電調天線嵌入式控制系統AISG協議棧分析與實現

高書超, 李英祥, 周賢至, 龔重彰

(成都信息工程學院通信工程學院,四川成都610225)

0 引言

隨著中國移動通信網絡特別是3G網絡的大規模建設,電調天線設備(Antenna Line Devices,ALD)的應用越來越普遍。傳統的移動通信基站天線的傾角、方位角、電下傾角等參數不能實時監測和管理,使基站系統的網絡優化變得困難[1-2]。電調天線設備的應用,克服人工爬桿調整機械下傾角帶來的不便,不同基站的電調天線參數可以隨時調整。后臺服務器能夠實時配置、管理天線參數,可以在不同時段對天線參數進行調整,從而實時地改變天線的覆蓋范圍,提高網絡資源的利用率[1-2]。

移動業務運營商比較關心如何統一管理不同廠家的電調天線設備,實現不同電調天線與控制系統能夠兼容,對電調天線集群控制。幾個世界著名的天線設備生產商成立了天線接口標準組織(AISG)。AISG協議是在3GPP相關規范基礎上為了實現不同電調天線與控制系統能夠兼容而提出的天線接口標準。最早在2003年提出了AISG1.0協議,由于AISG1.0版本的協議不嚴謹,很快分別在2004年、2006年提出了AISG1.1版本和AISG2.0版本[3-4]。目前,大多運營商和天線廠商使用AISG1.1或者AISG2.0版本。論文以項目為基礎,討論了電調天線嵌入式系統AISG協議的分析與實現方法。

1 ALD嵌入式控制系統的總體架構

控制系統的客戶端是一個基于ARM處理器的嵌入式主機系統,采用嵌入式Linux系統作為系統運行的軟件平臺。主機硬件平臺由ARM處理器,內存SDRAM,存儲區FLASH,SD卡,GPRS模塊等組成。主機與電調天線驅動器之間的接口遵循AISG接口標準如圖1所示。

控制系統的服務器端使用LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP)構架,基于LAMP構建的高性能Web應用平臺為用戶提供了更好的人機交互界面,對后臺數據資源的利用和管理起到很好的作用[5-8]。服務器系統框圖如圖2所示。

圖1 控制系統客戶端的連接方式

圖2 控制系統服務器框圖

控制系統的主要功能:一方面RET安裝現場通過Web瀏覽器掃描RET的唯一序列號,可以現場對RET進行掃描、校準、讀電下傾角、設置電下傾角等基本操作;另一方面從遠程服務器端的網頁頁面中輸入命令通過GPRS無線網絡傳輸給RET完成掃描、校準、讀電下傾角、設置電下傾角等基本操作。

2 AISG協議結構分析

AISG協議采用分層的思想,包括3層,對應標準的7層模型中的第1層:物理層,第2層:數據鏈路層和第7層:應用層[1]。這個簡化的協議棧定義了ALD的通信接口如圖3所示。

物理層:電氣上使用RS485標準或者共用射頻饋線的Modem方式。數據鏈路層:AISG的第2層采用了高級數據鏈路控制協議(HDLC)。應用層:電調天線設備包括RET和TMA,應用層規定了這些設備的功能函數。文中只討論RET設備的功能,包括驅動器校準、讀取電下傾角、設置電下傾角、設備告警、異常處理等[9]。

圖3 AISG協議的3層模型

3 AISG協議的實現

3.1 物理層的實現

AISG協議的物理層支持RS485和Modem兩種連接方式。RS485連接方式采用多芯屏蔽電纜,采用平衡驅動器和差分接收器的組合,抗共模干擾能力增強,數據傳輸距離更遠。

目前對于RET都采用RS485方式,默認的波特率是9600bps。針對控制器的防雷問題,將多芯屏蔽電纜的屏蔽層通過控制器的外殼接到大地,將感應雷的浪涌電流引到大地。

3.2 數據鏈路層實現

AISG協議規定天線的控制和響應數據首先從物理層收發數據,然后傳輸至數據鏈路層,這一層使用的是高級數據鏈路層協議。數據傳輸到這以層后,對數據解析處理,最后數據傳輸至應用層實現不同的動作控制。

3.2.1 數據鏈路層的狀態模型

RCU設備連接狀態主要包括:無地址狀態、地址分配完成狀態、建立鏈接狀態。操作主要包括:分配地址、建立鏈接、斷開鏈接、鏈接超時[10]。

3.2.2 高級數據鏈路層幀格式

高級數據鏈路層幀格式如表1所示。主要包括幀首部標記、從設備地址、控制位、高級數據鏈路層幀數據域(最大74字節)、CRC校驗、幀尾部標記。

圖4 數據鏈路層狀態模型

表1 HDLC幀格式

控制系統與電調天線驅動器之間所有的通信幀以0x7E為幀頭和幀尾作為一幀的開始和結束標志。

高級數據鏈路層幀中的從設備地址域用于表示電調天線驅動器從設備的地址,地址范圍為0x00～0xFF,其中0x00表示無地址狀態,0xFF表示廣播地址。

高級數據鏈路層幀中的控制域根據不同的代碼表示不同類型的幀,或者記錄輪詢標志以及發送和接收幀的序號[10]。主要幀類型的不同代碼如表2所示。

表2 主要幀類型

高級數據鏈路層幀的數據域字段用于封裝控制系統與電調天線驅動器的通信消息,數據域的長度不是固定的,根據幀格式的不同,數據長度也不相同。

3.2.3 建立鏈接

(1)掃描設備

控制系統與電調天線驅動器通信時,控制系統首先向總線發送設備掃描命令,這些幀是XID幀,驅動器回應也是XID幀。對于設備掃描的具體算法,AISG協議沒有給出,所以不同天線生產廠商有不同的掃描算法。XID幀含有信息域,其格式如圖5所示。

一個完整的XID命令幀格式見表3所示[11]。設備掃描程序如下:

圖5 XID幀格式

表3 控制系統發送的掃描幀格式

設備掃描函數傳入的參數為RCU的序列號。

(2)分配地址

控制系統向總線發送設備掃描命令后會接收到控制單元的響應,再立即向總線發送地址分配的命令。分配地址也是XID幀,驅動器回應是UA幀。控制系統發送地址分配的XID幀格式如表4所示[11]。

表4 控制系統發送地址分配XID幀格式

表6 I幀格式

3.3 AISG應用層

控制系統向總線發送設備掃描命令后,逐個對總線上的ALD分配地址(從0x01開始),然后逐個對ALD建立鏈接。建立鏈接后控制系統就可以對ALD進行基本功能的控制。

AISG2.0中實現應用層的操作主要是控制系統向ALD發送I幀。I幀主要用作應用層命令的發送與響應。I幀格式如圖6所示。

AISG應用層的操作主要有調整電下傾角、驅動器校準、讀取電下傾角、告警等。設置角度代碼如下:

4 AISG1.1與AISG2.0版本的區別

最早的版本是AISG1.0,與后面的版本相比做了很大的改動。目前市場上的電調天線產品大都是AISG1.1版本和AISG2.0版本,AISG1.1大部分內容就是按照3GPP規范設計,但有些微小的差別,只支持對RCU的控制和通信,可以說AISG1.1版本是一個不成熟的協議。2006年AISG在3GPP的標準基礎上提出AISG2.0版本,幾乎完全采用的3GPP的標準,比前幾個版本嚴謹了很多,還增加了針對塔頂放大器(TMA)的控制通信協議。AISG1.1版本與AISG2.0版本在幀格式上差別:

(1)控制系統主機向RCU發送掃描幀時,AISG1.1版本是主機發送XID幀,RCU回應UA幀;AISG2.0版本是主機送XID幀,RCU回應XID幀。

(2)應用層處理程序主要對HDLC幀的INFO域進行解析,AISG1.1版本的INFO域包括4個字段:AISG版本號字段、命令字段、數據域長度字段、數據域字段;AISG2.0版本的INFO域包括3個字段:命令字段、數據域長度字段、數據域字段。

控制系統要同時兼容AISG1.1與AISG2.0,可以根據幀格式的不同區分電調天線設備是AISG1.1還是AISG2.0。

圖7 指定RCU序列號掃描結果和讀取電下傾角

5 控制系統測試

控制系統測試時,MCU主機給電調天線控制器發送測試幀,RCU返回MCU回應幀,表明通信成功。控制系統的測試主要有控制系統對電調天線控制器進行設備掃描、分配地址、建立鏈接、控制器初始化、讀取電下傾角、設置電下傾角、天線校準、故障告警等功能。經過測試,這些功能完全符合AISG協議要求,能夠兼容京信、摩比等廠家開發的電調天線驅動器。圖7是指定RCU序列號掃描結果和讀取電下傾角。

6 總結

主要討論了ALD嵌入式控制系統AISG協議棧的分析與實現。以實際項目為背景,分析了AISG協議棧的3層結構和數據通信幀格式進行解析。最后在兩家主流的天線廠商的RCU上做了測試和分析,能很好的控制RCU幾種動作。同時控制系統主機與服務器的遠程通信也進行了聯調,很方便基站天線的集群管理。

[1] 馬小路.電調天線遠程控制單元設計[D].西安:西安電子科技大學碩士論文.2011.

[2] 吳松,葛海平,繆金迪.遙控電調傾角天線及其在網絡優化中的應用[J].電信科學,2007,23(4).

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[4] Antenna Interface Standards Group.Standard No.AISG V2.0:control interface for antenna line devices[S/OL].http://www.aisg.org.uk,2006-06-13.

[5] 基于ARM處理器的嵌入式Linux系統的研究與應用[D].北京郵電大學碩士論文.2007.

[6] 基于ARM平臺的嵌入式WEB服務器的設計與實現[D].電子科技大學碩士論文.2010.

[7] 基于ARM和LAMP技術的抄表系統終端服務器的研究[D].東北農業大學碩士論文.2010.

[8] 基于LAMP平臺的WEB服務器架構[J].中國新技術新產品.2011,22.

[10] 李文生,羅仁澤,呂炎炎,等.電調天線設備控制系統的設計與實現[J].電訊技術,2011(1).

[11] 3GPP TS 25.462 V6.3.0:UTRAN iuant interface:signalling transport[S/OL].http://www.3gpp.org,2005-09.

[12] 3GPP TS 25.463 V6.4.0:UTRAN iuant interface:remote electrical tilting(RET)antennas application part(RETAP)signalling[S/OL].http://www.3gpp.org,2005-09.