CN113194041B - 一种应用于时分多址物联网中的终端模拟平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于时分多址物联网中的终端模拟平台，包括：平台控制层、协议处理层、终端模拟层和模拟终端管理层，所述模拟终端管理层作为所述终端模拟层与节点交互的中间层，通过单个射频通道与节点相连，并管理所述终端模拟层的行为；所述终端模拟平台完成初始化后进入循环的工作周期，所述工作周期与接入网络的MAC帧同步，输变电设备物联网采用隔帧调度方式，模拟终端管理层在第x帧的下行子帧中将指令与数据字段分发至所述终端模拟层的对应模拟传感器，终端模拟层将第(x+1)帧的上行数据帧发送给所述模拟终端管理层，所述上行数据帧带有发送时隙信息的包头，并在第(x+1)帧的下行子帧中统一发送至射频模块。本发明能够采用一个射频通道模拟大规模终端集群。

Description

一种应用于时分多址物联网中的终端模拟平台
技术领域
本发明涉及信息技术领域，特别是涉及一种应用于时分多址物联网中的终端模拟平台。
背景技术
物联网的应用日益广泛，新的物联网协议标准也在不断发展。多厂家设备互通是标准推进的难点。由于研发人员在协议栈的实现过程中不可避免地存在偏差，导致有些情况下某厂家自研的物联网设备之间可以互通，但与其他厂家所研制的设备互通失败。为了避免通信设备直到上线后才发现不符合协议标准因而造成经济损失，所以通信设备必须通过标准方的协议测试才能获取入网资格。
协议测试分为一致性测试与互操作测试。一致性测试是一种协议层面的测试，被测实现(IUT)是设备或系统，由测试系统给出激励，检测被测实现的响应是否符合协议规范，以此来判断被测实现是否正确实现了协议标准。协议互操作测试是一种功能级测试，测试设备是实现了协议规范的标准设备，而被测实现只能是设备，测试过程中通过被测实现与标准设备的互联互通正常与否来检测被测实现的功能。
协议测试平台需要模拟网络环境，并将被测实现(IUT)接入到网络中的相应位置进行测试。按照最初的做法，协议测试平台将搭载真实传感器，配合平台的射频通道来模拟传感终端的业务行为，这种方法成本较高，硬件体积较大，但可以还原真实的终端行为。在之后的改进中，省去传感器实体，将传感器业务行为以软件形式实现在后台中，通过后台操控射频通道来模拟终端行为，这种方法降低了成本，减小了硬件体积，但一个射频通道仍然只能模拟一个终端，无法完成需要大规模终端集群的测试用例。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于时分多址物联网中的终端模拟平台，能够采用一个射频通道模拟大规模终端集群。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于时分多址物联网中的终端模拟平台，包括：平台控制层，作为所述终端模拟平台的主控模块，用于解析后台的控制指令并对所述终端模拟平台做实时的控制；协议处理层，用于实现输变电设备物联网中NTW层与MAC层协议栈；终端模拟层，用于实现多种不同特性的模拟终端；模拟终端管理层，作为所述终端模拟层与节点交互的中间层，通过单个射频通道与节点相连，并管理所述终端模拟层的行为；所述终端模拟平台完成初始化后进入循环的工作周期，所述工作周期与接入网络的MAC帧同步，所述输变电设备物联网采用隔帧调度方式，所述模拟终端管理层在第x帧的下行子帧中将指令与数据字段分发至所述终端模拟层，所述终端模拟层将第(x+1)帧的上行数据帧发送给所述模拟终端管理层，所述上行数据帧带有发送时隙信息的包头，并在第(x+1)帧的下行子帧中统一发送至射频模块。
所述模拟终端管理层采用UDP协议透传所述上行数据帧，对所述下行子帧根据所携带的通信地址进行字段切割与分发。
所述模拟终端管理层还用于判断收到的所述上行数据帧是否发生碰撞，若发生碰撞，则丢弃所有发生碰撞的上行数据帧，并通知所述终端模拟层中对应的模拟终端进行重传；所述终端模拟层中对应的模拟终端收到重传指令后，随机退避一定帧数，进行重传。
所述所述终端模拟平台完成初始化时，在所述初始化信息中包含掉线率参数，将在所述工作周期中的随机时刻从终端模拟层中随机选择模拟终端进行掉线操作。
所述模拟终端管理层决定所述模拟终端掉线事件的起止时间，若所述模拟终端发生掉线，所述模拟终端管理层则不再转发所述模拟终端的上下行数据，并在一定随机帧数后控制所述模拟终端重新随机接入，并对所述模拟终端进行数据转发。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明针对下行数据采用数据分担机制的设计，针对上行数据采用软硬件协同机制的设计，从而能够使用单个射频通道来模拟大规模终端集群，解决了射频通道资源不足情况下的难以模拟大规模终端集群的困难。
附图说明
图1是本发明实施方式的框架图；
图2是本发明实施方式的工作周期时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种应用于时分多址物联网中的终端模拟平台，如图1所示，包括：平台控制层、协议处理层、终端模拟层和模拟终端管理层。
平台控制层是终端模拟平台的主控模块，解析后台的控制指令并对系统做实时的控制。其中，后台需实现本终端模拟平台提供的北向接口，一种典型用法为使用协议测试平台作为系统后台，亦可根据用户实际需求由任何实现接口的实体来替换。
模拟终端管理层用于管理终端模拟层的行为，也是终端模拟层与节点交互的中间层，通过单个射频通道与节点相连，实现了资源控制功能与一些终端的自身特性，控制模拟终端发起MAC层功能以外的行为，如接入请求、掉线、重连等，还实现了终端模拟层中与射频模块的连接，采用UDP协议透传上行数据帧，对下行帧根据所携带的通信地址(CID)进行字段切割与分发。
本实施方式中采用的射频模块完成射频信号与基带信号之间的转换工作。射频模块由三个部分组成，射频前端、微控制单元(MCU)和以太网控制器。对于下行数据帧，射频前端将接收到的射频信号恢复成基带信号，并经过MCU处理后通过以太网控制器发往终端模拟平台。终端模拟平台在当前帧将下一帧的上行数据帧通过以太网控制器发送给射频模块，由MCU控制射频前端对数据帧进行调制并同步上传。
为了降低硬件架构的复杂度，可以将终端模拟平台与后台共同部署在工控机中。终端模拟平台集成了物联网协议栈，完成基带信号处理工作。终端模拟平台接收射频模块透传的数据帧，并模拟模拟终端(例如传感器)的行为对数据进行解析与响应，响应的报文通过UDP协议传输至射频模块的以太网控制器，由射频模块进行调制与发送。
协议处理层实现了输变电设备物联网中NTW层与MAC层协议栈。终端模拟层实现了多种不同特性的模拟终端，如拥有大量业务数据的局放传感器、需要多路协同工作的同步采集传感器、不主动接受MAC层调度的机械特性传感器等。协议处理层与终端模拟层解耦，对新种类模拟终端的开发具备可扩展性。
本实施方式的终端模拟平台可以部署在Windows操作系统上，采用C++语言实现。C++是C语言的继承，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行以继承和多态为特点的面向对象的程序设计。C++不仅拥有计算机高效运行的实用性特征，同时还致力于提高大规模程序的编程质量与程序设计语言的问题描述能力。终端模拟平台涵盖了包括控制层、协议栈等各方面的功能模块，且要求程序执行效率高，因此C++灵活、高效的特点符合终端模拟平台的需求。
图2展示了本实施方式的终端模拟平台的工作周期时序图，其工作流程如下：
终端模拟平台启动后等待初始化指令，包括终端的类型、各类型的终端数量、频点、业务周期等信息，终端模拟平台根据指令初始化终端信息，初始化时会对业务周期等部分参数加上一个满足均匀分布的随机数以保证模拟终端参数与行为的多样性。完成模拟终端初始化后，终端模拟平台监听射频前端透传的广播信道，获取当前网络信息并同步，随后模拟终端管理层控制模拟终端层中的各个模拟终端在随机时间发送接入请求，这一过程与工作周期可同时进行。
终端模拟平台完成初始化后进入循环的工作周期，工作周期与接入网络的MAC帧同步。输变电设备物联网规定了隔帧调度方式，即当前帧USCH调度信息在上一帧DCCH中下发至终端。模拟终端管理层在第x帧的下行子帧中将指令与数据字段分发至模拟终端层中的各个模拟终端，随后模拟终端层中的各个模拟终端将第(x+1)帧的上行数据帧发送给模拟终端管理层。这些数据帧带有发送时隙等信息的包头，并在第(x+1)帧的下行子帧中统一发送至射频前端。从下行子帧接收完毕到上行数据帧通过UDP发送，终端模拟平台具备不少于0.5帧的时间来完成这一周期的数据处理工作。
输变电物联网的真实信道质量与实验室中的测试环境有很大区别。在真实的工作环境中，往往具有干扰、多径效应等影响信号质量的因素，且不同终端间URCH的数据帧会发生碰撞，因此RSSI低，丢包率与误码率高，从设备掉线概率高。由此可见，被测实现(IUT)在实验室环境下测试结果不能客观评价其在真实工作环境中的性能，而本实施方式的终端模拟平台的环境模拟算法可以改善该项短板。
本终端模拟平台采用以下算法来模拟数据帧碰撞。本终端模拟平台中生成的模拟终端层中的各模拟终端的行为不受模拟终端管理层的统一调配，即任何一个模拟终端的竞争行为都是自发且互不干扰的，URCH数据帧的发送时隙具有随机性。这些模拟终端产生MAC层数据帧会附带本层的包头发往模拟终端管理层，包头中包含了这一数据帧的在对应上行帧中的起止时隙号信息。模拟终端管理层实现了冲突检测算法，当检测到发生碰撞时，会丢弃所有发生碰撞的数据帧，并通知对应的模拟终端进行重传；模拟终端收到重传指令后，随机退避一定帧数，重复竞争过程。
本终端模拟平台还采用如下算法来模拟从设备掉线。掉线是指从设备在MAC层上与主设备中止通信，主设备认为从设备已不在子网中，不再为该从设备提供调度。本终端模拟平台的初始化信息中包含掉线率参数，将在工作周期中的随机时刻从模拟终端层中随机选择模拟终端进行掉线操作。掉线功能实现在模拟终端管理层，当选定某一模拟终端进行掉线时，模拟终端管理层不再转发该模拟终端的上下行数据，并在一定随机帧数后控制该模拟终端重新随机接入，并恢复对该模拟终端进行数据转发。从IUT的角度来看上述过程，从设备完成了掉线重连。
一致性测试通常利用一组测试案例序列在一定的网络环境下对IUT进行黑盒测试，通过比较IUT的实际输出与预期输出的异同判定IUT是否与协议描述相一致。将终端模拟平台替代实际终端进行协议一致性测试，终端模拟平台可根据测试用例配置生成对应种类与数量的模拟终端，可完成协议包含的网络层与MAC层功能，涵盖随机接入、业务与告警数据上报、休眠与DRX等。经过功能验证与报文比对，本终端模拟平台达到模拟真实终端的效果，符合协议标准，可以在相关应用场景下作为真实终端的替代。
互操作测试评价IUT与相连接相似实现之间在网络操作环境中是否能够正确地交互并且完成协议标准中规定的功能，是一种系统功能级的测试。以吞吐量测试为例，测试目的是检测IUT的数据吞吐量是否达到协议所规定。由后台控制终端模拟平台生成大量模拟终端并接入至IUT的子网中，随后模拟终端在每个业务周期都请求大量时隙资源，模拟终端根据IUT提供的调度来上传模拟数据。经测试，在协议处理层搭载《无线组网协议》的情况下，本终端平台可生成超过100个模拟终端且流畅运行。受限于协议限定，未能测得平台性能上限。
不难发现，本发明针对下行数据采用数据分担机制的设计，针对上行数据采用软硬件协同机制的设计，从而能够使用单个射频通道来模拟大规模终端集群，解决了射频通道资源不足情况下的难以模拟大规模终端集群的困难。

Claims (4)

1.一种应用于时分多址物联网中的终端模拟平台，其特征在于，包括：平台控制层，作为所述终端模拟平台的主控模块，用于解析后台的控制指令并对所述终端模拟平台做实时的控制；协议处理层，用于实现输变电设备物联网中NTW层与MAC层协议栈；终端模拟层，用于实现多种不同特性的模拟终端；模拟终端管理层，作为所述终端模拟层与节点交互的中间层，通过单个射频通道与节点相连，并管理所述终端模拟层的行为；所述终端模拟平台完成初始化后进入循环的工作周期，所述工作周期与接入网络的MAC帧同步，所述输变电设备物联网采用隔帧调度方式，所述模拟终端管理层在第x帧的下行子帧中将指令与数据字段分发至所述终端模拟层，所述终端模拟层将第(x+1)帧的上行数据帧发送给所述模拟终端管理层，所述上行数据帧带有发送时隙信息的包头，并在第(x+1)帧的下行子帧中统一发送至射频模块；所述模拟终端管理层采用UDP协议透传所述上行数据帧，对所述下行子帧根据所携带的通信地址进行字段切割与分发。
2.根据权利要求1所述的应用于时分多址物联网中的终端模拟平台，其特征在于，所述模拟终端管理层还用于判断收到的所述上行数据帧是否发生碰撞，若发生碰撞，则丢弃所有发生碰撞的上行数据帧，并通知所述终端模拟层中对应的模拟终端进行重传；所述终端模拟层中对应的模拟终端收到重传指令后，随机退避一定帧数，进行重传。
3.根据权利要求1所述的应用于时分多址物联网中的终端模拟平台，其特征在于，所述终端模拟平台完成初始化时，在所述初始化信息中包含掉线率参数，将在所述工作周期中的随机时刻从终端模拟层中随机选择模拟终端进行掉线操作。
4.根据权利要求3所述的应用于时分多址物联网中的终端模拟平台，其特征在于，所述模拟终端管理层决定所述模拟终端掉线事件的起止时间，若所述模拟终端发生掉线，所述模拟终端管理层则不再转发所述模拟终端的上下行数据，并在一定随机帧数后控制所述模拟终端重新随机接入，并对所述模拟终端进行数据转发。
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