衛(wèi)星移動通信協(xié)議層的實現(xiàn)和一致性測試方法

林廣榮，高時漢，褚慶昕（.廣州無線電集團廣州海格通信集團股份有限公司，廣州50663；.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州　50640）

衛(wèi)星移動通信協(xié)議層的實現(xiàn)和一致性測試方法

林廣榮1，2，高時漢1，褚慶昕2
（1.廣州無線電集團廣州海格通信集團股份有限公司，廣州510663；2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510640）

0　引言

自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是基于GMR-1空口規(guī)范演進而來的同步軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，需要管理大量信道資源，支持無線資源分配、跨波束切換和業(yè)務(wù)連接管理等復(fù)雜流程，使得網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層具有很高的復(fù)雜度。同時，該通信系統(tǒng)仍處于初期研發(fā)階段，尚無成熟的芯片/平臺可直接使用，需要自主進行終端和配套測試系統(tǒng)的開發(fā)。

1　衛(wèi)星移動通信協(xié)議層的實現(xiàn)

1.1自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)空中接口的協(xié)議體系可分為接入層和非接入層兩大部分，如圖1所示。其中，接入層由媒體接入控制層 （MAC）、無線鏈路控制層（RLC）、無線資源控制層（RRC）和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層（PDCP）四個部分組成，非接入層則包括移動性管理層（MM/GMM）和連接/會話管理層（CM/SM）兩個部分。

在上述協(xié)議結(jié)構(gòu)中，MAC和RLC層的用途是在移動地球站和信關(guān)站之間建立可靠的專用數(shù)據(jù)鏈路。RRC層則是用于管理無線接口的功能協(xié)議組，負責(zé)無線資源分配信息的交換以及越區(qū)切換信道的控制。

MM/GMM層是建立在RRC層之上，用于處理移動性和安全保密性的功能協(xié)議組，主要實現(xiàn)呼叫位置注冊、本地位置更新、入網(wǎng)鑒權(quán)、移動服務(wù)管理等功能。連接管理CM層，由呼叫控制（CC）、短消息業(yè)務(wù)（SMS）和補充業(yè)務(wù)3個部分組成。SM層則用于實現(xiàn)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終端連接到外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的處理過程。

1.2復(fù)雜協(xié)議的形式化描述

由于自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層功能強大，復(fù)雜度高，需要研究有效的工程實現(xiàn)方法。用自然語言對協(xié)議進行描述具有不嚴格、不精確和有多義性的缺點。隨著網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，通信協(xié)議的形式化（Formal Methods）技術(shù)獲得了長足的進步，其中，形式的描述與驗證是整個協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)的基礎(chǔ)，對協(xié)議實現(xiàn)的正確性、完全性和復(fù)雜度有至關(guān)重要的影響。目前主要的形式化模型包括有限狀態(tài)機FSM （Finite State Machine）模型和Petri網(wǎng)（Petri-Net）模型兩種。

有限狀態(tài)機是形式描述技術(shù) （FDT，F(xiàn)ormal Description Technique）的一種，也是多種形式化方法的基礎(chǔ)。FSM方法的直觀性強，可實現(xiàn)與其他形式化方法的組合和轉(zhuǎn)換，且易于自動實現(xiàn)，在FDT中占有重要地位。在協(xié)議一致性測試中，有限狀態(tài)機也是描述協(xié)議控制流最常用的形式化模型。

另一種重要的形式化模型是Petri網(wǎng)絡(luò)，這是德國學(xué)者C.A.Petri在其博士論文中首次提出的一種特殊的自動機模型，可用來描述通信系統(tǒng)中異步成分之間的關(guān)系，主要包括可達樹分析和矩陣方程分析兩種方法。借助Petri網(wǎng)的分析技術(shù)，能得到被模擬系統(tǒng)的有界性、安全性、守恒和可達性等方面的性能評價。但Petri網(wǎng)在刻畫復(fù)雜系統(tǒng)時異常繁瑣，也不利于描述協(xié)議的進展情況。因此，對自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)協(xié)議層的描述和實現(xiàn)采用基于有限狀態(tài)機的實現(xiàn)方法。

1.3基于FSM的協(xié)議層實現(xiàn)方法

本節(jié)以自主衛(wèi)星移動通信協(xié)議層中移動性管理層的形式化描述、設(shè)計和實現(xiàn)過程為例，說明FSM方法的基本流程，其中包括：上下文定義、進程級分解、進程事件枚舉、進程事件響應(yīng)和代碼級實現(xiàn)5個步驟。具體步驟如下：

（1）上下文定義：根據(jù)協(xié)議標準，MM層為上層（CM層）提供服務(wù)，以自身狀態(tài)和接收的消息為依據(jù)向?qū)Φ葘嶓w發(fā)送消息實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，完成MM層實體的連接和釋放功能。如圖2所示。

（2）進程級分解：確定合適的進程模型。MM層的具體功能包括MM實體連接管理、位置更新管理和IMSI附著/去附著管理等，用單一狀態(tài)圖描述過于復(fù)雜，因此MM層的頂層狀態(tài)機模型采用父子復(fù)合型進程模型；而MM實體連接管理部分只涉及實體連接各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可作為MM進程模型的子進程，其內(nèi)部則采用單進程模型。

圖2　協(xié)議上下文

（3）進程事件枚舉：分析MM層實體連接相關(guān)的所有外部觸發(fā)和自觸發(fā)事件。MM層實體連接的觸發(fā)事件如圖3所示，包括：服務(wù)請求、服務(wù)終止、連接建立超時、低層錯誤、消息的發(fā)送和接收等。

圖3　協(xié)議觸發(fā)事件

根據(jù)協(xié)議觸發(fā)事件，列舉事件如表1所示：

表1　觸發(fā)事件列表

（4）進程事件響應(yīng)：主要描述進程模型在不同狀態(tài)下對各種事件的響應(yīng)行為，事件和行為由協(xié)議標準規(guī)定。設(shè)計中，首先從初始狀態(tài)出發(fā)，選擇一個所屬事件，根據(jù)事件選擇一個轉(zhuǎn)換條件并確定響應(yīng)行為，以此確定目標狀態(tài)；然后根據(jù)協(xié)議標準，依次發(fā)掘遍歷所有狀態(tài)的所有事件和轉(zhuǎn)換條件。

表2是MM層實體連接進程模型在空閑狀態(tài)和等待MM連接狀態(tài)下的事件響應(yīng)表。

表2　MM層實體連接進程事件響應(yīng)表

（5）代碼級實現(xiàn)：根據(jù)協(xié)議標準，檢查事件響應(yīng)表中的進程行為邏輯是否符合協(xié)議要求，確保功能完整無誤。然后畫出完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，并按標準模板轉(zhuǎn)化為C++代碼。根據(jù)步驟（4）中的事件響應(yīng)表描述，MM層連接實體管理狀態(tài)機如圖4所示。

圖4　MM層實體連接狀態(tài)轉(zhuǎn)移

2　衛(wèi)星移動通信協(xié)議層的測試

2.1協(xié)議一致性測試介紹

協(xié)議一致性測試是一種黑盒功能測試。它根據(jù)協(xié)議的描述對協(xié)議的某個實現(xiàn)進行測試，判別協(xié)議的實現(xiàn)與所對應(yīng)的協(xié)議標準是否一致。測試通過在特定PCO對被測實現(xiàn)的層間服務(wù)原語和協(xié)議數(shù)據(jù)單元進行控制和觀察來達到測試目的。PCO的全稱是控制觀察點，指測試系統(tǒng)和被測實現(xiàn)之間的通信點，測試系統(tǒng)通過PCO訪問被測實現(xiàn)并觀察通信結(jié)果。一致性測試包括本地測試、分布式測試、協(xié)調(diào)式測試和遠程式測試4種方法，如圖5所示。

圖5　四種協(xié)議一致性測試方法

圖5中，上/下測試器均為測試系統(tǒng)的一部分，其中上測試器在被測實現(xiàn)的上層控制PCO；下測試器則在低層控制PCO，同時給出測試判定；服務(wù)提供者是測試結(jié)構(gòu)的一部分，為被測實現(xiàn)和下測試器提供通信環(huán)境，假設(shè)被測實現(xiàn)位于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的第N層，服務(wù)提供者為其提供N-1層的功能。

由于需要對研發(fā)的衛(wèi)星通信終端整機進行協(xié)議一致性測試，所以不采用本地測試法。協(xié)調(diào)式測試法要求在上下測試器之間存在高度的測試協(xié)調(diào)，并對所收集和觀察到的信息進行報告，實現(xiàn)過于復(fù)雜，目前主要限于理論上的探討。分布式和遠程式測試方法的區(qū)別在于，前者要求被測實現(xiàn)必須暴露上邊界的服務(wù)訪問接口，而后者不要求能夠訪問被測實現(xiàn)的上邊界。因此，可根據(jù)被測實現(xiàn)上邊界PCO的可訪問情況，綜合使用這兩種測試方法。

2.2衛(wèi)星終端協(xié)議一致性測試方法

根據(jù)協(xié)議一致性測試的要求，測試軟件的架構(gòu)設(shè)計如圖6所示。軟件主要包括圖形化的測試管理界面、系統(tǒng)控制模塊和控制觀察點模塊3部分。其中，測試管理界面的主要功能包括測試結(jié)果顯示、測試例的選擇和參數(shù)配置；系統(tǒng)控制模塊則是測試軟件的核心模塊，用于調(diào)度整個測試過程的順利進行，包括根據(jù)用戶的選擇依次執(zhí)行各測試例、封裝生成測試輸入數(shù)據(jù)單元、解析和判決測試輸出結(jié)果以及日志記錄等；PCO模塊用于實現(xiàn)測試系統(tǒng)與被測實現(xiàn)（被測終端）的通信。

圖6　協(xié)議測試軟件框圖

測試軟件劃分為兩個線程并發(fā)執(zhí)行。其中，測試管理界面向測試人員提供圖形化用戶界面，并在測試開始后啟動測試調(diào)度線程執(zhí)行測試，管理界面和調(diào)度線程之間通過網(wǎng)絡(luò)套接字進行同步。軟件采用模塊化設(shè)計，測試例集合、數(shù)據(jù)單元的封裝/解析和PCO模塊等與具體被測協(xié)議相關(guān)的部分，針對不同的被測協(xié)議有相應(yīng)實現(xiàn)模塊。

一致性測試的流程如圖7所示。測試人員通過管理界面選擇測試例后，啟動調(diào)度線程，從測試例集合中根據(jù)選中的測試例、順序和執(zhí)行次數(shù)進行執(zhí)行。測試軟件通過控制觀察點向被測實現(xiàn)輸入測試序列，并比較輸出響應(yīng)與預(yù)期是否一致，最后在管理界面上顯示判決結(jié)果。

圖7　測試執(zhí)行流程

2.3協(xié)議一致性測試結(jié)果

自主衛(wèi)星移動通信空口規(guī)范對移動性管理層給出了43項測試例，根據(jù)上述測試方法選中全部測試例對1.3節(jié)中MM子層協(xié)議實現(xiàn)的測試結(jié)果如表3所示。

表3　移動性管理層協(xié)議一致性測試結(jié)果

3　結(jié)語

本文介紹了目前主要的協(xié)議形式化技術(shù)和一致性測試方法，針對自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中協(xié)議層的工程化實現(xiàn)問題，提出了一種基于有限狀態(tài)機的協(xié)議實現(xiàn)方法，并對系統(tǒng)空口規(guī)范中的移動性管理子層進行了實現(xiàn)和一致性測試。測試結(jié)果表明，代碼實現(xiàn)符合所有協(xié)議一致性測試項，從而驗證了上述方法的正確性和完備性。

［1］鄭林華，韓方景，聶皞.衛(wèi)星移動通信原理與應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000：4-7.

［2］GMR-1 01.202（ETSI TS 101 376-1-3）-2001:"GEO-Mobile Radio Interface Specifications；Part 1:General Specifications；Sub-part 3: General System Description"［S］.France:ETSI，2001.

［3］肖德琴，沈勇，張建偉.網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議形式化描述與驗證技術(shù)的研究［J］.重慶師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)報），1997，14（2）：69-75.

［4］馮玉龍，張偉.基于衛(wèi)星移動通信的網(wǎng)絡(luò)移動建模［J］.計算機工程，2008，34（12）：246-249.

［5］黎文導(dǎo)，盧瑜.有限狀態(tài)機（FSM）的實現(xiàn)［J］.青海師范大學(xué)學(xué)報，2001（4）：18-21.

［6］李臘元.基于FSM的通信協(xié)議形式描述與驗證技術(shù)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1990（9）：40-47.

褚慶昕（1958-10），男，山東人，博士，教授，研究方向是射頻電路與天線研究

Satellite Communication；Network Protocol；FSM；Conformance Test

Implementation and Conformance Test of Satellite Mobile Communication Protocol Layer

LIN Guang-rong1，2，GAO Shi-han1，CHU Qing-xin2
（1.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663；2.School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640）

1007-1423（2016）18-0050-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.18.012

林廣榮（1980-），男，廣東饒平人，博士，工程師，研究方向為衛(wèi)星與無線通信

高時漢（1966-），男，安徽人，碩士，高級工程師，研究方向是衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)

2016-04-14

2016-06-15

自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)需要管理大量的信道資源和業(yè)務(wù)流程，其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層具有很高的復(fù)雜度。為了對其進行工程實現(xiàn)，對協(xié)議的形式化技術(shù)進行研究，給出一種基于有限狀態(tài)機的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)和一致性測試方法，并通過自主衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中移動性管理子層的開發(fā)和測試進行驗證。一致性測試的結(jié)果表明，上述方法能夠有效保證協(xié)議層實現(xiàn)的正確性和完備性。

衛(wèi)星通信；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；有限狀態(tài)機；一致性測試

Satellite mobile communication system administrates substantial channel resources and traffic procedures，which leads to the high complexity of system network protocol.By studying the protocol's formal methods，presents engineering schemes of network protocols’development and the conformance test based on FSM.Furthermore，puts the schemes into practice by realizing the mobility-management layer in satellite mobile communication protocol stack.Results of conformance test indicate that the above solution can guarantee the validity and completeness of protocol realization.