（通信与信息系统专业论文）gsm终端测试仪表协议栈控制器的设计与实现.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：圭鱼必 日期： 2 1 2 2 生f 掏f 垒旦 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) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 g s m 终端测试仪表协议栈控制器的设计与实现 摘要 g s m 全球移动通信系统，是2 g 移动通信网络中使用率最高、覆盖最 广的移动通信系统。随着t d s c d m a 移动通信系统的商用，2 g 与3 g 网 络的融合势在必行。g s m 终端测试仪，是在已有的t d s c d m a 终端测试 仪上，进行功能扩展的成果，旨在完成对g s m 移动终端的一致性测试。 协议栈控制器是g s m 终端测试仪的核心软件。本文对g s m 协议栈 进行了研究，分析了g s m 系统中网络侧的功能，设计了g s m 终端测试 仪协议栈模块的软件架构，提出了g s m 高层协议栈在测试仪中的实现方 法。协议栈控制器软件采用多线程机制，在原终端测试仪协议栈软件的基 础上进行了协议栈状态机的改进和脚本调度的优化，丰富了软件的流程逻 辑，提高了软件的兼容性。协议栈软件模块需要与其他软件模块密切配合。 通过多次调试与验证，本文采用优先级设置和消息队列通信等方法，确保 了各线程间的同步，达到了设计需求。 协议栈控制器负责仪表与终端间信令连接的建立。本文总结了g s m 各空口消息的流程，通过对相关通信流程中空口消息的配置、发送与接收， 实现了测试仪与g s m 终端的信令交互，使终端可以建立与仪表的呼叫连 接。 本文还完成了协议栈控制器对g s m 终端一致性测试功能的支持，以 及对g s 帅s c d m a 双模测试仪表互操作功能的支持。 本文研究成果已经用于g s m t d s c d m a 双模终端测试仪的商用版 本中，取得了良好的市场效果。测试仪为g s m t d s c d m a 双模终端的认 证、研发和生产，提供了完善的测试解决方案。 关键词：g s m 终端一致性测试协议栈控制器高层协议栈 t e r m i n a lt e s ts e ti n t e n d st oa c h i e v ec o n f o r m a n c et e s to fg s mm o b i l et e r m i n a l s i ti sap l u so ft d s c d m at e r m i n a lt e s ts e t p r o t o c o ls t a c kc o n t r o l l e ri st h ec o r eo fg s mt e r m i n a lt e s ts e ts o f t w a r e n i sp a p e rr e s e a r c h e sg s m p r o t o c o ls t a c k ，a n a l y s e st h ef u n c t i o n so fn e t w o r k s i d eo fg s ms y s t e m ，d e s i g n st h ea r c h i t e c t u r eo fp r o t o c o ls o f t w a r e ，a n d p r o p o s e st h em e t h o do fi m p l e m e n t a t i o nf o rg s mh i g h e rp r o t o c o ls t a c k p r o t o c o ls t a c kc o n t r o l l e ru s e st h em e c h a n i s mo fm u l t i t h r e a d s i ti m p r o v e st h e s t a t em a c h i n ea n do p t i m i z e st h es c h e d u l e ro fs c r i p t sb a s e do nf o r m e rp r o t o c o l s o f t w a r e ，a sar e s u l t ，e n h a n c e sl o g i co fp r o c e s sa n dc o m p a t i b i l i t yo ft h e s o f t w a r ei nt h ec o n t r o l l e r p r o t o c o ls o f t w a r er e q u i r e sc o o r d i n a t i o nw i t ho t h e r p a r t o fs o f t w a r e t h i s p a p e r u s e s p r i o r i t ys e t t i n g a n dm e s s a g eq u e u e c o m m u n i c a t i n g a f t e rd e b u g g i n ga n dv e r i f i c a t i o nt om e e tt h er e q u i r e m e n t p r o t o c o ls t a c kc o n t r o l l e ri n t e n d st ob u i l dc o n n e c t i o nb e t w e e nt e s ts e ta n d t e r m i n a l n i sp a p e rc o n c l u d e st h ep r o c e s s e so fs i g n a l i n gi ng s m s y s t e m i t a c c o m p l i s h e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt e s ts e ta n dg s mt e r m i n a lt h r o u g h c o n f i g u r a t i o n ，d e l i v e r ya n dr e c e p t i o no ft h es i g n a l i n g ，t h e n ，m a k e st h et e r m i n a l c o n n e c tw i t ht h et e s ts e t ，n l i sp a p e ra l s oa c c o m p l i s h e st h ef u n c t i o n so ft e r m i n a lc o n f o r m a n c et e s t s u p p o r t e db yp r o t o c o ls t a c k ，i nt h ee n d ，i m p l e m e n t st h ei n t e r o p e r a b i l i t yo f g s m r d - s c d m ad u a l m o d et e r m i n a lt e s ts e t t h ea c h i e v e m e n to ft h i s p a p e r h a sb e e n p u t i n t o p r a c t i c e i n g s m t d s c d m ad u a l m o d et e r m i n a lt e s ts e t i th a sg a i n e dp o s i t i v ee f f e c t s i nm a r k e t t h et e s ts e t p r o v i d e sc o m p l e t e s o l u t i o n sf o r c e r t i f i c a t i o n ， d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no fg s m t d s c d m ad u a l m o d et e r m i n a l s k e yw o r d s ：g s mt e r m i n a lc o n f o r m a n c et e s t p r o t o c o ls t a c kc o n t r o l l e r h i g h e r p r o t o c o ls t a c k 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 目录 绪论 论文背景 选题意义 论文的内容和结构 g s m 终端测试仪概述 g s m 移动通信系统。 2 1 1 g s m 技术概述4 2 1 2 g s m 系统结构5 2 1 3g s m 空中接口信道结构6 2 2 g s m 终端测试仪。7 2 2 1g s m 终端一致性测试7 2 2 2 g s m 终端测试仪功能概述8 2 2 3 g s m 终端测试仪的软件架构8 2 3 本章小结。9 第三章g s m 终端测试仪协议栈控制器的设计与实现1 0 3 1g s m 终端测试仪协议栈软件结构与功能1 0 3 2协议栈控制器对g s m 高层协议功能的实现1 1 3 2 1g s m 协议栈层次结构1 l 3 2 2g s m 高层协议栈结构与功能1 2 3 2 3 g s m 高层协议栈在g s m 终端测试仪表巾的实现1 3 3 2 4 g s m 测试仪高层协议栈与低层协议栈的交互1 3 3 3 协议栈控制器对测试流程的控制与调度1 5 3 3 1 协议栈控制器的多线程实现1 5 3 3 2 协议栈控制器的状态机设计 3 3 3 测试仪的脚本组成 3 ag s m 终端测试仪表的信令流程实现 2 3 2 7 3 4 1信令流程组合与测试场景实现2 8 3 4 2 仪表信令流程与信令参数配置3 0 3 5 g s m 协议栈控制器对测试应用功能的支持4 3 3 5 1 g s m 终端测试方法。4 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 3 5 2 g s m 终端闭环测试4 4 3 5 3 g s m 终端语音回环测试4 6 3 6 本章小结。4 7 第四章 协议栈控制器对双模测试仪表的支持4 8 4 1 g s m 厂r d - s c d m a 双模测试需求。4 8 4 1 1 g s m t d s c d m a 系统间切换4 8 4 1 2 双模测试仪表互操作功能4 8 4 2 g s m t d s c d m a 双模测试实现4 9 4 2 1 c s 业务t d s c d m a 到g s m 硬切换信令分析4 9 4 2 2 g s m 协议栈控制器的改进5 1 4 3 本章小结5 3 第五章 总结与展望5 4 5 1 论文总结5 4 5 2 工作展望。5 4 参考文献5 6 致谢5 7 北京邮电 1 1 g s t d m a 一个移 初引进 已经拥有了相当成熟的系统，并大规模地占有市场。目前，中国拥有世界上规模最大 的移动通信网络。 当前移动通信网络由第二代进入到第三代。我国具有自主知识产权的3 g 标准 t d s c d m a 正处在初运营阶段。同时，由于g s m 技术成熟、网络稳定、用户群庞大， 因此其仍将在一段时间内作为用户使用移动通信的首要选择。所以当t d s c d m a 进 入市场时，市场需求的t d s c d m a 终端主流为双模，也就是支持t d s c d m a 的同时 支持g s m 制式，能够同时接入2 g 与3 g 网络，根据用户的需要进行自由的切换。 终端是整个通信产业链中的关键环节。在终端的设计和生产过程中，需要对终端 设备进行全面的测试，解决终端与标准一致性的问题以及与系统设备互通性的问题， 从而保证终端的可用性，即确保基本功能完善、性能可靠。目前g s m 佃s c d m a 双 模终端检测中存在着问题：在一些g s m 厂r d s c d m a 双模终端中，g s m 制式性能有 待提高。由于有些t d s c d m a 厂商以前并未接触过g s m 制式，因此在推出 g s m t d s c d m a 双模终端时，g s m 制式也是使用较不成熟的解决方案，势必会遇到 g s m 初期发展时所遇到的问题。解决这些问题，依赖于专业严谨的测试仪表。终端综 合测试仪是终端厂家进行手机终端产品质量检测的重要设备，通过建立自动化的手机 综合测试系统，可以提升终端设计和制造的产品质量，增强终端行业的整体竞争力， 保护手机用户的权益。g s m 终端测试仪对g s m 终端进行的一致性测试是对g s m 终 端设计方案的全面验证，是g s m 终端进入市场前的重要测试步骤，是g s m 终端产品 设计方案成熟与完善的基础和关键因素之一。 目前，根据市场对g s m t d s c d m a 双模终端的需求，为了满足未来我国通信网 络中2 g 、3 g 网络共存的需要，需要在已有的t d s c d m a 终端综合测试仪表的基础 上加入g s m 终端测试的相关功能，开发g s m 终端综合测试系统。使g s 帅- s c d m a 双模终端，拥有专业快捷的测试平台，可以方便地进行双模测试。同时，g s m 终端综 合测试系统的实现，为更进一步进行2 g 、3 g 网络多系统测试，终端r r m 一致性测 试等进阶测试，提供了完善的解决方案。 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 协议栈是移动通信网络中的核心部分，作者参与并负责g s m 终端测试仪项目中非 常重要的协议栈控制器模块的开发。协议栈控制器设计为可模拟g s m 网络中高层协 议栈的基本功能，完成网络参数的配置、各模块之间的调度、空中接口信令流程、用 户数据处理和无线资源的管理等功能。 本课题对g s m 高层协议栈的实现方法进行研究，设计并实现g s m 终端测试仪表 中的协议栈控制器模块。协议栈实现按照3 g p p r 4 协议和国家通信行业标准进行开发， 代码编写是基于w i n d o w s 平台环境的c 语言编程。 1 2选题意义 中国2 g 、3 g 网络并存的状况不可避免，由于现有2 g 用户已接近4 亿，双模或多 模手机将成为市场过渡阶段的必然选择。双模及多模手机能有效降低运营商的成本， 最大程度地保护运营商现有客户资源，促进2 g 网络向3 g 网络平滑过渡。因此，需要 在已有的t d s c d m a 终端综合测试仪表的基础上加入g s m 终端测试的相关功能， 保证双模及多模手机的测试顺利展开。 g s m 终端综合测试仪与t d s c d m a 终端综合测试仪很好地结合在一台仪表一 一g s m 厂r d s c d m a 双模终端综合测试仪上，可以用于g s m 厂r d s c d m a 双模终端 的生产测试，同时也可用于g s m f f d s c d m a 双模终端的设计和开发、服务和维修过 程中的性能指标测试，是芯片厂商、终端厂商等在研发和生产中所需要的理想测试仪 表。加入了g s m 终端测试功能后的双模终端测试平台，有着切换迅速、使用方便、 界面通用性较好等优点，在中国移动通信业由2 g 网络向3 g 网络，以及更下一代网络 的演进中，具有重要的意义。 g s m 终端测试仪表中需要模拟g s m 网络协议栈的大部分功能。这些功能可以由 协议栈控制器来完成。协议栈控制器包括高层协议实体部分和高层协议栈调度部分等。 其中，高层协议实体部分对协议的实现，主要是完成对网络侧和终端侧的参数配置和 资源控制，通过配置原语和空口信令流程来实现。高层协议栈调度主要是对整个协议 栈的运行起着调度作用，完成协议栈软件模块和其它模块的交互，并负责业务数据的 产生、接收等处理工作。因此，协议栈控制器是整个协议栈软件的控制核心，对整个 仪表运行起着至关重要的作用。 1 3论文的内容和结构 本文共分五章，各章内容安排如下： 第一章绪论，阐述了论文写作背景和选题意义。 第二章对g s m 终端测试仪做了概述。首先分析了g s m 移动通信系统，包括g s m 技术特点、g s m 系统结构和g s m 空中接口结构，然后概述了g s m 终端测试仪的功 2 北京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 能和软件结构。 第三章进入论文主题部分，设计并实现了g s m 终端测试仪软件中的协议栈控制器 部分。首先在对g s m 高层协议进行研究的基础上提出了利用协议栈控制器实现g s m 高层协议栈的方法，然后分析并完成了协议栈控制器的控制与调度功能及仪表信令流 程的实现，最后描述了协议栈控制器对应用功能的支持。 第四章是对第三章内容的补充和扩展，协议栈控制器在完成g s m 终端测试的基础 上，加入对g s m t d s c d m a 双模测试仪表互操作功能的支持。本章提出了协议栈控 制器完成双模测试的功能需求和实现方法。 第五章总结了论文的主要内容和目前完成的工作，总结了论文研究所取得的成果， 同时提出了项目中的不足，对终端测试仪今后的改进与发展做出了展望。 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g s m 终端测试仪概述 第二章g s m 终端测试仪概述 g s m 系统由网络侧和终端侧组成。g s m 终端测试仪实现了g s m 系统中网络侧的 部分功能，不仅可以作为g s m 信号发生器和g s m 信号分析仪，而且可以完成系统模 拟器的功能，通过发送与接收g s m 射频信号，与g s m 终端进行信令和数据的交互， 对信号进行数字信号处理与分析，实现对终端的一致性测试。 2 1g s m 移动通信系统 2 1 1g s m 技术概述 自2 0 世纪8 0 年代以来，蜂窝移动通信从第一代模拟蜂窝移动通信系统发展成第 二代数字蜂窝移动通信系统。作为欧洲数字蜂窝移动通信标准之一的g s m 系统于 1 9 9 1 年正式在欧洲面世，由于其公开的规范标准以及强大的漫游能力，从而获得了空 前的发展。到目前为止，世界g s m 用户数已超过3 0 亿，漫游超过2 0 0 个国家与地区。 g s m 系统主要提供语音和低速率数据业务。与第一代移动通信系统相比，g s m 突出 的特征是保密性好、抗干扰能力强、频谱效率高和容量大【1 1 。 g s m 蜂窝系统根据所用频段可以分为g s m 9 0 0 m h z 和d c s l 8 0 0 m h z 系统，载频 间隔为2 0 0 h z 。其上、下行频率划分如表2 1 所示。 表2 - 1g s m 频段分配 系统 频段( m h z )带宽( i h z ) 频道号载频数( 对) 上行8 9 0 9 1 5 g s m 9 0 0 2 51 - 1 2 4 1 2 4 下行9 3 5 9 6 0 上行1 7 1 0 1 7 8 5 d c s l 8 0 07 5 5 1 2 - 8 8 5 3 7 4 下行1 8 0 5 1 8 8 0 上下行以基站为参照物，基站发、移动台收为下行；移动台发、基站收为上行。 另外，为了业务的进一步需要，g s m 协议对g s m 9 0 0 m h z 和d c s l 8 0 0 m h z 频段 进行了扩充，包括e g s m ( 扩展g s m 频段) 、r g s m ( 包含铁路业务的g s m 扩展频段) 、 p c s l 9 0 0 ( = l 美地区使用频段1 等。 在蜂窝移动通信中，许多移动台要通过一个基站和其他移动台进行通信，因而必 须对不同移动台和基站发出的信号赋予不同的特征，以便使基站和移动台对不同的信 号做出准确的区分，识别属于自己的信号。解决这一问题的办法称为多址技术。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g s m 终端测试仪概述 g s m 系统的多址技术采用以t d m a 为主，以f d m a 为辅，两者结合的多址方式。 t d m a 是在一个宽带的无线载波上，按时间( 或称为时隙) 划分为若干时分信道，每 一用户占用一个时隙，并且只在这一指定的时隙内接收( 或发送) 信号，故称为时分 多址；f d m a 是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线信道( 发射和接收载频对) ， 每个信道传输一路话音或控制信息，故称为频分多址。 2 1 2g s m 系统结构 g s m 系统的典型结构如图2 1 所示。由图可见，g s m 系统是由若干个子系统或功 能实体组成。其中基站子系统( b s s ) 在移动台( m s ) 和网络子系统( n s s ) 之间提 供和管理传输通路，特别是包括了m s 与g s m 系统的功能实体之间的无线接口管理。 n s s 管理通信业务，保证m s 与相关的公用通信网或与其它m s 之间建立通信，也就 是说n s s 不直接与m s 互通，b s s 也不直接与公用通信网互通。m s 、b s s 和n s s 组 成g s m 系统的实体部分。操作支持系统( o s s ) 则提供运营部门一种手段来控制和维 护这些实际运行部分i z j 。 由 广。一。一。 ：0 s s ： l - i 图2 - lg s m 系统结构 g s m 系统在制定技术规范时就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议 作了比较具体的定义，使不同供应商提供的g s m 系统基础设备能够符合统一的g s m 技术规范而达到互通、组网的目的。g s m 系统的主要接口是指a 接口、a b i s 接口和 u m 接口，如图2 2 所示。这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的 移动台、基站子系统和网路子系统设备能纳入同一个g s m 数字移动通信网运行和使 用。 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g s m 终端测试仪概述 u m 接口 i i i - - l l - i i f l i i l a b i s 接口a 接口 ii - -i i - 图2 - 2g s m 主要接口 u r n 接口( 空中接口) 定义为移动台与基站收发信台( b t s ) 之间的通信接口， 用于移动台与g s m 系统的固定部分之间的互通，其物理链接通过无线链路实现。此 接口传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等。 本文所讨论的g s m 终端测试仪，主要功能就是实现g s m 系统中u m 接口中网络 侧的功能。 2 1 3 g s m 空中接口信道结构 g s m 空中接口处有两种信道类型：物理信道和逻辑信道。 由于采用t d m a 方式，g s m 在每个载频上按时间分为8 个时间段，每一个时间 段称为一个时隙( t i m e s l o t ) ，这样的时隙就叫做物理信道。一个载频上连续的8 个时隙 组成一个称之为“t d m af r a m e 的t d m a 帧，也就是说g s m 的一个载频上可提供 8 个物理信道。 逻辑信道是在一个物理信道中进行时间复用的，它根据物理信道上传送的消息类 型来划分。不同逻辑信道用于网络和移动台f b j 传送不同类型的信息，例如信令或数据 业务。在g s m 系统中，逻辑信道可分为业务信道( t c h ) 和控制信道( c c h ) 。 业务信道载有编码的话音或用户数据，它有全速率业务信道( t c h f ) 和半速率业务 信道( t c h h ) 之分，全速率信道是采用1 3 k b i t s 语音编码的语音信道，或采用9 6 b i t s 、 4 8 b i t s 或2 6 b i t s 数据速率的数据信道，而半速率信道使用全速率信道所用时隙的一 半，采用6 5 k b i t s 等数据速率的语音编码。 控制信道用于传送信令或同步数据。它主要有三种：广播信道( b c c h ) 、公共控 制信道( c c c h ) 和专用控制信道( d c c h ) 。 表2 2 给出了各控制信道的情况【3 1 。 6 北京邮电人学硕士研究生学位论文第二章g s m 终端测试仪概述 表2 - 2g s m 控制信道 信道类型信道英文缩略语功能 移动台用于频率校 频率校正信道( d l ) f c c h 正，定位小区 广播信道同步信道( d l ) s c h移动台用于进行同步 广播控制信道( d l ) b c c h广播一般消息 小区广播信道( d l ) c b c h发送小区广播消息 寻呼信道( d l ) p c h用于向移动台寻呼 资源分配( 用户接入 公共控制信道接入认可信道( d l )a g c h 鉴权) 随机接入信道( u l ) r a c h移动台进行资源请求 独立专用控制信道用于承载用户层面的 s d c c h c o l d e ) 信令 慢速辅助控制信道 与业务信道或 s a c c hs d c c h 联用，用于发 专用控制信道 ( u l ， d l ) 送射频层参数 快速辅助控制信道 通过从业务信道“偷 e 久c c h帧 ，承载比s a c c h ( u l ，d l ) 及时性高的信令信息 2 2g s m 终端测试仪 2 2 1g s m 终端一致性测试 一致性测试是指验证产品的协议实现与相应协议标准的一致性，保证产品符合规 范，运行正常。一致性测试通常基于各系统之间共存、系统内各用户之间共存、保证 多个厂家生产的产品的互联互通率以及保证用户体验等几个角度考虑参数集和设计测 试例。移动终端一致性测试解决终端与标准一致性的问题以及与系统设备互通性的问 题，从而保证终端的可用性即确保基本功能完善、性能可靠。终端一致性测试是 对终端设计方案的全面验证。 对移动通信终端的一致性测试，通常包含5 个方面：射频一致性测试、协议一致 性测试、u i c c 舢s i m 一致性测试、声学一致性测试和e m c 一致性测试。 射频一致性测试，作为一致性测试的一个方面，通过对各种外部指标的测试来验 7 北京邮电火学硕：i ：研究生学位论文 第二章g s m 终端测试仪概述 证被测设备的射频器件和相关算法性能是否达到协议设计的要求。 射频部分的优劣直接决定一款终端性能，因此射频一致性测试是终端测试中最重 要的部分。g s m 终端测试仪根据3 g p p5 1 0 1 0 1 4 1 对终端射频一致性测试的详细要求， 设计完成对终端以下五个指标的测试：输出射频频谱、功率时间模板、调制误差、发 射机输出功率、误比特率。 2 2 2g s m 终端测试仪功能概述 g s m 终端测试仪对g s m 终端设置了五个测量项，覆盖了g s m 终端射频一致性 测试的主要需求。 输出射频频谱( o r f s ) 测量项考察了移动台的发射机的调制频谱和开关频谱中信 道外频谱能量的分布。 功率时间模板( p x r r ) 测量项考察了移动台的发射机功率是否在指定的时间范围 内落在指定的功率范围内。测量所得的功率时间结果要和协议的模板进行对比。 调制误差( m a c c ) 测量项分析g m s k 调制信号的调制质量，主要是其频率误差 和相位误差。 发射机输出功率( t x p ) 测量项所测量的是移动台发射信号的平均功率，该平均 计算对一个突发的有用部分进行。 误比特率( b e r ) 测量项测量移动台解调解码的性能，对比移动台环回的数据与 测试仪下行发送的原始数据，得出错误比特率。 g s m 终端测试仪可完成射频校准测试、功能测试和性能测试，能够用于g s m 终 端研发、生产、维修和认证各个阶段的测试。 2 2 3g s m 终端测试仪的软件架构 仪表的软件分为主控软件、协议栈软件、测量算法软件、驱动软件、物理层软件 和f p g a 软件共六个部分。其中，主控软件、协议栈软件和测量算法软件运行于控制 计算机上，物理层软件运行于d s p 芯片上，f p g a 软件运行于f p g a 芯片上，驱动软 件一部分运行于控制计算机上，另一部分运行于d s p 芯片上。下面对各软件模块做一 个简要的介绍。 ( 1 ) 主控软件： 主控软件是整个仪表系统的中心控制模块，提供了一个人机交互接口。主控软件 通过接口对硬件设备和其他软件模块进行控制，使各个模块相互配合，完成需要的呼 叫、测试和配置功能。主控软件同时也控制着仪表同其他设备的通信，可以提供g p i b 和l a n 接口与其他的仪表或上位机相连。 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g s m 终端测试仪概述 ( 2 ) 协议栈软件： 协议栈软件分为低层协议栈软件和协议栈控制器软件两个部分。低层协议栈软件 实现了l a p d m 层的协议规范。协议栈控制器实现了高层协议栈部分功能，同时完成 协议栈的调度与控制工作，实现了大部分信令功能，完成和终端呼叫相关的所有操作 以及用户平面数据的产生、发送、接收和比对处理。 ( 3 ) 测量算法软件： 测量算法软件完成对终端的射频一致性测试。每个测量项以一个独立的线程实现， 包含在主控软件中。用户对测量项的控制是通过主控软件间接实现的。每个测量项被 封装在一个动态链接库中，主控软件在启动时自动加载系统中存在的测量项。 ( 4 ) 驱动软件： 驱动软件是控制计算机与基带板( d s p 芯片) 之间用于传送数据的通道，处理对 象主要是协议数据和测量数据。驱动软件分为控制计算机侧和d s p 侧两部分，分别工 作在两部分的硬件上。主控、协议栈和测量算法三个模块都要使用驱动软件与物理层 进行通信。 ( 5 ) 物理层软件： 物理层软件运行于d s p 芯片上，完成g s m 物理层的基本功能，包括下行各物理 信道的形成和上行各物理信道的解析。 ( 6 ) f p g a 软件： f p g a 软件运行于f p g a 芯片，主要完成时序同步，以及数据的存储转发处理功 能。 ： 2 3本章小结 本章对g s m 终端测试仪的功能和特点作了概述。首先从技术特点、系统结构、空 中接口结构几方面介绍了g s m 移动通信系统；然后以此为基础，阐述了g s m 终端测 试仪的特点，对终端一致性测试的概念进行了说明；最后总结了g s m 终端测试仪的 功能和软件结构。g s m 终端测试仪模拟了g s m 移动通信系统网络侧的功能，完成与 终端的通信，进而完成对终端的一致性测试。 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文第三章g s m 终端测试仪协议栈控制器的设计与实现 第三章g s m 终端测试仪协议栈控制器的设计与实现 g s m 终端测试仪中，协议栈软件模拟了g s m 系统协议栈各层实体的功能，是控 制终端测试流程的主要模块。协议栈控制器是协议栈软件的核心部分，在协议栈软件 乃至整个测试仪中发挥着至关重要的作用。它控制与调度低层协议栈的运行和各种业 务流程的建立，能够对协议栈的运行进行状态控制和参数配置，通过完成必要的信令 流程，让终端进入呼叫连接状态。在此基础上，主控模块和测量模块主导完成各测量 项的运行。协议栈控制器包括高层协议栈实现、协议栈控制与调度、协议栈信令交互 和应用模块控制几部分。 3 1 g s m 终端测试仪协议栈软件结构与功能 g s m 终端测试仪协议栈软件工作在仪表的控制计算机上，分为控制部分、协议部 分和应用部分，各部分的主要目标是：控制部分完成消息收发与处理、各状态建立、 转移及维护、本地参数配置、信令和脚本a p i 的实现等；协议部分完成g s m 协议栈 l 2 、l 3 层协议功能；应用部分完成闭环测试业务数据处理，语音回环处理等。 图3 - 1 协议栈控制软件结构 协议栈控制器在整个协议栈软件中包括了控制部分、应用部分和协议部分的l 3 模块。各部分模块功能如表3 - 1 所示。 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文第三章g s m 终端测试仪协议栈控制器的设计与实现 表3 - 1 协议栈控制器各模块及功能 模块功能 根据用户命令，从脚本库调用执行脚本，并对脚本的 协议栈调度7 运行顺序，运行时间等进行控制和调度 脚本库脚本文件库，对所有脚本文件进行统一管理 提供执行脚本文件所用的各种a p i 函数，这些函数 ；脚本a p i 4 可以将脚本的行为映射到协议栈的行为，根据脚本的 ， 流程完成整个高层协议栈的仿真 脚本文件完成高层协议流程行为的一系列脚本程序集合 r r c d 模块提供对空口消息的c s n 1 编解码 参数表提供高层可以修改的所有参数的当前值和缺省值 电路域语音应用 ( a m r ) 当链路建立后，处理c s 域用户语音数据 电路域数据应用 当链路建立后，处理c s 域闭环测量数据。根据测量 业务的速率，向测量部分申请数据，发送和接收t c h ( c s ) ， 信道数据，并递交测量软件模块计算b e r u ， 提供r r 、m m 、c c 等控制与管理 3 2 协议栈控制器对g s m 高层协议功能的实现 能。 协议栈控制器的一个重要功能是完成g s m 无线接口协议栈规范中l 3 层的部分功 3 2 1g s m 协议栈层次结构 g s m 整个协议栈分为三层：物理层p h y s i c a ll a y e r ( l 1 ) ，数据链路层d a t au l l l 【l a y e r ( l 2 ) 和网络层n e t w o r kl a y e r ( m ) 。这三层所提供的功能如下： l l 层，即物理层，提供一定数量的物理信道实现、定义不同信道间的组合方式、 数据块的组成、多址接入方式和时隙结构、跳频能力、编码和交织方式、调制解调技 术、信号的发送和接收、功率控制、接收机在时间和频率上的同步、切换和质量监测、 小区选择和重选过程中的测量、语音业务信道上的自适应帧的编解码模式等。 l 2 层，数据链路层，也即l a p d m 层，在一个d i n 信道( 控制信道) 上提供一个 或多个数据链路连接，各个数据链路连接之间由d l c i ( d a t al i n kc o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ) 来区别；进行帧类型的识别1 5 】；与d 实体间透明传送l 3 消息单元；进行顺序控制，以 韭京邮电大学硕_ 上研究生学位论文 第三章g s m 终端测试仪协议栈控制器的设计与实现 维护数据链路连接上传输的帧的有序性；检测数据链路上发生的格式和操作错误；把 不可恢复的错误向l 3 实体报告；总体来看，包括各种数据的传输结构以及对数据传 输进行控制等【6 l 。 l 3 层，即网络层，主要包括三个功能实体r r ( r a d i or e s o u r c e ) 、m m ( m o b i l i t y m a n a g e m e n t ) 和c m ( c o n n e c t i o nm a n a g e m e n t ) 。 3 2 2g s m 高层协议栈结构与功能 g s m 高层协议栈即l 3 层，由r r 、m m 和c m 三个子层组成。 r r 子层的作用是在呼叫期间建立和释放m s 和m s c 之间的稳定连接，不管用户 如何运动，总维持连接的状态。它必须在各种需要之间动态地共享有限的无线资源。 r r 层的功能主要由m s 和b s c 完成。另外，由于切换过程的责任完全位于r r 层内， 因此m s c 内实现的一部分功能( 特别是与m s c 内部切换有关的功能) 也属于r r 层。 r r 层功能集中于在无线接口上管理传输路径，更确切地说，是在m s 和有控制功 能的m s c 之间负责通信。这些路径的管理包括不同的方面。首先必须能建立和释放 这些路径，一个连接的建立是一个接入过程，对应于m s 从空闲模式转换为专用模式。 与接入有关的寻呼功能可以建立对空闲m s 的呼叫，以及支持空闲m s 所需的功能。 管理m s m s c 连接的另一方面是传输链主要特性的处理，如传输的是信令、话音、还 是数据，是否使用了加密等。 r r 功能的另一方面是切换，切换准备首先要求对服务的小区和其它邻近小区估计 传输质量，这通过测量随用户运动而变化的连接特性得到。 m m 子层的主要功能是支持移动用户终端，如：告知网络m s 的当前位置并对用 户的身份保密。更进一步，m m 子层向上一层c m 的不同实体提供连接管理服务。 所有的m m 过程，都是基于r r 连接已建立这个前提的。如果r r 连接没有建立 的话，则m m 子层首先启动r r 连接建立过程。m m 过程可以分为： ( 1 ) m m 一般过程：这一过程的前提是r r 连接已存在。 ( 2 ) m m 专用过程：当m m 连接不存在或无其它m m 专用过程正在进行的话， m m 专用过程才能启动。 ( 3 ) m m 连接管理过程：这一过程主要用于建立、保持和释放m s 和网络之间的 m m 连接。 c m 子层的主要功能是，应用户的要求，在用户之问建立连接，并能维持和释放 这些连接。它包括通过补充业务使用户能控制其发出或接收到的呼叫管理方法。呼叫 管理功能的多样性使得c m 可分为三个实体( c c 、s s 、s m s ) ，三个实体是相互独立 的，每个c c 实体与自己的m m 实体相连接并与对等层实体通信，各实体用业务标识 符t i 加以区别1 7 j 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文第三章g s m 终端测试仪协议栈控制器的设计与实理 3 2 3g s m 高层协议栈在g s m 终端测试仪表中的实现 g s m 终端测试仪表模拟g s m 基站功能，完成与终端( m s ) 之间的随机接入、注册、 呼叫等无线接入流程。由于仪表功能的特殊性和局限性，其高层协议栈的功能需求和 实现与现网中使用的真实基站不完全相同。根据终端的测试要求，仪表可以有选择的 完成g s m 高层协议栈的部分重要功能，包括构造测试场景、信令交互、业务连接等 相关功能。这些功能由协议栈控制器通过调度、控制等操作实现，完成本端网络配置、 协议栈状态转移、空口消息发送与接收等工作。 3 2 4g s m 测试仪高层协议栈与低层协议栈的交互 低层协议栈需要高层协议栈的控制来完成其功能，与此同时，低层协议栈向高层 提供相应的服务。协议栈控制器完成高层协议栈的功能，最重要的一点就是与低层协 议栈的交互，包括向低层协议栈发出命令、向低层协议栈发送用户数据、接收低层协 议栈的响应、接收低层协议栈递交的数据等。 无论是高层向低层请求服务，还是低层向高层提供服务，都主要通过层间抽象服 务原语来实现。层间抽象服务原语，用来描述层间信息的逻辑交换，即设备内部不同 实体间的通信。它所使用的接口( 信道) 是内部的，与空口消息不同。空口消息描述 的是对等层之间的通信，用于不同设备之间的信息传输。 层间抽象服务原语( 以下简称原语) 包括控制原语和消息原语。控制原语携带了 层间控制命令，消息原语携带了无线接口信令，消息原语一般会触发对等层之间