電調天線設備嵌入式AISG協議棧的設計與實現

李文生,呂 ,羅仁澤,鄧春健

(1.電子科技大學 中山學院,廣東 中山 528402;西南石油大學 電氣信息學院,成都 610500)

1 引 言

基站覆蓋范圍、網絡維護效率是移動通信網絡建設和維護中經常遇到的問題,而解決這一問題的有效方法就是引入電調天線系統(tǒng)(Remote Electrical Tilting,RET)[1]。電調天線系統(tǒng)主要包括電調天線控制系統(tǒng)(RET Control System,RCS),如基站系統(tǒng)等,以及相關的電調天線設備(Antenna Linear Device,ALD),如遠程控制單元(Remote Control Unit,RCU)、塔頂放大器(Tower Mounted Amplifier,TMA)等[2]。

為了實現不同廠家的ALD設備和RCS的兼容和互操作,天線接口標準組織(Antenna Interface Standard Group,AISG)在3GPP相關規(guī)范[3-7]基礎上推出了AISG協議[8-9]。該協議定義了ALD設備相關標準,并定義了相應的 Iuant接口。這樣,只要RCS和ALD設備遵循AISG協議定義的標準和接口,它們就可以互相兼容和對接,可以無縫集成在一起構成一個完整的RET系統(tǒng)。同時,維護人員可以通過網絡對整個RET系統(tǒng)中的ALD設備進行遠程監(jiān)控,極大地改善整個網絡優(yōu)化的操作流程,提高網絡優(yōu)化效率。

由于AISG只是一個協議文本,并沒有提出具體的實現方法,而除了AISG協議和3GPP相關規(guī)范外,相關的文獻并不多見,以致不同廠商對于AISG的理解存在一些細微的差異,常常造成不同廠商的設備和系統(tǒng)并不能夠做到真正的兼容和互操作。近年來,我們和國內某知名天線設備廠商合作,綜合運用嵌入式技術開發(fā)了RCU、TMA、ALD手持控制器等電調天線設備,并開發(fā)了相應的電調天線設備控制系統(tǒng)[2,10-11]。本文以實際項目為背景,討論面向ALD設備的嵌入式AISG協議棧的設計與實現方法。

2 AISG協議棧與AISG通信

2.1 AISG協議棧

AISG協議棧采用層次體系結構,并定義了主機(RCS)與從機(ALDs)之間需要遵循Iuant接口,如圖1所示。

圖1 AISG協議棧層次結構Fig.1 Hierarchical structure of the AISG protocol stack

從圖1可以看出,AISG協議棧包括物理層、數據鏈路層和應用層。物理層可以直接采用RS485通信方式,也可以采用OOK Modem方式,這時控制信號和射頻信號共用射頻饋線,發(fā)送方通過OOK電路將控制信號調制到射頻信號上,接收方通過OOK電路解調得到控制信號。這兩種通信方式對于上層協議是透明的。數據鏈路層是HDLC協議的一個子集,采用了HDLC協議中的非平衡通信方式,ALD設備作為從機只能接收主機的HDLC幀,然后進行應答,而不能主動向主機發(fā)起通信。應用層主要面向不同ALD設備的具體功能,定義了ALD設備相關功能的指令格式和應答消息格式,其中RETAP主要針對RCU,TMAAP主要針對TMA。

在AISG協議棧中,主機和從機之間的實際通信是在物理層完成的,但是通過下層為上層提供服務,主機和從機的數據鏈路層、應用層可以進行對等層之間的虛擬雙向通信。

2.2 ALD設備狀態(tài)模型

ALD設備的狀態(tài)模型如圖2所示。上電復位后ALD設備進入無地址狀態(tài),此時ALD設備僅可以對主機發(fā)送的掃描XID和賦地址XID做出回應,主機可以通過發(fā)送掃描XID幀掃描掛接在總線的ALD設備,并通過賦地址XID幀對掃描得到的ALD設備進行賦地址操作。已賦地址ALD設備收到主設備發(fā)送的SNRM幀后進入連接狀態(tài),并發(fā)送UA幀給主機作為應答。ALD設備進入連接狀態(tài)后,才可以接收主機發(fā)送的EP控制指令并執(zhí)行相應的功能。當ALD設備收到主機發(fā)送的DISC幀或在指定時間內沒有收到主機發(fā)過來的幀,則又回到無地址狀態(tài)。

圖2 ALD設備狀態(tài)模型Fig.2 State model of ALD

2.3 ALD設備和主機之間的AISG通信

主機與ALD設備之間的所有通信消息是以HDLC幀形式進行透明傳輸的。HDLC幀首尾標記均為0x7E,標志一幀的開始和結束。地址字段存放ALD設備的HDLC地址,可取0～255之間任意值,其中0x00表示無地址,0xFF表示廣播地址。當控制字段值為 0xBF、0x53、0x73、0x93時,分別指明 HDLC幀的具體類型為XID幀、DISC幀、UA幀、SNRM 幀。當幀的類型為I幀或RR幀時,控制字段記錄輪詢標志以及發(fā)送和接收幀的序號。CRC字段用于傳輸過程的檢錯,采用16位循環(huán)校驗算法獲得。

ALD設備啟動時處于無地址狀態(tài),主機只能通過廣播XID幀與無地址狀態(tài)的ALD設備進行通信。XID幀包括格式標識(FI)、組標識(GI)、所有參數所占的長度(GL)、參數標識(PI)、參數長度(PL)、參數值(PV),PI、PL、PV 3個字段構成一組參數,一個XID幀可具有多組參數。XID需要封裝成HDLC幀才能在ALD設備和主機之間傳遞,可以將XID幀內容填充至HDLC幀的INFO域來將其封裝成HDLC幀。

XID幀是廣播幀,它主要用于ALD設備掃描和賦地址。在設備掃描過程中主機要以某種掃描算法不斷地向所有ALD設備廣播包含從設備唯一標志碼(Unique ID,UID)子串的XID幀,然后根據ALD設備的回應情況來確定ALD設備是否存在;通過掃描獲得掛接在總線的ALD設備后,主機可以通過發(fā)送賦地址XID幀給指定UID的ALD設備附地址,使ALD設備進入已賦地址狀態(tài)。

ALD設備只有建立了與主機的鏈路才能接收主機發(fā)送的EP指令并執(zhí)行相關功能。當ALD設備接收上位機發(fā)送的SNRM幀(控制字段為0x93,INFO域為空)后,建立與主機的鏈接,并向主機回應一個UA幀(控制字段為0x73,INFO域為空),表示成功與主機建立鏈接。同樣,當ALD設備接收主機發(fā)送的DISC幀(控制字段為0x53,INFO域為空)后,斷開與主機的鏈接,并向主機回應一個UA幀,表示成功與主機斷開鏈接。

主機對ALD設備的控制主要通過基本過程(Elementary Procedure,EP)實現。用于封裝EP指令信息或EP應答信息的幀稱為I幀,I幀主要包括EP指令代碼(Procedure ID)、數據域長度、數據域字段。同樣,I幀只有封裝成HDLC幀才能在主機和ALD設備之間傳遞,可以將I幀填充至HDLC幀的INFO域來封裝成HDLC幀。

I幀在封裝成HDLC幀時必須指明ALD設備地址,且I幀要在ALD設備與主機建立連接之后才可在主從設備之間傳輸。

EP指令和EP應答具有相同的基本格式(即I幀格式),應答中的EP代碼和其對應的EP指令中的EP指令代碼相同。如果EP指令被成功執(zhí)行,應答消息中包含返回代碼和附加信息。如果執(zhí)行失敗,應答消息中會包含返回代碼及一連串失敗描述代碼。

3 嵌入式AISG協議棧總體設計

3.1 ALD設備硬件結構

ALD總體結構框圖如圖3所示,包括嵌入式控制器MCU、電源模塊、存儲模塊、通信模塊、天線傾角控制模塊、射頻電路監(jiān)控模塊等。

圖3 ALD設備總體結構框圖Fig.3 Structure diagram of ALD

MCU采用意法半導體的ARM7內核微控制器STR755FR0。電源模塊主要包括LDO和DCDC電路,DCDC負責將AISG協議規(guī)定的10～30 V的輸入電壓轉換成天線傾角控制模塊或射頻電路監(jiān)控模塊所需要的電壓,LDO電路主要負責輸出3.5 V或5 V電壓為MCU和其它IC供電。存儲模塊用于存儲新下載的ALD固件和ALD設備的相關參數。通信模塊負責AISG通信,對于RCU,主要由485通信單元構成,對于TMA,還包括OOK電路,在接收時從射頻信號中提取OOK信號,并將其解調成485控制信號,在發(fā)送時將485控制信號調制成OOK信號,然后和射頻信號耦合并通過射頻饋線發(fā)送給基站系統(tǒng)。

3.2 AISG協議棧各層功能需求分析

ALD設備與主機之間采用主從通信方式,主機發(fā)送指令給ALD設備,ALD設備執(zhí)行指令并將執(zhí)行結果反饋給主機。根據AISG2.0協議和3GPP規(guī)范,面向ALD設備的嵌入式AISG協議棧的功能需求主要分為3個層次:物理層功能需求、數據鏈路層功能需求和應用層功能需求。

物理層主要實現如下功能:

(1)通過UART完成數據幀的接收和發(fā)送;

(2)UART波特率的檢測和自適應調整。ALD設備缺省的通信波特率9.6 kbit/s,按照AISG協議的要求,ALD設備應當能夠檢測主機發(fā)送數據的波特率,并進行自適應調整。

數據鏈路層主要實現如下功能:

(1)通過發(fā)送隊列和接收隊列實現HDLC幀的發(fā)送和接收;

(2)HDLC幀的封裝和解析。發(fā)送數據之前,需要生成 CRC校驗碼,并將I幀、XID幀等封裝成HDLC幀;接收數據之后,需要進行CRC校驗,并將接收到的HDLC幀解析成I幀、XID幀、SNRM 幀和DISC幀等。對于I幀,由應用層進行處理,對于XID幀、SNRM幀和DISC幀,則由數據鏈路層數據鏈路維護相關功能進行處理;

(3)數據鏈路維護相關功能,主要包括設備掃描、賦地址、建立鏈接和斷開鏈接。

應用層功能主要由AISG協議規(guī)定的EP實現。當ALD設備接收從主機發(fā)送的EP指令后,對其進行解析,并調用相應的EP處理過程,最后將執(zhí)行結果信息返回給主機。EP分為四大類,第一類是通用EP,針對所有ALD設備,包括軟件復位(Reset Software)、設備自檢(Self Test)、設置用戶數據(Write User Data)、讀取用戶數據(Read User Data)、獲取設備基本信息(Get Information)、固件下載更新(Download Start、Download Application、Download End)等;第二類是針對RCU的EP,包括天線校準(Calibrate)、獲取傾角(Get Tilt)、設置傾角(Set Tilt)等;第三類是針對TMA的EP,包括設置 TMA模式(TMA Set Mode)、獲取TMA模式(TMA Get Mode)、設置TMA增益(Set TMA Gain)、獲取TMA 增益(Get TMA Gain)等;第四類是供應商自定義EP,主要用于生產測試,如寫入ALD設備序列號、RCU測試、TMA增益微調校準、設置其它出廠參數等。

3.3 嵌入式AISG協議棧的層次結構設計

為了提高協議棧的移植性,便于模塊化實現,嵌入式AISG協議棧的設計參考TCP/IP協議棧的設計思想,采用分層設計方法,如圖4所示。

圖4 嵌入式AISG協議棧層次結構圖Fig.4 Hierarchical structure of embeddedAISG protocol stack

數據傳輸模塊與物理層對應,主要負責通過UART實現數據幀的物理收發(fā)。HDLC幀處理模塊實現HDLC幀的封裝和解析,并負責ALD設備和主機之間HDLC幀的透明發(fā)送和接收。HDLC鏈路維護模塊主要根據HDLC幀處理模塊傳遞過來的XID幀、SNRM幀、DISC幀進行設備掃描處理、賦地址處理以及與主機鏈路的建立和斷開,HDLC幀處理模塊和HDLC鏈路模塊一起對應AISG協議的數據鏈路層。AISG協議棧的應用層功能通過I幀處理模塊和EP功能實現模塊完成,I幀處理模塊接收HDLC幀處理模塊傳遞過來的I幀(對應一個EP指令),并將其解析成相應的EP指令代碼和EP指令參數,然后根據指令代碼調用EP功能實現模塊中相應的EP功能處理函數,并將指令參數傳遞給該功能處理函數。指定的EP功能處理函數執(zhí)行完畢后,將執(zhí)行結果信息返回給I幀處理模塊并封裝成I幀(EP應答消息),然后傳遞給HDLC幀處理模塊并封裝成HDLC幀,并通過數據傳輸模塊發(fā)送給主機。

整個嵌入式AISG協議棧除了EP功能實現模塊對于不同的ALD設備所包含的功能處理函數有所不同外,其它各個模塊被設計成適應所有類型的ALD設備。另外,AISG協議棧的設計獨立于具體的硬件平臺,對于不同的ALD硬件平臺,只要它們提供統(tǒng)一的硬件驅動接口,AISG協議棧就可以很方便地移植到這些不同的硬件平臺上。

4 嵌入式AISG協議棧的實現

4.1 “零拷貝”技術

由于AISG協議棧的層次特性,每一層都有自己的數據格式。發(fā)送數據時,各個協議層從上一協議層接收數據,然后加上本層的控制信息再交給下一協議層,這個過程叫封裝或打包;接收數據時,各個協議層從下一協議層接收數據,然后取出本層的控制信息再把剩下部分數據交給上一協議層,這個過程叫解析或拆包。

在ALD設備和主機的AISG通信過程中,需要不斷地封裝和解析。如果在封裝和解析時,AISG協議棧的各層函數之間均采用數據拷貝進行數據傳遞,則將大大增加系統(tǒng)的存儲和數據處理開銷,從而降低系統(tǒng)實時性能。

為了解決這一矛盾,在AISG協議棧具體實現時引入“零拷貝”技術,即AISG協議棧只設置一個數據緩沖區(qū)用于存放需要在各層之間傳遞的數據,不再設置用于各層間數據傳遞的緩沖區(qū),協議棧各層間傳遞的都是數據指針,只有當數據最終被最底層的數據傳輸模塊發(fā)送出去時,或是被EP功能實現模塊或數據鏈路維護模塊真正使用這些數據時,才進行真正的數據搬移,并釋放相應的數據緩沖區(qū)。通過使用“零拷貝”技術,降低了系統(tǒng)存儲開銷,去掉了不必要的數據拷貝,大大提高了系統(tǒng)速度。因此,“零拷貝”技術比較適合嵌入式AISG協議棧的實現。

4.2 嵌入式AISG協議棧工作處理流程

嵌入式AISG協議棧工作處理流程可以看成一個無窮循環(huán):接收主機發(fā)送的HDLC幀,對之進行解析,然后針對不同的幀類型進行相應的處理,最后將處理的結果封裝成HDLC幀發(fā)送給主機。AISG協議棧的具體處理流程如下:

步驟1:接收一幀數據,并將其放在一個pFrame指向的緩沖區(qū);

步驟2:分析該數據幀,獲取它的目的地址Address和幀類型FrameType;

步驟3:如果Address是廣播地址(0xFF),則轉步驟4進行廣播XID幀處理;否則,轉步驟5進行其它類型幀處理;

步驟4:如果ALD設備是已賦地址狀態(tài),則不做任何處理;如果ALD設是無地址狀態(tài),則解析XID幀得到它的相關參數,根據參數確定該XID幀是掃描XID幀還是賦地址XID幀,然后進行相應處理:

(1)對于掃描XID幀,將ALD自己的UID和掃描XID幀的掩碼參數進行掩碼運算(按位與),如果運算結果和掃描XID幀的UID參數匹配,則發(fā)送一個包括ALD設備完整UID和設備類型的XID幀給主機,通知主機成功掃描到一臺ALD設備,否則不做任何回應;

(2)對于賦地址XID幀,如果ALD自己的UID和賦地址XID幀的UID參數值匹配,則將地址參數值賦給ALD設備,將ALD設備狀態(tài)改為ADDRESS-ASSIGNED,然后發(fā)送一個XID幀給主機,通知主機已經成功為ALD設備賦地址,否則不做任何回應;

步驟5:如果ALD設備地址和Address不匹配,則不做任何處理;如果ALD設備地址和Address一致,則根據數據幀類型FrameType進行相應處理:

(1)對于SNRM幀,則建立與主機的連接,并將ALD設備的狀態(tài)改為CONNECTED,然后發(fā)送一個UA幀給主機,通知主機已經成功與ALD設備建立鏈接;

(2)對于DISC幀,則斷開與主機的連接,并將ALD設備的狀態(tài)改為NOADDRESS,然后發(fā)送一個UA幀給主機,通知主機已經成功與ALD設備斷開鏈接;

(3)對于I幀,則首先解析出EP指令代碼和EP指令參數,并對EP指令代碼和EP指令參數進行合法性檢查,并根據檢查結果進行不同處理:

如果不合法,則直接發(fā)送錯誤應答消息給主機,應答消息中會包含返回代碼和錯誤描述代碼(UnsupportedProcedure或FormatError);如果合法,返根據EP指令代碼調用相應的功能處理函數,并將EP指令參數傳遞給相應的功能處理函數。功能處理函數執(zhí)行完畢后,根據執(zhí)行結果發(fā)送相應的應答消息給主機,即:如果執(zhí)行成功,應答消息中包含返回代碼和附加信息;如果執(zhí)行失敗,應答消息中會包含返回代碼及一連串錯誤描述代碼。

步驟6:釋放pFrame指向的緩沖區(qū),轉步驟1。

4.3 嵌入式AISG協議棧的具體實現

嵌入式AISG協議棧利用C語言具體實現,采用層次化和模塊實現方法,硬件驅動接口、數據傳輸模塊、HDLC幀處理模塊、HDLC鏈路維護模塊、I幀處理模塊和EP功能實現模塊等都包括一組相關的函數實現各自的功能,并對其它模塊提供統(tǒng)一的訪問接口。

硬件驅動接口主要為上層程序提供設備之相關硬件訪問控制接口,如UART驅動、PWM驅動、EEPROM讀寫驅動、電機驅動等相關驅動函數。

數據傳輸處理模塊主要提供數據幀的發(fā)送和接收功能,主要通過數據接收狀態(tài)機函數AISGL1-RcvFSM()實現數據的接收,通過數據發(fā)送狀態(tài)機函數AISGL1-TransFSM()實現數據的發(fā)送,并通過AISG-Frame＊AISGL1-GetFrame()獲取一幀完整的HDLC幀放在指針pFrame指向的緩沖區(qū)。

I幀處理模塊主要通過函數AISGL7-Process()實現I幀的解析,即將I幀對應EP指令解析成相應的指令代碼和指令參數,然后交給EP功能實現模塊進行處理,處理完成后通過函數AISGL7-SendSuccessResponse()、AISGL7-SendFailResponse()和 AISGL7-SendDefaultResponse()等向主機發(fā)送應答消息。

EP功能實現模塊主要通過函數AISG-Process-Command()來根據EP指令代碼和指令參數調用不同的功能處理函數,例如當指令代碼是0x05時,調用函數AISG-Cmd-GetInfo()實現Get Imformation這個EP所要求的功能。

實現后的AISG協議棧可以對其進行適當裁剪,移植到圖5所示的RCU、TMA等不同的ALD設備上。

圖5 電調天線設備實物圖Fig.5 Photos of ALDs

5 總 結

本文以具體項目為背景,討論了ALD設備嵌入式AISG協議棧的設計和實現方法,在有限的硬件資源上完整準確地實現3GPP相關規(guī)范和AISG2.0協議,提升ALD產品設備智能,并確保開發(fā)的ALD設備能和第三方的基站系統(tǒng)、CCU等對接。通過采用“零拷貝”實現方法,大大提高了設備性能。另外,由于采用層次化、模塊化的體系結構,項目開發(fā)的嵌入式AISG協議棧對于不同類型的ALD設備具有較好的適應性和擴展性,并可以方便地移植到不同的硬件平臺上。

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