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    LTE制式車載電臺物理層與高層FAPI的研究

    2016-09-16 04:01:17
    鐵路通信信號工程技術(shù) 2016年4期
    關(guān)鍵詞:失步物理層高層

    楊 凱

    (1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司,北京 100070;2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100070)

    LTE制式車載電臺物理層與高層FAPI的研究

    楊 凱1,2

    (1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司,北京 100070;2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100070)

    基于FemtoForum eNodeB側(cè)物理層與高層FAPI設(shè)計了終端側(cè)(即車載電臺)的物理層與高層FAPI,從而解耦物理層與高層,實現(xiàn)靈活性和通用性。

    LTE;車載臺(UE);高層(L2/L3);物理層(PHY);FAPI;過程;消息

    1 概述

    圖1 UE協(xié)議架構(gòu)

    LTE制式車載電臺(也稱終端,簡稱UE)是基于LTE標(biāo)準(zhǔn)研制的新型車載設(shè)備,主要是為了實現(xiàn)高速鐵路場景下的車地數(shù)據(jù)通信、集群語音和視頻通信等功能,涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括高速移動環(huán)境下LTE快速切換技術(shù)、多頻點適配技術(shù)、高速移動環(huán)境下LTE接入技術(shù)等。LTE制式車載電臺基于標(biāo)準(zhǔn)的LTE協(xié)議,采用無線接口協(xié)議棧如圖1所示[1]。

    無線接口協(xié)議主要用來建立、重配置和釋放各種無線承載業(yè)務(wù)。該協(xié)議主要分三層兩面,三層包括物理層(層一)、數(shù)據(jù)鏈路層(層二)和網(wǎng)絡(luò)層(層三),兩面指控制平面和用戶平面。注意圖1中許多協(xié)議實體對于用戶面和控制面都是通用的。

    控制面協(xié)議棧主要負(fù)責(zé)對無線接口的管理和控制,包括NAS協(xié)議、RRC協(xié)議、MAC/RLC/ PDCP協(xié)議(這三層稱為數(shù)據(jù)鏈路層)和物理層協(xié)議。

    用戶面協(xié)議棧主要負(fù)責(zé)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸和處理,包括MAC/RLC/PDCP協(xié)議(這三層統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)鏈路層)和物理層協(xié)議[2]。

    各層之間通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的傳輸,但是并沒有規(guī)范各層間如何傳遞控制信息(即信令),而信令對于系統(tǒng)的運行是非常重要的。目前,不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備各層間信令交互均采用不同的實現(xiàn)。這對于集成商而言是個令人頭疼的問題,一般為了保證系統(tǒng)正常高效的運行,只能采用同一制造商的層一,層二和層三協(xié)議。

    FemtoForum組 織 推 出 的FAPI(Femto Forum Application Programming Interface)定義了LTE L2/L3軟件與L1 PHY之間接口,由于其規(guī)范性和通用性,得到很多制造商的青睞,紛紛采用FAPI作為高層(L2/L3)與物理層之間的接口,使得物理層和高層解耦合,這樣集成商可以選擇不同制造商的LTE高層和物理層。

    然而,F(xiàn)emtoForum目前只推出LTE eNodeB側(cè)的L1 API,并沒有針對UE高層與物理層間的API,因此本文旨在研究如何將eNodeB側(cè)FAPI應(yīng)用到UE側(cè),實現(xiàn)UE側(cè)物理層與高層采用FAPI交互。

    2 FAPI結(jié)構(gòu)

    eNodeB側(cè)L1 API交互如圖2所示,該圖提供不同的L2/L3協(xié)議層與物理層采用L1 API交互的一個示例,該示例中PHY控制實體負(fù)責(zé)配置過程(P5),MAC層負(fù)責(zé)與物理層間用戶數(shù)據(jù)的交互(P7)[3]。

    eNodeB側(cè)FAPI分為L1 API過程(Procedures)和L1 API消息(Messages)兩大部分。

    2.1L1 API過程

    L1 API過程分為配置過程和子幀過程。

    配置過程又細(xì)分為初始化(Initialization)、終止(Termination)、重啟(Restart)、重置(Reset)、重重配置(Reconfigure)、查詢(Query)、通知(Notification)共7個子過程。通過前5個子過程的執(zhí)行實現(xiàn)了PHY層狀態(tài)變更,這里將物理層分為空閑(IDLE)、配置(CONFIGURED)和運行(RUNNING)3種狀態(tài),狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。

    圖2 L1 API交互圖

    圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

    子幀過程分為子幀信號(SUBFRAME Signal)過程、SFN/SF(System Frame Number/Subframe)同步過程、半靜態(tài)信息(Semi-Static Information)過程、上行HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)信令過程、下行過程和上行過程。其中下行過程又分為BCH(廣播控制信道)過程、PCH(尋呼信道)過程和DL-SCH(下行共享信道)過程;上行過程分為RACH(隨機接入)過程、ULSCH(上行共享信道)過程、CQI(信道質(zhì)量指示)過程和SR(調(diào)度請求)過程。

    配置過程負(fù)責(zé)物理層管理,使用頻率不太頻繁。而子幀過程定義了每1 ms子幀的結(jié)構(gòu),其使用周期為1 ms。

    2.2L1 API消息

    L1 API消息分為配置消息和子幀消息兩部分。配置消息應(yīng)用于配置過程,而子幀消息用于子幀過程。每個L1 API消息均由消息頭,消息體和錯誤碼組成。消息頭是由消息類型ID,消息體長度和制造商專用消息體長度(vendor-specific body length)組成。

    配置消息的消息體是由TLVs(Tag LengthValue)組成的,每個TLV由1字節(jié)的Tag參數(shù),1字節(jié)的Length參數(shù)和Value參數(shù)組成(Value參數(shù)的長度需確保整個TLV大小是4字節(jié)的倍數(shù))。

    子幀消息的消息體是由PDUs(Packet Data Unit,包數(shù)據(jù)單元)組成的。每個包數(shù)據(jù)單元基本格式為2字節(jié)的SFN/SF參數(shù)、2字節(jié)的Length參數(shù)(可選)和具體配置參數(shù)(可選)組成。

    3 UE FAPI設(shè)計

    UE側(cè)PHY與高層主要涉及內(nèi)容如下:

    1)PHY如何從高層獲取配置信息(配置信息主要來自eNB側(cè));

    2)PHY如何向高層傳遞從空口接收到數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)可能由高層協(xié)議解析);

    3)PHY如何接收高層傳來的上行用戶數(shù)據(jù)。

    通過分析可知2)和3)均可采取相同處理方式,唯一的區(qū)別在于1),對于eNB側(cè)高層,所有的配置消息均是已知的,可以自由組裝,但對于UE側(cè)高層,需要通過PHY或高層解析eNB發(fā)來的數(shù)據(jù)以獲取配置信息,其中由PHY解析出的配置數(shù)據(jù),需要上報給UE高層。

    由于eNodeB發(fā)送的控制信息一般都有提前量,UE有充分的時間獲取這些配置信息并控制UE接收或發(fā)送數(shù)據(jù),所以,UE側(cè)PHY可以采用FAPI方式與L2/L3交互,但由于eNodeB和UE是方向相反的兩個過程(一方發(fā)送數(shù)據(jù),另一方則接收數(shù)據(jù))且UE有自身的特點,所有需要對eNodeB側(cè)L1 API做出調(diào)整以適應(yīng)UE。

    UE與eNodeB的區(qū)別如下:

    1)UE只關(guān)注自身,而eNodeB控制轄區(qū)內(nèi)所有UEs,所以UE物理層與L2/L3交互的數(shù)據(jù)量相對于eNodeB要小很多;

    2)UE需要通過小區(qū)搜索獲取下行同步,通過發(fā)送PRACH獲取上行同步,而eNodeB側(cè)沒有這兩個過程;

    3)UE側(cè)在維護(hù)SFN/SF同步的同時,還需要維護(hù)TA(Time Advance)值,而eNodeB側(cè)不用維護(hù)TA值;

    4)UE側(cè)需要進(jìn)行服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)測量,以進(jìn)行小區(qū)重選和小區(qū)切換,而這不是eNodeB的功能;

    5)UE側(cè)需要接收PBCH,PDCCH,PCH, DL-SCH等下行物理信道數(shù)據(jù),而對eNodeB側(cè)則屬于發(fā)送過程,兩者方向相反;

    6)UE側(cè) 需 要 發(fā) 送PARCH,PUCCH和PUSCH等上行物理信道數(shù)據(jù),而對eNodeB側(cè)則屬于接收過程,兩者方向相反。

    通過分析,主要關(guān)注6個方面,其他可與eNodeB側(cè)L1 API保持一致,設(shè)計描述如下。

    3.1配置過程

    對于UE側(cè)PHY,在RUNNING狀態(tài)下還需要維護(hù)ASYNC,DL-SYNC和SYNC 3種狀態(tài)。

    1)當(dāng)ASYNC狀態(tài)(相當(dāng)于DETACHED模式)時,需要通過START.request消息觸發(fā)小區(qū)搜索過程,進(jìn)行下行同步。UE在ASYNC狀態(tài)下,只能接收PSS/SSS,小區(qū)搜索成功后轉(zhuǎn)入DLSYNC狀態(tài);

    2) 當(dāng)DL-SYNC狀 態(tài)( 相 當(dāng) 于IDLE模式)時,需要通過L2/L3觸發(fā)或PHY主動接收PBCH,啟動BCH過程。然后由L2/L3觸發(fā)PCFICH過 程、PHICH過 程、PDCCH過 程 和PDSCH過程、目的是解SIB(系統(tǒng)信息塊)消息,以獲取配置信息。另外,還需要一直接收PCH對應(yīng)的PDSCH,因為PCH攜帶配置變更等系統(tǒng)信息以便發(fā)起小區(qū)重選。最后可由L2/L3觸發(fā)PRACH過程進(jìn)行上行同步。上行同步成功后,由PHY向L2/L3發(fā)RACH.indication并轉(zhuǎn)入SYNC狀態(tài);

    當(dāng)UE處于DL-SYNC狀態(tài)時,可處理所有下行信道,但只能處理PRACH一個上行信道(得到SIB2消息后才可發(fā)起)。

    3)當(dāng)SYNC狀態(tài)(相當(dāng)于ACTIVE模式)時,表示上下行均已同步,UE可以正常發(fā)送和接收。

    在DL-SYNC和SYNC狀態(tài),UE均需進(jìn)行測量包括鄰區(qū)測量,測量結(jié)果需要反饋給L2/L3,對于SYNC狀態(tài)下的測量,UE需要提交測量報告給eNodeB。

    各狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系如下:

    1)當(dāng)上行失步時,UE由SYNC狀態(tài)轉(zhuǎn)入DL-SYNC;

    2)當(dāng)上下行均失步或下行失步時,UE由SYNC狀態(tài)轉(zhuǎn)入ASYNC狀態(tài);

    3)當(dāng)下行失步時,UE由DL-SYNC狀態(tài)轉(zhuǎn)入ASYNC狀態(tài)。

    狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖4所示。

    圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

    3.2子幀過程

    3.2.1SFN/SF同步過程

    UE側(cè)同步分為上行同步和下行同步,下行同步是以PHY解MIB得到的SFN/SF為準(zhǔn);上行同步則以eNodeB側(cè)下發(fā)的TA(Timing Advance)值為準(zhǔn)。

    當(dāng)小區(qū)搜索成功,則向L2/L3發(fā)SUBFRAME. indication,PHY會進(jìn)入DL-SYNC狀態(tài);

    PHY根據(jù)L2/L3下發(fā)的TA值是否為0,判斷上行是否同步,如果為0,則上行失步。

    初始TA值是由L2/L3(具體為MAC層)解MAC PDU得到的。UE側(cè)L2/L3(具體為MAC層)會保存最近一次Timing Advance調(diào)整值,當(dāng)UE收到新的Timing Advance Command后,會計算出最新的Timing Advance調(diào)整值,L2/L3通過UL_CONFIG.request消息指示PHY。

    以PHY期望下一個UL_CONFIG.request包含frame M信息為例(如圖5所示),其過程如下:

    1) PHY向L2/L3發(fā)送SUBFRAME.indication,包含內(nèi)容為SFN/SF=M;

    2) 如果UE高層解到eNodeB發(fā)來的TimingAdvance Command( 位 于Timing Advance Command MAC control element),則設(shè)置TA= newTA;否則,置TA=0;

    3) 由L2/L3向PHY發(fā)送UL_CONFIG.request (SFN/SF=N TA=newTA);

    4) 如果M=N,則表示處于正常的下行同步狀態(tài),此時若TA!=0,則說明上行同步成功,設(shè)置PHY狀態(tài)為SYNC;若TA=0,則說明上行未同步成功,設(shè)置PHY狀態(tài)為DL-SYNC;

    5) 如果M與N不相等,則認(rèn)為下行失步,此時不論TA是否為0,PHY都會向L2/L3發(fā)送不匹配的指示ERROR.indication并將狀態(tài)置為ASYNC。

    下行失步的條件:

    a.DL-SYNC狀態(tài)下,PHY根據(jù)高層指示做小區(qū)測量(SIB消息指示),如果測量指標(biāo)不滿足條件,則觸發(fā)小區(qū)切換,這樣就會進(jìn)入下行失步狀態(tài)并切換到指定小區(qū);

    b.在SYNC狀 態(tài) 下,PHY會 進(jìn) 行Radio Link監(jiān)控(non-DRX模式下每個無線幀監(jiān)控一次;DRX模式下每DRX周期監(jiān)控一次),當(dāng)監(jiān)控指標(biāo)低于閾值,則認(rèn)為失步,這時PHY會轉(zhuǎn)入ASYNC狀態(tài)觸發(fā)小區(qū)重選(Cell_Reselect. request)。

    c.DL-SYNC狀態(tài)或SYNC狀態(tài)下高層指示的SFN/SF與PHY接收到的不一致,也可認(rèn)為下行失步,PHY會轉(zhuǎn)入ASYNC狀態(tài)觸發(fā)小區(qū)重選。

    3.2.2下行過程

    下 行 過 程 包 括BCH、PCH、DL-SCH、PDCCH、PCFICH和PHICH過程,其中前3個過程與eNodeB側(cè)對應(yīng)的過程相反,后3個過程為新增過程。下面以BCH過程為例進(jìn)行介紹。

    有兩種BCH接收方案(這兩種方案的前提是PHY處于RUNNING狀態(tài)):

    1)UE側(cè)小區(qū)搜索后主動盲檢PBCH,但PHY需要主動發(fā)API消息,將解析出的MIB信息傳給L2/L3,其流程如圖6所示。

    圖6 PHY主動PBCH過程

    2)由L2/L3觸發(fā)PHY接收PBCH,其流程如圖7所示。

    DL_CONFIG.request(BCH PDU);

    從eNodeB接收到PBCH給PHY;

    圖7 L2/L3觸發(fā)PBCH過程

    PHY盲解PBCH后發(fā)BCH.indication(包含解出的MIB信息)給L2/L3。

    3.2.3上行過程

    上行過程分為RACH、UL-SCH、CQI、SR、PUCCH和測量過程,其中前5個過程與eNodeB過程相反,后2個過程屬于新增過程。下面以PUCCH過程為例進(jìn)行介紹,其流程如圖8所示。

    傳輸PUCCH必需的信息如下。

    在UL_CONFIG.request包含子幀N+K1的UCI PDU,有多個可能的被用來調(diào)度上行UCI PDUs:

    1)如果上行HARQ信令計算在MAC層執(zhí)行,則可使用UCI_ HARQ PDU,該PDU在UE被調(diào)度僅發(fā)送ACK/NACK應(yīng)答時使用;

    2)如果UE半靜態(tài)配置信息保存在MAC層,則可使用UCI_CQI PDU,該PDU在UE被調(diào)度僅發(fā)送CQI時使用;

    3)如果上行HARQ信令計算在MAC層執(zhí)行且UE半靜態(tài)配置信息保存在MAC層,則可使用UCI_CQI_HARQ PDU,該PDU在UE被調(diào)度同時發(fā)送CQI和ACK/NACK應(yīng)答時使用。

    3.3L1 API消息

    為了配合上述過程的修改,需要新增、刪除和修改如表1所示的消息。

    4 結(jié)論語

    出于兼容性和靈活性考慮,L1 API支持上行HARQ信令在MAC層或物理層計算,支持半靜態(tài)配置信息保存在MAC層或物理層,支持RACH相關(guān)配置保存在MAC層或物理層,支持周期CQI信息保存在MAC層或物理層以及支持SR信息保存在MAC層或物理層,所以具體實現(xiàn)時要根據(jù)實現(xiàn)復(fù)雜度、靈活性和效率等因素綜合考慮配置位置。

    在不影響兼容性和靈活性的前提下物理層與L2/L3間應(yīng)進(jìn)行盡量減少消息交互。

    下一步會將UE FAPI應(yīng)用于LTE制式車載電臺。

    圖8 PUCCH過程

    表1 L1 API消息表

    [1]Erik Dahlman Stefan Parkvall Johan Skold.4G LTE/LTEAdvanced for Mobile Broadband.2012-5

    [2]王映民,孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社,2010.

    [3]Femto Forum.LTE eNB L1 API Definition V1.1 Femto Forum Technical Document.www.femtoforum.org 2010-12-10

    Based on the research on FAPI (Femto Forum Application Programming Interface) between PHY and L2/L3 on eNodeB side, the paper designs FAPI between PHY and L2/L3 on UE side, in order to decouple PHY and L2/L3 and implent the fl exibility and universality.

    LTE; UE; L2/L3; PHY; FAPI; procedure; messsage

    10.3969/j.issn.1673-4440.2016.04.010

    2015-08-26)

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