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  • 802.11g核心技术和协议测试报告

    2007-05-21 20:39:36

    IEEE802.11工作组近年来开始定义新的物理层标准IEEE802.11g。与以前的IEEE802.11协议标准相比,IEEE802.11g草案有以下两个特点:在2.4 GHz频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术,使数据传输速率提高到20 Mbit/s以上;能够与IEEE802.11b的Wi-Fi系统互联互通,可共存于同一AP的缋铮佣U狭撕笙蚣嫒菪浴U庋械腤LAN系统可以平滑地向高速WLAN过渡,延长了IEEE802.11b产品的使用寿命,降低了用户的投资。2003年7月IEEE802.11工作组批准了IEEE802.11g草案,该标准成为人们关注的新焦点。
      
      IEEE802.11 WLAN实现的关键技术
      
      随着WLAN技术的应用日渐广泛,用户对数据传输速率的要求越来越高。但是在室内这个较为复杂的电磁环境中,多经效应、频率选择性衰落和其它干扰源的存在使得无线信道中高速数据传输的实现比有线信道困难,因此WLAN需要采用合适的调制技术。
      
      IEEE802.11 WLAN是一种能支持较高数据传输速率(1~54 Mbit/s),采用微蜂窝、微微蜂窝结构,自主管理的计算机局域网络。其关键技术大致有3种,直序列扩频调制技术(DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum)及补码键控(CCK:Complementary Code Keying)技术、包二进制卷积(PBCC:Packet Binary Convolutional Code)和正交频分复用技术OFDM:Orthogonal Frequency Division Mustiplexing。每种技术皆有其特点,目前扩频调制技术正成为主流,而OFDM技术由于其优越的传输性能成为人们关注的新焦点。
      
      1.DSSS调制技术
      
      基于DSSS的调制技术有3种。最初IEEE802.11标准制定在1 Mbit/s数据速率下采用差分二相相移键控(DBPSK: Differential Binary Phase Shift Keying)。如果要提供2 Mbit/s的数据速率,可采用差分正交相移键控(DQPSK: Differential Quadrature Phase Shift Keying),这种方法每次处理两个比特码元,成为双比特。第三种是基于CCK的QPSK,是IEEE802.11b标准采用的基本数据调制方式。它采用了补码序列与直序列扩频技术,是一种单载波调制技术,通过相移键控(PSK)方式传输数据,传输速率分为1,2,5.5和11 Mbit/s。CCK通过与接收端的Pake接收机配合使用,能够在高效率传输数据的同时有效克服多径效应。IEEE802.11b通过使用CCK调制技术来提高数据传输速率,最高可达11 Mbit/s。但是当传输速率超过11 Mbit/s,CCK为了对抗多径干扰,需要更复杂的均衡及调制,实现起来非常困难。因此,IEEE802.11工作组为了推动WLAN的发展,又引入了新的调制技术。
      
      2.PBCC调制技术
      
      PBCC调制技术是由德州仪器(TI)公司提出的,已作为IEEE802.11g的可选项被采纳。PBCC也是单载波调制,但与CCK不同,它采用了更多复杂的信号星座图。PBCC采用8PSK,而CCK使用BPSK/QPSK;另外PBCC使用了卷积码,而CCK使用区块码。因此,它们的解调过程是十分不同的。PBCC可以完成更高速率的数据传输,其传输速率为11,22,33Mbit/s。
      
      3.OFDM技术
      
      OFDM技术其实是多载波调制(MCM: Multi-Carrier Modulation)的一种。其主要思想是:将信道分成许多正交子信道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的,大大消除了符号间干扰。
      
      由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不但减少了子载波间的相互干扰,同时还提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用反向快速傅里叶变换(IFFT)和快速傅里叶变换(FFT)方法来实现,随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展,IFFT和FFT都是非常容易实现的。FFT的引入,大大降低了OFDM实现的复杂性,提升了系统的性能。
      
      无线数据业务一般都存在非对称性,即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求,还是从无线通信自身来考虑,都希望物理层支持非对称高速数据传输,而OFDM很容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。
      
      由于无线信道存在频率选择性,所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情况中,因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法,充分利用信噪比高的子信道,从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波,因此OFDM系统在某种程度上能抵抗这种干扰。
      
      OFDM技术有非常广阔的发展前景,已成为第四代移动通信的核心技术。IEEE802.11a/g标准为了支持高速数据传输都采用了OFDM调制技术。目前,OFDM结合时空编码、分集、干扰〔包括码间干扰(ISI)和信道间干扰(ICI)〕抑制以及智能天线技术,最大程度提高了物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术,可以使其性能得到进一步优化。
      
      4.IEEE802.11g协议帧结构及其技术细节
      
      从网络逻辑结构上来看,IEEE802.11只定义了物理层及MAC子层。MAC层提供对共享无线介质的竞争使用和无竞争使用,具有无线介质访问、网络连接、数据验证和保密等功能。
      
      物理层为数据链路层提供物理连接,实现比特流的透明传输,所传数据单位为比特。物理层定义了通信设备与接口硬件的机械、电气功能和过程的特性,用以建立、维持和释放物理连接。  物理层由三部分组成:物理层管理层、物理层会聚协议(PLCP)和物理介质依赖子层(PMD)。
      
      IEEE802.11g的物理帧结构分为前导信号(Preamble)、信头Header和负载Payload。Preamble主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据,传输进行时告知其它移动台以免冲突,同时传送同步信号及帧间隔。Preamble完成,接收方才开始接收数据。Header在Preamble之后?用来传输一些重要的数据比如负载长度、传输速率、服务等信息。由于数据率及要传送字节的数量不同,Payload的包长变化很大,可以十分短也可以十分长。
      
      在一帧信号的传输过程中,Preamble和Header所占的传输时间越多,Payload用的传输时间就越少,传输的效率越低。
      
      综合上述3种调制技术的特点,IEEE802.11g采用了OFDM等关键技术来保障其优越的性能,分别对Preamble,Header,Payload进行调制,这种帧结构称为OFDM/OFDM方式。
      
      另外,IEEE802.11g草案标准规定了可选项与必选项,为了保障与IEEE802.11b兼容也可采用CCK/OFDM和CCK/PBCC的可选调制方式。因此,OFDM调制为必选项保障传输速率达到54Mbit/s;采用CCK调制作为必选保障后向兼容性;CCK/PBCC与CCK/OFDM作为可选项。
      
      IEEE802.11g的帧结构比较见表1。
      
      
      
      
      (1)OFDM/OFDM
      
      Preamble,Header和Payload都使用OFDM进行调制传输,其传输速率可达54 Mbit/s。OFDM的一个好特点是它有短的Preamble,CCK调制信号的帧头是72μs,而OFDM调制信号的帧头仅为16μs。帧头是一个信号的重要组成部分,帧头占有时间的减少,提高了信号传送数据的能力。OFDM允许较短的Header给更多的时间用于传输数据,具有较高的传输效率。因此,对于11 Mbit/s的传输速率,CCK调制是一个好的选择,但要继续提升速率必须使用OFDM调制技术。它的最高传输速率可达54Mbit/s。IEEE802.11g协议中的OFDM∥OFDM方式也可以和Wi-Fi共存,不过它需使用RTS/CTS协议来解决冲突问题。
      
      (2)CCK/OFDM
      
      它是一种混合调制方式,是IEEE802.11g的可选项。其Header和Preamble用CCK调制方式传输,OFDM技术传送负载。由于OFDM技术和CCK技术是分离的,因此在Preamble和Payload之间要有CCK和OFDM的转换。
      
      IEEE802.11g用CCK/OFDM技术来保障与IEEE802.11b共存。IEEE802.11b不能解调OFDM格式的数据,所以难免会发生数据传输冲突,IEEE802.11g使用CCK技术传输Header和Preamble就可以使IEEE802.11b兼容,使其可以接收IEEE802.11g的Header从而避免冲突。这样保障了与IEEE802.11b Wi-Fi设备的后向兼容性,但由于Preamble/Header使用CCK调制,增大了开销,传输速率比OFDM∥OFDM方式的有所下降。
      
      (3)CCK/PBCC
      
      CCK/PBCC和CCK/OFDM一样,PBCC也是混合波形,包头使用CCK调制而负载使用PBCC调制方式,这样它可以工作于高速率上并与IEEE802.11b兼容。PBCC调制技术最高数据传输速率是33 Mbit/s,比OFDM或CCK/OFDM的传送速率低。
      
      IEEE802.11g的性能分析   尚未正式成为标准的IEEE802.11g草案由于其不同的特点,成为人们关注的焦点。IEEE802.11g与IEEE802.11b的兼容性,与同频设备的共存能力及OFDM技术自身的问题将成为研究热点。
      
      1.IEEE802.11g的兼容性
      
      IEEE802.11g兼容性指的是IEEE802.11g设备能和IEEE802.11b设备在同一个AP节点网络里互联互通。IEEE802.11g的一个最大特点就是要保障与IEEE802.11b Wi-Fi系统兼容。IEEE802.11g可以接收OFDM和CCK数据,但传统的Wi-Fi系统只能接收CCK信息,这就产生了一个问题,即在两者共存的环境中如何解决由于IEEE802.11b不能解调OFDM格式信息帧头所带来的冲突问题。而为了解决上述问题,IEEE802.11g采用了RTS/CTS技术。
      
      最初,IEEE802.11引入RTS/CTS机制是为了解决隐蔽站问题,即发送站检测不到另一个站在发送数据,因而在接收站发生碰撞的情况。
      
      IEEE802.11b与IEEE802.11g混合工作的情况与隐蔽站问题非常相似,IEEE802.11b设备无法接收OFDM格式的IEEE802.11g的信息帧头,因此可以采用RTS/CTS机制来解决。在IEEE802.11g和IEEE802.11b混合工作的环境中(即在同一AP服务区中既有IEEE802.11g
  • 手机中的电容式传感解决方案

    2007-05-21 20:39:36

    在中端手机行业中,用户界面的改善是新款手机获得成功的关键。如果一款手机根本没有人愿意用,那么它再好又有什么意义!考虑到这一点,制造商们正专注于开发创新技术,以便在不降低手机用户界面(CPUI)的性能的情况下替换尺寸较大的按钮和开关。在CPUI中采用电容式传感是缩减尺寸的一种行之有效的技术,它可提供低成本、鲁棒性、灵活性以及一个直观的CPUI,而且还与现有设备的外形尺寸和功能兼容。电容式传感功能可以与白光LED驱动和电池充电等其它标准手机功能相组合,以进一步降低手机的成本。赛普拉斯采用CapSense技术的PSoC混合信号阵列可让制造商轻松地在其手机中增加电容式传感功能。
      
      典型的中端CPUI由几个按钮、开关和显示屏组成。如果只是想拥有基本功能,CPUI仅需一个字母数字键盘、显示屏,或许再加上一个电源开关就足够了。但目前制造商设计的手机能够浏览网页、发送文本消息、拍摄照片、甚至存储和播放背景音乐。在消费市场上,这些功能是吸引大多数消费者的关键因素。为支持这些功能,制造商需要增加CPUI的功能。对CPUI而言,功能的增加将产生两种后果:要么尺寸变大,要么更加复杂。不幸的是,消费者同样对更简单、小巧的手机情有独钟。手机制造商如何才能解决消费者提出的这一难题呢?一种可能的办法就是用电容式传感器来取代传统的按钮和开关。电容式传感器能很容易地替换时下CPUI最为常用的数字开关和线性滑块。

      电容式传感器的基本形式就是一对相邻的极板。在这些相邻的极板之间存在着固有电容,电容值与极板的厚度成正比,与极板之间的距离成反比。在理想情况下,这是传感器唯一可测到的电容。当把一个导体(比如手指)放在靠近两块极板的地方时,就会给固有电容增加一个并联电容。此时,可测量的电容值便是固有电容值与手指至传感器的耦合电容值之和。当把手指放在电容式传感器之上,电容将增加。拿开手指后,电容将减小。智能地测量电容值的变化就可以确定手指是否存在。


    图1:典型弛张振荡器拓扑结构


      电容式传感器由普通电子线路印刷电路板(PCB)上两个有一定间隔的相邻铜焊盘或铜线组成。这是一个基本的电容式数字开关。同样地,线性滑块由PCB上电容式传感器的一个阵列构成。典型情况下,传感器的一块铜极板接地,只留有一块有源极板。实际上,边缘电容会增加传感器的固有电容,通常总的典型值为10pF~30pF。典型的手指耦合电容值为1pF~2pF。实现电容式传感器的挑战在于设计一个能够测量3%的电容变化(由手指引起)的电路。

      弛张振荡器是一种简单而有效的电容测量电路。典型的弛张振荡器电路拓扑结构(图1)包括4个元件:同步比较器、电流源、放电开关和电容式传感器。

      一开始,放电开关处于开路状态,电流源对电容式传感器进行线性充电。电容式传感器上的电压斜线上升,直到超过比较器的阈值。比较器的输出从低电平变换至高电平,使放电开关闭合。电容式传感器通过该低阻抗通道迅速向地放电。该过程将使比较器的输出由高变低,然后重复循环。输出频率(fout)取决于充电电流和电容式传感器数值,关系式如下:



      典型设计将振荡器频率设定在20kHz至200kHz的范围内,然后将该频率馈入一个智能测量电路。通过测量频率的变化,即可判定手指是否存在。有两种广为采用的测量弛张振荡器频率的方法:一种是测量频率,另一种是测量周期。


    图2:频率测量的电路与波形


      频率测量是指利用门控定时器,在一段固定时间内测量弛张振荡器的频率(图2)。通过读取定时器来确定在固定时间中累积的计数值。这种方法适用于与振荡器周期相比,电容式传感器的放电时间可以忽略不计的低频应用。

      周期测量利用振荡器频率作为脉宽调制器(PWM)的门控信号(图3)。一个比弛张振荡器频率更高的频率被用来对定时器定时。定时器时钟越快,测量电容的分辨率越高。可采用传统的555定时器或更加复杂的微控制器轻松实现这两种方法。由于确定手指存在与否需要借助智能软件算法,基于微控制器的解决方案似乎更加精巧。

    PSoC混合信号阵列

      赛普拉斯的PSoC混合信号阵列CY8C21x34和CY8C24794系列产品采用CapSense技术,具有一组独特的硬件特性,它通过弛张振荡器拓扑结构实现具有成本效益、简单的电容式传感设计。图4给出了这种拓扑结构。这组特性包括:多倍精度定时器和计数器、自动连接放电开关的比较器、可编程电流源以及一个可使每个引脚都成为潜在电容式传感器的通用模拟多路复用器。和所有的PSoC一样,实现特定应用所需的外设均通过内部寄存器来配置。PSoC Designer是为PSoC应用设计提供帮助的软件工具,它包括专用用户模块和向导,以针对电容式传感设计配置内部寄存器。这一对功能强大的组合为工程师们提供了实现简单的电容式数字开关(甚至更加复杂的电容式线性滑块)所需的工具。除了内部寄存器配置之外,PSoC Designer还包括必要的软件程序,用于确定数字开关上是否有手指触摸或者确定手指在线性滑块上的准确位置。为实现完整的电容式传感应用,这种智能是必需的。




      周期测量的电路与波形(图3)以及用于电容式传感的PSoC弛张振荡器拓扑结构(图4)。

      该软件算法提供两个智能化功能。第一个功能是把从测量电路获得的计数值转换为手指检测结果。数字开关和线性滑块均需要这一功能。第二个功能是利用多传感器阵列的电容加权平均值计算手指在线性滑块上的位置。双单元滑块有一个固有的单元最低有效位(LSB)。如果手指在滑块之上,则它可以位于单元1和/或单元0之上。但是,从分辨率来看,手指位置通常超过各个电容式传感器的物理间距,因此第二个功能还融合了一个插值算法。插值处理将LSB从1单元减小至1/2单元、1/4单元或1/16单元。插值是实现平滑的电容式线性滑块的关键。CapSense技术和智能软件算法的结合使PSoC成为了电容式传感应用领域的佼佼者。

      电容式数字开关可轻而易举地取代当今CPUI中的基本字母数字键盘和电源开关。这种替代方案具有双重优点:CPUI的物理厚度和总成本均有所缩减。利用电容式传感,多种复杂和基本的CPUI功能可以被整合在一个电容式线性滑块中。滑块提供用于网页浏览或地址簿遍历的翻屏功能、音量控制、甚至亮度控制功能。实现所有这些功能所占用的空间小于传统CPUI所需的空间。

      二维线性滑块可将传统的CPUI转变成触摸板(与普通便携式电脑所使用的触摸板相似)。具有触摸板CPUI的中端手机能够提供诸如光标控制等更便于操作的功能。电容式触摸板的另一个特点是能适应各种几何形状。当与如今许多中端手机的外形和功能融为一体时,触摸板提供无缝的灵活性。

      一个需要解决的问题是与周围环境的隔离。如果允许手指直接接触电容式传感器,或者受其它外界环境的危害,手机的使用寿命就会缩短。因此,必须利用绝缘材料将电容式传感器与周围环境隔离开来。便携式电脑和媒体设备制造商常常采用聚脂胶带或塑料膜提供必要的隔离。不幸的是,绝缘材料将降低手指与传感器之间的耦合电容。较低耦合电容意味着手指检测灵敏度下降。常见的隔离材料厚度值为0.5mm,最大厚度接近2mm。如果超过该厚度,电容式传感器的灵敏度将低至无法到检测手指的存在。

      虽然采用绝缘层会造成总体灵敏度下降,但它却为手机制造商提供了一条创新的途径。制造商可以把二维传感器隐匿于各种色彩绚烂的塑料膜的后面。在这种塑料膜的表面丝印了可提供基本手机功能的字母数字图案,再沿着塑料膜的周边丝印一个滚动条,这样就能够实现高级功能。同样的电容式触摸板加上各种塑料膜便能实现多个CPUI功能。

      电容式传感功能也可与其它的标准手机功能相结合以降低手机成本。采用CapSense技术的PSoC混合信号阵列就是为提供这种灵活性而设计。PSoC能够驱动嵌入在手机显示屏内的白光LED,甚至还可为内部的手机电池充电。以往一直由分离的微控制器来处理的功能如今已可被集成到单个PSoC中。

      对当今的中端手机制造商而言,电容式传感技术具有强大优势。电容式传感CPUI不仅改进了手机的工业设计,而且还为不断增加的消费市场需求提供了创新的解决方案。赛普拉斯采用CapSense技术的PSoC混合信号阵列是实现高性能并具有成本效益的电容式传感解决方案的关键。

  • 5Gbps高速芯片测试技术

    2007-05-21 20:39:36

    近年来,数据的大规模传输要求变得越来越普及。担任这些大量数据处理芯片的标准接口(Interface)基本上都采用的是高速差分串行传输方式。

      高速串行数据传送方式有以下的一些特征:

      ● 数Gbps的传送数率

      ● 由于是高速传送,信号振幅较小,为数百mV程度

      ● 小振幅的信号传送时,为了减小噪声的影响,都采用的是差分传送方式

      ● 对各信号通道间的相位同步没有严格要求

      近年来对芯片的高速数据处理的要求,使得许多芯片内部都已经搭载了高速IF的功能。但是,也正是由于它的高速性能造成芯片的测试变得非常的困难。对这类高速IF芯片的初期评价阶段,一般采用的是多种计测器的综合评价。但是针对多管脚的高速IF芯片,单纯利用计测器的测定,会面对许多问题。

    T6683+5G Option

      为了实现精确的高速差分串行信号测试,我们开发了可以对应最大5Gbps差分信号的ATE用高速测试选件。这次开发的可以提供最大5Gbps的高速专用PE(图1),内藏于ATE系统中,其包括:64个高速输入专用通道+ 64个高速输出专用通道的Dr·Cp(驱动·比较)以及10:1的MUX/DEMUX。采用的ATE系统为爱德万测试的高速SoC测试系统T6683。T6683拥有1024个IO通道以外,还有1024个输出专用通道。与前面介绍的由计测器组成的测试系统比较起来,可以容易地控制系统时序的同步。另外,也可以容易地对通道间的个别相位进行调整。 表1列出了5G选件的主要技术式样。




    个别特殊测试要求对应XDR

      5G选件采用的是10:1MUX,也可以设定为8:1。由于XDR的Idling状态时的差分输出的Pos/Neg两方电压需要固定为同一值上,5G选件的Pos/Neg的两输出电压可以根据需要严格地固定在同一电压值。这个电压控制是由8:1模式时没有用到的另外2个Bit来进行。

    高速测试系统的基本技术

      对于超过数Gbps的信号处理,高速信号专用芯片技术、高速信号传送技术等非常重要。近年来芯片的设计/制造技术的发展使得芯片本身对高速信号的处理性能有了很大的提高,因此从芯片将高速信号输出后的传送问题成为了高速信号处理的重点。如何能够把GHz的高速信号,以最小Jitter及最小衰减的性能在与芯片之间传送/接收是要面对的最重要的课题。在下面我们要针对高速测试系统必要的基础要素技术进行探讨。

      (1)时钟(Timing)发生

      (2)测试系统PE到被测芯片之间的高速信号传送

    时钟(Timing)的发生

      向量(Pattern)发生器发生时钟时,其实现方法有示于图2的使用Variable Delay的方法和使用PLL来发生的2种模式。一般半导体测试系统采用的是VariableDelay方式,计测器等脉冲发生器等处于高速及低Jitter的要求,采用的是PLL方式。图3是由采用Variable Delay方式,利用T6683发生的500MHz信号的XOR方式合成的5Gbps数据的波形。各通道的输出Delay已经经过最适化的调整,但是还是可以看到XOR的输入Jitter没有任何改善显现在输出波形中,单纯这样的波形是不能适用于数GHz的高速信号传输。



      因此我们采用的是如图4所示的低速时钟发生采用Variable Delay方式,高速部采用与低速部保持同步的PLL方式。另外,Jitter Reduce电路的嵌入也可以使得高速部的向量(Pattern)发生尽可能的不受到低速部的Jitter误差的影响。




    从PE到被测芯片(DUT)的高速信号传送

      在实际测试中,从ATE的Driver端到被测芯片(DUT)的信号传送过程,会遇到如图6-1所示的Pin-Relay、传输线路(同轴线)、接线端子、印刷线路等各影响高频信号衰减的问题。图6-2是一般的1GHz信号用线路的传输特性,当用它来传输更高频率的信号时,我们可以看到在2.5GHz开始就会造成较大的衰减损失。这个衰减如果是超过10dB以上的话,是很难进行正确补偿的。因此为了减小在高频带的损失,我们对上述图6-1线路进行了以下4个项目的改进。

      ① Pin Relay & DC Relay

      ② 同轴线

      ③接线端子(Connecter)

      ④ 印刷线路




    传输线路的改善

      ① Pinout Relay & DC Relay

      安装在测试系统内部的信号输出/输入控制部的Relay本身的性能对最终的波形品质有较大的影响。现在普通使用的Photo-Mos Relay的最大信号带宽是1GHz左右,不能达到传送5GHz这样的高频信号的要求。因此,我们采用的是爱德万测试研制开发的,具有非常好带宽的小型MEMS Relay。

      ② 同轴线

      为了传输这样的高频信号,和普通的同轴线相比,除了需要高精度的阻抗(Zo)特性以外,还应当具有低损耗、Zo值不受电缆弯曲变形,温度等外部影响的特性。为了实现Zo的高精度,(1)同轴线做成尽可能的保持圆心性。(2)最大限地提高同轴线各部分所用材料的尺寸精度、组装精度,保证实际Zo与计算值在最大±0.5Ω的误差。另外为了提高耐弯曲变形强度,采用了编组绞织屏蔽线及FEP外皮,以使得电线弯曲时的受力均匀分布,避免线材的直角弯曲,保证了即使受到外力情况下的Zo无变化。经过φ30mm的S字扭曲试验验证,普通的同轴线的阻抗变化是+3.3Ω,而上述特制同轴线的变化为0.1Ω以下。另外,高频特性也从-2.5dBʃGHz提高到了-1.8dBʃGHz。同时,FEP外皮在耐热性方面也有较大的优势,使得这种同轴线的最高使用温度达到了150℃。

      ③ 接线端子

      为了保证高性能的高频信号传输,除了保证同轴电缆的传输特性,与之相连接用的接线端子的高频特性也是非常重要的。

      ④ 印刷线路

      当被输送信号达到数GHz程度时,导线的集肤效应会造成较大的导线损失及诱电损失(tanδ)。当信号的传输线路较短的时候,信号的损失几乎体现不出来,但是在多管脚VLSI芯片的测试中,其信号传输线最少也有数十管脚到一百多管脚,Load board上的高速信号传送长度约为15cm到25cm。由于在这种情况下前述线导体损失及诱电损失(tanδ)的影响已经不能忽略,因此我们采用了低诱电率、tanδ较小的材质来制作Load Board的印刷线路,达到抑制信号传送损失的目的。

      通过以上①到④对全体传输线路的改善,我们得到了可以达到4GHz的传输特性。而且在2.5GHz附近的信号衰减也仅为-4dB左右,因此可以通过本文后述补偿方法以使得系统达到5GHz带宽的信号传送。

    传输损失的补偿

      信号的线路衰减(insertion losses)越大。因此当传输脉冲信号时,表现为信号上升沿的变形及整体波形的非整合性。前沿的变形是由于我们知道脉冲信号中包含了全部的奇数高次谐波成分,在通过传输线路时由于高次谐波成分的衰减而造成的。由于一部分的非整合性的存在,在实际应用中会产生图形向量(Pattern)造成的时序错误(Timing error)。因此需要通过对其进行一定的补偿。图7所示为在线路中插入与其相反传输特性的pre-emphasis电路时的Jitter仿真结果,图8是实测波形。由于实测波形中含有一定的随机Jitter(Random Jitter)成分,虽然Jitter值有一定差异,但是我们同样可以确认到与仿真结果一样的Jitter改善效果。



    芯片测试

      利用这个5G高速选件(Option),我们对Redwood(5Gbps)、XDR内存、PCI-Express高速接口等进行了测试评价。

      Redwood

      (5Gbps)

      将5G选件自身的输出通道(Dr)与输入通道(Cp)对接起来对其进行性能评价,这个高速选件的信号输入比较部(Cp)本身虽然为了对应高速接口芯片测试,其结构为差分输入比较结构(differential),但是其也具有单端输入比较(Single-End)功能。虽然在实际的高速芯片测试中并不需要这种单端输入,但是在许多评价解析情况下存在对这种功能的要求,因此5G高速选件中加入了分别的单端输入正负单端(Pos/Neg)比较功能。

      XDR

      XDR是在目前的高速接口(IF)中唯一采用IO共通使用的接口标准。测试系统的输入输出通道(Dr/Cp)与芯片之间是一种被称为Fly-by的连接方式。控制采用的是本文前面所述的将差分的正负(Pos/Neg)固定电压值输出机能。

      PCI-Express

      PCI-Express的基本规格中对差分电压的中间点电压值有其特殊的要求。对应其规格要求,在对PCI-Express进行测试时,2个驱动通道(Dr)并列使用作为芯片的1个输入。

    总结

      针对高速差分信号的测试,爱德万测试基于高速SoC测试系统T6683开发了最大对应5Gbps的高速测试选件。通过这个系统,

      1. 技术验证了现阶段各种具有代表性的高速接口芯片的测试可行性。

      2. 开发成功了数Gbps以上测试所需的未来测试系统的基础要素技术及其实现方案。

  • 3G终端场地测试

    2007-05-21 20:39:36

    摘要 本文从终端场地测试的详细分析为出发点,阐述了3G终端场地测试的重要意义。文章又从准入条件、测试内容、测试工具以及分析处理等方面,为今后3G终端场地测试的开展提出了合理化的建议。特别是本文对于测试内容进行的类别划分,对于今后终端场地测试开展的思路拓展,将起到积极的作用。

      时至今日,3G这个词汇已经深入到通信行业中。无论是国外已经商用的3G网络,还是国内老百姓街头巷尾谈论的3G话题,都充分体现出3G的大势所趋。随着全球商用3G网络和用户数量稳步增加,不同品牌、款式各异的新型终端不断面世。可以说,在国际市场上,3G已经逐渐成为了目前全球通信市场上的主流。

      面对全球3G技术的不断成熟完善,我国为了能够将丰富多彩的3G世界呈现在中国用户面前,已经做出了大量的、长时间的准备。从2004年的3G网络技术试验,到如今正在如火如荼进行中的TD-SCDMA产业化专项试验,无疑都是为了3G能够在稳定、可靠的前提下服务于社会,在进行着不懈的努力。

      几年来国家组织的若干3G试验,从多个方面,对我国3G技术成熟度以及商用的可能性做了全面的考察和评估。这些方面包括网络容量/覆盖测试、终端射频测试、终端/网络设备互操作测试、终端场地测试、干扰测试等。其中,终端场地测试,对终端在实际网络中的表现,进行全面的测试,是对终端进行的,最贴近用户使用方式的测试内容。

      3G一旦商用,3G终端的入网测试也会随即开展。作为入网测试中,最贴近实际应用的终端场地测试,也必然得到有效的实施。本文拟在2G终端场地测试经验基础上,结合3G技术试验场地测试情况,对今后3G终端入网测试中必不可少的场地测试部分展开分析和提出建议。

    1、概述

      作为终端市场准入测试中必要的一环,终端场地测试(也称为终端网络兼容性测试和终端网络互操作测试),历来备受关注。因为终端场地测试最贴近实际的应用环节,最能体现终端在用户手中的可用性、易用性,兼容性、稳定性的情况。场地测试的结果,往往同用户满意程度反馈有很大的联系。

      从国际通信市场来看,入网场地测试的实施方分为以下3种。

      (1)运营商实施;

      (2)第三方实验室实施;

      (3)终端生产方实施。

      其中,前两种实施方式是目前国际比较通行的方式。二者的实施方虽然有所区别,但实施内容和流程基本类似。

      终端入网测试包括型号核准测试、安全测试、射频/协议一致性测试、场地测试几个方面。场地测试与其他几个测试相比,其灵活性更大,涉及面更广。这是由场地测试的性质决定的。场地测试要考虑到所有终端的功能,这包括基本功能、性能以及附加功能。所以场地测试也是所有这些测试中,不同运营商之间差异最大的一类测试。

      科学地设计场地测试的实施方式、内容和力度,应该综合考虑到网络运营的多种因素,这些因素可能包括场地测试投入因素、用户因素、技术因素、业务多样性因素等。其中,用户因素还可能包括用户规模、用户结构组成、用户使用习惯等多个内容。在场地测试规划中,应注意考虑以上几个方面,避免过度投入人力物力,造成资源浪费。

    2、准入条件

      场地测试作为入网测试最贴近用户使用的一环,必然具备一定的准入条件。一般来讲,国际通行的场地测试准入条件是完成了射频一致性测试和协议一致性测试。

      这里面蕴涵两方面内容。

      首先,完成了射频一致性测试,标志着终端在基本物理层的性能方面,可以满足网络的实际应用。可以说,射频测试是一切的基本。

      第二,协议一致性测试的完成,表明终端已经从协议符合性方面,达到了一定的水平和能力,具备“可以在实际网络中正常运作”的可能性。

      另外,终端场地测试过程中,要求能够实时对终端进行监测和控制,故终端必须能够支持监测工具。

    3、测试内容

      综合目前国内、国际的场地测试内容,基本上应包括以下3个部分内容。

      (1)信令测试部分;

      (2)性能测试部分;

      (3)业务测试部分。

      3.1 信令测试部分

      经过了协议一致性测试,终端具备了基本的“正常运作”的可能性,但考虑到实际网络毕竟不同于进行协议一致性测试的测试设备,在一些协议的操作流程,一些定时器的设置等方面,会存在一定的差异。这些差异即使在标准要求范围内,也有可能对终端的实际运作造成一定的影响。这就需要对终端在实际网络中的协议符合性进行进一步的测试。

      信令测试部分的测试集应涉及到所有在场地环境下可以进行的所有信令流程,同时还要考虑到测试的可实施性。

      信令测试部分一般包括以下内容:基本空中接口测试、切换测试、功控测试、主叫功能测试、短消息测试、电路域业务测试、分组域业务测试。如果需要,还应考虑加入并发业务等特殊过程。

      信令测试部分的内容与信令一致性测试大体相似。关注点主要在于实际网络所能提供的网络环境的信令流程运作。其具体测试项目,可以参考信令一致性测试项目集合,从中选择项目。项目的选择要考虑到特定项目是否有必要执行,还要考虑到是否适于进行。如果项目面过广过细,从而成了信令一致性的重复测试,必然造成有些非必要项目的无谓测试;如果项目过少,又失去了场地测试的重要意义。项目的选择,要参考以下原则。

      (1)选择典型业务的关键流程,例如主叫、被叫、短消息等;

      (2)选择涉及安全的流程,例如鉴权、加密、信令完整性保护等;

      (3)选择实际网络或目标商用网络中的必要功能,例如cdma 1x网络的数据业务和语音业务交互,以及WCDMA网络的并发业务等;

      (4)选择其它必要功能,例如必要的漫游功能、GPS功能等。

      3.2 性能测试部分

      在用户实际使用中,终端的性能表现是很重要的一点。场地测试的性能测试部分,就是用来检验终端性能表现的。

      性能测试部分包括以下内容:切换性能测试、呼叫性能测试、业务保持能力测试、大量业务交互性能测试等。

      切换性能指在特定的切换区域,多次进行切换,取得切换成功率结论的测试;呼叫性能测试指电路域或者分组域呼叫主叫和被叫的成功率;业务保持能力指在长时间电路域业务或分组域业务保持时的工作状态测试;大量业务交互性能指不同业务在大量进行时的压力测试。

      性能测试部分是信令测试部分的延伸,是终端可靠性的保障。

      性能测试的实施需要做大量的事前准备工作。例如切换环境的选择、大业务量呼叫的工具支持等。同时,测后的数据分析也是非常重要的一个环节。

      性能测试的结论,基本上都以百分比的形式体现出来,可以很直观的给出性能状况。而如何界定性能测试的结果是否满足要求,是一个值得讨论的课题。作为实施方,运营商实验室或者第三方实验室必须考虑被测网络状况、终端能力水平、运营网络的运营要求等多方面因素,才能制定判决标准。

      一般来说,在正式测试前,可以考虑用一款比较稳定的,多方公认的参考终端,按照既定测试方式严格实施,得出参考数据,再经仔细讨论后,确定判决标准。

      由于性能测试结论的特点,严格的讲,应考虑致信概率的因素,对结果进行科学的数学分析。

      3.3 业务测试部分

      信令测试和性能测试都针对终端本身的基础能力和性能进行测试,而我们知道,3G最大的卖点在于它所承载的多种多样的功能和业务。为了让用户能够得到切实好用而稳定的业务运作,换句话说,为了让运营商能够以更平稳安全合理的多种业务运作取得更多用户的青睐,场地测试的业务测试显然是一个必然。

      业务测试的实施内容依据运营网络承载的不同功能和业务所确定。一般来说,也应当按照前文的理念,划分为实现性测试和性能性测试两个方面分别分段进行。

      按照业务功能承载体的不同,例如短信承载、电路域承载、分组域承载,可以对测试进行划分;还可按照高中低端终端的用户定位,对于某级别终端进行分级、分层次的测试划分。

      业务测试方面的测试计划,可能会随着网络的发展,出现很多变化,因此这也是场地测试中,最需要投入精力来开创和维护的部分。但是,随着3G的到来,承载功能、业务逐渐成为吸引用户的最主要因素之一,在这方面的一定程度的大力投入,是有很重要的现实意义和发展意义的。

    4、测试工具

      为了进行场地测试情况的结论分析,场地测试的信令监测、信令采集很重要。场地测试的开展场所不同于实验室测试,其信令监测、采集有其特殊性。场地测试过程中应用到的测试仪表一般分为两大方面。

      第一方面是测试实施工具。

      测试实施工具也就是进行场地测试时所要用到的核心的监测工具,包括扫频仪、GPS定位、地图辅助分析、以及最重要的监测软件。

      另一方面是测试辅助工具。

      测试辅助工具包括所有支撑场地测试的设备、设施,也包括所有为场地测试做准备工作的所有材料。

      下面从两大方面分别予以分析和介绍。

      4.1 测试实施工具

      路测软件是安装在笔记本电脑上的,专业的信令采集、分析软件。图1是一种典型的路测软件的结构示意图。


    图1 一种典型的路测软件


      路测软件的核心是安装在笔记本电脑上的测试软件。另外还包括通过标准串行接口或USB接口模拟的串行接口与测试终端相连的套件,为了提高测试的效率,目前很多路测软件都可以支持同时带动多个测试终端进行测试。此外,一个参考终端,一个GPS天线用于记录GPS卫星定位系统参数,一个扫频仪用于进行实时网络前向参数和网络状况分析,这些都是必备的组成部分。

      4.1.1 测试软件

      测试软件肩负着重要的核心作用,它的作用包括如下。

      (1)对测试终端的信令采集和预分析;

      (2)对参考设备,如GPS天线、扫频仪的监控和数据采集存储;

      (3)对测试过程的指导控制。

      4.1.2 扫频仪

      扫频仪是专用的场地测试仪表,用于采集、分析通信网络前向信道的数据,对网络状况进行记录分析。扫频仪一般都是一台专门的仪表,具备独立的接收机,数据转换装置等,可直接将空口采集来的数据进行储存或者传输给测试软件。

      某些测试终端、参考终端,可能具备部分扫频仪的功能,可以作为扫频仪使用。

      扫频仪的优势是信令采集比较全面而且完整,同时由于仪表的功能一般都比较强大,可以在进行信令采集的过程中,进行初步的分析和处理,这为后期处理减轻了负担。扫频仪的工作原理与实际终端很像,所以同时也可以在一定意义上作为参考终端使用。

      4.1.3 参考终端

      参考终端是一部经过了严格的检验,可以认为其表现相对比较标准的终端。在测试过程中,它起到参照物的效果。参考终端的选择必须慎之又慎,以免影响了测试结果的公证性。

      用测试终端与参考终端进行比对,似乎是一种很可行,很简便的判别方式。但是实际上,这需要建立在参考终端的高度可信基础上。

      为了让参考终端持续高度可信,对参考终端的整个应用环节都必需予以控制。包括参考终端的选择、使用、维护,以及对参考终端定期必须进行的核查,以验证其始终工作在稳定的可靠的状态中。

      但是,作为一个科学的场地测试实施,参考终端是一个必不可少的因素。

      4.1.4 其它形式的测试系统

      上面提到的“扫频仪+测试软件+GPS”的场地测试系统模式,是目前比较流行的。其实,还有其他一些模式,例如参考终端形式的测试系统。

      早期有部分场地测试系统,就是这种以一款参考终端作为核心部件构筑起来的。其代表是爱立信公司的TEMS系列以及RS公司的9951系统。参考终端的优势是其最接近实际终端的工作情况,同时其情况比较稳定,采集的信令消息也比较完整。

      但随着3G的来临,通信系统越来越复杂,终端的种类越来越多,功能多样性越来越复杂,在同一承载上,还有很多可能发展起来的新功能、新业务。使用某款终端作为参考终端形成测试系统,往往跟不上如此日新月异的技术发展。因此目前以参考终端作为模式的测试系统,也渐渐失去了很多市场占有率。

      4.2 测试辅助工具

      测试辅助工具包括两个方面,测试条件准备工具和测试环境保证工具。

      4.2.1 测试条件准备工具

      这里的准备工具是指为了在实际网络中寻找特定的测试条件所需要用到的仪表、工具等。一般来说,需要使用全套路测软件以及后台分析工具。有时还需要网络侧的基站、核心网的数据支持。

      4.2.2 测试环境保证工具

      场地测试从实施方式来分,一般分为定点测试和移动测试两种。

      定点测试环境比较容易控制和维护。移动测试环境,则需要投入一定的人力物力来营造。包括测试车、不间断电源、测试路线等。

      综上所述,对于今后开展的3G终端场地测试,应当将对场地测试的实际需要仔细斟酌。以路测软件为主,参考终端为参考,扫频仪为辅助分析,是比较全面且可行的方案。

    5、分析和处理

      场地测试中最后一个重要步骤是数据采集后的分析和处理。这部分内容可以划分为数据后期统计处理和故障分析两部分。

      后期统计处理主要针对前文提到的性能测试部分。终端电路域、分组域呼叫的主、被叫成功率、建立时间,切换成功率,并发业务成功率等,都需要进行统计工作。有时统计工作需要由人手动来进行,某些测试软件也支持对数据的后期系统分析。依据终端取得的数据,软件直接给出建议性结论,供测试人员参考。

      故障分析对于场地测试的信令、性能以及业务3个部分都是必要的。主要目的是在终端出现异常情况时,尽可能排除网络侧的影响,实现故障定位。例如在进行长时间通话保持性能测试时,终端出现掉话,应对当时的基站信号强度做回放分析,如果当时的网络信号强度不足以支持通话,应在结论中予以说明,并对测试终端重新进行测试,并且避免在该地点重复测试。定位的准确与否,是终端能否通过测试的重要因素,必须谨慎进行。目前大多数路测软件,都可以通过对测试过程的监测、分析,给出一些参考性意见。

      随着统计处理以及故障分析的完成,一款终端也许被判决走入测试失败流程,或者走入测试通过流程。

    6、结束语

      3G的兴起,多彩的业务应用是关键,而业务应用则离不开稳定可靠的终端的支持。从世界范围内已经实现3G商用的运营商来看,多样的业务应用和质优价廉的通信资费是推动3G产业发展的两大重点。为了让最终用户能够切实的体会到3G多种业务的魅力,得到最优化的业务服务质量,从用户角度出发进行相应的兼容性测试,特别是在实际商用网络上进行全面可靠的场地测试,是一个可行而且必须的过程。

      场地测试最贴近用户使用,换言之,就是最可能反映出终端进入实际应用后可能出现的问题。

      从3G技术试验阶段乃至今天TD-SCDMA产业化专项测试的终端场地测试可以看到,目前3G终端的总体情况尚佳,但还有这样那样的问题有待进一步解决,终端的整体稳定性和可靠性还需进一步提高。

      随着我国3G时代的来临,3G终端经过不懈的努力和发展,稳定性和成熟性将进一步得到巩固,为3G的产业发展带来前所未有的动力和支持。



  • 移动终端安全模块技术研究

    2007-05-21 20:39:36

    摘要:在分析移动终端应用、安全威胁及开放的终端内部数据资源的基础上,从保护移动终端信息安全的角度出发,首次提出了移动终端安全模块的概念,并给出了安全模块与基带芯片和上位机的相对关系图。就安全模块的文件逻辑模型、软件模块及硬件模型进行了概要设计和研究。

      关键词:移动终端 安全模块 基带芯片 会话密钥

      随着移动通信业务的发展、普及,尤其是3G时代的到来,移动终端逐渐演变成集通话、身份代表、信息获取、电子支付等为一体的手持终端工具。伴随着移动终端用户规模的迅速扩大和诸多人员对移动终端技术的了解,移动终端正面临着越来越多的安全威胁。下面列举几种典型的安全威胁。

      (1)移动终端身份序列号(例如GSM中的IMEI)的删除和篡改等

      由于IMEI号可用来统计用户的终端类型、限制被盗终端在移动网内的重新使用等用途,所以IMEI号应该具有一定的保护措施。

      (2)终端操作系统非法修改和刷新等

      由于非法操作系统可能会影响用户使用并干扰正常网络运行,因此操作系统应当阻止一切非法的修改和刷新等。

      (3)个人隐私数据(例如银行账号、密码口令等)的非法读取访问等

      移动终端内部可能会存有用户的电话簿、短信、银行账号、口令等用户隐私信息,如果这些信息被他人非法获得,很可能给用户造成直接的经济损失。

      (4)病毒和恶意代码的破坏

      病毒和恶意代码很可能会破坏移动终端的正常使用,还可能会将用户的隐私信息不知不觉地传给他人。

      (5)移动终端被盗等

      目前移动终端被盗现象极其严重,终端被盗给用户带来直接经济损失,更严重的是用户隐私数据的泄漏等。

      总之,移动终端存在的安全隐患可能会威胁到个人隐私、私有财产甚于国家安全。尽管移动终端面临着许多的安全威胁,但目前其安全问题仍是整个移动运营网络中的一个安全盲点。

    1 开放的移动终端内部数据资源


    图1是移动终端内部结构的典型模型


      一般,目前所有的敏感信息包括开关机口令、敏感电话簿、机密短信、证书、用户私钥等信息都存放在片外存储器中,另外用于调试访问片内资源的JTAG口等是开放的(目前没有有效的方式封闭JTAG口)。所以攻击者很容易通过JTAG口等调试端口获得DBB内部或者Flash中的存储信息。甚于很多终端的JTAG口直接连在终端外边,攻击者连机壳等都不必打开,就可以获得内部资源。攻击者当然也可以将Flash芯片取下并采用专门的设备将内部数据读出。



      基于以上介绍,出于为移动终端内部敏感数据资源提供集中的安全保护措施角度考虑,提出了安全模块的概念。

    2 安全模块及与其他相关部分的关系

    2.1安全模块定义

      为移动终端所有或大部分敏感信息提供集中存放和运算的芯片模块,这里称作安全模块。

      下面列举一些安全模块的典型作用:

      ·操作系统、身份序列号及其他信息的完整性保护等;

      ·敏感信息的安全存储包括银行账号信息、银行密码信息、CA证书、密钥等;



      ·关键数据的冗灾备份,如系统的各种配置信息等;

      ·机卡互锁等手机防盗技术的实施等;

      ·密码算法的存储和运算等。

    2.2安全模块与基带芯片及上位机的关系

      图2是安全模块与其他部分的关系图。安全模块与其他部分信息交互的端口,一个是安全模块与上位机的接口——工作端口,一个是安全模块与上位机的接口——调试端口,其中工作端口用于移动终端正常工作时,安全模块与基带芯片进行敏感信息的传送。调试端口用于移动终端生产甚至维修时安全模块预设数据和个性化数据的装入等。

      为了防止安全模块与基带芯片之间敏感数据传送过程中的被窃取或者搭线窃听。安全模块与基带芯片之间的数据应该密文传送。传输中的会话密钥,可以采用现有的密钥协商协议临时生成,例如Diff-Hellman等。



      另外,安全模块对上位机应当具有认证功能,以防止非法主机对安全模块的非法逻辑操作。

    2.3基带芯片部分说明

      基带芯片中有一部分核心代码,本部分代码是安全的。这部分代码的作用是与安全模块会话密钥的协商并及向移动终端上层应用安全模块进行数据交互的应用程序端口。

    3 安全模块的文件逻辑模型和软件逻辑模块

    3.1文件逻辑模型

      根据安全模块的功能,提出一种典型的安全模块文件逻辑模型,如图3所示。

      从图3可以看出,文件按分层结构组织,共有三种类型。操作系统可以处理和访问不同文件中的数据。

      ·主文件(MF—Master File)

      主文件代表一个功能大类,只有文件头,没有文件体。其下可以存放针对某一应用领域的各种安全相关参数和数据。

      ·目录文件(DF—Directory File)

      目录文件是一个或多个文件的逻辑分组,目录文件只有文件头,没有文件体。在图3的文件逻辑模型中,DF PpassD目录包括开关机口令文件EF OnOFF和文件资源访问口令·EF File等;DFKEY目录下包括CA证书文件EFCa和私钥文件EF Priv等;DFMAC目录包括操作系统MAC文件Efos和数据MAC文件EFData等;DFAdnSms目录包括机密电话簿文件EFAdn和EFSms等。

      ·基于数据文件(EF—Elementary File)

      一个基本数据文件由文件头和文件体组成。

      可以参照GSM11.11的相关内容进行文件格式的具体设计。



    3.2 软件逻辑模块

      ·初始化程序模块:初始化安全模块寄存器,配置各种参数。

      ·MAC认证模块:实现手机操作系统和数据的完整性认证。

      ·与基带芯片通信的命令解释模块:实现与基带芯片的命令交互,包括存储数据、读取数据等功能。

      ·基带芯片认证和密钥协商模块:对基带芯片进行认证,并协商出安全模块与基带芯片之间的会话密钥。

      ·上位机认证与通信模块:认证上位机的合法性并接受上位机的指令进行自身数据和代码的更新、升级等。

      ·自毁数据模块:对非法逻辑操作进行审计,并在达到一事实上阈值时删除安全模块的各种敏感数据达到自毁的效果。

      ·其他根据安全需求需要考虑的功能模块。

    4 安全模块的硬件模型

      安全模块以微处理为核心。该芯片必须能够抵挡芯片的各种威胁,如开冒后的探针物理探测、边信道(例如DPA、SPA)攻击等,另外芯片体积要小,功耗要少。图4是一种典型的安全模块硬件模型图。



    5移动终端的安全启动过程

      安全模块与基带芯片的启动工作流程如图5和图6所示。

      加电后,安全模块与基带芯片处于主从工作模式,安全模块为主,基带芯片为从。安全模块首先认证基带芯片的合法性以防止基带芯片被替换或假冒。若基带芯片通过合法性检查,则安全模块与基带芯片开始协商会话密码;之后安全模块向基带芯片发送索取操作系统数据命令,基带芯惩 收到命令后将操作系统等数据传送给安全模块,安全模块计算MAC值是否正确,若都正确,安全模块就将自身的工作模式切换到从模式,让基带芯片处于主模式;之后,安全模块处于接受基带芯片命令并向外传送敏感信息的状态。

      基带芯片在加电后,通过内部的安全代码模块接收安全模块的认证请求,并与安全模块协商会话密钥,之后将操作系统代码等信息传给安全模块以接收安全模块的完整性检查,并等待安全模块控制权的移交。当安全模块所有检查通过后,安全模块将控制权交给基带芯片以实现基带芯片的完全启动。

      安全性分析:系统首先从安全模块启动,而且安全模块和基带芯片处于主从工作状态。当安全模块没有通过对基带芯片的认证,或者操作系统等数据的MAC结果不正确时,安全模块就会拒绝与基带芯片协商会话密钥,同时拒绝将敏感信息传送出去。在这种情况下,假冒的基带芯片有可能会继续启动并达到一种稳定的工作状态,但攻击者仍无法获得安全模块中的敏感数据,与笔者安全模块设计的初衷还是一致的。

      安全模块的思想稍加改造就可以用在有类似安全需求的其它电子设备中,因此安全模块在设计时,通用性尽量强一些,以满足在多种领域中的应用;同时安全模块尺寸不宜过大,以节省芯片生产成本和移动终端内部宝贵的可用空间。
  • 全面测试下的质量控制——为终端产品上市保驾护航

    2007-05-21 20:39:36

    一、中兴手机的发展历程

      1.发展历程

      中兴通讯手机研发起步于1998年,一贯坚持走自主研发的道路,经过8年的发展历程,已成为中国通信行业打造民族品牌的一支强大力量,成功开发出GSMCDMAPHS、固定台、3G系列手机产品,以及ZXGM18无线模块。

      2.产品特点

      (1)制式全:中兴通讯目前提供的终端产品技术制式覆盖了当前的GSM、CDMA、PHS等2G技术产品,同时还开发出了WCDMACDMA2000和TD-SCDMA等3G技术产品,是国内目前唯一能够同时提供各种制式手机产品的高科技企业。

      (2)门类丰富:中兴通讯现在能够提供的终端产品除手机外还有固定台、无线上网卡、无线模块等产品。

      (3)产量大:中兴通讯从2004年起,终端年产量就达到1 000万台以上,其中中兴通讯CDMA产品国内市场占有率已经越升前三位,并获得全国名牌产品的称号。

      (4)专利众多:根据国家知识产权局信息中心针对手机的专利检索显示,截止2004年1月,国产手机已经申请专利400余件,其中ZTE中兴手机的专利数量为109件,占国产手机总申请量的25%,经授权的发明专利占国产手机总授权发明专利量的一半左右,在众多国产手机制造商中排名第一。

      (5)返修率低:经过8年的发展,中兴通讯手机产品中的部分型号返修率已经低于1%。

      随着中兴通讯国际市场开拓的步伐,越来越多的终端产品走向世界,其中包括英国等发达国家。

      3.人员构成和核心研发能力

      中兴通讯手机事业部现有员工3 000余人,其中研发人员占1/3,生产人员占1/3。中兴通讯开始手机研发以来,特别是手机事业部成立的3年多来,在核心研发能力上取得了令人瞩目的成绩,其中包括成功地开发出中国第一款全中文双频GSM手机,世界第一款机卡分离的CDMA手机,自主建设GSM、CDMA、PHS移动电话生产线,自主开发移动电话生产测试系统、业务软件平台和GSM协议软件(通过FTA认证)等。

      从中兴通讯手机发展的历程中可以看出:产品型号日渐丰富,年生产规模几何式增长,产品研发周期不断缩短,这些都说明中兴通讯终端产品一直保持高速的发展。

    二、全面测试保障下的质量控制

      “引入全面测试理念,不断提升产品质量的控制力”。中兴通讯的质量控制展现在产品的各个阶段中,显示在员工的行为里,落实在机构的设置上。

      1.在产品调研阶段,确定质量指标

      “产品的质量不是生产出来的,而是设计出来的”。在产品调研阶段,中兴通讯除了在符合当前技术发展趋势的基础上开发满足用户功能需求外,同时对产品质量规划也提出了量化指标,确定该产品的技术性能指数和返修率指标等具体质量指标。

      2.在产品研发阶段,控制关键节点测试,严把设计定型关

      测试是产品开发的重要环节,产品测试有研发设计自测、成果鉴定测试、设计定型测试以及生产例行试验测试等阶段。产品的设计、测试以及生产等环节严格按照测试规范执行。在设计定型之前研发产品的测试检验节点主要由测试部负责,重点对产品的硬件、软件、结构件以及网络互操作性进行测试,及时发现产品的设计缺陷,坚决杜绝设计缺陷遗留到生产制造阶段。同时,国内销售的产品必须经过国家规定的进网测试,出口的产品必须经过该国家或地区规定的强制性认证测试以及自愿性测试。

      中兴手机为确保到达客户手里手机的质量,投资1 000多万元建成了手机检测中心,主要的实验室有OTA电波暗室、音频实验室、环境试验室、射频实验室、电性能实验室以及各种模拟用户测试实验室。

      3.在生产阶段,实施过程质量控制

      研发产品必须经过严格的生产设计定型测试并达到规定的要求才可以转入批量生产阶段,批量生产的手机必须经过例行试验检测并达到标准才可以出库。生产例行试验测试主要由手机检测中心负责,该中心已经通过国家CNAL认证。

      4.在市场投放阶段,“掌心服务”提高客户满意度

      产品进入市场、出现在客户的掌心正是中兴通讯手机售后服务的开始,通过遍及全国的3 000家维修店、30多个省会城市的维护中心和位于深圳总部提供24小时热线服务的客服中心,共同支撑起中兴手机“掌心服务”硬件平台。通过售后产品问题反馈平台,中兴手机售后服务体系可以接受客户投诉,收集问题信息,经过产品升级换代,满足客户需求,提高客户满意度,同时也为后续产品的设计、生产提供参考。

      5.手机质量管理构架

      中兴通讯手机事业部于2004年重新整合资源,建立起了由测试部、中试部、质量部和检测中心等几个部门组成的质量体系,总人数达到事业部总人数的10%,从组织结构上落实全面测试保障下的质量控制理念,产品质量的控制力得到落实。其中,测试部负责设计定型阶段的测试,对研发产品进行全方位的测试;中试部主要控制产品的可生产性、批量生产效率以及生产技术支持,对产品是否适合批量生产进行评估;质量部负责研发过程的质量控制、批量生产的质量控制以及来料的质量控制;检验中心对批量产品的失效性进行全面的测试,保证出厂产品的质量满足客户。

      6.视为生命的质量理念

      在中兴通讯的企业文化中对质量有一个清晰的定义:质量就是顾客满意。产品和服务质量只有比竞争对手做得更好,才能赢得顾客。中兴通讯视质量为生命,用6∑理念和行动推动持续改进,树立全程质量意识,组织全员的质量培训,不断减少缺陷,确保顾客永远是第一受益者。

      7.实例介绍

      中兴通讯为中国联通集采项目定制的某款手机,根据合同要求产品开发时间只有三个月时间,按照业内的开发进度,最快也要六个月。因此,在规定的时间内拿出符合客户要求的产品成为项目组的核心目标。

      项目组负责人按照手机硬件设计特点,从EVB板、主板原理图、布局、布线、调试等各关键环节进行分类,分解任务指标,通过任务的细化,明确了工作目标、责任人和相应时间节点,将研发工作落到实处。项目组还建立了任务跟踪机制,及时了解硬件设计的进度,提高了计划执行力度,部门对任务进度及时检查与监督。在这些措施的有力保证下,项目进度实现了零延误。

      项目开发过程中,硬件研发人员与中试质量人员、生产线人员密切沟通,将可生产性尽可能在设计阶段就考虑到,测试部通过建立样品兼容测试跟踪机制,从源头抓起,以最小的代价防范风险。

      通过上述努力,项目取得了良好的回报,该款手机最终用87天时间完成了产品研发,如期供货。从该款机型量产后投入市场情况来看,返修率控制在很低的水平上,产品质量得到了市场的认同,被用户誉为中国联通集采第一机型。

    三、制订面向未来的质量战略

      1.积极参与测试组织

      中兴通讯是电信终端测试认证论坛(TAF)创始单位之一,是TAF的理事单位,中兴参与论坛的管理、工作计划制订以及各工作组的具体实际业务,负责质量体系的事业部副总经理亲自挂帅,亲自参与论坛的重要活动。中兴通讯还选派各方面的专家参与论坛的各个工作组,提出议案,参与讨论,与论坛的成员一起积极参与论坛的标准讨论、制订、验证以及实施。在第一次TAF工作组会议上,中兴通讯结合中兴产品,根据国际上对终端产品的测试要求,提交了三份测试建议议案。中兴通讯与论坛其他成员一起致力于将TAF打造成与欧美的GCF/PTCRB相抗衡而又互认的国际性测试认证论坛。

      另外,中兴通讯还积极参加一些国际性的测试组织、论坛,追踪最新测试技术的动态,参与并影响一些前沿标准的制定,为中兴手机的国际化奠定基础。

      2.中兴手机面向未来的“三化”战略

      (1)质量成为未来市场争夺的重要因素。在国内市场,国产手机历经1998~2003年的繁荣之后,情况急转而下,截至2005年上半年,出现全行业亏损。相形之下,国外厂商不仅占据了大部分市场份额,还实现了财务上的稳定增长。二者相比,反映了国内外手机企业在经营质量管理上的巨大差异。作为国产手机,突围的关键之一在于质量突破。

      (2)定制化、集中采购将成为国内外手机主要销售模式。随着对最终用户的激烈争夺,越来越多的运营商开始定制终端产品,实现差异化服务,这就要求手机生产企业具备强大的产品研发实力、较短的研发设计周期、持续降低产品成本的能力、最快地通过国家和运营商要求的测试响应速度、大规模的生产能力、拥有全球性的售后服务网络和及时解决客户问题的能力。

      为了解决上述问题,中兴通讯的具体做法就是推行“三化”概念,即标准化、模块化与通用化。标准化能够加快新品开发、提高产品质量和劳动生产率。模块化是以少变求多变的产品开发策略,产品的派生和更新换代,可通过更换或增减模块的方式实现。基于模块化的新品开发,实际上就是研制新模块,取代产品中功能落后或不足的模块。模块化设计、制造是以最少的要素组合最多产品的方法,它最大限度地减少不必要的重复,又最大限度地重复利用标准化成果。通用化可最大限度地减少重复劳动和资源,通过建立可供重复利用的通用单元资源库,广泛地重复利用现有的技术成果,通用化是降低手机物料库存、提高物流水平的关键。

      通过推行“三化”战略,可以缩短产品开发周期、节省成本、降低库存、提高效率、提高产品品质、改善物流水平,从而建立起产品质量管理体系,稳定产品质量,达到增强中兴手机的综合竞争力目的。另外为配合公司的国际化战略,提供强有力的产品质量支撑,中兴手机质量体系正加大对测试人员队伍的培训,同时加强与国内外测试机构间的合作,实现多赢。
  • 走近TD-SCDMA的终端

    2007-05-21 20:39:36

    1. 前言
      
      TD-SCDMA是我国提出并被国际电信标准化组织采纳的国际标准,我国拥有核心自主知识产权。其发展扭转了我国在第一代和第二代移动通信发展的被动局面,是我国自主创新知识产权产业发展的一次重大机遇。从TD-SCDMA技术提出以来,经过几年的发展,在政府相关部门和产业联盟成员企业的推动下,TD-SCDMA已形成了从系统到终端、芯片以及测试系统的完整产业链。2004年10月在北京举办的国际通信展上,TD-SCDMA联盟主要参与厂商都展出了各自的成果,同时在11月8日,信产部电信研究院专家公布了国内3G第二阶段测试的结果,TD-SCDMA获得了“产业链成型”的高度评价,但是终端在技术成熟度方面还稍落后于系统,在外场测试中,虽然提供了两款终端,但还未实现专用芯片。下面,让我们从TD终端的产业现状、解决方案的现状、未来的展望几个角度,一起走近TD-SCDMA的终端吧!
      
      2. TD-SCDMA终端的产业发展现状
      
      TD-SCDMA终端的产业链包括核心套片厂家、协议栈厂家、终端厂家及DESIGN HOUSE、终端测试仪器厂家。
      
      在TD-SCDMA产业链的核心套片厂商中,国内主要有凯明、天諅、展讯和重邮信科,国外厂商主要由意法(ST)和ADI。凯明的背后有国际手机芯片厂家TI和手机厂家LG诺基亚普天系在支持;天諅主要有飞利浦三星大唐,以及新加盟的摩托罗拉在支持;而展讯则主要由风险投资支撑,如著名的华平投资。国际芯片厂家主要由ADI与ST独立开发,但其它重要厂家(飞利浦、摩托罗拉、TI)如前所述,采取合资的方式进行投入TD-SCDMA的芯片产业。在2004年10月前,展讯、天諅、凯明都宣布推出了TD-SCDMA LCR核心样片并完成了物理层测试;2004年12月25日,天諅已利用自研LCR核心芯片完成了网络级电路域所有业务和128k数据域演示业务;凯明、展讯也都打通了语音电话。2004年11月15日,ADI在香港国际通讯展上也宣布了Monaco LCR样片研发成功,并且和大唐移动联合推出TD-SCDMA单模、低端手机设计方案。
      
      TD-SCDMA终端协议栈软件目前大唐移动、凯明、重邮信科能提供,国外的RTX公司专注于Layer1软件的研发,使用了ADI公司的Monaco平台。大唐电信的MeCoTm协议栈软件的硬件平台最广,已成功应用于大唐移动自研的NBT、Sparrow等测试终端,同时在天諅硬件平台也已完成网络级通话和数据域浏览,且在ADI和展讯核心套片平台上也移植成功。凯明公司的协议栈软件是采用自研的协议栈,主要应用在凯明提供的Mercury和Venus套片平台,也打通了12.2k的AMR语音电话。重邮信科协议栈是从TSM协议栈移植过来的,现在主要应用在重邮信科自研的LCR套片上,从2004年11月开始和展讯合作,又移植到了展讯的SC8800套片平台上。
      
      从各家LCR核心套片和协议栈研发进度看,在2005年6月基本能提供比较稳定的终端解决方案。
      
      投入TD-SCDMA终端的国内厂家主要包括手机行业的领先者有中兴、波导、厦新、海信、联想、华立首信,国际厂家有三星、摩托罗拉、LG、诺基亚。国内的各大DESIGN HOUSE也都组成了专业的团队,跟踪研究TD终端的进展与设计工作。
      
      测试仪器厂家主要是国际传统手机测试仪器厂家(如安立、罗德斯瓦茨等)与大唐合作进行TD测试仪器的开发,将在2005年的年初推出试用版,在2005年的年中推出正式版,能够满足TD-SCDMA终端量产的需要。
      
      纵观TD-SCDMA终端的产业链,从芯片厂商、协议栈厂商到终端整机厂商、测试仪表厂商都已经取得了长足的进展,整个产业链中,既有国内实力型的企业,也有国际大厂商。
      
      3. TD-SCDMA终端解决方案的现状
      
      目前TD-SCDMA终端的解决方案主要有凯明的解决方案、T3G的解决方案、展讯的解决方案、大唐与ADI的联合解决方案。从各厂家透露的信息来看,2005年6月基本都能提供比较稳定的终端解决方案。
      
      TD-SCDMA终端解决方案主要由芯片组、协议栈、应用平台、应用等部分构成。TD-SCDMA的芯片组射频部分具有较高的复杂度,已经有MAX2392接收芯片,MAX2507发射芯片,飞利浦、ADI和凯明射频芯片供选择。TD-SCDMA的基带技术至关重要,在终端侧小区搜索、RAKE接收等关键技术算法都在这里完成,目前凯明、T3G、展讯、ADI基带技术都经过了验证。
      
      TD-SCDMA终端解决方案协议栈与业务的应用部分,目前和WCDMA一样,都能支持3GPP规定的所有电路型业务,包括电信业务(语音、短消息、传真、语音组和广播业务)、承载业务(3.1K音频、同步/异步电路数据、语音/数据混合业务),以及附加在电路型业务上的补充业务等。TD-SCDMA终端解决方案在业务提供上的特点主要体现在分组数据业务的提供上。TD-SCDMA终端可以提供WCDMA终端提供的所有分组数据业务,如32kb/s、64kb/s、128 kb/s、384 kb/s的数据业务以及并发业务等,都能有效的支持。它的TDD特性可以使TD-SCDMA比单纯的FDD技术更为有效地处理非对称业务,这种业务在日常使用中经常用到,如因特网下载业务、流媒体视频点播业务等。
      
      有了底层的承载支撑,对于上层的应用来讲,是TD还是WCDMA没什么差别,如JAVA、WAP等应用平台都可以运行在TD与WCDMA之上。
      
      4. TD-SCDMA终端未来发展
      
      (1)TD终端支持的业务发展
      
      TD终端未来将与WCDMA终端一样,支持各种新型业务(如定位业务、流媒体业务、PTT业务、可视电话业务、手机电视HSDPA)及业务平台(如WAP、JAVA等)。尤其对于定位业务与非对称业务有独到之处。
      
      TD-SCDMA技术在基于位置的服务方面有其独特的优势。从2G增值业务的发展可以预测, 3G运营商若想获取最大收入必须依靠增值业务,而基于位置的服务将是其中最有前景的增值业务之一。由于TD-SCDMA采用了智能天线、上行同步等先进技术,系统在不增加任何附加设备的情况下,就能通过智能天线测角,用同步CDMA测距,来提供用户精确的方位和距离等位置信息。因而TD-SCDMA系统可为运营商降低运营此类业务的成本,同时,TD-SCDMA终端应用此业务也无需额外的成本。
      
      对于流媒体业务(如视频点播、手机电视)、因特网下载业务,此类业务的特点是下行速率要求高,上行速率低,能充分利用TDD的不对称传输特性,从而运营此类非对称业务将提高无线资源利用率,体现出TDD的优势,降低运营成本。
      
      (2)TD-SCDMA终端的单模、双模、多模发展
      
      TD-SCDMA可以与GSMGPRSPHS双模,也可以与WCDMA、CDMA2000双模。单/双模、多模发展要看市场的需求、应用模式、运营商的经营策略了。与GSM、GPRS、PHS双模可以很好的引导2G、2.5G的用户平滑过渡到3G,也可以解决建网初期覆盖问题;与WCDMA、CDMA2000双模、多模可以很好的解决漫游问题。目前凯明与T3G都有与GSM、GPRS双模的方案与计划,ADI更有多模(GSM、GPRS、TD、WCDMA)的规划。
      
      (3)TD-SCDMA终端的发展也将覆盖低、中、高档手机以及数据卡
      
      终端的低端竞争主要比成本。终端的成本包括元器件成本、研发成本、知识产权成本、生产成本、销售成本。研发成本、生产成本、销售成本与是否是TD-SCDMA没什么关系,各种终端都差不多;元器件成本中,外围器件如屏、电池、壳等TD-SCDMA与其他的也没什么差异,差异只在芯片组与协议栈,这两部分基本是在国内研发,知识产权成本TD与WCDMA、CDMA2000差异则比较大。TD-SCDMA是我国自主知识产权的国际标准,TD-SCDMA的核心专利主要由大唐移动掌握,根据TD联盟的章程,联盟内部的专利费用互免,对外的专利,由联盟统一谈判,进行交叉授权,这将节省大量的知识产权成本。而WCDMA和CDMA2000都免不了向国外无线厂商付大量的专利费用。因此,TD终端的成本相对比较低,其在3G手机系列中价格优势将比较明显。
      
      中、高档手机的竞争将会体现在丰富的3G业务应用上。随着HSDPA技术的成熟与稳定,移动终端的高速下载业务将得到更为广泛的应用。数据卡的应用正适合TD-SCDMA的非对称传输特性,可应用于因特网高速下载和流媒体业务等。
      
      5. 小结
      
      综上所述,TD-SCDMA终端的产业链在信息产业部的推动及TD-SCDMA联盟各个厂家的努力下,已经走向成熟,和系统厂商一起推动TD产业的发展。我国已基本建立起完整的TD-SCDMA产业链,在核心技术、终端芯片等产业链关键环节实现了突破,为TD-SCDMA在中国乃至全球的成功商用奠定了基础。下一步,TD-SCDMA产业联盟将积极协调系统、终端及芯片厂商,加速产业化进程,2005年1月开始的TD-SCDMA终端厂家与TD-SCDMA系统的IOT测试将进一步推动TD产业系统与终端厂家的合作,推动TD-SCDMA的技术商用化。同时,密切与国际组织合作,加强与国际运营商的交流,推动TD-SCDMA真正走向世界,为TD-SCDMA以及我国企业拓展更大市场空间迈出重要一步。TD-SCDMA技术一定会同其它两种3G制式一起支撑起3G通讯大业,为丰富多彩的3G应用提供坚实的基础。
  • CDMA手机测试浅析

    2007-05-21 20:39:36

    摘要 介绍了CDMA手机测试标准,并详细介绍了CDMA手机的测试内容和方法。

    1、引言

      自20世纪70年代末第一代移动通信系统面世以来,移动通信产业一直以惊人的速度迅猛发展。目前,我国现有的蜂窝技术体制主要有GSM和CDMA。这两个系统各有优缺点,GSM以其完整、严格的技术体系享誉全球,而基于码分多址技术的CDMA也以其容量大、频谱利用率高等诸多优点显示出强大的生命力。它能满足运营商对高容量、廉价、高效的移动通信的需要。目前各移动电话机厂商都在不断地推出各种型号的CDMA手机,尤其是国内的生产厂商。在市场上可以看到更多型号和更具个性化的手机,这为消费者提供了一个更广阔的选择空间。

      同时,CDMA移动电话机的质量和性能成为大家最关心的问题。为了保证广大移动通信用户能够得到优质的服务,买到放心的移动电话机,最大限度地保护他们的权益,政府主管部门也对CDMA移动电话机实行了相应的监管。本文就对CDMA移动电话机的测试进行简要的介绍。

    2、测试标准

      在我国CDMA移动电话机测试依据的标准为YDC023-2003《800MHz CDMA 1x数字蜂窝移动通信网设备测试方法:移动台第一部分基本无线指标、功能和性能》、GB/T18287-2000《蜂窝电话用锂离子电池总规范》、YD/T965-1998《电信终端设备的安全要求和试验方法》。

    3、测试内容和方法

      CDMA移动电话机测试项目主要有:外观、包装和装配测试、业务与功能测试、移动台接收机和发射机性能测试、电磁兼容性(EMC)测试、环境适应性测试、寿命测试、电池性能和充电器安全性测试。

      (1)外观、包装和装配测试主要是检查移动电话机包装盒及移动电话机本身的外观、产品标志、商标是否符合要求,移动电话机所配附件是否齐全以及各种按键、接口是否装配良好。

      (2)业务和功能测试根据规范所要求的测试项目在实际的CDMA网络上进行测试验证。例如语音呼叫的建立连接及短消息的接收发送等。此项测试从用户角度出发,检查移动电话机业务和功能能否达到规范要求的预期结果,以保证移动电话机在实际的CDMA网络上能够正常的工作。

      (3)射频性能测试分为发射机测试和接收机测试两部分。射频性能测试的目的是验证终端设备的发射机/接收机在正常使用条件下或极端条件下,其性能是否符合国家有关部门的相关规定。CDMA射频性能测试的信道号分别为283和384。主要测试内容参见表1、表2。

    表1 CDMA发射机主要的测试内容一览表

    [table]
















































    测试内容


    定义


    频率准确度


    频率准确度是指移动台在工作频率范围内输出频率与标称频率的偏差


    基准时间


    移动台基准时间取自最早到来的被用于解调的多径成分,该测试检查静态条件下移动台时基的准确度


    反向导频信道至码分信道的时间容限


    工作在无线配置3-6时,反向导频至码分信道时间容限是指发射的反向导频信道和其它码分信道间所允许的定时时间误差


    反向导频信道至码分信道的相位容限


    反向导频信道至码分信道的相位容限是指发射的反向导频信道和其它信道间的射频相位允许误差


    波形质量因数


    本测试测量波形质量因数p


    码域功率


    码域功率是一个CDMA信道的每个码分信道的功率


    开环功率控制的时间响应


    平均输入功率每变化一步,移动台的平均输出功率也将由于开环功率控制而发生变化,本测试测量开环功率控制相对于平均输入功率每一步变化的响应时间


    闭环功率控制的范围


    移动台对于其开环估计应提供闭环调节,调节是作为有效接收的功率控制比特的响应,调节的范围是由移动台最大输出功率和开环估值之差与移动台最小输出功率和开环估值之差确定


    最大射频输出功率


    对于移动台支持的每种反向业务信道无线配置,最大射频输出功率是指在移动台天线连接器处测量的移动台发射的最大功率


    最小受控输出功率


    移动台的最小受控输出功率为当闭环和开环功率控制表示为最小输出时,在移动台天线连接器处测量的输出功率


    待机输出功率


    待机输出功率是当其发射功能被去活时移动台输出功率(例如,“在移动台初始化状态”,“移动台空闲状态”期间以及移动台不发射接入探测时的“系统接入状态”期间)


    门控输出功率


    当以无线配置1和2中的可变数据速率传输方式工作时,或反向导频信道门控或反向基本信道门控被激活时,移动台仅当各门控开启期间才以正常受控功率电平发射,每个周期定义为一个功率控制组,在门控关闭期间抑制发射的功率电平,本测试测量一个门控开启功率控制组(1.25ms)时移动台平均输出功率的时间响应


    码分信道至反向导频信道输出功率准确度


    码分信道至反向导频信道输出功率准确度是指稳态操作时每个码分信道与反向导频信道之间移动台平均输出功率所允许的误差


    发射机传导性杂散发射


    传导性杂散发射是指在移动台天线连接器处测量的在指配CDMA信道带外频率上的辐射,本测试测量在连续发送期间的杂散发射

    [/table]

    表2 CDMA接收机主要的测试内容一览表

    [table]
























    测试内容


    定义


    频率要求


    在信道1013-1023,1-311,356-644,689-694,739-777上支持CDMA工作方式


    在加性高斯白噪声条件下前向业务信道解调


    AWGN条件下前向业务信道解调性能用帧差错率(FER)确定。对每种数据速率分别计算FER


    接收机灵敏度和动态范围


    移动台接收机的射频灵敏度是指当帧差错率(FER)不超过规定值时在移动台天线连接器口处测量的最小接收功率。移动台接收机的动态范围是指当FER不超过规定值时,在移动台天线连接器处测量的输入功率的范围


    单频抗扰度


    单频抗扰度是指当存在距指配信道中心频率为给定频率偏移单频干扰信号的条件下,接收机在其指定信道频率正确接收CDMA信号能力的量度。接收机的抗扰度通过帧差错率(FER)进行测量


    互调杂散响应衰减


    互调杂散响应衰减是指存在两个CW干扰信号的条件下,接收机在指配信道频率上正确接收CDMA信号能力的量度。接收机的这一特性通过帧差错率(FER)来测量


    接收机传导性杂散发射


    传导性杂散发射是指在接收机中产生或放大的,在移动台天线连接器口处测量的杂散发射

    [/table]

      无线综合测试仪模拟基站设备(TE:TestEquipment),与被测的移动电话机(MS)相连,进行通信并测量RF指标。

      (4)电磁兼容性测试按照YD 1032-2000要求的限值和测试方法进行测试。

      (5)环境适应性测试包括低温、高温、高湿度、振动稳定性、冲击稳定性和跌落。

      ●低温测试是指将MS不包装、不通电,放入试验箱中,使试验箱温度达到厂家声明的低温温度。当被测移动台达到厂家声明的低温温度并稳定一段时间后,测试发射机的频率准确度、波形质量因数、开环输出功率范围、闭环功率控制的范围、最大射频输出功率、最小受控输出功率、发射机传导性杂散发射及接收机灵敏度和动态范围。

      ●高温测试包括高温在线和高温恢复。高温在线是指将MS不包装、不通电,放人试验箱中,使试验箱温度达到厂家声明的高温温度。当被测移动台达到厂家声明的高温温度并稳定一段时间后,测试发射机的频率准确度、波形质量因数、开环输出功率范围、闭环功率控制的范围、最大射频输出功率、最小受控输出功率、发射机传导性杂散发射及接收机灵敏度和动态范围。当被测移动台经过高温在线测试后,在标准环境下凉置一段时间,达到室温后,再次执行与高温在线相同的测试内容。

      ●高湿度测试也包括高湿在线和高湿恢复。高湿在线是指将MS不包装、不通电,放入试验箱中,使试验箱温度保持为50℃,相对湿度为40%。当被测移动台在稳定的高湿环境下运行8h后,测试波形质量因数和接收机灵敏度和动态范围。当移动台经过高湿在线测试后,关闭移动台在标准环境下持续稳定6h,然后测试发射机的频率准确度、波形质量因数、开环输出功率范围、闭环功率控制的范围、最大射频输出功率、最小受控输出功率、发射机传导性杂散发射及接收机灵敏度和动态范围。

      ●振动稳定性是指移动台经受振动后保持所规定的机械和电气性能的能力。应在三个相互垂直的方向顺序地给移动台施加正弦振动,该正弦振动为1.5g的重力加速度,扫频范围为5~500Hz,频率变化速度为0.1倍频程/s,在单调升频扫频后,进行单调降频扫频。在经受上述振动试验后,测试移动台发射机的频率准确度、波形质量因数、开环输出功率范围、闭环功率控制的范围、最大射频输出功率、最小受控输出功率、发射机传导性杂散发射及接收机灵敏度和动态范围。

      ●冲击稳定性是指移动台经受冲击后保持所规定的机械和电气性能的能力。移动台应在三个相互垂直方向的正、反向各经受三次试验台冲击,总共18次冲击。在所有情况下,移动台应以其正常装配的硬件稳固在试验台上。每次冲击应为半个正弦波,时间为7~11ms,至少20g重力的峰值加速度。经上述冲击试验后进行外观和装配检查,并测试移动台发射机的频率准确度、波形质量因数、开环输出功率范围、闭环功率控制的范围、最大射频输出功率、最小受控输出功率、发射机传导性杂散发射及接收机灵敏度和动态范围。

      ●跌落是指在平滑、坚硬的刚性表面,将移动台举至1.0m后自由跌落。移动台通电但不包装,每个面向下跌落2次,6面共6计12次。在经受上诉跌落试验后进行外观检查和语音通信检查,并测试移动台发射机的频率准确度、波形质量因数、开环输出功率范围、闭环功率控制的范围、最大射频输出功率、最小受控输出功率、发射机传导性杂散发射及接收机灵敏度和动态范围。

      (6)寿命测试包括按键的寿命和翻盖(滑盖)的寿命。按键寿命是将MS不包装不开机固定在测试设备上,以不小于0.6牛顿的力按任意选定的一个数字键,按压的速率为40~60次/min,按压10万次。试验完成后该键外观应无开裂破损,按键功能应正常。翻盖(滑盖)寿命将MS不包装不开机固定在测试设备上,以40~60次/min的速率翻盖(滑盖)5万次。试验完成后翻盖(滑盖)的外观应无开裂破损,翻盖(滑盖)功能正常。

      (7)电池和充电器安全性测试:锂离子的电池性能测试按照GB/T 18287-2000的要求,测试项目包括外观、20℃放电性能、自由跌落、短路保护。充电器安全性按照YD/T965-1998的要求,测试项目包括额定电源容差、标记和说明、对地泄漏电流、抗电强度。
  • 蓝牙技术硬件实现模式分析

    2007-05-21 20:39:36

    摘要:介绍了蓝牙技术的体系结构及特点,并结合Transilica公司生产的Onechip蓝牙产品TR0700单芯片,分析了硬件实现模式。

    关键词:蓝牙技术 硬件实现 链路管理与控制 跳频

      蓝牙技术是一项新兴的技术。它的主要目的是在全世界建立一个短距离的无线通信标准。它使用2.4GHz~2.5GHz的ISM(Industrion Scientifc Medical)频段来传送话音和数据。运用成熟、实用、先进的无线技术来代替电缆,它提供了低成本、低功耗的无线接口,使所有固定和移动设备通过微微网PAN(Personal Area Network)连接起来,诸如:计算机系统、家庭影院系统、无绳电话系统、通信设备等,相互通信,实现资源共享。蓝牙技术支持多种电子设备之间的短距离无线通信,这种通信不需要任何线缆,亦不需要用户直接手工干涉;每当一个嵌入了蓝牙技术的设备发觉另一同样嵌入蓝牙技术的设备,它们就能自动同步,相互通信,实现资源共享。

    1 蓝牙的结构体系

      蓝牙协议栈的体系结构如图1所示。它是由底层硬件模块,中间层和高端应用层三大部分组成。

    1.1 蓝牙的底层模块

      底层模块是蓝牙技术的核心模块,所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括底层模块。它主要由链路管理层LMP(Link Manager Protocol)、基带层BB(Base Band)和射频RF(Rodio Fraquency)组成。其功能是:无线连接层(RF)通过2.4GHz无需申请的ISM频段,实现数据流的过滤和传输;它主要定义了工作在此频段的蓝牙接收机应满足的需求;其带层(BB)提供了两种不同的物理链路(同步面向连接路SCO Synchronous Connection Oriented和异步无连接链路ACL Asynchronous Connection Less),负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输,且对所有类型的数据包提供了不同层次的前向纠错码FEC(Frequency Error Correction)或循环沉余度差错校验CTC(Cyclic Redundancy Check);LMP层负责两个或多个设备链路的建立和拆除及链路的安全和控制,如鉴权和加密、控制和协商基带包的大小等,它为上层软件模块提供了不同的访问入口;蓝牙主机控制器接口HCI(Host Cntroller Interface)由基带控制器、连接管理器、控制和事件寄存器等组成。它是蓝牙协议中软硬件之间的接口,提供了一个调用下层BB、LM、状态和控制寄存器等硬件的统一命令,上、下两个模块接口之间的消息和数据的传递必须通过HCI的解释才能进行。HCI层以上的协议软件实体运行在主机上,而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成,二者之间通过传输层进行交互。

    1.2 中间协议层

      中间协议层由逻辑链路控制与适配协议L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)、服务发现协议SDP(Service Discovery Protocol)、串口仿真协议或称线缆替换协议(RFCOM)和二进制电话控制协议TCS(Telephony Control protocol Spectocol)组成。L2CAP是蓝牙协议栈的核心组成部分,也是其它协议实现的基础。它位于基带之上,向上层提供面向连接和无连接的数据服务。它主要完成数据的拆装、服务质量控制、协议的复用、分组的分割和重组(Segmentation And Reassembly)及组提取等功能。L2CAP允许高达64KB的数据分组。SDP是一个基于客户/服务器结构的协议。它工作在L2CAP层之上,为上层应用程序提供一种机制来发现可用的服务及其属性,而服务属性包括服务的类型及该服务所需的机制或协议信息。RFCOMM是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议,符合ETSI标准的TS 07.10串口仿真协议。它在蓝牙基带上仿真RS-232的控制和数据信号,为原先使用串行连接的上层业务提供传送能力。TCS是一个基于ITU-T Q.931建议的采用面向比特的协议,它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令(Call Control Signalling),并负责处理蓝廾设备组的移动管理过程。



    1.3 高端应用层

      高端应用层位于蓝牙协议栈的最上部分。一个完整的蓝牙协议栈按其功能又可划分为四层:核心协议层(BB、LMP、LCAP、SDP)、线缆替换协议层(RFCOMM)、电话控制协议层(TCS-BIN)、选用协议层(PPP、TCP、TP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE)。而高端应用层是由选用协议层组成。选用协议层中的PPP(Point-to-Point Protocol)是点到点协议,由封装、链路控制协议、网络控制协议组成,定义了串行点到点链路应当如何传输因特网协议数据,它要用于LAN接入、拨号网络及传真等应用规范;TCP/IP(传输控制协议/网络层协议)、UDP(User Datagram Protocol对象交换协议)是三种已有的协议,它定义了因特网与网络相关的通信及其他类型计算机设备和外围设备之间的通信。蓝牙采用或共享这些已有的协议去实现与连接因特网的设备通信,这样,既可提高效率,又可在一定程度上保证蓝牙技术和其它通信技术的互操作性;OBEX(Object Exchange Protocol)是对象交换协议,它支持设备间的数据交换,采用客户/服务器模式提供与HTTP(超文本传输协议)相同的基本功能。该协议作为一个开放性标准还定义了可用于交换的电子商务卡、个人日程表、消息和便条等格式;WAP(Wireless Application Protocol)是无线应用协议,它的目的是要在数字蜂窝电话和其它小型无线设备上实现因特网业务。它支持移动电话浏览网页、收取电子邮件和其它基于因特网的协议。WAE(Wireless Application Environment)是无线应用环境,它提供用于WAP电话和个人数字助理PDA所需的各种应用软件。



    2 蓝牙硬件的实现

      蓝牙的技术规范除了包括协议部分外还包括蓝牙的应用部分(即应用模型)。在实现蓝牙的时候,一般是将蓝牙分成两部分来考虑,其一是软件实现部分,它位于HCI的上面,包括蓝牙协议栈上层的L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及蓝牙的一些应用;其二是硬件实现部分,它位于HCI的下面,亦即上面提到的底层硬件模块,它已在图1中标示出。下面讨论蓝牙硬件模块的结构与性能。

      蓝牙硬件模块由蓝牙协议栈的无线收发器(RF)、其带控制器(BB)和链路管理层(LMP)组成。目前大多数生产厂家都是利用片上系统技术SOC(System-On-Chip)将这三层功能模块集嵌在同一块芯片上。图2为单芯片蓝牙硬件模块结构图。它由微处理器(CPU)、无线收发器(RF)、基带控制器(BB)、静态随机存储器(SRAM)、闪存(Flash程序存储器)、通用异步收发器(UAST)、通用串行接口(USB)、语音编/解码器(CODEC)及蓝牙测试模块组成。下面分别叙述各部分的组成及功能。

    (1)蓝牙基带控制器

      蓝牙基带控制器是蓝牙硬件模块的关键模块。它主要由链路控制序列发生器、可编程程序列发生器、内部语音处理器、共享RAM裁器及定时链管理、加密/解密处理等功能单元组成。其主要功能:在微处理器模块控制下,实现蓝牙基带部分的所实时处理功能,包括负责对接收bit流进行符号定时提取的恢复;分组头及净荷的循环沉余度校验(CRC);分组头及净荷的前向纠错码(FEC)处理和发送处理;加密和解密处理等。且能提供从基带控制器到其它芯片的接口(诸如数据路径RAM客户接口、微处理器接口、脉码调制接口(PCM)等。

    (2)无线收发器模块

      无线收发器是蓝牙设备的核心,任何蓝牙设备都要有无线收发器。它与用于广播的普通无线收发器的不同之处在于体积小、功率小(目前生产的蓝牙无线收发器的最大输出功率只有100mW、2.5mW、1mW三种)。它由锁相环、发送模块和接收模块等组成。发送部分包括一个倍频器,且直接使用压控振荡器调制(VCO);接收部分包括混频器、中频器放大器、鉴频器以及低噪音放大器等。无线收发器的主要功能是调制/解调、帧定时恢复和跳频功能同时完成发送和接收操作。发送操作包括载波的产生、载波调制、功率控制及自动增益控制AGC;接收操作包括频率调谐至正确的载波频率及信号强度控制等。

    (3)微处理器(CPU)

      CPU负责蓝牙比特流调制和解调所的所有比特级处理,且还负责控制收发器和专用的语言编码和解码器。

    (4)Flash存储器和SRAM

      Flash存储器用于存放基带和链路管理层中的所有软件部分。SRAM作为CPU的运行空间,在作时把Flash中的软件调用SRAM中。

    (5)语音编/解码器CODEC(Coder Decoder)

      语音编/解码器CODEC由ADC(数模转换器)、模数转换口(ADC)、数字接口、编码模块等组成。主要功能:提供语音编码和解码功能,提供CVSD(Continuous Variable Slope Delta Modulation)即连续可变斜率增量调制及对数PCM(Pulse Coded Modulation)即脉码调制两种编码方式。

    (6)蓝牙测试模块

      它是由DUT(Device Under Test)即被测试模块与测试设备及计量设备组成。一般测试 设备被测试设备构成一个微微网,测试设备是主节点,DUT是从节点。测试设备对整个测试过程进行控制,其主要功能提供无线层和基带层的认证和一致性规范,同时还管理产品的生产和售后测试。

    (7)UART(Universal Asynchronous Keceiver Transunitter)通用异步收发器和USB(Universal Serial Bus)通用串行接口。

      功能:提供到HCI(Host Confroller Interface)即主机控制器接口传输层的物理连接,是高层与物理模块进行通信的通道。

    3 TR0700单芯片介绍

      RT0700单芯片是Transilica公司的蓝牙产品,其结构如图3所示。它把无线收发器与基带都集成到一块CMOS芯片上,替代传统的串行语音和通用串行接口电缆,为语音和数据业务提供无线连接。

    3.1 结构及工作原理

      RT0700单芯片由收发器、基带、语音编/解码器(CODEC)、带有4个可配置的8bit接口的8051微处理器、两个串行口双高性能的通用异步收发器(UART)、4KB的静态随机存储器(SRAM)、64KB的Flash程序存储器等组成。

      收发器由低噪放大器(LNA)、电平控制器(PA)、混频器、鉴频器、控制寄存器、发送滤波器、振荡器等组成。其工作原理是:来自接收天线上的信号经低噪放大器(LNA)放大后,送至多级滤波器,多级滤波器具有预选择功能,它把LAN的输出信号限制在2.4GHz的ISM频段内,去除负频率成分,输出适合进行下变频处理的信号。I、Q混频器把蓝牙频段的信号移频至低中频(IF)传输的调制信号。复合滤波器负责从下变频信号中滤除无用信号和噪声。鉴频器使用过采样技术从IF信号中取出蓝牙低调制指数信号;发送器由发送滤波器、频率合成器、功率放大器、振荡器、天线等组成。其工作原理是:发送滤波器是一个高斯数字滤波器,它对发送环Tx输入的数据进行数字过滤;振荡器的功能是驱动一个外部的晶体振荡器或者接受一个外部的时钟信号,向频率合成器提供一个低噪声的参考频率。功率放大器的主要功能是对频率合成器的输出功率放大到1mW左右,且对频率合成器起缓冲作用,减少负载变化对合成器的影响;发送天线:当使用差分输入的LNA时,它可以是一个低噪声的平衡双极天线;8051微处理器是一个8位的微处理器,它的主要功能是管理和实现蓝牙协议栈。它具有一增强的指令集、二级数据指针、扩展的SRAM和双UART。在TR0700中对一些重复性的操作诸如分组的组装和拆解、加密、地址编码/解码、纠错和同步等都由硬件来实现,这样能降低处理器的开销,有效地提高响应性能。TR0700除了8051微处理器本身所带有的一些特殊功能寄存器(SFR)外,还定义了一些新的特殊功能寄存器(SFR),它还引入了一些特殊的中断,如一个带有特殊保护的外部中断INT3等。RT0700的基带操作有三种模式可供选择:数据/地址、端口、测试。



    3.2 基本功能及应用

      TR0700单芯片的基本功能是:具有10m的传输距离及1Mbps的数据速率;支持79跳系统及支持点到点、点到多点连接,既可以是主节点又可以是从节点;支持GAP、TCS、手机、intercom剖面和串行口等;支持Hold、Sniff和Park功率节省模式;对LC、LM、L2CAP、SDP、RECOMM等蓝牙协议栈能完全实现;对于SCO链路支持HV1、HV2、HV3数据分组;对于ACL分组支持DM1、DM3、DM5、HD1、HD3、HD5和AUX1数据分组;具有用于测试和Flash内存升级的JTAG接口。TR0700单芯片的主要应用有:用于电信方面的峰房和无绳电话、调制解调器、手持设备、互联设备、小型监视器;用于计算机方面有键盘、鼠标、控制杆、扫描仪、监视器、打印机、桌面、笔记本计算机等。用于消费类的PDA、耳机、监视系统、游戏控制器和数字相机等。

      蓝牙技术作为一个开放的无线应用标准,能通过无线连接方式将一定范围内的固定或移动设备连接起来,使人们能够更方面更快速地进行语音和数据的交换,这无疑将会成为未来无线通信领域的一个重要的研究方向。本文所描述的蓝牙技术硬件实现模式分析,只是蓝牙核心技术中的一小部分,随着蓝牙技术的不断完善与产品的成功开发,可以肯定,蓝牙技术将会逐渐进入我们的工作和生活,成为不可缺少的一部分。

  • 关于交换机的工作原理以及种类的区分

    2007-05-21 20:39:36

     许多新型的Client/Server应用程序以及多媒体技术的出现,导致了传统的共享式网络远远不能满足要求,这也就推动了局域网交换机的出现。

    1、交换机的定义

      局域网交换机拥有许多端口,每个端口有自己的专用带宽,并且可以连接不同的网段。交换机各个端口之间的通信是同时的、并行的,这就大大提高了信息吞吐量。为了进一步提高性能,每个端口还可以只连接一个设备。

      为了实现交换机之间的互连或与高档服务器的连接,局域网交换机一般拥有一个或几个高速端口,如100MB以太网端口、FDDI端口或155MB ATM端口,从而保证整个网络的传输性能。

    2、交换机的特性

      通过集线器共享局域网的用户不仅是共享带宽,而且是竞争带宽。可能由于个别用户需要更多的带宽而导致其他用户的可用带宽相对减少,甚至被迫等待,因而也就耽误了通信和信息处理。利用交换机的网络微分段技术,可以将一个大型的共享式局域网的用户分成许多独立的网段,减少竞争带宽的用户数量,增加每个用户的可用带宽,从而缓解共享网络的拥挤状况。由于交换机可以将信息迅速而直接地送到目的地能大大提高速度和带宽,能 保护用户以前在介质方面的投资,并提供良好的可扩展性,因此交换机不但是网桥的理想替代物,而且是集线器的理想替代物。

      与网桥和集线器相比,交换机从下面几方面改进了性能:

      (1)通过支持并行通信,提高了交换机的信息吞吐量。

      (2)将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组,每个端口连接一台设备 或连接一个工作组,有效地解决拥挤现像。这种方法人们称之为网络微分 段(Micro一segmentation)技术。

      (3)虚拟网(VirtuaI LAN)技术的出现,给交换机的使用和管理带来了更大 的灵活性。我们将在后面专门介绍虚拟网。

      (4)端口密度可以与集线器相媲美,一般的网络系统都是有一个或几个服务器,而绝大部分都是普通的客户机。客户机都需要访问服务器,这样就导致服务器的通信和事务处理能力成为整个网络性能好坏的关键。

      交换机就主要从提高连接服务器的端口的速率以及相应的帧缓冲区的大小,来提高整个网络的性能,从而满足用户的要求。一些高档的交换机还采用全双工技术进一步提高端口的带宽。以前的网络设备基本上都是采用半双工的工作方式,即当一台主机发送数据包的时候, 它就不能接收数据包,当接收数据包的时候,就不能发送数据包。由于采用全双工技术,即主机在发送数据包的同时,还可以接收数据包,普通的10M端口就可以变成20M端口,普通的100M端口就可以变成200M 端口,这样就进一步提高了信息吞吐量。

    3、交换机的工作原理

      传统的交换机本质上是具有流量控制能力的多端口网桥,即传统的(二层) 交换机。把路由技术引入交换机,可以完成网络层路由选择,故称为三层交换,这是交换机的新进展。交换机(二层交换)的工作原理交换机和网桥一样,是工作在链路层的联网设备,它的各个端口都具有桥接功能,每个端口可以连接一个LAN或一台高性能网站或服务器,能够通过自学习来了解每个端口的设备连接情况。所有端口由专用处理器进行控制,并经过控制管理总线转发信息。

      同时可以用专门的网管软件进行集中管理。 除此之外,交换机为了提高数据交换的速度和效率,一般支持多种方式。

    (1)存储转发:

      所有常规网桥都使用这种方法。它们在将数据帧发柱其他端口之前,要把收到的帧完全存储在内部的存储器中,对其检验后再发往其他端口,这样其延时等于接收一个完整的数据帧的时间及处理时间的总和。如果级联很长时,会导致严重的性能问题,但这种方法可以过滤掉错误的数据帧。

    (2)切入法:

      这种方法只检验数据帧的目标地址,这使得数据帧几乎马上就 可以传出去,从而大大降低延时。

      其缺点是:错误帧也会被传出去。错误帧的概率较小的情况下,可以采用切入法以提高传输速度。而错误帧的概率较大的情况下,可以采用存储转发法/以减少错误帧的重传。

    4、交换机的配置

      我们下面以Cisco公司的Catlystl900交换机为例,介绍交换机的一般配置过程。

      对一台新的Catlystl900交换机,使用它的缺省配置就可以工作了。这因为它是一种将软件装在FlashMemory中的硬件设备,当加电时,它首先要进行一系列自检,对所有端口进行测试之后,交换机就处于工作状态。这时它的交换表是空的,它可以通过自学习来了解各个端口的设备连接情况,并将设备的 MAC地址记录在交换表中,当有信息交换时,交换机就根据交换表来进行数据转发。

      但为了便于对它进行网络管理,Catlystl900交换机自己有一个MAC地址,这样就可以为它分配一个IP地址和屏蔽码。网络管理员须通过交换机的串口接一台终端或仿真终端,才能为它指定一个IP地址,其缺省值是0.0.0.0。指定IP地址以后,网络管理员就可以通过网络进行远程管理了。Catlystl900交换机的配置界面是菜单形式,缺省配置下,它的所有端口都属于同一个VLAN,很多情况下都不需要作什么修改。

    (1)将微机串口通过RS一232电缆与Cata1yst1900的Console口连接,运行仿真终端软件,Catalyst 1900 启动后。

    (2)回车后,进入主菜单。

    (3)按“S”键,进入系统配置菜单:(配置系统名,位置,日期)。

    (4)在主菜单中按“N”键进入网络管理菜单。

    (5)配置IP地置。

    (6)配置SNMP参数。

    5、交换机的种类

      交换机是数据链路层设备,它可将多个物理LAN网段连接到一个大型网络上,与网络类似交换机传输和溢出也是基于MAC地址的传输。由于交换机是用硬件实现的,因此,传输速度很快。传输数据包时,交换机要么使用存储---转发交换方式,要么使用断---通交换方式。目前有许多类型的交换机,其中包括ATM交换机,LAN交换机和不同类型的WAN交换机。

    ATM交换机

      ATM(Asynchronous Transfer Mode)交换机为工作组,企业网络中枢以及其它众多领域提供了高速交换信息和可伸缩带宽的能力。ATM交换机支持语音,视频和文本数据应用,并可用来交换固定长度的信息单位(有时也称元素)。企业网络是通过ATM中枢链路连接多个LAN组成的。

    局域网交换机

      LAN交换机用于多LAN网段的相互连接,它在网络设备之间进行专用的无冲突的通信,同时支持多个设备间的对话。LAN交换机主要是用于高速交换数据帧。通过LAN交换机将一个0Mbps以太网与一个100Mbps 以太网互联。
  • IPTV基本知识介绍

    2007-05-21 20:39:36

    网络电视简介

      IPTV即交互式网络电视,是一种利用宽带有线电视网,集互联网多媒体、通讯等多种技术于一体,向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。用户在家中可以有两种方式享受IPTV服务:(1)计算机,(2)网络机顶盒+普通电视机。

      网络电视关键技术

      IPTV关键技术是利用计算机或“机顶盒+电视”完成接收视频点播节目、视频广播及网上冲浪等功能。它采用高效的视频压缩技术,使视频流传输带宽在800Kb/s时可以有接近DVD的收视效果(通常DVD的视频流传输带宽需要3Mb/s),对今后开展视频类业务如因特网上视频直播、远距离真视频点播、节目源制作等来讲,有很强的优势,是一个全新的技术概念。

      网络电视独到之处

      IPTV既不同于传统的模拟式有线电视,也不同于正在兴起的数字电视。因为,模拟电视和数字电视都具有频分制、定时、单向广播等特点;尽管数字电视相对于模拟电视有许多技术革新,但只是信号形式的改变,而没有触及媒体内容的传播方式。IPTV也不同于数据广播,数据广播通过设置一定的菜单供用户挑选,可以实现用户与中心简单的互动,但还不能实现真正意义上的多种交互式服务。
  • 浅析交换机工作原理

    2007-05-21 20:39:36

    一、概述

      交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品,体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层*作。与桥接器一样,交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小,*作接近单个局域网性能,远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。

      交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整,以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDIATM技术的交换产品。

      利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息,提供了比传统桥接器高得多的*作性能。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行,其端口造价低于传统型桥接器。

      二、三种交换技术

      1.端口交换

      端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中,这类集线器的背板通常划分有多条以太网段(每条网段为一个广播域),不用网桥或路由连接,网络之间是互不相通的。以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上,端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度,端口交换还可细分为:

      模块交换:将整个模块进行网段迁移。

      端口组交换:通常模块上的端口被划分为若干组,每组端口允许进行网段迁移。

      端口级交换:支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的,具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当,那么还可以在一定程度进行客错,但没有改变共享传输介质的特点,自而未能称之为真正的交换。

      2.帧交换

      帧交换是目前应用最广的局域网交换技术,它通过对传统传输媒介进行微分段,提供并行传送的机制,以减小冲突域,获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异,但对网络帧的处理方式一般有以下几种:

      直通交换:提供线速处理能力,交换机只读出网络帧的前14个字节,便将网络帧传送到相应的端口上。

      存储转发:通过对网络帧的读取进行验错和控制。

      前一种方法的交换速度非常快,但缺乏对网络帧进行更高级的控制,缺乏智能性和安全性,同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此,各厂商把后一种技术作为重点。

      有的厂商甚至对网络帧进行分解,将帧分解成固定大小的信元,该信元处理极易用硬件实现,处理速度快,同时能够完成高级控制功能(如美国MADGE公司的LET集线器)如优先级控制。

      3.信元交换

      ATM技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向,也是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”,ATM采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定,因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接,并行运行,可以通过一个交换机同时建立多个节点,但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接,以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用,因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。

      三、局域网交换机的种类和选择

      局域网交换机根据使用的网络技术可以分为:

      以大网交换机;

      令牌环交换机;

      FDDI交换机;

      ATM交换机;

      快速以太网交换机等。

      如果按交换机应用领域来划分,可分为:

      台式交换机;

      工作组交换机;

      主干交换机;

      企业交换机;

      分段交换机;

      端口交换机;

      网络交换机等。

      局域网交换机是组成网络系统的核心设备。对用户而言,局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等因素。因此,在选择交换机时要注意以下事项:

      (1)交换端口的数量;

      (2)交换端口的类型;

      (3)系统的扩充能力;

      (4)主干线连接手段;

      (5)交换机总交换能力;

      (6)是否需要路由选择能力;

      (7)是否需要热切换能力;

      (8)是否需要容错能力;

      (9)能否与现有设备兼容,顺利衔接;

      (10)网络管理能力。

      四、交换机应用中几个值得注意的问题

      1.交换机网络中的瓶颈问题

      交换机本身的处理速度可以达到很高,用户往往迷信厂商宣传的Gbps级的高速背板。其实这是一种误解,连接入网的工作站或服务器使用的网络是以大网,它遵循CSMA/CD介质访问规则。在当前的客户/服务器模式的网络中多台工作站会同时访问服务器,因此非常容易形成服务器瓶颈。有的厂商已经考虑到这一点,在交换机中设计了一个或多个高速端口(如3COM的Linkswitch1000可以配置一个或两个100Mbps端口),方便用户连接服务器或高速主干网。用户也可以通过设计多台服务器(进行业务划分)或追加多个网卡来消除瓶颈。交换机还可支持生成树算法,方便用户架构容错的冗余连接。

      2.网络中的广播帧

      目前广泛使用的网络*作系统有Netware、Windows NT等,而Lan Server的服务器是通过发送网络广播帧来向客户机提供服务的。这类局域网中广播包的存在会大大降低交换机的效率,这时可以利用交换机的虚拟网功能(并非每种交换机都支持虚拟网)将广播包限制在一定范围内。

      每台文交换机的端口都支持一定数目的MAC地址,这样交换机能够“记忆”住该端口一组连接站点的情况,厂商提供的定位不同的交换机端口支持MAC数也不一样,用户使用时一定要注意交换机端口的连接端点数。如果超过厂商给定的MAC数,交换机接收到一个网络帧时,只有其目的站的MAC地址不存在于该交换机端口的MAC地址表中,那么该帧会以广播方式发向交换机的每个端口。

      3.虚拟网的划分

      虚拟网是交换机的重要功能,通常虚拟网的实现形式有三种:

      (1)静态端口分配

      静态虚拟网的划

    分通常是网管人员使用网管软件或直接设置交换机的端口,使其直接从属某个虚拟网。这些端口一直保持这些从属性,除非网管人员重新设置。这种方法虽然比较麻烦,但比较安全,容易配置和维护。

      (2)动态虚拟网

      支持动态虚拟网的端口,可以借助智能管理软件自动确定它们的从属。端口是通过借助网络包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟网的从属。当一网络节点刚连接入网时,交换机端口还未分配,于是交换机通过读取网络节点的MAC地址动态地将该端口划入某个虚拟网。这样一旦网管人员配置好后,用户的计算机可以灵活地改变交换机端口,而不会改变该用户的虚拟网的从属性,而且如果网络中出现未定义的MAC地址,则可以向网管人员报警。

      (3)多虚拟网端口配置

      该配置支持一用户或一端口可以同时访问多个虚拟网。这样可以将一台网络服务器配置成多个业务部门(每种业务设置成一个虚拟网)都可同时访问,也可以同时访问多个虚拟网的资源,还可让多个虚拟网间的连接只需一个路由端口即可完成。但这样会带来安全上的隐患。虚拟网的业界规范正在制定当中,因而各个公司的产品还谈不上互*作性。Cisco公司开发了Inter-Switch Link(ISL)虚拟网络协议,该协议支持跨骨干网(ATM、FDDI、Fast Ethernet)的虚拟网。但该协议被指责为缺乏安全性上的考虑。传统的计算机网络中使用了大量的共享式Hub,通过灵活接入计算机端口也可以获得好的效果。

      4.高速局域网技术的应用

      快速以太网技术虽然在某些方面与传统以大网保持了很好的兼容性,但100BASE-TX、100BASAE-T4及100BASE-FX对传输距离和级连都有了比较大的限制。通过100Mbps的交换机可以打破这些局限。同时也只有交换机端口才可以支持双工高速传输。

      目前也出现了CDDI/FDDI的交换技术,另外该CDDI/FDDI的端口价格也呈下降趋势,同时在传输距离和安全性方面也有比较大的优势,因此它是大型网络骨干的一种比较好的选择。

      3COM的主要交换产品有Linkswitch系列和LANplex系列;BAY的主要交换产品有LattisSwitch2800,BAY stack workgroup、System3O00/5000(提供某些可选交换模块);Cisco的主要交换产品有Catalyst 1000/2000/3000/5000系列。

      三家公司的产品形态看来都有相似之处,产品的价格也比较接近,除了设计中要考虑网络环境的具体需要(强调端口的搭配合理)外,还需从整体上考虑,例如网管、网络应用等。随着ATM技术的发展和成熟以及市场竞争的加剧,帧交换机的价格将会进一步下跌,它将成为工作组网的重要解决方案。
  • GSM移动通信中切换及常见问题解决方案

    2007-05-21 20:39:36

    1、切换的定义及划分

      所谓切换,就是指当移动台在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区,或者由于外界干扰而造成通话质量下降时,必须改变原有的语音信道而转接到一条新的空闲语音信道上去,以继续保持通话的过程。切换根据手机和基站测出的上下行电平质量和TA值作为最基本的测量数据,根据切换判断算法和资源分配算法来决定是否应该切换和切向哪个小区。切换是移动通信系统中一项非常重要的技术,切换失败会导致通话失败,影响网络的运行质量。因此,切换成功率(包括切入和切出)是网络考核的一项重要指标,如何提高切换成功率、降低切换失败率是网络优化的重点工作之一。

      GSM移动通信系统中总体切换算法流程如图1所示。


    图1 GSM移动通信系统中总体切换算法流程


      根据不同的切换判决触发条件,切换可以分为紧急切换、负荷切换等5类。

      (1)紧急切换。包括TA过大紧急切换、质量差(BQ)紧急切换、快速电平下降紧急切换、干扰切换。

      ●TA过大切换条件:服务小区的TA大于等于紧急切换TA限制。

      ●BQ切换条件:服务小区的上行链路质量在滤波器长度时间内平均值大于等于紧急切换上行链路质量限制;服务小区的下行链路质量在滤波器长度时间内平均值大于等于紧急切换下行链路质量限制。

      ●快速电平下降切换在呼叫中电平突然下降时触发,触发条件:服务小区如果Value>B(Value:一个与滤波器参数A1~A8相关的值,该值表示在一段时间内接收电平的变化趋势;B:滤波器参数)切换最后的MR6已经低于边缘切换门限,则发生切换,如图2所示。


    图2 快速电平下降切换示意


      ●干扰切换:也属于紧急切换,当接收电平大于一定值但传输质量又低于干扰切换质量门限时触发。

      (2)负荷切换。负荷切换触发要同时满足三个条件:系统信令流量小于允许负荷切换系统流量级别门限;需要切换的小区负荷高于负荷切换启动门限;接收切换的小区的负荷低于负荷切换接收门限。

      (3)正常切换。包括边缘切换、分层分级切换和PBGT切换。

      ●边缘切换条件:服务小区已低于边缘切换门限;在边缘切换统计时间(如5 s)内,服务小区电平持续低于边缘切换门限(如4 s)。

      ●分层分级切换:在不同层或同层不同优先级之间才有层间切换,同层同级之间没有层间切换。触发条件是邻小区电平值高于层间切换门限和磁滞之和,对服务小区电平值没有要求;邻区排在服务小区之前,且优先级比服务小区更高,邻区电平值大于等于层间切换门限和层间切换磁滞之和;满足P/N判决,如5 s内有4 s始终处于最好;边缘切换和层间切换只能选一个,它先判断是否触发边缘切换,再判断是否触发层间切换。

      ●PBGT切换算法是基于路径损耗的切换。PBGT切换算法实时地寻找是否存在一个路径损耗更小并且满足一定系统要求的小区,并判断是否需要进行切换。不同层没有PBGT切换。PBGT切换至少带来了如下好处:解决了越区覆盖问题;减少了双频切换的次数;使话务引导和控制有更灵活的手段;始终能为用户提供当前最好的服务质量。PBGT和其他切换算法的最大区别在于它能以路径损耗而不是接收功率作为切换的触发条件。为了避免乒乓切换,PBGT只在同层同级的小区之间进行切换,邻近小区的路径损耗小于服务小区路径损耗一定的门限值。PBGT切换的触发准则:邻区排在服务小区之前,在一定的统计时间内满足P/N准则。

      (4)速度敏感性切换(快速移动切换)。在一定时间门限里达到快速移动小区实际个数时,认为是快速移动,就会切换到宏小区上去(第4层),并且对原有小区在惩罚时间里给予电平惩罚。

      (5)同心圆切换。可以实现外圆的广覆盖和内圆的频率紧密复用,能够提高系统容量和通话质量。可以根据手机下行接收电平、质量和TA值来区分内圆和外圆。

      同心圆切换的相关参数如下:

      ●内外圆信号强度差异(dB):内圆进行功率补偿的值。

      ●接收电平门限(dB m):与接收电平磁滞、TA门限、TA磁滞共同决定内外圆区域,必须大于边缘切换门限值。

      ●接收电平磁滞(dB):与接收电平门限、TA门限、TA磁滞共同决定内外圆区域。

      ●TA门限:与接收电平门限、接收电平磁滞、TA磁滞共同决定内外圆区域,必须大于TA紧急切换门限值。

      ●TA磁滞:与接收电平门限、接收电平磁滞、TA门限共同决定内外圆区域。

      ●同心圆切换统计时间(s):同心圆切换也需要满足P/N判决,建议取5 s。

      ●同心圆切换持续时间(s):P/N判决持续时间,建议取4 s。

    2、切换失败引起掉话的分析及解决方案

      切换失败引起掉话的原因虽然比较复杂,但只要能对整个切换过程有一个完整的、正确的认识,问题就不难解决了。一般,我们可以通过以下三个步骤进行分析:

      (1)从MSC、BSC告警中获得网络不正常的信息。在因相邻小区数据配置有误或邻区的BCCH、BCC(基站收发台色码)、LAC(位置区码)等设置不对而造成切换失败掉话时,都会在MSC及BSC中产生相应的告警。因此,可以应该经常查看MSC、BSC中的告警记录,找出问题存在的原因。

      (2)对OMC的统计信息进行分析来发现不正常的原因。基站切换失败偏高,有时在MSC及BSC中并无告警信息,这时可以通过对OMC中的数据进行分析来发现问题。通过对OMC中的数据进行分析,可以发现某些基站存在的隐性问题(如TRX、RTX等的隐性障碍,天线等硬件问题),从而找出问题之所在,达到网络优化的目的。

      (3)借助无线场强测试仪的测试来判断切换失败的原因。在一般情况下,应该对目标小区周边进行较大范围的测试,通过实地路测,可获得基站的覆盖情况及切换情况,从而得到某些OMC所不能提供的信息。在实测时,特别要把那些与目标小区有切换拓扑关系而拥塞率又较高的小区作为测试的重点,然后通过对测试结果的分析,判断切换失败的原因,从而找出解决问题的办法。

      当失败率高涉及到切换问题时,应抓住切换及切换失败的原因作为突破点,进而找出解决问题的办法。一般而言,由于切换是在小区及基站之间发生的,因此本小区的失败有可能是因为与相邻小区之间的切换设置不合理造成的。如果是这种原因,则应及时修改切换参数,同时需要检查小区周围是否有盲区存在;如果是由于网络存在漏覆盖区或盲区而导致的切换失败,则可以通过增加新基站或扩大原有基站的覆盖范围予以解决;对于因频率设置不合理而导致的切换失败,可根据实测情况适当修改小区的频率参数;对于那些由于话务量不均衡,使忙时因目标基站无空闲信道而产生的切换失败,可以根据实际话务量的情况,通过修改或增加基站配置或者扩大原有基站的覆盖范围等办法予以解决。

    3、结束语

      总之,GSM系统切换包含很多复杂的技术,本文从无线网络工程优化角度讨论了其中一些主要切换方式和一般切换失败问题的解决方案。正确理解这些知识将会有利于指导系统的优化设计,确立一个良好的无线网络结构,避免后期重复的优化调整,从而节约投资,降低网络运维成本,可在保证高质量的服务前提下,使网络的容量和性能得到最充分的发挥。

  • WiMAX技术的组网模式及应用模式详解

    2007-05-21 20:39:36

    WiMAX 的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access),将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后,由于成本较低,将扩大宽带无线市场,改善企业与服务供应商的认知度。WiMAX即为IEEE802.16标准,或广带无线接入(Broadband Wireless Access,BWA标准)。它是一项无线城域网(WMAN)技术,是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用于将802.11a无线接入热点连接到互联网,也可连结公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和DSL的无线扩展技术,从而实现无线宽带接入

    WiMAX概述

    基于802.16标准的WiMAX技术由于最初是由英特尔、奥维通等一部分厂商倡导成立的,一直以来饱受争议。但随着摩托罗拉朗讯思科北电网络和富士通等国际巨头公司,以及华为中兴等国内网络通信巨头企业的加入,WiMAX 的发展前景呈现一片光明。该技术以IEEE 802.16的系列宽频无线标准为基础。一如当年对提升802.11使用率有功的Wi-Fi 联盟,WiMAX也成立了论坛,将提高大众对宽频潜力的认识,并力促供应商解决设备兼容问题,借此加速WiMAX技术的使用率,让WiMAX技术成为业界使用IEEE 802.16系列宽频无线设备的标准。

    随着移动通信技术和宽带技术的发展,WiMAX已经成为全球电信运营商和设备制造商的关注热点问题之一。技术的发展使得越来越多的多媒体应用进入到人们的生活,运营商提供的服务也随之变化。但是从现网的实践来看,大量的多媒体应用给现有移动网络资源造成巨大消耗,远远超过了相关收入的增加。所以解决如何在保证服务质量的前提下,有效的降低每比特成本以更好的满足用户需求对运营商意义大。WiMAX正是这样一种极具潜力的应用。

    未来的网络必将具备以下的特点:IP化、宽带化、成本更经济、网络更便于管理,并且多种技术通过统一的核心网相互融合,可以实现业务间的无缝切换。WiMAX就是在电信网络融合的大趋势下发展起来的城域网无线接入技术。WiMAX的核心网采用移动IP的构架,具备与全IP网络无缝融合的能力。WiMAX核心网可以满足不同业务和应用的QoS需求,有效利用端到端的网络资源;核心网具有可扩展性、伸缩性、灵活性和鲁棒性,能够满足电信级组网要求;具备先进的移动性,包括寻呼、位置管理、不同技术之间的切换以及不同运营商网络之间的切换,同时具备安全性保障和全移动模式下的QoS保证。

    WiMAX是采用无线方式代替有线实现“最后一公里”接入的宽带接入技术。WiMAX的优势主要体现在这一技术集成了WiFi无线接入技术的移动性与灵活性以及xDSL等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性,其技术优势可以概括如下:传输距离远且接入速度快;系统容量大;提供广泛的多媒体通信服务;此外,在安全保证、互操作性和应用范围等方面,WiMAX也具有当大的优势。允许它们绕过铜缆或电缆设施,采用更灵活、更便宜的无线连接,扩展其接入网络。WiMAX 是一种基于IEEE 802.16标准、NLOS(非视距)、点对多点的技术,专门为宽带无线接入和回程而开发,数据吞吐率可高达70Mbps,传输距离可达50公里。

    WiMAX组网模式

    通过对WiMAX技术特点的分析,可以看到WiMAX的应用场景非常的广泛,概括来说WiMAX技术的主要应用是基于IP数据的综合业务宽带无线接入,具体工作模式有点对多点宽带无线接入、点对点宽带无线接入、蜂窝状组网方式等,对于不同的应用场合,能够灵活、快速地进行部署。

    WiMAX技术其在应用模式上具有多样性

    1、按需宽带:802.16a无线技术使服务提供商在几天之内便可完成网络部署,并以可与有线解决方案相媲美的速率来供应服务,从而节省大量成本。它还可支持针对临时活动(例如展会)的即时可配置“按需”高速连接。

    2、蜂窝回程: 802.16技术稳定的带宽使其成为点到点配置中蜂窝基站回程流量传输的理想选择。

    3、社区宽带:填补Cable和DSL覆盖空白。实际存在的限制使Cable和DSL技术不能到达许多潜在的宽带用户,这一状况将随基于802.16a的标准化系统的问世得以改变。

    4、欠发达地区:基于IEEE 802.16标准的无线互联网技术还是欠发达农村地区与人口密度较低的边远地区的自然选择。

    5、最佳连接无线服务:IEEE 802.16e基于802.16a的扩展,引进了游牧(nomadic)能力,使用户在离家漫游时仍能保持全时连接。


  • 两种测试VoIP呼叫质量的方法

    2007-05-21 20:39:36

    IP语音呼叫质量无法用常规方式监控。传统的网络监控器的关注点是孤立的传输流统计数据,而非固有的质量、语音清晰度或最终用户的感觉。这类传统的工具提供有关链路吞吐量和利用率、抖动、延时、错误、包丢失总数或丢包率的孤立的数据。然而,这些统计数据没有揭示呼叫质量,因为它们忽视了猝发丢失,不理会抖动缓冲区造成的包丢弃,没有考虑网络故障对用户感觉造成的影响。

    包丢失通常是丢失语音信号的重要原因,主要由网络拥塞造成。用于对数字采样的音频信号编码/解码的编解码器试图通过重播最后的数据包、插入以前的数据包或者添加噪音来掩盖包丢失。当数据包个别地或随机地丢失时,这些包丢失隐藏技术可以满足需要。但是,它们在对付造成更多的信号丢失的猝发丢失时就显得无能为力。

    此外,在呼叫过程中,包丢失可能以不同的速率出现,因此,呼叫质量将出现变化。呼叫质量的另一个重要方面是感觉和短期的听觉记忆,即心理学上所谓的“近因”。

    AT&T研究人员发现,将猝发噪音从呼叫的开始向呼叫的结束移动时,会大大影响感觉到的质量。可以通过测量呼叫结束与最后一次显著猝发包丢失之间的时延或近因,并计算收听者忘记多少猝发包丢失,来建立这种效应的模型。

    新型智能呼叫质量监控器采用了评估语音质量的国际电信联盟的E-Model,它可以准确地建立包丢失分布和最终用户感觉模型,将包丢失分布与编解码器和延时建立关系,以便给出一个单一的得分。这种信息对于监控VoIP服务水平协议的网络管理员十分重要。

    这种监测方法不需要多少计算量,足以实现对呼叫的实时监测,并且它是基于标准的。该标准是2000年公布的一项有关服务质量评测的欧洲电信标准协会新标准的一部分。

    监控呼叫数据包流损失的理想位置是VoIP终端系统(如VoIP网关IP电话)内部。在这个位置上,这项技术可以被逻辑地设置在抖动缓冲区与编解码器之间。大多数VoIP终端系统采用自适应抖动缓冲区,抖动缓冲区可以有效地去除抖动但增加了延时。

    另一种测量呼叫质量的传统方式,如感觉语音质量测试,没有特别地考虑包丢失猝发或人的记忆力。它们需要大量的计算资源,需要生成信号并将原始信号与收到的信号进行比较。这些应用的复杂性和计算密集性使它们不适于实时或嵌入到VoIP终端系统中。此外,作为在网络上生成额外传输流的主动测试器,它们也不适于作为监控器,它们更像是采样设备。

  • WLAN+WiMAX=全方位宽带无线

    2007-05-21 20:39:36


    WLAN:无线局域网的宠儿

      WLAN即无线局域网,结合了无线通信技术和计算机网络的优势,以无线信道为传输介质,实现在短距离内的无线网络通信。无线局域网的基础还是传统的有线局域网,它只是在有线局域网的基础上通过无线访问点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。

      WLAN具有易安装、易扩展、易维护、可移动性、速率高、使用开放频段等诸多特点,无论企业、个人,还是运营商都已经认同了WLAN在无线数据传输方面的优势。WLAN可与目前广泛应用的以太网无缝地结合,使用户可以访问互联网、进行在线交易、远程办公等各种应用。随着应用领域的不断扩展,各种业务应用对WLAN提出了更高的要求,比如速率、安全、QoS漫游等方面。此外,除了数据传输以外,WLAN还有望在无线语音方面有所突破。下面简单介绍一下目前WLAN的发展热点领域。

      1.速率

      带宽是一切业务的基础。目前广泛使用的WLAN设备是基于802.11b标准的,最高无线速率可达到11Mbps。实际上,由于WLAN标准的无线帧头开销、接入控制等,用户真正获得的速率只能达到最高速率的一半左右。 802.11a 和 802.11g 设备的无线接口速度在54Mbps,实际吞吐量最大也只有30Mbps左右。目前IEEE 802.11n工作组正在制定更高速率的WLAN标准,可将速率增强至108/320Mbps;并进一步改进其管理开销及效率,以增强WLAN的性能。

      2.安全

      WLAN通过无线信号传输来实现数据通信,与有线网络的最大区别就是任何无线网卡、接入点都可以收到无线信号,因此对WLAN网络的安全性一直是WLAN讨论的热点。除了广泛应用的SSID、ACL和WEP外,为了提高WLAN网络的安全,最近IEEE通过的802.11i标准将对WLAN网络的安全性产生深远的影响。

      IEEE 802.11i标准结合802.1x中的用户端口身份验证和设备验证,对WLAN的MAC层进行修改和规范,定义了严格的加密格式和鉴权机制,以改善WLAN的安全性。IEEE 802.11i标准主要包括两项内容:Wi-Fi保护访问WPA(Wi-Fi Protected Access)技术和强健安全网络RSN技术。WPA技术采用临时密钥完整性协议TKIP(Temporary Key Integrity Protocol)及运算法则,以提高WEP的安全性。TKIP像WEP一样也是基于RC4加密,但创建密钥的方法有所不同,它能提供快速更新密钥的功能,解决了WEP脆弱性的缺憾。RSN以802.1x协议和可扩展身份验证协议EAP为依据,采用高级加密标准AES,在接入点和移动设备之间使用动态身份验证和加密运算法则,以实施更强大的加密和信息完整性检查。

      3.QoS

      因为目前WLAN沿袭了以太网的共享机制,所以对于不同类型业务的几乎不做任何区分。这样,对于VoIP、视频这些对时延、带宽和丢包率等属性要求较高的应用来说,无法提供必要的保证。因此IEEE特别成立802.11e任务组,细化802.11的MAC层,以改善QoS。定义了两种方案:增强型分布式信道访问(EDCA)和混合协调功能(HCF)。EDCA是传统有线局域网的排队机制的扩展,为数据包被加上标记并利用区分优先次序的信道访问功能传输。支持8类通信优先分级,能直接实现与RSVP优先级协议间的映射。HCF是一种查询访问机制,在使用时不同的传输流被分配给专用的通信时隙。这两种机制结合起来可保持网络与无线用户之间的QoS控制。

      4.漫游

      针对无线局域网用户在接入点之间的漫游问题,IEEE工作组制定了 802.11f 协议,详细阐述了接入点内部协议IAPP(Inter-Access Point Protocol),IAPP协议旨在向用户提供AP间的移动功能,以满足用户对移动性的需求。它的主要功能是便于扩展服务集ESS的创建和维护,支持802.11移动终端在AP间的移动,保证每个移动终端在确定时刻与AP间只有一个连接关系。

      5.语音应用

      VoIP目前已经得到了大众的普遍接受,同时人们可通过WLAN可方便地接入网络,这两种优势技术结合起来就出现了VoWLAN应用。目前已经有Wi-Fi手机面世,但限于WLAN的覆盖范围,主要还是在企业内部使用,未来有可能在数字家庭领域有所应用。还有一些设备厂商,正在开发WLAN+GSMCDMA双模手机,使得WLAN语音应用与移动网络有机结合起来。

      WLAN技术的发展是与应用需求息息相关的,用户对移动的广泛性和速率的高带宽的要求都在不断地提高,标准组织和设备厂商、运营商正在积极开发相关的标准和产品、服务,满足用户的需求。一方面,应用新的标准和技术解决目前存在的技术难题和设备缺陷;另一方面,通过与其他技术的融合实现技术优势互补,达到各种技术共同发展。

    WiMAX:无线城域网的新锐

      1.标准情况

      当前所称的WiMAX标准通常是指2004年6月IEEE通过的IEEE 802.16d标准,是涵盖IEEE 802.16和IEEE 802.16a 的完全版本,包括所有LOS和NLOS频段(2-66GHz)以及2-11GHz的系统实现框架(Profiles)。也可以将WiMAX技术广义地理解为当前WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)论坛所推广的IEEE 802.16系列标准。

      2. WiMAX的优势

      WiMAX的优势主要表现在这一技术集成了Wi-Fi无线接入技术的移动性与灵活性、以及DSLCable Modem等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性和相对 理想 的QoS服务质量。这其中最突出的表现是其较 理想 的非视距传输特性、灵活的部署与配置伸缩性、优秀的QoS服务质量和强大的安全性。

      WiMAX基于动态适应性信号调制模式,因而使这一技术不仅具备远距离信号传输能力和穿越树木和建筑物等障碍物的非视距传输能力,而且具有较强的信号反射容错能力。同时,这种调制模式还能够使服务商基站根据信号强弱调整带宽,以确保与用户的正常连接

      WiMAX还提供了包括灵活的信道规划在内的部署与配置伸缩性,使运营商能够根据所拥有的 许可 ,或无需 许可 频段资源灵活规划信道带宽,并根据用户群体状况不断升级扩展网络。如对拥有20MHz频谱的运营商而言,既可以将其划分为2个10MHz信道、也可以将其划分为4个5MHz信道。

      WiMAX还提供了可满足语音和低延迟视频服务应用的QoS服务质量支持,并且能够使运营商基于同一基站同时支持采用E1类型连接的企业用户和采用DSL等类型连接的家庭消费用户。对于城郊与农村等偏远地区而言,可提供对语音通信的支持。

      另外,为了保护用户信息安全、尤其是为满足企业用户对商业应用数据安全的需求,WiMAX技术还提供了隐私与加密保护,可通过身份认证与数据加密等途径,保障数据传输安全。

      3.应用

      作为一种面向最后 一公里 接入领域的无线MAN技术,WiMAX可以广泛应用于多个宽带相关领域。尤其是在城郊和农村等DSL与Cable Modem服务有效覆盖范围以外、或不便于部署传统宽带接入技术的区域。在这种情况下,WiMAX将成为具有优势的宽带接入选择,并有望推动802.11无线热点与家庭或小型办公领域无线LAN的部署。

      WiMAX论坛下的CPWG(Contribution to Service Provider Working Group)工作组在2004年12月的WiMAX网络规范要求中对WiMAX网络所支持的应用做了规定,分为三种应用,分别是:普通IP应用,高级IP应用和非IP应用。

      (1)普通IP应用

      应该支持非实时IP应用,比如FTP,e-mail,Web浏览,远程访问VPN等。普通服务的特点是尽力而为服务,即对这些服务没有确定的QoS保证。

      (2)高级IP应用

      支持所有准实时应用,比如音频/视频(A/V)流,VoIP,多媒体IP会议,IMS(IP多媒体子系统)应用,MBS(组播和广播服务),PTT(Push-to-Talk),定位和在场触发IP应用,可管理的VPN服务(基于客户端的或网络运营商提供的),以及游戏。可管理的IP服务提供特定的SLA(Service Level Agreements),包括QoS。并支持不同的计费策略。

      (3)非IP服务

      兼容支持目前已有的SMS(Short Message Service)和MMS(Multimedia Message Service)服务。

      4. 发展动态

      WiMAX论坛是一个非盈利性的组织。成员包括:宽带无线接入设备生产商、部件供应商(芯片、射频天线、软件和测试服务等)以及服务提供商(运营商、无线ISP)。截止到2005年2月,其成员已经超过了200个。WiMAX组织的目标是通过确保宽带无线接入设备之间的兼容和互操作性,促进基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入网络的大规模部署。WiMAX与IEEE 802.16 的关系类似于Wi-Fi和IEEE 802.11,在全球范围内为通过测试的设备提供“WiMAX-Certified”认证标签。

      WiMAX论坛设置了TWG(Technical Working Group)和CWG(Certification Working Group)工作组。

      TWG的任务主要是:根据Global Standard制定一致性和互操作性规范、为未来的服务和互操作性开发应用层和网络架构规范。

      CWG的任务主要是:管理一致性、互操作行和认证的进程、负责实验室协调和测试进程的质量。

  • 3GPP-WLAN的互通

    2007-05-21 20:39:36

    一 系统结构

      3GPPWLAN 互通和综合结构设计的关键是基于IEEE 802.11标准,提供3GPP 和WLAN之间的交互功能。WLAN接入系统完成与3GPP交互功能,对WLAN接入网络或WLAN接口标准化。

      WLAN终端和IP网络在WLAN的接口层完成IP连接,WLAN系统提供基本IP业务链接到应用层业务的IP骨干网。其中,动态主机配置协议(DHCP Dynamic Host Configuration Protocol)的服务器承担WLAN终端的IP 堆栈配置。DNS服务器把Internet全部保质域名(Fully Qualified Domain Name FQDN)地址转换为IP地址。GW / NAPT为链接外部IP网络的网关(GW),承担IP网络地址和端口变换(NAPT Network Address and Port Translation),使WLAN接入网以位于WLAN内的专用IP地址获取外部IP网的业务。HTTP服务器给接入用户提供本地应用层业务,终端以Web浏览器控制接入,把登录的Web 网页送至WLAN终端。计费系统负责计费,本地业务服务器提供IP层业务,如mail 服务、本地Web内容、网络配置和监控管理。

      WLAN系统设置AAA服务器和用户数据库,承担认证和鉴权等,提供IP链接和其它业务。对于WLAN系统的用户,AAA服务器是典型RADIUS服务器。AAA服务器通过IP骨干网采用LDAP访问用户数据库。
      
      当用户采用Web浏览器进行认证和鉴权时,首先向WLAN系统的HTTP服务器申请,显示登录的Web主页,输入登录名、口令并支付链接费用。在IEEE 802.1x标准和IEEE 802.11i 标准中,与用户友好和安全的鉴权实施3GPP-WLAN交互操作。也可建立与WLAN系统漫游,使WLAN系统用户链接到另一个WLAN系统。

      二 3GPP-WLAN接入、鉴权和认证

      在本地运行网络之外,GSMUMTS系统的用户具有选择访问网络的漫游功能。在人工网络选择中,用户以基于本地网的公众陆地移动网络识别,从现有网络表中选择网络,而在自动网络选择中,用户利用存储在SIM / USIM 中的公众陆地移动网络识别选择网络。

      在3GPP - WLAN交互结构中,3GPP系统具有选择访问网络的功能,在几个现存漫游路由中构成公众陆地移动网络。路由解决方案是基于网络接入识别器(NAI —Network Access Identifier ) 的WLAN用户表格。假如WLAN接入网不能给本地网申请安排路由,则在WLAN接入网中给用户提供被支持VPLMN表。用户可从中选择可靠的VPLMN,重新格式化含有VPLMN ID的NAI,以新的ID认证WLAN接入网。

      WLAN新标准主要目的是提高WLAN空中接口的安全层次,如IEEE 802.11的IEEE 802.11i标准是增强安全、升级认证、控制接入和定义IEEE 802.1x 标准的关键协议框架。其中,认证功能可以采用RADIUS和含有扩展认证协议(EAP —Extensible Authen-tication Protocol)的集中认证服务器,利用扩展认证协议和RADIUS安全分布密钥构成新的分组安全算法来代替有线等效专用(WEP-Wired Equiva-lency Privacy)算法。WLAN的接入点可作为RADIUS客户来运行,RADIUS流量可通过RADIUS 代理服务器来实施漫游代理功能。

      扩展认证协议本身并不具备认证和关键协议互认,但它提供用于多路由传输的认证协议框架。作为终端至终端的扩展认证协议,接入点或其它中介并不需要知道每个认证和关键协议互认细节。

      GSM移动网的智能卡承担用户接入网络控制的认证,无线链路加密和安全密钥认可。在GSM和GPRS系统中,认证和密钥互认功能由SIM卡的挑战响应算法承担。在UMTS系统中,还含USIM智能卡承担认证和密钥互认功能。

      随着3GPP - WLAN互连层在WLAN接入网上新需求的增加,采用IEEE 802.11i标准可实现认证、接入控制和密钥互认功能。基于USIM / SIM认证算法的3GPP - WLAN交互结构有两类扩展认证协议,即SIM的扩展认证协议和密钥互认合同(A-KA-Authentication and Key Agree-ment)的扩展认证协议。

      其中SIM的扩展认证协议基于GSM SIM的认证和密钥互认协议源自基于GSM认证协议,但包括若干重要加强措施,如交互认证、身份隐藏、假名和快速重新认证。而AKA的扩展认证协议在扩展认证协议中包装UMTS 认证和AKA、UMTS 的AKA支持互认证和较强密钥算法,AKA的扩展认证协议把UMTS机理融合到EAP中。

      在无用户访问PLMN ID时,WLAN接入网和3GPP AAA服务器之间的认证信令由3GPP AAA代理传送,WLAN接入网通过Wr参考点连至3GPP AAA服务器。Wr参考点用于认证和密钥互认信令,Wr参考点的协议基于DIAMETER 或RADIUS的扩展认证协议。而在漫游场合,3GPP AAA代理和3GPP AAA服务器之间参考点为Ws。
      
      三 用户数据路由和接入

      用户经过认证和鉴权成功地接入网络后,WLAN接入网会确保用户终端接入IP网络。在公众Internet作为IP网场合,用户数据可直接从WLAN接入网至Internet。而在最佳场合,建立在WLAN接入网和3GPP之间的地址到地址的汇聚隧道,提供在专用IP网中的多媒体消息业务,无线应用协议和3GPP IP多媒体子系统业务等。

      3GPP还没有形成关于用户数据路由的技术结构标准,但远程连接专用IP网和经过确定参考点进行流量路由需求分析需要采用分组数据隧道技术,在隧道一侧端点组装指向隧道另一侧新的分组数据,在隧道另一侧端点拆包并把数据传送到指定地址。

      IP网络选择采用类似GPRS中APN参数的WLAN接入点名称参数,用户终端指向WLAN接入点名称所需的IP网。WLAN接入点名称进行鉴权申请,验证用户是否有权使用WLAN接入点名称,也可以按用户指定方式选择IP网。在WLAN接入点名称选择IP网后,依靠建立的隧道把用户数据送至所选择的IP网中。

      本地网运行的终止由隧道的分组数据网关(PDG - Packet Data Gate-way)的网络元素承担。对被选择的远程IP网而言,PDG终止隧道后还承担网关作用,这类似于GPRS中网关GPRS支持节点(GGSN)。PDG和远程IP网之间的Wi参考点类似于GPRS中GGSN和远程IP网之间的Gi参考点,Gi参考点也是3GPP IP网和外部IP网之间的连接点。被访网中网络元素的WLAN接入网关 (WAG)也可用来实施隧道功能。其中Wn、Wp、Wu、Wi 用于用户数据传输,Wg和Wm用于控制。

      3GPP - WLAN交互系统采用诸如3GPP 预约、网络选择、基于3GPP系统的AAA利用SIM / USIM 数据路由,业务接入和终端用户付费等复用技术可以给3GPP系统的用户提供公共WLAN接入业务功能。业务功能的获取并没有在WLAN接入系统上增设3GPP特定要求,而是依靠基于IEEE 802.11 标准的典型WLAN接入网的现有性能。
      
      3GPP系统演进趋势的一方面是通过3GPP - WLAN交互系统通过WLAN接入控制功能增加新功能,如先进业务支持、实时对等IP通信等。另一方面是3GPP - WLAN交互系统引进WLAN和蜂窝IP链接之间不同类型动态交换,提供不中断业务。总之,3GPP系统演进趋势是利用多种接入技术和用户内部先进技术来提供可靠安全接入和基于IP业务。


  • WCDMA 系统移动核心网络协议栈的测试

    2007-05-21 20:39:36

    北京邮电大学通信网络综合技术研究所  刘芹 冯春燕 曾志民 柴丽

        在WCDMA系统中,为了使得来自不同厂家的设备能够成功地进行通信,必须有标准化的协议,但是实现者对于协议的理解不同,导致了不同厂家的设备的协议实现是不一致的。所以解决设备协议非一致性问题将成为整个系统演进过程中一个不可忽略的因素。为了解决这个问题,协议一致性测试应运而生。下面首先简单介绍协议一致性测试原理,WCDMA系统核心网络协议,然后对我们在WCDMA系统核心网络协议测试中采用的测试方法和测试系统结构、得到的测试结果进行分析。

        一、协议一致性测试原理

        测试是为了发现错误而执行程序的过程。测试方法可以分为黑盒测试和白盒测试。基于产品的功能来规划测试,检查程序各功能是否实现,并检查其中的错误,这种测试称为黑盒测试或者功能测试。基于产品的内部结构来规划测试,检查内部操作是否按规定执行,各部分是否被充分利用,这种测试称为白盒测试。

        协议是各设备之间进行通信时应遵守的规则,而这些规则基本上是以自然语言来描述,由于实现者对于协议的理解可能不同,这就容易导致不同的协议实现,有时甚至会是错误协议的实现。因此,我们需要一种有效方法对协议实现进行判别,这种方法便是“协议测试”(ProtocolTesting)。协议测试是从软件测试的基础上发展来的,是一种功能测试,即黑盒测试。协议测试有三种类型的测试:一致性测试、互操作性测试和性能测试。一致性测试是基础,是通过观察具体实现在不同的环境和条件下的反应行为来验证协议实现与相应的协议标准是否一致,一致性测试只关心协议实现呈现于外部的性能。要保证不同的协议实现在实际网络中能成功的通讯,还需要检测某一协议实现与其它系统之间的交互过程是否正常,这是互操作性测试。另外还要对协议的性能进行测试,如健壮性、吞吐量等。在本文中,我们只介绍协议的一致性测试。

        协议一致性测试实质上是利用一组测试序列,在一定的网络环境下,对被测协议实现(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在多大程度上与协议描述相一致,确立通过一致性测试的IUT在互联时成功率的高低。协议的一致性测试过程包括以下几个阶段:根据协议的标准文本勾画出对协议进行测试的测试集;在一个确定的测试环境下的某一种具体实现上执行测试集;对测试的结果进行分析。

        二、WCDMA系统中核心网络协议介绍

        为了第二代移动通信技术向第三代的平滑过渡和演进,目前WCDMA系统核心网包括三个域:CS(电路交换)域、PS(分组交换)域和BC(广播)域,分别处理电路交换业务、分组交换业务和广播组播业务。

        在PS域中SGSN是移动核心网的控制中心。它具有网络接入控制、路由选择和转发、移动性管理、会话管理、计费信息的收集等功能。在分组域附着时,SGSN建立移动管理(MM)上下文,包含与MS的移动性和安全性有关的信息。在PDP(分组数据协议)上下文激活时,SGSN与用户使用的GGSN建立一条PDP上下文,用于路由目的地址的选择。

        核心网SGSN设备的研究开发项目定位在提供基于R4架构的R99功能的WCDMA核心网中SGSN功能节点的解决方案之上,依据这种项目定位,SGSN功能节点可以分解为四种功能实体,它们分别是SGSN-Server(即SGSN-ServerApplication),SignalingServer(SS)、分组交换媒体网关(PS-MGW)和信令网关(SGW)。MGW可以作为终结点处理来自电路交换网的承载信道或分组网的数据流。SGW完成基于SS7网络的信令传输和基于IP网络的信令传输之间的传输层信令转换。SGSN项目开发过程中定义了需要测试的两个子系统,分别是SS子系统、SGSN Server子系统。SS子系统测试就是验证Trillium协议栈是否与协议一致。在SS子系统测试中,SGSN-Server采用的是我们开发的测试工具,在后面我们将详细介绍这个测试工具。SS采用Trillium公司的协议栈,其中SS 的协议栈结构如图1所示。测试工具和SS分别是两个独立的进程,运行在不同的服务器上。 


    图1SignalingServer 的协议栈结构图

        TUCL(TCP/UDP Convergence Layer)是TCP/UDP汇聚层,它屏蔽了不同TCP/IP协议Socket接口(如Winsock和Berkely Socket)的差异,提供了一个统一的API接口,从而使Signaling Server 协议栈运行于各种操作系统的TCP/IP协议上。

        WCDMA/UMTS网络为了兼容过去GSM/GPRS所投资的电信设备,沿用了NO.7信令作为3G网络用来传输控制信号的通信协议。在SignalingServer协议栈中,M2UA、MTP3、SCCP、TCAP都是NO.7信令协议中支持高层信令消息和应用部分信息传送的部分。

        MAP﹝MobileApplicationPart﹞是NO.7信令系统的应用层协议。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等网络数据库之间交换与电路无关的数据和指令,从而支持移动用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。

        GMM/SM(GPRSMobilityManagementand Session Management)是GPRS移动管理和会话管理,GMM支持附着、分离、安全管理及路由区更新、位置更新等移动管理功能,用于漫游、鉴权和加密算法的选择。SM支持PDP上下文的激活和禁用。

        RANAP﹝RadioAccessNetworkApplication Protocol﹞是无线接入网络应用协议,它应用在UTRAN与核心网络之间的Iu接口上﹝包含电路域和分组域﹞,是传送控制信号时所采用的通信协议。RANAP主要实现以下的功能:(1)封装高层信令消息;(2)管理RNC和3G SGSN间的信令和GTP连接;(3)管理RNC和 3G MSC间的信令和电路交换连接。

        三、测试方法和测试系统结构

        WCDMA移动核心网络协议一致性测试采用远端测试法,其测试系统设计如图2所示,图中UT和LT分别为上测试仪和下测试仪,SUT为被测系统,IUT为被测协议实现体,ASP为抽象服务原语,PDU为协议数据单元,即活动于不同层之间和同层之间的信息单元。远端测试法是将整个测试体放于被测系统之外的远端,利用抽象服务原语(ASP)和协议数据单元(PDU),在控制和观察点(PCO)对来自被测实现的输出和输入进行控制和观察。


    图2远端测试方法

        在测试过程中,测试系统采用的是泰克公司的协议测试仪表K1297。K1297是便携式多协议/多接口测试仪,特别适用于网络网关测试,支持多种测试模式,如监测、模拟/仿真和一致性测试(接收,性能检验和兼容性)。被测系统SS通过信令网关与测试系统相连,被测协议实现体就是我们前面提到的SS中集成的Trillium协议栈。我们主要对GMM/SM,MAP和RANAP三个协议进行测试,目的是检验Trillium公司的协议实现是否与协议标准一致。测试组网图如图3所示。在测试时,我们可以用K1297来模拟HLR,RNC或者GGSN,被测系统位于核心网中SGSN侧。

        在SS协议栈一致性测试阶段,SGSNServerApplication采用我们自行开发的测试工具,这个测试工具就相当于SGSN上层应用仿真。这个测试工具由ProcessControl和Message Handler两大部分组成,Process Control部分是用Per语言编写的脚本程序,测试人员通过编写、修改部分内容可以控制测试流程;Message Handler部分与所测试的协议栈关系密切,处理协议消息。Process Control部分通过有名管道与Message Handler部分相互交换信息。

        在测试过程中,我们一共设计了三个测试集,分别是GMM/SM功能测试集,MAP功能测试集和RANAP功能测试集。每个测试集又包括若干个测试组,测试组覆盖了每个协议的所有功能过程。其中,每个测试组中又包含若干个测试用例,测试用例覆盖了每个过程的各种情况,也就是说测试用例不仅包含了每个过程成功情况下的用例,还包括了每个过程各种错误情况下的用例以及各种异常情况下的用例。


    图3协议栈测试组网图

        四、测试结果及分析

        在协议栈一致性测试过程中,必须保证测试用例设计的完备性和准确性以及脚本程序编写无误,也就是说,测试用例不仅要覆盖协议栈功能的各个方面,而且还要符合协议的规定,程序的设计也要符合协议规范的要求。

        前文中提到我们一共设计了三个测试集,这三个测试集包含了GMM/SM、MAP和RANAP三个协议的一致性测试,其中在进行GMM/SM,MAP协议测试时,没有发现协议不一致性的问题。但是在测试RANAP协议时,我们发现了被测的协议栈与标准协议不一致的地方。

        在测试RAB建立过程时,根据用例,我们的预期结果是K1297端收到SGSN侧发送的RABAssignmentRequest 消息,并向SGSN侧回送一个RAB Assignment Response 消息,完成RAB的建立过程。实际的测试结果是当SGSN侧向K1297端发送RAB Assignment Request 消息时,K1297在接收这个消息时报“解析消息错误:缺少了必选的字段值”。这种错误的发生是由于双方(协议栈和测试仪表)对消息的编码格式不一致造成的。在确定了K1297测试仪表的消息编码格式与协议标准相一致后,我们将错误准确定位在所测的SS协议栈。而SS协议栈由许多层协议组成,所以我们仍需进一步确定错误发生在哪层协议。从协议栈运行结果的屏幕提示信息中,我们发现错误发生在RANAP协议。

        RANAP用于RNC与核心网络的连接,是Iu接口协议。RANAP协议消息传输语法采用ASN.1语法格式。在RANAP层所有的消息都要以ASN.1语法格式进行编码,然后将编码后的消息从RANAP层传送到其它层。ASN.1(AbstractSyntaxNotationOne)是一种用于描述结构化客体结构和内容的语言,ASN.1类似于高级程序设计语言的数据描述部分,它提供若干语言构件用以定义类型和值,类型对应结构,值对应内容。

        经过详细地分析Trillium协议栈的具体实现,我们发现协议栈中消息的编码格式与RANAP协议(3GPP25.413)中规定的ASN.1编码格式有些不同。RANAP协议中规定,以ASN.1语法格式定义的"RABassignmentRequest"的消息中包含RABs To Be Setup Or Modified List信息字段,而RABs To Be Setup Or Modified List中又嵌套了两层sequence of结构,而在Trillium公司协议栈(在RANAP层)消息结构定义中,RABs To Be Setup Or Modified List只嵌套了一层sequence of结构。所以出错的原因是Trillium协议栈中缺少一层ASN.1语法格式的结构,导致K1297不能正确的解析收到的消息。

        五、结论与展望

        近年来,测试技术是国际上非常关注的、也是发展较快的一个研究领域。随着WCDMA技术的成熟,各种WCDMA系统设备蜂拥而来,为确保多个厂家设备的互联成功,以及业务的正常提供,对设备进行协议一致性测试是十分必要的。WCDMA移动核心网络协议一致性测试集的编写和测试软件的开发将为研究开发移动通信产品及运营网络的操作维护提供理想测试。随着对WCDMA测试规范以及测试理论和方法技术的深入研究,将更进一步地保证经过测试以后的移动网络设备能够达到最大的一致性。


  • TD-SCDMA网络测试仪中SCCP协议解码

    2007-05-21 20:39:36

    摘要  以TD-SCDMA网络测试仪的信令分析功能作为研究背景,介绍了3G协议栈中信令连接控制协议的基本概念、功能以及消息结构,并且在此基础上探讨了信令连接控制部分(SCCP)协议的解码以及针对实际数据的组装方法,目的是对网络测试仪中SCCP模块的软件实现提出解决方案。 该协议位于协议栈的传输层,其分析思路和方法对研究传输层的其他协议具有指导和推广意义。

    0、引言

      随着TD-SCDMA第三代移动通信系统相关技术在中国飞速发展,基于该标准的网络及终端设备已经研制成功,并已能满足商用要求。现阶段,TD-SCDMA测试设备是最薄弱的环节,一方面,这直接影响到TD-SCDMA产业链的完整性;另一方面,也影响到电信运营商对网络设备的部署与检测,基于这样的现实,具有自主知识产权的TD-SCDMA网络测试仪的研制具有重要意义。

      TD-SCDMA网络测试仪中的信令分析,针对的是无线接入网(UTRAN)和核心网(CN)的协议栈[1],其中包含一系列的传输层和无线层协议。仪表协议分析的基础是要能够实现对所接收到的网络数据进行译码解析,在此功能准确无误的基础上,仪表才可以进行更高级的统计追踪功能。在进行协议分析时,鉴于协议之间消息格式和处理机制的不同,以及软件模块化的实现要求,采取以单个协议进行模块封装的办法是更有效的,其好处在于能够忽略协议间功能和格式的细微差别,对单个协议的分析方法也能在很大程度上推广到其他协议。以UT-RAN内部的协议栈为例,从下至上分为信令适配层、传输层和无线网络层[2],其中信令适配层和传输层的协议在标准中都有明确的消息结构,而无线网络层的协议是采用ASN1(abstract syntax notation)语法进行描述[3],导致消息封装的方法有所不同,进而带来解码方式上的差异。

      我们在本文中研究的主要内容是TD-SCDMA的CN以及UTRAN协议栈中信令连接控制部分协议(signalling connection control part,SCCP)消息的分析,一方面描述如何根据协议标准中规定的协议消息结构进行解码;另一方面结合实际情况探讨SCCP协议上层PDU的获取方法。

    1、SCCP协议消息概述

      SCCP协议是7号信令用户部分的一种补充功能级,SCCP协议位于消息传输部分协议(message transfer part,MTP)之上,为MTP提供附加功能。

      在TD-SCDMA的CN以及UTRAN的协议栈中,都包含有SCCP协议,该协议位于协议栈的无线网络控制平面中[3],如图1所示。


    图1 Iu接口无线网络控制平面的协议栈

    Fig.1 Protocol stack of wireless network control plane in Iu interface

      SCCP协议处于无线协议无线接入网络应用部分(radio access network application part,RANAP)以下,ATM适配层协议以上,位于传输层,对于网络的数据传输起着相当重要的作用。

      ITU-T在不改变原有MTP功能的基础上,增加了SCCP,目的就是在信令网中建立逻辑信令连接,以传送与电路无关的消息。因为随着通信网和通信新业务的不断发展,越来越多的业务需要和远端网络节点直接传送控制消息,这些消息和呼叫连接的电路无关,甚至根本与呼叫无关,如现在通信网中开放的智能网业务、移动电话的漫游业务、数据库以及网络的运行、管理和维护等,而这些业务仅仅用MTP已无法满足要求。[3]

      SCCP能提供4类业务,2类无连接业务,2类面向连接业务。无连接业务类似于分组交换网中的数据报业务;面向连接业务类似于分组交换网中的虚电路业务。

      无连接业务不需要预先建立连接就可以在信令网中传送信令消息。无连接业务又分为基本无连接业务和有序的无连接业务,也称为0类业务和1类业务。0类业务不保证消息的顺序传输,各个消息被独立地进行传送,相互不发生关系,因而在这种情况下,不能保证按照发送的顺序把消息送到目的地信令点;1类业务给来自同一消息流的数据信息附上了同一信令链路选择SLS,即经由同一信令链路传送,因此可以保证按照发送的顺序把消息送到目的地信令点。

      面向连接业务在传送消息之前,需要在源点和目的点之间建立一条消息传送路径,即逻辑连接。这种方式适合传送大批量的数据。面向连接业务又分为基本面向连接业务和带流量控制的面向连接业务,即2类业务和3类业务。它们共同的特点是保证消息发送和接收的顺序一致。此外,3类业务具有流量控制功能、消息丢失及错序的检测功能等。在2类业务中,由于各个数据信息没有顺序号,因此不能完成顺序控制和流量控制。

      SCCP是在不改变原有MTP功能的基础上增加的,它对MTP的改进主要有以下功能:①能够传送各种与电路无关的信令消息;既支持无连接业务,又支持面向连接业务;②具有增强的寻址功能,扩大了业务范围;③具有地址翻译功能,可以在全球互连的不同7号信令网之间实现信令的直接传输;④具有管理功能,可以管理SCCP子系统状态。

      根据ITU-T Q.713,SCCP主要的消息类型[4]如表1所示。

    表1 SCCP消息类型
    Tab.1 Message type of SCCP


      一条完整SCCP消息包含以下4部分,消息类型、必选固定部分、必选可变长部分以及可选部分,结构如图2所示。


    图2 SCCP消息整体结构
    Fig.2 Whole message structure of SCCP

      Message type字段的长度为1个字节,位于SCCP消息的开始,任何对SCCP消息的分析都要以判断消息类型作为第一步。

      SCCP协议是7号信令中的重要协议,处于无线接入网的Iu接口以及核心网接口中。网络接口的协议之间是以协议栈的方式进行组合的,而信令数据也是按照协议栈的分层关系进行封装的,由于SCCP层处于协议栈的中间,它上层协议的数据将作为SCCP的净荷数据封装在SCCP消息中,而SCCP消息整体又作为其下层协议消息的净荷封装进整条二进制数据。在实际的解码过程中,正是要按照协议栈由底向上的顺序对数据进行分析。以Iu接口为例,无线网络层RANAP协议处于SCCP层以上,因此,RANAP消息被装入SCCP的DATA数据中,SCCP消息则作为MTP3B协议消息的净菏继续被下层协议封装。基于这种不同协议间数据的封装关系,以解码为基础的信令分析还有另外一个需求,即定位和提取上层协议的数据。协议分析进行模块划分决定了解码是每个协议自身完成的任务,而数据总是由下层提供,也就是说每个协议层应该有2个基本的功能,一个是解码,另一个就是定位和提取上层数据。

    2、SCCP协议消息的解码分析

      SCCP协议消息的详细结构如图3所示。


    图3 SCCP消息详细结构
    Fig.3 Detailed message structure of SCCP

      图3中,给出了SCCP协议消息的详细消息结构,从图3中可以看出每条消息是由4部分构成:消息类型+必选固定部分+必选可变部分+可选部分。下面对这4部分规则分别进行解释。

      ●Message type code:消息类型字段只有一个字节,该字段是所有SCCP消息必须包含,SCCP协议的消息类型已经在前面的表格中有了说明。

      ●Mandatory fixed part:必选固定部分参数是指那些在消息中必须存在的并且位置、参数长度以及出现顺序都由消息类型确定好的参数。因为这些参数的出现位置和长度都是固定的,因此在消息中并不需要额外的字段用来表示它们的类型和长度,只需在相应的位置提供参数内容即可。

      ●Mandatory variable part:必选可变部分参数是指那些在消息中必须存在的但是参数长度可变的参数,每个必选可变部分参数都有一个指针指向该参数内容开始的位置,在不同的消息中,必选可变部分参数指针的顺序在消息中是固定排列好的,因此对于必选可变部分参数,也不需要??是固定的,但是其内容顺序有可能与指针顺序不同,另外,因为这种参数的长度可变,所以每个参数内容中都包含1个或2个字节用来表示参数长度。

      ●Optional part:可选部分参数是指那些在消息中定义了的可能出现也可能不出现的参数,整个可选部分的起始位置由必备可变部分参数的最后一个指针来指明,该指针指示的是可选部分第一个参数开始位置的指针。如果消息类型指示没有可选部分参数存在,那么这个指针将不存在,如果消息类型指示有可选部分存在,但对于一条具体消息时并不包含这些可选参数,那么该指针所在字段应该全为0。可选部分可以包含固定长度参数或者可变长度参数。另外,可选部分参数在消息中的发送顺序是不受限制的,比如一条SCCP消息3个可选部分参数,这3个参数出现的顺序和协议标准中描述的顺序可以不同,协议标准中只是说明这3个是可选的参数,并没有规定其出现的顺序。鉴于以上描述的可选部分参数的特点,任何一个可选部分参数都必须包括参数名,参数内容,如果参数长度可变,还必须包括参数长度。

      ●End of optional parameters octet:在可选部分参数的最后,有一个长度为1字节,内容为全0的end of parameters参数,这个参数用来表示可选部分参数的结束,该参数只有当可选部分参数在消息中存在的时候才出现。

      1)消息内容的发送顺序:在SCCP消息中,所有的参数都包含整数个字节,参数的格式都是按照字节栈的形式,在实际消息的传送过程中,先发送的是协议标准中描述的位于栈顶的低序号字节,最后发送的是位于栈底的高序号字节。

      2)长度参数的解码规则:长度参数字段被解码为二进制值,用来表示参数内容字段的长度,长度参数字段的值不包括参数名称和参数长度占用的2个字节。

      3)指针的解码规则:指针的二进制值表示了该指针的高位字节与该指针所指的参数之间相隔的字节数。

      在SCCP协议中,消息都是遵循上面描述的固定结构。对某一条具体的消息,比如CR(conneetion qequest),在Q.713协议中对消息中包含的参数做了规定[5],如表2所示。

    表2 SCCP CR消息参数表
    Tab.2 Parameters of CR message in SCCP


      SCCP消息中消息类型,必选固定部分参数和必选可变部分参数都是按照固定的顺序规定好的,而可选部分参数的情况并不固定,消息中只规定了可能包含的可选参数,但对可选参数在实际消息中是否出现以及出现的顺序并没有说明。

      在编写解码函数的程序时,由于SCCP协议最底层的解码单位是参数级别,即像Message type,Source local reference和Protocol class等参数,各自都有对应的参数解码函数,因此对于消息类型参数,必选固定部分参数,必选可变部分参数,只要按照顺序调用参数解码函数就可以完成解码,真正复杂的是对可选参数的处理,因为消息定义中的可选参数在实际消息中是否出现以及参数出现的顺序是不固定的,唯一确定的是,可以通过可选部分参数指针找到可选部分参数开始的位置,然后通过消息总长度减去固定部分长度得到可选部分长度,最后再根据可选参数部分的结构通过循环处理的方式进行解码,每次循环处理的过程是先判断可选参数的类型,然后调用相应的参数解码函数。下面用一个流程图来说明CR消息的解码过程,此过程可以推广到所有其他SCCP消息的解码,如图4所示。


    图4 SCCP协议CR消息的解码流程图
    Fig.4 Decode flow chart of CR message in SCCP protocol

    3、实际测试中的SCCP消息组装问题

      网络中的SCCP消息长度一般在100个字节内,SCCP消息需要封装上层RANAP或者RNSAP的数据,而上层数据通常不会很长,一条SCCP消息完全可以容纳,但在少数情况下,上层数据需要分段由几条SCCP消息中传输,而多条SCCP消息再分散在底层的ATM信元中传送。这个现象从逻辑上是容易理解的,但从数据分析的角度,尤其是从数据接收端的角度来看,处理就要复杂很多,因为尽管数据分段的情况相对较少,但是信令分析注重消息解析的准确性和信令流程的连贯性,为了达到这2个要求,就要保证接收端能够准确完成数据的组装,在此基础上,对SCCP层的分析以及更高层如RANAP协议的分析才能够保证。

      在SCCP协议的消息中,绝大部分都包含data或longdata参数,这2个参数表示SCCP的用户数据(service data unit,SDU),也叫做SCCP上层协议的协议数据单元(protocol olata unit,PDU)。SCCP的大多数消息都包含数据参数,从而加大了获取PDU的难度,另外,消息类型的不同导致获取的方法也不同,包含Data参数的消息分类如表3所示。

    表3 包含Data参数的消息分类表
    Tab.3 Classified table of messages which contain Data parameter


      当调用SCCP协议模块的获取上层PDU函数时,首先判断消息类型,如果不在以上消息类型中,则不存在用户数据,那么仅仅完成解码即可;如果是以上消息类型中的一种,那么就需要调用相应的函数进行获取SDU的操作。由于包含用户数据的消息比较多,为了处理方便和逻辑清晰,在模块实现时为表3中的消息定义了各自的函数。

      表3中有两列内容分别是辅助参数和它们的存在性。辅助参数是指在相应消息中对于获取SDU有帮助的参数,而存在性就表示该辅助参数在相应消息中的存在可能,F和V表示一定存在,0表示可能存在。辅助参数的作用主要是用来告知消息中包含的Data是完整的还是需要分段传送的,如果完整,那么取得数据后函数就把PDU数据返回;否则要对来自多条SCCP消息的多个Data进行组装。在表3中用A,B,C,D对消息处理进行了分类,每个类型代表一种处理的复杂程度如表4所示。

    表4 获取SDU分析表a
    Tab.4 Analysing table a of getting SDU


      根据获取Data数据的复杂程度,把相应函数分为4类。每类函数根据处理的复杂程度,都需要辅助函数的支持,例如,类型2中对DT1和DT2的处理,这2条消息中都有参数包含more data indicator字段,其作用是指示本条数据消息后面是否有属于同一个SDU的数据,因此该参数是DT1和DT2消息获取数据的重要操作依据。对于其他类型的函数,辅助参数起着同样的作用,另外个别辅助参数本身是可选的,如类型4函数中的辅助参数segments,因此在类型4函数处理时需要判断的条件就很多,首先需要知道segments参数是否存在,存在的话才有组装的可能,不存在的话说明数据不需要组装。4类函数对参数的需要性如表5所示。

    表5 获取SDU分析表b
    Tab.5 Analysing table b of getting SDU


      在实际的SCCP消息中,大多都是用DT1消息来承载上层数据,获取DT1消息的函数属于表5中的第2类,下面就以该消息为例来说明SCCP协议获取上层PDU的方法,DT1的格式[5]如表6所示。

    表6 DT1消息结构
    Tab.6 Message structure of DT1


      第1个参数(Message type)表示消息类型,根据消息类型表格可知,DT1消息类型为OX0000 0110即6;第2个参数(Destination local reference)是目的地本地参考,表示目的地地址信息;第3个参数(Segmenting/reassembling)叫做分割/组装,长度是1个字节,格式如图5所示。


    图5 Segmenting/reassembling参数结构
    Fig.5 Parameter structure of Segmenting/reassembling

      该参数长度为一个字节,最低位是信息字段M,为0表示消息后面没有分段的数据;为1则表示有。图6表示在模拟真实的网络环境,以DT1数据的传输为例,说明所有可能的情况。


    图6 DT1数据在网络中传送的可能情况示意图
    Fig.6 Sketch map of delivery of DT1 data in network

      DT1消息在网络中的传送共4种可能,每种类型中右边的表示本条DT1消息,图6左边的表示上条DT1消息,两消息中都有M指示,下面分别说明。

      类型1:本条DT1数据和前面的DT1是连续的,另外本条DT1数据后面还有连续的数据,在此情况下,应该把本条DT1数据串接在前面的DT1后面,并且继续等待后面的包含同类内容的数据。

      类型2:本条DT1数据和前面的DT1是连续的,另外本条DT1数据后面没有连续的数据,在此情况下,应该把本条DT1数据串接在前面的DT1后面,构成一个完整的上层数据PDU交给上层处理。

      类型3:本条DT1数据和前面的DT1不是连续的,另外本条DT1数据后面有连续的数据,在此情况下,应该把本条DT1数据保存起来等待后面同类数据进行组装。

      类型4:本条DT1数据和前面的DT1不是连续的,另外本条DT1数据后面没有连续的数据,在此情况下,应该用本条DT1数据作为上层PDU。

      下面用流程图的形式来说明获取DT1消息上层数据的程序处理过程,如图7所示。


    图7 获取DT1消息上层PDU函数流程图
    Fig.7 Function flow chart of getting upper layer PDU of DT1 message

      在真实的网络环境中,在使用CR消息建立完SCCP连接后,SCCP协议出现最多的就是DT1,SCCP层的主要作用是封装无线层的信令数据,而上层数据才是对分析网络以及应用最有价值的信息。基于这样的现实,分析DT1消息有重要意义,尽管在SCCP协议中还有其他消息也包含数据信息,但在实际信令中出现的情况并不多。

    5、结束语

      通过对SCCP协议解码和获取上层数据的分析,一方面为模块实现提供了设计方案,另一方面可以把SCCP协议的分析方法推广到TD-SCDMA标准协议栈中其他传输层的协议分析中。在TD-SCDMA网络分析仪的软件模块中,采用面向对象编程方法[7]对SCCP部分进行了实现,该模块在仪表测试的过程中表现稳定,通过实践论证了设计方案的正确性。
  • 解析GPRS协议栈功能

    2007-04-15 00:06:40

    一、移动数据业务的通用承载模型 

      GPRS、WCDMA、CDMA2000都属于可漫游移动用户的承载网络,都是在移动用户和远端数据网之间提供数据连接。本文将对作为一种移动数据业务承载网并且基于GSM的GPRS技术从协议栈的角度进行深入剖析。 

    二、GPRS 的网络结构和网元功能 

    (1) GPRS的网络拓扑结构 

    (2) GPRS各个网元的功能

      PCU的功能:该功能实体可以和BSC合设,也可以作为一个单独的网元,其和SGSN之间的Gb接口为规范定义的标准接口,和BSC之间的接口为内部接口。负责处理无线信道的数据业务;无线数据信道的管理和分配,允许多个用户接入同一无线资源;用户数据的压缩、加密和转发;同时还具有功率控制、质量控制和选择信道编码方案的功能,其向GPRS数据核心网络屏蔽使用的无线技术。 

      SGSN的功能:是GPRS骨干网的重要组成部份,是分组交换的核心部分,通过帧中继和PCU相连。功能类同于GSM系统的MSC/VLR功能,SGSN不仅处理分组交换中的信令传输,同时也进行数据包的处理和传送。面向MS执行移动性管理、安全管理、介入控制和路由选择功能。即记录当前活动在该SGSN区域内的移动数据用户的有关信息,如位置信息,可以对当前用户信息进行修改、删除等;负责数据用户的Attach和Detach、位置更新、寻呼、鉴权、加密等;负责MS和SGSN之间逻辑链路的建立、维护和释放;负责路由的选择和信息的存储转发;产生原始计费数据。 

      GGSN的功能:GGSN内部维护GPRS骨干网, 外部可以连接多个数据网如Internet、企业网、X.25 网等,是GPRS骨干网和外部数据网的网关;在GPRS数据网中的地位很类同于传统GSM网中的GMSC的地位;负责产生数据业务的原始计费数据。 

    三、GPRS各个接口协议栈的功能 

      所谓协议栈就是对信息进行多次封装和解封的过程,以便能够在不同的实体间传送信息。 

      MAC媒体访问控制:MAC定义和分配空中接口的逻辑信道,并控制移动台接入这些共享的逻辑信道;MAC定义的逻辑信道有公共控制信道PCCCH:控制信令;分组广播信道PBCCH:广播系统消息;分组业务信道PTCH:传输分组数据;分组专用控制信道:功率控制、定时等。 

      RLC无线链路控制:RLC将上层LLC的数据分段和重组以便在逻辑信道上传送;RLC通过选择性重传,向上层提供一个可靠的链路;它根据无线链路的传输能力将1527个字节(LLC帧的最大长度)按CS(coding scheme)切成不同的小块,以便进行卷积、交织等信道编码。 

      LLC逻辑链路控制:LLC是MS和SGSN之间的协议。基于HDLC无线链路协议,传输能力1520个字节,加上7个开销字节,总共1527个字节;LLC向上层提供一个或多个由SAPI区别的、高度可靠无差错的、加密的逻辑链路(GMM,SM,SNDCP等);LLC与下层使用的无线接口协议无关,向下隔离无线网;下层GPRS无线接口协议的改变不会影响上层协议和网络子系统;对中断的帧可以进行错误检测和恢复;可以实现一对多点寻址(向多个MS发信息);传送的信息可以有不同的优先级即顺序控制;流量控制等。LLC实现了下层不同协议的向上统一,是保证向3G平滑过渡的一个关键点。它和SNDCP协议一起类同于CDMA1X网络中MS和PDSN之间的PPP协议的功能。 

      SNDCP子网聚合协议:将外网的各种协议(IPv4、Ipv6、X.25等)格式统一为一种协议格式;用NSAPI区分不同的应用;移动台和SGSN之间的IP数据包或X.25报文被分割成多个SNDC数据包单元以适应LLC的MTU的大小,数据包单元被放置到LLC帧内;完成数据的分段和重装;对数据进行压缩,以节约空中接口带宽;负责TCP/IP头的压缩;对数据进行加密等。 

      NS网络服务协议:网络服务协议是基于帧中继网络的,包括网络层和链路层功能;在PCU和SGSN之间传送BSSGP协议的数据单元;PCU和SGSN可能经过多跳帧中继网;在BSS和SGSN之间要建立通过NSVC识别的逻辑帧中继链路,多个用户的LLC-PDU按负荷分担方式复用在这些虚电路上;该层还负责NS-VC的闭锁、解锁、复位、测试等NS-VC管理功能。在PCU和SGSN的数据库中需要定义NSVCI和GBL、DLCI的映射关系。 

      BSSGP(BSS GPRS应用协议):提供PCU和SGSN间的无连接链路;承载上层数据信息即LLC信息,在下行方向上向BSS提供RLC/MAC功能实用的无线相关的信息,在上行方向上向SGSN提供从RLC/MAC功能获得的无线相关的信息;承载SGSN和PCU之间的路由信息和QOS信息;支持SGSN和PCU之间信令管理和分组确认;通过BVCI识别小区;通过NSEI识别PCU,所以通过NSEI+BVCI可以唯一地识别每个BSSGP虚连接。

    BSSGP的业务模型 

      GMM业务接入点的功能:负责GPRS移动性管理。指示BSS寻呼MS;请求SGSN向BSS发送MS当前的无线接入能力;BSS向SGSN发送有关无线接口的状态信息如链路质量差等;MS的Attach\Detach操作等。 

      NM网络管理的功能:完成FLUCH操作,当手机从一个小区移动到另一个小区时,SGSN通知BSS删除原BVCI相关数据,并向新的BVCI发送数据;BVC的闭锁、解锁和复位;对每一个BVC实行下行方向的流量控制,BSS向SGSN发送有关流量控制的信息,SGSN控制向BSS的业务流量。 

      L2协议:可以是以太网、也可以是ATM等。 

      IP网络互联协议:网络互联协议,主要完成路由功能,用于用户数据和信令的路由。目前采用的是IPv4。IP的开放性使得上层的应用和下层的承载网络没有必然的联系,使得应用服务和承载网络技术按照其独立的方向发展,加快了技术发展的速度。 

      TCP传输控制协议:提供面向连接的可靠的数据传输链路,在数据传输之前需要建立连接。TCP用来承载需要可靠数据链路(如X.25)的GTP PDU。TCP提供流量控制的功能。 

      UDP用户数据报协议:提供非面向连接的,不可靠的数据传输链路,在数据传输之前不需要先建立连接,传输数据的可靠性需要上层应用软件来保证。UDP用来承载不需要可靠数据链路(如IP)的GTP PDU。UDP不提供流量控制的功能。 

      GTP即GPRS隧道协议:由SGSN和GGSN组成的GPRS骨干网是一个纯粹的IP网;GPRS骨干网可以使用与因特网相同的方法构建,或在现有IP网上通过VPN来构建。GPRS骨干网中,GTP可以传用户分组数据;可以传有关隧道建立、维护、释放的隧道管理信息;可以传有关回应请求、回应相应、版本不支持的路经管理信息,这些GTP信令消息是依靠每个消息都有一个序列号、每个请求消息都对应有响应消息以及相关Timer来保证传输的可靠性。GTP允许多种协议包如IP包或X.25包等在GSN组件间用隧道方式穿过。由于每个用户同时只能有一个管道,所以用于区分不同GTP的TID必须用区分不同用户的IMSI和区分不同应用的NSAPI一起加以区分。在现有的IP网上通过VPN来构建GPRS的骨干网可以保证来自网外的IP报文不在骨干网内路由,增加了系统的隐蔽性和报文的保密性;因为隧道可以封装任意数据,这样就可实现GPRS骨干网与多种外部数据网互通。在GPRS骨干网中,GTP依靠下层的UDP/IP协议来实现,端口号为3386,使用GTP协议的接口有同一PLMN内部GSN节点间的Gn接口和不同PLMN之间GSN节点间的Gp接口,还有GSN和计费网管CG之间的Ga接口。 

    四、GPRS的应用情况和演进路线 

      作为2.5G的GPRS网络的下载传输速率远远低于所期望的速率,GPRS理论上可以达到的最大速率为171.2Kbps,但这是在全部采用CS-4编码方式且MS有8个时隙同时接受情况下得到的,在实际应用中这是不可能实现的。一方面是由于目前移动终端不支持占用太多的时隙(目前中国国内的GPRS手机一般支持3个下行时隙),另外尽管GPRS引入了4种Coding Schedeme 的编码方案,但对于CS-4码率将近1:1,几乎没有用于检错和纠错的容余信息,即没有纠错能力,这对于无线传输来说是不可能做到的,所以目前实际使用的速率一般为20Kbps左右,在无线环境比较差和网络繁忙的情况下有时还比不上通过固定电话拨号的速率。GPRS空中接口的调制技术也比较落后,仍为GMSK方式,等等。所有这些因素从技术的角度就制约了GPRS的发展。 

      3GPP进行标准化的WCDMA、TD-SCDMA是GPRS的演进方向。WCDMA、TD-SCDMA就无线接口和无线接入网来讲,是全新的。无线接入网将采用基于ATM或IP的传输技术,代替目前基于帧中继的传输技术;无线接口采用WCDMA、TD-SCDMA,代替目前单一的TDMA技术,也就是说Um接口将发生"革命"性的变化,所有承载平面将有WCDMA或TD-SCDMA的协议栈来代替,而网络层及其上层应用并不发生变化。同时为了适应更高速率的要求,Gb接口将引入技术更加先进的,速度更快的ATM或IP传输技术来取代目前的FR技术。同时数据核心网是基本不变的。可以看出在网络演进的过程中,协议栈的基本结构和功能是不变的,只是在各种接口的每个协议层次上引入了更加先进的技术,功能得到了进一步的增强,效率得到了进一步的提到。 

      3GPP2标准化的cdma2000-1x,相对于IS-95无线接口和无线接入网都是“演进”式的。3GPP2制定的CDMA1X Release 0与3GPP的R99类似,实现了电路和分组业务的分离,引入了PCF(分组控制功能)和PDSN(分组数据业务节点)等新的网元和相应的接口,无线侧采用CDMA2000-1X技术,与IS-95是兼容的,因为它们都是基于CDMA的技术。 

      从目前全球电信运营商的情况来看,CDMA 1X的发展速度很快。这不仅取决于该技术和标准比较成熟,而且在更大程度上取决于CDMA 1X后向兼容IS-95,可在IS-95网络上平滑升级,既节约了投资,又保护了用户的利益。而WCDMA商用化推迟的原因不仅取决于这种技术比较复杂,更大程度上取决于无线侧不能与GSM和GPRS兼容。既要投入大笔的资金用于网络改造,又要引入双模手机来实现与2G网络的切换。 

    五、结束语

      由此可见深刻理解GPRS协议栈的结构和功能,对于理解GPRS向3G演进的实质,以及演进过程中发生变化的接口和协议层,同时对于理解CDMA 1X网络的功能单元和协议层都是很有帮助的。
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