（通信与信息系统专业论文）基于ttcn3的himac协议一致性测试软件设计.pdf

摘要l i l l l 0 删删嗍删1 1 1 1 1 删y 2 0 6 8 5 6 6h i n o c ( h i g l lp e r f o m 雒c en e t 、) l r o r ko y e fc o a ) 【) 技术是一种新型的宽带接入技术，它利用现有的有线电视同轴电缆分配网络，只需在楼道和户内添加相关的h i n o c 调制解调设备，就可实现多种高速数据业务的双向传输，为最后1 0 0 米的宽带接入提供了一种便捷、实用的新型解决方案，也为三网融合的目标提供了一条新途径。随着该技术的产业化，相关h i n o c 设备会逐渐增多，设备的一致性测试将为各厂商产品的互联互通提供有力保证，因此开展协议一致性测试方面的研究开发工作具有重要的意义。本文在研究h i n o c 网络m a c 协议规范的基础上，着重分析了m a c 层信令协议，提出了信令协议一致性测试方法，设计了结点接纳控制的一致性抽象测试集；并基于测试描述语言t t c n 3 ( t l l et e s t i n ga 1 1 dt e s tc o i l t r o ln o t a t i o nv e r s i o n3 )对测试例进行描述，采用测试工具邢w o r l ，b 朗c h 搭建测试系统，详细说明了测试系统的实现过程，给出h m a c 测试实例，并最后通过测试执行，对测试结果进行分析，验证了测试方案的有效性与可行性，本文所设计的测试序列可以达到预期的测试目的。关键词：h i n o cm a c信令协议t t c n 3一致性测试a b s t r a c th i n o c ( h i g l lp e r f o m 锄c en 印阳r kc e rc o a x ) i san e wb r o a d b a i l da c c e s st e c h n o l o g y ，锄【i i l ga d v a n t a g eo fe x i s 恤gc o a x i a lc a b l ed i s t r i b u t i o nn e 俩o d 【o fc a l vw 1 1 i c hc 强p r o 、，i d e1 l i g h s p e e db i d i r e c t i o n a l 仃 u l 跚 1 i s s i o no fm u l t i - s e r v i c e sb yj u s ta d d i n gr e l e v 觚th o cd 嘶c c si i lb u i l d i n 笋a 1 1 dh o m e s a v i n gan c wc o n v e i l i 肌ts 0 1 u t i o nf o rm el a s t1o om e t e r s a c c e s s ，h i n o ct e c h o l o 跚、i mo l l ro w nn e l l e c t u a lp r o p 酬mw i l lh e l pa p p r o a c h i 】1 9m e “t r i p l ep l a y ”t a 玛e te 伍c i e n t l ya l o n g 研t l lm ei n d u s t r i a l i z a t i o no f 廿l et e c h n o l o 鼢h i n o cd 耐c e s 诵1 1b em a n u f a c t u r 司g e n e r a l l y t 0e n s u r em ei n l p l e m e n to fp r o d l l c tb 咖gi i la c c o r d a n c ew i 廿lt l l ep r o t o c o ls t 锄d a r d 姐d舒l a i a n t e et l l ei n t e r o p e r a b i l i t ) rb 娟) i r e e nd i 伍玎e n ti m p l e m e l l t s ，i ti sn e c e s s a r yt od o 吐l ec o n f o n l l a i l c et e s t i n g 硼m sd e v e l o p i n gh i n o cp r o t o c o lc o n f o 姗a 1 1 c et e s t m gi so fg r e a ts i 删f i c a i l c e b a s c do nm es n l d yo fh i n o cm a cp r o t o c o ls p e c m c a t i o n ，t h i sp a p e rf o c u s e so nh i m a cs i 铲a l i n gp r o t o c o l ，p r o p o s e dac 0 n f o l m 孤c et e s t i n gm e l o do fs i 伊a l i n gp r o t o c 0 1 a na b s t r a c tt e s ts u i t ei sd e s i g n o ds p e c i a l l yf o ra d m i s s i o nc o n t r o lo fs i g n a l i n gp r o t o c 0 1 a n dm et e s tc a s e s 黜d c s c r i b e db yt t c n - 3 ( 1 1 1 et e s 血g 趾dt e s tc o n 们ln o 枷o nv c r s i o n3 ) ，m et 懿td 懿嘶p t i o n1 a l l g u a g e 1 1 1 e l l w i m7 1 1 w o r k b e i l c h ，as o 脚a r et o o l 蛋缸t i 瞰a u t o m a t i o 玛m e 慨ts y s t 锨i sd e s i 鳃e d 内ro u r j o b b a s c do nm e s e ，啪s p e c i 丘ct e s tc 鹄e sa r c 百豫lt 0i l l u s 跏et h ea c 删i z i n gp r o c e s so ft 锚ts y s t e l l l f i n a l l y m u 曲锄a l y s 懿o ft h et e s te x e c u t i o nr e s u l t s ，m ed e s i 弘e dt e s ts e q u e i l c e sc o u l da c t l i e v et h ct e s tp u r p o s e ，a n dm et c s ts o l u t i o np r 0 v i d c di i l “sp a p e rh a sb e c nv 舐f i e dt db ee f f e c t i v ea n df e a s i b l e k e y w o r d ：h i n o cm a cs i 印a i i n gp m t o c o it t c n 一3c o n f o r m 蛆c et e s t i n g第一章绪论第一章绪论1 1 研究背景随着数字技术- 网络技术的快速发展和普及应用，三网融合已成为各国信息基础设施发展的共同趋势，也成为网络研究领域的热门课题。在我国，“十一五一规划纲要中也明确指出，要加强宽带通信网、数字电视网、下一代互联网等基础设施建设，推进三网融合的发展i l j 。一。一“一三网融合就是电信网、互联网、广播电视网三种网络技术一致、业务趋同、功能相当、传输相同；三网融合的内容包括网络融合、业务交叉、显示交互、传输互动。通信的终端设备越来越丰富多彩，各种设备逐步向兼容的方向发展；各种电信业务和服务不断向互联网汇聚；口技术为三网融合提供了通道，这些都为三网融合的发展奠定了基础。当前，随着光纤技术的日趋成熟，骨干网已基本实现光纤化，其带宽已可以满足各种业务需求，而作为“最后一公里”的接入网速率则成为限制构建高速信息网络的瓶颈，影响三网融合的发展。宽带接入技术根据传输媒质的不同，一般分为有线宽带接入和无线宽带接入。目前主要的有线宽带接入技术有：基于同轴电缆的c a b l em o d e i i l 接入技术，基于电话线的a d s l 接入技术，基于五类线的以太网接入技术，基于p o n 技术的光纤接入，电力线接入；宽带无线接入的主要技术有、瓶f i 、w m a 】【、l m d s 、m m d s等。通常，无线接入具有组网灵活，不受地理条件限制，并支持终端设备的移动性等优点；但其缺点也很明显，比如信号穿透性差，易受干扰，传输速率低且为多用户共享，服务质量难以保证，而且无线频率资源也是困扰无线接入的一大问题。因此无线接入更适用于有线接入的补充方式或移动终端的联网手段。而目前我国最主要的宽带接入方式是基于电话线的a d s l ，但双绞线通信容量低、屏蔽性能差的固有缺陷难以达到未来宽带网络业务的要求，更难以满足三网融合的带宽需求。而其它现有的有线接入技术由于带宽、成本、重新布线等原因都难以为三网融合提供可行的接入网解决方案。我国有线电视网分布广泛的楼道和户内分配网络具有得天独厚的频带宽、容量大、抗干扰能力强等优点。因此，电缆接入技术( e o c ，e m e n l 戗o v e rc o a x )成为下一代广播电视网( n g b ，n e x tg e n e r a t i o nb r o a d c a l s t i n g ) 的关键技术之一，即基于同轴电缆，通过各种数字调制技术来承载以太网业务和其他各种综合业务，实现n g b 用户宽带接入。利用该技术进行有线电视网络的改造，可以有效发挥有线电视网频带宽、成本低、易普及的优势，有利于有线电视网络建设成为千家2基于删3 的h i m a c 协议一致性测试软件设计万户的多媒体信息平台，满足社会各界和广大居民的多方面需求，推进三网融合。目前国内外存在多种基于有线电视电缆分配网的双向接入技术，但实现方式存在很大差异。而各技术方案又均有其各自的局限性：从信道带宽来看，有些技术选用的信道带宽不是8 m h z 的整数倍，不符合我国有线电视网络的信道带宽规划要求，不利于信道的合理分配和有效利用；从协议性能来看，有些技术提供的业务速率不能满足当前和未来一段时期业务发展的带宽需要；从成本角度，由于缺乏统一的标准，特别是缺乏具有中国自主知识产权的标准，各种方案难以大规模推广。在此背景下，根据我国有线电视同轴电缆网络带外信道特性设计的，具有我国自主知识产权的宽带接入技术- h i n o c ( h i 曲p e f f o n n a i l c en e 研o r ko v e rc o a ) 【) 应运而生。本文描述的h i n o c 技术利用小区楼道和户内已经敷设、分布广泛的有线电视同轴电缆，构建高速的信息接入网【2 】。只需在楼道和户内添加相关的h i n o c 调制解调设备，无需对入户电缆线路进行任何改造，就可实现多种高速数据业务的双向传输，为用户提供超过4 0 m b p s 的接入速率，支持标清高清电视( s d t 、，i h d t v ) 、视频点播( d ) 、网络电视( p t v ) 、高速上网等各种传统和新型业务。该技术为最后1 0 0 米的宽带接入提供了一种便捷、实用的新型解决方案。然而，h i n o c 作为一种新提出的具有我国自主知识产权的接入技术，目前还没有相关的测试技术研究和测试设备出现。因此，为促进h i n o c 技术研究的进一步深入，保证h i n o c 技术的规范化和各家产品的互连互通，便于行业管理，推动产业发展，对h i n o c 测试技术进行深入研究，开发适合的测试方法与抽象测试集具有重要的研究意义。1 2 协议一致性测试的意义随着计算机网络和通信技术的快速发展，网络之间的互联互通以及通信业务越来越依赖通信协议的发展。可以说，通信系统的正常运行和通信业务的顺利开展，首要就是取决于协议软件是否满足协议规范的要求。所以，必须进行专门的协议测试加以保证。协议测试技术的目的就是保证通信协议正确实现以及确保不同的通信设备之间可以正确互联。在通信协议测试中，协议测试是一种黑盒测试，它并不检查协议代码，而是按照协议标准，通过控制观察被测实现的外部行为对其进行评价。协议测试技术主要包括四个方面：一致性测试( c 0 n f o m a n c et e s t i n g ) ，性能测试( p e r f o n i l a n c et e s t i n g ) ，互操作性测试( i n t e r o p e r a b i l i 锣t e s t i n g ) 和鲁棒性测试( r o b u s t n e s st e s t i n g ) 。1 3 】一致性测试旨在检测所实现的协议实体( 或系统) 与协第一章绪论3议规范的符合程度；性能测试旨在检测协议实体或系统的性能指标( 数据传输率，联接时间，执行速度，并发度等) ；互操作测试旨在检测同一种协议的不同实现版本之间，或同一类协议的不同实现版本之间互通的能力和和操作能力；鲁棒性测试旨在检测协议实体或系统在各种恶劣环境下运行的能力( 信道被切断，通讯结点掉电，注入干扰报文等) 。其中，一致性测试是协议测试的基本内容，也是其他测试的基础。二个标准化的通信协议并不能确保该协议的不同实现之间能够成功地进行通信。由于目前的协议标准基本上是使用自然语言描述，实现者对协议的不同理解会导致不同的协议实现，有时甚至会是错误的实现。因此需要一致性测试对协议实现进行判别。协议一致性测试通过检验被测协议实现是否与它所声明遵守的协议标准相一致而使得各个协议实现之间互连互通的概率得到了极大地提高。随着三网融合的推进，h i n o c 技术将会在国内部分重点城市建立示范应用，短期内将会出现多家生产h i n o c 系统设备的厂家【4 】，为了验证这些设备是否满足协议规范的要求，设备之间是否能互联互通，确保业务传输，必须对其进行专门的协议测试。因此对h i n o c 协议进行一致性、互操作性等测试的研究势在必行。1 3 本文主要工作和内容安排本文选题来源于国家“8 6 3 ”课题：有线电视同轴电缆宽带接入测试系统。h i n o c 技术包含物理层技术和m a c 层技术，本文的主要工作围绕m a c 层信令协议的一致性测试展开，主要有三个部分：( 1 ) 在分析h 烈o cm a c 层主要机制的基础上，深入研究了m a c 层信令协议的信令帧结构，及信令交互流程，为协议测试提供了依据。( 2 ) 在研究一致性测试方法学和框架的基础上，给出适合h i m a c 协议测试的一致性测试方法，并设计了h i m a c 信令协议一致性测试抽象测试集，给出了测试组的划分原则。将h m ( h i n o c 网络的用户侧设备) 作为被测设备，以其接纳流程的测试为例，设计了一系列测试项目，并给出相应的一致性测试方案。( 3 ) 在简要介绍t r c n 一3 测试系统架构的基础上，详细说明用t t c n 3 核心语言开发h 讧a c 测试例的设计流程；并采用测试工具1 m o r l ( b e i l c h搭建测试系统，以加载h i m a c 协议驱动的嵌入式开发板作为被测实现，最终实现对t t c n 3 测试例的测试执行，并对其结果分析。论文的内容安排如下：第一章绪论部分主要介绍了h i n o c 技术的提出背景，说明对其进行测试研究的重要意义。并介绍了论文的主要工作和结构安排。第二章首先概述了h 矾o c 接入技术的m a c 层主要机制，深入分析了m a c层信令协议及信令帧结构。4基于t 1 n 3 的h i m a c 协议一致性测试软件设计第三章在总结通用的一致性测试方法学基础上，提出h i m a c 协议一致性测试的方法，设计了抽象测试集，并对基于t t c n 3 的测试例开发进行了详尽说明，给出设计流程。第四章阐述基于测试工具们阿o r k b c n c h 的测试开发的具体实现，包括测试开发环境的介绍和测试执行，及结果分析。第五章对论文工作进行了总结和展望。第二章h o c 接入技术第二章h i n o c 接入技术本章首先分析了h i n o c 系统的组网方式、拓扑结构及其协议栈，以及m a c层协议的基本机制；然后重点分析了h i m a c 协议的信令帧结构，及信令交互机制。2 1h o c 技术概述h i n o c 技术是一种新型的宽带接入技术，该技术利用有线电视网已有的同轴电缆分配网络，通过增加h i n o cb r i d g e ( h b ) 和h 烈o cm o d e m ( h m ) 等相关设备，实现高性能双向信息传输的宽带多业务接入。h i n o c 系统网络最大覆盖范围不小于1 0 0 米，频率范围为7 5 0 m h z 1 0 0 6 m h z ，保留更低频段和更高频段的可扩展性。单信道带宽为1 6 m h z ，单信道内支持的最大用户数为3 2 个。采用0 f d m 传输方式，t d d t d m a 双工多址方式。支持动态带宽分配( d b a ) 、网络管理、v l a n 和组播过滤功能。支持v 0 口、h d t v s d t v 、v o d 、高速上网等传统与新型业务【2 1 。2 1 1 组网方案网络拓扑h i n o c 头端设备和处于同一信道的h i n o cm o d 锄( h m ) 构成一个逻辑独立的楼内分配网络，h i n o c 技术支持在多个信道上同时构建多个相互独立的分配网络，h i n o c 的头端设备可以是只支持一个信道的h i n o cb r i d g e ( h b ) ，也可以是支持多个信道集成的h i n o cs w i t c h ( h s ) 。h b 为单信道h i n o c 网络侧设备；h s为多信道h i n o c 网络侧设备，可将以太网数据调制到多个信道上，在同一根c a b l e上传输，相当于多个h b 的集合；h m 是单信道h i n o c 调制解调器，为用户侧设备。典型的h i n o c 组网方案是基于日益普及的光纤到楼( 册) 结构基础上的f t t b + 楼内分配网络，如图2 1 所示。6基于1 w n 3 的h i m a c 协议一致性测试软件设计图2 1 典型组网方式图中，右边代表一个分配网络，由h b 和若干个h m 组成。左边圈中代表若干个分配网络，由h s 和若干个h m 设备组成。利用f t t b ，以太网信号混合c 朋节目信号通过h i n o c 网络侧设备( h b 或h s ) 进入楼内分配网络，并被调制到c a b l e的一个信道内，经分配网络到达处于同一信道的h i n o c 调制器( h m ) ，经h m 解调后传送到高清电视接收机、p c 等终端设备。h s 设备组成的分配网络可以支持多个h i n o c 信道，各信道占用不同的频带，信道之间按照f d m 频分方式分隔复用。在单个h i n o c 信道内，其物理拓扑结构为总线型，如图2 2 所示。为更好支持业务的q o s 和优先级等特性，必须对该网络施以更多的控制，因此h i n o c 的m a c 层采用以下架构：网络在逻辑上采用中心结点控制的星型拓扑结构，如图2 3 ，h b 可以与各h m 进行通信，h m 之间不能直接通信。图2 2 物理网络拓扑图2 3 逻辑网络拓扑2 1 2h i n o c 系统协议栈h i n o c 技术包含物理层技术和m a c 层技术，m a c 层又分为公共部分子层第二章h 烈o c 接入技术7( c o m m o np a i ts u b p l a y e r ，c p s ) 和汇聚子层( c o n v e 唱e i l c es u b p l a y 砑，c s ) 两个子层。系统的协议栈参考模型如图2 4 所示。高层么、l弋夕汇聚子层( c s )!萋公共部分子层( c p s )土一物理层一羞图2 4 h 矾o c 系统协议栈p h y 层定义的信号传输模式，包括帧结构、信道编码以及调制技术等。为避免多径引发码间干扰、提高信道利用率，h i n o c 系统物理层采用o f d m 技术进行调制，在1 6 m h z 信道内使用2 5 6 个子载波，其中有效子载波2 1 0 个，各子载波可以自适应的采用q p s k 到1 0 2 4 q a m 的调制方式。物理层帧有四种：下行探测帧( p d 帧) 、上行探测帧( p u 帧) 、下行数据帧( d d 帧) 和上行数据帧( d l l帧) 。物理层帧结构均由前导序列和负载段两部分组成。p d p u 帧主要用于承载m a c 层信令帧，d d d u 帧用于承载m a c 层控制帧和数据帧。m a c 层实现h i n o c 网络中的媒质接入控制和业务适配功能。其中c p s 实现m a c 层的接入控制和信道分配等核心功能，c s 实现m a c 层核心功能与高层功能的适配。同时还定义了m a c 层的帧类型和帧格式。m a c 层帧包括控制帧、数据帧和信令帧三类。控制帧包括预约帧( r 帧) 和m a p ( m e d i a a c c e s sp l 趾) 帧，用于实现信道预约和信道分配功能。数据帧用于承载上层以太网业务。信令帧用于实现结点接纳、结点退出和链路维护过程中h b 和h m 之间的信令交互。2 2h i n o c 系统m a c 层主要机制h i n o cm a c 层( 简称h i m a c ) 主要解决同轴电缆共享信道上多点接入控制的问题。m a c 层采用中心结点控制的星型拓扑结构，采用全协调的t d d 厂r d m a ，基于预约许可的分配策略，以保证各结点收发过程中无碰撞发生；支持不同优先级别的q o s 和各结点灵活的带宽分配。h i m a c 的主要机制包括以下几个模块：m a p 周期规划、预约许可机制、结点接纳机制和链路维护机制以及汇聚功能。( 1 ) 脚周期规划8基于t r c n 3 的h v i a c 协议一致性测试软件设计h i m a c 协议中整个信道被划分为在时间轴上连续且互不重叠的m a p 周期。每个m a p 周期，h b 通过广播一个m a p 帧，向各h m 结点发布下一m a p 周期的信道分配方案。每个m a p 周期的起止时刻以及该周期内的信道分配方案，由上一m a p 周期的m a p 帧进行规划。如图2 5 所示，第n 个m a p 周期内的信道如何分配由第( n 一1 ) 个m a p 周期内的m a p 帧分配。：，：f ，7 t ：7 1 ：婶冬p 帧7m p 够1：酗a p 帧7c ：，分，1o 一? o ，? ，、，? ，a图2 5 信道上的m a p 周期一个m a p 周期的标称值为4 m s ，但为了保证具有较高的信道利用率，协议规定h b 可根据网络中h m 的数目及各h m 的预约业务量动态调整m a p 周期的时长，业务量小时m a p 周期适当减小。在一个m a p 周期内，根据信道上数据的发送方向，可以分为上行数据和下行数据两部分，其中上行数据为h m 发送给h b 的数据，包括上行数据帧和预约帧，下行数据为h b 发送给h m 的数据，包括下行信令帧和m a p 帧。在相邻帧之间和相邻脚周期之间留有适当的保护间隔，以防止相邻帧由于各结点时钟偏移或者线路迟延等因素导致的碰撞。h i n o c 系统信道上除了m a p 周期内的各帧之外，还存在p d p u 帧。p d 帧是一种下行的广播物理帧，p u 是一种上行的单播物理帧，它们可以被用来承载h m a c 信令，完成m a c 层网络接纳和链路维护功能。m a p 周期与p d 帧、p u 帧关系如图2 6 所示。np up dfh蛳i 。珈，：，)| ：、! ：、- 一- 一- ，一一、一。一，。一一、一朔矧阂朋m a p 周期m a p 周啊闭附朋m a p 周期m p 周期图2 6 m a p 周期与p d 帧、p i l 帧关系第二章h 玳o c 接入技术9周期性出现的p d 帧的起始时刻被作为h i n o c 网络的统一时间基准，用来保证全网的时钟同步。每个m a p 帧规划的脚周期的起止时刻均是相对于所处的p d 周期中p d 帧起始时刻的偏移时间。每个p d 帧还指明了其后第一个m a p 帧的起止位置，已接入网络的h m 结点在发生故障时，可以依靠p d 帧找回m a p 帧，以增强网络的健壮性。h b 在进行信道规划时，需要避让开p ( 1 p u 的发送时刻。( 2 ) 预约许可机制为保证各子结点可以无冲突的访问信道，h i n o c 系统引入了预约许可机制。网络中是h m 结点每隔一段时间都会获得预约请求时隙，当h m 有数据要发送时，使用预约帧向h b 请求带宽；h b 根据各h m 结点的预约信息，综合当前网络资源，依据相应的调度算法决定是否为该h m 分配数据发送时隙，并通过m a p 帧发布分配方案。h m 通过解析m a p 帧，若预约得到许可，则在规定的上行时隙发送数据，否则重新进行预约，如图2 7 所示。图2 7 上行链路数据传输流程而对于下行方向的数据，不需要预约，h b 直接为其规划传输时机。当h b有数据向h m 发送时，h b 根据调度算法为其分配发送时隙，并通过m a p 帧将发送该数据帧的起止时刻等参数告知相应h m ；h m 在m a p 帧中规定的时刻接收数据。( 3 ) 结点接纳、链路维护机制为保证h i n o c 网络内通信的安全性，h i n o c 设计了结点接纳机制。结点接纳是指一个新的h m ( n h m ) 设备上电或初始化后，加入到现有h i n o c 网络的过程。新结点通过接纳机制力q 入到h b 所管辖的网络后，才可申请带宽并进行数据通信。1 0基于1 t c n 3 的h i m a c 协议一致性测试软件设计结点接纳流程包括：新结点( n h m ) 的身份验证，n h m 与h b 之间的上下行信道训练，互相报告信道参数，以及向全网通告新的广播参数。进行信道训练，是为了使新加入的结点以更加安全高效的调制模式进行数据传输；全网通告广播参数是为了确保所有结点以正确的调制图样等参数接收广播帧。为了保障h b 与h m 之间通信的可靠性与高效性，链路维护机制对h i n o c网络也十分重要。在h i n o c 系统工作过程中，中心结点h b 和各个子结点h m之间链路的信道性能有可能发生变化。链路维护是对链路的各种参数重新进行估计和交互，以适应信道特性的变化，维持系统的稳定工作。h i n o c 系统的链路维护有两种方式：周期性的全网维护和对h m 的单独维护。一般情况下，h b 结点按周期轮询各h m 结点进行链路维护。单独维护可由h b 单独启动，或当h m 发现链路状况变化时申请启动。( 4 ) 上层业务的汇聚c s 负责接收高层的协议数据单元( p d u ) ，并将高层p d u 映射到c p s ，以及进行相反方向的转换操作。目前，h i n o c 网络支持的高层p d u 主要是以太网m a c 帧。c s 实现的具体功能包括地址学习与转发表构建、数据帧转发、数据帧打包拆包，以及优先级映射。地址学习与转发表构建就是建立高层p d u 地址与h i n o c 网络结点地址的映射关系。数据帧转发就是确定将高层p d u 转发到哪一个h i n o c 网络结点。汇聚子层提供的数据帧打包拆包机制，发往相同结点同一优先级的业务数据可以封装到一个h i m a c 帧内进行传输，以提高m a c 层的吞吐量。本文的协议测试是对h i m a c 信令的测试，而结点接纳和链路维护是h i n o c信令的主要组成部分，下文将首先对h m 忱c 信令帧及完成接纳和维护功能的具体交互流程作详细研究。2 3h i m a c 信令协议信令交互是h i n o c 网络的重要机制，信令交互与数据业务通信协同运行，为新结点建立通信链路，维护网络的正常运行，是保障中心结点与子结点正常通信的重要机制。本文把h i n o c 协议信令部分称为h m 队c 信令协议，本节将就这部分内容作详细说明，为下文的协议测试作准备和铺垫。2 3 1h i m a c 信令帧结构信令帧用于实现结点接纳、链路维护以及结点退出过程中h b 和h m 之间的第二章h 斟o c 接入技术l l信令交互。它由物理层p d p u 帧来承载，封装在p d p u 帧的7 2 0 b i t 信令数据中，如图2 8 所示。信令帧交互采用可靠的较低阶的调制方式，以确保接纳和维护的顺利进行，是正常通信的前提。图2 8 信令帧的封装方式信令帧分为上行信令帧和下行信令帧，其帧结构如图2 9 所示和图2 1 0 所示。图2 9 上行信令帧格式图2 1 0 下行信令帧格式上行信令帧首部长度6 字节，包括目的结点d ( d e s t i n a t i o nn o d ei d ) 、源结点i d ( s o u r c en o d ei d ) 、帧长度( f 洲el e n g t h ，包括首部和载荷) 、帧类型( f ra m et y p e ) 、版本号( v e r s i o n ) 、分片标志( f f ) 、最后一个分片标志( l f f ) 、分片序号( f s n ) 以及预均衡标志( p r e e qe n ) 。从帧结构图中可以看出，下行信令帧首部比上行信令帧首部携带了更多的信息。除了包含上行信令帧首部的信息外还包括h i n o c 网络d ( h i n o ci d ) 、h m结点的个数( h mn u m ) 、h i n o c 网络状态( h i n o cs t a t e ) 、m a p 帧的长度( m a pl e n g t h ) 、传输m a p 帧所需要的o f d m 个数( m a po f d mn u m ) 、传输m a p 帧所需要使用的子载波最大调制模式( m a pm a xm o d um o d e )以及从当前p d 开始的下一个m a p 帧的发送起始时刻( m a pf 洲eo f f s e t ) 。1 2基于t t c n 3 的h i m a c 协议致性测试软件设计2 3 2 信令帧类型信令帧类型可以通过信令帧首部中的f r a m e ”俾e 域的取值来标识。结点接纳和链路维护过程中使用的下行信令帧和上行信令帧类型，由表2 1 和表2 2给出表2 1 下行信令帧帧类型功能空帧( e m p l y )用于下行信道训练接纳响应帧( a d mi 也s )接纳响应拒绝帧( 1 唧)册将把对应的h m 从网络中删除上行信道报告帧通告上行链路信道参数确认帧( a c k )对d l 烈kl 冱p o r t 的确认广播参数报告帧( c 砌pi 匝p o r t )通告当前网络的广播参数链路更新帧( l n l 乞u p d a t e )指示h m 更新链路参数退出确认帧( q u - a c k )对q u l l r 的确认表2 2 上行信令帧帧类珏! |功能空帧( e m p l y )用于上行信道训练接纳请求帧( a dm _ b e q )新结点请求接纳接纳确认帧( a d ma c k )对a d mr e s 帧的确认拒绝确认帧( r e ja c k )对i 唧的确认确认帧( a c k )对u l 玳kr e p o r t 的确认下行信道报告帧( d l i n k 姗r t )通告下行链路信道参数退出帧( q u i t )退出网络2 3 3 信令交互流程分析上文在结点接纳、链路维护机制中简要说明了结点接纳和链路维护的功能和实现。本小节将描述具体的信令交互流程。 结点接纳流程结点接纳过程的h i m a c 信令帧交互图如图2 1 l 所示。接纳过程包括7 个状态，各状态行为描述如下：第二章h i n o c 接入技术n h m蛐e m 町y ( o o )；娜5e 呵y ( o ，0 )a d m r e qa d mr e ss la d ma c kn明mo 1 )d l 帅cl u 三p o r t 分片1a c kis 2d l 矾kr e p o r t 分片na c k日m 哪蝴y o 1 )s 3 u l i n kr e p o r t 分片la c k：s 4u l i n kr e p ( 豫t 分片na c k咖r e p o r t 分片ls 1 0c 蛐灶p o r t 分片2 连续发送三z；l i n ku _ p d a t ej一连续发送三；正常通信s 5图2 1 1 结点接纳流程1 ) o 态：进行网络搜索，及下行信道训练。无论h b 还是n h m ，在刚上电的时候都要进行网络搜索。对于h b ，是搜索可用的h i n o c 信道，构建自己的h i n o c 网络；对于n h m ，是通过网络搜索，监听p d 帧，加入已存在的h i n o c 网络。依据是否只在指定频率上搜索，网络搜索分为固定频率搜索和切换频率搜索。h b 完成网络搜索后，周期性发送p d 帧，等待新结点的接纳。n h m 则通过监听到的p d 帧进行下行信道训练，计算相关的下行信道参数，如功控参数、时频偏等。训练完成后，n h m 依据下行信令帧首部的h i n o cs t a t e 域，判断当前h b 是否处于可接纳稳态，若是，则n h m 可发送接纳请求( a d mr e q ) 转入1 态。2 ) 1 态：交互接纳请求和接纳响应帧。1 4基于t t c n 3 的h i m a c 协议一致性测试软件设计该态采用三次握手机制完成接纳认证、许可。n h m 发送接纳请求帧( a d mr e q ) 后，准备接收响应帧( a d m r e s ) ，若在定时器超时前收到h b对自己的接纳响应帧，则发送接纳确认帧( a m 班a c k ) 。对于h b ，在收到n h m的a d mr e q 后，若其身份验证信息通过，当前网络允许其接纳，则为该n h m分配h i n o ci d ，发送a d mr e s 帧，并通过下行信令帧首部发布当前网络状态为接纳态，然后等待n h m 的a d ma c k 帧。由于该态可能存在多个n h m 竞争接入网络的情况，故设置了退避机制。当网络中有多个n h m 同时发送接纳请求，此时发生冲突，n h m 执行二进制指数退避。退避次数k 是与接纳请求次数相关的随机数，取值范围为 o ，2 m l 】，m 为先前尝试发送a d mr e q 帧的次数。三次握手完成后，即h b + 收到来自n h m 的a d ma c k 帧，发送接纳态的e m p t y 帧，转入2 态。3 ) 2 态：交互下行信道训练报告。n h m 收到来自h b 的接纳态e m p t y 帧后，开始向h b 反馈下行信道训练报告( d l i n k 二r e p o r t ) 。由于下行信道训练报告帧长超过一个信令帧最大长度7 2 0 b i t ，所以需分为多片传送，此时信令帧首部中的分片标志f f 需置位。分片的序号由信令帧首部中的f s n 域的值判断，在接收端重新聚合。此态采用两次握手交互下行信道训练报告，即n h m 发送当前d l i n kr e p o r t 分片后需等待接收来自h b 的确认( a c k ) 后，才继续发送下一分片。h b 则根据收到的分片序号是否与期望的一致，决定是否发送a c k 。4 ) 3 态：进行上行信道训练。上行信道训练是n h m 周期性的发送e m p t y 帧，而h b 根据收到的e m p t y帧计算相关信道物理层参数的一个过程。信道训练结束，h b 开始发送上行信道训练报告分片( u l i n kr e p o r t ) ，进入4 态。值得说明的是，虽然该态h b 不需要与h m 有所交互，但是鉴于p d 帧的“全网校时功能，以及它随时发布网络状态及脚参数信息等，所以每个p d 周期，h b 都需发送p d 帧，其中携带下行e m p t y 帧。5 1 ) 4 态：交互上行信道训练报告。与2 态交互下行信道训练报告类似，此态，由h b 发送上行信道训练报告( u l i n kr e p o i 盯) ，若n h m 收到的u l i n kr e p o r t 分片无误，则发送a c k给h b 。h b 收到对最后一个分片的a c k 帧之后，准备重新发布当前信道的广播第二章h n o c 接入技术1 5参数，转入1 0 态。6 ) l o 态：发布新的广播信道参数。由于新结点n h m 的加入有可能影响信道的广播参数，在与n h m 的信道训练完成之后，h b 需要通过广播参数报告帧( c m pr e p o r t ) 向网络中的所有h m结点通告新的信道广播参数。一在该态，h b 连续发送3 次c m pr e p o r t 帧，然后再发送链路更新的指示( l i n ku p d a t e ) ，不需要等待各h m 的确认帧。h m 只接收下行信令帧，并不与h b 进行交互( 当网络中子结点数较多时，逐个交互起来需要多个p d 周期) 。因此，为保险起见，c m pr e p o i 汀帧和l 玳ku p d 御瞪帧都是连发三次。为了使各个h m 能平滑的切换新旧参数，l i n ku p d a t e 帧中规定了更新参数的时刻。h m 不论收到第几个l i n ku p d a l r e ，都可以按时更新接收广播帧的物理参数，确保准确接收m a p 帧。7 ) 5 态：稳态，新结点完成接纳，开始收、发m a c 层数据。该态为稳态，至此接纳过程结束。n h m 成为已接纳结点h m ，其他h m 也更新了参数，h b 和h m 将使用约定的信道参数进行通信。在本态h b 继续周期性的发送p d 帧，等待下一个新结点的接纳。综上，新结点n h m 通过该结点接纳过程获得在该h 玳o c 网络通信的唯一标识( h md ) 。并在此过程中，通过信道训练确定该新建通信链路传输数据的物理层参数，如o f d m 调制参数、功率控制参数，及时频偏、信道估计参数等。完成这一系列过程后，n h m 成为h m ，进入正常通信状态，之后在h b 的m a p 帧统一调度下，实现无冲突的数据收发。以上是h m a c 信令交互的正常情况下流程，为了应对链路的突发异常状况，网络中的各结点包括中心结点h b 和子结点h m 都有相应的异常处理机制，来增强h i n o c 网络的健壮性。通常，在各个功能状态，通过设置定时器来保障网络不会陷入死锁；设置重传机制，以防链路上的帧或碰撞或丢失或出错。例如，h b和h m 在每个状态，当发送一帧后，如需等待对方响应或确认，均要设置定时器，若收到对方响应，则取消该定时器；若定时器超时未收到响应，则重发当前帧，再次等待响应；若重发次数达到最大限制，仍未有响应，则退出接纳过程。图2 1 2 和图2 1 3 分别为h b 和h m 在结点接纳过程协议有限状态机( f s m ) 。以图2 1 2 为例，该图描述了结点h b 在接纳过程中的状态迁移情况。图中给出了各子状态的基本输入输出事件，没有考虑“变量赋值 、“设置定时器、“设置计数器”、“复位定时器 等协议动作。1 6基于t t c n 3 的h i m a c 协议一致性测试软件设计量罄| | | 嘉接收d i i i i l 【r 叩叫分片，发送a c k图2 1 2 h b 结点接纳状态转移图孝薹翥羹匣如图2 1 2 ，该状态转移图描述：h b 在可接纳稳态s 5 周期性发送e m p t y ( o ，0 )帧，当收到来自n h m 的上行信令帧a d mr e q ，且同意其接纳，则发送a d mr e s并转入s 1 态。当在s l 态，h b 收到来自n h m 的a d ma c k ，则发送接纳态空帧e m p 付( 0 ，1 ) 转入s 2 态；当异常发生，即未收到a d ma c k ，则再次发送a d mr e s 帧，同时重发计数器开始计数，若发送次数超过最大限度( 此处协议实现规定其为3 次) ，则h b 放弃接纳该n h m ，转回到s 5 态。在s 2 态，h b 接收下行信道训练报告分片，并发送确认帧a c k ；在进入本态之前，h b 设黄该子状态定时器，若定时器超时，下行信道训练报告仍未接收完毕，则放弃接纳该n h m并返回s 5 态。在s 3 态，h b 持续接收上行信令帧，进行上行信道训练，若训练成功，则开始发送u l i n kr e p o r t 分片，转入s 4 态；同样，该态为异常处理设置有子状态定时器，限定上行信道训练的最长时间，若该定时器超时后，h b 仍未能计算出信道参数，则放弃接纳该n h m 并返回s 5 态。在s 4 态，h b 接收来自n h m 的对当前u l i n kr e p o r t 分片的确认，并发送下一个分片，一直到收到对最后一个分片的确认a c k ，这时转入s 1 0 态；若该过程中，没有收到对当前分片的确认，则重发当前分片，若发送同一分片的次数超过最大重发次数，则做第二章h 玳o c 接入技术1 7异常退出处理，放弃接纳该n h m 并返回s 5 态。在s 1 0 态，连续发布三次c m pr e p o i 盯给所有的h m ，随后广播三次l i n ku p d a = r e ，然后进入s 5 态，开始正常通信。正常情形下，h b 在接纳过程的状态迁移是：s 5 s 1 s 2 - s 3 s 4 s 1 0 s 5 。但是，在各个子状态，如果h b 因异常状况，如定时器超时或计数器达到最大限制等原因，无法完成对当前n h m 的接纳，h b 均可退出接纳过程直接返回s 5 态，并将异常状况向高层管理实体报告。在内m 中反映为，各子状态均可直接指向5 态。需要补充说明的是，在接纳过程中，h b 可随时因链路状况问题或接受上层实体指示，通过发送拒绝帧r e j 令n h m 退出。冀沸古；i l 开董萋图2 1 3h m 结点接纳状态转移图n h m 的状态转移过程是：s o - s 卜 s 2 - s 3 - s 4 s 1 0 s 5 ，如图2 1 3所示。其描述可参照上文各子状态功能介绍，此处不再详细叙述。可以看出，正常情况下，n h m 的状态变迁是不循环的；这点与h b 从5 态开始，完成接纳过程再回到5