宽带微功率MAC,层一致性测试系统设计与实现

江蓓，岳桂君，周欣

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

智能电网在应对全球气候变化，促进世界经济可持续发展等方面具有重要的作用，是未来新型电网的基本模式[1-2]，其网络安全对保障国家重要设施安全具有关键作用[3]。

用户用电信息采集系统是智能电网完成用电数据采集、电网状态监测等功能的实现载体[4]，该系统的本地通信方式主要有RS485 通信、电力线载波通信、微功率无线通信等[5-6]，但随着电力需求的快速增长，这些通信方式已难以满足保证海量数据安全、信号高速传输、网络升级灵活的要求[7]。因此，国家电网开始研究宽带微功率(Broadband Micro-power，BMP)无线通信技术，该技术具有高带宽、高速率、高稳定性等优点，可实现数据的高速和高实时性传输。

为避免协议开发过程中的二义性理解[8]，保证各协议实现之间能够互联互通，需要进行一致性测试。而良好的一致性测试系统能够使测试工作更高效，所以设计实现一种适用于宽带微功率MAC 层的一致性测试系统对验证协议开发的准确性至关重要。

文献[9]介绍了一种基于TCL(Tool Command Language)脚本设计的自动化测试系统，并使用虚拟操作系统模拟器QEMU(Quick Emulator)模拟ARM 芯片，来加载待测的电力微功率协议栈，节约了测试成本，但该系统对协议实现的时隙性能测试无法覆盖；
文献[10]基于TTCN-3框架设计了一种宽带PLC 一致性测试系统，为PLC 设备的互操作性奠定了基础，但测试步骤较为复杂；
文献[11]设计了针对宽带电力线载波的一致性测试集和测试系统，实现了高层协议的一致性测试，但未针对MAC 层测试详细分析。

本文首先介绍了宽带微功率协议和一致性测试相关概念，然后对宽带微功率MAC 层一致性测试系统进行设计，最后对系统进行验证及分析。

1.1 协议栈架构

宽带微功率网络中包含中央协调器(Center Coordinator，CCO)、代理协调器(Proxy Coordinator，PCO)和站点(Station，STA)这3 种类型的通信设备，其中CCO 安插在集中器中，STA 安插在电能表中。在宽带微功率网络中，CCO 为网络的中心，PCO 是中继代理，STA 则作为普通节点连接在CCO 或PCO 上。

宽带微功率协议栈架构如图1 所示，其中应用层定义了CCO 和STA 之间各种业务的数据交互过程；
数据链路层包括网络管理子层(NWK 层)和媒体访问控制层(MAC 层)，NWK 层的功能有网间协调、组网及网络维护等，MAC 层主要用于完成数据处理过程，并对网络中的时隙进行规划管理；
物理层包括发送端和接收端两个部分，发送端对发送数据进行编码调制，接收端对接收数据进行解调和译码。

1.2 MAC 层功能

宽带微功率MAC 层有8 个主要功能，分别如下：

(1)信标机制是指MAC 层会根据自身站点角色及需求，生成对应的中央信标、代理信标或发现信标，且其中都携带了CCO 对时隙的规划信息，以此来触发网络中未入网的STA 申请入网。

(2)时隙管理是指一个信标周期中包含信标时隙、TDMA 时隙、CSMA 时隙和绑定CSMA 时隙，为实现对时隙的统一管理，CCO 会进行时隙规划并将规划信息填充到中央信标帧中，PCO 和STA 接收到中央信标帧后，即可根据时隙规划信息对信道进行访问。

(3)信道访问是指在CSMA 时隙中，站点在竞争信道时可能会在同一时刻发送报文，从而产生时隙冲突。故在对CSMA 信道访问时，MAC 层会进行基本的冲突判断和退避后再占用信道发送报文。

(4)数据处理是指MAC 层会在发送MAC 帧时将其分片成多个小的物理块体，进而生成长或短MPDU(MAC Protocol Data Unit)传输，在接收MAC 帧时再对物理块体进行重组获得原始的MAC 帧。

(5)选择确认重传是由于站点发送业务帧时会指定站点进行回应，故指定站点接收到业务帧后会回复表明接收情况的SACK(Selective Acknowledgement)帧，便于发送站点根据SACK 帧判断站点是否接收完全。

(6)报文过滤是指MAC 层会根据报文中的某些字段判断其是否是重复报文，若是则不再处理该报文。

(7)单播/广播是指报文的两种传播方式，单播方式下报文中指定了接收站点，其他站点可不做处理，广播方式下所有站点都需进行处理，MAC 层会在MPDU 帧控中填充“广播标志位”字段来区分这两种模式。

(8)时间同步是为了使网络中设备同步到一个统一的时间，实现对时隙的统一管理。MAC 层会在信标帧中填充BTS(Beacon Time Stamp)字段，STA 收到后可根据BTS 进行时间同步，将自身时间向CCO 对齐。

一致性测试不需要了解协议的内部实现，只是从协议的外部行为来判断协议实现是否符合要求，是保证协议实现质量的必不可少的手段[12-13]。根据控制观察点的不同，在ISO 9646[14]中定义了4 种不同的抽象测试方法，其中本地测试法架构如图2 所示。

图2中，IUT(Implementation Under Test)是被测实体，ASP(Abstract Service Primitives)是协议层间的服务原语。本地测试法可以将上下测试器集成到一个程序中，比较适合用于研发阶段。在一致性测试过程中，本地测试法能够更容易地完成对上下测试器的协调，从而达到简化测试过程的目的[15]。

通过对MAC 层功能进行分析，总结出宽带微功率MAC 层一致性测试系统存在的设计难点主要包括如何保证时间准确性、如何对功能进行合理分配以及如何保证系统稳定性等。针对以上问题，设计在宽带微功率MAC 层一致性测试系统中引入真实的硬件模块，并通过其携带的时间戳寄存器解决测试系统的时间精度问题。测试系统总体框架设计如图3 所示。

测试系统中，用户/测试人员通过控制界面控制测试平台执行测试例，并实时查看测试信息。测试平台通过上下测试点接口和被测对象连接进行数据交互。测试平台由软、硬件测试平台两部分组成，其中软件测试平台包含PC 端软件和硬件模块中的嵌入端软件，硬件测试平台包含整个测试系统中的硬件设备，由软件驱动。软件测试平台主要用于实现测试例的开发和管理、测试报告的生成和存储以及硬件设备的控制等，硬件测试平台负责执行具体的测试步骤，二者协作即可完成对宽带微功率MAC 层的一致性测试。

3.1 硬件设计

硬件测试平台要能够执行具体的测试步骤，实现对被测对象的一致性测试，根据测试系统框架设计，最终搭建的硬件测试平台架构如图4 所示。

硬件测试平台中，PC 与硬件模块之间通过USB 数据线连接，是网口通信，硬件模块由A53 和R5 两个处理单元组成，这二者之间通过核间通信完成数据交互。PC、A53 和R5 三者相互协作，控制测试例执行，共同组成了一个完整的测试平台。

另外，由于本文中的一致性测试系统采用的是本地测试法，因此测试平台具有上下测试点，其中上测试点位于PC端，主要模拟集中器和电能表与被测设备进行交互，其接口为PC 与被测设备之间的串口，通过FT232串口线连接；
下测试点位于硬件模块中，主要模拟CCO、PCO 或STA 与被测设备进行交互，下测试点与被测对象之间通过天线进行通信。

3.2 软件设计

3.2.1 PC 端软件架构

PC 端软件首先要为用户提供简单易操作的控制界面，其次要便于测试开发人员对测试用例进行开发、管理以及维护，最后要能够和测试系统中其他部分稳定通信，基于以上考虑，最终设计的PC 端软件架构主要包括三部分，具体如图5 所示。

控制界面为一个可视化的图形界面，包括测试用例管理模块、测试执行控制模块、测试日志显示模块和测试报告管理模块。通过这4 个模块，用户可以在控制界面选取测试用例控制其执行，并通过可视化窗口实时观察测试执行信息，在测试用例执行完毕后也能通过控制界面查看测试报告，分析测试结果。

测试用例模块主要用于测试用例的开发和执行，包括测试开发模块和测试执行模块。其中，测试开发模块用于将抽象的测试集生成为具体的测试例，而测试执行模块负责执行测试脚本并记录执行信息，在执行结束后生成对应的测试报告。

接口控制模块主要负责的是相关接口的配置及通信，根据硬件测试平台架构可知，PC 端有两个主要的接口：一是PC 端与被测设备之间通信的串口，二是PC 与硬件模块之间通信的网口。接口控制模块的作用就是保证这两个接口能够正常稳定地通信。

3.2.2 嵌入端软件架构

硬件模块选用的是成都定为电子技术有限公司定制的FPGA 开发板，此款开发板使用Xilinx 的ZYNQ Ultra-Scale+MPSoC XCZU6CG 作为基带处理芯片，其中包含A53 和R5 两个处理单元。A53 中运行Linux 操作系统，R5 中运行μC/OS-II 实时操作系统，通过这两个部分的协作处理，可实现测试平台的相关功能。嵌入端的软件架构如图6 所示。

嵌入端软件架构中，A53 主要负责与PC 端进行通信，在接收到测试例执行信息后，A53 就会执行相应的测试步骤，构造发送报文，并对R5 传送过来的响应报文进行一致性评判。因此，A53 中包含了PC 通信模块、测试执行模块以及测试结果判决模块。

R5 主要负责和被测对象通信，故R5 中含有一个射频收发模块。R5 中还包含一个时隙处理模块，用于对时隙进行处理和判断。例如模拟STA时，该模块会进行时间同步，并计算信标时隙和CSMA 时隙的结束时间，为后续报文收发和时隙判断做准备。同步时间和时隙结束时间的计算过程如下：

同步时间计算公式为：

式中，BTS 为CCO 发出信标的时间，STA_NTB 为站点开始进行时间同步时的时间，RT_NTB 为站点接收到中央信标时记录的时间。

信标时隙结束时间计算公式为：

式中，BPST 为信标周期起始时间，BTSL 为信标时隙长度，单位为1 ms；
NON_SLOT_NUM 为非中央信标时隙总数；
NTB_MS 表示1 ms 的时钟计数值25 000。

CSMA 时隙结束时间计算公式为：

式中，CSMATSL 为CSMA 时隙长度，单位为10 ms；
NTB_10MS 表示10 ms 的时钟计数值250 000。

另外，A53 和R5 中都包含了一个核间通信模块，其主要是利用核间中断(Inter-Processor Interrupts，IPI)实现的。当一方要传输数据时，就会触发中断，而另一方等待到中断后即可执行相应操作读取数据。

为验证本文所设计的测试系统能完成宽带微功率MAC 层的一致性测试，搭建一致性测试环境，从功能和非功能两个角度分别对系统进行验证。

4.1 功能验证

4.1.1 测试系统通信自测

本文中所设计的一致性测试平台包含PC 和硬件模块两部分，故测试系统通信自测主要验证PC 与硬件模块之间的通信和硬件模块中A53 与R5 的通信。

图7 为PC 与硬件模块通信验证过程示意图。由图中标识1～3 可知，在PC 端可以成功登录到A53 所在的Linux 系统，并实现文件的正确拷贝，说明PC 端和硬件模块之间能够正常通信。

图8 为A53 与R5 通信验证过程的log 信息图，左右分别为R5 和A53 打印的log 信息。由图可知，A53 发出的报文被R5 正确接收，说明A53 与R5 之间能够成功通信，实现数据的正确收发。

4.1.2 测试例执行验证

为进一步证明测试系统能够支持测试例的执行。在测试系统中执行测试例“STA 周期发送发现信标”，最终所得控制界面如图9 所示，由图可知测试执行信息均正确显示，证明测试系统可正确执行测试例。

4.2 性能验证

4.2.1 时间精度验证

由于测试系统需具有较高的时间精度才能完成MAC 层时隙相关内容的测试，故编写测试例进行验证。使测试系统周期发送一条测试帧，每次发送测试帧时，将定为开发板上GPIO 接口的电平拉高，并接通示波器观察其波形。获取波形图中两高电平之间的间隔时间，与预设间隔时间取差值即可得出系统的时间误差，时间误差计算公式如下：

其中，TimeDiff 为时间误差，Et 为预设间隔时间，Rt 为实际间隔时间。

从波形图中随机抽取100 组数据，计算时间误差分布情况如图10 所示，图中横坐标为计数值，表示采集数据的次数，纵坐标为时间误差。由图可知，测试系统的时间误差都在15 μs 左右，波动较小，而宽带微功率协议中时隙数值的单位都为毫秒，故该测试系统能够满足MAC 层时隙测试的要求。

4.2.2 稳定性验证

为保证执行大量测试用例时，测试系统能正常工作，对测试系统的稳定性进行验证。针对CCO、PCO、STA 3种被测对象分别选取一个测试例，构造信道质量正常、天线距离较远、衰减较大这3 种环境，分别执行测试例500次，所得测试执行通过率如表1 所示。

表1 测试用例通过率

由表1 可知，在信道质量正常情况下，测试用例通过率能够达到100%，在另外两种信道质量较差的情况下，测试通过率相对降低，但均在90%以上，基本满足要求，说明测试系统稳定性达标。

本文针对宽带微功率MAC 层一致性测试进行研究，设计了一种软硬件测试平台相结合的一致性测试系统。相较于当前的宽带微功率一致性测试系统，该系统具有较高的时间精度，可实现MAC 层时隙功能的精准测试。通过测试验证，证明该系统已实现所有功能和性能要求，可完成对宽带微功率MAC 层的一致性测试，保证了MAC 层通信的准确性，提高了产品的可靠性，为宽带微功率技术的发展奠定了基础。

猜你喜欢 信标时隙报文 基于J1939 协议多包报文的时序研究及应用汽车电器(2022年9期)2022-11-07水下声信标应用现状与发展前景舰船科学技术(2021年7期)2021-08-11低轨星座短报文通信中的扩频信号二维快捕优化与实现空间科学学报(2021年6期)2021-03-09基于时分多址的网络时隙资源分配研究舰船电子对抗(2020年2期)2020-06-23浅析反驳类报文要点中国外汇(2019年11期)2019-08-27基于市场机制的多机场时隙交换放行策略经济研究导刊(2018年26期)2018-11-14一种基于时隙优化的邻居发现算法研究现代计算机(2017年5期)2017-03-29蓝牙信标存潜在风险发明与创新(2016年17期)2016-12-22蓝牙信标存潜在风险发明与创新·大科技(2016年5期)2016-05-17一种车载网络中基于簇的时隙碰撞解决方法山东工业技术(2016年5期)2016-03-04

推荐访问:功率 测试 设计