TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀STM-1數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)現(xiàn)

摘要 STM-1數(shù)據(jù)采集卡是TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀中的一個(gè)重要的數(shù)據(jù)采集卡,用來(lái)收集TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中STM-1幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。介紹了STM-1數(shù)據(jù)采集卡硬件采用的一個(gè)基于PowerPc系列的嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng),并詳細(xì)的闡述了它的設(shè)計(jì)過(guò)程,其軟件部分由Linux嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成;還介紹了Linux嵌入式操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用軟件的主程序及中斷接收模式。給出了調(diào)試中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及其解決方案。

0、引言

現(xiàn)階段我國(guó)正在大力開(kāi)發(fā)TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng),國(guó)內(nèi)各移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商也正準(zhǔn)備大規(guī)模的組建3G網(wǎng)絡(luò),但是到目前為止,用于TD-SCDMA系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研發(fā)、建網(wǎng)和運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備還未引起足夠重視,形成了TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈上的最為薄弱的一環(huán)[1]。特別是國(guó)際上傳統(tǒng)通信測(cè)試儀表廠(chǎng)商始終側(cè)重于CDMA2000和WCDMA 2000標(biāo)準(zhǔn)。因此,在國(guó)內(nèi)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀,完善TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈,形成系列產(chǎn)品并推向市場(chǎng)具有非常重要的意義,也必將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀主要實(shí)現(xiàn)協(xié)議分析(解碼)、呼叫跟蹤、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)及分析、網(wǎng)絡(luò)異常分析、網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化、協(xié)議仿真等功能,以完成對(duì)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的一致性測(cè)試、互操作性測(cè)試、性能測(cè)試、堅(jiān)固性測(cè)試。它的主要測(cè)試的接口包括Iub,Iur,IuCS,IuPS,Nc,Nb,C/D/E/G/Gr/MSCS-SCP,Gn/Gp,Gi等[2-4]。TD-SCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]如圖1所示,TD-SCDMA系統(tǒng)中的Iub,Iur,Iu為主要的測(cè)試接口。TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀硬件部分采用工控機(jī)結(jié)構(gòu),多鏈路、多通道的硬件由多個(gè)基于PCI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡(規(guī)程板)組成,各種基于大規(guī)模集成電路的數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)原始物理層數(shù)據(jù)流的采集,并通過(guò)PCI總線(xiàn)與工控機(jī)交互數(shù)據(jù),物理接口對(duì)全I(xiàn)P,STM-1和EI這3種方式都能夠支持;軟件部分基于Windows 2000和XP操作系統(tǒng),對(duì)硬件部分采集的原始信令數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和處理,同時(shí)還完成硬件采集卡的配置功能[6]。

圖1 TD-SCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.1 System structure of TD-SCDMA

STM-1數(shù)據(jù)采集卡是TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀中的一個(gè)PCI數(shù)據(jù)采集卡,負(fù)責(zé)采集網(wǎng)絡(luò)中STM-1幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈初步形成的現(xiàn)階段,進(jìn)行TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀以及STM-1數(shù)據(jù)采集卡的研發(fā)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1、STM-1數(shù)據(jù)采集卡的硬件實(shí)現(xiàn)

一般來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)采集的目的是對(duì)線(xiàn)路上較高級(jí)的信令及其數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、處理,而對(duì)底層協(xié)議并不關(guān)心。特別對(duì)于像網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀這樣的設(shè)備來(lái)說(shuō),對(duì)接近物理層一端數(shù)據(jù)往往希望硬件進(jìn)行初步的分類(lèi)和處理,以使得送入軟件分析的數(shù)據(jù)相對(duì)簡(jiǎn)化,節(jié)省運(yùn)算量。換句話(huà)說(shuō),網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的硬件部分處理偏底層的數(shù)據(jù),軟件部分處理偏上層的數(shù)據(jù)。進(jìn)而根據(jù)TD-SCDMA規(guī)范和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)接口協(xié)議結(jié)構(gòu),AAL(包括AAL2,AAL5)以上層次由軟件處理,在AAL及其以下層次由硬件處理是比較理想的劃分。對(duì)于STM-1數(shù)據(jù)采集卡來(lái)說(shuō),應(yīng)該完成物理層、ATM層、AAL層的處理任務(wù),即從線(xiàn)上獲取的數(shù)據(jù)流,在送給軟件作進(jìn)一步處理之前,首先由硬件組裝成一個(gè)個(gè)完整的AAL幀,再將數(shù)據(jù)交給軟件處理。所以STM-1數(shù)據(jù)采集卡的工作流程應(yīng)該為:①TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為電信號(hào);②通過(guò)一個(gè)STM-1/ATM抽取裝載芯片將STM-1幀結(jié)構(gòu)里邊封裝的ATM信元提取出來(lái);③將ATM信元通過(guò)一個(gè)UTOPIA2接口送給一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器,將ATM信元處理至AAL層(組裝成一條條的AAL幀);④通過(guò)PCI接口將處理過(guò)的數(shù)據(jù)送往PC做進(jìn)一步分析。整個(gè)處理流程如圖2所示。

圖2 STM-1數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計(jì)

Fig.2 Hardware design of STM-1 card

網(wǎng)絡(luò)處理器是板卡的核心部分,它完成整個(gè)STM-1數(shù)據(jù)采集卡的控制和計(jì)算功能。所以網(wǎng)絡(luò)處理器的選擇至關(guān)重要,其選擇應(yīng)結(jié)合具體應(yīng)用,綜合考慮,即主要從系統(tǒng)功能、處理能力、產(chǎn)品的升級(jí)換代、經(jīng)濟(jì)承受能力和產(chǎn)品綜合成本等幾方面考慮。相對(duì)于目前的GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)而言,3G網(wǎng)絡(luò)的信息量更多、更復(fù)雜,常規(guī)的單片機(jī)控制技術(shù)在速度上不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)試的需要。另外,還必須要求選擇的網(wǎng)絡(luò)處理器帶有UTOPIAⅡ和PCI接口。UTOPIAⅡ協(xié)議定義了一種物理層和ATM層之間的接口模式,是一種標(biāo)準(zhǔn)的ATM傳送接口,能夠?qū)崿F(xiàn)STM-1/ATM抽取裝載芯片和網(wǎng)絡(luò)處理器的無(wú)縫連接,而PCI是先進(jìn)的高性能局部總線(xiàn),可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。我們采用的是Motorola公司的PowerPC系列的嵌入式處理器。

Motorola的基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器芯片有MPC505,821,850等近幾十種產(chǎn)品,其中MPC860是Power QUICC系列、Power QUICCⅡ系列、Power QUICC Ⅲ系列的典型產(chǎn)品。

選擇的處理器有2個(gè)主要的組成部分:嵌入的PowerPC內(nèi)核和通信處理模塊(CPM)。CPM同時(shí)支持快速通信控制器(FCC)、串行通信控制器(SCC)等。FCC支持基于UTOPIA2接口的155 Mbit/s ATM協(xié)議,同時(shí)還支持IEEE802.3和快速以太網(wǎng)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)處理器的ATM通信控制器可以通過(guò)UTOPIA Ⅱ接口實(shí)現(xiàn)ATM和AAL層的功能,利用FCC作為ATM通信控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)AAL2和AAL5適配[7],該通信控制器支持以下功能。

(1)155 Mbit/s的全雙工分段重裝,包括CRC32,CPCS-UU,CPI和長(zhǎng)度域的生成和校驗(yàn)。

(2)16 B數(shù)據(jù)總線(xiàn)的UTOPIAⅡ總線(xiàn)主從模式,包括多物理設(shè)備的查詢(xún)模式。

(3)內(nèi)部可存儲(chǔ)不多于255個(gè)虛通道(VC)號(hào),利用外部存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)64 KB虛通道號(hào)。

(4)可以自定義不多于64 B的信元長(zhǎng)度。

(5)ATM層的信元統(tǒng)計(jì)功能。

(6)接收地址查詢(xún)機(jī)制,包括外部CAM查找和地址壓縮。

Powerpc系列處理器的工作模式有很多種,而用于STM-1數(shù)據(jù)采集卡的處理器只能選擇ATM模式。CPM里的FCC可連到8位或16位UTO-PIAⅡ接口用于ATM通信,所以在設(shè)計(jì)時(shí)選擇CPM里的FCC來(lái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)的收發(fā)。其余的外圍電路包括CPU的外部SDRAM,F(xiàn)LASH以及光電轉(zhuǎn)換模塊等。圖2中各模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明如下。

(1)網(wǎng)絡(luò)處理器:網(wǎng)絡(luò)處理器通過(guò)內(nèi)部集成的FCC支持UTOPIAⅡ接口,由于FCC支持標(biāo)準(zhǔn)的UTOPIAⅡ接口,因此可以直接與STM-1/ATM抽取裝載芯片相連接;此外,SDRAM,F(xiàn)lash等器件均通過(guò)60x總線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)處理器連接。

(2)STM-1/ATM抽取裝載芯片:主要完成以155.52 Mbit/s的速度處理雙工位串行STS-3c/STM-1數(shù)據(jù)流。STM-1/ATM抽取裝載芯片的選擇也應(yīng)該考慮到它必須帶有UTOPIAⅡ,以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)處理器的無(wú)縫連接。

(3)SDRAM:用于存放用戶(hù)的數(shù)據(jù)和代碼,為程序的運(yùn)行和保存臨時(shí)文件提供空間。采用商用的168引腳的內(nèi)存條,與網(wǎng)絡(luò)處理器以60x總線(xiàn)相連。數(shù)據(jù)寬度為64位。網(wǎng)絡(luò)處理器提供了SDRAM控制器,只需進(jìn)行寄存器的設(shè)置即可。

(4)Flash:用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)的引導(dǎo)程序、存儲(chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)映像和用戶(hù)程序文件,與網(wǎng)絡(luò)處理器以60x總線(xiàn)相連。

2、STM-1數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式系統(tǒng)

STM-1數(shù)據(jù)采集卡軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件2大部分。本系統(tǒng)中我們采用Linux操作系統(tǒng)。Linux是個(gè)與生俱來(lái)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),成熟而且穩(wěn)定。Linux是源代碼開(kāi)放軟件,不存在黑箱技術(shù),任何人都可以修改它,或者用它開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品。Linux系統(tǒng)是可以定制的,系統(tǒng)內(nèi)核目前已經(jīng)可以做得很小。一個(gè)帶有中文系統(tǒng)及圖形化界面的核心程序也可以做到不足1 MB,而且同樣穩(wěn)定。Linux作為一種可裁減的軟件平臺(tái)系統(tǒng),是發(fā)展未來(lái)嵌入設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源,嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要包括以下2點(diǎn)。

(1)Bootloader開(kāi)發(fā)。嵌入式系統(tǒng)中,整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)完全由BootLoader來(lái)完成。通過(guò)BootLoader,我們可以初始化硬件設(shè)備,建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài),以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶(hù)應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

(2)Linux內(nèi)核的移植、開(kāi)發(fā)。在獲得Linux內(nèi)核源代碼后,根據(jù)硬件平臺(tái)進(jìn)行內(nèi)核的剪裁、配置、編譯,最后把Linux內(nèi)核移植到開(kāi)發(fā)板,通過(guò)FLASH或BOOTP從開(kāi)發(fā)板上引導(dǎo)Linux內(nèi)核。

2.2 應(yīng)用軟件的主模塊

該模塊是程序的主控模塊,完成板卡在數(shù)據(jù)采集前所有硬件的初始化,并最終通過(guò)輪詢(xún)命令區(qū)(主機(jī)向板卡發(fā)送命令的區(qū)域,板卡可在此讀取到主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令)依據(jù)該區(qū)域命令調(diào)用相應(yīng)處理模塊。該模塊目的在于為后續(xù)的收發(fā)數(shù)據(jù)以及軟硬件接口做必要的準(zhǔn)備,并依據(jù)命令區(qū)命令控制整個(gè)程序流程。應(yīng)用軟件的主模塊見(jiàn)圖3所示,命令區(qū)是一個(gè)雙口RAM區(qū),板卡和主機(jī)都可以隨時(shí)讀取,為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)試的需要,板卡處理器的指針只要空閑就應(yīng)該停留在該區(qū)域等候主機(jī)傳送下來(lái)的指令。各子模塊功能說(shuō)明如下。

(1)板卡停止/重啟模塊,由此模塊控制板卡的停止和重啟。

(2)板卡自檢模塊,STM-1數(shù)據(jù)采集卡正式采集數(shù)據(jù)之間,主機(jī)發(fā)送自檢命令,板卡收到自檢命令后即將主機(jī)指定的數(shù)據(jù)發(fā)送后收回并送回主機(jī),主機(jī)根據(jù)收回的數(shù)據(jù)與先前的數(shù)據(jù)比較判斷板卡是否正常工作。

(3)接收配置模塊,根據(jù)命令區(qū)接收配置命令的命令碼附加信息和具體的配置信息,完成AAL2和AAL5的接收初始化,為數(shù)據(jù)的接收做好準(zhǔn)備。

(4)發(fā)送數(shù)據(jù)模塊,根據(jù)命令區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)命令的命令碼附加信息和具體的配置信息,完成AAL2和AAL5的發(fā)送初始化,并且激活相應(yīng)通道進(jìn)行發(fā)送。

(5)全局變量配置模塊,根據(jù)主機(jī)的要求修改全局變量。

(6)時(shí)鐘同步模塊,接受主機(jī)的命令,與TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的其他數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。

(7)拆除鏈路模塊,根據(jù)命令區(qū)接收配置命令的命令碼附加信息和具體的配置信息,完成相應(yīng)的AAL2和AAL5的鏈路拆除,并釋放相應(yīng)的內(nèi)存空間。

圖3 應(yīng)用軟件的主模塊

Fig.3 Main module of applications

2.3 中斷處理模塊

中斷處理模塊主要用來(lái)處理板卡、芯片產(chǎn)生的所有異常情況(包含中斷)。按照中斷源的不同進(jìn)行相應(yīng)處理,主要包括接收中斷時(shí)的數(shù)據(jù)重組,接收、發(fā)送中斷時(shí)的BD操作,時(shí)鐘中斷處理,故障中斷產(chǎn)生時(shí)的錯(cuò)誤處理等。特別是對(duì)于FCC的ATM發(fā)送、接收中斷進(jìn)行輪詢(xún)檢查,直到所有中斷處理完成才跳出中斷處理函數(shù),中斷處理流程如圖4所示。

圖4 中斷處理流程

Fig.4 Flow of interrupt disposal

STM-1數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)中斷模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)中斷處理模塊判斷出中斷源來(lái)自于接收幀時(shí),就調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,將其組成一條條軟件可以處理的AAL幀(CPCS-SDU),然后將其存入雙口RAM區(qū)指定的內(nèi)存空間由軟件來(lái)提取處理。

3、調(diào)試

對(duì)于PowerPC來(lái)說(shuō),最常用的軟件開(kāi)發(fā)方式有2種:一種是基于商業(yè)軟件CodeWarrior的開(kāi)發(fā)調(diào)試平臺(tái);另一種是基于免費(fèi)交叉編譯器和BDI調(diào)試器的開(kāi)發(fā)方案。CodeWarrior是Metrowerks公司專(zhuān)門(mén)為嵌入式PowerPC開(kāi)發(fā)調(diào)試軟件設(shè)計(jì)的強(qiáng)大的IDE商業(yè)開(kāi)發(fā)平臺(tái),并且可以在Windows下方便使用,因此我們?cè)趯?shí)際開(kāi)發(fā)中采用了CodeWarrior。

對(duì)于AAL5數(shù)據(jù),采取分別發(fā)送和接收2幀96字節(jié)的數(shù)據(jù),第1幀數(shù)據(jù)為“1”,第2幀為全“2”,每幀恰好有2個(gè)ATM信元的凈荷,同一幀數(shù)據(jù)采取同一通道發(fā)送和接收,兩幀不同的數(shù)據(jù)采取不同的通道進(jìn)行發(fā)送和接收(發(fā)送和接收通道編程時(shí)分別進(jìn)行編號(hào)),如圖5所示。為了調(diào)試時(shí)便于查詢(xún),編程時(shí)需將發(fā)送和接收中斷全部開(kāi)啟。確認(rèn)發(fā)送端與接收端相互連接的有效性后,激活第1、第2發(fā)送通道,然后通過(guò)CodeWarrior查詢(xún)發(fā)送和接收中斷隊(duì)列(Interrupt Queue)檢查發(fā)送和接收的基本情況。其中可能出現(xiàn)的情況有2種:①發(fā)送中斷隊(duì)列沒(méi)有中斷記錄,接收中斷隊(duì)列沒(méi)有中斷記錄;②發(fā)送中斷隊(duì)列有中斷記錄,接收中斷隊(duì)列沒(méi)有中斷記錄。

圖5 AAL5數(shù)據(jù)調(diào)試示意圖

Fig.5 Chart of AAL5 data debugging

情況①可以推測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)出;情況②可以推測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有接收到;對(duì)情況①,②的解決辦法是查詢(xún)發(fā)送、接收端,確認(rèn)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)配置是否正確,對(duì)表中各域的值可以采取多次嘗試的辦法來(lái)調(diào)試。如果發(fā)送中斷隊(duì)列有中斷記錄,接收中斷隊(duì)列有中斷記錄,可以推測(cè)發(fā)送、接收都正常,通過(guò)CodeWarrior查詢(xún)接收內(nèi)存空間和雙口RAM區(qū)的接收重組數(shù)據(jù)區(qū),檢查接收的數(shù)據(jù)是否與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致,此時(shí)可能出現(xiàn)2種情況:①發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)與接收區(qū)數(shù)據(jù)不一致;②發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)與接收區(qū)數(shù)據(jù)一致,接收區(qū)與重組區(qū)不一致。

情況①可以推測(cè)接收端沒(méi)有完全接收到發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)或發(fā)送端只發(fā)送了部分的數(shù)據(jù),這種情況可以通過(guò)嘗試發(fā)送、接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表(table)中各域的值來(lái)調(diào)試;情況②可以推測(cè)中斷接收時(shí),重組程序沒(méi)有把接收到的數(shù)據(jù)重組好,這種情況可以通過(guò)修改重組程序代碼來(lái)調(diào)試。如果發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)與接收區(qū)數(shù)據(jù)一致,接收區(qū)與重組區(qū)也一致,那么說(shuō)明發(fā)送和接收2幀96字節(jié)的AAL5數(shù)據(jù)獲得了成功。其后,采取發(fā)送和接收任何長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試,也都獲得成功,驗(yàn)證了板卡能夠發(fā)送和接收任何的數(shù)據(jù)。

對(duì)于AAL2數(shù)據(jù),采取發(fā)送、接收2幀200字節(jié)的cps數(shù)據(jù)、2幀200字節(jié)的sssar數(shù)據(jù),使用不同通道發(fā)送和接收,經(jīng)過(guò)調(diào)試都獲得成功。調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題及解決的辦法與調(diào)試AAL5數(shù)據(jù)時(shí)基本一致,只是發(fā)送和接收AAL2數(shù)據(jù)時(shí)使用到更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),機(jī)制也復(fù)雜了一些。

4、結(jié)束語(yǔ)

TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀STM-1數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)采用了基于PowerPc系列嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng),軟件設(shè)計(jì)采用了嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件;谝陨显O(shè)計(jì)的STM-1數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過(guò)調(diào)試完全能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送、接收多幀AAL2、AAL5數(shù)據(jù)的目的,達(dá)到了對(duì)STM-1信號(hào)數(shù)據(jù)采集的目的,可以滿(mǎn)足TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的需要。

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作者:裴二榮 雒江濤 張治中   來(lái)源:重慶郵電學(xué)院學(xué)報(bào)
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