段俊奇，刘 磊，徐雅琨，王兆伟

(中国电子科学研究院， 北京 100041)

0 引 言

现代战争是信息化、网络化条件下的以战场感知与精确打击为核心的高科技战争。在网络中心战的背景下，数据链系统作为基于信息系统的体系作战能力的力量倍增器[1]，将数字化战场中的各种要素连接成一个有机的整体，提高协同能力和整体作战效能。

联合作战是未来战争的一种主要作战样式，要求打破封闭的体系，实现最大程度的互操作和信息共享[2]。此外，未来战场更加复杂，面对复杂电磁环境及对抗敌方干扰，不同类别的平台使用多种链路、多套标准，平台间的信息交互越发复杂，需要数据链系统形成可靠的连通网络，确保网络在连通性、信息承载能力等方面更好的与作战任务匹配，保证网络能够支撑作战任务的执行。

为实现上述目标，研究数据链系统的综合测试评估技术变得越来越重要。数据链测试系统在论证预研、设计开发、系统验证等方面有迫切需求。由于数据链系统与民用移动通信系统在终端测试领域存在较强的相似性，本文重点将两者进行对比分析。

1 测试体系架构

在体系架构方面，测试可以分为两个主要维度，一是从系统设计、研发、生产、认证的出发，覆盖系统的全寿命周期。二是从系统功能组成的角度出发，主要包括射频测试、协议测试、业务(消息)测试、应用测试等[3-4]，如图1所示。

图1 测试的不同维度

1.1 寿命周期测试维度

首先从系统寿命周期的角度分析，任何通信系统从诞生到退役一般都需经过设计、生产、维护等阶段，测试贯穿于通信装备的全寿命周期。这项原则无论是对于民用移动通信系统还是对于数据链系统都是适用的，在寿命周期测试维度上，两者体系架构并无大的区分，只是目前处于不同的发展阶段，成熟度不尽相同。

在民用无线通信测试领域，目前的测试验证技术已经广泛应用于产品生命周期的各个环节中，可通过各种专用或通用的测试仪器、测试系统，对被测对象做出较为准确的评测。以无线通信终端测试为例，如图2所示，在通信设备从研发到许可销售的过程中，包括多个测试阶段，涵盖了无线终端产品的周期过程，包括产品的设计、研发、生产、认证。

图2 系统寿命周期的测试体系架构

对于在数据链系统寿命周期过程中的测评，美军很早开展了相关深入研究，从体制流程上对其进行了规范和定义。如图3所示，在设计论证、样机研制、生产部署以及运行维护等阶段，美军在体制流程上设定了多个测评点。在设计论证阶段，其主要目标是对方案进行评审，对原型系统进行验证。在样机研制阶段，其主要目标是开发软件版本和测试样机，验证对样机的所有操作和派生需求是否被满足，以支持生产或部署决策。在生产部署阶段，主要完成初始生产或有限部署的操作测试和评估，以及全速生产或全面部署。完成生产部署后，数据链系统进入装备运行与维护阶段，保证系统全寿命周期。

图3 美军数据链寿命周期过程中的评审阶段

1.2 系统功能组成维度

从系统功能组成维度分析，民用移动通信系统与数据链系统在测试领域既存在着相似点也存在着不同点。如下图所示，首先，作为无线通信系统，射频组件为两者提供基本的通信能力，因此射频测试是系统测试的基础。其次，两者都需要提供节点接入和组网通信的能力，而这些功能的实现均依赖网络协议，因此，协议测试也是必须考虑的要素。在信息流层面，民用移动通信主要关注的是业务信息流测试，包括话音和数据等。而对于数据链系统来说，重点关注格式化消息测试。在应用方面，民用移动通信测试通常并不关注应用的具体实现，而只需提供应用信息交互的通道。但对于数据链系统，其与作战平台、作战应用紧密交链，难以完全解耦，因此需要考虑不同作战应用下的系统效能。

图4 系统功能组成的测试体系架构

本文后续内容重点从系统功能组成划分的维度，针对射频测试、协议测试、业务/消息测试等内容进一步展开研究。对于作战应用测试，由于其与不同的作战任务紧密关联，受外部环境的影响较大，限于篇幅，在本文不再探讨。

2 射频测试

2.1 典型指标

射频技术作为无线信号传播的基本技术，其研究、验证和最终应用水平直接制约着通信系统的发展[5]。为测试验证射频模块的功能性能，需提出具体的测试指标。射频指标可以大致分为发射机指标、接收机指标及其他性能指标等，指标涉及功率特性、频谱特性、调制质量、互调特性、波形质量、抗干扰能力等[6]，如图5所示。

图5 射频测试典型指标示例

2.2 测试手段及方法

由于射频组件的集成化和通用化程度较高，射频测试主要采用通用和专用仪器仪表完成对组件/模块的主要指标测试。常见的通用仪器仪表包括示波器、频谱仪、功率计和频率计等测试仪器。专用的测试仪器包括综合测试仪、信号源、干扰源、矢量信号分析仪等等。其中，射频综合测试仪主要完成对终端射频一致性的测试，并对终端关键性能指标进行全面测试[7]。

欧美的相关企业，如安捷伦、罗德与施瓦茨(R&S)、NI、泰克(Tektronix)等公司实力强大，在射频测试仪器研制和生产方面，具有相当大的优势，形成了军民领域系列化产品，提供了全覆盖的通信测试能力。在军用无线通信系统(如数据链系统)的射频测试方面，国外已涌现出一批完备的测试仪表及解决方案，包括安捷伦公司的复杂电磁环境下的军用通信系统测试解决方案、艾法斯公司的宽带信号分析仪和记录仪、罗德施瓦茨公司的软件定义战术无线电和战术通信解决方案仪器仪表等。

2.3 关键技术

当前，民用移动通信和数据链系统的射频测试技术已经比较成熟。本文主要以新兴的5G移动通信测试为例，分析在5G射频测试中的关键技术。相对于3G/4G技术，5G 射频技术涉及更高的工作频段、更宽的信号带宽、Massive-MIMO系统、更高阶的调制方式等技术，这些都对测试系统提出了新的要求[5]。

(1)毫米波测试

在5G的频谱规划中，主要分为低频段的Sub-6 GHz和高频段毫米波。对于毫米波频段的测量，主要有几个难点：首先不同国家和地区对毫米波频段会有不同的选择，这带来了额外的工作量。其次，测试成本是毫米波测试必须要重点的关注的问题之一。最后，由于毫米波频段芯片的尺寸将大大的降低，未来5G毫米波的测试将难以采用传统的连线测试，这就亟需研究新的测试技术——OTA(Over-the-air)。目前，R&S、NI等公司已经有相对成熟的解决方案[8]。

(2)Massive MIMO 测试

MIMO技术已经广泛应用在无线和移动通信系统中，不过在5G系统中，对MIMO技术又做了进一步增强，将会有大规模的天线阵列出现，因此，大规模MIMO被广泛的认为是5G愿景关键技术之一。考虑到信道数量必不可少的大量增长以及可能的高频段使用，大规模MIMO测试及测量方法也面临着巨大的挑战[6,7]。

(3)OTA

在基于射频线缆的射频测试技术无法有效使用的情况下，采用OTA技术是一种有效的解决方案[5]。研究人员提出了OTA系统的主要组成部件及其主要功能，分析了常见的OTA 有源测试解决方案，提出了为满足5G射频测试需求应重点解决的问题。此外，传统的环境建模和模拟技术一般是两维的，而真实环境往往是三维的，一种称为MIMO OTA的测试方法得到了日益广泛的重视，其关键原理就是利用三维暗室+多台信道模拟仪器来最大限度的模拟多个角度的无线信号到达，使测试结果更接近真实情况。

(4)新波形测试

为了实现5G系统大容量、高速率的要求，5G系统可能引入新波形技术来提升系统的性能。因此需要新的测试技术来评估这些波形的性能，需考虑的因素主要包括频率分析、链路性能分析、网络分析、应用场景分析等。目前，R&S等公司已提出相关测试产品，支持客户自定义波形参数，生成配置文件，对被测波形进行测试分析。

(5)5G无线信道模拟与评估技术

为尽可能真实地测试5G系统的射频组件，需重点解决空中无线信道模拟问题。研究人员分析了5G射频测试的室内环境模拟和测试方法，并重点分析了5G信道建模、阵列天线信号模拟器等关键技术，为5G无线信道模拟与评估技术研究提供了一种可行的解决方案[6]。

3 协议测试

3.1 典型指标

协议测试是在软件测试的基础上发展而来，根据协议标准确定协议实现是否达到了要求。其典型指标可大致分为四类：一致性测试指标、互操作性测试指标、性能测试指标和鲁棒性测试指标，具体如图6所示。协议一致性测试旨在检测协议具体实现与设计方案/标准规范间的符合程度。互操作性测试用于检测同一设计方案/标准规范的不同实现之间的互通和互操作的能力。性能测试旨在检测具体实现或系统的性能指标。鲁棒性测试用于检测实现或系统在各种恶劣环境下运行的能力。

图6 协议测试典型指标示例

3.2 测试手段及方法

(1)协议一致性测试

网络协议一致性测试是网络协议测试中基础组成。随时通信网络协议的迅速增加，使得协议测试的难度也在不断增加[9]。当前，一致性测试的主要标准为 ISO/IEC9646，该标准是针对使用自然语言描述的协议的测试而制定。标准要求根据协议文本生成一个抽象测试集，抽象测试集规定了一致性测试的内容和步骤，决定着测试的质量。抽象测试集一般用TTCN(Testing and Test Control Notation)来描述。TTCN是独立于测试系统、被测实现和协议一种测试集描述法。协议一致性测试系统通提供基于TTCN的终端测试环境，能够对终端各层的协议功能进行全面测试，支持自动化测试功能，最终能够协助开发人员保证终端严格符合协议标准要求。

图7 协议一致性测试系统

协议一致性测试方法分为本地测试法和外部测试法。本地测试法要求被测实现(Implementation Under Test，IUT)的下边界必须存在观察点PCO，测试方和被测试方处于同一个系统中。

外部测试方法假定在IUT的下边界不存在PCO，可进一步分成分布式、协调式和远程式测试方法。

(2)互操作性测试

作为一致性测试的补充，互操作性测试的主要目标是测试多个协议实现在网络操作环境中是否能够正确地交互，并完成协议标准中规定的功能[10]。文献[11]总结了几种典型的互操作性等级模型，包括LISI、OM、LCI、LCM等，并分析了模型等级描述、能力需求、评价体系等主要特征。文献[12]提出了一种简单易用的互操作能力七级评价方法，度量了联通性、传播性、一致性、适应性等四项互操作能力指标。

图8 本地测试法

图9 外部测试法

在军用领域，互操作性测试作为数据链测试中日益重要的一个方面，国外测试厂商都将其作为数据链测试中的一项重要研究内容。目前，美军已通过研究数据链互操作性测试系统，基本实现了主要使用的战术数据链的互操作性问题。

(3)性能测试

性能测试的主要目标是测试网络部件在各种(正常和超负荷)负载下的性能特性是否满足用户的要求。协议性能测试是指测试某一层协议实现或多层协议实现的性能。在进行性能测试时应假定被测实现是满足一致性需求的。然而由于超负荷的负载输入会引起被测实现的性能降级而导致功能失败，因此在性能测试时，还需要注意被测实现输出行为的功能是否正确。因此，在性能测试中，负载是非常重要的。负载既应包括正常负载，也应包括非正常的负载。人工产生负载的模型可以采用在性能评价中得到公认，被广泛使用的一些负载模型，如开关模型(On-off model)，泊松过程(Poisson Process)和基于马尔可夫调整的泊松过程MMPP(Markov Modulated Poisson Process)。

(4)鲁棒性测试

ISO/IEC 9646-2给出了协议鲁棒性测试的抽象内容，ISO/IEC 9646-1指出了两类异常事件：不合适事件(Inopportune Test Event)和语义上的无效事件(Invalid Test Event)。前者指测试例不符合协议规范语法，后者的测试例虽然在语法上有效，但是测试数据在语义上是无效的。除了异常报文之外，对IUT在实际运行环境中的鲁棒性能测试还包括：交互协议错误处理能力、负载压力处理能力、网络故障错误处理能力和敌方攻击处理能力。此外，协议鲁棒性测试的内容还应考虑网络环境因素，如网络延迟、报文重复等。

3.3 关键技术

在协议测试理论研究内容中，基于协议规范的形式化方法是核心关键技术之一。通过利用形式化方法，可以用数学模型和规则来描述协议状态，方法主要包括状态变迁模型(State Transition Models)、程序设计语言模型(Programming language Models)和混合模型(Hybrid Models)。

状态变迁模型：通信协议系统由若干个事件驱动的协议实体组成，实体间可以通过消息传送进行相互通信，每个实体的特性可以描述为一系列相应的外部和内部事件的动作。常见的协议变迁模型包括FSM (Finite State Machine)、LTS (Label Transition System)、Petri网等。

程序设计语言模型：通信协议被认为是一种算法过程，适用于使用高级程序设计语言来描述。常见的程序设计语言模型:如AP(Abstract Programs)、CSP(Communication Sequential Processes)、CCS(Calculus of Communication Systems)等。

混合模型：结合了上述两种方法的特点，使用较少的状态来描绘协议的主要特性，同时使用程序设计语言的功能来进一步描述协议的其它特性。包括SDL(Specification and Description Language)、LOTOS(Language of Temporal Ordering Specification)等。

4 业务/消息测试

在传统无线通信测试系统中，对于射频测试和协议测试的关注较多，对于业务/消息的关注较少，目前还没有形成成熟的指标体系和测试方法手段。

在民用移动通信系统中，随着4G、5G技术的不断发展，系统复杂度不断增加，围绕系统的业务级关键性能测试也变得越来重要。在手机认证测试中，需要针对电信业务和GPRS业务的功能进行单独测试。在4G网络中，随着视频监控、VoIP的升温，多媒体业务的应用越来越广泛。为进一步改善用户体验，为新兴数据业务提供更高的无线传输速率和更低的时延，需进一步发展数据业务测试技术等。在未来的5G网络中，随着海量物联网节点的大规模连接，类型各异的应用业务也会成几何增长，因此，更加需要针对各类业务的性能及兼容性进行深入测试。

数据链消息标准复杂，涉及应用功能多样。在现有的测试过程中，由于缺少自动测试和分析工具，测试人员需要深入理解标准规范，采用人工方式或半自动化方式进行逐条测试，造成工作量大、耗时长、测试进度难以保证等问题，也难以保障测试用例的典型性和全面性，漏检率较高。为提高数据链消息测试水平，需重点研究消息标准的评价指标体系、形式化表示方法、测试模型构建方法以及测试用例自动生成等关键技术。

5 结 语

本文以一种探索性的视角，研究数据链系统综合测试技术。通过分析比较民用移动通信测试与数据链系统测试的现状和异同，重点从测试体系架构、测试指标、测试手段及方法、关键技术等角度进行分析，研究数据链测试系统存在的问题和发展趋势。

在民用移动通信测试领域中，自动化综合测试系统和较为先进的测试技术已经得到广泛应用，例如OTA测试技术、基于协议规范的形式化方法等。这主要受益于民用通信产业具有统一的标准、大规模的应用以及齐全的产业链，厂商必须采用通用化、自动化的测试系统，提高测试效率，降低综合成本。

数据链系统测试缺乏体系化的研究，综合自动化测试方法和手段相对薄弱。由于被测设备数量少、批次多、定制化测试要求程度高，测试系统的通用化和自动化程度发展停滞不前[13]。对于各类测试，当前并未引入先进的民用移动通信测试技术，测试手段还多采用手动、半自动化的测试方式，测试效率低、能力弱、局限性大。在未来针对数据链系统综合测试技术研究的过程中，需进一步针对不同测试类型的特征，研究核心关键技术。同时，基于新的测试技术，研究如何构建一个真实或近似真实的测试环境，在数据链系统全寿命周期中，支撑系统和组件的全面调试、故障分析、性能评价和优化等，有效推动数据链系统综合测试技术的快速发展。