基于M10芯片的GSM自動撥測系統的設計與實現

王震懿，吳 怡，俞志敏

(福建師范大學光電與信息工程學院，福建福州350007)

在移動通信迅猛發展的今天，伴隨著終端用戶數量的日益增長，相應的GSM基站設備也在成指數級的增加。移動運營商也越來越關注運營網絡質量的測試，尤其是在用戶感受度方面的測試。中國移動在江蘇、浙江、湖南、廣東、福建等省都已籌劃開始建設網絡QoS自動撥測系統，并逐步完善功能，反映了網絡優化深入開展的趨勢。江西移動、山西移動也已經在開展此類項目的前期調研工作，并提出了相應的實施建議:在2012年建設完成滿足江西移動GSM網絡優化工作需要，并滿足地市級重要客戶網絡質量監控需要的定點監測系統，預計將配置定點測試終端2 000～3 000臺，隨后建立覆蓋全省的無線網絡質量監控系統，實現全面的網絡質量監控，使無線網絡深度優化工作走向一個新的臺階。

為了解決傳統的CQT測試主要以人工方式進行操作而產生了效率低下，測試數據缺乏準確性、真實性等弊端［1］。本文應用嵌入式系統的開發技術，設計了一種基于M10芯片的自動撥測系統，將該系統的終端設備置于測試地點，由系統的平臺通過GSM網絡下發測試任務，終端接收執行測試任務，并回傳測試數據至平臺，供服務器對數據進行處理。與文獻［2-4］提出的撥測系統設計方案在終端設備的設計上均需使用多塊芯片(控制芯片、通信芯片)相比，本文設計的撥測終端產品在M10芯片特有的OpenCPU架構上開發實現，無需引入額外的控制芯片，大大節約了開發成本。

1 系統的總體設計

系統的網絡拓撲結構框圖如圖1所示。該自動撥測系統主要由嵌入式終端設備和服務器端設備組成。其中嵌入式終端設備負責接收執行來自服務器端的測試命令，采集相關的測試數據并通過網絡傳回給服務器端;服務器端設備由監測平臺和數據庫服務器組成，平臺通過向終端設備發送短信的方式配置目標地址建立通信通道，下發測試任務并負責接收前端設備傳回的數據，數據庫服務器則負責對數據進行錄入和分析［5-7］。

圖1 網絡結構框圖

嵌入式撥測終端設備的硬件設計框圖如圖2所示，整個硬件平臺基于Quectel公司生產的M10芯片搭建。M10采用特有的OpenCPU構架將GSM 模塊和系統控制芯片集成在一起，開發人員可在Quectel公司提供的M10 SDK上可完成整個系統軟件的開發。其中的GSM模塊可工作于850，900，1 800，1 900 MHz四個頻段，采用標準的AT指令與CPU進行交互。系統的存儲空間由64 Mbyte的SDRAM和256 Mbyte的NAND Flash組成，滿足程序運行和大量數據存儲的需求。另外還設有RS-232外圍接口可連接PC端串口供開發人員調試系統。

圖2 終端設備硬件模塊結構框圖

2 系統的軟件設計

2.1 OpenCPU架構

OpenCPU是一種提供了強大的支撐環境的軟件機制，它為Quectel公司的M10和M30模塊設計，其軟件架構如圖3所示，從上至下可分為應用層、應用接口層、傳輸接口層和內核層。

圖3 OpenCPU架構圖

OpenCPU使用標準C語言開發，向應用層抽象了包括Memory、FILE system、FCM在內的12類典型應用程序編程接口，可完美支持TCP/IP協議棧，支持最多10個的多任務處理機制，其子程序在ql_customer_config.c文件中定義。開發者可在其上開發新的創新應用并直接將它們嵌入到Quectel GSM/GPRS模塊中。同時OpenCPU也能簡單地讓應用軟件在別的不同的MCU平臺上運行。以撥打測試為例，通過Ql_OpenModemPort()函數來打開虛擬串口，之后通過Ql_SendToModem()函數傳輸數據給coresystembuffer，傳輸內容可以是AT指令、CSD數 據 或GPRS數 據。Ql_SendToModem(“ATD10086/0xd”，4)與通過外接串口在超級終端中輸入“ATD10086”指令的效果是一樣的。而OpenCPU與外部設備通信則是通過Ql_SendToUart_2()函數來向UART口傳輸數據。給出一個典型的基于OpenCPU平臺編寫的應用代碼框架如下:

/*main function*/

QlEventBuffer qlEventBuffer;

bool keepGoing=TRUE;

void ql_entry(void)//Entrance function

{

while(keepGoing)

{

Ql_GetEvent(&qlEventBuffer);//get event from Quectel Core system

switch(qlEventBuffer.eventTyp)

{

…//To do:add your code for parsing EVENTs.

default:…

break;

}

2.2 終端軟件系統模塊設計

終端系統軟件結構框圖如圖4所示。

圖4 終端系統軟件結構框圖

各主要模塊功能描述如下:

1)AT指令通信模塊:通過向virtual modem port接口發送AT指令來操控M10芯片的GSM模塊。主要完成兩個任務:一是根據測試任務要求連續采集相關的網絡參數寫入文件并交付數據收發模塊，主要包括LAC(位置區碼)、BASIC(基站識別碼)、BCCH(廣播控制信道)、RxLev(接收信號電平)、RxQualSub(閑時信號誤碼率)、RxQualFull(忙時信號誤碼率)等;二是負責從GSM modem的短信收件箱中讀取短信，并交予任務處理模塊對信息進行分析和處理。

2)任務處理模塊:任務處理模塊可分為協議處理和任務管理兩部分。協議處理部分主要負責通信協議的解析與封轉，接收來自AT指令通信模塊的通信包，并按照相應的通信協議進行解析，剔除無效信息。任務管理部分則負責根據協議處理的結果創建不同類型的測試任務線程，分為撥打測試、短信測試和數據測試三類。

3)數據收發模塊:通過GPRS撥號連接網絡，形成PPP鏈路。進而將AT指令通信模塊產生的測試數據封裝成UDP報文發送回服務器端。其硬件層面依然是通過GSM modem實現，在OpenCPU構架下有關UDP通信的實現被封裝成以下幾個函數，一個UDP報文的產生和發送流程如圖5所示。

圖5 M10芯片UDP包傳輸流程

4)程序監控模塊:實現類似看門狗的功能，通過生成軟件定時器要求系統中的各程序模塊在指定時限內向監控模塊發送心跳包，一旦監控模塊在一個運行周期內未接收到合法的心跳信息，則調用硬件接口對整個軟硬件系統進行復位和重啟。

2.3 關鍵通信協議及服務器端軟件設計

整個撥測系統的南向接口規范包括下行命令數據包和上行應答數據包兩部分，其中命令類型包括:初始化設備、設置全局通信參數、重啟測試模塊、停止測試任務、設置短信內容、設置告警門限、設置告警使能、下發語音測試任務、下發語音測試任務、下發掃頻測試任務、查詢設備狀態、查詢告警信息、查詢關鍵網絡參數、查詢周邊網絡參數、告警和告警消除十五類。具體的下行命令格式如表1?？刂泼钏髯侄握f明如表2所示。

表1 下行命令格式

表2 控制命令所含各字段說明

上行應答格式與下行命令格式相比，在命令長度與命令類型字段間增加了設備編號參數，其余字段設置相同，其數據結構定義為:

typedef struct

{

unsigned char strCodeFlag［1］;

unsigned char strCodeLength［2］;

unsigned char strDeviceID［10］;

unsigned char strCodeID［2］;

unsigned char strCodeContent［MAX_SIZE］;

unsigned char strCodeCrc16［4］;

}UpPacketStats;

其中，CRC校驗位的算法實現如下:

static unsigned short fcstab16［］={0x0000，0x1189，…，0x0f78，};

unsigned short VerifyCrc16(byte*origFrame，int length)

{

unsigned short fcs16=0xFFFF;

for(int i=0;i＜length;i++)

{

fcs16=(unsigned short)((fcs16＞＞8)^fcstab16［(fcs16^orig-Frame［i］)&0xff］);

}

return fcs16;

}

3 測試結果

服務器端軟件負責封裝和發送下行數據包，接收和解析上行數據包，并錄入數據庫。服務器端軟件使用VC++編寫，利用MFC中的Cstring類實現對字符型數據的操作，利用ODBC技術實現數據庫支持，圖6是服務器端軟件的界面圖。以下發短信測試任務為例，用戶在下發短信測試任務的各個參數編輯框中填入參數，點擊“下行編碼”按鈕完成編碼，點擊“數據發送”按鈕下發測試任務。當前端設備應答時，軟件將彈窗提示用戶接收到有上行數據，點擊確認后，數據將直接顯示在“指令顯示”編輯框中，點擊上行解碼軟件自動比對CRC校驗成功后，數據自動填入左側的上行執行結果中。由圖6中數據可見，前端設備共發送短信496條，成功率100%。

圖6 服務器接收端軟件(截圖)

4 結束語

本文闡述了一種新型的GSM自動撥測系統的設計方案，重點介紹了終端設備的軟硬件設計和通信協議編寫以及在OpenCPU環境下的應用編程。經初步測試，本文設計的基于M10芯片的GSM自動撥測系統可實現語音撥打測試、短信收發測試和網絡參數測試，能夠為移動運營商提高準確及時的測試數據。與傳統的人工撥測手段相比，該系統具不僅節省了大量的人力物力也提高了運營商的運維效率［2］。得益于針對M10芯片的深入開發，使得系統終端新媒體技術設備無需再引入額外的控制芯片，降低了開發成本，從而使整個設計方案更具有現實意義。

［1］李程達.GSM網絡自動撥測終端的設計與實現［J］.電視技術，2012，36(11):154-156.

［2］申晨，劉偉平，黃紅斌.基于以太網通信的自動撥測系統設計與實現［J］.微計算機應用，2008，29(12):34-38.

［3］YD/T 1216—2010，900/1800MHz TDMA數字蜂窩移動通信網通用分組無線業務(GPRS)基站子系統與服務GPRS支持節點(SGSN)間接口(Gb接口)測試方法［S］.2010.

［4］江厚炎，劉軍杰.GPRS核心網自動撥測系統的設計與實現［J］.軍事通信技術，2008，29(3):57-60.

［5］柯小婉，李文璟，芮蘭蘭.移動業務撥打測試自動控制協議設計［J］.工程與設計，2010(3):54-59.

［6］管耀武，楊宗德.ARM嵌入式無線通信系統開發實例精講［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［7］潘愛國，王國印.Visual C++技術內幕［M］.4版.北京:清華大學出版社，2009.