s 主要完成移动用户管理( 用户数据管理和呼叫计费) 、移动设备管理以及网 络操作维护等功能。 2 1 2 分层协议 协议是各功能实体问的共同“语言”，通过各个接口相互传递有关的消息，为 完成g s m 系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息传输通道。不同的接口可能 采用不同的物理链路，完成各自独特的功能。g s m 系统各接口采用的分层协议结构 同时考虑到了与i s d n 的互通，符合开放系统互连( o s l ) 参考模型。分层的目的是允 许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议，每层防议在明确的服务接入 点对上层决议提供它自己特定的服务。 如图3 3 给出了基于g s m 的数字集群通信系统的分层协议基本结构图一j 。 西安建筑科技大学硕士论文 l l b t s b s c r r 、 l a p d m s ig l l b t s ml s c c p ：l a p d i s ig l ll u m 接口 a b is 接口 a 接口 c m ：接续管理 m m ：移动性管理 i 冰：无线资源管理 m s ：移动台 l 1 一l 3 ：信号层1 - - 3 b 7 f s m ：b t s 的管理部分 u m ：m s 与b t s 接口 a b i s ：b t s 与b s c 间接口 s c c p ：信令连接控制部分 a ：b s c 与m s c 间接口 m r p ：信息传递部分 m s c ：移动业务交换中心 b s c ：蛙站控制器 b t s ：基站收发信台 l a p d m ：1 s d n 的d m 数据链路b s s m a p ：基站予系统移动应 协议 用部分 图2 2 系统主要接1 3 的协议分层结构 移动通信网络中的设备一般只采用三层结构，层一相当于o s i 参考模型中的物理 层，层二是数据链路层和网络层的结合，层三则是应用层。不同网络设备实现其中 不同的协议，例如移动交换中心m s c 和移动台m s 三层协议全部都需要实现，而基站 控制器和基站只完全实现低两层的协议，层三的协议只实现了无线资源管理r r 、基 站管理b t s m 、信令连接s c c p 1 1 信息传递m t p 中的部分内容。 ( 1 1 信号层1 ( 物理层) 这是无线接口的最低部分，提供传送比特流所需的物理链路，为高层提供各种 不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道，每个逻辑信道有它自己的逻辑接 入点。 f 2 1 信号层2 ( 数据链路层) 数据链路层是协议分层结构的第二层，它接收物理层的服务，并向层三提供服 务。数据链路层实体之间的协作由该层的对等层协议控制。为了在两个或多个层三 实体之间交换信息，就必须在数据链路层使用该层协议建立层三实体之间的联系。 这种联系称为数据链路连接( d l c ) 。 数据链路层消息单元通过物理层在层二实体之间进行传送。第三层对数据链路 层的业务请求是通过业务原语进行的。同样，数据链路层与物理层之间也是这样的。 等夏一忑m 兰 雌一叫一肌一 脒 一一 下ll上 西安建筑科技大学硕士论文 ( 3 ) 信号层3 ( 应用层) 主要传送控制和管理信息。l 3 包 括三个基本子层：无线资源管理( 1 r ) ， 移动性管理( 删) 和接续管理( c m ) 。其 中接续管理( c m ) 层中含有多个呼叫控 制( c c ) 单元，提供并行呼叫处理；在 c m 子层中还有补充业务( s s ) 单元和短 消息业务管理( s m s ) 单元，用于支持补 充业务和短消息业务。 图2 3 三层通信逻辑结构 由于通信软件需要实现不同的移动通信协议，由系统接口的协议分层图可知各 种网元均具有三层结构并且每层通过不同的踟议实现。这些协议的实现需要采取如 下原则：同层实体间按同层协议进行通信；在相邻层之间，采用原语进行通信，除 了物理层部分功能由硬件实现外，其它通信协议都用软件实现，以便于修改。数字 集群通信系统中各个网元之间对等层通信原理如图2 4 所示。 图2 4 对等层通信原理 2 2 基于g s m 系统的数字集群系统中的b t s 基站子系统由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 构成，b s c 是b s s 的控 制部分，负责b s s 的各种接口管理，承担无线资源管理任务；b t s 属于b s s 的无线部分， 实现数字集群系统通过空中接口与m s 之间的无线传输及控制功能；同时还通过a b i s 接口接受b s c 的控制。 2 2 1 智能型基站b t s 的构成 智能型基站的硬件系统根据完成功能的不同分为公共子系统、信号子系统和天 馈子系统1 1 2 。每个子系统均是由若干单板组合在一起形成的，并且在智能型基站的 整体机框中，这三个子系统是采用模块化结构组装而成的。这种硬件设计使得智能 西安建筑科技大学硕士论文 型基站的安装、扩容、连接变得简单方便。 公共子系统主要由t m u 单板和通过人机接口实现操作维护的p c 机构成，主 要完成管理控制其它子系统和模块，并收集告警信息；为其它子系统和模块提供各 种基本时钟和操作维护通信：提供信令处理和资源管理；为整个智能型基站提供电 源、电源监控和多种内置传输接1 3 功能。 信号子系统主要由t r x 单板、c d u 单板组成，主要完成信道编解码、交织和 解交织、语音加密和解密、速率适配；逻辑信道与无线信道问的相互映射；小区间 切换及小区内部切换；信号采样、滤波、放大功能。 天馈子系统主要包括塔放和无线测试设备，它们共同实现射频信号的发送、移 动信号的接收、放大上行接收信号和防雷功能。 图2 5 智能型基站硬件系统结构p 2 2 2 智能型基站b t s 对外接口与协议 数字集群通信系统中的智能型基站主要通过与移动台的u m 接口和与基站控制 器的a b i s 接口实现其功能。接口标准使得电信运营部门能够把不同设备纳入同一个 数字集群通信网中。 ( 1 ) u m 接1 2 1 为了在基于g s m 的数字集群通信系统中实现m s 和b t s 的互联，对无线信道 上信号的传输必须作出一系列的规定，建立一套标准。这套关于无线信道信号传输 的规范就是所谓的无线接1 3 ，又称u m 接1 5 1 。u m 接口用于移动台与g s m 系统的固 定部分之间的互通，物理链路是无线链路。此接口传递的信息主要包括无线资源管 理、移动性管理和接续管理等。 u m 接口是g s m 系统的诸多接1 3 中最重要的一个。首先，完整规范的无线接口 建立了不同厂家的m s 与不同网络之间的完全兼容，这是g s m 实现全球漫游的最基 本条件之一；其次，无线接口决定了g s m 蜂窝系统的频谱利用率，这是衡量一个 无线系统的主要经济依据。u m 接1 3 由下述特性所规定：信道结构和接入能力；m s n s s 通信协议；维护和操作特性；性能特性；业务特性。 u m 接口可分为3 层，如图21 所示。 西安建筑科技大学硕士论文 第一层是物理层，为最底层。它定义了g s m 的无线 接入能力，为高层信息的传输提供基本的无线信道。 第二层是数据链路层，为中问层，使用l a p d m 协议。 它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。 第三层为最高层，记为l 3 。它包括各类消息和程序， 对业务进行控制。l 3 包括无线资源管理( r i i ) 、移动性 管理( m m ) 和通信管理( c m ) 3 个子层。 ( 2 ) a b i s 接口 a b i s 接口定义为基站子系统 b s s 的两个功能实体一基站控制 器b s c 与基站收发信台b t s 之间 的接口，是为远端b t s 通过地面电 路接入b s c 而定义的b s s 内部接 口。当b s c 与b t s 之间的距离不超 过1 0 米时，b s c 与b t s 可以在物理 层上采用直接互连的方式。此接口 第3 层f l 3 ) 数据链路层( l a p d m ) 物理层f l n 图2 6u m 接口分层结构 a b is 接口 图2 7 b i s 接口分层图 支持所有面向用户提供的服务，并支持对b t s 无线设备的控制和无线频率的分配。 a b i s 的层二协议是基于l a p d 的，l a p d 通过t e i 对载频t r x 寻址。对不同的消息， l a p d 使用不同的逻辑链路、业务管理消息r s l ，网络管理消息o m l ，l 2 管理 消息l 2 m l 。大部分无线资源管理( r r ) 消息在b t s 只需做透明处理，但是一部 分r r 消息必须由b t s 解释执行( 如加密、随机接入、寻呼、指配) 。这部分r r 消息 由b s c 和b t s 中的b t s m 实体处理。 2 3 本章小节 本章概述了基于g s m 的数字集群系统的总统结构，介绍了智能型基站b t s 主 要功能和组成结构，并描述了b t s 的接口及协议分层。具体了解课题的开发实体， 为开发工作做准备。 西安建筑科技大学硕士论文 3 嵌入式系统概述 计算机和数字化产品的普及，信息技术的发展有力推动着2 1 世纪工业生产、商 业活动、科学实验和家庭生活等领域自动化和信息化进程。同时从消费电器到工业 设备，从民用产品到军用器材，嵌入式系统被应用到网络、通信设备、国防军事、 消费电子等各个领域。目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远 远超过通用计算机，嵌入式系统是当前最热门的技术之一。 3 1 嵌入式系统概念 嵌入式系统( e m b e d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且 软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的 专用计算机系统。它用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能【1 8 。 3 1 1 嵌入式系统特点 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征h 9 1 ： f 1 1 系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较 之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的u s e 分布式系统，内核只有5 k b ，而 w i n d o w s 的内核则要大得多。 ( 2 ) 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针 对硬件进行系统的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件 的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改， 程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概 念。 ( 3 ) 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实 现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性o s 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码 要求高质量和高可靠性、实时性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发走向标准化 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度 西安建筑科技大学硕士论文 多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样刁能保证程序执行的实时性、可靠性， 并减少开发时问，保障软件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要的开发工具和环境 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些 工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号 示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，e i 标机作为 最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 3 1 2 嵌入式硬件平台 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的 专用计算机系统口】。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它与具体应 用紧密结合，具有很强的专用性。 嵌入式系统的硬件一般由高性能的处理器微处理器、存储器及外设器件、i 0 端口组成，软件一般由实时操作系统和在其上运行的应用软件构成，软件和硬件之 问有中间层板级支持包( b s p ) 。应用软件控制系统的运行和行为，操作系统控 制应用程序和硬件的交互作用，多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结 合的，这正是嵌入式系统和w i n d o w s 系统的最大区别。 从硬件方面来看，嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般 具备4 个特点( 2 0 j ： ( 1 ) 对实时和多任务有很强的支持能力，能够实现多任务并且有较短的中断响应 时问，从而使内部的代码和实时内核的执行时问减少到最低限度： ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护 功能，同时也有利于软件故障诊断： ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以便能够迅速地扩展出满足应用和高性能的嵌入式微 处理器： ( 4 ) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算、 靠电池供电的通信设备的嵌入式系统更是如此。 3 2 嵌入式实时操作系统 如今，随着i t 技术的进步和用户要求的不断提高，开发嵌入式实时系统往往需 西安建筑科技大学硕士论文 要一个支持实时多任务的操作系统( r t o s ) 内核来支持。因为嵌入式的应用不仅仅局 限于原来的只是面对系统级的需求，更需要面对用户级的应用，满足在各个层次上 的需求。从这个方面考虑，嵌入式应用系统的开发和定制变得越来越重要。传统的 使用循环控制的嗽入式系统不能满足足够的需求。在r t o s 诞生之前，嵌入式软件开 发还是在基于处理器直接编写，那么在开发嵌入式系统时无法将系统软件和应用软 件分开处理，每次开发的时候都要特别定制系统软件和应用软件，开发的代价太大， 成本过高。 在嵌入式大型应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要相应地管理存 储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，并提供多任务处理等功能的稳定、 安全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。 3 2 1 嵌入式实时操作系统的优点 嵌入式操作系统是实现各种系统功能的关键，也是计算机技术最活跃的研究方 向之一。嵌入式操作系统种类繁多，目前市场上共有几十种操作系统，但是随着对 实时性要求的提高，软件规模不断上升，对实时多任务操作系统的需求日益迫切。 虽然嵌入式操作系统会占用一定的系统空间，但是由于它的引进大大提高了嵌入式 系统的功能，方便了嵌入式应用软件的设计。因此一般在比较大型或复杂的应用场 合一般会考虑使用嵌入式实时多任务操作系统。基于嵌入式实时操作系统( r t o s ) 来开发实时系统，具有如下优势1 9 - 2 0 1 ： ( 1 ) 基于r t o s 开发的系统具有更高的实时性和可靠性。r t o s 所采用的算法和调 度策略大大增强了系统行为的可预测性，它能为多个实时任务合理地分配资源，使 每个实时任务的实时性要求都能得到满足。r t o s 与实时应用软件相结合成为有机的 整体，由它来管理和调度各项工作，为应用软件提供良好的运行环境及开发环境。 ( 2 ) r t o s 体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，基于r t o s 开发时，工程师可以在不大量变动系统其它任务的情况下增加或去掉一个任务， 也便于合理地划分系统的任务，便于协同开发，加快产品上市速度。 ( 3 ) r t o s 一般遵守p o s i x 标准，这使得代码的可移植性大大增强。 ( 4 ) 可以充分地利用r t o s 提供的软件组件，比如协议栈、通讯服务、实时数据 库、图形库等等。各r t o s 厂商提供的软件组件一般经过了严格的测试，可以保证其 性能。 3 2 2 嵌入式实时操作系统的组成 实时操作系统是能够根据实际应用环境的要求对内核进行剪裁和重配置的 操作系统。它的组成根据其面向的实际应用领域的不同而有所不同。但一般都 西安建筑科技大学硕士论文 包括以下几个重要组成部分川：实时内核、实时网络组件、文件系统和图形接口等。 f 1 1 实时内核 实时内核一般都是多任务的。它主要实现任务管理、定时器管理、存储器管 理、任务问通讯与同步、中断管理等功能。 f 2 1 实时网络组件 实时网络组件一般都实现了链路层的a r p r a r p 协议、p p p 及s l l t 办议，网络 层的i p 协议，传输层的t c p 和u d p 协议，应用层的协议则根据实际应用的需要实现 相应的协议。这些网络组件作为操作系统内核的一个上层的功能组件为应用层提供 服务，它本身是可剪裁的，e i 的是尽可能少地占有系统资源。 f 3 ) 文件系统 非常简单的嵌入式应用中可以不需要文件系统的支持，但对与比较复杂的文件 操作应用来说，文件系统是必不可少的。它也是可剪裁的。 ( 4 ) 图形接口 在p d a 等实际应用领 域，需要友善的用户界面。 图形接口提供了生成应用 程序图形界面( g u i ) 的功 能接口，为用户提供文字 和图形以及中英文的显示 和输入。它同样是可剪裁 的。嵌入式实时操作系统 构成如图3 1 “”所示。 实时内植 酮陌订陌 件 系 统 图形 接口 组件 型也 处理器 时钟 电路 f 襄l a ! s h i l c d 显示 设备 3 3 嵌入式通信软件设计 图3 1 嵌入式实时操作系统构成 通信系统设备繁多，复杂程度各异，小到手持电话，大到中心局交换设备。早 期的通信设备全部由电路构成，不含软件：但新的通信设备则含有软件，并用软件 来完成通信设备在网络中的功能。 通用的操作系统很难满足同时处理大量业务，并且对资源要求是实时的通信软 件。当使用通用的操作系统作为通信设备的平台时可能会产生一些的不便，如软件 完成受到操作系统的限制而导致包处理延迟等情况。 解决的办法就是使用将嵌入式实时操作系统作为软件平台的专用的通信硬件或 设备。随着嵌入式实时系统在通信领域的广泛应用，嵌入式软件的开发也越来越受 到更多的瞩目，嵌入式实时操作系统屏蔽了不同的硬件平台，为上层的嵌入式应用 西安建筑科技大学硕士论文 软件的开发提供一种统一接口。目前，通信领域设备级嵌入式单板软件中大都采用 了操作系统的封装支撑平台，该平台对应用层提供统一的接1 2 1 和支撑功能，对不同 的硬件特性进行屏蔽，使得嵌入式应用软件的开发着重于产品的具体需求和功能。 e l 前比较流行的嵌入式系统开发方法是软硬件协同设计【l e ”】。在这种设计方法中 首先是对硬, f - b 软件统一表示，以便于功能的划分和综合；然后，在此基础上对硬件 软件进行划分，即对硬件软件的功能模块进行分配。但是，这种功能分配不是随意