如何利用SDL开发TD－SCDMA高层信令

摘要：介绍TD-SCDMA系统的UE结构以及根据实际工作经验提出利用SDL开发TD-SCDMA高层信令系统的方法。 关键词：TD-SCDMA系统 SDL语言 MSC 实时操作系统 １ ＳＤＬ语言介绍 ＳＤＬ（规范描述语言）广泛地用于描述通信系统的行为。它是ＣＣＩＴＴ推荐的规范描述语言。经过ＩＴＵ－Ｔ的发展和标准化，定义在兰皮书Ｚ．１００建议中。ＩＴＵ－Ｔ在１９８８年推出了第一个正式版，以后每四年进行一次增补更新。作为国际标准化的正式语言，它被用来规范实时多任务系统的描述。ＳＤＬ与其它一些相关技术如Ｚ．１２０建议——消息序列图和Ｚ．１０５建议及抽象语法符号一起形成一个完整的描述语言。 在协议软件的开发流程中，ＳＤＬ被应用在系统规范描述和设计阶段。它完全独立于硬件实现与操作系统。Ｔｅｌｅｌｏｇｉｃ Ｔａｕ公司提供的ＳＤＬ软件不仅可以用于规范描述和设计，还可以把ＳＤＬ的描述和设计直接生成标准的Ｃ代码。用户也可以直接在ＳＤＬ描述和设计中嵌入Ｃ代码，从而完成图１中的实现部分的功能。经ＳＤＬ描述产生的Ｃ代码（包括嵌入的Ｃ代码）可以直接与多种嵌入式（或非嵌入式）实时多任务操作系统集成，如ＮＵＣＬＵＥＳ、ｐＳＯＳ、Ｓｏｌａｒｉｓ、Ｖｒｔｘ、ＯＳＥ等，集成后的代码可以直接在目标板上运行，从而方便用户进行协议软件的开发。 与ＳＤＬ相对应的ＭＳＣ（信息序列图），是ＩＴＵ－Ｔ规范中用来表示信息序列的语言。在１９９１年，ＩＴＵ－Ｔ对ＭＳＣ进行了标准化。用ＭＳＣ图可以方便地表示出信号的流向，即信号是从什么进程发送到什么进程，信号是否带有参数、具体的参数值等都可以直观地表示在ＳＤＬ ＭＳＣ图中，这对了解和分析信号在各个模块间的传递带来了很大的方便。不仅如此，通过ＭＳＣ图还可以将ＳＤＬ的各功能有机地联系在一起。在软件的跟踪及调试过程中，使用Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ和Ｖａｌｉｄａｔｏｒ可以产生ＭＳＣ图。在软件的ＴＴＣＮ测试过程中，ＭＳＣ图还经常被用于分析测试的结果。通过ＭＳＣ图还可以直观地描述信号发送的先后次序，而这些在ＳＤＬ描述中是办不到的。 开发的最后一步是使用ＴＴＣＮ进行测试。ＴＴＣＮ（树表结合表示法）是由ＩＳＯ和ＩＴＵ定义在ＩＳＯ／ＩＥＣ ９６４６－３中的一个规范测试语言 ，是ＩＳＯ／ＩＥＣ ９６４６的第三部分标准，用于ＯＳＩ一致性测试集的测试表示法。树表结合表示法，顾名思义，就是采用以树和表格为表现形式的测试表示法，其中表格主要用于数据类型、原语、协议观察点、约束等，而树则用于描述测试集、测试例、测试步。对标准有效性的验证和通信软件的一致性测试就显得非常重要。 用ＳＤＬ设计的系统是一个等级结构的系统，它包括了系统、功能块和进程等。一个系统可以包含多个块，每个块可由一个或多个进程组成。进程是ＳＤＬ系统中的最小处理单元，采用ＥＦＳＭ描述，所有用户的处理和操作都在进程中完成。在系统级下定义的内容（信号、数据结构等）可以在该系统下所有的块和进程中使用，在块下定义的内容可以在该块的任何进程中使用。 正是ＳＤＬ的这些特点，在开发协议软件中起着不可比拟的作用，下面以ＳＤＬ开发ＴＤ－ＳＣＤＭＡ高层信令简单说明ＳＤＬ的使用。 ２ ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统结构 首先介绍一下ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统结构。根据ＴＳＭ协议的要求和实际开发产品的需要，可将ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统用户终端协议软件分成图２所示的系统结构（没有包括分组数据业务部分）。整个系统结构满足ＴＳＭ协议的分层结构，同时根据控制和软件的需要增添了ＴＳＲ、ＨＬ１模块，是一个ＳＤＬ块级的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ的ＵＥ端高层信令结构。整个系统共有六个模块，每个模块对应ＳＤＬ中的一个块，每个模块分别完成不同的功能。下面简要介绍每个模块的功能和接口。 ＣＭ模块完成连接管理功能，包括呼叫控制、短消息和附加业务三部分，即图２中的ＣＭ块。 ＭＭ模块完成在电路交换模式下的移动性管理功能，实现ＵＥ的移动性、安全性以及连接管理，即图２中的ＭＭ块。 ＴＳＲ模块是一个信号中转模块，是ＭＭ子层的一部分，主要实现信号路由的功能；同时基于ＣＭ子层中各实体的多实例（如建立多个呼叫）特性，对ＣＭ模块进行多实例的管理。 ＲＲＭ模块完成无线资源管理和控制功能。在空闲模式下，ＲＲＭ模块执行小区选择和小区重选、为响应网络寻呼或高层的ＲＲ建立请求而发起ＲＲ连接建立以及切换等任务；在ＲＲ连接建立过程中，ＲＲＭ控制ＨＬ１模块发起立即指派过程、主信令链路的建立过程；在连接模式下，ＲＲＭ主要完成连接模式的资源管理，如指派、信道模式改变和切换等控制过程；处理随路信令，如分析和处理系统信息类型５、类型６；发送测量报告以及对在ＦＡＣＣＨ信道上接收到的层３消息进行分析和处理等任务。另外ＲＲＭ模块还控制ＨＬ１模块对服务小区和邻近小区的测量等过程。 ＤＬ模块完成无线连接控制功能，主要包括：信道上提供一个或多个数据链路的连接，不同的连接通过数据链路连接标识ＤＬＣＩ区分；提供帧类型的识别机制；允许层３消息在２个层３对等实体之间进行透明传输；顺序控制，以保持帧通过一条数据链路连接后的顺序；具有在数据链路上对格式和操作性错误的检测功能；当出现数据链路的不可恢复性错误时，具有向层３实体报告错误的机制；具有流量控制的功能；在ＲＡＣＨ上完成接入请求后，当需要建立一条数据链路时具有解决冲突的功能。 ＨＬ１模块是连接协议层与物理层的桥梁。按系统的硬件设计，协议层和应用层的任务由ＡＲＭ处理器完成，ＤＳＰ处理器负责完成具体的物理层底层任务，如信源和信道的编解码、交织、各种物理层参数的测量、扩频及调制等。两种处理器之间通过中断交换数据。ＨＬ１根据协议层的请求，通过对协议层的任务分解和规划，对物理层资源进行调度和控制。主要包括：在小区选择过程中，ＨＬ１模块控制物理层进行邻近小区的码功率的测量，解读ＢＳＩＣ，解读ＤｗＰＴＳ的相位，读取ＢＣＣＨ块等任务；在空闲状态下，ＨＬ１模块控制物理层执行服务小区和邻近小区的测量，解读服务小区的系统信息和最强６个邻近小区的系统信息类型１，并把测量结果和读取的系统信息报告给ＲＲＭ模块；在随机接入过程中，根据ＲＲＭ模块的控制信号，ＨＬ１模块控制并调度物理层执行随机接入过程的消息发送与接收；在连接模式下ＨＬ１控制物理层执行数据的收发、服务和邻近小区的测量以及切换过程等。 图２中，每个模块对应ＳＤＬ描述中的一个块级结构，在每个块级结构中又可以分成很多个进程，高层信令可以通过ＰＨＩ信道和物理层进行通信。向上可以通过ＭＭＩ、ＣＭＭＩ、ＭＭＳＩＭ信号和人机界面进行信息交互。而人机界面可以由ＷＩＮＣＥ系统完成，硬件驱动部分可以直接编程实现[３]。 ３ 利用ＳＤＬ系统开发ＴＤ－ＳＣＤＭＡ方法 在图２的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统描述中，可以利用Ｔｅｌｅｌｏｇｉｃａ Ｔａｕ ＡＢ公司的ＳＤＬ Ｅｄｉｔｏｒ将其描述成标准的ＳＤＬ描述形式。但不是系统所有的部分都可以使用ＳＤＬ开发。在硬件驱动、物理层具体的算法、信道的编解码以及ＳＩＭ卡的操作等都需要Ｃ语言（或者其他语言）完成。最后将所有的代码编译成一个可以执行的目标代码。具体过程如图３所示。系统开发代码运行平台是ＡＲＭ，操作系统是ＮＵＣＬＵＥＳ ＰＬＵＳ。 利用ＳＤＬ实现ＴＤ－ＳＣＤＭＡ高层信令软件过程如下： 第一步：首先根据详细报告的描述，定义出所有的数据结构。例如保存系统信息的结构体、ＩＭＳＩ码结构、ＴＭＳＩ码以及任务规划等结构定义，这些数据结构可以Ｃ／Ｃ＋＋语言格式或是ＡＮＳ．１格式完成，它们都可以被ＳＤＬ使用。Ｃ／Ｃ＋＋描述可以被ＳＤＬ提供的ＣＰＰ２ＳＤＬ．ＥＸＥ工具很方便地转换成ＳＤＬ，可以直接使用ＰＲ文本[８]。 第二步：利用ＳＤＬ工具将图２中完成的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统描述和生成相关的ＰＲ描述，根据需要编译成不同的Ｃ／Ｃ＋＋代码，最常用的有两种：一种是在目标板上运行的代码?穴通常选用Ｃａｄｖａｎｃｅｄ模式?雪，另一种是可以提供给ＴＴＣＮ测试的代码。 第三步：由于生成的目标代码和测试代码具有很好的一致性，利用ＴＴＣＮ可以检查出ＳＤＬ设计中的问题，以保证ＳＤＬ设计的正确性。这也是利用ＳＤＬ进行ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统开发的优势之一。根据ＴＳＭ １１(ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统测试规范)系列所编写的测试例，方便进行协议的一致性测试，最大可能地发现开发中出现的问题，避免了这些错误带到板级调试中，从而加快了软件开发速度。 第四步：ＳＤＬ描述生成的Ｃ源代码要在ＡＲＭ硬件系统上运行，还需要与选定的ＲＴＯＳ操作系统进行集成。ＳＤＬ可以与多种ＲＴＯＳ系统相互集成，它们的集成原理相同。根据 ＳＤＬ的进程任务，在ＲＴＯＳ系统中的处理情况可以分成两种，一种是深度集成，另外一种是轻度集成。它们的效果相同，其区别在于深度集成将ＳＤＬ描述中的每一个进程作为ＲＴＯＳ中的一个进程来处理，而轻度集成则将整个ＳＤＬ系统作为一个ＲＴＯＳ进程进行处理。在实际应用中，大多使用第二种方法。这种方法便于ＳＤＬ和ＲＴＯＳ系统的集成，集成时只需要修改ＳＤＬ的接口文件ｓｅｔｅｎｖ．ｃ。在该接口文件中，增加下列ＮＵＣＬＥＵＳ的函数： ＮＵ＿Ｃｒｅａｔｅ＿Ｍｅｍｏｒｙ＿Ｐｏｏｌ（） ＮＵ＿Ａｌｌｏｃａｔｅ＿Ｍｅｍｏｒｙ（） ＮＵ＿Ｃｒｅａｔｅ＿Ｔａｓｋ（） 前两个函数被ＮＵＣＬＥＵＳ用来分配内存，保存ＳＤＬ进程控制块。ＮＵ＿Ｃｒｅａｔｅ＿Ｔａｓｋ（）函数用于创建ＮＵＣＬＥＵＳ的任务，它是ＳＤＬ进程与ＮＵＣＬＥＵＳ接口的关键函数。该函数共有１１个参数：Ｔａｓｋ＿Ｐｔｒ、“ＳＤＬ＿ｆｎ”、ＳＤＬ＿ｍａｉｎ、０、ＮＵＬＬ、Ｓｔａｃｋ＿Ｐｔｒ、ＭＡＮＡＧＥＲ＿ＳＴＡＣＫ＿ＳＩＺＥ、ＭＡＮＡＧＥＲ＿ ＴＡＳＫ＿ＰＲＩＯＲＩＴＹ、ＭＡＮＡＧＥＲ＿ＴＩＭＥ＿ＳＬＩＣＥ、ＮＵ＿ＰＲＥＥＭＰＴ、 ＮＵ＿ＳＴＡＲＴ；其中Ｔａｓｋ＿Ｐｒｔ是指向进程的控制块、“ＳＤＬ＿ｆｎ”是进程的名字、Ｓｔａｃｋ＿Ｐｔｒ是进程的堆栈指针、ＭＡＮＡＧＥＲ＿ＳＴＡＣＫ＿ＳＩＺＥ是堆栈的大小；ＭＡＮＡＧＥＲ＿ＴＩＭＥ＿ ＳＬＩＣＥ是进程可以占用的最大时间（以ｔｉｃｋｓ来计算）。经过修改后的接口函数只要与ＳＤＬ生成的源代码和操作系统提供的代码一起编译即可。每次启动系统后，ＮＵＣＬＥＵＳ将ＳＤＬ描述当作是一个独立的任务进行处理。ＳＤＬ进程由ＳＤＬ内核管理，而整个ＳＤＬ系统则由ＮＵＣＬＥＵＳ管理。ＮＵＣＬＥＵＳ系统有自己一套完整的消息处理机制，同时ＳＤＬ生成的代码也有自己一套信号处理机制，它们相互独立，共同作用组成应用系统[９]。 最后将ＳＤＬ生成的代码、ＮＵＣＬＵＥＳ代码和所编写的硬件驱动统一编写成ＡＲＭ运行代码。 在整个软件开发过程中，实际开发过程不是完全由第一步到第四步这么简单，有时它们交织在一起。在ＴＴＣＮ以及目标板测试中发现的问题反馈到设计过程，不断修正，直到系统的最后完善。 从以上过程描述可以看出ＳＤＬ有以下优势： (１)ＳＤＬ工具可以同时支持图形(ＧＲ)和文本描述(ＰＲ)，并且可以相互转换。图形方式方便设计人员直观了解设计结果，而文本方式便于保存。 (２)便于软件设计，可以将详细设计报告和代码设计过程有机地结合在一起，ＳＤＬ可以把利用ＳＤＬ描述的详细报告部分直接生成所需要的代码。 (３) 由于ＳＤＬ具有一致性的目标源代码和测试代码，可以利用ＴＴＣＮ直接测试，大大提高了ＳＤＬ设计的源代码的正确性。同时ＳＤＬ具有丰富的ＭＳＣ接口，在测试的Ｖａｌｉｄａｔｏｒ、Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ、ＴＴＣＮ过程中都有ＭＳＣ图输出，可以提供设计人员检查设计中存在的问题。 ＳＤＬ生成的代码可以在多种实时多任务平台上运行，可以方便地与ｐＳＯＳ、Ｎｕｃｌｕｅｓ Ｐｌｕｓ、Ｓｏｌａｒｉｓ、ＶｘＷｏｒｋｓ、ＯＳＥＤｅｌｔａ等ＲＴＯＳ系统相互集成，具有较好的可一致性。 ＳＤＬ工具可以将整个软件开发过程、需求报告、总体设计报告、详细设计报告、代码设计及测试和维护集成一体。各个部分的设计都可以使用ＳＤＬ的不同功能来描述，最大限度地节省人力和物力。 图3 利用SDL开发TD-SCDMA系统模式（UE端） 本文没有介绍ＳＤＬ的ＵＭＬ部分可以完成软件开发的需求分析、总体或概要设计。结合ＳＤＬ的功能，Ｔｅｌｅｌｏｇｉｃａｌ Ｔａｕ ＡＢ提供的ＳＤＬ工具将软件开发的全过程有机地结合在一起，从需求分析到代码生成。加快了软件开发速度，缩短了软件开发周期。在整个ＴＤ－ＳＣＤＭＡ高层项目开发中，ＳＤＬ工具软件起关键作用。 但是ＳＤＬ在协议软件的开发中也不是万能的，虽然ＳＤＬ的描述直观、方便，但是ＳＤＬ生成的代码非常复杂，不便于修改和阅读。这也是惟一对ＳＤＬ担忧的地方。通常在生成代码中一个不起眼的ＢＵＧ，将永远都不会找到。