物联网终端性能与网络协议综合测试解决方案

李 晶，张明明2，郑永丰，胡顺平3，王奇之

(1.北京航天测控技术有限公司，北京 100041; 2.中国航天科工集团有限公司，北京 100048;3.空间电子信息技术研究院，西安 710100)

0 引言

随着中国的经济实力和科技水平的日益提高，无线和有线通讯技术也在突飞猛进。通讯技术发展至今已经有多种成熟的通讯标准，不同标准之间的差异决定了其应用领域的不同。现代通讯技术主要使用了Wifi/Bluetooth/Zigbee/Ipv6以太网等通信标准。

随着通讯标准的更新，智能网络协议测试也正在大力发展，Wifi/Bluetooth/Zigbee等主流无线通信协议以及Ipv6以太网有线协议的测试需求愈加明显。各项协议规定了一个系统在和其他系统进行通信时应遵守的规则，为了使得不同开发商实现的系统之间能够正确的通信，就要使用标准化的协议。但是，协议标准目前基本上都是使用自然语言描述的，实现者对协议的不同理解也会导致不同的协议实现，有时甚至会是错误的协议实现。因此，必须对不同厂家的通信协议进行标准测试，以此对协议实现进行评价，发现协议实现的错误，提高协议实现的互通能力。

一个智能工厂的实施一般采用多种不同通信协议以及网关，解决智能测试中遇到的问题，能够对多种协议进行测试的物联网综合测试方案是值得我们认真考虑的。

1 应用场景

针对智能工厂、物联网等的测试、维护的需求，我公司开展了无线通信协议测试技术、有线网络协议测试技术等技术研究，研制出了一种便携式物联网综合测试仪，提供了仪器测试、协议测试和流程测试3种测试模式，实现了对Wifi/Bluetooth/Zigbee/ipv6以太网等的通信协议测试功能，支持无线信号的终端射频性能综测和以太网的协议性能测试，适用于终端生产综测、产品功能性能验证等场景为物联网的使用维护提供了便捷的一体化测试设备。

由于物联网细分场景繁多，存在更加复杂、极端的环境部署情况，验证单点关键技术的性能与指标难度加剧同时，物联网终端的形态趋于多样化，需要测试仪表具备更好的可扩充性和兼容性。鉴于目前5G物联网发展势头强劲，本公司研制的物联网综合测试仪已在硬件方面完成对NB-IoT等5G相关协议测试的支撑，软件方面只需根据协议测试需求进行相应更新即可完成相关测试。

2 测试项

2.1 Wifi

Wifi测试规范需要测试的测试项包括发射机发射功率、中心频率容限、误差矢量幅度、发射频谱掩模四项发射性能指标以及一项接收指标：接收机灵敏度[1]。

2.2 蓝牙

蓝牙测试规范要求的测试项包括：发射机功率测试(输出功率、功率密度测量、功率控制)、输出频谱测量(功率范围、-20dB带宽、邻频道功率)、发射频谱模板、误差向量幅度、载波频率漂移；接收机测试包括单间隙灵敏度测试、多间隙灵敏度测试、误包率测试、载干比测量、互调测量、阻塞性能、最大输入电平测量[2]。

2.3 Zigbee

ZigBee测试规范主要包括的测试项有：发射机的输出功率、频谱发射模板、发射杂散、中心频率容限、误差向量幅度(EVM)；接收机的灵敏度、最大输入电平、阻塞性能、符号速率偏差容限、能量检测、链路质量指示[3]。

2.4 Ipv6以太网

Ipv6以太网测试规范RFC2544中对一致性和性能测试方面主要包括的测试项包括：协议一致性、吞吐量、 时延、 帧丢失率和背靠背帧[4]。

3 物联网综合测试仪

物联网综合测试仪集成了信号源与分析仪的双重功能，采用一体化结构设计，通过“三化”设计，集成了微波信号发生、信号分析、网络协议测试和开关适配等功能，仅需一台仪表即可完成相应的协议测试，并开发了流程测试功能，对于产品的批量测试节约了很多时间。同时兼顾了通用的仪器测试，可以对除了物联网协议以外的其他射频信号做基本的发生和分析测试工作物联网综合测试仪主要包括主机、无线通信物理层测试分析模块、以太网协议测试模块、测试接入模块等硬件设备以及物理层协议测试分析软件、以太网协议测试软件等软件模块组成。

系统总体组成如图1所示。

图1 物联网综合测试仪总体组成框图

物联网综合测试仪软件平台在通用化的硬件平台基础上，采用硬件功能软件化和软件功能构件化技术来实现频率测量、功率测量、频谱分析、EVM分析、吞吐量和丢包率等测试需求。

3.1 系统指标

3.1.1 矢量信号发生

矢量信号发生部分指标如表1所示。

表1 矢量信号发生指标

2)矢量信号分析

矢量信号分析部分指标如表2所示。

表2 矢量信号分析指标

3)以太网协议测试

以太网协议测试模块指标如表3所示。

表3 以太网协议测试模块指标

4)其他指标

综测仪结构、环境指标如表4所示。

表4 其他指标

4 系统硬件设计

4.1 无线通信物理层测试模块

无线通信物理层测试模块采用了NI-5840模块，该模块采用零中频架构，内部结合了矢量信号发生器、矢量信号分析仪、高速串行接口和基于FPGA的实时信号处理和控制，具备1 GHz瞬时射频带宽，9 kHz～6 GHz的射频矢量信号收发功能。

其具体原理和实物如图2和图3所示。

图2 NI-5840模块原理图

图3 NI-5840模块实物图

NI-5840模块每个输入和输出通道只有一个端口，该模块采用了零中频架构，在信号输出状态时，FPGA产生的基带信号产生两路数字基带矢量信号，矢量信号直接通过一阶混频上变频至6 GHz矢量信号输出；

在信号接收状态时，输入矢量信号经过衰减滤波和下变频，之后该基带矢量信号经过数字化仪变为数字信号，之后该数字信号被传输至FPGA进行处理。

4.2 以太网协议测试模块

以太网协议测试模块为公司自主研制的PXIe网络板卡，可适应各种测试环境。基于WinPcap实现高速流量发生与数据包捕获技术，使得该模块具备全线速流量发生以及捕获与过滤功能，实现了全线速流量发生，该技术可用于Ipv6网络的性能测试、协议测试、认证测试、安全性测试等测试中。其原理和实物如图4和图5所示。

图4 以太网协议测试模块原理图

图5 以太网协议测试模块

该模块具有Ipv4和Ipv6协议栈，每个端口支持64条独立的数据流，每条流可支持4个跳变域，能够仿真数万个接口，模拟千万级用户连接，测试模块支持多种协议模板，支持基于端口和流的精确调速，支持动态调速，数据表的内容及速率可以灵活配置，可进行复杂协议的测试、仿真及一致性测试。其网络输入接口为4个RJ45电网口(支持10/100/1 000 M)。RJ45网口输入的网络包经过PHY芯片完成网络包的物理层处理，然后由PHY芯片的MAC层接口(RGMII)接入到FPGA芯片中，PHY芯片与FPGA直接是MAC-MAC互连。FPGA的MAC接口收到包后直接将包缓存到外部的DDR2 SDRAM中，根据一定的流水线，边线速缓存边读取缓存的包到FPGA内部的FIFO中，然后提取包头、控制字等信息存入内部的Block RAM中，输出的数据进入L2/L3层协议解析模块完成处理，结合内部的测试域参数得到测试结果[5-6]。

4.3 射频通道开关模块

射频通道开关是为了实现被测终端信号至无线通道物理层测试模块以及测试接入模块的通道自动切换，主要由三个单刀双掷和一个单刀三掷射频开关组成。开关切换至无线通信物理层模块可以对无线信号的射频性能进行测试，切换至外接测试接入模块时可进行相关信号的协议测试。其原理和实物如图6和图7所示。

图6 射频通道开关模块

图7 射频通道开关模块

5 系统软件设计

5.1 软件设计

软件平台主要由综合管理控制软件和测试功能软件(含以太网协议测试软件、无线通信物理层测试软件、Zigbee协议测试软件、蓝牙协议测试软件模块、WIFI协议测试软件模块)组成。各测试模块在综合管理平台的调度下顺序实现各种测试及显示功能，并将测试数据存入数据库。每项功能测试完成后，软件均会给出详细测试结果以及测试是否合格的结论。

软件架构如图8所示，包括操作系统、底层模块驱动程序以及上层应用程序三个部分。这三个部分的功能如下所示：

图8 系统软件架构

1)系统软件通过Window 7操作系统采用的消息响应控制方式，在内核和应用程序、驱动程序之间传递信息，进程管理器负责任务调度；

2)底层模块驱动程序主要包括：仪器模块驱动、USB驱动程序、LAN驱动程序、键盘驱动程序、显示模块驱动程序等，它主要完成对底层物理设备的功能封装，给应用程序统一的调用接口，既保证了模块使用的简洁性，也保证了系统的安全性；

3)应用层主要包括测试软件平台，可根据软件功能要求分别实现各个功能块对应的软件程序。测试软件平台可根据用户选择的状态或用户自定义的参数值，调用相关算法，计算低频信号控制字，并下发给低频控制及信号测量模块，实现数据计算与下发功能。

软件主要功能是用户可通过远程控制和本地控制实现功能选择、参数设定输出特定的测试信号，其软件功能如图9所示。

图9 软件平台组成框图

软件平台包括综合管理控制软件、测试功能软件及数据管理模块，分别实现以下功能：

4)综合管理控制软件：

综合控制管理软件包括操作系统、人机界面、初始化程序、仪器软件封装接口、测量分析软件、波形合成软件、驱动程序等。

(1)操作系统采用Windows 7系统，便于操作人员熟练操作。

(2)初始化程序完成仪器的初始化工作，包括：启动、对系统运行变量、通信链路、外部设备等的初始化工作，并负责启动系统的人机接口。

图10 物联网综合测试仪软件组成框图

(3)人机界面采用便于用户操作的图形化中文人机界面。人机界面提供了系统显示与应用程序之间对用户操作键盘、鼠标做出响应的通信机制。

(4)测量分析软件主要是对输入的无线通信射频信号测量结果的计算分析和处理，并对输出信号提供设置参数。

(5)波形合成软件通过对无线通信协议要求，或对自定义参数的分析处理，计算出频率、功率、调制参数等控制字，然后调用底层驱动函数下发到相应的硬件控制模块。

(6)仪器软件封装接口提供了RTS与外部测试仪表驱动程序之间的软件接口,封装接口支持符合即插即用规范的所用命令与响应，符合COM/DCOM规范的方式实现软件封装接口。

(7)驱动程序负责为上层软件和底层硬件的交互通信建立链路。

5)测试功能软件：

(1)以太网协议测试软件模块：配合以太网协议测试模块，完成以太网协议测试分析，包括吞吐量、丢包率、时延、背靠背、一致性等。

(2)WIFI协议测试软件模块：配合WIFI协议测试模块，完成802.11a/b/g/n/ac协议射频测试分析，包括发射机发射功率、中心频率容限、误差矢量幅度、发射频谱掩模四项发射性能指标以及一项接收指标：接收机灵敏度等。

(3)蓝牙协议测试软件模块：配合蓝牙协议测试模块，完成蓝牙2.0/3.0/4.0协议射频测试分析，包括发射机功率测试(输出功率、功率密度测量、功率控制)、输出频谱测量(功率范围、-20dB带宽、邻频道功率)、发射频谱模板、误差向量幅度、载波频率漂移；接收机测试包括单间隙灵敏度测试、多间隙灵敏度测试、误包率测试、载干比测量、互调测量、阻塞性能、最大输入电平测量等。

(4)ZigBee协议测试软件模块：配合ZigBee测试模块，完成ZigBee协议射频测试分析，包括发射机的输出功率、频谱发射模板、发射杂散、中心频率容限、误差向量幅度(EVM)；接收机的灵敏度、最大输入电平、阻塞性能、符号速率偏差容限、能量检测、链路质量指示等。

5.2 软件功能设计及操作界面

物联网综合测试仪软件实现了有线和无线信号频率、功率、频谱、EVM等多种性能参数的测试功能，其在通用化的硬件平台基础上，采用了硬件功能软件化和软件功能构件化技术来实现频率测量、功率测量、频谱分析、EVM分析等功能软件模块，并重点考虑通信测试和维修保障的实用性和便捷性的要求，依据模块驱动结构原理，实现显示界面、流程测试、系统管理等功能软件模块，软件组成框图及测试页面如图10～15所示。

图11 物联网综合测试仪主界面

图12 仪器测试页面

6 物联网综合测试仪样机

物联网综合测试仪采用了一体机结构，机身采用全铝镁合金结构、一体化设计，集成了液晶显示屏、多点电容触摸屏。内部采用抗震动压卡设计，提高了扩展板卡工作的可能性。机身配备了13.3寸液晶显示屏，使得综测仪可以方便地进行图形处理和数据分析，背板采用3U6槽PXIe架构。

图13 无线信号测试页面

图14 Ipv6以太网测试页面

图15 流程测试页面

物联网综合测试仪可覆盖10 M/100 M/1 000 M Ipv6以太网、IEEE 802.11a /b/g/n/ac、ZigBee、蓝牙等多种有线或无线通信频段，可完成无线通信协议的基本射频测试，主要包括功率、频率、中心频率误差、误差向量幅度、发射频谱掩膜、接收机灵敏度、误码率等射频测试，以及以太网吞吐量、时延、帧丢失率和背靠背等的协议层测试，满足物联网的综合测试需求。

7 结束语

本文介绍的物联网综合测试仪具备有线和无线通信协议的综合分析，并兼具了仪器测试和流程测试的多项功能，是一款集多性能于一体的综合性测试仪，另外可扩展其他协议测试模块及软件更新来实现相应的物理层及协议层测试。

物联网综合测试仪主要应用于物联网相关设备的设计验证、生产、使用维护等各个阶段，测试对象包括物联网网关、无线路由器等。随着工业控制、楼宇自动化、工业无线定位、消费电子、家庭网络、汽车自动化和医用设备控制的发展等，其相应的物联网测试需求会与日俱增，本物联网综合测试仪将会具有十分广阔的推广应用前景。