陳功平，王 紅

(1.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237158；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

0 引言

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更新周期越來越短，用戶對于網(wǎng)絡(luò)的需求越來越多，因此通信公司需要開發(fā)的新功能也越來越多[1].由于通信產(chǎn)品的特殊性，在產(chǎn)品正式交付給客戶之前，必須模擬真實(shí)場景進(jìn)行性能測試和系統(tǒng)測試，避免正式部署之后出現(xiàn)問題影響用戶的使用體驗(yàn)[2].同時(shí)，電信客戶對于產(chǎn)品的交付周期要求也越來越短[3]，因此，傳統(tǒng)的手動(dòng)測試已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)今的需求，高效率的自動(dòng)化測試是整個(gè)通信行業(yè)所迫切需要的量[4].

胡京徽[5]等人提出一種面向自動(dòng)測試機(jī)載設(shè)備測試需求描述的信號模型，通過將機(jī)載設(shè)備測試需求中所涉及到的信號進(jìn)行分類，以及將測試設(shè)備和被測設(shè)備之間傳送的信號視作帶有一組參數(shù)的動(dòng)作，建立適用于自動(dòng)測試機(jī)載設(shè)備需求描述的信號模型.楊宏宇[6]等人提出一種基于增強(qiáng)低功耗自適應(yīng)集簇分層路由協(xié)議信譽(yù)機(jī)制的惡意節(jié)點(diǎn)檢測模型.在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用增強(qiáng)LEACH路由協(xié)議選取簇首節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)選擇對應(yīng)簇首形成各簇集群并確定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳遞路徑.節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)包內(nèi)添加節(jié)點(diǎn)編號，信譽(yù)評價(jià)等信息并按傳遞路徑將數(shù)據(jù)包發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)解析獲取數(shù)據(jù)包內(nèi)節(jié)點(diǎn)編號并與源節(jié)點(diǎn)編號比較判定，形成可疑節(jié)點(diǎn)列表，計(jì)算節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值并與閾值比較判定網(wǎng)絡(luò)中的惡意節(jié)點(diǎn).

上述兩種方法并未提升自動(dòng)化測試效率，為此研究移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)自動(dòng)化測試性建模，縮短自動(dòng)化測試時(shí)間，提升移動(dòng)通信服務(wù)質(zhì)量.

1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)自動(dòng)化測試性建模

1.1 自動(dòng)化測試性模型的整體設(shè)計(jì)

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)自動(dòng)化測試性模型包含CATS Repository，D-JCAT Framework與JCAT三部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)自動(dòng)化測試性模型結(jié)構(gòu)圖

CATS Repository模塊主要包含F(xiàn)eature Files，Test Step與Commom Test Step Definitions三個(gè)單元，具備Java Step Defintions編寫與自動(dòng)化測試步驟腳本定義兩種功能.Feature Files單元為利用Gherkin語言編寫的腳本，具備定義自動(dòng)化測試執(zhí)行步驟與策略的功能[7]；Test Step單元利用Java代碼完成自動(dòng)化測試步驟.CATS Repository模塊內(nèi)的Java Step并未真正實(shí)現(xiàn)，僅以JCAT Framework為基礎(chǔ)，對其實(shí)施二次開發(fā)，說明CATS Repository模塊僅僅調(diào)用D-JCAT Framework模塊內(nèi)的代碼與邏輯，以此實(shí)現(xiàn)CATS Repository模塊中對應(yīng)的自動(dòng)化測試步驟.

D-JCAT Framework模塊內(nèi)Confix單元屬于腳本生成器，Confix單元按照用戶需求的移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)機(jī)類型形成有關(guān)Dallas的軟件配置以及MKK的硬件配置[8]；啟動(dòng)Confix后會(huì)形成Dallas的重要配置文件，利用這些重要配置文件安裝Dallas；啟動(dòng)Confix后還會(huì)形成Shell腳本，利用Shell腳本可獲取MKX硬件的所有配置.

JCAT模塊匯聚了自動(dòng)化測試必不可少的能效性檢測數(shù)據(jù)輸出與監(jiān)聽等全部功能的啟動(dòng)接口，包含能效性檢測單元、啟動(dòng)日志記錄模塊與日志記錄打印接口單元等.

1.2 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)的自動(dòng)化測試

1.2.1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋率指標(biāo)與通信能耗指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)覆蓋率表示一定范圍內(nèi)被檢測概率占據(jù)閾值概率的比值，檢測概率通過網(wǎng)格中心是否被檢測表示[9].計(jì)算公式如下：

(1)

其中，覆蓋到節(jié)點(diǎn)機(jī)(xi,yi)的節(jié)點(diǎn)機(jī)集為χ={si,i=1,2,…,k}；節(jié)點(diǎn)機(jī)為si.

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率為被檢測概率超過閾值概率的網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)數(shù)和總的中心點(diǎn)數(shù)的比值Q.

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通信能量消耗主要包含兩個(gè)方面，分別是運(yùn)行能耗與傳送能耗.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)無線花費(fèi)表示為Eelec=50 nJ/bit，最終允許發(fā)送放大器放大倍率的無線花費(fèi)是Eamp=100 PJ/bit/m2.在節(jié)點(diǎn)機(jī)i發(fā)送長度是kbit的數(shù)據(jù)包至節(jié)點(diǎn)機(jī)j的過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)機(jī)i的能耗計(jì)算公式如下：

(2)

其中，節(jié)點(diǎn)機(jī)i與節(jié)點(diǎn)機(jī)j的坐標(biāo)分別是(xi,yi)與(xj,yj)；兩個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)間的距離是d，計(jì)算公式如下：

(3)

節(jié)點(diǎn)機(jī)j接收kbit數(shù)據(jù)包的能耗計(jì)算公式如下：

ERx(k)=ERx-elec(k)=Eelec×k

(4)

節(jié)點(diǎn)機(jī)i發(fā)送kbit數(shù)據(jù)包至節(jié)點(diǎn)機(jī)j過程中移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的總能量消耗計(jì)算公式如下：

(5)

通過Dijkstra算法優(yōu)化移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通信能耗指標(biāo)由E表示，E中包含全部節(jié)點(diǎn)機(jī)發(fā)送單位比特?cái)?shù)據(jù)至中心節(jié)點(diǎn)機(jī)過程中的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)總能耗.

1.2.2 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)能效性測量優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

利用指數(shù)乘法加權(quán)處理上述兩個(gè)指標(biāo)指數(shù)，獲取優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)公式如下：

f(X)=Q-(1-a)×Ea

(6)

其中，兩個(gè)指標(biāo)的調(diào)節(jié)權(quán)值是a；節(jié)點(diǎn)機(jī)的布置情況是X；目標(biāo)函數(shù)中兩個(gè)指標(biāo)的比例取決于調(diào)節(jié)權(quán)值a.

1.2.3 遺傳禁忌搜索算法優(yōu)化節(jié)點(diǎn)機(jī)的布置

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)檢測目標(biāo)與其余節(jié)點(diǎn)機(jī)間距離的變化直接影響目標(biāo)節(jié)點(diǎn)機(jī)能效性被檢測概率；利用遺傳禁忌搜索算法優(yōu)化移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)的布置，可提升節(jié)點(diǎn)機(jī)能效性檢測的準(zhǔn)確性[10].遺傳禁忌搜索算法的主要思想當(dāng)遺傳算法運(yùn)行時(shí)種群適應(yīng)度函數(shù)值大于一定代數(shù)且固定后，以記錄表的形式，獲取搜索過的解[11]，禁忌搜索的破禁水平是種群適應(yīng)度函數(shù)值的平均值，將其和鄰域搜索結(jié)果實(shí)施對比分析，若搜索結(jié)果較好，那么需要破禁；反之，若不需要破禁，那么接受結(jié)果，否則，不接受.

對于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)布置優(yōu)化問題，為禁忌搜索算法設(shè)計(jì)一個(gè)鄰域移動(dòng)機(jī)制，鄰域移動(dòng)機(jī)制如圖2所示.

圖2 鄰域移動(dòng)機(jī)制

令移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)初始位置是X，以迭代步長是k的正方形為鄰域，該鄰域內(nèi)共包含8個(gè)頂點(diǎn)，計(jì)算初始點(diǎn)與這些頂點(diǎn)的適應(yīng)度函數(shù)值，選取適應(yīng)度函數(shù)值最低的點(diǎn)為新解[12]，記錄于禁忌表內(nèi).實(shí)施禁忌搜索過程中，禁忌搜索算法不能共同優(yōu)化6個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)的布置，僅能逐個(gè)禁忌搜索6個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)的位置.需要結(jié)合遺傳算法互相彌補(bǔ)兩個(gè)算法的不足，提升移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)布置優(yōu)化的精準(zhǔn)性[13].

1.2.3.1 節(jié)點(diǎn)機(jī)優(yōu)化布置的數(shù)學(xué)模型

優(yōu)化移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)機(jī)的布置即組合優(yōu)化問題，數(shù)學(xué)模型表達(dá)公式如下：

(7)

其中，節(jié)點(diǎn)機(jī)布置數(shù)量是m；第i個(gè)節(jié)點(diǎn)不可觀是Ui；移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量是N.

1.2.3.2 染色體編碼

1.2.3.3 適應(yīng)度函數(shù)和約束條件處理

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)優(yōu)化布置的約束條件為Va=0，代表確保整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可觀[14].在出現(xiàn)不符合約束條件的解情況下，通過啟發(fā)性修復(fù)進(jìn)行處理，具體步驟如下所示：

步驟1：在不可觀節(jié)點(diǎn)內(nèi)選取支路最多的節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)處布置一個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)，說明與這個(gè)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的染色體基因位置是1；

步驟2：判斷染色體是否符合Va=0，若染色體不符合Va=0，那么重復(fù)步驟1，在全部染色體符合Va=0為止.

經(jīng)過不可行解的啟發(fā)性修復(fù)方法處理后，該解便被更改為符合約束條件的可行解范圍中.

利用不可行解的啟發(fā)性修復(fù)方法處理全部染色體后，全部染色體均符合約束條件[15]，適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算公式如下：

(8)

其中，為確保適應(yīng)度函數(shù)值在0之內(nèi)，Cmax表示一個(gè)較大的正數(shù)，比例系數(shù)是Cl.

1.2.3.4 節(jié)點(diǎn)機(jī)布置優(yōu)化流程

a：設(shè)置初始種群規(guī)模、最大迭代次數(shù)、交叉概率與變異概率.

d：在種群內(nèi)選取m個(gè)個(gè)體當(dāng)成下一代的父本點(diǎn)，各個(gè)個(gè)體被選取的概率計(jì)算公式如下：

(9)

將上一代中以概率為1的最優(yōu)個(gè)體存儲到下一代中.

e:利用交換概率交換求解種群內(nèi)的個(gè)體.

f:利用變異概率變異求解種群內(nèi)的個(gè)體，形成新一代種群.

h:分析可觀測性與不可行解的啟發(fā)性修復(fù).

j：若tT，那么輸出最優(yōu)解，完成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)布置優(yōu)化.

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

由于被測試移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)端，同時(shí)具備共用的特性，因此一定要登錄移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程的Linux服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)測試環(huán)境的部署.在實(shí)際應(yīng)用過程中利用Citrix Receiver完成遠(yuǎn)程連接.進(jìn)行測試工作過程中，需要利用自己的終端電腦在Citrix Receiver內(nèi)輸入用戶名與密碼登錄服務(wù)器，控制被測試移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)，節(jié)點(diǎn)機(jī)布置完成后，在終端打開Eclipse，將Maven項(xiàng)目內(nèi)CATS與D-JCAT的Java包放進(jìn)Eclipse中，這樣就能夠遠(yuǎn)程控制布置在實(shí)驗(yàn)室的節(jié)點(diǎn)機(jī)，在測試終端內(nèi)利用本文模型對被測移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)實(shí)施自動(dòng)化測試.

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

利用本文模型在布置好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)實(shí)施移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)自動(dòng)化測試，節(jié)點(diǎn)機(jī)的自動(dòng)化測試包括2G,3G與4G的性能測試.利用節(jié)點(diǎn)機(jī)升級測試描繪本文模型的全部自動(dòng)化測試流程，用于驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)機(jī)是否成功升級、升級過程中每個(gè)評價(jià)參數(shù)是否標(biāo)準(zhǔn)與節(jié)點(diǎn)機(jī)升級成功后移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能否恢復(fù)正常，為虛擬用戶提供通信服務(wù).

測試過程中是否出現(xiàn)告警信息的參數(shù)FM Alarms屬于測試本文模型獲取測試結(jié)果有效性的主要評價(jià)參數(shù).AP CPU使用量表示測試節(jié)點(diǎn)機(jī)AP CPU使用量，標(biāo)準(zhǔn)情況是穩(wěn)定后處于75左右；DP CPU使用量表示測試節(jié)點(diǎn)機(jī)DP CPU使用量，標(biāo)準(zhǔn)情況是穩(wěn)定后處于50左右；FM Alarms表示測試時(shí)出現(xiàn)的告警信息，按照實(shí)際應(yīng)用判斷告警信息是否合理.

以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)升級某個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象描繪本文模型的使用流程，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)的硬件設(shè)備為MKX，利用日志隨時(shí)記錄AP CPU使用量與DP CPU使用量，在自動(dòng)化測試過程中如果出現(xiàn)不被允許的FM Alarms，那么便認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)機(jī)存在問題.

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用本文模型對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)升級實(shí)施自動(dòng)化測試，分別實(shí)施7種不同指定移動(dòng)通信用戶設(shè)備類型的自動(dòng)化測試，測試結(jié)果如表1所示.

表1 測試結(jié)果

分析表1可知，本文模型能夠自動(dòng)化測試不同接入類型的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)機(jī)升級過程，最終顯示結(jié)果均為通過.

為保證自動(dòng)化測試的精準(zhǔn)性，需要手動(dòng)查看自動(dòng)化測試后的測試結(jié)果評價(jià)參數(shù)，評價(jià)參數(shù)包括AP CPU使用量、DP CPU使用量、FM alarms以及測試時(shí)間.本文模型測試結(jié)果穩(wěn)定后，AP CPU使用量處于75左右，DP CPU使用量處于50左右，自動(dòng)識別沒有出現(xiàn)不允許出現(xiàn)的alarms，測試時(shí)間在5 h左右；專家手動(dòng)測試結(jié)果穩(wěn)定后，AP CPU使用量處于75左右，DP CPU使用量處于50左右，人工對比結(jié)果未出現(xiàn)不允許出現(xiàn)的alarms，測試時(shí)間36 h左右.

本文模型自動(dòng)化測試移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)機(jī)升級過程中評價(jià)參數(shù)與專家手動(dòng)測試結(jié)果完全一致，符合評價(jià)參數(shù)測試結(jié)果，但本文模型自動(dòng)化測試時(shí)間明顯低于專家手動(dòng)測試時(shí)間.實(shí)驗(yàn)證明：本文模型具有較優(yōu)的自動(dòng)化測試效果.

將文獻(xiàn)[5]的信號自動(dòng)化測試模型與文獻(xiàn)[6]的惡意節(jié)點(diǎn)檢測模型作為本文模型的對比模型，在該移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨機(jī)選取20個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)，并對這20個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)進(jìn)行升級，利用三種模型對這20個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)升級過程實(shí)施自動(dòng)化測試，測試三種模型的自動(dòng)化測試效率，測試結(jié)果如圖3所示.

圖3 三種模型自動(dòng)化測試效率對比結(jié)果

分析圖3可知，隨著節(jié)點(diǎn)機(jī)數(shù)量的不斷增加，三種模型的自動(dòng)化測試時(shí)間均呈現(xiàn)不同程度的增長趨勢，本文模型的增長趨勢明顯低于其余兩種模型，當(dāng)節(jié)點(diǎn)機(jī)數(shù)量為12個(gè)時(shí)，本文模型的自動(dòng)化測試時(shí)間不再發(fā)生改變，穩(wěn)定于590 min.實(shí)驗(yàn)證明：本文模型自動(dòng)化測試效率最高.

利用三種模型對該移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)升級過程中的能效性實(shí)施自動(dòng)化測試，以覆蓋率與通信能耗為測試指標(biāo)，測試三種模型在不同迭代次數(shù)時(shí)的覆蓋率與通信能耗，測試結(jié)果如圖4所示.

圖4 對比測試結(jié)果

分析圖4(a)可知，隨著迭代次數(shù)的逐漸提升，三種模型的覆蓋率均呈現(xiàn)提升趨勢，在迭代次數(shù)為40次時(shí)，文獻(xiàn)[5]模型結(jié)束迭代，迭代時(shí)間過早易于陷入局部最優(yōu)；文獻(xiàn)[6]模型前期覆蓋率提升速度較慢，后期提升速度顯著提升，但迭代終止時(shí)間太晚，收斂性較差；本文模型的覆蓋率提升幅度明顯高于其余兩種模型且精度高.分析圖4(b)可知，迭代次數(shù)的不斷改變，本文模型的通信能耗始終低于其余兩種模型.綜上所述，本文模型自動(dòng)化測試移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)升級過程中的能效性高，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋率最高、通信能耗最低.

3 結(jié)論

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的更新周期不斷縮短，傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)機(jī)測試已無法滿足人們的需求，還會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間與金錢.為確保移動(dòng)通信軟件的質(zhì)量，縮短節(jié)點(diǎn)機(jī)測試時(shí)間，需要研究一個(gè)自動(dòng)化測試模型取代傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)機(jī)測試方法.為此研究移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)自動(dòng)化測試性建模，縮短自動(dòng)化測試時(shí)間.本文模型在實(shí)際項(xiàng)目中具有較好的應(yīng)用效果，可提升移動(dòng)通信服務(wù)質(zhì)量.該模型雖已全部覆蓋2G，3G，4G網(wǎng)絡(luò)的測試用例，但日后運(yùn)營商還會(huì)提出各種各樣的需求，因此后續(xù)的主要工作是以該模型為基礎(chǔ)，研發(fā)用于測試的服務(wù)器與配置文件的編寫等擴(kuò)展功能，提升模型的穩(wěn)定性.