电调天线嵌入式控制系统AISG协议栈分析与实现

高书超, 李英祥, 周贤至, 龚重彰

(成都信息工程学院通信工程学院,四川成都610225)

0 引言

随着中国移动通信网络特别是3G网络的大规模建设,电调天线设备(Antenna Line Devices,ALD)的应用越来越普遍。传统的移动通信基站天线的倾角、方位角、电下倾角等参数不能实时监测和管理,使基站系统的网络优化变得困难[1-2]。电调天线设备的应用,克服人工爬杆调整机械下倾角带来的不便,不同基站的电调天线参数可以随时调整。后台服务器能够实时配置、管理天线参数,可以在不同时段对天线参数进行调整,从而实时地改变天线的覆盖范围,提高网络资源的利用率[1-2]。

移动业务运营商比较关心如何统一管理不同厂家的电调天线设备,实现不同电调天线与控制系统能够兼容,对电调天线集群控制。几个世界著名的天线设备生产商成立了天线接口标准组织(AISG)。AISG协议是在3GPP相关规范基础上为了实现不同电调天线与控制系统能够兼容而提出的天线接口标准。最早在2003年提出了AISG1.0协议,由于AISG1.0版本的协议不严谨,很快分别在2004年、2006年提出了AISG1.1版本和AISG2.0版本[3-4]。目前,大多运营商和天线厂商使用AISG1.1或者AISG2.0版本。论文以项目为基础,讨论了电调天线嵌入式系统AISG协议的分析与实现方法。

1 ALD嵌入式控制系统的总体架构

控制系统的客户端是一个基于ARM处理器的嵌入式主机系统,采用嵌入式Linux系统作为系统运行的软件平台。主机硬件平台由ARM处理器,内存SDRAM,存储区FLASH,SD卡,GPRS模块等组成。主机与电调天线驱动器之间的接口遵循AISG接口标准如图1所示。

控制系统的服务器端使用LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP)构架,基于LAMP构建的高性能Web应用平台为用户提供了更好的人机交互界面,对后台数据资源的利用和管理起到很好的作用[5-8]。服务器系统框图如图2所示。

图1 控制系统客户端的连接方式

图2 控制系统服务器框图

控制系统的主要功能:一方面RET安装现场通过Web浏览器扫描RET的唯一序列号,可以现场对RET进行扫描、校准、读电下倾角、设置电下倾角等基本操作;另一方面从远程服务器端的网页页面中输入命令通过GPRS无线网络传输给RET完成扫描、校准、读电下倾角、设置电下倾角等基本操作。

2 AISG协议结构分析

AISG协议采用分层的思想,包括3层,对应标准的7层模型中的第1层:物理层,第2层:数据链路层和第7层:应用层[1]。这个简化的协议栈定义了ALD的通信接口如图3所示。

物理层:电气上使用RS485标准或者共用射频馈线的Modem方式。数据链路层:AISG的第2层采用了高级数据链路控制协议(HDLC)。应用层:电调天线设备包括RET和TMA,应用层规定了这些设备的功能函数。文中只讨论RET设备的功能,包括驱动器校准、读取电下倾角、设置电下倾角、设备告警、异常处理等[9]。

图3 AISG协议的3层模型

3 AISG协议的实现

3.1 物理层的实现

AISG协议的物理层支持RS485和Modem两种连接方式。RS485连接方式采用多芯屏蔽电缆,采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,数据传输距离更远。

目前对于RET都采用RS485方式,默认的波特率是9600bps。针对控制器的防雷问题,将多芯屏蔽电缆的屏蔽层通过控制器的外壳接到大地,将感应雷的浪涌电流引到大地。

3.2 数据链路层实现

AISG协议规定天线的控制和响应数据首先从物理层收发数据,然后传输至数据链路层,这一层使用的是高级数据链路层协议。数据传输到这以层后,对数据解析处理,最后数据传输至应用层实现不同的动作控制。

3.2.1 数据链路层的状态模型

RCU设备连接状态主要包括:无地址状态、地址分配完成状态、建立链接状态。操作主要包括:分配地址、建立链接、断开链接、链接超时[10]。

3.2.2 高级数据链路层帧格式

高级数据链路层帧格式如表1所示。主要包括帧首部标记、从设备地址、控制位、高级数据链路层帧数据域(最大74字节)、CRC校验、帧尾部标记。

图4 数据链路层状态模型

表1 HDLC帧格式

控制系统与电调天线驱动器之间所有的通信帧以0x7E为帧头和帧尾作为一帧的开始和结束标志。

高级数据链路层帧中的从设备地址域用于表示电调天线驱动器从设备的地址,地址范围为0x00～0xFF,其中0x00表示无地址状态,0xFF表示广播地址。

高级数据链路层帧中的控制域根据不同的代码表示不同类型的帧,或者记录轮询标志以及发送和接收帧的序号[10]。主要帧类型的不同代码如表2所示。

表2 主要帧类型

高级数据链路层帧的数据域字段用于封装控制系统与电调天线驱动器的通信消息,数据域的长度不是固定的,根据帧格式的不同,数据长度也不相同。

3.2.3 建立链接

(1)扫描设备

控制系统与电调天线驱动器通信时,控制系统首先向总线发送设备扫描命令,这些帧是XID帧,驱动器回应也是XID帧。对于设备扫描的具体算法,AISG协议没有给出,所以不同天线生产厂商有不同的扫描算法。XID帧含有信息域,其格式如图5所示。

一个完整的XID命令帧格式见表3所示[11]。设备扫描程序如下:

图5 XID帧格式

表3 控制系统发送的扫描帧格式

设备扫描函数传入的参数为RCU的序列号。

(2)分配地址

控制系统向总线发送设备扫描命令后会接收到控制单元的响应,再立即向总线发送地址分配的命令。分配地址也是XID帧,驱动器回应是UA帧。控制系统发送地址分配的XID帧格式如表4所示[11]。

表4 控制系统发送地址分配XID帧格式

表6 I帧格式

3.3 AISG应用层

控制系统向总线发送设备扫描命令后,逐个对总线上的ALD分配地址(从0x01开始),然后逐个对ALD建立链接。建立链接后控制系统就可以对ALD进行基本功能的控制。

AISG2.0中实现应用层的操作主要是控制系统向ALD发送I帧。I帧主要用作应用层命令的发送与响应。I帧格式如图6所示。

AISG应用层的操作主要有调整电下倾角、驱动器校准、读取电下倾角、告警等。设置角度代码如下:

4 AISG1.1与AISG2.0版本的区别

最早的版本是AISG1.0,与后面的版本相比做了很大的改动。目前市场上的电调天线产品大都是AISG1.1版本和AISG2.0版本,AISG1.1大部分内容就是按照3GPP规范设计,但有些微小的差别,只支持对RCU的控制和通信,可以说AISG1.1版本是一个不成熟的协议。2006年AISG在3GPP的标准基础上提出AISG2.0版本,几乎完全采用的3GPP的标准,比前几个版本严谨了很多,还增加了针对塔顶放大器(TMA)的控制通信协议。AISG1.1版本与AISG2.0版本在帧格式上差别:

(1)控制系统主机向RCU发送扫描帧时,AISG1.1版本是主机发送XID帧,RCU回应UA帧;AISG2.0版本是主机送XID帧,RCU回应XID帧。

(2)应用层处理程序主要对HDLC帧的INFO域进行解析,AISG1.1版本的INFO域包括4个字段:AISG版本号字段、命令字段、数据域长度字段、数据域字段;AISG2.0版本的INFO域包括3个字段:命令字段、数据域长度字段、数据域字段。

控制系统要同时兼容AISG1.1与AISG2.0,可以根据帧格式的不同区分电调天线设备是AISG1.1还是AISG2.0。

图7 指定RCU序列号扫描结果和读取电下倾角

5 控制系统测试

控制系统测试时,MCU主机给电调天线控制器发送测试帧,RCU返回MCU回应帧,表明通信成功。控制系统的测试主要有控制系统对电调天线控制器进行设备扫描、分配地址、建立链接、控制器初始化、读取电下倾角、设置电下倾角、天线校准、故障告警等功能。经过测试,这些功能完全符合AISG协议要求,能够兼容京信、摩比等厂家开发的电调天线驱动器。图7是指定RCU序列号扫描结果和读取电下倾角。

6 总结

主要讨论了ALD嵌入式控制系统AISG协议栈的分析与实现。以实际项目为背景,分析了AISG协议栈的3层结构和数据通信帧格式进行解析。最后在两家主流的天线厂商的RCU上做了测试和分析,能很好的控制RCU几种动作。同时控制系统主机与服务器的远程通信也进行了联调,很方便基站天线的集群管理。

[1] 马小路.电调天线远程控制单元设计[D].西安:西安电子科技大学硕士论文.2011.

[2] 吴松,葛海平,缪金迪.遥控电调倾角天线及其在网络优化中的应用[J].电信科学,2007,23(4).

[3] Antenna Interface Standards Group.Standard No.AISG Issue1.1[S/OL].http://www.aisg.org.uk,2004-7-30.

[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处理器的嵌入式Linux系统的研究与应用[D].北京邮电大学硕士论文.2007.

[6] 基于ARM平台的嵌入式WEB服务器的设计与实现[D].电子科技大学硕士论文.2010.

[7] 基于ARM和LAMP技术的抄表系统终端服务器的研究[D].东北农业大学硕士论文.2010.

[8] 基于LAMP平台的WEB服务器架构[J].中国新技术新产品.2011,22.

[10] 李文生,罗仁泽,吕炎炎,等.电调天线设备控制系统的设计与实现[J].电讯技术,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.