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

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

引 言

衛(wèi)星通信憑借自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在一些領(lǐng)域有著不可替代的作用。在戰(zhàn)爭(zhēng)和重大自然災(zāi)害中，當(dāng)?shù)孛娣涓C系統(tǒng)遭到較大破壞時(shí)，衛(wèi)星移動(dòng)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(guó)啟動(dòng)了自主移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)的立項(xiàng)論證，決心填補(bǔ)國(guó)家在衛(wèi)星移動(dòng)通信領(lǐng)域的空白。在此背景下，我國(guó)第一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

為了給我國(guó)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行推廣及應(yīng)用提供終端方面的幫助，本文參考GMR-1 3G標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一套終端物理層控制軟件，該軟件滿(mǎn)足對(duì)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(cè)試，充分證實(shí)了該軟件的實(shí)用性和有效性。

1 GMR-1 3G空口物理層簡(jiǎn)介

GMR-1 3G標(biāo)準(zhǔn)是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，是伴隨地面蜂窩標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[3]。

1.1 GMR-1 3G系統(tǒng)物理資源

GMR-1 3G標(biāo)準(zhǔn)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(gè)載頻，單載頻的符號(hào)速率為23.4 ksps。雖然GMR-1 3G標(biāo)準(zhǔn)是面向地面3G標(biāo)準(zhǔn)的，但其空中接口并沒(méi)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(shí)分多址接入幀為單位，劃分為5個(gè)層次：超超幀(Hyperframe)、超幀(Superframe)、復(fù)幀(Multiframe)、幀(Frame)和時(shí)隙(Timeslot)[5]。每個(gè)時(shí)隙又稱(chēng)為一個(gè)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(lèi)型及編碼調(diào)制方式

衛(wèi)星無(wú)線接口定義了一系列邏輯信道，可分為兩大類(lèi)：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(gè)突發(fā)所占時(shí)隙數(shù)；控制信道主要有5時(shí)隙突發(fā)的FCCH、10時(shí)隙突發(fā)的BCCH、5時(shí)隙突發(fā)的BACH、10時(shí)隙突發(fā)的PCH、15時(shí)隙突發(fā)的RACH以及10時(shí)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(cè)試和射頻一致性測(cè)試。為了充分合理地對(duì)基帶芯片資源進(jìn)行調(diào)度，更好地完成協(xié)議一致性和射頻一致性測(cè)試，物理層控制軟件采用“C+匯編”的程序結(jié)構(gòu)，其中C語(yǔ)言是軟件的主要設(shè)計(jì)語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言主要用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的時(shí)延和對(duì)L1C系統(tǒng)寄存器進(jìn)行配置。整個(gè)物理層控制系統(tǒng)采用其中斷功能完成每個(gè)信道處理的調(diào)度過(guò)程，各層信令間通過(guò)API機(jī)制進(jìn)行交互。為滿(mǎn)足控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，該軟件采用的處理器為OpenRisc。

2.1 軟件設(shè)計(jì)思路

本軟件的設(shè)計(jì)思路基于協(xié)議的物理層功能，通過(guò)分析物理層功能建立物理層狀態(tài)機(jī)，物理層控制是按照狀態(tài)對(duì)物理層進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，所以按照終端從開(kāi)機(jī)到呼叫結(jié)束的通信流程，把物理層劃分為8個(gè)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(duì)物理層進(jìn)行基本配置狀態(tài))、READY(基本配置完成，MAC啟動(dòng)PHY進(jìn)入正常數(shù)據(jù)接收狀態(tài))、SEARCH BCH(物理層監(jiān)聽(tīng)BCCH/CCCH)、BCH(物理層監(jiān)聽(tīng)某頻點(diǎn)BCCH/CCCH，準(zhǔn)備好隨機(jī)接入過(guò)程)、TUNING DCH(物理層捕獲專(zhuān)有信道)，以及DCH(物理層已經(jīng)獲得專(zhuān)有信道，可以進(jìn)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(gè)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(jìn)行跳轉(zhuǎn)，進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)下的任務(wù)處理函數(shù)[11]；②原語(yǔ)解析模塊，主要解決高層給物理層的數(shù)據(jù)傳遞問(wèn)題，每一條原語(yǔ)都有原語(yǔ)頭，物理層控制通過(guò)讀取原語(yǔ)頭部確定高層發(fā)給物理層的原語(yǔ)是對(duì)應(yīng)哪一條[11]，通過(guò)在內(nèi)存中開(kāi)辟空間創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體，將原語(yǔ)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(guò)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(hào)、時(shí)隙號(hào)、接收/發(fā)送增益等參數(shù)來(lái)控制射頻模塊的收發(fā)任務(wù)，其中TBU單元提供發(fā)送計(jì)數(shù)器和接收計(jì)數(shù)器給外部模塊，提供固定的時(shí)隙、幀、多幀、系統(tǒng)幀計(jì)數(shù)及中斷；④L1C與

IRX_ASIP/TX_ASIP交互模塊，從射頻接口傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA方式傳給內(nèi)置接收機(jī)做相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，該模塊負(fù)責(zé)配置DMA地址、待處理數(shù)據(jù)的長(zhǎng)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(chǔ)方式；⑤調(diào)用加速器模塊，通過(guò)L1C調(diào)用ORX對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Turbo譯碼(或Viterbi譯碼)和CRC校驗(yàn)處理。

圖3 物理層控制軟件設(shè)計(jì)方案圖

3 物理層控制軟件工作流程

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

① L1C軟件開(kāi)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(shí)現(xiàn)搭建物理層狀態(tài)機(jī)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(diǎn)等功能。

② 初始化和配置工作完成后，MAC層下發(fā)FCCH搜索請(qǐng)求，物理層接收到上層下發(fā)的FCCH搜索請(qǐng)求后，在消息解析函數(shù)中將狀態(tài)機(jī)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(shí)，一次配置兩次，因?yàn)榻邮仗炀€開(kāi)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(gè)處理單元的時(shí)間期內(nèi)，空口也在接收數(shù)據(jù)，這時(shí)原來(lái)buffer的數(shù)據(jù)也許還沒(méi)有傳送完，所以要開(kāi)兩個(gè)buffer，pingpang地去處理，之后的配置只需一次配置一個(gè)任務(wù)。

③ 射頻芯片對(duì)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(shí)會(huì)發(fā)送RFIU中斷給L1C，L1C再去配置DSP，寫(xiě)命令給DSP對(duì)接收的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理，等待DSP啟動(dòng)。

④ IRX_ASIP對(duì)接收到的FCCH數(shù)據(jù)做完處理后，IRX_ASIP會(huì)通過(guò)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(jìn)入對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)中。對(duì)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(méi)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(huì)判斷如果搜索FCCH的次數(shù)超過(guò)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(méi)搜到，則換頻點(diǎn)搜索。反之，若解調(diào)出來(lái)有FCCH信息，則根據(jù)時(shí)頻信息做初始的時(shí)頻同步，暫時(shí)關(guān)掉射頻。配置下一個(gè)接收任務(wù)，即配置BCCH信道的接收任務(wù)，同時(shí)將狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)置為STATUE_BCCH_CAMPING。

4 功能測(cè)試

由于所開(kāi)發(fā)的終端物理層控制軟件主要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制基帶芯片多個(gè)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(jìn)而能聯(lián)合衛(wèi)星終端綜測(cè)儀完成基帶芯片的協(xié)議一致性測(cè)試和終端聯(lián)測(cè)，因此軟件的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為是否能實(shí)現(xiàn)物理層信道實(shí)時(shí)收發(fā)功能。該軟件是基于特定的硬件平臺(tái)——DX-S301基帶芯片環(huán)境和特定的協(xié)議，所以目前沒(méi)有通用的仿真平臺(tái)，只能直接板上驗(yàn)證測(cè)試。

圖5是根據(jù)實(shí)物測(cè)試環(huán)境描繪出的簡(jiǎn)圖。儀表產(chǎn)生的信道數(shù)據(jù)塊通過(guò)射頻線傳輸至通信模塊(Communication Process Module)，基帶板上三個(gè)COM口分別用來(lái)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(jī)的用途有：通過(guò)網(wǎng)線連接PC機(jī)與協(xié)議分析儀，發(fā)起對(duì)儀表的遠(yuǎn)程可視化界面操作，使用特定的Test Manager軟件管理所有測(cè)試?yán)?；利用DS-5中對(duì)應(yīng)的編譯器對(duì)終端物理層和協(xié)議棧代碼進(jìn)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(cè)試?yán)臏y(cè)試情況。

圖4 物理層控制軟件工作流圖

圖5 測(cè)試環(huán)境簡(jiǎn)圖

測(cè)試?yán)婕暗男诺李?lèi)型終端AT指令操作測(cè)試時(shí)長(zhǎng)時(shí)頻校正(CS)FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH/PDCH開(kāi)機(jī)/附著/去附著/關(guān)機(jī)2m41s576msMES能力查詢(xún)正常流程FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH8開(kāi)機(jī)/撥號(hào)/關(guān)機(jī)2m20s373msMES能力查詢(xún)異常流程FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH8開(kāi)機(jī)/撥號(hào)/關(guān)機(jī)2m3s367msMES等待RRCCONNECTIONSETUP消息T300超時(shí)重傳FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)2m24s248msMES發(fā)起的PDP上下文激活FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH/PDCH開(kāi)機(jī)/附著/PDP激活/去附著/關(guān)機(jī)4m20s137ms

測(cè)試的方式是按照終端基本的通信流程來(lái)進(jìn)行：收FCCH信道—調(diào)整時(shí)頻偏—正確收取BCCH廣播信道—發(fā)起隨機(jī)接入—入網(wǎng)—進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，通過(guò)對(duì)射頻模塊相關(guān)寄存器的配置實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。測(cè)試結(jié)果表明，該物理層控制軟件能實(shí)現(xiàn)調(diào)度基帶芯片模塊對(duì)信道進(jìn)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(jìn)行。測(cè)試時(shí)長(zhǎng)說(shuō)明L1C軟件能夠?qū)崟r(shí)地配合協(xié)議棧完成測(cè)試，成功地在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成通信流程。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 程宇新,羅常青,吳建軍.新一代GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信新標(biāo)準(zhǔn)GMR-13G簡(jiǎn)介[C]//第六屆衛(wèi)星通信新業(yè)務(wù)新技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì).中國(guó):北京,2010.

[2] 王京,趙明,晏堅(jiān).關(guān)于發(fā)展衛(wèi)星移動(dòng)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(xué)術(shù)年會(huì).中國(guó):北京,2010.

[3] 朱哲,周潔,劉洋,等.基于GMR-1的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)模擬信關(guān)站物理層軟件的實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(1):88-90,99.