《电子技术应用》
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5G系统终端物理层控制的设计与实现
2019年电子技术应用第4期
李小文,江亚男,李 秀
重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆400065
摘要: 随着5G系统终端物理层处理任务的增加,物理层与高层和底层的交互也大量增加,在原语触发任务的机制下,交互原语混乱导致任务冲突的情况也愈发严重。为了提高交互效率,增强系统的鲁棒性,按照终端开机流程将物理层分为了空态、小区选择态、空闲态、随机接入态和连接态,并设计各状态下物理层任务,通过物理层控制实现对状态及任务的调度,完成与高层和底层的交互,实现终端与基站的正常通信。在5G的TDD制式、80 MHz带宽、子载波间隔为30 kHz等参数配置下,终端物理层可以完成正确的解调或译码,同时能够判断出异常情况并且拒绝处理。
中图分类号: TN929.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183310
中文引用格式: 李小文,江亚男,李秀. 5G系统终端物理层控制的设计与实现[J].电子技术应用,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.
The implementation and design of physical layer control for user equipment in 5G
Li Xiaowen,Jiang Yanan,Li Xiu
School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Post an Telecommunication,Chongqing 400065,China
Abstract: With more tasks physical layer needs to handle in 5G, the interaction between the physical layer and the high layer and the under layer is greatly increased. The confusing instruction causes the task conflicted becoming more serious based on the instruction triggering task mechanism. In order to improve the interaction efficiency and robustness of the system, the physical layer is divided into the null state, the cell selection state, the idle state, the random access state and the connected state according to the boot process of the equipment, and their physical layer tasks are designed in each state. Physical layer controls the physical layer status and tasks to realize interaction between the high layer and the under layer,so as to realize communication between the terminal and the base station. The physical layer of the terminal can demodulate or decode correctly under the parameter configuration of 5G TDD, bandwidth of 80 MHz, and subcarrier spacing of 30 kHz and refuse processing under the abnormal conditions.
Key words : 5G;physical layer;state;control;process

0 引言

    第五代移动通信系统(5th-generation,5G)的演进已成为了一个全球热门的研究话题。在2016年3月举行的3GPP RAN第71次全体会议上,将“新无线电接入技术”用于非后向兼容无线接入技术的提案得到了通过[1]。在项目研究阶段的主要工作是研究和评估潜在可用的无线接入技术,以满足文献[2]中定义的关键5G要求和部署方案。从3GPP的协议以及文献[3]可知,相较于4G标准,5G在物理层上做了许多重大的变化,例如:规定了更灵活的帧结构[4],提高了5G系统中的传输速率,满足未来的5G多场景的应用[5]。但对物理层与高层、物理层与硬件层的交互也提出了更高的要求,因此对物理层控制的设计显得至关重要。

    终端在交互数据前,物理层经过了多个相互关联的过程:获取最大功率的频点,选择驻留小区,选择最佳小区,建立上行同步。每个过程包含多个任务,其结果都是其后续过程工作的条件。很多过程中既包含时间触发任务与事件触发任务,因此任务冲突时有发生,任务的冲突会导致物理层混乱或死机。本文对传统物理层控制结构进行改进,设计物理层的状态,建立基于状态的任务执行机制,物理层只执行状态下相应的命令,从而有效地避免了矛盾指令导致的物理层混乱。

1 终端系统硬件设计

    终端主要由四部分组成:x86模块、DSP模块、FPGA模块和射频模块,如图1所示。x86模块用于处理5G终端系统中的层三协议栈,包括RRC层和NAS层的协议实现[6]。层二与层一在多核DSP上实现,核0主要承载PDCP、RLC和MAC等层二协议栈的实现[7]。核1承载物理层部分,包括物理信道的编码、译码、加扰、解扰等过程,以及与核0的交互的相关模块、与FPGA交互的EDMA模块及SRIO接口。当终端需要发送数据时,首先通过EDMA实现对数据的搬移,然后通过SRIO将数据从DSP发送到FPGA上产生基带信号,再通过发送模块把数据发给中频;当终端需要接收数据时,首先射频模块将会从空口捕捉数据,再通过中频转换器将射频信号转换为中频信号,再进行下变频变换生成基带信号,接着由FPGA模块进行滤波、降采样处理、FFT变换、信道估计和信道均衡,再将处理好的数据通过SRIO接口传给DSP进行处理。

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2 物理层状态的设计

    终端在与基站交互数据前,物理层要经过漫长、冗余而复杂的过程,首先对其进行简要介绍。

2.1 终端物理层任务的简要介绍

    终端成功上电后,获取最大功率的频点是物理层的首要任务。不同频率的信号源产生的信号由于发送距离、传输路径损耗等差异,终端接收的功率不同。因此获得具有最大信号功率的频率是确保终端和基站可靠交换数据的基础和关键。

    根据最大功率的频点,终端将选择驻留小区。最大功率频点信号为多个小区信号源叠加,必须在该频点上和其对应的本地保存的小区列表进行下行同步,选择同步小区,并获取同步小区系统消息,提取小区的驻留条件,选择驻留小区。

    根据驻留小区,确定最佳小区。驻留小区的确定为接收下行信息提供了条件,而最佳小区是保证高质量通信的关键。驻留小区仅为本地保存的小区列表中的最佳小区,确定驻留小区后,终端将根据系统消息提取驻留小区的邻小区信息,在当前驻留小区及其邻小区中,选择RSRP最强小区最为最佳小区,并重新驻留。

    确定最佳驻留小区后,终端向基站请求随机接入,成功接入后即完成上行同步实现终端与基站间的信息交互。

    由此可见,物理层主要包括的5个过程既具有各自的目标和任务,又存在因果关联。这些特点为设计基于过程的物理层状态提供了条件。

2.2 终端物理层状态的设计

    以物理层的5个过程为基础,建立物理层的5个状态,分别为:空态、小区选择态、空闲态、随机接入态和连接态,物理层状态及其状态间的转移构成物理层状态机。状态之间的跃迁关系如图2所示,其跃迁条件在状态设计中详细阐述。

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2.2.1 空态(NULL)

    图3为物理层在NULL态的流程图。进入NULL后,终端判断自己是否处于掉电状态,如果掉电,终端将跳出NULL,进入关机状态。在带电状态或初始上电时,终端根据保存的频点列表,接收每个频点对应的空口数据,并计算其功率。选择最大功率对应的频率为功率最强频点。完成频点选择后,终端将跳转至SEL态。

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2.2.2 小区选择态(SEL)

    小区选择态的主要任务就是确定驻留小区,并获取驻留小区的邻小区的相关信息。图4所示为物理层在SEL态的流程图。

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    物理层将最强功率频点对应的、存储于本地列表中的小区确定为候选小区,生成候选小区的PSS和SSS[8]。将最强功率频点的空口数据分别与PSS、SSS做滑动相关,得到同步小区的小区ID、时域同步点和频域同步点,实现了下行同步。

    在5G中,PBCH与PSS、SSS均位于SSB中[4], PBCH上承载了MIB,终端根据下行时频域同步点解出MIB。MIB包含进入同步小区的驻留必要条件,如同步小区是否支持申请终端的业务、能否接收到SIB1等,如不满足驻留必要条件,则要重新选择同步小区。SIB1提供了其他系统消息的调度参数、寻呼的配置参数等。根据SIB1,终端可以接收SIB2~SIB9,以获取驻留小区的邻小区信息,为获取最佳小区提供条件。完成上述工作后,终端将进入IDLE态。

2.2.3 空闲态(IDLE)

    IDLE态由监听期、测量期和休眠期构成,其流程图如图5所示。在IDLE态中,SIB1中的寻呼配置决定了监听期,SIB2~SIB5中的测量配置决定了测量期,除此之外的时期均为休眠期。终端进入IDLE态后,物理层处于休眠期。监听期到来时,物理层会监听寻呼消息,首先判断系统消息是否改变,如有,则重新接收系统消息,接收完成后进入休眠期;如没有,则判断是否存在被叫消息,如存在则从IDLE态跃迁至ACC态,反之则进入休眠期。

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    测量期物理层通过测量邻小区的RSRP判断是否存在更优的小区,如没有,则进入休眠期;反之则确定更优小区的频点和小区ID,进入SEL态。因此,IDLE态需要SEL态提供的驻留小区和邻小区的相关信息,同时SEL态在选择更优小区时也需要IDLE提供的频点和小区ID;IDLE态还为ACC态提供了SSB信息。

2.2.4 随机接入态(ACC)

    通过随机接入过程实现建立上行同步是终端正常工作的基础。在随机接入过程中,多个终端选择相同的波束、前导索引和时频域位置发送Message1(MSG1,下同)为竞争接入,此时需要基站选择一个终端成功接入,实现上行同步。终端拥有专属配置时为非竞争接入,终端和基站仅交互MSG1与MSG2便能成功接入。图6所示是竞争接入情况下ACC态的流程图。

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    MSG1发送基于ZC序列的前导码。5G系统中,基站发送多个具有不同波束方向的SSB[9],只有在波束覆盖的区域,终端才可能发起随机接入。因此,在竞争接入时,终端根据IDLE态测量的SSB的RSRP,选择最优的SSB确定发送MSG1的时域位置;在非竞争过程中,基站会在RRC重配消息中告诉终端专属的波束及其对应的时域位置等,终端据此生成前导码发起接入。

    MSG2为随机接入响应(Random Access Response,RAR)。终端发送MSG1后开始监听PDCCH,接收与RA-RNTI对应的RAR,SIB1规定其监听时长。在监听时长内,终端若没收到MSG2,且没达到MSG1最大重传次数,则重传MSG1;反之物理层跃迁至IDLE态。收到MSG2,解析RAR,获取其随机接入前导ID,并与本地的前导索引比较,不同则该RAR无效,重传MSG1或跃迁至IDLE态;相同则该RAR有效,在MSG2指定的时频位置上发送MSG3,MSG3主要内容为核心网分配给终端的唯一标志。

    在发送MSG3完成后,终端等待监听MSG4。终端若没有收到MSG4,或收到MSG4但解析后得到的到UE_ID与本地UE_ID匹配失败,则重传MSG1或跃迁至IDLE态;若匹配成功,则竞争接入成功,将跳入CON态进行数据的收发。

2.2.5 连接态(CON)

    CON态中主要包括上行数据的发送与下行数据的接收。

    初始接入时,由于没有基站分配的时频资源,成功接入的终端,不能通过PUSCH与基站交互数据,仅通过PUCCH发送极少量的数据。因此终端首先将仅包含数据上传请求的SR通过PUCCH发送给基站,并等待接收上行授权,若接收失败,且没到达SR最大重传次数,则重发SR,否则进入ACC态重新进行随机接入;若收到上行授权,终端利用得到的时频资源在PUSCH上发送BSR并再次等待上行授权,BSR中主要承载了需要传输的用户数据的大小。若接收上行授权失败,则重发SR或进入ACC态;若接收上行授权成功,则进行数据交互,交互完成进入IDLE态的休眠期。CON态中上行数据发送流程图如图7所示。

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    对于下行数据接收而言,由于5G系统中已经取消了PHICH和PCFICH信道,因此终端首先盲检PDCCH,根据PDCCH解出来的DCI1_0或DCI1_1解出PDSCH所占的时频域位置,再解出PDSCH。若CRC校验正确,接收数据成功;若CRC校验失败,则判断上行同步定时器是否超时,超时则不回复NACK,否则将会给基站回复NACK。

3 物理层控制实现的设计

    对于5G系统终端L1C的设计主要采用状态机的方式进行实现。初始开机时处于NULL态,通过原语触发向SEL态、IDLE态、ACC态和CON态进行跃迁。发送数据时先由高层将数据块及配置发送给L1C,L1C调度物理信道进行处理,再将数据发送给FPGA生成基带信号,由射频模块进行发送。接收数据时从射频端接收到数据后到解CRC为止,如果正确,则将数据和DCI上报给高层;反之上报失败指示,由高层决定是否要求基站重传。

    因此无论是发送数据还是接收数据,L1C都起着举足轻重的作用,其实现流程如下:

    (1)读取队列中的原语,判断其来自高层还是FPGA。

    (2)若该原语来自高层:

    ①进行状态匹配,即判断该条原语是否属于该状态下应该接收并处理的原语:若属于,则继续对该原语进行操作,反之直接丢弃该原语;

    ②向各个信道配置相关参数。在不同状态下,高层会向物理层配置不同参数,物理层控制需要在调度相关信道时,对相关的参数进行配置。

    (3)若该原语来自FPGA:

    ①读取数据中携带的子帧号与时隙号;

    ②调度相关的信道,例如PDCCH或PDSCH等,对接收到的数据进行译码[10-11]等处理;

    ③若CRC校验成功,则将解出来的数据和相关DCI打包成原语发给高层;若CRC校验失败,则将失败指示上传给高层。

4 仿真实现与分析

    本文为了验证设计的合理性以及可实用性,搭建了仿真与实现的调测平台,整个平台主要包含矢量信号发生器、示波器、路测终端、FPGA、DSP、PC。其参数配置如表1所示。

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    图8~图11为物理层控制与高层和底层联调的图片。图8为高层下发了非该状态的原语时,物理层拒绝接收该原语的异常情况示意图。

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    终端接收信号通过侦测仪采集了数据后,经过FPGA与DSP进行信道估计、信号检测等过程后,判断需要调度和配置的信道并进行处理,例如解广播信道相关数据则需要调度PBCH,解其他数据则需要调度PDCCH或PDSCH的接收模块进行处理。图9为解资源映射后各下行物理信道数据的星座图,横坐标为星座图实部,纵坐标为虚部,星座点分布较为集中,可初步判定该数据满足后续信道处理要求。

    从星座图可以初步判定该数据满足后续信道处理要求,图10为信号检测后的数据进行解PDSCH结果,从图中可以看出最终CRC校验标志置高,且解出该数据中包含的消息,说明信道估计与信号检测模块运行结果正确。

    接下来需要物理层控制将解出所得的比特串组装成原语发送给上层,并由上层进行ASN.1译码。图11为MIB消息,可以看到当物理层控制组装成原语发送上去后,高层拆分原语能够进行正确的解码。

    由此可见本文的设计是合理可行的,基于5G系统的终端可以完整地进行发送和接收的流程。

5 结论

    本文通过对5G物理层现状的分析,对传统的高层原语直接驱动物理层动作的结构提出了改进,设计物理层状态,即NULL态、SEL态、IDLE态、ACC态和CON态,并划分了每个状态下的任务。物理层在接收原语命令时先判断是否属于该状态下的任务,再执行相应的操作,避免了物理层接收原语的混乱,提高了物理层与高层之间的交互效率。每个任务都进行了详细的原语设计,实现了物理层与高层的交互以及物理层对底层数据的接收,完成了物理层在各个状态下对各个任务的调度。本设计已经引用在增强型移动宽带5G终端模拟器的开发中。

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作者信息:

李小文,江亚男,李  秀

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆400065)

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