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(中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

電力線載波通信(power line communications，PLC)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國外用電信息采集或高級計(jì)量系統(tǒng)(AMI)的各個場合，在國內(nèi)也已經(jīng)普遍應(yīng)用于自動抄表領(lǐng)域。除了用電信息采集外，電力線載波通信技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于智能家居、樓宇控制和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。當(dāng)前電力線載波通信技術(shù)正在從窄帶向?qū)拵Оl(fā)展，寬帶載波通信已成為近年來電力線載波通信研發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)，目前中國電力企業(yè)聯(lián)合會、國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司均正在制定或已經(jīng)制定面向用電信息采集系統(tǒng)的寬帶載波通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以預(yù)見寬帶電力線通信技術(shù)有著廣泛而重要的應(yīng)用前景。

在寬帶載波通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議制定以及寬帶載波通信技術(shù)研發(fā)的過程中，需要同步研究寬帶載波通信一致性測試技術(shù)和系統(tǒng)。通過一致性測試，既可以驗(yàn)證協(xié)議的某個實(shí)現(xiàn)是否與所遵從的協(xié)議規(guī)范保持一致，同時也是保證不同設(shè)備廠商研發(fā)的通信設(shè)備能夠互聯(lián)互通的基礎(chǔ)。因此，寬帶載波通信協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的研發(fā)對于推進(jìn)寬帶載波通信的標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)備互聯(lián)互通具有十分重要的意義。

本文依據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11612-2016《低壓電力線寬帶載波通信互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范》的設(shè)計(jì)機(jī)制，基于TTCN-3(Testing and Test Control Notation)測試框架提出了寬帶載波通信協(xié)議一致性測試方案并研發(fā)了測試系統(tǒng)。根據(jù)一致性測試?yán)碚摷皩拵щ娏€通信協(xié)議設(shè)計(jì)開發(fā)測試系統(tǒng)平臺和測試用例，利用一致性測試開發(fā)軟件Eclipse Titan開發(fā)并執(zhí)行測試套件，對待測設(shè)備進(jìn)行測試，驗(yàn)證了所提出的寬帶載波通信協(xié)議一致性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

1 寬帶載波通信協(xié)議

寬帶載波通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議規(guī)定了面向電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的寬帶載波通信網(wǎng)絡(luò)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層技術(shù)，及適用于用電信息采集系統(tǒng)的集中器通信單元與電能表通信單元、采集器通信單元之間的數(shù)據(jù)交換機(jī)制。寬帶載波系統(tǒng)構(gòu)成的電力線通信網(wǎng)絡(luò)中，定義了三種設(shè)備角色：中央?yún)f(xié)調(diào)器(CCO)、代理協(xié)調(diào)器(PCO)以及站點(diǎn)(STA)。CCO為網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)完成組網(wǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理和用電信息采集等功能，其對應(yīng)的設(shè)備實(shí)體為集中器本地通信單元；PCO和STA對應(yīng)于安裝在電能表、采集器的通信單元設(shè)備，其中STA為網(wǎng)絡(luò)中從屬節(jié)點(diǎn)，PCO在網(wǎng)絡(luò)中作為中繼節(jié)點(diǎn)連接CCO和STA。

在組網(wǎng)過程中，寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)一般會形成以CCO為中心，以PCO為中繼代理，連接所有STA的多層級樹形網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示為典型的寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧如圖2所示，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層。通常在寬帶電力線組網(wǎng)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層可以省略。

圖2 寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了通信單元之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互，通過數(shù)據(jù)鏈路層和物理層完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層分為網(wǎng)絡(luò)管理子層和媒體訪問控制(MAC)子層，網(wǎng)絡(luò)管理子層實(shí)現(xiàn)寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)；MAC子層通過CSMA/CA和TDMA兩種信道訪問機(jī)制訪問物理信道，實(shí)現(xiàn)報文的可靠傳輸。物理層的主要功能是進(jìn)行發(fā)送端編碼和調(diào)制，以及接收端解調(diào)和譯碼。

2 協(xié)議一致性測試

2.1 基于TTCN-3的一致性測試框架

一致性測試是指檢測協(xié)議的某個實(shí)現(xiàn)與所對應(yīng)的協(xié)議規(guī)范是否一致，即在特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用測試序列對被測協(xié)議實(shí)現(xiàn)進(jìn)行黑盒測試，通過比較被測協(xié)議實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)與協(xié)議規(guī)范是否一致從而得到測試判決[1]。協(xié)議一致性測試的原理如圖3。

圖3 一致性測試原理

針對協(xié)議一致性測試，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了ISO/IEC 9646協(xié)議一致性測試方法和框架。其中ISO 9646-3定義了協(xié)議測試領(lǐng)域?qū)Ｓ玫臉?biāo)準(zhǔn)化測試描述語言，其最新版本為TTCN-3。TTCN-3由ETSI(European Telecommunications Standards Institute, 歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)維護(hù)，已廣泛應(yīng)用于3GPP，DSL，IPv6，GSM，LTE等各種通信系統(tǒng)的協(xié)議一致性測試[2]。

TTCN-3測試系統(tǒng)框架[3]如圖4。各個實(shí)體功能如下：TTCN-3執(zhí)行(TTCN-3 Executable，TE)實(shí)體負(fù)責(zé)解釋和執(zhí)行測試集；被測設(shè)備適配(SUT Adapter, SA)實(shí)體實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)與被測系統(tǒng)(SUT)的通信；平臺適配(Platform Adapter，PA)實(shí)體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定時器功能；編解碼(Code-decode、CD)實(shí)體負(fù)責(zé)TTCN-3數(shù)據(jù)類型與比特串的轉(zhuǎn)換；測試管理(Test Management，TM)實(shí)體負(fù)責(zé)管理和控制整個測試系統(tǒng)；測試日志(Test Logging，TL)實(shí)體負(fù)責(zé)記錄測試執(zhí)行日志；組件句柄(Component Handling，CH)實(shí)體負(fù)責(zé)組件的管理[4]。

圖4 TTCN-3測試系統(tǒng)框架

TRI和TCI接口由TTCN-3規(guī)范定義，負(fù)責(zé)實(shí)體間的交互[5]。測試開發(fā)人員需要依據(jù)測試系統(tǒng)需求來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)體，如SA、PA、CD實(shí)體。

2.2 一致性測試開發(fā)平臺Titan

Titan是由愛立信公司開發(fā)的基于Eclipse平臺的開源TTCN-3協(xié)議集成測試開發(fā)和執(zhí)行環(huán)境[6]。Titan GUI提供以下的Eclipse平臺插件：

1)Designer：用于開發(fā)TTCN-3/ASN.1源碼，生成可執(zhí)行測試套；

2)Executor：控制測試腳本的執(zhí)行；

3)LogViewer：以表格、文本和圖形格式表示測試日志，并提供測試日志到源碼的導(dǎo)航；

4)Titanium：提供代碼質(zhì)量保證，如模塊導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的可視化、代碼重構(gòu)等。

Titan提供了完整的TTCN-3開發(fā)和執(zhí)行功能。作為開源的軟件平臺，使用Titan進(jìn)行一致性測試平臺開發(fā)，相比于其他商業(yè)軟件(如TTworkbench[7])更便于測試平臺的使用以及推廣。因此，寬帶電力線通信協(xié)議一致性測試平臺使用Titan進(jìn)行開發(fā)。

3 測試平臺設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，測試平臺需要支持以下具體測試功能及性能指標(biāo)：

1)從協(xié)議層次來看，平臺需要支持對物理層、鏈路層以及應(yīng)用層的測試；

2)從被測對象角色來看，平臺需要支持對不同角色的測試，包括CCO、PCO以及STA；

3)從協(xié)議測試的內(nèi)容來看，平臺需要支持對SUT的組網(wǎng)、維護(hù)以及抄表功能等協(xié)議機(jī)制的測試；

4)測試平臺可根據(jù)實(shí)際模擬載波信道的特性，如信道衰減、信道噪聲及干擾。

根據(jù)上述需求，以及一致性測試原理及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的測試平臺總體架構(gòu)如圖5所示。一致性測試平臺由軟件平臺和硬件平臺兩部分組成。軟件平臺通過網(wǎng)口經(jīng)以太網(wǎng)交換機(jī)與硬件平臺各部分相連。軟件平臺運(yùn)行于上位機(jī)上，產(chǎn)生各種測試用例；硬件平臺完成信號收發(fā)及信道模擬功能，將測試幀轉(zhuǎn)換為所需的寬帶載波通信信號或反之。進(jìn)行一致性測試時，測試軟件平臺產(chǎn)生的測試序列經(jīng)由測試硬件平臺發(fā)送給SUT，然后接收SUT的響應(yīng)并進(jìn)行測試判決。

圖5 測試平臺總體架構(gòu)

3.1 測試軟件平臺

測試軟件平臺分為測試開發(fā)模塊和測試執(zhí)行模塊兩部分。測試開發(fā)人員通過測試開發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)相關(guān)接口，編寫測試用例，編譯可執(zhí)行測試套件；而測試執(zhí)行人員通過測試執(zhí)行模塊輸入硬件控制信息、選擇和執(zhí)行測試集、記錄并分析測試日志、獲得測試判決結(jié)果。將測試開發(fā)環(huán)境與測試執(zhí)行模塊解耦，使得測試執(zhí)行人員僅需關(guān)心測試的執(zhí)行，而無需接觸測試套件的開發(fā)，大大簡化了測試人員的操作。

3.1.1 測試開發(fā)模塊

測試開發(fā)環(huán)境基于Eclipse Titan平臺，為支撐上層模塊(即測試執(zhí)行模塊)的測試執(zhí)行功能，實(shí)現(xiàn)測試用例的交互流程，測試開發(fā)模塊需要實(shí)現(xiàn)測試軟件平臺與被測系統(tǒng)之間的通信。

由于測試軟件平臺收發(fā)時使用TTCN-3類型的數(shù)據(jù)，無法直接與SUT進(jìn)行通信，所以測試軟件平臺收發(fā)的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行TTCN-3類型與協(xié)議二進(jìn)制串之間的轉(zhuǎn)換，該功能由CD實(shí)體實(shí)現(xiàn)。在CD中，編解碼函數(shù)按照協(xié)議層級進(jìn)行劃分和設(shè)計(jì)，不同層級的報文進(jìn)行組幀或解幀時調(diào)用對應(yīng)的編解碼函數(shù)?；诰W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，構(gòu)造了4組編解碼函數(shù)，分別對應(yīng)鏈路層、應(yīng)用層、Q/GDW 1376.2報文[8]和DL/T 645[9]報文。圖6所示為報文接收時的解碼流程。

圖6 報文解碼流程

為了實(shí)現(xiàn)測試軟件平臺與透明物理設(shè)備、測試工裝、衰減器、信號發(fā)生器等物理設(shè)備之間的通信，需要測試開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的通信接口，這部分功能在SA實(shí)體實(shí)現(xiàn)，其通過Socket接口利用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與硬件平臺間的數(shù)據(jù)交互。

由于寬帶協(xié)議采用了TDMA和CSMA/CA機(jī)制，為保證時隙收發(fā)的準(zhǔn)確性，需要在測試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的精確定時收發(fā)。在設(shè)計(jì)中我們將時間戳的產(chǎn)生以及精確收發(fā)時隙的控制放到硬件平臺來實(shí)現(xiàn)，由硬件平臺保證信道收發(fā)的精確定時，而軟件平臺只負(fù)責(zé)測試內(nèi)容的產(chǎn)生和測試的運(yùn)行判決，這樣對軟件測試平臺定時器的精度要求大大降低，其最小定時大約需要30 ms，故在軟件平臺中使用了上位機(jī)默認(rèn)的系統(tǒng)定時器即可滿足定時要求。

基于上述功能實(shí)體的實(shí)現(xiàn)，測試開發(fā)平臺能夠提供給測試執(zhí)行平臺完整的底層功能支持。由Titan平臺提供測試用例解釋執(zhí)行的能力，通過PA實(shí)體進(jìn)行定時操作，由CD實(shí)體編解碼數(shù)據(jù)幀，再通過SA模塊交由硬件平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)幀收發(fā)。

3.1.2 測試執(zhí)行模塊

測試執(zhí)行模塊如圖7所示，包括以下5個部分：

1)用戶界面負(fù)責(zé)接收用戶輸入的相關(guān)控制信息，并輸出得到的測試結(jié)果和日志信息；

2)硬件設(shè)備控制單元通過調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)與硬件設(shè)備之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的參數(shù)配置；

3)測試流程監(jiān)視器用于收集腳本的執(zhí)行結(jié)果和日志信息；

4)測試結(jié)果保存模塊負(fù)責(zé)將日志信息保存至本地；

5)腳本執(zhí)行控制器控制測試用例的執(zhí)行。測試用例腳本集是測試腳本經(jīng)過Titan編譯后形成的可執(zhí)行文件，即可執(zhí)行測試套件。腳本執(zhí)行控制器通過調(diào)用測試執(zhí)行人員選擇的測試集所對應(yīng)的可執(zhí)行測試套件來執(zhí)行測試用例。

圖7 測試執(zhí)行模塊

3.2 測試硬件平臺

測試硬件平臺主要包括載波透明物理設(shè)備、測試工裝、衰減器、信號發(fā)生器等物理設(shè)備或模塊。

載波透明物理設(shè)備需要具備收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，主要實(shí)現(xiàn)協(xié)議物理層和部分MAC子層的功能。實(shí)際中載波透明物理設(shè)備分為載波透明接入單元和載波信道偵聽單元，分別實(shí)現(xiàn)報文的發(fā)送和接收。透明接入單元負(fù)責(zé)將軟件平臺組織的數(shù)據(jù)發(fā)送到載波通信介質(zhì)，并根據(jù)需求自動回復(fù)SACK；信道偵聽單元負(fù)責(zé)將載波通信介質(zhì)里的所有數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送給軟件平臺，供其進(jìn)行分析判斷。

測試工裝在測試系統(tǒng)中主要扮演集中器/電能表或透傳通道的角色。它需要實(shí)現(xiàn)兩種工作模式：第一種模式下，測試工裝可以作為集中器/電能表，為被測CCO/STA分配地址，協(xié)助系統(tǒng)的組網(wǎng)，同時測試工裝還需要能夠自主的開啟一些流程(如抄表流程)的運(yùn)行或數(shù)據(jù)的應(yīng)答；另一種模式下，測試工裝只需承擔(dān)通信轉(zhuǎn)發(fā)的工作，為測試軟件平臺與被測CCO/STA之間的通訊提供一個透明的通道。

可編程衰減器用來模擬信號在實(shí)際路徑傳輸中所面臨的信號衰減，最大衰減為120 dB。信號發(fā)生器承擔(dān)的任務(wù)，一是向通信信道中注入噪聲以模擬信道噪聲，二是在抗頻偏測試時給發(fā)射機(jī)提供可調(diào)整的時鐘信號?？勺⑷氲脑肼暫透蓴_信號包括：帶寬25 MHz，功率為-30 dBm的高斯白噪聲；頻段1：(1 MHz，-20 dBm)、(3 MHz，-30 dBm)、(6 MHz，-30 dBm)，頻段0：(1 MHz，-20 dBm)、(8 MHz，-30 dBm)、(15 MHz，-20 dBm)的窄帶干擾；脈沖頻率100 kHz，脈寬1 μs，幅值4 V的脈沖信號。測試軟件可對信號發(fā)生器的波形、頻率、帶寬、功率等參數(shù)進(jìn)行控制，產(chǎn)生測試所需的各種信號。

4 測試集設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)測試集要遵循兩個基本原則：一是要求設(shè)計(jì)的測試集在針對協(xié)議正常流程進(jìn)行測試的同時，也要考慮異常和極限場景；二是要求測試集盡量做到完備覆蓋，并且要避免測試集冗余。

4.1 測試集劃分

在深入研究寬帶載波通信協(xié)議[10]的基礎(chǔ)上，借鑒黑盒測試法，針對物理層、鏈路層和應(yīng)用層分別設(shè)計(jì)了不同的測試用例。

物理層測試集主要是測試物理信道傳輸?shù)目煽啃院陀行?。其測試集如圖8所示。測試?yán)ò自肼暪δ?、抗衰減、ToneMask功能、TMI模式遍歷等。

圖8 物理層測試集

鏈路層測試集如圖9所示，主要包括組網(wǎng)功能測試、信標(biāo)測試、沖突退避測試以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)測試等測試用例。

圖9 鏈路層測試集

應(yīng)用層的功能是實(shí)現(xiàn)智能抄表，測試用例主要包括STA和CCO的抄表功能測試。

4.2 編寫測試腳本

以單網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的STA主動入網(wǎng)流程說明測試用例的設(shè)計(jì)過程。該測試中，測試平臺的角色為CCO，被測設(shè)備為STA，以STA成功發(fā)出發(fā)現(xiàn)信標(biāo)為測試結(jié)束(見圖10)。

圖10 STA主動入網(wǎng)流程

具體流程如下：

1)測試平臺模擬CCO的角色向被測設(shè)備發(fā)送中央信標(biāo)幀，啟動定時器T1；

2)在定時器T1超時前，測試平臺正確收到了被測設(shè)備發(fā)送的關(guān)聯(lián)請求報文，則停止定時器，并向被測設(shè)備發(fā)送關(guān)聯(lián)確認(rèn)報文，啟動定時器T2；如果定時器T1超時，或者接收非關(guān)聯(lián)請求報文，則判失?。?/p>

3)在定時器T2超時后，測試平臺向被測設(shè)備發(fā)送中央信標(biāo)幀(啟動定時器T3；

4)在定時器T3超時前，測試平臺正確收到了被測設(shè)備發(fā)送的發(fā)現(xiàn)信標(biāo)幀，則停止定時器T3，并判通過；如果定時器T3超時或者接收到非發(fā)現(xiàn)信標(biāo)幀，則判失敗。

在測試開發(fā)環(huán)境中，根據(jù)寬帶載波通信協(xié)議中定義報文結(jié)構(gòu)，使用TTCN-3語言定義相關(guān)的報文格式。信標(biāo)幀定義如圖11所示。

圖11 信標(biāo)幀格式定義

根據(jù)入網(wǎng)流程，基于TTCN-3語言編寫的測試用例定義如圖12所示。

圖12 入網(wǎng)測試用例

測試用例編寫完成后，通過內(nèi)嵌的Titan編譯器將用例代碼腳本編譯為可執(zhí)行文件。

一致性測試的測試用例目前總計(jì)123例，物理層測試?yán)?個；鏈路層測試?yán)?8個；應(yīng)用層測試?yán)?3個。

5 測試驗(yàn)證

仍以單網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的STA主動入網(wǎng)流程為例驗(yàn)證軟件工作流程和測試結(jié)果。該測試中，測試平臺模擬CCO的角色，被測設(shè)備為STA，以STA成功發(fā)出發(fā)現(xiàn)信標(biāo)為測試結(jié)束。

測試過程中TTCN-3軟件平臺顯示的測試平臺和被側(cè)設(shè)備的報文交互結(jié)果如圖13所示。

圖13 測試平臺和被測設(shè)備報文交互結(jié)果

對比圖10中的STA主動入網(wǎng)流程，可以發(fā)現(xiàn)圖13中測試平臺與被測設(shè)備的交互流程與測試?yán)O(shè)計(jì)完全符合，該條測試?yán)?yàn)證通過。

6 結(jié)論

本文在業(yè)界首次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于TTCN-3的寬帶電力線通信一致性測試平臺。目前已經(jīng)進(jìn)行了百余個測試用例的一致性測試，測試結(jié)果表明測試平臺能夠正確地執(zhí)行測試用例，對被測系統(tǒng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的正確性進(jìn)行判決，達(dá)到了系統(tǒng)所需的功能和性能需求，為驗(yàn)證寬帶載波通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)的一致性以及實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通奠定了良好基礎(chǔ)。后續(xù)工作中將根據(jù)寬帶協(xié)議設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，繼續(xù)改進(jìn)和完善測試集，推動寬帶載波通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

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