TD-SCDMA终端GMM实体一致性测试研究
姚明菊李小文
重庆邮电大学重邮信科3G研究院
摘要：协议测试是一种典型的黑盒测试，目前协议测试主要有4个方面：一致性测试、互操作性测试、性能测试和坚固性测试。
Abstract：
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TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA终端高层协议时，采用集仿真、开发、测试于一体的SDLandTTCNSuite 4.0作为开发工具，采用TTCN编写测试例，通过SDL和TTCN的协仿真功能来进行一致性测试，完成错误的修改。文章将就
GMM" title="GMM">GMM的功能编写测试例，通过仿真的MSC图、TRACE文档并结合程序来检查和验证GMM程序，完成GMM一致性测试。
一、GMM协议规范介绍
GMM是非接入层中MM子层的一个实体，是为PS域的移动性管理服务的，因此主要完成与用户移动性相关的一些任务，同时还进行加密识别等。GMM的各种任务的实现都是通过GMM的各种特殊过程和一般过程来完成的。
ATTACH过程、DETACH过程和路由区更新过程是GMM的几大特殊过程，而特殊过程一般都会触发一般过程，GMM一般过程包括鉴权过程、身份识别过程、P-TMSI重分配等过程。一般过程可以独立进行，也可以伴随着GMM的特殊过程进行。
1.ATTACH过程
ATTACH过程就是附着登记过程，每次开机建立了PS信令连接之后，还必须进行ATTACH注册过程，建立起GMM的上、下文，这样PS域的功能才能正常使用。ATTACH过程主要有以下两种。
(1)正常的 GPRS" title="GPRS">GPRSATTACH过程，这种过程无论是网络操作模式I还是网络操作模式II的情况下都被UE用于ONLYGPRS业务的IMSI附着。
(2)组合的GPRSATTACH过程，这种过程则用于网络操作模式I时支持COMBINED的GPRS和非GPRS业务附着过程。
无论是哪一种ATTACH过程都是由UE端发起的。当网络收到UE发的ATTACHREQUEST消息，将根据REQUEST中的消息发起GMMauthenticationand ciphering procedure。假如网络和UE的鉴权参数匹配，鉴权加密过程通过，则网络就会发送ATTACH ACCEPT消息并分配新的GMM消息参数；若参数不匹配，鉴权过程失败，接着就会引发GMM identification procedure。
网络如果接受此次附着，就会发送一个ATTACHACCEPT消息，消息中将包含新的各种参数，UE收到之后，发送ATTACHCOMPLETE进行确认，ATTACH过程成功结束，GMM上、下文建立。
如果网络拒绝附着，发送ATTACHREJECT消息。网络拒绝附着的原因有非法UE、GPRS服务不允许、GPRS和非GPRS服务不允许、PLMN不允许、位置区不允许、漫游不允许、没有适合的小区等等，针对每一种情况，UE都会根据拒绝的原因进行相应的处理。
2.路由区更新过程
路由区更新过程就是为了能够及时准确地向网络报告所处的路由区域，更新路由信息和各种识别信息。路由区更新过程只能由UE发起。在路由区更新的过程中，UE和网络端的数据传输都将继续进行。
以下几种情况会触发路由区更新过程。
(1)当检测到路由区发生变化时；
(2)当检测到路由区/位置区发生变化时；
(3)由定时器T3312触发周期性路由区更新；
(4)当UE已成功进行PS域的IMSI附着，需要进行CS域的IMSI附着时，进行组合的路由区更新过程；
(5)UMTS系统与GSM系统间改变时；
(6)由“直接信令连接重建”引起的RRC连接释放后，UE和网络之间的重同步。
UE通过向网络发送ROUTINGAREAUPDATEREQUEST消息来触发路由区更新过程，消息中将指明路由区更新的类型，根据不同的类型进行相应的更新。路由区更新的类型主要有以下4种：RA updating，combined RA/LA updating，combined RA/LA updating with IMSI attach和Periodic updating。
网络收到消息后，根据消息中的参数，可能触发其它GMM的一般过程，这与GPRS附着过程相类似。如果网络接受了UE的更新请求，将向UE端回ROUTINGAREAUPDATEACCEPT消息。反之，则回ROUTING AREA UPATE REJECT消息来拒绝UE的更新请求。
UE收到网络发来的ROUTINGAREAUPDATEACCEPT消息后，将分析消息中所包含的内容。若消息中包含P-TMSI（路由区更新时），UE将使用该P-TMSI作为GPRS的新临时标识，同时存储该P-TMSI；若消息中包含IMSI（组合路由更新时），UE将删除任何的TMSI；若消息中包含TMSI，UE将删除老的TMSI，使用新的TMSI作为临时标识；若消息中包含P-TMSI/TMSI或者N-PDU号，则UE将用ROUTING AREA UPDATE COMPLETE消息来给网络以应答。
3.GPRS分离过程
GPRS分离有两种情况。
(1)UE端发起的GPRS分离过程
UE端发起的GPRS分离过程也有两种情况，一种是由于关机引起的GPRS分离，另一种是非关机引起的GPRS分离。UE通过向网络发送消息DETACHREQUEST来启动GPRS分离过程。在消息中，GMM指定了GPRS分离的类型：是否由于关机引起的GPRSDETACH、IMSIDETACH或组合GPRS/IMSI DETACH。
关机引起的GPRS分离过程，当UE向网络发送了DETACHREQUEST消息之后，不会等到网络回消息就关机了。
不是因为关机引起的GPRS分离过程，网络收到UE端的DETACHREQUEST消息后，根据相应的分离类型作相应的处理，并发送DETACHACCEPT/DETACH REJECT消息给UE端，表示接受/拒绝GPRS分离。
(2)网络发起的GPRS分离过程
网络为了自己的特定目的需要进行GPRS分离过程。它也是通过给UE发送DETACHREQUEST消息来触发GPRS分离过程。消息中也将指示进行GPRS分离的原因和分离类型。网络发起的GPRS分离类型有re-attachrequired，re-attachnot required和IMSI detach三种情况。
到网络发来的DETACHREQUEST消息后，UE将根据其分离类型进行相应的处理，如有可能需要去激活PDP和其他相关连接，然后发送DETACHACCEPT消息给网络。
4.P-TMSI重分配
P-TMSI是GPRS业务的临时移动台识别符，只在[c1]当前的路由区内有效。在路由区外，它必须和RAI结合起来才能表示惟一的识别信息。
P-TMSI重分配的目的是为了提供用户身份的保密性，防止用户被入侵者识别和定位。PTMSI的重新分配常常和其他过程同时发生。通常，在路由区的更新和ATTACH过程中，都伴随着P-TMSI重分配过程，但具体的实施过程由网络运营商确定。
5.鉴权加密过程
鉴权加密过程的主要目的是为了允许网络对UE身份的合法性进行检查，向UE提供参数使之能够计算出新的GPRS密钥和让网络设置加密模式和加密算法。该过程有三种使用方式：
*仅进行鉴权；
*仅进行加密模式和算法的设置；
*鉴权及加密模式和算法的设置。
为了允许在没有鉴权的时候可以在本地链路上进行加密，引入了GPRS加密序列号。这个加密序列号由网络管理，在鉴权的时候发送给UE，一个加密序列号对应一个加密密钥。当UE先前的加密算法已知，而且如果UE所给的加密序列号与网络存储的加密序列号相同，则网络可能选择该加密序列号对应的密钥进行加密。如果UE所给的加密序列号与网络的存储加密序列号不同，网络可能进行相应的鉴权过程。对于一个已经附着TD-PRS的UE而言，它时刻对网络的“鉴权加密请求”消息做出响应。
二、GMM的状态
3GPP协议规定，GMM主要有三大业务状态：PMMDETACHED、PMMIDLE和PMMCONNECTED。
三大状态之间的转换如图1所示。
根据协议一致性要求，在协议实现过程中可以将GMM划分为如下状态：PMMDETACHED，NULDNSDLSDAA DNI DNC DPS；PMMIDL，RNS RAU RNC RLS RAM DIN；PMMCONNECTED，RNS RAM RIN SRI RID AUI。
GMM实体在实现其各种功能的过程中将向相应的状态转移，在测试过程中检查其状态转移是否正确也是一个非常重要的环节。根据其状态转移情况，也能很大程度上帮助我们在测试工作中发现和分析问题。
三、GMM一致性测试
1.测试模型
在UE的协议软件结构图中，GMM作为整个系统的一个子模块。对GMM来说，其它模块、系统等都可看作环境。仿真模型是通过TTCN与SDL描述系统协仿真进行构造的，如图2所示，SDL将被测系统GMM同SDL自带的接口适配模块（即通信模块，SDL用SOCKET编写的）一起编译，生成一个可以同TTCN进行消息通信的协仿真程序；测试系统侧TTCN采用树形结构及其独特的语法建立声明部分（主要是消息结构的声明）、约束部分、动态测试例部分；测试时先在SDL的SIMULATOR中运行编译好的协仿真程序，再通过SIMULATOR的命令建立与测试工具TTCN的通信相连，然后运行TTCN中构造好的测试例与被测系统GMM进行消息交互，观察测试中生成的MSC图来检验被测系统的正确性，从而达到仿真测试的目的。
2.测试例：ATTACH过程（伴随隐式的P-TMSI重分配过程）
(1)测试目的：验证网络接受ATTACH过程，重新分配了新的P-TMSI，并以新的P-TMSI作为识别。
(2)测试过程：GMM ATTACH过程（伴随隐式的P-TMSI重分配过程）如图3所示，UE向网络发送ATTACHREQUEST，网络接受附着，返回一个ATTACHACCEPT消息，消息中指示了重新分配一个新的P-TMSI，UE通过发送ATTACH COMPLETE以确认，在以后的通信中都将用新分配的P-TMSI。
ATTACH REQUEST消息内容为：08,01,02, 45, 00, 71 ，*。具体见表1所示。
(3)测试仿真结果（见图2）。
此仿真过程是从开机开始的，必须注意到UE接口的各个层次结构，任何一个高层模块必须都是在低层信令建立好之后才可用。开机时GMM处于NUL状态，也就是PMMDETACHED状态，MMC开始读取SIM卡；随后GMM通过GMMAS_ESTABLISH_REQ原语请求建立Ps信令连接，GMM状态跳转到RIN状态，即进入了PMMCONNECTED状态；GMM通过GMM_ATTACH_IND原语向MMC报告GPRS附着结果，同时GMM进入RNS状态；最后MMC把注册结果报告给MMI，GMM注册过程结束。把仿真得到的信号流图与各种测试例中设计的信号流图比较，发现在TTCN和仿真软件模块之间的信号交互是完全一致的。测试例中的数据与通过TTCN仿真所产生的数据也基本是一致的,GMM状态转移也是完全正确的。
四、结束语
在协议开发过程中，对实体要进行大量的测试，限于篇幅，在此仅列出对GMM特殊过程中的ATTACH过程进行的协仿真测试过程。3GPP有关非接入层部分（尤其是GMM部分）的规范主要从原GSM系统的规范文档修改而来，而在修改过程中，由于多人修改，造成不同文档之间的术语及一些业务描述并不统一，因此在协议的开发和测试过程中要特别注意。本文参照3GPP标准，结合自己的经验就GMM的一般过程和特殊过程进行了研究测试，对于了解TD-SCDMA系统的GMM功能实体有一定的参考价值，对该系统标准的完善和一些今后从事研发和测试的人员也有一定借鉴意义。
一、GMM协议规范介绍
GMM是非接入层中MM子层的一个实体，是为PS域的移动性管理服务的，因此主要完成与用户移动性相关的一些任务，同时还进行加密识别等。GMM的各种任务的实现都是通过GMM的各种特殊过程和一般过程来完成的。
ATTACH过程、DETACH过程和路由区更新过程是GMM的几大特殊过程，而特殊过程一般都会触发一般过程，GMM一般过程包括鉴权过程、身份识别过程、P-TMSI重分配等过程。一般过程可以独立进行，也可以伴随着GMM的特殊过程进行。
1.ATTACH过程
ATTACH过程就是附着登记过程，每次开机建立了PS信令连接之后，还必须进行ATTACH注册过程，建立起GMM的上、下文，这样PS域的功能才能正常使用。ATTACH过程主要有以下两种。
(1)正常的 GPRS" title="GPRS">GPRSATTACH过程，这种过程无论是网络操作模式I还是网络操作模式II的情况下都被UE用于ONLYGPRS业务的IMSI附着。
(2)组合的GPRSATTACH过程，这种过程则用于网络操作模式I时支持COMBINED的GPRS和非GPRS业务附着过程。
无论是哪一种ATTACH过程都是由UE端发起的。当网络收到UE发的ATTACHREQUEST消息，将根据REQUEST中的消息发起GMMauthenticationand ciphering procedure。假如网络和UE的鉴权参数匹配，鉴权加密过程通过，则网络就会发送ATTACH ACCEPT消息并分配新的GMM消息参数；若参数不匹配，鉴权过程失败，接着就会引发GMM identification procedure。
网络如果接受此次附着，就会发送一个ATTACHACCEPT消息，消息中将包含新的各种参数，UE收到之后，发送ATTACHCOMPLETE进行确认，ATTACH过程成功结束，GMM上、下文建立。
如果网络拒绝附着，发送ATTACHREJECT消息。网络拒绝附着的原因有非法UE、GPRS服务不允许、GPRS和非GPRS服务不允许、PLMN不允许、位置区不允许、漫游不允许、没有适合的小区等等，针对每一种情况，UE都会根据拒绝的原因进行相应的处理。
2.路由区更新过程
路由区更新过程就是为了能够及时准确地向网络报告所处的路由区域，更新路由信息和各种识别信息。路由区更新过程只能由UE发起。在路由区更新的过程中，UE和网络端的数据传输都将继续进行。
以下几种情况会触发路由区更新过程。
(1)当检测到路由区发生变化时；
(2)当检测到路由区/位置区发生变化时；
(3)由定时器T3312触发周期性路由区更新；
(4)当UE已成功进行PS域的IMSI附着，需要进行CS域的IMSI附着时，进行组合的路由区更新过程；
(5)UMTS系统与GSM系统间改变时；
(6)由“直接信令连接重建”引起的RRC连接释放后，UE和网络之间的重同步。
UE通过向网络发送ROUTINGAREAUPDATEREQUEST消息来触发路由区更新过程，消息中将指明路由区更新的类型，根据不同的类型进行相应的更新。路由区更新的类型主要有以下4种：RA updating，combined RA/LA updating，combined RA/LA updating with IMSI attach和Periodic updating。
网络收到消息后，根据消息中的参数，可能触发其它GMM的一般过程，这与GPRS附着过程相类似。如果网络接受了UE的更新请求，将向UE端回ROUTINGAREAUPDATEACCEPT消息。反之，则回ROUTING AREA UPATE REJECT消息来拒绝UE的更新请求。
UE收到网络发来的ROUTINGAREAUPDATEACCEPT消息后，将分析消息中所包含的内容。若消息中包含P-TMSI（路由区更新时），UE将使用该P-TMSI作为GPRS的新临时标识，同时存储该P-TMSI；若消息中包含IMSI（组合路由更新时），UE将删除任何的TMSI；若消息中包含TMSI，UE将删除老的TMSI，使用新的TMSI作为临时标识；若消息中包含P-TMSI/TMSI或者N-PDU号，则UE将用ROUTING AREA UPDATE COMPLETE消息来给网络以应答。
3.GPRS分离过程
GPRS分离有两种情况。
(1)UE端发起的GPRS分离过程
UE端发起的GPRS分离过程也有两种情况，一种是由于关机引起的GPRS分离，另一种是非关机引起的GPRS分离。UE通过向网络发送消息DETACHREQUEST来启动GPRS分离过程。在消息中，GMM指定了GPRS分离的类型：是否由于关机引起的GPRSDETACH、IMSIDETACH或组合GPRS/IMSI DETACH。
关机引起的GPRS分离过程，当UE向网络发送了DETACHREQUEST消息之后，不会等到网络回消息就关机了。
不是因为关机引起的GPRS分离过程，网络收到UE端的DETACHREQUEST消息后，根据相应的分离类型作相应的处理，并发送DETACHACCEPT/DETACH REJECT消息给UE端，表示接受/拒绝GPRS分离。
(2)网络发起的GPRS分离过程
网络为了自己的特定目的需要进行GPRS分离过程。它也是通过给UE发送DETACHREQUEST消息来触发GPRS分离过程。消息中也将指示进行GPRS分离的原因和分离类型。网络发起的GPRS分离类型有re-attachrequired，re-attachnot required和IMSI detach三种情况。
到网络发来的DETACHREQUEST消息后，UE将根据其分离类型进行相应的处理，如有可能需要去激活PDP和其他相关连接，然后发送DETACHACCEPT消息给网络。
4.P-TMSI重分配
P-TMSI是GPRS业务的临时移动台识别符，只在[c1]当前的路由区内有效。在路由区外，它必须和RAI结合起来才能表示惟一的识别信息。
P-TMSI重分配的目的是为了提供用户身份的保密性，防止用户被入侵者识别和定位。PTMSI的重新分配常常和其他过程同时发生。通常，在路由区的更新和ATTACH过程中，都伴随着P-TMSI重分配过程，但具体的实施过程由网络运营商确定。
5.鉴权加密过程
鉴权加密过程的主要目的是为了允许网络对UE身份的合法性进行检查，向UE提供参数使之能够计算出新的GPRS密钥和让网络设置加密模式和加密算法。该过程有三种使用方式：
*仅进行鉴权；
*仅进行加密模式和算法的设置；
*鉴权及加密模式和算法的设置。
为了允许在没有鉴权的时候可以在本地链路上进行加密，引入了GPRS加密序列号。这个加密序列号由网络管理，在鉴权的时候发送给UE，一个加密序列号对应一个加密密钥。当UE先前的加密算法已知，而且如果UE所给的加密序列号与网络存储的加密序列号相同，则网络可能选择该加密序列号对应的密钥进行加密。如果UE所给的加密序列号与网络的存储加密序列号不同，网络可能进行相应的鉴权过程。对于一个已经附着TD-PRS的UE而言，它时刻对网络的“鉴权加密请求”消息做出响应。
二、GMM的状态
3GPP协议规定，GMM主要有三大业务状态：PMMDETACHED、PMMIDLE和PMMCONNECTED。
三大状态之间的转换如图1所示。
根据协议一致性要求，在协议实现过程中可以将GMM划分为如下状态：PMMDETACHED，NULDNSDLSDAA DNI DNC DPS；PMMIDL，RNS RAU RNC RLS RAM DIN；PMMCONNECTED，RNS RAM RIN SRI RID AUI。
GMM实体在实现其各种功能的过程中将向相应的状态转移，在测试过程中检查其状态转移是否正确也是一个非常重要的环节。根据其状态转移情况，也能很大程度上帮助我们在测试工作中发现和分析问题。
三、GMM一致性测试
1.测试模型
在UE的协议软件结构图中，GMM作为整个系统的一个子模块。对GMM来说，其它模块、系统等都可看作环境。仿真模型是通过TTCN与SDL描述系统协仿真进行构造的，如图2所示，SDL将被测系统GMM同SDL自带的接口适配模块（即通信模块，SDL用SOCKET编写的）一起编译，生成一个可以同TTCN进行消息通信的协仿真程序；测试系统侧TTCN采用树形结构及其独特的语法建立声明部分（主要是消息结构的声明）、约束部分、动态测试例部分；测试时先在SDL的SIMULATOR中运行编译好的协仿真程序，再通过SIMULATOR的命令建立与测试工具TTCN的通信相连，然后运行TTCN中构造好的测试例与被测系统GMM进行消息交互，观察测试中生成的MSC图来检验被测系统的正确性，从而达到仿真测试的目的。
2.测试例：ATTACH过程（伴随隐式的P-TMSI重分配过程）
(1)测试目的：验证网络接受ATTACH过程，重新分配了新的P-TMSI，并以新的P-TMSI作为识别。
(2)测试过程：GMM ATTACH过程（伴随隐式的P-TMSI重分配过程）如图3所示，UE向网络发送ATTACHREQUEST，网络接受附着，返回一个ATTACHACCEPT消息，消息中指示了重新分配一个新的P-TMSI，UE通过发送ATTACH COMPLETE以确认，在以后的通信中都将用新分配的P-TMSI。
ATTACH REQUEST消息内容为：08,01,02, 45, 00, 71 ，*。具体见表1所示。
(3)测试仿真结果（见图2）。
此仿真过程是从开机开始的，必须注意到UE接口的各个层次结构，任何一个高层模块必须都是在低层信令建立好之后才可用。开机时GMM处于NUL状态，也就是PMMDETACHED状态，MMC开始读取SIM卡；随后GMM通过GMMAS_ESTABLISH_REQ原语请求建立Ps信令连接，GMM状态跳转到RIN状态，即进入了PMMCONNECTED状态；GMM通过GMM_ATTACH_IND原语向MMC报告GPRS附着结果，同时GMM进入RNS状态；最后MMC把注册结果报告给MMI，GMM注册过程结束。把仿真得到的信号流图与各种测试例中设计的信号流图比较，发现在TTCN和仿真软件模块之间的信号交互是完全一致的。测试例中的数据与通过TTCN仿真所产生的数据也基本是一致的,GMM状态转移也是完全正确的。
四、结束语
在协议开发过程中，对实体要进行大量的测试，限于篇幅，在此仅列出对GMM特殊过程中的ATTACH过程进行的协仿真测试过程。3GPP有关非接入层部分（尤其是GMM部分）的规范主要从原GSM系统的规范文档修改而来，而在修改过程中，由于多人修改，造成不同文档之间的术语及一些业务描述并不统一，因此在协议的开发和测试过程中要特别注意。本文参照3GPP标准，结合自己的经验就GMM的一般过程和特殊过程进行了研究测试，对于了解TD-SCDMA系统的GMM功能实体有一定的参考价值，对该系统标准的完善和一些今后从事研发和测试的人员也有一定借鉴意义。
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