文獻標識碼： 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)計與實現(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
第五代移動通信系統(tǒng)(5th-generation，5G)的演進已成為了一個全球熱門的研究話題。在2016年3月舉行的3GPP RAN第71次全體會議上，將“新無線電接入技術(shù)”用于非后向兼容無線接入技術(shù)的提案得到了通過[1]。在項目研究階段的主要工作是研究和評估潛在可用的無線接入技術(shù)，以滿足文獻[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[3]可知，相較于4G標準，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，滿足未來的5G多場景的應(yīng)用[5]。但對物理層與高層、物理層與硬件層的交互也提出了更高的要求，因此對物理層控制的設(shè)計顯得至關(guān)重要。
終端在交互數(shù)據(jù)前，物理層經(jīng)過了多個相互關(guān)聯(lián)的過程：獲取最大功率的頻點，選擇駐留小區(qū)，選擇最佳小區(qū)，建立上行同步。每個過程包含多個任務(wù)，其結(jié)果都是其后續(xù)過程工作的條件。很多過程中既包含時間觸發(fā)任務(wù)與事件觸發(fā)任務(wù)，因此任務(wù)沖突時有發(fā)生，任務(wù)的沖突會導(dǎo)致物理層混亂或死機。本文對傳統(tǒng)物理層控制結(jié)構(gòu)進行改進，設(shè)計物理層的狀態(tài)，建立基于狀態(tài)的任務(wù)執(zhí)行機制，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
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)議實現(xiàn)[6]。層二與層一在多核DSP上實現(xiàn)，核0主要承載PDCP、RLC和MAC等層二協(xié)議棧的實現(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，首先通過EDMA實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的搬移，然后通過SRIO將數(shù)據(jù)從DSP發(fā)送到FPGA上產(chǎn)生基帶信號，再通過發(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，首先射頻模塊將會從空口捕捉數(shù)據(jù)，再通過中頻轉(zhuǎn)換器將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，再進行下變頻變換生成基帶信號，接著由FPGA模塊進行濾波、降采樣處理、FFT變換、信道估計和信道均衡，再將處理好的數(shù)據(jù)通過SRIO接口傳給DSP進行處理。
2 物理層狀態(tài)的設(shè)計
終端在與基站交互數(shù)據(jù)前，物理層要經(jīng)過漫長、冗余而復(fù)雜的過程，首先對其進行簡要介紹。
2.1 終端物理層任務(wù)的簡要介紹
終端成功上電后，獲取最大功率的頻點是物理層的首要任務(wù)。不同頻率的信號源產(chǎn)生的信號由于發(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，終端將選擇駐留小區(qū)。最大功率頻點信號為多個小區(qū)信號源疊加，必須在該頻點上和其對應(yīng)的本地保存的小區(qū)列表進行下行同步，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，終端向基站請求隨機接入，成功接入后即完成上行同步實現(xiàn)終端與基站間的信息交互。
由此可見，物理層主要包括的5個過程既具有各自的目標和任務(wù)，又存在因果關(guān)聯(lián)。這些特點為設(shè)計基于過程的物理層狀態(tài)提供了條件。
2.2 終端物理層狀態(tài)的設(shè)計
以物理層的5個過程為基礎(chǔ)，建立物理層的5個狀態(tài)，分別為：空態(tài)、小區(qū)選擇態(tài)、空閑態(tài)、隨機接入態(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。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)計中詳細闡述。
2.2.1 空態(tài)（NULL）
圖3為物理層在NULL態(tài)的流程圖。進入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，進入關(guān)機狀態(tài)。在帶電狀態(tài)或初始上電時，終端根據(jù)保存的頻點列表，接收每個頻點對應(yīng)的空口數(shù)據(jù)，并計算其功率。選擇最大功率對應(yīng)的頻率為功率最強頻點。完成頻點選擇后，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。
物理層將最強功率頻點對應(yīng)的、存儲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]。將最強功率頻點的空口數(shù)據(jù)分別與PSS、SSS做滑動相關(guān)，得到同步小區(qū)的小區(qū)ID、時域同步點和頻域同步點，實現(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)下行時頻域同步點解出MIB。MIB包含進入同步小區(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，終端將進入IDLE態(tài)。
2.2.3 空閑態(tài)（IDLE）
IDLE態(tài)由監(jiān)聽期、測量期和休眠期構(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)聽期，SIB2~SIB5中的測量配置決定了測量期，除此之外的時期均為休眠期。終端進入IDLE態(tài)后，物理層處于休眠期。監(jiān)聽期到來時，物理層會監(jiān)聽尋呼消息，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，接收完成后進入休眠期；如沒有，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)，反之則進入休眠期。
測量期物理層通過測量鄰小區(qū)的RSRP判斷是否存在更優(yōu)的小區(qū)，如沒有，則進入休眠期；反之則確定更優(yōu)小區(qū)的頻點和小區(qū)ID，進入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SEL態(tài)在選擇更優(yōu)小區(qū)時也需要IDLE提供的頻點和小區(qū)ID；IDLE態(tài)還為ACC態(tài)提供了SSB信息。
2.2.4 隨機接入態(tài)（ACC）
通過隨機接入過程實現(xiàn)建立上行同步是終端正常工作的基礎(chǔ)。在隨機接入過程中，多個終端選擇相同的波束、前導(dǎo)索引和時頻域位置發(fā)送Message1(MSG1，下同)為競爭接入，此時需要基站選擇一個終端成功接入，實現(xiàn)上行同步。終端擁有專屬配置時為非競爭接入，終端和基站僅交互MSG1與MSG2便能成功接入。圖6所示是競爭接入情況下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)起隨機接入。因此，在競爭接入時，終端根據(jù)IDLE態(tài)測量的SSB的RSRP，選擇最優(yōu)的SSB確定發(fā)送MSG1的時域位置；在非競爭過程中，基站會在RRC重配消息中告訴終端專屬的波束及其對應(yīng)的時域位置等，終端據(jù)此生成前導(dǎo)碼發(fā)起接入。
MSG2為隨機接入響應(yīng)(Random Access Response，RAR)。終端發(fā)送MSG1后開始監(jiān)聽PDCCH，接收與RA-RNTI對應(yīng)的RAR，SIB1規(guī)定其監(jiān)聽時長。在監(jiān)聽時長內(nèi)，終端若沒收到MSG2，且沒達到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，獲取其隨機接入前導(dǎo)ID，并與本地的前導(dǎo)索引比較，不同則該RAR無效，重傳MSG1或躍遷至IDLE態(tài)；相同則該RAR有效，在MSG2指定的時頻位置上發(fā)送MSG3，MSG3主要內(nèi)容為核心網(wǎng)分配給終端的唯一標志。
在發(fā)送MSG3完成后，終端等待監(jiān)聽MSG4。終端若沒有收到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，則競爭接入成功，將跳入CON態(tài)進行數(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，由于沒有基站分配的時頻資源，成功接入的終端，不能通過PUSCH與基站交互數(shù)據(jù)，僅通過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)上傳請求的SR通過PUCCH發(fā)送給基站，并等待接收上行授權(quán)，若接收失敗，且沒到達SR最大重傳次數(shù)，則重發(fā)SR，否則進入ACC態(tài)重新進行隨機接入；若收到上行授權(quán)，終端利用得到的時頻資源在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或進入ACC態(tài)；若接收上行授權(quán)成功，則進行數(shù)據(jù)交互，交互完成進入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解出來的DCI1_0或DCI1_1解出PDSCH所占的時頻域位置，再解出PDSCH。若CRC校驗正確，接收數(shù)據(jù)成功；若CRC校驗失敗，則判斷上行同步定時器是否超時，超時則不回復(fù)NACK，否則將會給基站回復(fù)NACK。
3 物理層控制實現(xiàn)的設(shè)計
對于5G系統(tǒng)終端L1C的設(shè)計主要采用狀態(tài)機的方式進行實現(xiàn)。初始開機時處于NULL態(tài)，通過原語觸發(fā)向SEL態(tài)、IDLE態(tài)、ACC態(tài)和CON態(tài)進行躍遷。發(fā)送數(shù)據(jù)時先由高層將數(shù)據(jù)塊及配置發(fā)送給L1C，L1C調(diào)度物理信道進行處理，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA生成基帶信號，由射頻模塊進行發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時從射頻端接收到數(shù)據(jù)后到解CRC為止，如果正確，則將數(shù)據(jù)和DCI上報給高層；反之上報失敗指示，由高層決定是否要求基站重傳。
因此無論是發(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，其實現(xiàn)流程如下：
(1)讀取隊列中的原語，判斷其來自高層還是FPGA。
(2)若該原語來自高層：
①進行狀態(tài)匹配，即判斷該條原語是否屬于該狀態(tài)下應(yīng)該接收并處理的原語：若屬于，則繼續(xù)對該原語進行操作，反之直接丟棄該原語；
②向各個信道配置相關(guān)參數(shù)。在不同狀態(tài)下，高層會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，對相關(guān)的參數(shù)進行配置。
(3)若該原語來自FPGA：
①讀取數(shù)據(jù)中攜帶的子幀號與時隙號；
②調(diào)度相關(guān)的信道，例如PDCCH或PDSCH等，對接收到的數(shù)據(jù)進行譯碼[10-11]等處理；
③若CRC校驗成功，則將解出來的數(shù)據(jù)和相關(guān)DCI打包成原語發(fā)給高層；若CRC校驗失敗，則將失敗指示上傳給高層。
4 仿真實現(xiàn)與分析
本文為了驗證設(shè)計的合理性以及可實用性，搭建了仿真與實現(xiàn)的調(diào)測平臺，整個平臺主要包含矢量信號發(fā)生器、示波器、路測終端、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)的原語時，物理層拒絕接收該原語的異常情況示意圖。
終端接收信號通過偵測儀采集了數(shù)據(jù)后，經(jīng)過FPGA與DSP進行信道估計、信號檢測等過程后，判斷需要調(diào)度和配置的信道并進行處理，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，橫坐標為星座圖實部，縱坐標為虛部，星座點分布較為集中，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為信號檢測后的數(shù)據(jù)進行解PDSCH結(jié)果，從圖中可以看出最終CRC校驗標志置高，且解出該數(shù)據(jù)中包含的消息，說明信道估計與信號檢測模塊運行結(jié)果正確。
接下來需要物理層控制將解出所得的比特串組裝成原語發(fā)送給上層，并由上層進行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發(fā)送上去后，高層拆分原語能夠進行正確的解碼。
由此可見本文的設(shè)計是合理可行的，基于5G系統(tǒng)的終端可以完整地進行發(fā)送和接收的流程。
5 結(jié)論
本文通過對5G物理層現(xiàn)狀的分析，對傳統(tǒng)的高層原語直接驅(qū)動物理層動作的結(jié)構(gòu)提出了改進，設(shè)計物理層狀態(tài)，即NULL態(tài)、SEL態(tài)、IDLE態(tài)、ACC態(tài)和CON態(tài)，并劃分了每個狀態(tài)下的任務(wù)。物理層在接收原語命令時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的混亂，提高了物理層與高層之間的交互效率。每個任務(wù)都進行了詳細的原語設(shè)計，實現(xiàn)了物理層與高層的交互以及物理層對底層數(shù)據(jù)的接收，完成了物理層在各個狀態(tài)下對各個任務(wù)的調(diào)度。本設(shè)計已經(jīng)引用在增強型移動寬帶5G終端模擬器的開發(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）