TD-SCDMA終端GMM實體一致性測試研究
姚明菊李小文
重慶郵電大學重郵信科3G研究院
摘要： 協議測試是一種典型的黑盒測試，目前協議測試主要有4個方面：一致性測試、互操作性測試、性能測試和堅固性測試。
Abstract：
Key words :
</a></a>TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA終端高層協議時，采用集仿真、開發、測試于一體的SDLandTTCNSuite 4.0作為開發工具，采用TTCN編寫測試例，通過SDL和TTCN的協仿真功能來進行一致性測試，完成錯誤的修改。文章將就GMM" title="GMM">GMM的功能編寫測試例，通過仿真的MSC圖、TRACE文檔并結合程序來檢查和驗證GMM程序，完成GMM一致性測試。
一、GMM協議規范介紹
GMM是非接入層中MM子層的一個實體，是為PS域的移動性管理服務的，因此主要完成與用戶移動性相關的一些任務，同時還進行加密識別等。GMM的各種任務的實現都是通過GMM的各種特殊過程和一般過程來完成的。
ATTACH過程、DETACH過程和路由區更新過程是GMM的幾大特殊過程，而特殊過程一般都會觸發一般過程，GMM一般過程包括鑒權過程、身份識別過程、P-TMSI重分配等過程。一般過程可以獨立進行，也可以伴隨著GMM的特殊過程進行。
1.ATTACH過程
ATTACH過程就是附著登記過程，每次開機建立了PS信令連接之后，還必須進行ATTACH注冊過程，建立起GMM的上、下文，這樣PS域的功能才能正常使用。ATTACH過程主要有以下兩種。
(1)正常的GPRS" title="GPRS">GPRSATTACH過程，這種過程無論是網絡操作模式I還是網絡操作模式II的情況下都被UE用于ONLYGPRS業務的IMSI附著。
(2)組合的GPRSATTACH過程，這種過程則用于網絡操作模式I時支持COMBINED的GPRS和非GPRS業務附著過程。
無論是哪一種ATTACH過程都是由UE端發起的。當網絡收到UE發的ATTACHREQUEST消息，將根據REQUEST中的消息發起GMMauthenticationand ciphering procedure。假如網絡和UE的鑒權參數匹配，鑒權加密過程通過，則網絡就會發送ATTACH ACCEPT消息并分配新的GMM消息參數；若參數不匹配，鑒權過程失敗，接著就會引發GMM identification procedure。
網絡如果接受此次附著，就會發送一個ATTACHACCEPT消息，消息中將包含新的各種參數，UE收到之后，發送ATTACHCOMPLETE進行確認，ATTACH過程成功結束，GMM上、下文建立。
如果網絡拒絕附著，發送ATTACHREJECT消息。網絡拒絕附著的原因有非法UE、GPRS服務不允許、GPRS和非GPRS服務不允許、PLMN不允許、位置區不允許、漫游不允許、沒有適合的小區等等，針對每一種情況，UE都會根據拒絕的原因進行相應的處理。
2.路由區更新過程
路由區更新過程就是為了能夠及時準確地向網絡報告所處的路由區域，更新路由信息和各種識別信息。路由區更新過程只能由UE發起。在路由區更新的過程中，UE和網絡端的數據傳輸都將繼續進行。
以下幾種情況會觸發路由區更新過程。
(1)當檢測到路由區發生變化時；
(2)當檢測到路由區/位置區發生變化時；
(3)由定時器T3312觸發周期性路由區更新；
(4)當UE已成功進行PS域的IMSI附著，需要進行CS域的IMSI附著時，進行組合的路由區更新過程；
(5)UMTS系統與GSM系統間改變時；
(6)由“直接信令連接重建”引起的RRC連接釋放后，UE和網絡之間的重同步。
UE通過向網絡發送ROUTINGAREAUPDATEREQUEST消息來觸發路由區更新過程，消息中將指明路由區更新的類型，根據不同的類型進行相應的更新。路由區更新的類型主要有以下4種：RA updating，combined RA/LA updating，combined RA/LA updating with IMSI attach和Periodic updating。
網絡收到消息后，根據消息中的參數，可能觸發其它GMM的一般過程，這與GPRS附著過程相類似。如果網絡接受了UE的更新請求，將向UE端回ROUTINGAREAUPDATEACCEPT消息。反之，則回ROUTING AREA UPATE REJECT消息來拒絕UE的更新請求。
UE收到網絡發來的ROUTINGAREAUPDATEACCEPT消息后，將分析消息中所包含的內容。若消息中包含P-TMSI（路由區更新時），UE將使用該P-TMSI作為GPRS的新臨時標識，同時存儲該P-TMSI；若消息中包含IMSI（組合路由更新時），UE將刪除任何的TMSI；若消息中包含TMSI，UE將刪除老的TMSI，使用新的TMSI作為臨時標識；若消息中包含P-TMSI/TMSI或者N-PDU號，則UE將用ROUTING AREA UPDATE COMPLETE消息來給網絡以應答。
3.GPRS分離過程
GPRS分離有兩種情況。
(1)UE端發起的GPRS分離過程
UE端發起的GPRS分離過程也有兩種情況，一種是由于關機引起的GPRS分離，另一種是非關機引起的GPRS分離。UE通過向網絡發送消息DETACHREQUEST來啟動GPRS分離過程。在消息中，GMM指定了GPRS分離的類型：是否由于關機引起的GPRSDETACH、IMSIDETACH或組合GPRS/IMSI DETACH。
關機引起的GPRS分離過程，當UE向網絡發送了DETACHREQUEST消息之后，不會等到網絡回消息就關機了。
不是因為關機引起的GPRS分離過程，網絡收到UE端的DETACHREQUEST消息后，根據相應的分離類型作相應的處理，并發送DETACHACCEPT/DETACH REJECT消息給UE端，表示接受/拒絕GPRS分離。
(2)網絡發起的GPRS分離過程
網絡為了自己的特定目的需要進行GPRS分離過程。它也是通過給UE發送DETACHREQUEST消息來觸發GPRS分離過程。消息中也將指示進行GPRS分離的原因和分離類型。網絡發起的GPRS分離類型有re-attachrequired，re-attachnot required和IMSI detach三種情況。
到網絡發來的DETACHREQUEST消息后，UE將根據其分離類型進行相應的處理，如有可能需要去激活PDP和其他相關連接，然后發送DETACHACCEPT消息給網絡。
4.P-TMSI重分配
P-TMSI是GPRS業務的臨時移動臺識別符，只在[c1]當前的路由區內有效。在路由區外，它必須和RAI結合起來才能表示惟一的識別信息。
P-TMSI重分配的目的是為了提供用戶身份的保密性，防止用戶被入侵者識別和定位。PTMSI的重新分配常常和其他過程同時發生。通常，在路由區的更新和ATTACH過程中，都伴隨著P-TMSI重分配過程，但具體的實施過程由網絡運營商確定。
5.鑒權加密過程
鑒權加密過程的主要目的是為了允許網絡對UE身份的合法性進行檢查，向UE提供參數使之能夠計算出新的GPRS密鑰和讓網絡設置加密模式和加密算法。該過程有三種使用方式：
*僅進行鑒權；
*僅進行加密模式和算法的設置；
*鑒權及加密模式和算法的設置。
為了允許在沒有鑒權的時候可以在本地鏈路上進行加密，引入了GPRS加密序列號。這個加密序列號由網絡管理，在鑒權的時候發送給UE，一個加密序列號對應一個加密密鑰。當UE先前的加密算法已知，而且如果UE所給的加密序列號與網絡存儲的加密序列號相同，則網絡可能選擇該加密序列號對應的密鑰進行加密。如果UE所給的加密序列號與網絡的存儲加密序列號不同，網絡可能進行相應的鑒權過程。對于一個已經附著TD-PRS的UE而言，它時刻對網絡的“鑒權加密請求”消息做出響應。
二、GMM的狀態
3GPP協議規定，GMM主要有三大業務狀態：PMMDETACHED、PMMIDLE和PMMCONNECTED。
三大狀態之間的轉換如圖1所示。
根據協議一致性要求，在協議實現過程中可以將GMM劃分為如下狀態：PMMDETACHED，NULDNSDLSDAA DNI DNC DPS；PMMIDL，RNS RAU RNC RLS RAM DIN；PMMCONNECTED，RNS RAM RIN SRI RID AUI。
GMM實體在實現其各種功能的過程中將向相應的狀態轉移，在測試過程中檢查其狀態轉移是否正確也是一個非常重要的環節。根據其狀態轉移情況，也能很大程度上幫助我們在測試工作中發現和分析問題。
三、GMM一致性測試
1.測試模型
在UE的協議軟件結構圖中，GMM作為整個系統的一個子模塊。對GMM來說，其它模塊、系統等都可看作環境。仿真模型是通過TTCN與SDL描述系統協仿真進行構造的，如圖2所示，SDL將被測系統GMM同SDL自帶的接口適配模塊（即通信模塊，SDL用SOCKET編寫的）一起編譯，生成一個可以同TTCN進行消息通信的協仿真程序；測試系統側TTCN采用樹形結構及其獨特的語法建立聲明部分（主要是消息結構的聲明）、約束部分、動態測試例部分；測試時先在SDL的SIMULATOR中運行編譯好的協仿真程序，再通過SIMULATOR的命令建立與測試工具TTCN的通信相連，然后運行TTCN中構造好的測試例與被測系統GMM進行消息交互，觀察測試中生成的MSC圖來檢驗被測系統的正確性，從而達到仿真測試的目的。
2.測試例：ATTACH過程（伴隨隱式的P-TMSI重分配過程）
(1)測試目的：驗證網絡接受ATTACH過程，重新分配了新的P-TMSI，并以新的P-TMSI作為識別。
(2)測試過程：GMM ATTACH過程（伴隨隱式的P-TMSI重分配過程）如圖3所示，UE向網絡發送ATTACHREQUEST，網絡接受附著，返回一個ATTACHACCEPT消息，消息中指示了重新分配一個新的P-TMSI，UE通過發送ATTACH COMPLETE以確認，在以后的通信中都將用新分配的P-TMSI。
ATTACH REQUEST消息內容為：08,01,02, 45, 00, 71 ，*。具體見表1所示。
(3)測試仿真結果（見圖2）。
此仿真過程是從開機開始的，必須注意到UE接口的各個層次結構，任何一個高層模塊必須都是在低層信令建立好之后才可用。開機時GMM處于NUL狀態，也就是PMMDETACHED狀態，MMC開始讀取SIM卡；隨后GMM通過GMMAS_ESTABLISH_REQ原語請求建立Ps信令連接，GMM狀態跳轉到RIN狀態，即進入了PMMCONNECTED狀態；GMM通過GMM_ATTACH_IND原語向MMC報告GPRS附著結果，同時GMM進入RNS狀態；最后MMC把注冊結果報告給MMI，GMM注冊過程結束。把仿真得到的信號流圖與各種測試例中設計的信號流圖比較，發現在TTCN和仿真軟件模塊之間的信號交互是完全一致的。測試例中的數據與通過TTCN仿真所產生的數據也基本是一致的,GMM狀態轉移也是完全正確的。
四、結束語
在協議開發過程中，對實體要進行大量的測試，限于篇幅，在此僅列出對GMM特殊過程中的ATTACH過程進行的協仿真測試過程。3GPP有關非接入層部分（尤其是GMM部分）的規范主要從原GSM系統的規范文檔修改而來，而在修改過程中，由于多人修改，造成不同文檔之間的術語及一些業務描述并不統一，因此在協議的開發和測試過程中要特別注意。本文參照3GPP標準，結合自己的經驗就GMM的一般過程和特殊過程進行了研究測試，對于了解TD-SCDMA系統的GMM功能實體有一定的參考價值，對該系統標準的完善和一些今后從事研發和測試的人員也有一定借鑒意義。
一、GMM協議規范介紹
GMM是非接入層中MM子層的一個實體，是為PS域的移動性管理服務的，因此主要完成與用戶移動性相關的一些任務，同時還進行加密識別等。GMM的各種任務的實現都是通過GMM的各種特殊過程和一般過程來完成的。
ATTACH過程、DETACH過程和路由區更新過程是GMM的幾大特殊過程，而特殊過程一般都會觸發一般過程，GMM一般過程包括鑒權過程、身份識別過程、P-TMSI重分配等過程。一般過程可以獨立進行，也可以伴隨著GMM的特殊過程進行。
1.ATTACH過程
ATTACH過程就是附著登記過程，每次開機建立了PS信令連接之后，還必須進行ATTACH注冊過程，建立起GMM的上、下文，這樣PS域的功能才能正常使用。ATTACH過程主要有以下兩種。
(1)正常的GPRS" title="GPRS">GPRSATTACH過程，這種過程無論是網絡操作模式I還是網絡操作模式II的情況下都被UE用于ONLYGPRS業務的IMSI附著。
(2)組合的GPRSATTACH過程，這種過程則用于網絡操作模式I時支持COMBINED的GPRS和非GPRS業務附著過程。
無論是哪一種ATTACH過程都是由UE端發起的。當網絡收到UE發的ATTACHREQUEST消息，將根據REQUEST中的消息發起GMMauthenticationand ciphering procedure。假如網絡和UE的鑒權參數匹配，鑒權加密過程通過，則網絡就會發送ATTACH ACCEPT消息并分配新的GMM消息參數；若參數不匹配，鑒權過程失敗，接著就會引發GMM identification procedure。
網絡如果接受此次附著，就會發送一個ATTACHACCEPT消息，消息中將包含新的各種參數，UE收到之后，發送ATTACHCOMPLETE進行確認，ATTACH過程成功結束，GMM上、下文建立。
如果網絡拒絕附著，發送ATTACHREJECT消息。網絡拒絕附著的原因有非法UE、GPRS服務不允許、GPRS和非GPRS服務不允許、PLMN不允許、位置區不允許、漫游不允許、沒有適合的小區等等，針對每一種情況，UE都會根據拒絕的原因進行相應的處理。
2.路由區更新過程
路由區更新過程就是為了能夠及時準確地向網絡報告所處的路由區域，更新路由信息和各種識別信息。路由區更新過程只能由UE發起。在路由區更新的過程中，UE和網絡端的數據傳輸都將繼續進行。
以下幾種情況會觸發路由區更新過程。
(1)當檢測到路由區發生變化時；
(2)當檢測到路由區/位置區發生變化時；
(3)由定時器T3312觸發周期性路由區更新；
(4)當UE已成功進行PS域的IMSI附著，需要進行CS域的IMSI附著時，進行組合的路由區更新過程；
(5)UMTS系統與GSM系統間改變時；
(6)由“直接信令連接重建”引起的RRC連接釋放后，UE和網絡之間的重同步。
UE通過向網絡發送ROUTINGAREAUPDATEREQUEST消息來觸發路由區更新過程，消息中將指明路由區更新的類型，根據不同的類型進行相應的更新。路由區更新的類型主要有以下4種：RA updating，combined RA/LA updating，combined RA/LA updating with IMSI attach和Periodic updating。
網絡收到消息后，根據消息中的參數，可能觸發其它GMM的一般過程，這與GPRS附著過程相類似。如果網絡接受了UE的更新請求，將向UE端回ROUTINGAREAUPDATEACCEPT消息。反之，則回ROUTING AREA UPATE REJECT消息來拒絕UE的更新請求。
UE收到網絡發來的ROUTINGAREAUPDATEACCEPT消息后，將分析消息中所包含的內容。若消息中包含P-TMSI（路由區更新時），UE將使用該P-TMSI作為GPRS的新臨時標識，同時存儲該P-TMSI；若消息中包含IMSI（組合路由更新時），UE將刪除任何的TMSI；若消息中包含TMSI，UE將刪除老的TMSI，使用新的TMSI作為臨時標識；若消息中包含P-TMSI/TMSI或者N-PDU號，則UE將用ROUTING AREA UPDATE COMPLETE消息來給網絡以應答。
3.GPRS分離過程
GPRS分離有兩種情況。
(1)UE端發起的GPRS分離過程
UE端發起的GPRS分離過程也有兩種情況，一種是由于關機引起的GPRS分離，另一種是非關機引起的GPRS分離。UE通過向網絡發送消息DETACHREQUEST來啟動GPRS分離過程。在消息中，GMM指定了GPRS分離的類型：是否由于關機引起的GPRSDETACH、IMSIDETACH或組合GPRS/IMSI DETACH。
關機引起的GPRS分離過程，當UE向網絡發送了DETACHREQUEST消息之后，不會等到網絡回消息就關機了。
不是因為關機引起的GPRS分離過程，網絡收到UE端的DETACHREQUEST消息后，根據相應的分離類型作相應的處理，并發送DETACHACCEPT/DETACH REJECT消息給UE端，表示接受/拒絕GPRS分離。
(2)網絡發起的GPRS分離過程
網絡為了自己的特定目的需要進行GPRS分離過程。它也是通過給UE發送DETACHREQUEST消息來觸發GPRS分離過程。消息中也將指示進行GPRS分離的原因和分離類型。網絡發起的GPRS分離類型有re-attachrequired，re-attachnot required和IMSI detach三種情況。
到網絡發來的DETACHREQUEST消息后，UE將根據其分離類型進行相應的處理，如有可能需要去激活PDP和其他相關連接，然后發送DETACHACCEPT消息給網絡。
4.P-TMSI重分配
P-TMSI是GPRS業務的臨時移動臺識別符，只在[c1]當前的路由區內有效。在路由區外，它必須和RAI結合起來才能表示惟一的識別信息。
P-TMSI重分配的目的是為了提供用戶身份的保密性，防止用戶被入侵者識別和定位。PTMSI的重新分配常常和其他過程同時發生。通常，在路由區的更新和ATTACH過程中，都伴隨著P-TMSI重分配過程，但具體的實施過程由網絡運營商確定。
5.鑒權加密過程
鑒權加密過程的主要目的是為了允許網絡對UE身份的合法性進行檢查，向UE提供參數使之能夠計算出新的GPRS密鑰和讓網絡設置加密模式和加密算法。該過程有三種使用方式：
*僅進行鑒權；
*僅進行加密模式和算法的設置；
*鑒權及加密模式和算法的設置。
為了允許在沒有鑒權的時候可以在本地鏈路上進行加密，引入了GPRS加密序列號。這個加密序列號由網絡管理，在鑒權的時候發送給UE，一個加密序列號對應一個加密密鑰。當UE先前的加密算法已知，而且如果UE所給的加密序列號與網絡存儲的加密序列號相同，則網絡可能選擇該加密序列號對應的密鑰進行加密。如果UE所給的加密序列號與網絡的存儲加密序列號不同，網絡可能進行相應的鑒權過程。對于一個已經附著TD-PRS的UE而言，它時刻對網絡的“鑒權加密請求”消息做出響應。
二、GMM的狀態
3GPP協議規定，GMM主要有三大業務狀態：PMMDETACHED、PMMIDLE和PMMCONNECTED。
三大狀態之間的轉換如圖1所示。
根據協議一致性要求，在協議實現過程中可以將GMM劃分為如下狀態：PMMDETACHED，NULDNSDLSDAA DNI DNC DPS；PMMIDL，RNS RAU RNC RLS RAM DIN；PMMCONNECTED，RNS RAM RIN SRI RID AUI。
GMM實體在實現其各種功能的過程中將向相應的狀態轉移，在測試過程中檢查其狀態轉移是否正確也是一個非常重要的環節。根據其狀態轉移情況，也能很大程度上幫助我們在測試工作中發現和分析問題。
三、GMM一致性測試
1.測試模型
在UE的協議軟件結構圖中，GMM作為整個系統的一個子模塊。對GMM來說，其它模塊、系統等都可看作環境。仿真模型是通過TTCN與SDL描述系統協仿真進行構造的，如圖2所示，SDL將被測系統GMM同SDL自帶的接口適配模塊（即通信模塊，SDL用SOCKET編寫的）一起編譯，生成一個可以同TTCN進行消息通信的協仿真程序；測試系統側TTCN采用樹形結構及其獨特的語法建立聲明部分（主要是消息結構的聲明）、約束部分、動態測試例部分；測試時先在SDL的SIMULATOR中運行編譯好的協仿真程序，再通過SIMULATOR的命令建立與測試工具TTCN的通信相連，然后運行TTCN中構造好的測試例與被測系統GMM進行消息交互，觀察測試中生成的MSC圖來檢驗被測系統的正確性，從而達到仿真測試的目的。
2.測試例：ATTACH過程（伴隨隱式的P-TMSI重分配過程）
(1)測試目的：驗證網絡接受ATTACH過程，重新分配了新的P-TMSI，并以新的P-TMSI作為識別。
(2)測試過程：GMM ATTACH過程（伴隨隱式的P-TMSI重分配過程）如圖3所示，UE向網絡發送ATTACHREQUEST，網絡接受附著，返回一個ATTACHACCEPT消息，消息中指示了重新分配一個新的P-TMSI，UE通過發送ATTACH COMPLETE以確認，在以后的通信中都將用新分配的P-TMSI。
ATTACH REQUEST消息內容為：08,01,02, 45, 00, 71 ，*。具體見表1所示。
(3)測試仿真結果（見圖2）。
此仿真過程是從開機開始的，必須注意到UE接口的各個層次結構，任何一個高層模塊必須都是在低層信令建立好之后才可用。開機時GMM處于NUL狀態，也就是PMMDETACHED狀態，MMC開始讀取SIM卡；隨后GMM通過GMMAS_ESTABLISH_REQ原語請求建立Ps信令連接，GMM狀態跳轉到RIN狀態，即進入了PMMCONNECTED狀態；GMM通過GMM_ATTACH_IND原語向MMC報告GPRS附著結果，同時GMM進入RNS狀態；最后MMC把注冊結果報告給MMI，GMM注冊過程結束。把仿真得到的信號流圖與各種測試例中設計的信號流圖比較，發現在TTCN和仿真軟件模塊之間的信號交互是完全一致的。測試例中的數據與通過TTCN仿真所產生的數據也基本是一致的,GMM狀態轉移也是完全正確的。
四、結束語
在協議開發過程中，對實體要進行大量的測試，限于篇幅，在此僅列出對GMM特殊過程中的ATTACH過程進行的協仿真測試過程。3GPP有關非接入層部分（尤其是GMM部分）的規范主要從原GSM系統的規范文檔修改而來，而在修改過程中，由于多人修改，造成不同文檔之間的術語及一些業務描述并不統一，因此在協議的開發和測試過程中要特別注意。本文參照3GPP標準，結合自己的經驗就GMM的一般過程和特殊過程進行了研究測試，對于了解TD-SCDMA系統的GMM功能實體有一定的參考價值，對該系統標準的完善和一些今后從事研發和測試的人員也有一定借鑒意義。
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