PAGEPAGEI計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究摘要雖然智能電網(wǎng)仍然處于初期階段，但是在國際上，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展趨勢的熱門名詞。相比傳統(tǒng)電網(wǎng)，智能電網(wǎng)提供了具有更高效率、更高安全性和更高可靠性的輸電配電系統(tǒng)，能夠最大程度的滿足用戶的需求，同時還能更好的優(yōu)化資源配置。在智能電網(wǎng)的發(fā)展道路上，強(qiáng)而有效的通信系統(tǒng)無疑是建設(shè)智能電網(wǎng)的前提，智能電網(wǎng)中數(shù)據(jù)的獲取、傳輸，以及對電網(wǎng)的實(shí)時控制都強(qiáng)烈的依賴于可靠、及時的通信系統(tǒng)。但目前電網(wǎng)已有的通信技術(shù)已不能滿足電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)對帶寬的需求。近些年來，通訊技術(shù)的發(fā)展十分迅速，LTE作為下一代通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)之一，正逐步走向完善并進(jìn)入商用。LTE能夠提供比3G更高的傳輸速度，比3G更可靠的傳輸效率，如果將LTE技術(shù)應(yīng)用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能為電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)提供足夠的帶寬，而且還使其具有更好的兼容性和可擴(kuò)展性，本文在認(rèn)真研究LTE的關(guān)鍵技術(shù)、深入分析了EUTRA和3GPP相關(guān)協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)自身頻譜的特點(diǎn)，提出適用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)通信系統(tǒng)的可行技術(shù)方案，重點(diǎn)研究eNodeB側(cè)軟件的核心算法和核心架構(gòu)，并給出GTPU和PDCP等關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)；LTE；eNodeB

目錄摘要 I第1章緒論 11.1論文研究的目的和意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 11.3本論文主要完成內(nèi)容和章節(jié)安排 1第2章LTE關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)協(xié)議分析 32.1LTE的概念 32.2實(shí)施方案與實(shí)驗開發(fā)環(huán)境的介紹 32.2.1實(shí)施方案 32.2.2實(shí)驗開發(fā)環(huán)境 4第3章EUTRA系統(tǒng)的核心設(shè)計 53.1eNodeB的功能和硬件環(huán)境分析 53.2軟件設(shè)計原則 63.3進(jìn)程的研究分析 73.4板間數(shù)據(jù)交換方式 8第4章軟件架構(gòu)的研究 104.1軟件總體架構(gòu)研究設(shè)計 104.2軟件二級架構(gòu)研究設(shè)計 114.2.1GTP-U模塊 124.2.2PDCP模塊 134.2.3RLC模塊 15第5章軟件模塊的實(shí)現(xiàn) 185.1GTPU模塊的實(shí)現(xiàn) 185.1.1子模塊的功能介紹 185.1.2子模塊間的交互 185.2PDCP模塊的實(shí)現(xiàn) 195.2.1子模塊的功能介紹 195.2.2子模塊間的交互 20第6章系統(tǒng)測試及結(jié)果 236.1測試設(shè)備 236.2模塊測試 236.2.1電源模塊 236.2.2PLCC收發(fā)模塊 24結(jié)論 26參考文獻(xiàn) 27致謝 28PAGE14第1章緒論1.1論文研究的目的和意義智能電網(wǎng)的優(yōu)勢在于能充分地滿足用戶對電力的需求，能夠優(yōu)化資源配置。它是一個集成了先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的更科學(xué)、更可靠、更智能化的物理電網(wǎng)。這些先進(jìn)技術(shù)不僅提高了電力供應(yīng)的安全性、保證了電力供應(yīng)中電能質(zhì)量，還加強(qiáng)了電力供應(yīng)的擴(kuò)展性。用戶可獲得更加可靠、經(jīng)濟(jì)、清潔的電力供應(yīng)和各種各樣的增值服務(wù)[1，2，5，8，11]。強(qiáng)而有效的通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，沒有這樣的通信系統(tǒng)，任何智能電網(wǎng)的特征都無法實(shí)現(xiàn)。因此建立高效、實(shí)時、可靠的通信系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的第一步，也是電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)的第一步。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢電力監(jiān)控技術(shù)始于二十世紀(jì)七八十年代，隨著科技的發(fā)展，研制電力監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品的公司越來越多，技術(shù)越來越先進(jìn)。比如施耐德的PowerLogic電力監(jiān)控系統(tǒng)，ABB的ESD3000監(jiān)控系統(tǒng)等[6]。我國于20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行電力監(jiān)控技術(shù)的研究。目前，電力監(jiān)控系統(tǒng)已被廣泛用于各類建筑中，電力監(jiān)控系統(tǒng)提高了用電安全性、可靠性和自動化水平，節(jié)約了人力成本。國內(nèi)比較有代表性的產(chǎn)品有安科瑞電氣有限公司生產(chǎn)的acrel電力監(jiān)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品[7]。電力監(jiān)控系統(tǒng)和智能電網(wǎng)有著密切的關(guān)系和廣泛的共同性，是智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能電網(wǎng)很多功能需要通過電力監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8]對智能配電拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，和監(jiān)控系統(tǒng)做了研究，并分析了優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]介紹了電力監(jiān)控系統(tǒng)常見的集中結(jié)構(gòu)類型，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[10]以工程為應(yīng)用背景，對配電監(jiān)控系統(tǒng)做了分析研究，最后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對配電系統(tǒng)做了負(fù)荷預(yù)測。隨著智能電網(wǎng)項目的推進(jìn)，電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能不再單一，正朝著智能化、多元化的方向發(fā)展。1.3本論文主要完成內(nèi)容和章節(jié)安排第一章介紹了課題的研究目的、研究意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；第二章分析了LTE關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)協(xié)議分析，包括LTE的概念、實(shí)施方案與實(shí)驗開發(fā)環(huán)境的介紹；第三章完成了EUTRA系統(tǒng)的核心設(shè)計，包括eNodeB的功能和硬件環(huán)境分析、軟件設(shè)計原則、進(jìn)程的研究分析、板間數(shù)據(jù)交換方式；第四章是軟件架構(gòu)的研究，主要包括軟件總體架構(gòu)研究設(shè)計、軟件二級架構(gòu)研究設(shè)計；第五章是軟件模塊的實(shí)現(xiàn)，包括GTPU模塊的實(shí)現(xiàn)、PDCP模塊的實(shí)現(xiàn)；第六章是系統(tǒng)測試及結(jié)果，包括測試設(shè)備、模塊測試。

第2章LTE關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)協(xié)議分析2.1LTE的概念LTE的全稱是LongTermEvolution，它是3G的演進(jìn)，始于2004年3GPP的多倫多會議。準(zhǔn)確的說，LTE并非人們普遍誤解的4G技術(shù)，LTE只是4G技術(shù)的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，除了LTE之外，4G還有WiMax、HSPA+等其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與過去的3G技術(shù)最大的不同是在4G時代里整個網(wǎng)絡(luò)是一個全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。4G是第四代移動通信及其技術(shù)的簡稱，是能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像并且圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品。4G的概念主要包含廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)兩方面的內(nèi)容，在非對稱數(shù)據(jù)傳輸上提供高達(dá)2Mbps的速度，在高質(zhì)量影像服務(wù)方面，對全速移動移動用戶提供速度高達(dá)150Mbps的影像服務(wù)。整個4G移動通信系統(tǒng)是一個全I(xiàn)P的多功能移動通信系統(tǒng)，和傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，它的優(yōu)勢在于能夠兼容不同的無線平臺，對頻帶的依賴性較低，可適用于多種頻帶。4G在服務(wù)內(nèi)容上也有較大提高，將遠(yuǎn)程控制服務(wù)、數(shù)據(jù)采集服務(wù)、定位服務(wù)都集成到了系統(tǒng)中，系統(tǒng)服務(wù)的廣度也進(jìn)一步擴(kuò)大，可以說無論你身在高空還是地面，都能享受自己接入網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。2.2實(shí)施方案與實(shí)驗開發(fā)環(huán)境的介紹2.2.1實(shí)施方案本文在詳細(xì)研究LTE相關(guān)協(xié)議之后，重點(diǎn)分析對3GPPTS36300協(xié)議，研究整個EUTRA的工作原理?；谝欢ǖ耐ㄐ偶夹g(shù)理論，詳細(xì)分析了電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)目前已有的頻譜資源，得出了可以將LTE通信技術(shù)引入到電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)中的結(jié)論。在整個EUTRA中，LTE基站扮演著十分重要的角色，是連接核心網(wǎng)和UE的紐帶。本文立足于LTE基站，針對電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)頻譜自身的特點(diǎn)，為LTE基站提供可行的技術(shù)方案，完成系統(tǒng)核心技術(shù)和核心架構(gòu)的研究，并給出PDCP、GTP-U等關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)方案。LTE基站側(cè)技術(shù)方案的研究和設(shè)計是嚴(yán)格圍繞36300系列的協(xié)議展開的，同時也綜合考慮了其他模塊的功能和接口性問題，在完成方案設(shè)計的同時，也把與其他模塊的交互部分綜合考慮進(jìn)來，共同協(xié)作完成LTE基站側(cè)的功能。將無線通信技術(shù)應(yīng)用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)，從電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)的角度講，引進(jìn)了新的技術(shù)，為電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)提供了多樣性的實(shí)現(xiàn)方案，推動了整個電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)的向前發(fā)展。同時也為電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)提供了更好的可擴(kuò)展性和持續(xù)性。從LTE的角度來講，通信技術(shù)應(yīng)用到其他的系統(tǒng)中，為LTE本身提供了更多的價值，讓整個通信技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于生活中的方方面面。目前已有的實(shí)現(xiàn)可以基本滿足電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)對通信帶寬的需求，但是在未來的發(fā)展中，肯定會有更多的業(yè)務(wù)和更多UE接入端，如果系統(tǒng)只停留在目前的階段，肯定還不能夠滿足日漸增大的需求，所以在下一步的研究中主要的目標(biāo)就是系統(tǒng)的擴(kuò)展性，優(yōu)化整個系統(tǒng)的設(shè)計，讓其能夠方便地升級硬件平臺，同時在軟件實(shí)現(xiàn)部分要能夠?qū)π滦枨笞鞒隹焖俜磻?yīng)，保證軟件可以簡單快速擴(kuò)展。2.2.2實(shí)驗開發(fā)環(huán)境（1）對EUTRA結(jié)構(gòu)的簡介和3GPP相關(guān)協(xié)議進(jìn)行分析。將重點(diǎn)圍繞3GPPTS36系列協(xié)議來分析整個EUTRA的物理層結(jié)構(gòu)、層2結(jié)構(gòu)和層3結(jié)構(gòu)，結(jié)合電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)的頻譜特點(diǎn)，給出適用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)的物理層、層2、層3設(shè)計。（2）重點(diǎn)分析系統(tǒng)的核心算法和主要架構(gòu)，簡要介紹LTE基站的功能和軟件運(yùn)行環(huán)境，然后從進(jìn)程、內(nèi)存資源的角度詳細(xì)闡述適用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)的算法和設(shè)計方案。（3）根據(jù)3GPP協(xié)議分析的結(jié)構(gòu)，給出合理的軟件架構(gòu)方案。（4）對PDCP和GTP-U模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

第3章EUTRA系統(tǒng)的核心設(shè)計在講述本章之前，先簡要介紹一下EUTRA的概念，EUTRA是LTE系統(tǒng)的空中接口，更確切的說就是LTE的無線接入部分，在LTE中，EUTRA就是eNodeB的集合，這些eNodeB共同實(shí)現(xiàn)LTE空中接口功能。3.1eNodeB的功能和硬件環(huán)境分析eNodeB在整個通信網(wǎng)絡(luò)中扮演著非常重要的角色，是連接UE和核心網(wǎng)的紐帶，從數(shù)據(jù)的角度來看，eNodeB需要接收核心網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步解析，生成特定的結(jié)構(gòu)后將數(shù)據(jù)包發(fā)給對應(yīng)的UE，接收UE上報過來的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)通過S1接口發(fā)送給核心網(wǎng)。eNodeB的功能有以下幾項。1)針對不同的UE選擇正確的MME進(jìn)行連接。2)完成數(shù)據(jù)的IP頭加密和IP頭壓縮。3)調(diào)度和發(fā)送尋呼消息和廣播消息。4)無線資源管理，無線承載、無線接納、連接移動控制，上下行資源調(diào)度。5)用戶面數(shù)據(jù)通過SAE網(wǎng)關(guān)的路由。6)移動性和調(diào)度的測量和測量報告的配置。協(xié)助eNodeB完成對應(yīng)功能的軟件分為兩部分，業(yè)務(wù)面軟件和控制面軟件，業(yè)務(wù)面軟件主要完成的是數(shù)據(jù)傳輸、LTE相關(guān)協(xié)議內(nèi)容實(shí)現(xiàn)。控制面軟件的主要功能是信令的處理、運(yùn)行環(huán)境的初始化，包括資源的分配，系統(tǒng)的初始化，典型流程的創(chuàng)建等等。圖3.1中對eNodeB，EPC的功能進(jìn)行了分割，這里我們重點(diǎn)關(guān)注eNodeB側(cè)的功能，eNodeB圖中的白色部分是由eNodeB控制面來實(shí)現(xiàn)，藍(lán)色部分也就是LTE的無線協(xié)議部分則是由業(yè)務(wù)面來實(shí)現(xiàn)的。整個系統(tǒng)中，MME完成的功能主要有：SAE承載管理以及NAS信令的加密及完整性保護(hù)，移動性管理，尋呼消息發(fā)送，安全控制等。業(yè)務(wù)面軟件運(yùn)行的硬件芯片是Freescale公司于2006年5月發(fā)布MSC8144多核DSP芯片。該芯片集成4個64位StarcoreSC3400DSP核，該芯片功能十分強(qiáng)勁，擁有QUICCEngine處理模塊，擁有高達(dá)10MB的片上RAM、4個1x或1個4x串行RapidIO、2個千兆以太網(wǎng)口、ATM、PCI等多種接口。單核最高運(yùn)行頻率1Ghz，總體運(yùn)行性能相當(dāng)于單核4GHz的DSP芯片。SC3400單核最高乘加運(yùn)算性能4GMACS（1GHzx4ALU），總體乘加運(yùn)算性能為16GMACS。基于如此強(qiáng)有力的硬件平臺，軟件運(yùn)行的操作系統(tǒng)將采用OSEck（OSECompactKernel）系統(tǒng)，該系統(tǒng)是瑞典Enea公司針對DSP開發(fā)的OSE實(shí)時操作系統(tǒng)的一種優(yōu)化版本，該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能很好的滿足可靠的實(shí)時控制和信號處理的需求。圖3.1eNodeB以及EPC功能模塊圖控制面軟件分為兩個部分：一部分是S1AP和RRM的公共部分，另一部分是S1AP和RRM中與UE相關(guān)的功能，以及RRC層。S1AP和RRM的公共部分在eMCB板的8548PowerPC硬件平臺上運(yùn)行，而S1AP和RRM中與UE相關(guān)的功能，以及RRC層功能在eCPB板的8548PowerPC硬件平臺上實(shí)現(xiàn)?？刂泼孳浖\(yùn)行在實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks5.4上。總體的硬件設(shè)計圖如圖3.2所示。圖3.2eNodeB軟件運(yùn)行環(huán)境圖3.2軟件設(shè)計原則整個業(yè)務(wù)面軟件的處理分為實(shí)時處理和非實(shí)時處理兩部分。對于實(shí)時處理部分，主要包括RLC和MAC上下行調(diào)度相關(guān)的處理，為了最大程度的滿足系統(tǒng)對實(shí)時性的需求，實(shí)時處理部分將運(yùn)行在DSP芯片上，操作系統(tǒng)采用OSEck。非實(shí)時部分的軟件運(yùn)行在CPU上，操作系統(tǒng)采用的是風(fēng)河公司的VxWorks6.8。業(yè)務(wù)面軟件有非常鮮明的特點(diǎn)，首先整個軟件的目標(biāo)之一就是實(shí)現(xiàn)LTE協(xié)議，因為LTE協(xié)議是分層描述的，軟件的設(shè)計上也將遵循分層的原則，其次，軟件采用分層式的設(shè)計必然增加了調(diào)試的難度，軟件的設(shè)計也要遵循可調(diào)試的原則。可調(diào)試原則核心內(nèi)容是系統(tǒng)和各模塊設(shè)計中應(yīng)充分考慮各階段的調(diào)試工作，在關(guān)鍵點(diǎn)提供輸入、輸出充分的調(diào)試信息的手段，系統(tǒng)錯誤信息應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃。調(diào)試功能應(yīng)可用方便的打開和關(guān)閉，關(guān)閉后不應(yīng)影響系統(tǒng)效率。3.3進(jìn)程的研究分析整個業(yè)務(wù)面軟件運(yùn)行在DSP上，根據(jù)3GPP相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，不同模塊間復(fù)雜度差異較大，對資源的需求和對實(shí)時性的要求都不一樣，DSP芯片上共有4個核，如何能夠最大限度的利用這4個核，能讓軟件運(yùn)行的更加流暢，良好的進(jìn)程設(shè)計是前提。在系統(tǒng)1.0階段，為了簡化整個系統(tǒng)的復(fù)雜度，系統(tǒng)根據(jù)軟件模塊之間的耦合度分析，將整個軟件部署在兩個核上，兩個核共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)整個eNodeB的功能。在對eNodeB功能進(jìn)行進(jìn)一步拆解之后，整個eNodeB軟件共有六個進(jìn)程。詳細(xì)的進(jìn)程分布圖如圖3.3所示。圖3.3核及核上的任務(wù)劃分在兩個核上，共六個進(jìn)程，核一上的三個進(jìn)程為為一個模塊，共同完成初始化，數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，核二上三個進(jìn)程完成調(diào)度相關(guān)的處理，是整個通信系統(tǒng)的核心，包含了整個LTE協(xié)議相關(guān)的實(shí)現(xiàn)。進(jìn)程的優(yōu)先級描述如表3.1所示。表3.1業(yè)務(wù)面進(jìn)程表3.4板間數(shù)據(jù)交換方式整套系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺包含不同的板卡上，不同板卡的芯片也不盡不同，板卡間的通信也十分重要。電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)面的軟件運(yùn)行在一個8144的DSP上，負(fù)責(zé)基帶信號處理的BB模塊則運(yùn)行在另外一個板卡上，BB需要采用異步方式給業(yè)務(wù)面發(fā)送消息，每發(fā)送完一個子幀的消息，通過硬件中斷通知業(yè)務(wù)面接收。整個消息的發(fā)送過程如下，每條消息在一個子幀時間內(nèi)分散發(fā)送，業(yè)務(wù)面在中斷到來時集中讀取當(dāng)前子幀的所有消息。業(yè)務(wù)面讀取當(dāng)前子幀緩存的數(shù)據(jù)時，下一子幀消息可能提前到來。為避免在數(shù)據(jù)讀取時，因新子幀數(shù)據(jù)到達(dá)而前一個數(shù)據(jù)還未讀取完而造成新數(shù)據(jù)覆蓋前一個子幀數(shù)據(jù)的情況，系統(tǒng)設(shè)計了一種叫作乒乓緩沖機(jī)制的方式來處理BB和業(yè)務(wù)面軟件間數(shù)據(jù)的傳輸問題。乒乓緩沖的原理如圖3.12所示，某子幀時間內(nèi)，從BB接收的數(shù)據(jù)存入msg環(huán)形緩沖區(qū)，并將相應(yīng)緩沖區(qū)下標(biāo)存放到PING對應(yīng)的PicoMsgTypeIdx中的index開始的區(qū)域。BB中斷到來，UP首先將PING轉(zhuǎn)換到PANG，然后讀取PING存放的數(shù)據(jù)。同時新子幀時間內(nèi)的數(shù)據(jù)將被存放到msg環(huán)形緩沖區(qū)并在PANG中記錄縮寫數(shù)據(jù)下標(biāo)。圖3.12乒乓緩沖區(qū)示意圖

第4章軟件架構(gòu)的研究4.1軟件總體架構(gòu)研究設(shè)計業(yè)務(wù)面軟件控制的是無線協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和核心業(yè)務(wù)的部分，根據(jù)3GPPTS36300協(xié)議的規(guī)定，無線協(xié)議棧可大致分為四層，如圖4.1所示。圖4.1無線協(xié)議棧業(yè)務(wù)面軟件也根據(jù)無線協(xié)議棧的分層分為5個模塊。這5個模塊里，前四個模塊分別于協(xié)議棧的各個層對應(yīng)，每個模塊完成對應(yīng)的協(xié)議棧的內(nèi)容。第五個模塊則是公共模塊，負(fù)責(zé)整個環(huán)境的初始化，公共資源的管理管理。模塊功能圖如圖4.2所示。模塊詳細(xì)內(nèi)容如下1)GTP-U協(xié)議模塊GTP-U協(xié)議模塊：負(fù)責(zé)處理S1-U接口承載的數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，以及在接收到來自S1-U接口的“EndMarker”時，釋放S1-U接口業(yè)務(wù)面的承載上下文。2)PDCP協(xié)議模塊PDCP協(xié)議模塊：負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)前轉(zhuǎn)、IP頭壓縮/解壓縮，以及完整性保護(hù)和加密/解密。3)RLC協(xié)議模塊RLC協(xié)議模塊：負(fù)責(zé)承載AM、TM、UM模式的數(shù)據(jù)、以及支持ARQ。4)MAC協(xié)議模塊MAC協(xié)議模塊：負(fù)責(zé)完成無線資源分配、調(diào)度器和傳輸格式選擇，以及HARQ、隨機(jī)接入過程、同步過程、功控。5)公共模塊公共模塊是業(yè)務(wù)面其它模塊的前提，描述各模塊所在任務(wù)的建立，劃分實(shí)現(xiàn)；描述各模塊所用公共接口資源，各模塊間的通信方式。圖4.2業(yè)務(wù)面功能模塊分布圖4.2軟件二級架構(gòu)研究設(shè)計前一節(jié)敘述了軟件的總體架構(gòu)，本章延續(xù)上一章節(jié)的內(nèi)容，將架構(gòu)展開分析每個子模塊的內(nèi)部架構(gòu)。4.2.1GTP-U模塊GTP-U是GPRS隧道協(xié)議（GTP）的用戶面部分，在eNodeB中其應(yīng)用于S1接口上，基于構(gòu)建在UDP/IP路徑上的隧道機(jī)制實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的傳輸。隧道上承載的消息類型除用戶數(shù)據(jù)外，還包括用于GTP-U協(xié)議路徑和隧道管理的信令消息[38]。與GTP-U模塊存在接口關(guān)系的外部模塊包括O&M、RRC、PDCP和基于UDP協(xié)議的Socket通信模塊（以下引用為UDP模塊）。其中RRC模塊通過控制服務(wù)訪問點(diǎn)進(jìn)行GTP-U的配置，包括GTP-U隧道的建立和釋放等；PDCP及UDP通過數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)與GTP-U進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)上下行數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)前轉(zhuǎn)及信令消息傳輸功能。GTP-U模塊可劃分為GTP-UCommon模塊、數(shù)據(jù)傳輸（DataTransfer）模塊、帶內(nèi)信令消息處理（In-bandSignalMessageProcess）、網(wǎng)管消息處理（O&MMessageProcess）等四個子模塊。GTP-U內(nèi)部模塊劃分及與外部模塊的交互如圖4.3所示。圖4.3GTP-U模塊邏輯框圖1)RRC模塊向GTP-U模塊發(fā)送配置、重配置及釋放請求，GTP-UCommon子模塊完成處理向RRC發(fā)送響應(yīng)消息。2)PDCP模塊向GTP-U模塊發(fā)送數(shù)據(jù)請求，GTP-UCommon子模塊將其分發(fā)到DataTransfer子模塊處理。3)UDP模塊將從Socket接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送到GTP-U模塊，GTP-UCommon子模塊將其分發(fā)到DataTransfer子模塊處理。4)DataTransfer子模塊通過與GTP-UCommon子模塊的交互，完成上下行數(shù)據(jù)及前轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的傳輸。5)UDP模塊將從Socket接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送到GTP-U模塊，GTP-UCommon子模塊將GTP-U帶內(nèi)信令包分發(fā)到In-bandSignalMessageProcess子模塊處理。6)GTP-U與O&M模塊交互，完成協(xié)議棧配置管理、告警管理等功能。4.2.2PDCP模塊PDCP服務(wù)與控制面數(shù)據(jù)傳輸也業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)傳輸，傳輸過程和PDCP實(shí)體相關(guān)，傳輸?shù)牡谝徊绞莿?chuàng)建PDCP實(shí)體，更新PDCP上下文完成相關(guān)配置。對于多個無線承載，為每一個承載創(chuàng)建一個PDCP實(shí)體。對于業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)傳輸來說，PDCP完成的主要是頭壓縮/解壓縮操作和加/解密操作。對于控制面數(shù)據(jù)要進(jìn)行完整性保護(hù)/驗證操作和加/解密操作。在業(yè)務(wù)面中，PDCP位于GTP-U模塊和RLC模塊之間，在控制面中位于RRC模塊和RLC模塊之間[37]。主要完成的功能有：1)用戶數(shù)據(jù)或控制數(shù)據(jù)的傳輸；2)用戶面數(shù)據(jù)流的頭壓縮和解壓縮；3)非切換時，對承載在RLCUM和RLCAM的PDCPPDU維護(hù)SN；4)用戶面數(shù)據(jù)或控制面數(shù)據(jù)的加密和解密；5)控制面數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)和驗證；6)支持對特定PDCPSDU的丟棄；7)支持PDCP重建。根據(jù)3GPP協(xié)議對PDCP的描述，將PDCP分為由PDCPCommon子模塊、PDCPControl子模塊、Transmitter子模塊、Receiver子模塊、HeaderCompression子模塊、HeaderDecompression子模塊、IntegrityProtection子模塊、IntegrityVerification子模塊、Ciphering子模塊、Deciphering子模塊、AddPDCPHeader子模塊、RemovePDCPHeader子模塊。各模塊分布如圖4.4所示。圖中的線條表示各個模塊之間的數(shù)據(jù)交互。1)方向：eCPB板RRC模塊/eMCB板RRC模塊PDCPCommon子模塊。功能：eCPB板RRC模塊/eMCB板RRC模塊發(fā)給PDCP模塊的控制消息，包括RRC連接建立、重配、切換配置、重建、釋放，激活配置，PDCP狀態(tài)獲取請求和狀態(tài)設(shè)置，以及應(yīng)用完整性和配置安全性消息。方向：PDCPCommon子模塊→eCPB板RRC模塊/eMCB板RRC模塊。功能：eCPB板RRC模塊/eMCB板RRC模塊發(fā)給PDCP模塊的控制消息的反饋消息，以及完整性驗證失敗指示。2)配置Transmitter子模塊、HeaderCompression子模塊、AddPDCPHeader子模塊、IntegrityProtection子模塊、Ciphering子模塊。3)配置Receiver子模塊、HeaderDecompression子模塊、RemovePDCPHeader子模塊、IntegrityVerification子模塊、Deciphering子模塊。4)配置PDCPControl子模塊的相關(guān)參數(shù)，如statusReportRequired。圖4.4PDCP模塊劃分圖5)方向：Transmitter子模塊→PDCPCommon子模塊。功能1：PDCP狀態(tài)獲取時，發(fā)送端的狀態(tài)（dlPdcpSn、dlHfn）發(fā)送給Common子模塊；功能2：Transmitter子模塊通過PDCPCommon子模塊給RLC模塊發(fā)送丟棄PDCPPDU的指示消息。方向：PDCPCommon子模塊→Transmitter模塊。功能1：PDCP狀態(tài)設(shè)置時，設(shè)置發(fā)送端的狀態(tài)（dlPdcpSn、dlHfn）；功能2：RLC模塊給PDCP模塊發(fā)送的AM模式下的發(fā)送數(shù)據(jù)的確認(rèn)消息，PDCPCommon子模塊解析出該原語后，告知Transmitter子模塊確認(rèn)信息。6)方向：Receiver子模塊→PDCPCommon子模塊。功能：PDCP狀態(tài)獲取時，接收端的狀態(tài)（fms、bitmap、ulHfn）。方向：PDCPCommon子模塊→Receiver模塊。功能：PDCP狀態(tài)設(shè)置時，設(shè)置接收端的狀態(tài)（fms、bitmap、ulHfn）。7)從GTP-U模塊發(fā)送的正常業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)。8)Receiver子模塊把接收的正常業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)提交給GTP-U模塊；9)Receiver子模塊提供信息，PDCPControl子模塊的PDCPstatusreport子子模塊填寫狀態(tài)報告。10)PDCPstatusreport子子模塊解析接收到的狀態(tài)報告，告知Transmitter子模塊哪些SDU得到確認(rèn)。11)方向：RLC模塊→PDCPCommon子模塊。功能：AM模式下，RLC模塊給PDCP模塊的PDCPCommon子模塊發(fā)送對端的確認(rèn)信息，指示哪些PDCPSDU對端確認(rèn)收到。方向：PDCPCommon子模塊→RLC模塊。功能：丟棄PDCPSDU時，如果該SDU已經(jīng)組成PDU并已提交給RLC模塊，則PDCPCommon子模塊需要發(fā)消息通知RLC模塊丟棄收到的相應(yīng)的PDCPPDU。12)當(dāng)進(jìn)行映射到SRB上的上行數(shù)據(jù)傳輸過程，如果配置的完整性驗證可用，但完整性驗證失敗，則IntegrityVerification子模塊給RRC模塊指示完整性驗證失敗。13)HeaderDecompression子模塊給PDCPControl子模塊的interspersedROHCfeedbackpacket子子模塊提供頭壓縮反饋信息。14)interspersedROHCfeedbackpacket子子模塊解析接收到的ROHC反饋包，告知HeaderCompression子模塊相關(guān)反饋信息。15)PDCP模塊與OM模塊的交互，OM模塊修改PDCP模塊的MIB信息。4.2.3RLC模塊RLC層從高層接收或向高層發(fā)送RLCSDU，向低層發(fā)送或從低層接收RLCPDU。支持TM、UM、AM三種傳輸模式。在發(fā)起數(shù)傳前，RRC要配置相應(yīng)的RLC實(shí)體。在下行數(shù)傳的時候，接收來自MAC層的發(fā)送時機(jī)和發(fā)送大小的通知，根據(jù)發(fā)送時機(jī)中可傳PDU大小，對RLCSDU進(jìn)行分段或串接，如圖4.5所示，添加RLC頭，生成RLCPDU。在上行數(shù)傳過程中接收PDU并進(jìn)行重復(fù)檢測，對接收到亂序的PDUs進(jìn)行重排序，將重排序后的PDUs重組成RLCSDUs，并按序發(fā)送到PDCP層[30，31]。圖4.5分段和級聯(lián)示意圖RLC模塊主要包含以下子模塊：RLCCommon模塊、RLCTM模塊、RLCUM模塊、RLCAM模塊。圖中各個模塊間的消息交互描述如下。1)表示在小區(qū)建立、小區(qū)刪除、RRC連接建立、RRC連接重配、RRC連接重建、RRC連接釋放時，RRC/RRM對RLC層的控制原語。2)表示RLCCommon子模塊根據(jù)收到的控制原語對相應(yīng)的RLCUM實(shí)體進(jìn)行配置、重配、重建、釋放的過程。3)表示RLCCommon子模塊根據(jù)收到的控制原語對相應(yīng)的RLCTM實(shí)體進(jìn)行配置或釋放。4)表示RLCCommon子模塊根據(jù)收到的控制原語對相應(yīng)的RLCAM實(shí)體進(jìn)行配置、重配、重建、釋放的過程。5)表示RLCAM子模塊在成功發(fā)送了一個PDCP的PDU后，向PDCP回復(fù)成功發(fā)送的指示；6)表示MAC層與RLC層的控制原語，主要包括：MAC層向RLCCommon子模塊查詢待發(fā)送數(shù)據(jù)大小的指示；RLCCommon子模塊向MAC回復(fù)待發(fā)送數(shù)據(jù)大小；MAC層向RLCCommon子模塊指示發(fā)送時機(jī)和發(fā)送PDU大??；7)表示RLC與OM的交互。圖4.6RLC子模塊劃分圖

第5章軟件模塊的實(shí)現(xiàn)5.1GTPU模塊的實(shí)現(xiàn)5.1.1子模塊的功能介紹GTP-U模塊可劃分為：GTP-UCommon模塊、數(shù)據(jù)傳輸（DataTransfer）模塊、帶內(nèi)信令消息處理（In-bandSignalMessageProcess）、網(wǎng)管消息處理（O&MMessageProcess）等四個子模塊。各子模塊的功能簡述如下。1)GTP-UCommon模塊：完成GTP-U協(xié)議棧的初始化；GTP-U協(xié)議上下文的管理和維護(hù)；提供GTP-U消息入口函數(shù)，完成GTP-U消息接收和分發(fā)；提供向其他外部模塊發(fā)送消息的接口；接收并處理RCP模塊的配置消息；2)數(shù)據(jù)傳輸（DataTransfer）模塊：DataTransfer子模塊通過與GTP-UCommon子模塊的交互，完成上下行數(shù)據(jù)及前轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的傳輸。3)帶內(nèi)信令消息處理（In-bandSignalMessageProcess）模塊：處理GTP-UCommon模塊分發(fā)到本模塊的GTPU信令消息，根據(jù)消息類型進(jìn)入不同的處理流程；完成GTPU信令消息的解析和封裝；路徑連通性測試。4)網(wǎng)管消息處理（O&MMessageProcess）模塊：處理O&M模塊發(fā)送的配置消息，根據(jù)配置消息類型和消息內(nèi)容對GTPU協(xié)議配置進(jìn)行修改；處理O&M模塊發(fā)送的查詢消息，根據(jù)查詢內(nèi)容的不同向其反饋協(xié)議當(dāng)前生效的配置或者性能統(tǒng)計的結(jié)果信息；定期向O&M模塊上報性能統(tǒng)計結(jié)果。5.1.2子模塊間的交互子模塊直接間的交互如圖5.1所示。GTPU_Common模塊中的GTPU_Main（）把從UP_Main（）接收到的消息根據(jù)SAP點(diǎn)進(jìn)行消息分發(fā)，把消息分發(fā)到相應(yīng)的子模塊進(jìn)行處理。1）若SAP點(diǎn)為GTPU_PDCP_DATA_SAP，消息類型為PDCP數(shù)據(jù)，GTPU_Common就把從PDCP模塊接收到的數(shù)據(jù)請求分發(fā)到數(shù)據(jù)傳輸子模塊進(jìn)行處理。2）若SAP點(diǎn)為GTPU_GTPU_DATA_SAP，解析接收到消息得到GTPU數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的消息類型進(jìn)入相應(yīng)的子模塊進(jìn)行處理。若消息類型為GTPU_G_PDU（GPDU數(shù)據(jù)），則進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸子模塊進(jìn)行處理；否則進(jìn)入信令消息子模塊進(jìn)行處理。3）若SAP點(diǎn)為OM_GTPU_CTRL_SAP，則進(jìn)入O&M消息處理子模塊進(jìn)行處理。在O&M模塊里根據(jù)消息類型進(jìn)入不同的函數(shù)處理過程。圖5.1GTP-U內(nèi)部模塊交互圖5.2PDCP模塊的實(shí)現(xiàn)PDCP與對等端之間的總體過程描述如圖5.2所示。圖中詳細(xì)描述了整個PDCP的過程。5.2.1子模塊的功能介紹1)PDCPCommon子模塊：解析RRC、RRM、GTP-U、RLC模塊發(fā)來的消息，根據(jù)SAP點(diǎn)和消息類型判斷進(jìn)入相應(yīng)的過程進(jìn)行處理。2)Transmitter子模塊：為RRC、GTP-U模塊發(fā)來的一個PDCPSDU關(guān)聯(lián)一個SN、HFN，經(jīng)過頭壓縮（僅用戶面數(shù)據(jù)）、加PDCP頭、完整性保護(hù)（僅控制面數(shù)據(jù)）、加密處理后，把PDCPPDU提交到環(huán)形緩沖區(qū)（控制面數(shù)據(jù)提交到下行SRB環(huán)形緩沖區(qū)；用戶面數(shù)據(jù)提交到下行DRB環(huán)形緩沖區(qū)），供RLC模塊獲取。3)Receiver子模塊：接收RLC模塊提交的數(shù)據(jù)，經(jīng)過解密、完整性驗證（僅控制面數(shù)據(jù)）、去PDCP頭、頭解壓縮（僅用戶面數(shù)據(jù)）處理后，提交給RRC或GTP-U模塊。4)PDCPControl子模塊：當(dāng)切換或重建已經(jīng)發(fā)生時，對于映射到AM上的DRB數(shù)據(jù)，編輯一個狀態(tài)報告，加PDCP頭后，發(fā)送到對等端；PDCP模塊收到狀態(tài)報告PDU后，去PDCP頭，丟棄對等端已經(jīng)確認(rèn)的PDCPSDU。5)Add/RemovePDCPHeader子模塊：對PDCPSDU進(jìn)行加PDCP頭，變成PDCPPDU；對PDCPPDU進(jìn)行去PDCP頭，變成PDCPSDU。6)HeaderCompression/Decompression子模塊：對要發(fā)送的用戶面數(shù)據(jù)進(jìn)行頭壓縮；對接收到的用戶面數(shù)據(jù)進(jìn)行頭解壓縮。7)IntegrityProtection/Verification子模塊：對要發(fā)送的控制面數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性保護(hù)；對接收到的控制面數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性驗證。8)Ciphering/Deciphering子模塊：對要發(fā)送的控制面數(shù)據(jù)和用戶面數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；對接收到的控制面數(shù)據(jù)和用戶面數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。9)OM交互子模塊：解析OM模塊發(fā)來的消息，根據(jù)SAP點(diǎn)和消息類型判斷進(jìn)入相應(yīng)的過程進(jìn)行處理，然后給OM模塊反饋配置結(jié)果消息，并可以提交性能統(tǒng)計信息。10)Debug子模塊：PDCP模塊內(nèi)部調(diào)試的相關(guān)處理?？梢源蛴∨渲孟⒌膬?nèi)容，打印上下文信息，統(tǒng)計收發(fā)數(shù)傳相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)目等。圖5.2PDCP對等端功能圖5.2.2子模塊間的交互子模塊的交互往往都和實(shí)際的業(yè)務(wù)和功能分不開。這里借助DRB下行數(shù)傳的過程來介紹子模塊之間的交互。DRB下行數(shù)傳時序圖如圖5.3所示。過程描述如下。1)GTP-U模塊通過原語GTPU_PDCP_DATA_REQ把映射到DRB上的下行數(shù)據(jù)發(fā)送給Transmitter子模塊。2)通過原語中的rbId判斷，如果對應(yīng)的是映射到DRB上的PDCP實(shí)體，則解析出原語中的數(shù)據(jù)域，把該數(shù)據(jù)域作為PDCPSDU存入Transmitter子模塊的SDU列表中。3)為每個SDU啟動一個DiscardTimer定時器，并為SDU分配pdcpHfn和pdcpSn，如果定時器超時，產(chǎn)生異常，執(zhí)行11、12。4)用戶面數(shù)據(jù)在發(fā)送時需要進(jìn)行頭壓縮，因此Transmitter子模塊調(diào)用HeaderCompression子模塊，把SDU列表中的SDU數(shù)據(jù)進(jìn)行頭壓縮。5)Transmitter子模塊調(diào)用AddPDCPHeader子模塊，把SDU列表中的SDU加上PDCP頭后，變?yōu)镻DU，然后存入PDU列表中。6)用戶面數(shù)據(jù)發(fā)送時還需要進(jìn)行加密，因此Transmitter子模塊調(diào)用Ciphering子模塊，把PDU列表中的PDU進(jìn)行加密。7)通過原語PDCP_RLC_DATA_REQ把生成的PDU信息提交給RLC模塊。8)AM模式時，RLC模塊給PDCP模塊的Transmitter子模塊發(fā)送RLC_PDCP_CONFIRM_IND原語，向PDCP模塊指示發(fā)送成功，Transmitter子模塊根據(jù)該原語中的PDCP_SN判斷SDU列表中的哪個SDU已經(jīng)確認(rèn)成功發(fā)送，然后從SDU列表中刪除該SDU，并刪除相應(yīng)的PDU。9)切換或重建時，AM模式下，PDCPControl子模塊收到對端發(fā)來的狀態(tài)報告，解析該狀態(tài)報告，知道哪些SN的SDU被確認(rèn)，然后通知Transmitter子模塊從SDU列表中根據(jù)pdcpHfn和pdcpSn刪除該SDU，并刪除相應(yīng)的PDU。10)如果該SDU已經(jīng)組成PDU并已提交給RLC模塊，通過原語PDCP_RLC_DISCARD_REQ通知RLC模塊丟棄收到的相應(yīng)PDCP_SN的PDCPPDU。11)DiscardTimer超時，如果還沒有組成PDU，則Transmitter子模塊從SDU列表中根據(jù)pdcpHfn和pdcpSn刪除該SDU，并刪除相應(yīng)的PDU。12)如果該SDU已經(jīng)組成PDU并已提交給RLC模塊，需要通過原語PDCP_RLC_DISCARD_REQ通知RLC模塊丟棄收到的相應(yīng)PDCP_SN的PDCPPDU。圖5.3DRB下行數(shù)據(jù)傳輸過程時序圖

第6章系統(tǒng)測試及結(jié)果6.1測試設(shè)備在測試系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要對電源電壓、PLCC收發(fā)電路、LTE短消息收發(fā)以及系統(tǒng)整體性能進(jìn)行測試，因此，主要采用了以下設(shè)備：Agilent34401A型萬用表TektronixTDS1002型示波器USB轉(zhuǎn)串口和I2C轉(zhuǎn)換器HTC手機(jī)兩臺電腦普通插座兩個6.2模塊測試6.2.1電源模塊（1）+5V電源圖6.25V電源實(shí)測圖由圖6.2顯示，實(shí)測中的穩(wěn)壓管78M05的輸出電壓為6.056V并很穩(wěn)定，滿足我們對+5V電壓的要求。（2）+4.2V電源圖6.34.2電源實(shí)測圖如圖6.3所示，由電源芯片LM2941給LTE提供的實(shí)際電壓為4.184V，符合設(shè)計要求。（3）+3.3V電源圖6.43.3V電源實(shí)測圖如圖6.4所示，電源芯片ADP3335的輸出電壓為3.305V。經(jīng)過以上對系統(tǒng)各部分實(shí)際電壓的測量可知，系統(tǒng)電源部分工作正常，與預(yù)期設(shè)計基本一致。6.2.2PLCC收發(fā)模塊為了測試上位機(jī)和下位機(jī)之間電力線載波通信功能，首先應(yīng)對上位機(jī)的控制芯片ADuC7026和下位機(jī)的控制芯片PL3106C進(jìn)行程序下載。ADuC7026通過UART串口下載程序（下載方法見3.1節(jié)），程序存儲于芯片62KB的Flash中；PL3106C通過I2C總線接口進(jìn)行在線編程，程序存儲于16KB的E2PROM中。其次是硬件連接。由一臺PC通過RS232接口電路替代LTE模塊連接到上位機(jī)ARM芯片，由另一臺PC通過RS232接口代替終端傳感和控制模塊連接到下位機(jī)PL3106芯片，具體連接如圖6.5所示。圖6.5PLCC模塊通信測試結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)中低壓電力載波通信的特征指標(biāo)有：（1）傳輸通道：220V電力線載波，異步傳輸，500bps；（2）載波方式：直序擴(kuò)頻，PSK調(diào)制，中心頻率120KHz，帶寬15KHz；（3）擴(kuò)頻碼：A制方式為15位擴(kuò)頻碼，B制方式為63位擴(kuò)頻碼在系統(tǒng)正常工作的情況下，使用示波器對系統(tǒng)電路不同點(diǎn)的發(fā)射波形和接收波形進(jìn)行測試。具體測試圖如圖6.6~6.13所示：圖6.6諧振前接收波形圖6.7諧振后進(jìn)入SIG_IN的波形圖6.8PSK_OUT管教輸出發(fā)射波形圖6.9經(jīng)放大電路后的發(fā)射波形圖6.10濾波前發(fā)射波形圖6.11濾波后發(fā)射波形圖6.12陶瓷濾波前波形圖6.1