（信号与信息处理专业论文）tdscdma自动路测系统中sms测试模块的设计与实现.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： 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：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：! ! 竺! ：! ! p t 期：查! 翌：! 型 t d s c d m a 自动路测系统中s m s 测试模块 的设计和实现 摘要 截至目前，中国t d s c d m a 网络三期工程顺利完工，覆盖了全 国7 0 以上地市，客户数已经突破5 0 0 万。t d s c d m a 作为一种新 的通信系统，它的迅速发展，带来的是工作量庞大的网络优化。运用 路测软件进行路测，是现阶段发现网络问题的重要手段之一。 本文专注于t d s c d m a 自动路测系统中短信测试模块的研究。 分析了中国移动路测软件标准和t d s c d m a 短信系统，给出了短信 测试模块的需求分析和整体设计。设计并在w i n d o w 平台上通过v c 编程开发实现了短信测试模块中的三个子模块：串口通信子模块、信 令解析子模块和短信测试线程子模块的所有功能。针对t d s c d m a 自动路测系统中计算点到点短信时延误差较大的问题，提出了一种新 的计算点到点短信时延的方法，实现了两种时延算法并进行了比较分 析。 实际运行结果表明我们的方案合理有效，开发的模块稳定可靠， 能很好的反映网络状况，达到了无线网络测试的要求。同时也希望我 们提出的计算点到点短信时延的方法对改进网络测试有借鉴意义。 关键字：t d s c d m a 自动路测s m s 模块信令解析端到端时延 t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs m sm o d u l ei n t d s c d m ad r i v et e s tp l a t f o r m a b s t r a c t u p t o n o w , t h e t h i r d p h a s e o fc h i n a st d s c d m an e t w o r k c o n s t r u c t i o nh a sb e e nc o m p l e t e d ，c o v e r i n go v e r7 0 o ft h ec i t i e so fc h i n a a n dt h ec u s t o m e rh a da l r e a d ye x c e e d e du pt of i v em i l l i o n t d s c d m a w h i c hi san e wk i n do fw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n di t s r a p i d l yd e v e l o p m e n tb r i n g sah u g e w o r k l o a df o rt h en e t w o r ko p t i m i z a t i o n u s i n gd r i v e - t e s ts o f t w a r et od od r i v e t e s ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t m e a n st of i n do u tn e t w o r kp r o b l e m sa tt h i ss t a g e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h es m st e s tm o d u l e i nt d s c d m ad r i v e - t e s ts y s t e m w eg i v et h en e e d sa n dt h ed e s i g no f t h es m sm o d u l eb ys t u d y i n gt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n dc h i n a m o b i l e ss t a n d a r d sf o rd r i v e t e s ts o f t w a r e t h r e ea r et h r e es u b - m o d u l e s t o t a l l y i nt h es m st e s t m o d u l e ，t h e y a r es e r i a lc o m m u n i c a t i o n s u b m o d u l e ，s i g n a l i n gm e s s a g ep a r s i n gs u b - m o d u l ea n ds m s t e s tt h r e a d s u b m o d u l e a c c o r d i n gt ot h en e e d sa n dt h ed e s i g ng i v e n ，w er e a l i z e da l l t h ef e a t u r e so ft h et h r e es u b - m o d u l e sb yc o d i n gu s i n gv co nw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e m f o rt h ep o i n t t o - p o i n ts m sd e l a ye r r o ri s s ol a r g e ， rrilr 韭鼬山左勤必幽论塞一 旦墨1 8 ! a n di tc a nn o tr e f l e c tt h er e a lc o n d i t i o n so ft d s c d m as y s t e m ，w e p r o p o s e an e wc a l c u l a t i o n m e t h o d r e a l i z a t i o n b yc o d i n g a n d c o m p a r i s o na r ed o n et os h o wt h a tt h ed e l a ya c c o r d i n gt oo u rm e t h o di s m o r er e a s o n a b l e p r a c t i c a lr e s u l t ss h o wt h a to u rp r o p o s a li sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e ， o u rm o d u l ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，a n dc a ng i v eab e t t e rr e f l e c t i o no n n e t w o r kc o n d i t i o n sa n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fw i r e l e s sn e t w o r kt e s t a n da l s oh o p et h a to u rm e t h o do fc a l c u la t i o nm e t h o dc a nb eh e l p f u lt o i m p r o v et h ew i r e l e s sn e t w o r k t e s t k e y w o r d s ：t d s c d m a ；a u t o m a t i cd r i v et e s t ；s m sm o d u l e ； s i g n a l i n gp a r s i n g ；p o i n tt op o i n td e l a y 1 r l ， 3 1 短信测试模块需求1 6 3 2 设计原则一1 7 3 3 短信测试模块的整体设计1 7 3 3 1 硬件结构一1 7 3 3 2 软件结构1 7 3 3 3 短信模块整体设计1 8 第四章各子模块的设计与实现 2 1 4 1 串口子模块的设计与实现一2 l 4 i 1 串口通信概述。2 1 4 1 2 串u 子模块的设计与实现2 2 4 2 信令解析子模块的设计与实现2 6 4 2 1 信令解析概述。2 6 4 2 2 手机协议层信令解析2 7 4 2 2 1 手机协议层信令结构2 7 4 2 2 2 手机协议层信令解析设计与实现3 0 4 2 3r r c 协议层信令解析3 2 4 2 3 1r r c 层信令结构3 2 4 2 3 3r r c 层信令解析的设计与实现3 5 4 2 4n a s 协议层短信信令解析3 6 4 2 4 1n a s 层信令结构3 6 4 2 4 2 短信分层结构3 8 4 2 4 3 层三信令标准格式。3 8 4 2 4 4 短信n a s 层信令结构3 9 第五章短信测试模块运行结果展示 6 1 5 1 运行环境6 1 5 2 运行结果及案例6 1 第六章总结与展望 附录a 表格 附录b 缩略语 参考文献 致谢 作者攻读学位期间发表的学术论文 v ：2 酊 。 竹 巧 以上地市。在一系列行之有效市场营销创新举措的推动下，中国移动t d s c d m a 用户数也得到了快速发展。客户数己突破5 0 0 万。t d s c d m a 作为一项新的技术， 它的迅速发展，对网络优化提出了新的要求。t d s c d m a 网是一个不断变化的 网络，网络结构、无线环境、用户分布和使用行为都在不断的变化，需要持续不 断的对网络进行优化调整以适应各种变化。 所谓网络优化，就是根据系统的实际表现和实际性能，对系统进行分析，并 在分析的基础上，通过对网络资源和系统参数的调整，使系统性能逐步得到改善， 达到现有系统配置条件下的最优化服务质量。移动通信网络优化是一个长期的过 程，它贯穿于网络发展的全过程。只有不断的提高网络质量，才能让用户满意， 吸引和发展更多的用户。 根据网络优化阶段和目的不同，网络优化可以分为工程网络优化和运维网络 优化。工程网络优化是在某期工程结束之后，对新建网络进行阶段性优化，一般 由设备厂家完成工程网络优化。运维优化是在网络验收之后，运营商接管网络， 为保证网络质量而进行的长期优化。 根据网络优化的任务，可以分为持续性和阶段性两种网络优化模式。持续性 网络优化需要长期监控网络质量，并随时根据需要对网络做一些调整。持续性网 络优化对网络改动较少，只需要少量固定优化工程师，属于运维网络优化的一部 分。阶段性网络优化需要在某个期限内( 如扩容完成后1 个月内) 提高网络质量。 阶段性网络优化时问紧，任务重，需要对网络作较大调整，因此在短时间内需要 大量工程师。工程网络优化属于阶段性网络优化范畴。在运维网络优化中，需要 不定期的组织阶段性网络优化，来提高全网性能。网络优化是在有限的资源和设 备条件下，提高资源利用率，使用户获得满意的服务质量，最终提高投资收益比。 采用路测软件进行路测，是现阶段发现网络问题的主要手段之一，是网络优 化的依据。一款功能齐全、稳定可靠，并且简单易用的路测软件，不仅能够更好 的发现问题解决问题，而且能够节省人力成本，为企业和社会创造价值。 t d s c d m a 无线网络能够提供的众多业务中，短信业务是一项非常重要的 传统。虽然短信业务收入的增长出现减慢的趋势，但未来数年内手机短信的数量 拙盛唑! 乜厶堂筮l 盟纽生堂焦论塞篮= 至络j 金 将继续增长，据调研显示，在2 0 0 2 2 0 0 6 年间，短信服务业务收入的年均复合增 长率为2 9 8 ，2 0 0 7 2 0 1 1 年间的年均复合增长率也将达到9 9 ，短信业务在增 值电信市场上的份额仍然是最高的。因此，运营商都把短信测试项目列入到了各 自的路测设备技术规范书中。 1 2 国内外现状研究 目前针对g s m 网络的网络测试软件居多，而t d s c d m a 网络测试软件则 相对较少。随着t d s c d m a 的发展，国内外的设备商以及服务提供商相继开发 出能支持t d s c d m a 网络的无线网络评估系统。国内主要有鼎利的p i l o t p i o n e e r 、同讯的n t a s 、大唐的s r a n ，迈为的3 gu up r o b e 和烽火的a i r w i s d o n ， 国外的无线网络测试产品主要以爱立信的t e m s 为代表。下面就其中几款软件 做简要介绍： 1 ) 鼎利p i l o tp i o n e e r p i l o tp i o n e e r 结合了工程师长期的网络测试经验和最新的研究成果，主要用 于移动网络的故障排除、评估、优化和维护。该工具综合专业角度和最终用户感 受，对自己和竞争对手的网络进行全面的测试和分析，提供各种网络关键性能指 标的精确测量手段。 主要特点：p i l o tp i o n e e r 是基于p c 和w i n d o w s 2 0 0 似p 的网络优化测试及分 析软件，支持所有2 g ( g s m g p r s e d g e 、c d m al s 9 5 1 x ) 和3 g ( t d s c d m a 、 w c d m a 、c d m 2 0 0 0 ) 标准，支持9 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 m h z 、8 5 0 1 9 0 0 m h z 和4 5 0 m h z 等多个无线频段，能够提供包括v o i c ec a l l 、v i d e oc a l l 、v i d e os t r e a m i n g 、 f r p h 1 r r r p e m a i l 、w a p m m s s m s 等多种业务测试功能。 主要优缺点：p i l o tp i o n e e r 通过对采集数据的实时显示，并结合基站信息， 极大地增加了应用的灵活性，并有效增强故障排除能力。p i l o tp i o n e e r 提供了灵 活的界面设置功能，可以允许用户根据需要对采集数据进行过滤，对重点信息进 行聚焦，有助于工程师进行专业和深入的数据分析。运营商可以通过使用p i o n e e r ， 及时发现网络存在的问题，分析问题存在的原因，并采取相关优化措施，改善网 络性能，提高用户感知。但数据处理速度较慢和报表结果准确度不够是目前鼎利 软件需要解决的问题。 2 )大唐s p a n 网络测试分析工具s p a n ( s y s t e mo f p r o b e a n a l y s i s ) 是大唐移动推出的包 括室外路测系统s p a no u t u m 、室内测试系统s p a nl n d o o 和后台分析系统s p a n a n a l y s i s 的无线测试分析系统。s p a n 作为业界第一个商用的支持t d s c d m a 系 统的测试系统，自2 0 0 4 年底推出以来，已在大唐移动、中兴通讯、鼎桥科技、中 2 国普天、a s b 、爱立信、烽火科技等客户处得到广泛使用。在t d s c d m a 产业 化专项测试中发挥重要作用。 主要特点：室外路测系统s p a no u t u m ：室外路测系统s p a no u t u m 用于对 t d s c d m a 网络进行故障排查、验证、优化和维护，是无线网络运维、优化过 程中必不可少的测试、监控网络性能的工具。该系统可测量无线参数、评估语音 质量和对空中接口消息进行详细解码。测量数据将与小区信息一起实时显示。测 试过程中实时记录和保存l o g 文件，并用于回放、分析。室内测试系统s p a n i n d o o ：室内测试系统s p a ni n d o o 是大唐移动率先推出的一款便携式t d s c d m a 室内测试仪表。该系统可用于测量无线参数、评估业务质量和对空口消息详细 解码，实时记录测试l o g 文件，是无线网络室内测试的得力工具。采用p d a 作为 硬件平台，p d a 具有体积小、重量轻、便于携带的优点。另外，s p a ni n d o op d a 稳定的设备连接和系统运行，灵活的打点撤消等特性，保证了室内测试工作的顺 捷、便利。后台分析系统s p a na n a l y s i s ：后台分析系统s p a na n a l y s i s 是一套 t d s c d m a 后台处理与分析软件。该软件主要用于对各前台数据采集软件的测 试数据进行显示、统计查询、过滤分析等，输出各种统计报表，包括呼叫统计分 析、切换统计分析、覆盖统计分析等，并提供较为丰富的问题定位分析的软件功 能。 主要优缺点：前台界面简洁、使用起来比较有亲和力很容易上手，但低级版 本的兼容性较差，在连接g p s 和手机的时候时常会出错死机，后来经过和厂家联 系经过改进这个缺点好多了。在赠送的版本中不支持视频呼叫。脚本的编写比较 简单，但对具体测试时会出现的情况考虑不是很周到，如果是简单的测试可以满 足但如果是有经验的测试人员会比较细致的对脚本进行完备的编写则略显功能 不足。后台沿用前台的简洁风格，使用起来比较容易，且报告文档非常严谨格式 漂亮，但信令分析不够详细，层三的解码不够完备还只停留在将原语进行了简单 的翻译。 3 ) 日讯n 仉峪 同讯公司的n t a sp r o f e s s i o n a l 无线网络测试系统专业版分为前后台两种测 试版本。n t a sp r o f e s s i o n a l 通过开放式的软件平台和模块化的设计，能够连接不 同的测试终端进行路测和室内测试，对移动通信网络的空中接口和无线事件进行 准确、实时地测试，对g s m 、g p r s 、w c d m a 、h s d p a 以及t d c d m a 、c d m a 2 0 0 等网络服务质量进行全面深入的网络评估，并通过提供大量的分析工具为网络优 化提供更精确的分析和支持。 主要特点：模块化的构造理念，支持多种制式的网络测试；支持g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 地理化的分析和显示，支持g o o g l ee a r t h 图片； 3 支持k 1 5 k 1 2 9 7 采集的l u b 数据联合分析；支持呼叫信令流程打点展示等直观的分 析功能；强大的交叉表分析功能能够帮助用户任意过滤需要的数据和自动统计所 有性能指标；提供专业化的分析后台，为用户提供详细、准确的预定义和自定义 后台分析报告。 主要优缺点：前台界面简洁和大唐比较相似，在易用性和完备性上比较好的 结合起来了，但对工程文件的保存存在一些d x b u g ，不能将c e l l 信息在图层上 的显示方式保存进工程文件中，这样在每次开始测试的时候要繁琐的进行c e l l 信息的显示操作。后台功能也比较强大，信令分析详细，层三解码也非常详细， 不过报告文档的水准较大唐相比还差一点。 4 ) 迈为的3 gu up r o b e m y w a y 3 gu up r o b e 系列产品是迈为信通针对3 g 移动通信空中接e l 研发的 信令获取设备。作为一个业界全新的3 g 网络信令捕获和分析的平台，主要是通 过路测的方式，对2 g 、2 5 g 、2 7 5 g 、3 g 移动通信网络的空中接口和无线事件进 行准确、实时地测试，对g s m c d m a g p r s e d g e 以及w c d m a , e v d o ， t d s c d m a 等网络服务质量进行全面深入的网络评估，通过提供大量的分析工 具为网络优化提供更精确的分析与支持。 主要特点：g s m g p r s e d g e w c d m c d m a i s 9 5 2 0 0 0e v d o 厂r d 全面路 测解决方案；支持多款高速扫频仪与u e 同步测试，更有效地发现同邻频干扰、 导频污染等问题；智能设备p & p 技术，独有的“一键测试”技术，免除繁琐的配置 过程；特有的后向兼容技术，对未来的终端、制式提供广泛的自动支持能力；全 面、深入、可扩展的测试参数；系统提供专用的测试脚本设计器，支持多业务并 发脚本的自动生成，超强的自动终端控制能力；系统提供专用的视图设计器，预 定义若干实用的视图，所有的视图都是可以再定义，高级用户可以灵活扩充满足 各种目的的视图；简洁深入的分析报表，一键快速生成综合报表，同时支持报表 的快速自定义，生成报表的方式随心所欲；灵活的表达式定义和数据过滤，用户 可以对数据源进行灵活的数据过滤，快速从海量数据中过滤出网络问题点；自动 的话音( v o i c e ) ，数据( d a t a ，v i d e os t r e a m ) 以及视频( v i d e oc a l l ) 业务测试和评估； 详细、完整的信令解码；任意厂家数据格式的双向支持，测试过程可以直接存储 为任意厂家的数据格式，也可以装载任意厂家的测试数据进行分析，为用户提供 广泛的兼容能力；多国语言版本切换功能，及内容完备的联机帮助。 主要优缺点：前台界面给新手的感觉会比较粗糙，并且由于该软件技术方面 考虑的比较细致但忽略了界面的友好性，所以在开始使用的时候会感觉功能很多 但无从下手，并且早先的版本对室内覆盖测试的图层和l o g 文件并未进行绑定， 所以在分析的时候需要人为手动进行调整很不方便，在后续的版本中有所改进， 4 脚本编写不是很复杂，但对测试环境的考虑比较周全。后台的功能还是比较强大 的，界面和前台极为相似，信令分析详细，层三解码通俗易懂，但报告文档比较 粗糙，给人感觉不够专业。 5 ) 爱立信t e m s t e m s 是爱立信公司研制开发用于测量无线网络无线接口的测试手机，它是 在普通手机的基础上，通过在手机内烧制专用的软件并配合外部测量软件，实现 对手机与基站问的下行信息进行解码、翻译，并通过与计算机间的通信，把这些 信息通过图形、表格等形式直观地显示出来。tems 既是一个测量仪表同时也 是一个手机，通过它可以模拟一个真实用户在网络中的感受，并能准确反映出网 络的运行质量 特点及优缺点：t e m si n v e s t i g a t i o n 是便携式产品，支持g s m 、g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i e e ) 、c d m a 、w c d m a 、t d s c d m a 以及h s d p a ( h i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e ta c c e s s l 等各种网络测试，用于排除故障、验证、优化和维护移 动网络。t e m si n v e s t i g a t i o n 功能完善，但在t d s c d m a 方面起步较晚，没有重 点突出t d s c d m a 网络测试的功能，现阶段t e m s 并没有被广泛应用在 t d s c d m a 网络的测试中。 1 3 本文主要工作及内容结构 本论文完成的主要工作如下： 1 根据文章需求，对本文将要涉及的一些相关的背景知识进行简要的叙述。主 要是t d s c d m a 网络结构、空中接口协议结构以及短信系统。 2 根据运营商标准的需求，结合工程实践，完成t d s c d m a 网络测试系统 s m s 测试模块的需求分析。 3 介绍t d s c d m a 整个测试系统的结构，分析测试需求进行短信测试模块的 整体设计。 4 对串口子模块相关知识进行研究分析，并设计和实现。 5 分析相关协议，叙述短信信令解析原理，完成短信信令解析模块的设计与实 现。信令解析模块，能够给出短信信令的详细解析，如遇异常短信，软件应 该能够返回造成短信异常的网络成因。 6 整合各子模块，分析手机短信相关理论依据，完成用计算机控制短信收发的 功能，并计算出时延，成功率等统计信息。 7 展示短信测试模块的功能实现，总结全文，并对短信测试模块进行展望。 5 第二章准备知识 弟一早，隹亩划识 t d s c d m a 移动通信系统与g s m 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。本章重点介绍t d s c d m a 网络结构， 空中接口协议模型，以及非接入层协议模型，进而介绍短信系统以及它与 t d s c d m a 网络的联系。 2 1t d s c d m a 网络结构概述 t d s c d m a 系统i 主1 3 g p p 组织制订和维护，与w c d m a 具有相似的网络结构 【l l ，o h m 2 1 所示。 图2 - 1t d - s c d m a 网络结构 它包含三个部分、两个接口。三个部分是核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) 、 接入网( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，u t r a n ) 和终端( u s e r e q u i p m e n t ，u e ) 。两个接口是c n 与u t r a n 间的i u 接1 2 1 和u t r a n 与u e 间 的u u 接口。u u 接口从底向上分接入层、非接入层，接入层为非接入层提供服务。 接入层主要包括物理层、m a c 瓜l c 层和r r c 层。这里的终端是网络为用户提供 服务的最终平台。终端既包含完成与网络间实现无线传输的移动设备和应用，也 包含用来进行用户业务识别并鉴定用户身份的用户身份识别模块。 u t r a n 是t d s c d m a 网络中的无线接入网部分，其结构1 2 l 如图2 2 所示。 u t r a n 由一组r n s ( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m s ) 组成，通过l u 接口和核心网相 连。每一个r n s 包括一个r n c 和一个或多个n o d eb ，n o d eb 和r n c 之间通过i u b 接口进行通信。由于t d s c d m a 系统使用硬切换，所以r n c 之间的l u r 接口通常 不实现。u t r a n 通过u u e i 与用户设备( u e ) 进行通信，u u e i 就是所谓的空中 6 接口，自动路测主要关心的就是u u 口的信令。 图2 2u t r a n 结构 3 g p p 接口协议栈的划分继承了i s o 七层模型思想。u u 接口和i u 接口的协议 栈结构通常被分为两部分：用户平面和控制平面。用户平面是用来传输通过接入 网的用户数据。而控制平面是对无线接入承载及u e 和网络之间的连接进行控制 ( 包括业务请求、不同传输资源的控制和切换等等) ；另外，控制平面也提供了 非接入层消息透明传输的机制。 1 1 用户平面 接入层通过s a p ( 服务接入点) 承载上层的业务，图2 3 说明了u u 接口和i u 接口提供无线接入承载业务的情况。 图2 3u u e l 和l u 口的用户平面 ( 关于u u 接口的相关协议在3 g p pt s2 5 2 x xa n dt s2 5 3 x x 中定义) 2 ) 控制平面 图2 4 对u u 和l u 接口控制平面进行了简单的描述。c m ，m m ，g m m t s m 是 u e 和c n 之问的一组非接入层控制协议的集合，允许不同的非接入层控制协议 7 并行的在。 图2 - - 4u u 口和l u 口的用户平面 2 2u u 口协议结构 无线接口的协议结构如图2 5 所剩3 1 。无线接口协议的作用是建立、重新配 置和释放无线承载业务。无线接口协议结构在横向上可分为控制平面和用户平 面。 控制平面为所有u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 特定 的控制信令使用，它包含应用协议和用于传输应用协议消息的信令承载。用户平 面主要完成用户业务数据的传输，包括数据流和用于数据流的数据承载。 按其功能和任务又可分为物理层( l 1 ) 、数据链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 等3 层。第2 层包含4 个子层：媒体接入控制( m a c ) 协议层、无线链路控制( r l c ) 协议层、分组数据会聚协议( p d c p ) 协议层和广播多播控制( b m c ) 协议层； 其中分组数据汇聚( p d c p ) 协议层和广播组播控制( b m c ) 协议层只存在于用 户面。 每个模块代表一个协议实例。层( 子层) 之间通过业务接入点( s a p ) 提供 逻辑通道，下层为上层提供服务。s a p 在图中用圈表示。物理层通过传输信道为 m a c 层提供相应的服务。传输信道根据数据传输的格式，指示其以何种方式进 行复用传输。m a c 层通过逻辑信道承载r l c 的业务。 r l c 通过业务接入点s a p 为上层提供业务。业务接入点指示了r l c 层处理数 据的方式，如是否使用自动重发请求( a r q ) 功能及如何处理数据分组。在控 制平面，r l c 承载上层的业务称之为信令无线承载( s i g n a l i n gr a d i ob e a r e r ，s r b ) ， 为r r c 层传递信令；在用户平 他高层用户平面功能，都使用 为无线承载( r a d i ob e a r e r ，r b 模式和确认模式。 分组数据协议汇聚层( p d c p ) 和用于广播多播业务的b m c 协议子层位于 数据链路层( l 2 ) 的用户平面，通过r l c 承载业务。p d c p 只存在于分组域( p s ) ， 主要是对分组数据进行头压缩，以提高空中接口的传输效率。b m c 用于在空中 接口上传递由小区广播中心产生的消息。 m a c 层处在物理层和无线连接控制层之间，向上以逻辑信道的形式为高层 提供服务，向下利用传输信道使用物理层提供的服务。m a c 层除了完成逻辑信 道和传输信道之问的映射外，还要根据业务情况和传输信道的使用情况进行传输 信道的传输格式选择，以提高传输信道的利用率。 图2 5u u 口协议结构 r l c 和m a c 子层还提供了数据、信令传输的安全机制加密和完整性保 护。r r c 同样也是通过业务接入点为上层提供业务。u e 侧，非接入层( n a s ) 通过接入点和r r c 交互消息；在u t r a n 侧，i ur a n a p 协议通过业务接入点和 核心网进行交互。所有高层( n a s ) 指令都被封装成高层消息，u t r a n 透明地 在空中接口发送。r r c 层和底层所有协议实体之间都存在控制接口，r r c 通过这 些接口对他们进行配置和传输一些控制命令，如命令底层进行特定类型的测量。 9 同时底层也通过此接口报告相应的测量结果和状态。 作为无线网络测试软件，尤其要三层的数据。l 1 层的数据是反应当日仃地点 的网络性能指标的重要参数。而l 2 与l 3 层的消息，除了无线资源管理子层( r r c l 之外，还包括移动性管理( m m ) 子层和连接管理( c m ) 等子层，这部分的指 令，是呼叫、短信、p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) 、a t t a c h 等必测项目的重要参照 信令。 p h y 层( p h y c i a ll a y e r ) 中最重要的为物理信道，物理信道通常是指移动台 和基站之间的通信路径。它由5 种特征来定义：频率、时隙、信道码、突发类型、 无线帧分配。 t d s c d m a 的物理信道是频率、时隙、码道等资源的集合体，基站和手机 之间所传输的信息是通过一定的帧结构在物理信道上周而复始地传送。物理信道 主要保证信息在物理媒介上的可靠传输。t d d 中一个物理信道就是一个突发，该 突发在已分配的无线帧的特定时隙发射，无线帧的分配可以是连续也可以是不连 续的。t d s c d m a 的物理信道有公共物理信道和专用物理信道之分。 公共物理信道有：p c c p c h ( 主公共控制物理信道) 、s c c p c h ( 辅助公共 控制物理信道) 、p r a c h ( 随机接入信道) 、f p a c h ( 快速物理接入信道) 、 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) 、d w p c h ( 下行 导频信道) 、u p p c h ( 上行导频信道) 与p i c h ( 寻呼指示信道) 专用物理信道有：d p c h ( 专用物理信道) 用来承载网络和特定m s 之问的 用户信息或控制信息，属于双向信道，可以进行波束赋形。 在3 g p p 无线接口协议体系结构中，m a c 层( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 处在物 理层与r l c 层之间，向上以逻辑信道的形式为高层提供服务，向下利用传输信道 使用物理层提供的服务。m a c 层除了完成逻辑信道与传输信道之间的映射之外， 还要根据业务情况和传输信道的使用情况，进行传输信道格式选择，以提高传输 信道的利用率。 m a c 层在逻辑信道上向r l c 层提供数据传输业务。逻辑信道定义了传输何 种类型的数据，可分为控制信道( 传输控制平面信息) 和业务信道( 传输用户平面信 息) 两大类，其中控制信道( c c h ) 包括广播控制信道( b c c h ) 、寻呼控制信道 ( p c c h ) 、专用控制信道( d c c h ) 、公用控制信道( c c c h ) 和共享信道控制信道 ( s h c c h ) ；业务信道( t c h ) 包括专用业务信道( d t c h ) 和公用业务信道( c t c h ) 。 无线链路控制协议r l c 层( r a i d oi j i l l 【c o n t r 0 1 ) 位于m a c 层之上，为用户和 控制数据提供分段和重传业务。每个r l c 实体由r r c 配置，并且根据业务类型有 三种模式：透明模式( t m ) 、非确认模式( u m ) 、确认模式( a m ) 。在控制 平面，r l c 向上层提供的业务为无线信令承载( s r b ) ； 1 0 r l c - - 种模式的实际操作如下：透明模式：发送实体在高层数据上不添加任 何额外控制协议开销，仅仅根据业务类型决定是否进行分段操作。接收实体接收 到的p d u ( p a c k e td a t au n i t ) 如果出现错误，则根据配置，在错误标记后递交或 者直接丢弃并向高层报告。实时语音业务通常采用r l c 透明模式。 非确认模式：发送实体在高层p d u 上添加必要的控制协议丌销，然后进行传 送但并不保证传递到对等实体，且没有使用重传协议。接收实体对所接收到的错 误数据标记为错误后递交，或者直接丢弃并向高层报告。由于r l cp d u 包含有 顺序号，因此能够检测高层p d u 的完整性。u m 模式的业务有小区广播和i p 电话。 确认模式：发送侧在高层数据上添加必要的控制协议开销后进行传送，并保 证传递到对等实体。因为具有a r q ( a u t or e p e a tr e q m s s t ) 能力，如果r l c 接收 到错误的r l cp d u ，就通知发送方的r l c 重传这个p d u 。由于r l cp d u 中包含 有顺序号信息，支持数据向高层的顺序盾l 序递交。 p d c p 层( p a c k e td a t ac o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 仅仅用于p s 域。每个p s 域的r a b ( 无 线接入承载1 都与一个r b ( 无线承载) 相关联，每个r b 都与一个p d c p 实体相关 联。p d c p 向高层提供的服务称为无线承载，p d c p 主要完成的功能如下： 1 ) 在发送和接收实体中分别完成i p 数据流的头压缩和解压缩功能。 2 ) 用户数据的发送和接收。 3 ) 对于配置为支持无损s r n s 重定位的r b ，完成p d c p 序号的维护。 详细的p d c p 功能描述不属于本论文讨论的范围1 4 j ，可参考协议3 g p p 2 5 3 2 3 。 u e 和u t r a n 之间控制信令的主要部分是r r c 层消息1 5 j ，故r r c 层的功能 非常烦杂，如图2 6 所示。 r r c 消息携带着建立、修改和释放第l 层和第2 层协议实体所需的全部参数， r r c 消息在它们的负载中还承载高层信令( m m 、c m 、s m 等等) 而其中绝大多 数功能都属于r r m 算法部分。并且在连接模式下用户设备的移动是有r r c 信令 ( 测量、切换、小区更新等等) 控制的。而且r r c 。 层还有非常多的功能是专门为r r m ( 无线资源管理) 算法服务的，由于管 理信息是在r r c 层消息中传送的，规范就将这些功能列为r r c 协议的一部分。 r r c 层主要功能包括： 对应非接入层和接入层的系统信息广播。 对小区内的m s 进行寻呼。 初始小区选择和空闲模式下的小区重选。 m s 和u t r a n 之间的r r c 连接建立、维护和释放。 无线承载、传输信道和物理信道的控制。 对业务数据安全功能( 加密和完整性保护) 的控制。 图2 6r r c 功能 信令消息的完整性保护。 m s 测量报告以及对测量报告的控制。 r r c 连接的移动性功能。 s r n c 重定位支持。 对m s 倾i 下行链路外环功率控制的支持。 开环功率控制。 对m s 定位功能的支持。 小区广播业务相关的功能。 2 3 非接入层( n a s ) 规范 n a s ( n o n - a c c e s s s t r a t u m ) 层是无线通信协议栈中的层三的高层部分i 刚， 属于核心网对等功能层，n a s 层主要对c n ( c o r en e t w o r k ) 中的对等功能层进行 交互，其结构如图2 7 所示。 c m ( c o n n e c t i o nm a n a g e m e n t ) 按照提供功能的不同，可以进一步 ( c c ，c a l lc o n t r 0 1 ) 、附加业务( s s s h o r tm e s s a g es e r v i c e s ) 和会话管理 图2 7n a s 层结构 s m 实体仅用于p s 域的数据业务，其主要功能是使m s 支持p d p 上、下文处理。 包括p d p 上下文激活( m s 和网络都可以发起) ，p d p 上下文更改，p d p 上下文去 激活等功能。 2 4 短信系统结构 短信业务为m s 提供一种非实时的消息传递机制，实现通各过短信中心在m s 和短信实体问的信息的传递。按其短信业务可以划分为点到点短信和小区广播短 止 1 日。 小区广播短信业务有网络广播广播给m s ，每条短信的广播范围有运营商决 定。广播短信的头部包含识别信息和序列号，m s 可以根据该信息决定该条短信 1 3 是否接收，对