寬帶微功率MAC 層一致性測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

江蓓，岳桂君，周欣

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

智能電網(wǎng)在應(yīng)對全球氣候變化，促進世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要的作用，是未來新型電網(wǎng)的基本模式[1-2]，其網(wǎng)絡(luò)安全對保障國家重要設(shè)施安全具有關(guān)鍵作用[3]。

用戶用電信息采集系統(tǒng)是智能電網(wǎng)完成用電數(shù)據(jù)采集、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測等功能的實現(xiàn)載體[4]，該系統(tǒng)的本地通信方式主要有RS485 通信、電力線載波通信、微功率無線通信等[5-6]，但隨著電力需求的快速增長，這些通信方式已難以滿足保證海量數(shù)據(jù)安全、信號高速傳輸、網(wǎng)絡(luò)升級靈活的要求[7]。因此，國家電網(wǎng)開始研究寬帶微功率(Broadband Micro-power，BMP)無線通信技術(shù)，該技術(shù)具有高帶寬、高速率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速和高實時性傳輸。

為避免協(xié)議開發(fā)過程中的二義性理解[8]，保證各協(xié)議實現(xiàn)之間能夠互聯(lián)互通，需要進行一致性測試。而良好的一致性測試系統(tǒng)能夠使測試工作更高效，所以設(shè)計實現(xiàn)一種適用于寬帶微功率MAC 層的一致性測試系統(tǒng)對驗證協(xié)議開發(fā)的準確性至關(guān)重要。

文獻[9]介紹了一種基于TCL(Tool Command Language)腳本設(shè)計的自動化測試系統(tǒng)，并使用虛擬操作系統(tǒng)模擬器QEMU(Quick Emulator)模擬ARM 芯片，來加載待測的電力微功率協(xié)議棧，節(jié)約了測試成本，但該系統(tǒng)對協(xié)議實現(xiàn)的時隙性能測試無法覆蓋；文獻[10]基于TTCN-3框架設(shè)計了一種寬帶PLC 一致性測試系統(tǒng)，為PLC 設(shè)備的互操作性奠定了基礎(chǔ)，但測試步驟較為復(fù)雜；文獻[11]設(shè)計了針對寬帶電力線載波的一致性測試集和測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了高層協(xié)議的一致性測試，但未針對MAC 層測試詳細分析。

本文首先介紹了寬帶微功率協(xié)議和一致性測試相關(guān)概念，然后對寬帶微功率MAC 層一致性測試系統(tǒng)進行設(shè)計，最后對系統(tǒng)進行驗證及分析。

1 寬帶微功率協(xié)議

1.1 協(xié)議棧架構(gòu)

寬帶微功率網(wǎng)絡(luò)中包含中央?yún)f(xié)調(diào)器(Center Coordinator，CCO)、代理協(xié)調(diào)器(Proxy Coordinator，PCO)和站點(Station，STA)這3 種類型的通信設(shè)備，其中CCO 安插在集中器中，STA 安插在電能表中。在寬帶微功率網(wǎng)絡(luò)中，CCO 為網(wǎng)絡(luò)的中心，PCO 是中繼代理，STA 則作為普通節(jié)點連接在CCO 或PCO 上。

寬帶微功率協(xié)議棧架構(gòu)如圖1 所示，其中應(yīng)用層定義了CCO 和STA 之間各種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交互過程；數(shù)據(jù)鏈路層包括網(wǎng)絡(luò)管理子層(NWK 層)和媒體訪問控制層(MAC 層)，NWK 層的功能有網(wǎng)間協(xié)調(diào)、組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)維護等，MAC 層主要用于完成數(shù)據(jù)處理過程，并對網(wǎng)絡(luò)中的時隙進行規(guī)劃管理；物理層包括發(fā)送端和接收端兩個部分，發(fā)送端對發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼調(diào)制，接收端對接收數(shù)據(jù)進行解調(diào)和譯碼。

1.2 MAC 層功能

寬帶微功率MAC 層有8 個主要功能，分別如下：

(1)信標機制是指MAC 層會根據(jù)自身站點角色及需求，生成對應(yīng)的中央信標、代理信標或發(fā)現(xiàn)信標，且其中都攜帶了CCO 對時隙的規(guī)劃信息，以此來觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中未入網(wǎng)的STA 申請入網(wǎng)。

(2)時隙管理是指一個信標周期中包含信標時隙、TDMA 時隙、CSMA 時隙和綁定CSMA 時隙，為實現(xiàn)對時隙的統(tǒng)一管理，CCO 會進行時隙規(guī)劃并將規(guī)劃信息填充到中央信標幀中，PCO 和STA 接收到中央信標幀后，即可根據(jù)時隙規(guī)劃信息對信道進行訪問。

(3)信道訪問是指在CSMA 時隙中，站點在競爭信道時可能會在同一時刻發(fā)送報文，從而產(chǎn)生時隙沖突。故在對CSMA 信道訪問時，MAC 層會進行基本的沖突判斷和退避后再占用信道發(fā)送報文。

(4)數(shù)據(jù)處理是指MAC 層會在發(fā)送MAC 幀時將其分片成多個小的物理塊體，進而生成長或短MPDU(MAC Protocol Data Unit)傳輸，在接收MAC 幀時再對物理塊體進行重組獲得原始的MAC 幀。

(5)選擇確認重傳是由于站點發(fā)送業(yè)務(wù)幀時會指定站點進行回應(yīng)，故指定站點接收到業(yè)務(wù)幀后會回復(fù)表明接收情況的SACK(Selective Acknowledgement)幀，便于發(fā)送站點根據(jù)SACK 幀判斷站點是否接收完全。

(6)報文過濾是指MAC 層會根據(jù)報文中的某些字段判斷其是否是重復(fù)報文，若是則不再處理該報文。

(7)單播/廣播是指報文的兩種傳播方式，單播方式下報文中指定了接收站點，其他站點可不做處理，廣播方式下所有站點都需進行處理，MAC 層會在MPDU 幀控中填充“廣播標志位”字段來區(qū)分這兩種模式。

(8)時間同步是為了使網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備同步到一個統(tǒng)一的時間，實現(xiàn)對時隙的統(tǒng)一管理。MAC 層會在信標幀中填充BTS(Beacon Time Stamp)字段，STA 收到后可根據(jù)BTS 進行時間同步，將自身時間向CCO 對齊。

2 協(xié)議一致性測試

一致性測試不需要了解協(xié)議的內(nèi)部實現(xiàn)，只是從協(xié)議的外部行為來判斷協(xié)議實現(xiàn)是否符合要求，是保證協(xié)議實現(xiàn)質(zhì)量的必不可少的手段[12-13]。根據(jù)控制觀察點的不同，在ISO 9646[14]中定義了4 種不同的抽象測試方法，其中本地測試法架構(gòu)如圖2 所示。

圖2中，IUT(Implementation Under Test)是被測實體，ASP(Abstract Service Primitives)是協(xié)議層間的服務(wù)原語。本地測試法可以將上下測試器集成到一個程序中，比較適合用于研發(fā)階段。在一致性測試過程中，本地測試法能夠更容易地完成對上下測試器的協(xié)調(diào)，從而達到簡化測試過程的目的[15]。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計

通過對MAC 層功能進行分析，總結(jié)出寬帶微功率MAC 層一致性測試系統(tǒng)存在的設(shè)計難點主要包括如何保證時間準確性、如何對功能進行合理分配以及如何保證系統(tǒng)穩(wěn)定性等。針對以上問題，設(shè)計在寬帶微功率MAC 層一致性測試系統(tǒng)中引入真實的硬件模塊，并通過其攜帶的時間戳寄存器解決測試系統(tǒng)的時間精度問題。測試系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖3 所示。

測試系統(tǒng)中，用戶/測試人員通過控制界面控制測試平臺執(zhí)行測試例，并實時查看測試信息。測試平臺通過上下測試點接口和被測對象連接進行數(shù)據(jù)交互。測試平臺由軟、硬件測試平臺兩部分組成，其中軟件測試平臺包含PC 端軟件和硬件模塊中的嵌入端軟件，硬件測試平臺包含整個測試系統(tǒng)中的硬件設(shè)備，由軟件驅(qū)動。軟件測試平臺主要用于實現(xiàn)測試例的開發(fā)和管理、測試報告的生成和存儲以及硬件設(shè)備的控制等，硬件測試平臺負責(zé)執(zhí)行具體的測試步驟，二者協(xié)作即可完成對寬帶微功率MAC 層的一致性測試。

3.1 硬件設(shè)計

硬件測試平臺要能夠執(zhí)行具體的測試步驟，實現(xiàn)對被測對象的一致性測試，根據(jù)測試系統(tǒng)框架設(shè)計，最終搭建的硬件測試平臺架構(gòu)如圖4 所示。

硬件測試平臺中，PC 與硬件模塊之間通過USB 數(shù)據(jù)線連接，是網(wǎng)口通信，硬件模塊由A53 和R5 兩個處理單元組成，這二者之間通過核間通信完成數(shù)據(jù)交互。PC、A53 和R5 三者相互協(xié)作，控制測試例執(zhí)行，共同組成了一個完整的測試平臺。

另外，由于本文中的一致性測試系統(tǒng)采用的是本地測試法，因此測試平臺具有上下測試點，其中上測試點位于PC端，主要模擬集中器和電能表與被測設(shè)備進行交互，其接口為PC 與被測設(shè)備之間的串口，通過FT232串口線連接；下測試點位于硬件模塊中，主要模擬CCO、PCO 或STA 與被測設(shè)備進行交互，下測試點與被測對象之間通過天線進行通信。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 PC 端軟件架構(gòu)

PC 端軟件首先要為用戶提供簡單易操作的控制界面，其次要便于測試開發(fā)人員對測試用例進行開發(fā)、管理以及維護，最后要能夠和測試系統(tǒng)中其他部分穩(wěn)定通信，基于以上考慮，最終設(shè)計的PC 端軟件架構(gòu)主要包括三部分，具體如圖5 所示。

控制界面為一個可視化的圖形界面，包括測試用例管理模塊、測試執(zhí)行控制模塊、測試日志顯示模塊和測試報告管理模塊。通過這4 個模塊，用戶可以在控制界面選取測試用例控制其執(zhí)行，并通過可視化窗口實時觀察測試執(zhí)行信息，在測試用例執(zhí)行完畢后也能通過控制界面查看測試報告，分析測試結(jié)果。

測試用例模塊主要用于測試用例的開發(fā)和執(zhí)行，包括測試開發(fā)模塊和測試執(zhí)行模塊。其中，測試開發(fā)模塊用于將抽象的測試集生成為具體的測試例，而測試執(zhí)行模塊負責(zé)執(zhí)行測試腳本并記錄執(zhí)行信息，在執(zhí)行結(jié)束后生成對應(yīng)的測試報告。

接口控制模塊主要負責(zé)的是相關(guān)接口的配置及通信，根據(jù)硬件測試平臺架構(gòu)可知，PC 端有兩個主要的接口：一是PC 端與被測設(shè)備之間通信的串口，二是PC 與硬件模塊之間通信的網(wǎng)口。接口控制模塊的作用就是保證這兩個接口能夠正常穩(wěn)定地通信。

3.2.2 嵌入端軟件架構(gòu)

硬件模塊選用的是成都定為電子技術(shù)有限公司定制的FPGA 開發(fā)板，此款開發(fā)板使用Xilinx 的ZYNQ Ultra-Scale+MPSoC XCZU6CG 作為基帶處理芯片，其中包含A53 和R5 兩個處理單元。A53 中運行Linux 操作系統(tǒng)，R5 中運行μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)，通過這兩個部分的協(xié)作處理，可實現(xiàn)測試平臺的相關(guān)功能。嵌入端的軟件架構(gòu)如圖6 所示。

嵌入端軟件架構(gòu)中，A53 主要負責(zé)與PC 端進行通信，在接收到測試例執(zhí)行信息后，A53 就會執(zhí)行相應(yīng)的測試步驟，構(gòu)造發(fā)送報文，并對R5 傳送過來的響應(yīng)報文進行一致性評判。因此，A53 中包含了PC 通信模塊、測試執(zhí)行模塊以及測試結(jié)果判決模塊。

R5 主要負責(zé)和被測對象通信，故R5 中含有一個射頻收發(fā)模塊。R5 中還包含一個時隙處理模塊，用于對時隙進行處理和判斷。例如模擬STA時，該模塊會進行時間同步，并計算信標時隙和CSMA 時隙的結(jié)束時間，為后續(xù)報文收發(fā)和時隙判斷做準備。同步時間和時隙結(jié)束時間的計算過程如下：

同步時間計算公式為：

式中，BTS 為CCO 發(fā)出信標的時間，STA_NTB 為站點開始進行時間同步時的時間，RT_NTB 為站點接收到中央信標時記錄的時間。

信標時隙結(jié)束時間計算公式為：

式中，BPST 為信標周期起始時間，BTSL 為信標時隙長度，單位為1 ms；NON_SLOT_NUM 為非中央信標時隙總數(shù)；NTB_MS 表示1 ms 的時鐘計數(shù)值25 000。

CSMA 時隙結(jié)束時間計算公式為：

式中，CSMATSL 為CSMA 時隙長度，單位為10 ms；NTB_10MS 表示10 ms 的時鐘計數(shù)值250 000。

另外，A53 和R5 中都包含了一個核間通信模塊，其主要是利用核間中斷(Inter-Processor Interrupts，IPI)實現(xiàn)的。當(dāng)一方要傳輸數(shù)據(jù)時，就會觸發(fā)中斷，而另一方等待到中斷后即可執(zhí)行相應(yīng)操作讀取數(shù)據(jù)。

4 測試系統(tǒng)驗證

為驗證本文所設(shè)計的測試系統(tǒng)能完成寬帶微功率MAC 層的一致性測試，搭建一致性測試環(huán)境，從功能和非功能兩個角度分別對系統(tǒng)進行驗證。

4.1 功能驗證

4.1.1 測試系統(tǒng)通信自測

本文中所設(shè)計的一致性測試平臺包含PC 和硬件模塊兩部分，故測試系統(tǒng)通信自測主要驗證PC 與硬件模塊之間的通信和硬件模塊中A53 與R5 的通信。

圖7 為PC 與硬件模塊通信驗證過程示意圖。由圖中標識1～3 可知，在PC 端可以成功登錄到A53 所在的Linux 系統(tǒng)，并實現(xiàn)文件的正確拷貝，說明PC 端和硬件模塊之間能夠正常通信。

圖8 為A53 與R5 通信驗證過程的log 信息圖，左右分別為R5 和A53 打印的log 信息。由圖可知，A53 發(fā)出的報文被R5 正確接收，說明A53 與R5 之間能夠成功通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確收發(fā)。

4.1.2 測試例執(zhí)行驗證

為進一步證明測試系統(tǒng)能夠支持測試例的執(zhí)行。在測試系統(tǒng)中執(zhí)行測試例“STA 周期發(fā)送發(fā)現(xiàn)信標”，最終所得控制界面如圖9 所示，由圖可知測試執(zhí)行信息均正確顯示，證明測試系統(tǒng)可正確執(zhí)行測試例。

4.2 性能驗證

4.2.1 時間精度驗證

由于測試系統(tǒng)需具有較高的時間精度才能完成MAC 層時隙相關(guān)內(nèi)容的測試，故編寫測試例進行驗證。使測試系統(tǒng)周期發(fā)送一條測試幀，每次發(fā)送測試幀時，將定為開發(fā)板上GPIO 接口的電平拉高，并接通示波器觀察其波形。獲取波形圖中兩高電平之間的間隔時間，與預(yù)設(shè)間隔時間取差值即可得出系統(tǒng)的時間誤差，時間誤差計算公式如下：

其中，TimeDiff 為時間誤差，Et 為預(yù)設(shè)間隔時間，Rt 為實際間隔時間。

從波形圖中隨機抽取100 組數(shù)據(jù)，計算時間誤差分布情況如圖10 所示，圖中橫坐標為計數(shù)值，表示采集數(shù)據(jù)的次數(shù)，縱坐標為時間誤差。由圖可知，測試系統(tǒng)的時間誤差都在15 μs 左右，波動較小，而寬帶微功率協(xié)議中時隙數(shù)值的單位都為毫秒，故該測試系統(tǒng)能夠滿足MAC 層時隙測試的要求。

4.2.2 穩(wěn)定性驗證

為保證執(zhí)行大量測試用例時，測試系統(tǒng)能正常工作，對測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行驗證。針對CCO、PCO、STA 3種被測對象分別選取一個測試例，構(gòu)造信道質(zhì)量正常、天線距離較遠、衰減較大這3 種環(huán)境，分別執(zhí)行測試例500次，所得測試執(zhí)行通過率如表1 所示。

表1 測試用例通過率

由表1 可知，在信道質(zhì)量正常情況下，測試用例通過率能夠達到100%，在另外兩種信道質(zhì)量較差的情況下，測試通過率相對降低，但均在90%以上，基本滿足要求，說明測試系統(tǒng)穩(wěn)定性達標。

5 結(jié)論

本文針對寬帶微功率MAC 層一致性測試進行研究，設(shè)計了一種軟硬件測試平臺相結(jié)合的一致性測試系統(tǒng)。相較于當(dāng)前的寬帶微功率一致性測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的時間精度，可實現(xiàn)MAC 層時隙功能的精準測試。通過測試驗證，證明該系統(tǒng)已實現(xiàn)所有功能和性能要求，可完成對寬帶微功率MAC 層的一致性測試，保證了MAC 層通信的準確性，提高了產(chǎn)品的可靠性，為寬帶微功率技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。