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        Linux平臺的衛(wèi)星通信終端物理層控制軟件設(shè)計

        2018-01-15 06:18:12,
        關(guān)鍵詞:物理層基帶時隙

        ,

        (1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院,重慶 400065;2.中國科學院)

        引 言

        衛(wèi)星通信憑借自己獨特的優(yōu)勢,在一些領(lǐng)域有著不可替代的作用。在戰(zhàn)爭和重大自然災害中,當?shù)孛娣涓C系統(tǒng)遭到較大破壞時,衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可作為一種應(yīng)急通信手段[1]。汶川地震后,中國啟動了自主移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的立項論證,決心填補國家在衛(wèi)星移動通信領(lǐng)域的空白。在此背景下,我國第一代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)應(yīng)運而生[2]。

        為了給我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)進行推廣及應(yīng)用提供終端方面的幫助,本文參考GMR-1 3G標準,設(shè)計了一套終端物理層控制軟件,該軟件滿足對基帶芯片內(nèi)各模塊的控制以及與協(xié)議棧處理系統(tǒng)之間的交互控制需求,能夠結(jié)合儀表、協(xié)議棧以及終端射頻完成協(xié)議一致性測試,充分證實了該軟件的實用性和有效性。

        1 GMR-1 3G空口物理層簡介

        GMR-1 3G標準是由歐洲電信標準化研究所ETSI發(fā)布的可與地面3G核心網(wǎng)互連的靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范,是伴隨地面蜂窩標準演進的寬帶衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的一個重要標準[3]。

        1.1 GMR-1 3G系統(tǒng)物理資源

        GMR-1 3G標準的幀結(jié)構(gòu)和GMR-1 兼容,載波帶寬是31.25 kHz,一共有1 087個載頻,單載頻的符號速率為23.4 ksps。雖然GMR-1 3G標準是面向地面3G標準的,但其空中接口并沒有采用與地面3G系統(tǒng)相同的WCDMA/FDD體制,而是保留了在衛(wèi)星系統(tǒng)中成熟的TDMA/FDD體制[4]。以時分多址接入幀為單位,劃分為5個層次:超超幀(Hyperframe)、超幀(Superframe)、復幀(Multiframe)、幀(Frame)和時隙(Timeslot)[5]。每個時隙又稱為一個突發(fā)序列(Burst),系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

        1.2 信道類型及編碼調(diào)制方式

        衛(wèi)星無線接口定義了一系列邏輯信道,可分為兩大類:業(yè)務(wù)信道(TCH)和控制信道(CCH)。業(yè)務(wù)信道主要有TCH3、TCH6、TCH9,后面的數(shù)字表示每個突發(fā)所占時隙數(shù);控制信道主要有5時隙突發(fā)的FCCH、10時隙突發(fā)的BCCH、5時隙突發(fā)的BACH、10時隙突發(fā)的PCH、15時隙突發(fā)的RACH以及10時隙突發(fā)的AGCH[6-8]。

        表1 信道參數(shù)

        2 物理層控制軟件架構(gòu)

        基于GMR-1 3G的物理層控制軟件可用于終端基帶芯片物理層協(xié)議一致性測試和射頻一致性測試。為了充分合理地對基帶芯片資源進行調(diào)度,更好地完成協(xié)議一致性和射頻一致性測試,物理層控制軟件采用“C+匯編”的程序結(jié)構(gòu),其中C語言是軟件的主要設(shè)計語言,匯編語言主要用于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的時延和對L1C系統(tǒng)寄存器進行配置。整個物理層控制系統(tǒng)采用其中斷功能完成每個信道處理的調(diào)度過程,各層信令間通過API機制進行交互。為滿足控制系統(tǒng)對實時性的要求,該軟件采用的處理器為OpenRisc。

        2.1 軟件設(shè)計思路

        本軟件的設(shè)計思路基于協(xié)議的物理層功能,通過分析物理層功能建立物理層狀態(tài)機,物理層控制是按照狀態(tài)對物理層進行任務(wù)的調(diào)度,所以按照終端從開機到呼叫結(jié)束的通信流程,把物理層劃分為8個狀態(tài):NULL(設(shè)備掉電狀態(tài))、INIT(設(shè)備初始化狀態(tài))、CONFIG(MAC層對物理層進行基本配置狀態(tài))、READY(基本配置完成,MAC啟動PHY進入正常數(shù)據(jù)接收狀態(tài))、SEARCH BCH(物理層監(jiān)聽BCCH/CCCH)、BCH(物理層監(jiān)聽某頻點BCCH/CCCH,準備好隨機接入過程)、TUNING DCH(物理層捕獲專有信道),以及DCH(物理層已經(jīng)獲得專有信道,可以進行邏輯信道建立和數(shù)據(jù)傳輸)[9-10]。各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖2所示。

        圖2 物理層狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

        2.2 軟件系統(tǒng)組成及其主要功能

        圖3描述了物理層控制軟件功能結(jié)構(gòu),分為下行接收鏈路和上行發(fā)送鏈路。該功能結(jié)構(gòu)由5個模塊組成:①軟件狀態(tài)匹配模塊,主要完成物理層狀態(tài)的選擇,物理層控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)進行跳轉(zhuǎn),進入相應(yīng)狀態(tài)下的任務(wù)處理函數(shù)[11];②原語解析模塊,主要解決高層給物理層的數(shù)據(jù)傳遞問題,每一條原語都有原語頭,物理層控制通過讀取原語頭部確定高層發(fā)給物理層的原語是對應(yīng)哪一條[11],通過在內(nèi)存中開辟空間創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體,將原語中的參數(shù)插入到結(jié)構(gòu)體中,然后把數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)體搬到全局變量中;③配置射頻收/發(fā)數(shù)據(jù)模塊,物理層控制軟件通過配置射頻模塊的相關(guān)寄存器,設(shè)置收發(fā)數(shù)據(jù)的幀號、時隙號、接收/發(fā)送增益等參數(shù)來控制射頻模塊的收發(fā)任務(wù),其中TBU單元提供發(fā)送計數(shù)器和接收計數(shù)器給外部模塊,提供固定的時隙、幀、多幀、系統(tǒng)幀計數(shù)及中斷;④L1C與

        IRX_ASIP/TX_ASIP交互模塊,從射頻接口傳送過來的數(shù)據(jù)通過DMA方式傳給內(nèi)置接收機做相關(guān)的數(shù)據(jù)處理,該模塊負責配置DMA地址、待處理數(shù)據(jù)的長度等相關(guān)參數(shù),為了避免數(shù)據(jù)覆蓋,采用“乒乓”的存儲方式;⑤調(diào)用加速器模塊,通過L1C調(diào)用ORX對數(shù)據(jù)進行Turbo譯碼(或Viterbi譯碼)和CRC校驗處理。

        圖3 物理層控制軟件設(shè)計方案圖

        3 物理層控制軟件工作流程

        基于板上測試環(huán)境,以小區(qū)搜索為例,軟件的工作流程(見圖4)如下:

        ① L1C軟件開始從main文件執(zhí)行,main文件中主要是狀態(tài)匹配函數(shù)、物理層初始化、物理層配置函數(shù),主要實現(xiàn)搭建物理層狀態(tài)機的框架,初始化全局變量,配置NAND Flash、射頻芯片的初始帶寬、收發(fā)增益、收發(fā)頻點等功能。

        ② 初始化和配置工作完成后,MAC層下發(fā)FCCH搜索請求,物理層接收到上層下發(fā)的FCCH搜索請求后,在消息解析函數(shù)中將狀態(tài)機的狀態(tài)置為STATUE_FCCH_SEARCH,執(zhí)行主函數(shù)的小區(qū)搜索函數(shù),在這里配置RFIU任務(wù),首次配置任務(wù)時,一次配置兩次,因為接收天線開啟后,空口在不停地接收數(shù)據(jù),在將數(shù)據(jù)傳送給下一個處理單元的時間期內(nèi),空口也在接收數(shù)據(jù),這時原來buffer的數(shù)據(jù)也許還沒有傳送完,所以要開兩個buffer,pingpang地去處理,之后的配置只需一次配置一個任務(wù)。

        ③ 射頻芯片對數(shù)據(jù)完成A/D采樣和濾波后,從射頻口傳送給基帶芯片,此時會發(fā)送RFIU中斷給L1C,L1C再去配置DSP,寫命令給DSP對接收的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理,等待DSP啟動。

        ④ IRX_ASIP對接收到的FCCH數(shù)據(jù)做完處理后,IRX_ASIP會通過中斷控制模塊給L1C發(fā)送中斷,L1C根據(jù)中斷攜帶的API tag進入對應(yīng)的處理函數(shù)中。對于FCCH搜索,L1C根據(jù)DSP反饋的參數(shù)判斷是否收到FCCH信道,若沒有,繼續(xù)配置射頻任務(wù)去搜,然后將射頻收到的數(shù)據(jù)交給DSP做相應(yīng)的處理,這里會判斷如果搜索FCCH的次數(shù)超過設(shè)定的閾值,就調(diào)整接收增益去搜索,將接收增益調(diào)整為最小值去搜,若仍然沒搜到,則換頻點搜索。反之,若解調(diào)出來有FCCH信息,則根據(jù)時頻信息做初始的時頻同步,暫時關(guān)掉射頻。配置下一個接收任務(wù),即配置BCCH信道的接收任務(wù),同時將狀態(tài)機的狀態(tài)置為STATUE_BCCH_CAMPING。

        4 功能測試

        由于所開發(fā)的終端物理層控制軟件主要實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制基帶芯片多個處理單元之間的工作,以及基帶處理系統(tǒng)與協(xié)議棧處理系統(tǒng)之間、基帶處理系統(tǒng)與射頻系統(tǒng)之間的交互,進而能聯(lián)合衛(wèi)星終端綜測儀完成基帶芯片的協(xié)議一致性測試和終端聯(lián)測,因此軟件的測試標準為是否能實現(xiàn)物理層信道實時收發(fā)功能。該軟件是基于特定的硬件平臺——DX-S301基帶芯片環(huán)境和特定的協(xié)議,所以目前沒有通用的仿真平臺,只能直接板上驗證測試。

        圖5是根據(jù)實物測試環(huán)境描繪出的簡圖。儀表產(chǎn)生的信道數(shù)據(jù)塊通過射頻線傳輸至通信模塊(Communication Process Module),基帶板上三個COM口分別用來傳輸終端AT指令、查看終端物理層log信息、查看終端協(xié)議棧log信息。PC機的用途有:通過網(wǎng)線連接PC機與協(xié)議分析儀,發(fā)起對儀表的遠程可視化界面操作,使用特定的Test Manager軟件管理所有測試例;利用DS-5中對應(yīng)的編譯器對終端物理層和協(xié)議棧代碼進行編譯,形成axf文件,借助于DSTREAM仿真器將程序加載到NAND Flash。表2給出了部分測試例的測試情況。

        圖4 物理層控制軟件工作流圖

        圖5 測試環(huán)境簡圖

        測試例所涉及的信道類型終端AT指令操作測試時長時頻校正(CS)FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH/PDCH開機/附著/去附著/關(guān)機2m41s576msMES能力查詢正常流程FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH8開機/撥號/關(guān)機2m20s373msMES能力查詢異常流程FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH8開機/撥號/關(guān)機2m3s367msMES等待RRCCONNECTIONSETUP消息T300超時重傳FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH開機/關(guān)機2m24s248msMES發(fā)起的PDP上下文激活FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH/PDCH開機/附著/PDP激活/去附著/關(guān)機4m20s137ms

        測試的方式是按照終端基本的通信流程來進行:收FCCH信道—調(diào)整時頻偏—正確收取BCCH廣播信道—發(fā)起隨機接入—入網(wǎng)—進行業(yè)務(wù)傳輸,通過對射頻模塊相關(guān)寄存器的配置實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的實時性。測試結(jié)果表明,該物理層控制軟件能實現(xiàn)調(diào)度基帶芯片模塊對信道進行相關(guān)的處理以及與MAC層交互的功能,從而保證終端通信流程的正常進行。測試時長說明L1C軟件能夠?qū)崟r地配合協(xié)議棧完成測試,成功地在規(guī)定時間內(nèi)完成通信流程。

        結(jié) 語

        [1] 程宇新,羅常青,吳建軍.新一代GEO衛(wèi)星移動通信新標準GMR-13G簡介[C]//第六屆衛(wèi)星通信新業(yè)務(wù)新技術(shù)學術(shù)年會.中國:北京,2010.

        [2] 王京,趙明,晏堅.關(guān)于發(fā)展衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的一些思考[C]//第六屆衛(wèi)星通信新業(yè)務(wù)新技術(shù)學術(shù)年會.中國:北京,2010.

        [3] 朱哲,周潔,劉洋,等.基于GMR-1的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)模擬信關(guān)站物理層軟件的實現(xiàn)[J].高技術(shù)通訊,2015(2):135-142.

        [4] GEO-Wobile Radio Interface Specifications(Release 3);Third Generation Satellite Packet RadioService,Part l:General specifications,Sub-part 2:Introduction to the GMR-1 family,ETSI TSl01376-1-2,v3.1.1,2009-07.

        [5] GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3;Third Generation Satellite Packet Radio Service;Part 5: Radio interface physical layer specifications;Sub-part 1: Physical Layer on the Radio Path:General Description;GMR-1 3G45.001 ETSI TS 101 376-5-1 V3.3.1 (2012-12).

        [6] GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3);Third Generation Satellite Packet Radio Service;Part 5: Radio interface physical layer specifications;Sub-part 2:Multiplexing and Multiple Access;Stage 2 Service Description;GMR-1 3G 45.002 ETSI TS 101 376-5-2 V3.3.1 (2012-12).

        [7] GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3);Third Generation Satellite Packet Radio Service;Part 5:Radio interface physical layer specifications;Sub-part 3:Channel Coding;GMR-1 3G 45.003 ETSI TS 101 376-5-3 V3.3.1 (2012-12).

        [8] GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3);Third Generation Satellite Packet Radio Service;Part 5:Radio interface physical layer specifications;Sub-part 4: Modulation;GMR-1 3G 45.004 ETSI TS 101 376-5-4 V3.3.1 (2012-12).

        [9] GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3);Third Generation Satellite Packet Radio Service;Part 5:Radio interface physical layer specifications;Sub-part 5:Radio Transmission and Reception;GMR-1 3G 45.005 ETSI TS 101 376-5-5 V3.4.1 (2015-10).

        [10] GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3);Third Generation Satellite Packet Radio Service;Part 5: Radio interface physical layer specifications;Sub-part 6:Radio Subsystem Link Control;GMR-1 3G 45.008 ETSI TS 101 376-5-6 V3.4.1 (2015-10).

        [11] 雷文,何登平.TD-LTE系統(tǒng)終端物理層控制的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2014,22(1):88-90,99.

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