文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.183310
中文引用格式： 李小文，江亞男，李秀. 5G系統(tǒng)終端物理層控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(4)：95-99，108.
英文引用格式： Li Xiaowen，Jiang Yanan，Li Xiu. The implementation and design of physical layer control for user equipment in 5G[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(4)：95-99，108.
0 引言
第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5th-generation，5G)的演進(jìn)已成為了一個(gè)全球熱門的研究話題。在2016年3月舉行的3GPP RAN第71次全體會(huì)議上，將“新無(wú)線電接入技術(shù)”用于非后向兼容無(wú)線接入技術(shù)的提案得到了通過(guò)[1]。在項(xiàng)目研究階段的主要工作是研究和評(píng)估潛在可用的無(wú)線接入技術(shù)，以滿足文獻(xiàn)[2]中定義的關(guān)鍵5G要求和部署方案。從3GPP的協(xié)議以及文獻(xiàn)[3]可知，相較于4G標(biāo)準(zhǔn)，5G在物理層上做了許多重大的變化，例如：規(guī)定了更靈活的幀結(jié)構(gòu)[4]，提高了5G系統(tǒng)中的傳輸速率，滿足未來(lái)的5G多場(chǎng)景的應(yīng)用[5]。但對(duì)物理層與高層、物理層與硬件層的交互也提出了更高的要求，因此對(duì)物理層控制的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。
終端在交互數(shù)據(jù)前，物理層經(jīng)過(guò)了多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程：獲取最大功率的頻點(diǎn)，選擇駐留小區(qū)，選擇最佳小區(qū)，建立上行同步。每個(gè)過(guò)程包含多個(gè)任務(wù)，其結(jié)果都是其后續(xù)過(guò)程工作的條件。很多過(guò)程中既包含時(shí)間觸發(fā)任務(wù)與事件觸發(fā)任務(wù)，因此任務(wù)沖突時(shí)有發(fā)生，任務(wù)的沖突會(huì)導(dǎo)致物理層混亂或死機(jī)。本文對(duì)傳統(tǒng)物理層控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)物理層的狀態(tài)，建立基于狀態(tài)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)制，物理層只執(zhí)行狀態(tài)下相應(yīng)的命令，從而有效地避免了矛盾指令導(dǎo)致的物理層混亂。
1 終端系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
終端主要由四部分組成：x86模塊、DSP模塊、FPGA模塊和射頻模塊，如圖1所示。x86模塊用于處理5G終端系統(tǒng)中的層三協(xié)議棧，包括RRC層和NAS層的協(xié)議實(shí)現(xiàn)[6]。層二與層一在多核DSP上實(shí)現(xiàn)，核0主要承載PDCP、RLC和MAC等層二協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)[7]。核1承載物理層部分，包括物理信道的編碼、譯碼、加擾、解擾等過(guò)程，以及與核0的交互的相關(guān)模塊、與FPGA交互的EDMA模塊及SRIO接口。當(dāng)終端需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過(guò)EDMA實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的搬移，然后通過(guò)SRIO將數(shù)據(jù)從DSP發(fā)送到FPGA上產(chǎn)生基帶信號(hào)，再通過(guò)發(fā)送模塊把數(shù)據(jù)發(fā)給中頻；當(dāng)終端需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先射頻模塊將會(huì)從空口捕捉數(shù)據(jù)，再通過(guò)中頻轉(zhuǎn)換器將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，再進(jìn)行下變頻變換生成基帶信號(hào)，接著由FPGA模塊進(jìn)行濾波、降采樣處理、FFT變換、信道估計(jì)和信道均衡，再將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)SRIO接口傳給DSP進(jìn)行處理。
2 物理層狀態(tài)的設(shè)計(jì)
終端在與基站交互數(shù)據(jù)前，物理層要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)、冗余而復(fù)雜的過(guò)程，首先對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
2.1 終端物理層任務(wù)的簡(jiǎn)要介紹
終端成功上電后，獲取最大功率的頻點(diǎn)是物理層的首要任務(wù)。不同頻率的信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)由于發(fā)送距離、傳輸路徑損耗等差異，終端接收的功率不同。因此獲得具有最大信號(hào)功率的頻率是確保終端和基站可靠交換數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
根據(jù)最大功率的頻點(diǎn)，終端將選擇駐留小區(qū)。最大功率頻點(diǎn)信號(hào)為多個(gè)小區(qū)信號(hào)源疊加，必須在該頻點(diǎn)上和其對(duì)應(yīng)的本地保存的小區(qū)列表進(jìn)行下行同步，選擇同步小區(qū)，并獲取同步小區(qū)系統(tǒng)消息，提取小區(qū)的駐留條件，選擇駐留小區(qū)。
根據(jù)駐留小區(qū)，確定最佳小區(qū)。駐留小區(qū)的確定為接收下行信息提供了條件，而最佳小區(qū)是保證高質(zhì)量通信的關(guān)鍵。駐留小區(qū)僅為本地保存的小區(qū)列表中的最佳小區(qū)，確定駐留小區(qū)后，終端將根據(jù)系統(tǒng)消息提取駐留小區(qū)的鄰小區(qū)信息，在當(dāng)前駐留小區(qū)及其鄰小區(qū)中，選擇RSRP最強(qiáng)小區(qū)最為最佳小區(qū)，并重新駐留。
確定最佳駐留小區(qū)后，終端向基站請(qǐng)求隨機(jī)接入，成功接入后即完成上行同步實(shí)現(xiàn)終端與基站間的信息交互。
由此可見(jiàn)，物理層主要包括的5個(gè)過(guò)程既具有各自的目標(biāo)和任務(wù)，又存在因果關(guān)聯(lián)。這些特點(diǎn)為設(shè)計(jì)基于過(guò)程的物理層狀態(tài)提供了條件。
2.2 終端物理層狀態(tài)的設(shè)計(jì)
以物理層的5個(gè)過(guò)程為基礎(chǔ)，建立物理層的5個(gè)狀態(tài)，分別為：空態(tài)、小區(qū)選擇態(tài)、空閑態(tài)、隨機(jī)接入態(tài)和連接態(tài)，物理層狀態(tài)及其狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移構(gòu)成物理層狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)之間的躍遷關(guān)系如圖2所示，其躍遷條件在狀態(tài)設(shè)計(jì)中詳細(xì)闡述。
2.2.1 空態(tài)（NULL）
圖3為物理層在NULL態(tài)的流程圖。進(jìn)入NULL后，終端判斷自己是否處于掉電狀態(tài)，如果掉電，終端將跳出NULL，進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。在帶電狀態(tài)或初始上電時(shí)，終端根據(jù)保存的頻點(diǎn)列表，接收每個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空口數(shù)據(jù)，并計(jì)算其功率。選擇最大功率對(duì)應(yīng)的頻率為功率最強(qiáng)頻點(diǎn)。完成頻點(diǎn)選擇后，終端將跳轉(zhuǎn)至SEL態(tài)。
2.2.2 小區(qū)選擇態(tài)（SEL）
小區(qū)選擇態(tài)的主要任務(wù)就是確定駐留小區(qū)，并獲取駐留小區(qū)的鄰小區(qū)的相關(guān)信息。圖4所示為物理層在SEL態(tài)的流程圖。
物理層將最強(qiáng)功率頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的、存儲(chǔ)于本地列表中的小區(qū)確定為候選小區(qū)，生成候選小區(qū)的PSS和SSS[8]。將最強(qiáng)功率頻點(diǎn)的空口數(shù)據(jù)分別與PSS、SSS做滑動(dòng)相關(guān)，得到同步小區(qū)的小區(qū)ID、時(shí)域同步點(diǎn)和頻域同步點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了下行同步。
在5G中，PBCH與PSS、SSS均位于SSB中[4]， PBCH上承載了MIB，終端根據(jù)下行時(shí)頻域同步點(diǎn)解出MIB。MIB包含進(jìn)入同步小區(qū)的駐留必要條件，如同步小區(qū)是否支持申請(qǐng)終端的業(yè)務(wù)、能否接收到SIB1等，如不滿足駐留必要條件，則要重新選擇同步小區(qū)。SIB1提供了其他系統(tǒng)消息的調(diào)度參數(shù)、尋呼的配置參數(shù)等。根據(jù)SIB1，終端可以接收SIB2~SIB9，以獲取駐留小區(qū)的鄰小區(qū)信息，為獲取最佳小區(qū)提供條件。完成上述工作后，終端將進(jìn)入IDLE態(tài)。
2.2.3 空閑態(tài)（IDLE）
IDLE態(tài)由監(jiān)聽(tīng)期、測(cè)量期和休眠期構(gòu)成，其流程圖如圖5所示。在IDLE態(tài)中，SIB1中的尋呼配置決定了監(jiān)聽(tīng)期，SIB2~SIB5中的測(cè)量配置決定了測(cè)量期，除此之外的時(shí)期均為休眠期。終端進(jìn)入IDLE態(tài)后，物理層處于休眠期。監(jiān)聽(tīng)期到來(lái)時(shí)，物理層會(huì)監(jiān)聽(tīng)尋呼消息，首先判斷系統(tǒng)消息是否改變，如有，則重新接收系統(tǒng)消息，接收完成后進(jìn)入休眠期；如沒(méi)有，則判斷是否存在被叫消息，如存在則從IDLE態(tài)躍遷至ACC態(tài)，反之則進(jìn)入休眠期。
測(cè)量期物理層通過(guò)測(cè)量鄰小區(qū)的RSRP判斷是否存在更優(yōu)的小區(qū)，如沒(méi)有，則進(jìn)入休眠期；反之則確定更優(yōu)小區(qū)的頻點(diǎn)和小區(qū)ID，進(jìn)入SEL態(tài)。因此，IDLE態(tài)需要SEL態(tài)提供的駐留小區(qū)和鄰小區(qū)的相關(guān)信息，同時(shí)SEL態(tài)在選擇更優(yōu)小區(qū)時(shí)也需要IDLE提供的頻點(diǎn)和小區(qū)ID；IDLE態(tài)還為ACC態(tài)提供了SSB信息。
2.2.4 隨機(jī)接入態(tài)（ACC）
通過(guò)隨機(jī)接入過(guò)程實(shí)現(xiàn)建立上行同步是終端正常工作的基礎(chǔ)。在隨機(jī)接入過(guò)程中，多個(gè)終端選擇相同的波束、前導(dǎo)索引和時(shí)頻域位置發(fā)送Message1(MSG1，下同)為競(jìng)爭(zhēng)接入，此時(shí)需要基站選擇一個(gè)終端成功接入，實(shí)現(xiàn)上行同步。終端擁有專屬配置時(shí)為非競(jìng)爭(zhēng)接入，終端和基站僅交互MSG1與MSG2便能成功接入。圖6所示是競(jìng)爭(zhēng)接入情況下ACC態(tài)的流程圖。
MSG1發(fā)送基于ZC序列的前導(dǎo)碼。5G系統(tǒng)中，基站發(fā)送多個(gè)具有不同波束方向的SSB[9]，只有在波束覆蓋的區(qū)域，終端才可能發(fā)起隨機(jī)接入。因此，在競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)，終端根據(jù)IDLE態(tài)測(cè)量的SSB的RSRP，選擇最優(yōu)的SSB確定發(fā)送MSG1的時(shí)域位置；在非競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，基站會(huì)在RRC重配消息中告訴終端專屬的波束及其對(duì)應(yīng)的時(shí)域位置等，終端據(jù)此生成前導(dǎo)碼發(fā)起接入。
MSG2為隨機(jī)接入響應(yīng)(Random Access Response，RAR)。終端發(fā)送MSG1后開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)PDCCH，接收與RA-RNTI對(duì)應(yīng)的RAR，SIB1規(guī)定其監(jiān)聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)。在監(jiān)聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，終端若沒(méi)收到MSG2，且沒(méi)達(dá)到MSG1最大重傳次數(shù)，則重傳MSG1；反之物理層躍遷至IDLE態(tài)。收到MSG2，解析RAR，獲取其隨機(jī)接入前導(dǎo)ID，并與本地的前導(dǎo)索引比較，不同則該RAR無(wú)效，重傳MSG1或躍遷至IDLE態(tài)；相同則該RAR有效，在MSG2指定的時(shí)頻位置上發(fā)送MSG3，MSG3主要內(nèi)容為核心網(wǎng)分配給終端的唯一標(biāo)志。
在發(fā)送MSG3完成后，終端等待監(jiān)聽(tīng)MSG4。終端若沒(méi)有收到MSG4，或收到MSG4但解析后得到的到UE_ID與本地UE_ID匹配失敗，則重傳MSG1或躍遷至IDLE態(tài)；若匹配成功，則競(jìng)爭(zhēng)接入成功，將跳入CON態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。
2.2.5 連接態(tài)（CON）
CON態(tài)中主要包括上行數(shù)據(jù)的發(fā)送與下行數(shù)據(jù)的接收。
初始接入時(shí)，由于沒(méi)有基站分配的時(shí)頻資源，成功接入的終端，不能通過(guò)PUSCH與基站交互數(shù)據(jù)，僅通過(guò)PUCCH發(fā)送極少量的數(shù)據(jù)。因此終端首先將僅包含數(shù)據(jù)上傳請(qǐng)求的SR通過(guò)PUCCH發(fā)送給基站，并等待接收上行授權(quán)，若接收失敗，且沒(méi)到達(dá)SR最大重傳次數(shù)，則重發(fā)SR，否則進(jìn)入ACC態(tài)重新進(jìn)行隨機(jī)接入；若收到上行授權(quán)，終端利用得到的時(shí)頻資源在PUSCH上發(fā)送BSR并再次等待上行授權(quán)，BSR中主要承載了需要傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)的大小。若接收上行授權(quán)失敗，則重發(fā)SR或進(jìn)入ACC態(tài)；若接收上行授權(quán)成功，則進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，交互完成進(jìn)入IDLE態(tài)的休眠期。CON態(tài)中上行數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖7所示。
對(duì)于下行數(shù)據(jù)接收而言，由于5G系統(tǒng)中已經(jīng)取消了PHICH和PCFICH信道，因此終端首先盲檢PDCCH，根據(jù)PDCCH解出來(lái)的DCI1_0或DCI1_1解出PDSCH所占的時(shí)頻域位置，再解出PDSCH。若CRC校驗(yàn)正確，接收數(shù)據(jù)成功；若CRC校驗(yàn)失敗，則判斷上行同步定時(shí)器是否超時(shí)，超時(shí)則不回復(fù)NACK，否則將會(huì)給基站回復(fù)NACK。
3 物理層控制實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)
對(duì)于5G系統(tǒng)終端L1C的設(shè)計(jì)主要采用狀態(tài)機(jī)的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。初始開(kāi)機(jī)時(shí)處于NULL態(tài)，通過(guò)原語(yǔ)觸發(fā)向SEL態(tài)、IDLE態(tài)、ACC態(tài)和CON態(tài)進(jìn)行躍遷。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先由高層將數(shù)據(jù)塊及配置發(fā)送給L1C，L1C調(diào)度物理信道進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA生成基帶信號(hào)，由射頻模塊進(jìn)行發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時(shí)從射頻端接收到數(shù)據(jù)后到解CRC為止，如果正確，則將數(shù)據(jù)和DCI上報(bào)給高層；反之上報(bào)失敗指示，由高層決定是否要求基站重傳。
因此無(wú)論是發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)，L1C都起著舉足輕重的作用，其實(shí)現(xiàn)流程如下：
(1)讀取隊(duì)列中的原語(yǔ)，判斷其來(lái)自高層還是FPGA。
(2)若該原語(yǔ)來(lái)自高層：
①進(jìn)行狀態(tài)匹配，即判斷該條原語(yǔ)是否屬于該狀態(tài)下應(yīng)該接收并處理的原語(yǔ)：若屬于，則繼續(xù)對(duì)該原語(yǔ)進(jìn)行操作，反之直接丟棄該原語(yǔ)；
②向各個(gè)信道配置相關(guān)參數(shù)。在不同狀態(tài)下，高層會(huì)向物理層配置不同參數(shù)，物理層控制需要在調(diào)度相關(guān)信道時(shí)，對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行配置。
(3)若該原語(yǔ)來(lái)自FPGA：
①讀取數(shù)據(jù)中攜帶的子幀號(hào)與時(shí)隙號(hào)；
②調(diào)度相關(guān)的信道，例如PDCCH或PDSCH等，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼[10-11]等處理；
③若CRC校驗(yàn)成功，則將解出來(lái)的數(shù)據(jù)和相關(guān)DCI打包成原語(yǔ)發(fā)給高層；若CRC校驗(yàn)失敗，則將失敗指示上傳給高層。
4 仿真實(shí)現(xiàn)與分析
本文為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性以及可實(shí)用性，搭建了仿真與實(shí)現(xiàn)的調(diào)測(cè)平臺(tái)，整個(gè)平臺(tái)主要包含矢量信號(hào)發(fā)生器、示波器、路測(cè)終端、FPGA、DSP、PC。其參數(shù)配置如表1所示。
圖8～圖11為物理層控制與高層和底層聯(lián)調(diào)的圖片。圖8為高層下發(fā)了非該狀態(tài)的原語(yǔ)時(shí)，物理層拒絕接收該原語(yǔ)的異常情況示意圖。
終端接收信號(hào)通過(guò)偵測(cè)儀采集了數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)FPGA與DSP進(jìn)行信道估計(jì)、信號(hào)檢測(cè)等過(guò)程后，判斷需要調(diào)度和配置的信道并進(jìn)行處理，例如解廣播信道相關(guān)數(shù)據(jù)則需要調(diào)度PBCH，解其他數(shù)據(jù)則需要調(diào)度PDCCH或PDSCH的接收模塊進(jìn)行處理。圖9為解資源映射后各下行物理信道數(shù)據(jù)的星座圖，橫坐標(biāo)為星座圖實(shí)部，縱坐標(biāo)為虛部，星座點(diǎn)分布較為集中，可初步判定該數(shù)據(jù)滿足后續(xù)信道處理要求。
從星座圖可以初步判定該數(shù)據(jù)滿足后續(xù)信道處理要求，圖10為信號(hào)檢測(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解PDSCH結(jié)果，從圖中可以看出最終CRC校驗(yàn)標(biāo)志置高，且解出該數(shù)據(jù)中包含的消息，說(shuō)明信道估計(jì)與信號(hào)檢測(cè)模塊運(yùn)行結(jié)果正確。
接下來(lái)需要物理層控制將解出所得的比特串組裝成原語(yǔ)發(fā)送給上層，并由上層進(jìn)行ASN.1譯碼。圖11為MIB消息，可以看到當(dāng)物理層控制組裝成原語(yǔ)發(fā)送上去后，高層拆分原語(yǔ)能夠進(jìn)行正確的解碼。
由此可見(jiàn)本文的設(shè)計(jì)是合理可行的，基于5G系統(tǒng)的終端可以完整地進(jìn)行發(fā)送和接收的流程。
5 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)5G物理層現(xiàn)狀的分析，對(duì)傳統(tǒng)的高層原語(yǔ)直接驅(qū)動(dòng)物理層動(dòng)作的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)，設(shè)計(jì)物理層狀態(tài)，即NULL態(tài)、SEL態(tài)、IDLE態(tài)、ACC態(tài)和CON態(tài)，并劃分了每個(gè)狀態(tài)下的任務(wù)。物理層在接收原語(yǔ)命令時(shí)先判斷是否屬于該狀態(tài)下的任務(wù)，再執(zhí)行相應(yīng)的操作，避免了物理層接收原語(yǔ)的混亂，提高了物理層與高層之間的交互效率。每個(gè)任務(wù)都進(jìn)行了詳細(xì)的原語(yǔ)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了物理層與高層的交互以及物理層對(duì)底層數(shù)據(jù)的接收，完成了物理層在各個(gè)狀態(tài)下對(duì)各個(gè)任務(wù)的調(diào)度。本設(shè)計(jì)已經(jīng)引用在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶5G終端模擬器的開(kāi)發(fā)中。
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作者信息:
李小文，江亞男，李 秀
（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）