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(Remote Electrical Tilting,RET)[1]。電調天線系統主要包括電調天線控制系統(RET Control System,RCS),如基站系統等,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。同時,維護人員可以通過網絡對整個RET系統中的ALD設備進行遠程監控,極大地改善整個網絡優化的操作流程,提高網絡優化效率。

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了RCU、TMA、ALD手持控制器等電調天線設備,并開發了相應的電調天線設備控制系統[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設備狀態模型

ALD設備的狀態模型如圖2所示。上電復位后ALD設備進入無地址狀態,此時ALD設備僅可以對主機發送的掃描XID和賦地址XID做出回應,主機可以通過發送掃描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設備收到主設備發送的SNRM幀后進入連接狀態,并發送UA幀給主機作為應答。ALD設備進入連接狀態后,才可以接收主機發送的EP控制指令并執行相應的功能。當ALD設備收到主機發送的DISC幀或在指定時間內沒有收到主機發過來的幀,則又回到無地址狀態。

圖2 ALD設備狀態模型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位循環校驗算法獲得。

ALD設備啟動時處于無地址狀態,主機只能通過廣播XID幀與無地址狀態的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。

ALD設備只有建立了與主機的鏈路才能接收主機發送的EP指令并執行相關功能。當ALD設備接收上位機發送的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指令被成功執行,應答消息中包含返回代碼和附加信息。如果執行失敗,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送給基站系統。

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,主機發送指令給ALD設備,ALD設備執行指令并將執行結果反饋給主機。根據AISG2.0協議和3GPP規范,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)通過發送隊列和接收隊列實現HDLC幀的發送和接收;

(2)HDLC幀的封裝和解析。發送數據之前,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協議規定的EP實現。當ALD設備接收從主機發送的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。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功能處理函數執行完畢后,將執行結果信息返回給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,則將大大增加系統的存儲和數據處理開銷,從而降低系統實時性能。

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,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。通過使用“零拷貝”技術,降低了系統存儲開銷,去掉了不必要的數據拷貝,大大提高了系統速度。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:接收主機發送的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;

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,則不做任何處理;如果ALD設是無地址狀態,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設備狀態改為ADDRESS-ASSIGNED,然后發送一個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設備的狀態改為CONNECTED,然后發送一個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設備的狀態改為NOADDRESS,然后發送一個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。功能處理函數執行完畢后,根據執行結果發送相應的應答消息給主機,即:如果執行成功,應答消息中包含返回代碼和附加信息;如果執行失敗,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,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送和接收功能,主要通過數據接收狀態機函數AISGL1-RcvFSM()實現數據的接收,通過數據發送狀態機函數AISGL1-TransFSM()實現數據的發送,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。

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相關規范和AISG2.0協議,提升ALD產品設備智能,并確保開發的ALD設備能和第三方的基站系統、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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