CN111343654A - 移动通信系统协议栈集成自测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种移动通信系统中的协议栈集成测试系统。主要由终端和模拟网络控制器两部分组成，两者在实现时不依赖通信系统中的物理层，模拟网络控制器运行在PC端，实现模拟基站和模拟核心网的功能，以文件数据库的方式保存着空口下行数据；系统运行过程中，当终端等待空口下行数据时，模拟网络控制器从文件数据库中读取数据，通过串口将其转发到终端，保证终端各个流程的正常执行。本发明在文件数据库中保存着各种电信业务流程的数据，模拟网络控制器中加载不同的数据库文件测试不同的业务流程。本发明可以在缺乏通信物理层，缺乏网络侧通信设备的场景下，实现低成本、便捷快速测试终端高层协议栈、测试终端整机工作状态的目的。

Description

移动通信系统协议栈集成自测系统

技术领域

本发明属于移动通信系统的协议栈测试领域，具体涉及测试终端和模拟网络控制器两部分，两者通过串口通信。该系统在不依赖通信系统中物理层的情况下实现终端多种电信业务流程的集成测试。

背景技术

移动通信系统由终端(UE)，基站(BS)，和核心网(CN)组成。UE一般包括应用处理器单元(AP)、通信处理器单元(CP)，其中AP单元负责用户定制的各种应用的安装、运行和卸载，负责用户数据的存储、删除和安全性等，很多AP运行着复杂的ANDROID操作系统；CP主要实现通信系统的通信协议，包括物理层协议和用户移动性管理等高层协议。AP和CP协调工作共同完成用户的电信业务需求和其它需求。AP和CP运行在同一颗芯片时可以通过共享内存+中断的方式通信；两者位于两颗不同的芯片时，可以通过外围接口控制器串口、SPI等通信。大部分移动通信系统，包括地面移动通信系统和卫星移动通信系统，采用分层式的通信协议栈，每层各司其职，层与层之间通过原语交互协作，类似网络通信中TCP/IP四层协议模型，OSI七层协议模型。

移动通信系统中UE侧CP单元包含物理层协议和高层协议栈,物理层主要负责调制解调数字模拟信号，控制射频芯片完成空口信号收发。高层协议栈主要完成电路域业务、数据业务、保证数据可靠性传输、无线资源管理、移动性管理、补充性业务等功能。UE实际运行中物理层和高层协调工作完成用户的需求。在UE系统实际开发过程中，高层协议和物理层协议可能由不同的软件开发人员开发，两者开发进度状态不一致。当高层协议开发完成后，物理层协议也许正在开发中，或者终端全部协议开发完成，网络侧没有成熟的测试环境，测试人员无法开展测试工作。这种场景下，高层开发测试人员希望在没有物理层、没有网络侧支持的情况下测试位置更新、路由区更新、话音、数据、短信等各业务流程，以便提前发现问题。

目前国内外科研人员和软件开发测试人员研究实践了许多隔离物理层，测试高层协议栈的方法，尽可能多地发现程序中的错误并及时修复，主要包括：

1.运行UE，在系统中打桩，通过打印的方式，判断运行是否正常；如果系统运行基于消息驱动，打桩发送一条消息，查看程序的执行流程。该方式只需要UE；

2.在PC端建立高层协议栈镜像工程，将实际运行在ARM上的嵌入式协议栈运行在PC上的WINDOW或者LINUX操作系统，编写大量的单元测试用例，测试单个模块或者模块中的单个函数的执行流程是否正确。该方式不需要UE，所有测试操作在PC上实现。

以上两种方法可以测试高层协议栈的单个模块，或者模块中的某些函数。当系统基于消息驱动时，打桩发送一条消息只能跟踪该条消息触发的数据流动，无法完成完整过程，比如无法完成位置更新流程的测试,进而无法完成整个协议栈系统的集成测试。实际的一些应用场景中，CP运行在一颗芯片，AP运行在另一颗芯片，可以是ANDROID,WINCE，LINUX等，两者的通信接口千变万化，AP和CP接口的调试依赖于协议栈集成测试，以上两种方式不能够完成AP和CP接口的调试。

在这种背景下，作者公开了一种分离物理层，不依赖真实网络侧通信设备，完成UE协议栈集成测试，完成CP和AP接口调试的方法。开发测试人员需要一台UE和一台PC，UE上运行着终端侧系统，PC上运行着模拟网络控制器(SIM_NETWORKER)。SIM_NETWORKER担当着BS和CN的功能。该集成自测系统主要由三部分组成：

1.终端UE系统的AP

AP运行智能操作系统，将用户开机入网和使用电信业务的不同操作转化为AT指令，发送给CP的高层协议栈模块，并接收高层协议栈返回的命令，通知用户结果。在该过程中，AP和高层协议栈建立完成业务通道，AP的业务数据通过该通道传输到高层协议栈，由高层协议栈转发到模拟物理层。高层协议栈将从模拟网络控制器接收到的业务数据通过该通道转发给AP。

2.终端UE系统的CP

CP包含高层协议栈和模拟物理层，其中高层协议栈接收AP的命令和业务数据，待模拟物理层请求数据时，将其发送给模拟物理层。同时将模拟物理层从模拟网络控制器获取的命令和业务数据通过串口发送到AP。模拟物理层单元包括5个子模块，分别为主控模块、广播模块、配置模块、数据模块和调度模块；

3.PC侧的模拟网络控制器(SIM_NETWORKER)

SIM_NETWORKER实现网络侧BS和CN的功能，它以面向数据的方式，实现完整的网络侧。该模块主要有三部分组成，分别为文件数据库、控制模块、UI模块。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为移动通信系统的终端(UE)搭建一套面向数据流的集成测试自测系统，该系统不依赖于真实物理层、基站和核心网，能完整模拟实际应用中多种电信业务流程，包括位置更新流程、电路域话音流程、短信流程、分组域数据流程等。

本发明采用的技术方案为：

一种移动通信系统协议栈集成自测系统，包括测试终端和模拟网络控制器，测试终端和模拟网络控制器分别运行在两个平台；测试终端包括应用处理器单元和通信处理器单元，两者通过串口交互数据，通信处理器单元包含高层协议栈和模拟物理层；

应用处理器单元运行智能操作系统，将用户开机入网和使用电信业务的不同操作转换为AT命令，发送给通信处理器单元的高层协议栈，并接收高层协议栈返回的命令，通知用户结果；在该过程中，应用处理器单元和高层协议栈建立完成业务通道，传输两者之间的业务数据；

高层协议栈接收应用处理器单元的命令和业务数据以及模拟物理层的广播信息，并根据应用处理器单元的不同命令触发位置更新、话音、短信和数据四种不同流程，产生不同的协议数据，保存到本地，待模拟物理层请求数据时，通过内部消息发送到模拟物理层,当从模拟网络控制器接收到物理信道配置命令数据时，完成对模拟物理层的信道配置；同时将模拟物理层从模拟网络控制器获取的命令和业务数据通过串口发送到应用处理器单元；模拟物理层负责存储小区广播信息，以及响应高层协议栈对物理层的信道配置，并通过维护帧定时器周期性向高层协议栈和模拟网络控制器请求数据，通过内部消息接收到高层协议栈数据后，释放数据占用的内存空间，通过串口接收到模拟网络控制器的命令和业务数据后转发到高层协议栈；

模拟网络控制器用于存储包含位置更新、话音流程、短信流程和数据流程的下行命令和业务数据，用户通过界面选择不同文件，测试不同业务流程；还用于接收测试终端的数据请求，将测试终端请求的命令和业务数据发送给测试终端。

其中，模拟物理层单元包括主控模块、广播模块、配置模块、数据模块和调度模块；

主控模块是模拟物理层运行的入口，用于高层协议栈和模拟物理层单元的数据交互，接收高层协议栈的数据后，根据消息类型分发到配置模块和数据模块，并从广播模块、配置模块、数据模块和调度模块接收数据后，转发到高层协议栈；

广播模块储存小区广播，由广播数据和广播发送控制两个子模块组成，广播发送控制子模块周期性从广播数据子模块中取出广播数据，经过主控模块发送到高层协议栈；

配置模块接收主控模块转发过来的高层协议栈对模拟物理层的信道配置消息，并通过主控模块向高层协议栈回复确认消息；

数据模块用于接收主控模块转发过来的高层协议栈发给模拟网络控制器的协议数据，并释放数据占用的内存空间，同时从模拟网络控制器获取命令和业务数据，并通过主控模块转发到高层协议栈；

调度模块用于实现帧调度定时器，定时器超时后通知主控模块，主控模块请求高层协议栈向模拟网络控制器发送数据，同时请求模拟网络控制器向测试终端发送数据，使得终端完成数据收发行为。

其中，模拟网络控制器包括文件数据库、控制模块和用户界面；

文件数据库包含电信业务各个流程的数据文件，包括位置更新流程、话音流程、短信流程和数据流程，文件中保存着待转发给测试终端的下行命令和业务数据；

控制模块用于实现和测试终端通信的功能，通过串口接收来自测试终端的数据请求指令，使用本地IO方法,从文件数据库中读取命令和业务数据，然后通过串口转发给测试终端的模拟物理层单元；还用于处理用户界面触发的事件；

用户界面使用户选择不同测试流程对应的文件，支持用户开始和结束测试。

本发明相比现有技术的优点为：

本发明不依赖于真实物理层、基站和核心网，能完整模拟实际应用中多种电信业务流程，可以在缺乏通信物理层，缺乏网络侧通信设备的场景下，实现低成本、便捷快速测试终端高层协议栈、测试终端整机工作状态。

附图说明

图1为本发明集成自测系统组成示意图；

图2为本发明SIM_NETWORKER运行时用户界面图；

图3为本发明位置更新流程测试流程图；

图4为本发明电路域被叫流程测试流程图。

具体实施方式

下面将参考附图详细说明本发明。

参考附图1，集成自测系统存在UE和SIM_NETWORKER两个实体。对于UE，AP和CP运行在两颗不同的芯片，两者通过串口接口通信。AP运行着ANDROID智能操作系统，CP运行着THREADX嵌入式实时操作系统，运行着移动通信体制高层协议栈，同时支持串口通信驱动。模拟物理层单元SIM_DSP和高层协议栈同步启动，相互之间通过内部消息通信。对于SIM_NETWORKER，运行在WINDOW操作系统，使用C#编程语言编写,它实现了UI用户界面、串口通信控制和本地I/O控制，SIM_NETWORKER的文件数据库包含了常用的电信业务流程文件。UE和SIM_NETWORKER之间通过串口通信。

整个集成测试自测系统主要由三部分组成：

1、终端系统的AP

当前有些终端将AP和CP放置到两颗芯片上，两颗芯片之间通过串口、SPI等接口控制器通信；有些终端将AP和CP封装到一颗芯片，两者通过共享内存+中断驱动的方式通信。在实现系统时，两个处理器在两颗不同的芯片,两者通过串口通信。

AP运行智能操作系统，将用户开机入网和使用电信业务的不同操作转化为AT指令，发送给通信处理器单元的高层协议栈，并接收高层协议栈返回的命令，通知用户结果。在该过程中，AP和高层协议栈建立完成业务通道，AP的业务数据通过该通道传输到高层协议栈，由高层协议栈转发到模拟物理层。高层协议栈将从模拟网络控制器接收到的业务数据通过该通道转发给AP。

2、终端系统的CP

CP包含高层协议栈和模拟物理层两个模块。两者之间通过内部消息交互通信。

2.1高层协议栈

高层协议栈首先接收应用处理器单元的命令及模拟物理层的广播信息，根据不同命令触发位置更新、话音、短信和数据四种不同流程，产生不同的协议数据，保存到本地，待模拟物理层请求数据时，通过内部消息发送到模拟物理层，并对模拟物理层进行信道配置；同时将模拟物理层从模拟网络控制器获取的命令通过串口发送到应用处理器单元。通过该过程高层协议栈和AP建立业务数据通道，高层协议栈从模拟网络控制器获取的命令和业务数据通过该通道传递给AP，同时AP通过该通道将业务数据传递给高层协议栈，由高层协议栈转发到模拟物理层，由模拟物理层处理。

2.2模拟物理层SIM_DSP

CP如果没有物理层，高层协议栈无法正常启动，高层协议栈和物理层交互的模块都在等待物理层的响应，一旦交互异常，CP启动便会异常。物理层在实际运行中调度数据收发，起着节拍器的作用，CP没有这部分功能，同样将无法完成数据的有序接收和发送。CP启动时，高层协议栈和模拟物理层同步启动，两者之间通过内部消息通信。

SIM_DSP模块忽略真实物理层对信号的调制解调、控制射频芯片收发信号的操作，实现了其它和相关模块交互的接口，同时实现调度功能，主要包括主控模块、广播模块、配置模块、数据模块和调度模块5大方面。

1)主控模块

主控模块是SIM_DSP的入口，高层协议栈和SIM_DSP模块的交互首先经过该模块，由该模块根据消息类型分发到其他模块，广播相关的请求分发到广播模块、配置相关的请求分发到配置模块。同时该模块从广播模块、配置模块、数据模块和调度模块接收数据后，转发到高层协议栈。

2)广播模块

终端开机后首先尝试搜索有信号的小区广播，收集系统消息，待收集系统消息充分后尝试位置更新流程，为电信业务奠定基础。广播模块储存小区广播，由广播数据和广播发送控制。系统广播数据总量不大，以数组的方式存储到程序中。当高层协议栈需要读取广播消息时，广播模块启动广播发送定时器，待定时器超时广播模块从广播数组中读取一条广播消息，将其转发到请求广播的高层协议栈。

3)配置模块

真实物理层除了包含信号调制解调、控制射频芯片收发信号外，还包括和其他模块的数据控制交互。比如无线资源控制层配置新的物理层信道，需要物理层响应，一旦响应超时，终端工作将会异常。SIM_DSP中的配置模块用于实现这部分功能，能够及时响应CP高层协议栈对物理层的配置信道消息。

4)数据模块

数据模块用于接收主控模块转发的高层协议栈发给模拟网络控制器的协议数据，释放数据占用的内存空间，同时从模拟网络控制器获取命令和业务数据，并通过主控模块转发到高层协议栈，高层协议栈按照协议处理这些数据；

5)调度模块

物理层在移动通信中具有非常重要的调度功能，严格的帧调度保证终端和网络侧收发帧同步。SIM_DSP的调度模块用于实现帧调度定时器，定时器超时后通知主控模块，主控模块请求高层协议栈向模拟网络控制器发送数据，同时请求模拟网络控制器向测试终端发送数据，，使得终端完成数据收发行为。

2.模拟网络控制器(SIM_NETWORKER)

SIM_NETWORKER服务运行在x86 PC平台。该控制器分为三部分，文件数据库、控制模块和UI模块。

3.1)文件数据库

文件数据库包含电信业务各个流程的数据文件，不同文件保存着不同流程的下行数据，包括位置更新流程、话音流程、短信流程、数据业务流程等。开发测试人员要测试某一业务流程,只需要加载该流程的文件。数据库中的文件可以通过以下两种方式生成：

(1)开发测试人员根据协议，手动编写空口下行数据，不同流程生成不同信令组合，合理填充下行信令中的字段值；该方式要求对协议非常了解，能够自行编写空口数据码流。

(2)从已经存在的测试数据中提取各个信令的码流数据。比如该协议在某个平台上已经实现了各种电信业务，当其被移植到另一个平台后，使用集成自测系统测试时，可从前期平台的测试数据中提取下行空口数据；该方式要求前期已经有测试数据。

3.2)控制模块

该模块负责实现和UE通信的功能，实现串口通信，接收来自UE侧的数据请求指令，利用本地I/O方式，从文件数据库中读取命令和业务数据，并快速转发给UE侧的SIM_DSP模块，同时该模块处理UI模块触发的事件。

3.3)UI模块

开发测试人员通过该模块选择想要测试的流程文件，可以随时开始和结束测试，附图2为UI界面。

本发明有UE和SIM_NETWORKER两个实体，集成自测系统运行时，两个实体间的通信扮演着重要的角色。实际移动通信系统使用无线电波传输信息，集成自测系统在实现时可以使用串口，RNDIS等方式传输信息。在实现本发明时，作者使用了串口通信。

参考附图2，SIM_NETWORKER用户界面左上角是打开关闭串口开关，用于开启结束测试；左侧部分为信息显示区；右侧上半部分输入框为发送的AT命令，右侧下半部分输入框是设置的测试路程文件，最下面的按钮是寻呼按钮，比如集成测试系统测试电路域被叫流程，需要SIM_NETWORKER主动发起寻呼。

参考附图3，测试位置更新流程启动UE和SIM_NEWTORKER,双方使用串口线连接，SIM_NETWORKER用户界面左上角选择串口，并打开。用户界面右侧文件区域选择位置更新流程文件并点击“OPEN”按钮，在右侧命令区域发送READY命令通知UE SIM_NETWORKER准备完毕。UE开启读取广播等一系列流程。收集完广播后，SIM_DSP启动调度器模块，周期性从SIM_NEWTORKER请求数据；SIM_NETWORKER从文件中逐条读取空口下行数据转发给UE SIM_DSP模块，SIM_DSP将数据转发到高层协议栈，高层协议栈经处理，将结果转发到AP，直到位置更新完成，SIM_DSP停止调度，结束流程测试。

参考附图4，测试电路域被叫流程，前提要先完成附图3流程，即完成位置更新流程。待位置更新完成后，在用户界面右侧文件区域选择电路域被叫流程文件并点击“OPEN”按钮在右侧命令区域发送READY命令通知UE SIM_NETWORKER准备完毕。SIM_NETWORKER点击UI界面右侧“Paging”按钮，主动开启寻呼流程，并从文件中读取数据将其转发到UE，UESIM_DSP启动调度器模块，周期性向SIM_NETWORKER请求数据。SIM_NETWORKER从文件中读取数据并转发到UE，UE将其转发到SIM_DSP模块，SIM_DSP模块将获取的话音业务数据传递到高层协议栈，高层协议栈转发给AP，在AP侧通过扬声器播放，同时AP侧通过串口将话音业务数据传递给高层协议栈，高层协议栈转发给模拟物理层，模拟物理层释放话音数据占用的内存空间。持续话音收发流程，直到话音流程测试完毕，SIM_DSP停止调度，结束流程测试。

测试流程具体为：

对于位置更新测试流程而言：

(1)终端位置更新流程文件F准备就绪；

(2)启动UE系统(包括AP和CP),SIM_NETWORKER；

(3)通过SIM_NETWORKER的UI加载待测试流程文件F；

(4)SIM_NETWORKER通知UE准备就绪；

(5)UE尝试位置更新：

(5.1)高层协议栈向SIM_DSP请求广播消息，SIM_DSP从本地内存中读取广播消息，并将其转发到高层协议栈；

(5.2)UE的SIM_DSP模块启动调度器，周期性通过串口向SIM_NETWORKER发送数据请求指令；

(5.3)SIM_NETWORKER从F中读取新的数据记录，通过串口发送到UE，UE将其转发到SIM_DSP模块；

(5.4)SIM_DSP将从模拟网络控制器获取的数据传递到高层协议栈；

(5.5)高层协议栈接收到模拟网络控制器数据后，按照协议处理，将处理结果转发到AP，通知用户结果；

(5.6)反复5.2-5.5步骤，直到UE位置更新成功。

(5.7)SIM_DSP停止调度器，停止向SIM_NETWORKER请求数据。

(6)SIM_NETWORKER结束该测试流程。

对于电路域被叫测试流程而言：

(1)SIM_NETWORKER准备就绪被叫话音流程文件F；

(2)启动UE系统(包括AP和CP)，SIM_NETWORKER；

(3)通过SIM_NETWORKER的UI加载待测试流程文件F；

(4)SIM_NETWORKER通知UE准备就绪；

(5)SIM_NETWORKER主动发起寻呼,并从F文件中读取数据记录，转发到UE侧；

(6)UE高层协议栈收到寻呼后，开启话音被叫流程

(6.1)UE高层协议栈发起寻呼响应，SIM_DSP启动调度器，周期性通过串口向SIM_NETWORKER发送数据请求指令；

(6.2)SIM_NETWORKER从F中读取数据记录发送到UE；

(6.3)SIM_DSP模块将从模拟网络控制器获取的数据传递到高层协议栈；

(6.4)高层协议栈接收到模拟网络控制器数据后，按照协议处理，将处理结果转发到AP，通知用户结果；如果是话音业务数据，将该数据通过业务信道转发到AP。

(6.5)反复6.1-6.4步骤，直到话音从接通到被挂断；

(6.6)SIM_DSP停止调度器，停止向SIM_NETWORKER请求数据；

(7)SIM_NETWORKER结束该测试流程。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种移动通信系统协议栈集成自测系统，其特征在于，包括测试终端和模拟网络控制器，测试终端和模拟网络控制器分别运行在两个平台；测试终端包括应用处理器单元和通信处理器单元，两者通过串口交互数据，通信处理器单元包含高层协议栈和模拟物理层；

应用处理器单元运行智能操作系统，将用户开机入网和使用电信业务的不同操作转换为AT命令，发送给通信处理器单元的高层协议栈，并接收高层协议栈返回的命令，通知用户结果；在该过程中，应用处理器单元和高层协议栈建立完成业务通道，传输两者之间的业务数据；

高层协议栈接收应用处理器单元的命令和业务数据以及模拟物理层的广播信息，并根据应用处理器单元的不同命令触发位置更新、话音、短信和数据四种不同流程，产生不同的协议数据，保存到本地，待模拟物理层请求数据时，通过内部消息发送到模拟物理层；同时将模拟物理层从模拟网络控制器获取的命令和业务数据通过串口发送到应用处理器单元，当从模拟网络控制器接收到物理信道配置命令数据时，完成对模拟物理层的信道配置；

模拟物理层负责存储小区广播信息，以及响应高层协议栈对物理层的信道配置，并通过维护帧定时器周期性向高层协议栈和模拟网络控制器请求数据，通过内部消息接收到高层协议栈数据后，释放数据占用的内存空间，通过串口接收到模拟网络控制器的命令和业务数据后转发到高层协议栈；

模拟网络控制器用于存储包含位置更新、话音流程、短信流程和数据流程的下行命令和业务数据，用户通过界面选择不同文件，测试不同业务流程；还用于接收测试终端的数据请求，将测试终端请求的命令和业务数据发送给测试终端。

2.根据权利要求1所述的移动通信系统协议栈集成自测系统，其特征在于，模拟物理层单元包括主控模块、广播模块、配置模块、数据模块和调度模块；

主控模块是模拟物理层运行的入口，用于高层协议栈和模拟物理层单元的数据交互，接收高层协议栈的数据后，根据消息类型分发到配置模块和数据模块，并从广播模块、配置模块、数据模块和调度模块接收数据后，转发到高层协议栈；

广播模块储存小区广播，由广播数据和广播发送控制两个子模块组成，广播发送控制子模块周期性从广播数据子模块中取出广播数据，经过主控模块发送到高层协议栈；

配置模块接收主控模块转发过来的高层协议栈对模拟物理层的信道配置消息，并通过主控模块向高层协议栈回复确认消息；

数据模块用于接收主控模块转发过来的高层协议栈发给模拟网络控制器的协议数据，并释放数据占用的内存空间，同时从模拟网络控制器获取命令和业务数据，并通过主控模块转发到高层协议栈；

调度模块用于实现帧调度定时器，定时器超时后通知主控模块，主控模块请求高层协议栈向模拟网络控制器发送数据，同时请求模拟网络控制器向测试终端发送数据，使得终端完成数据收发行为。

3.根据权利要求1所述的移动通信系统协议栈集成自测系统，其特征在于，模拟网络控制器包括文件数据库、控制模块和用户界面；

文件数据库包含电信业务各个流程的数据文件，包括位置更新流程、话音流程、短信流程和数据流程，文件中保存着待转发给测试终端的下行命令和业务数据；

控制模块用于实现和测试终端通信的功能，通过串口接收来自测试终端的数据请求指令，使用本地IO方法,从文件数据库中读取命令和业务数据，然后通过串口转发给测试终端的模拟物理层单元；还用于处理用户界面触发的事件；

用户界面使用户选择不同测试流程对应的文件，支持用户开始和结束测试。

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