0 引言

    第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5th-generation,，5G)的演進(jìn)已成為了一個(gè)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(huì)議上，將“新無(wú)線電接入技術(shù)”用于非后向兼容無(wú)線接入技術(shù)的提案得到了通過(guò)^[1],。在項(xiàng)目研究階段的主要工作是研究和評(píng)估潛在可用的無(wú)線接入技術(shù),，以滿足文獻(xiàn)[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(xiàn)[3]可知,，相較于4G標(biāo)準(zhǔn),，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(lái)的5G多場(chǎng)景的應(yīng)用^[5]。但對(duì)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(duì)物理層控制的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。

    終端在交互數(shù)據(jù)前,，物理層經(jīng)過(guò)了多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程：獲取最大功率的頻點(diǎn),，選擇駐留小區(qū)，選擇最佳小區(qū),，建立上行同步,。每個(gè)過(guò)程包含多個(gè)任務(wù),，其結(jié)果都是其后續(xù)過(guò)程工作的條件。很多過(guò)程中既包含時(shí)間觸發(fā)任務(wù)與事件觸發(fā)任務(wù),，因此任務(wù)沖突時(shí)有發(fā)生,，任務(wù)的沖突會(huì)導(dǎo)致物理層混亂或死機(jī)。本文對(duì)傳統(tǒng)物理層控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),，設(shè)計(jì)物理層的狀態(tài),，建立基于狀態(tài)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)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(jì)

    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(shí)現(xiàn)^[6],。層二與層一在多核DSP上實(shí)現(xiàn)，核0主要承載PDCP,、RLC和MAC等層二協(xié)議棧的實(shí)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(guò)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(shí),，首先通過(guò)EDMA實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的搬移,，然后通過(guò)SRIO將數(shù)據(jù)從DSP發(fā)送到FPGA上產(chǎn)生基帶信號(hào)，再通過(guò)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(shí),，首先射頻模塊將會(huì)從空口捕捉數(shù)據(jù)，再通過(guò)中頻轉(zhuǎn)換器將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào),，再進(jìn)行下變頻變換生成基帶信號(hào),，接著由FPGA模塊進(jìn)行濾波、降采樣處理,、FFT變換、信道估計(jì)和信道均衡,，再將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)SRIO接口傳給DSP進(jìn)行處理,。

2 物理層狀態(tài)的設(shè)計(jì)

    終端在與基站交互數(shù)據(jù)前,，物理層要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)、冗余而復(fù)雜的過(guò)程,，首先對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,。

2.1 終端物理層任務(wù)的簡(jiǎn)要介紹

    終端成功上電后，獲取最大功率的頻點(diǎn)是物理層的首要任務(wù),。不同頻率的信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)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(diǎn)，終端將選擇駐留小區(qū),。最大功率頻點(diǎn)信號(hào)為多個(gè)小區(qū)信號(hào)源疊加,，必須在該頻點(diǎn)上和其對(duì)應(yīng)的本地保存的小區(qū)列表進(jìn)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(qiáng)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(qǐng)求隨機(jī)接入,，成功接入后即完成上行同步實(shí)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(gè)過(guò)程既具有各自的目標(biāo)和任務(wù),，又存在因果關(guān)聯(lián),。這些特點(diǎn)為設(shè)計(jì)基于過(guò)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(jì)

    以物理層的5個(gè)過(guò)程為基礎(chǔ),，建立物理層的5個(gè)狀態(tài),，分別為：空態(tài)、小區(qū)選擇態(tài),、空閑態(tài),、隨機(jī)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(jī)。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(jì)中詳細(xì)闡述,。

2.2.1 空態(tài)（NULL）

    圖3為物理層在NULL態(tài)的流程圖。進(jìn)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(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài),。在帶電狀態(tài)或初始上電時(shí)，終端根據(jù)保存的頻點(diǎn)列表,，接收每個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空口數(shù)據(jù),，并計(jì)算其功率。選擇最大功率對(duì)應(yīng)的頻率為功率最強(qiáng)頻點(diǎn),。完成頻點(diǎn)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(qiáng)功率頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的,、存儲(chǔ)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(qiáng)功率頻點(diǎn)的空口數(shù)據(jù)分別與PSS,、SSS做滑動(dòng)相關(guān),，得到同步小區(qū)的小區(qū)ID、時(shí)域同步點(diǎn)和頻域同步點(diǎn),，實(shí)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(shí)頻域同步點(diǎn)解出MIB,。MIB包含進(jìn)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(qǐng)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(jìn)入IDLE態(tài),。

2.2.3 空閑態(tài)（IDLE）

    IDLE態(tài)由監(jiān)聽期、測(cè)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(cè)量配置決定了測(cè)量期,，除此之外的時(shí)期均為休眠期。終端進(jìn)入IDLE態(tài)后,，物理層處于休眠期,。監(jiān)聽期到來(lái)時(shí)，物理層會(huì)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(jìn)入休眠期,；如沒(méi)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(jìn)入休眠期。

    測(cè)量期物理層通過(guò)測(cè)量鄰小區(qū)的RSRP判斷是否存在更優(yōu)的小區(qū),，如沒(méi)有,，則進(jìn)入休眠期；反之則確定更優(yōu)小區(qū)的頻點(diǎn)和小區(qū)ID,，進(jìn)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(shí)SEL態(tài)在選擇更優(yōu)小區(qū)時(shí)也需要IDLE提供的頻點(diǎn)和小區(qū)ID,；IDLE態(tài)還為ACC態(tài)提供了SSB信息。

2.2.4 隨機(jī)接入態(tài)（ACC）

    通過(guò)隨機(jī)接入過(guò)程實(shí)現(xiàn)建立上行同步是終端正常工作的基礎(chǔ),。在隨機(jī)接入過(guò)程中,，多個(gè)終端選擇相同的波束、前導(dǎo)索引和時(shí)頻域位置發(fā)送Message1(MSG1,，下同)為競(jìng)爭(zhēng)接入,，此時(shí)需要基站選擇一個(gè)終端成功接入,，實(shí)現(xiàn)上行同步。終端擁有專屬配置時(shí)為非競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)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(gè)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(jī)接入,。因此，在競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí),，終端根據(jù)IDLE態(tài)測(cè)量的SSB的RSRP,，選擇最優(yōu)的SSB確定發(fā)送MSG1的時(shí)域位置；在非競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中,，基站會(huì)在RRC重配消息中告訴終端專屬的波束及其對(duì)應(yīng)的時(shí)域位置等,，終端據(jù)此生成前導(dǎo)碼發(fā)起接入。

    MSG2為隨機(jī)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(duì)應(yīng)的RAR,，SIB1規(guī)定其監(jiān)聽時(shí)長(zhǎng),。在監(jiān)聽時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，終端若沒(méi)收到MSG2,，且沒(méi)達(dá)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(jī)接入前導(dǎo)ID,，并與本地的前導(dǎo)索引比較,，不同則該RAR無(wú)效，重傳MSG1或躍遷至IDLE態(tài),；相同則該RAR有效,，在MSG2指定的時(shí)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(biāo)志,。

    在發(fā)送MSG3完成后,，終端等待監(jiān)聽MSG4。終端若沒(méi)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(jìng)爭(zhēng)接入成功,，將跳入CON態(tài)進(jìn)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(shí),，由于沒(méi)有基站分配的時(shí)頻資源,，成功接入的終端,，不能通過(guò)PUSCH與基站交互數(shù)據(jù),，僅通過(guò)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(qǐng)求的SR通過(guò)PUCCH發(fā)送給基站,，并等待接收上行授權(quán),，若接收失敗，且沒(méi)到達(dá)SR最大重傳次數(shù),，則重發(fā)SR,，否則進(jìn)入ACC態(tài)重新進(jìn)行隨機(jī)接入；若收到上行授權(quán),，終端利用得到的時(shí)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(jìn)入ACC態(tài),；若接收上行授權(quán)成功，則進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,，交互完成進(jìn)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(duì)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(lái)的DCI1_0或DCI1_1解出PDSCH所占的時(shí)頻域位置,，再解出PDSCH,。若CRC校驗(yàn)正確，接收數(shù)據(jù)成功,；若CRC校驗(yàn)失敗,，則判斷上行同步定時(shí)器是否超時(shí)，超時(shí)則不回復(fù)NACK,，否則將會(huì)給基站回復(fù)NACK,。

3 物理層控制實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)

    對(duì)于5G系統(tǒng)終端L1C的設(shè)計(jì)主要采用狀態(tài)機(jī)的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。初始開機(jī)時(shí)處于NULL態(tài)，通過(guò)原語(yǔ)觸發(fā)向SEL態(tài),、IDLE態(tài),、ACC態(tài)和CON態(tài)進(jìn)行躍遷。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(jìn)行處理,，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA生成基帶信號(hào)，由射頻模塊進(jìn)行發(fā)送,。接收數(shù)據(jù)時(shí)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(bào)給高層,；反之上報(bào)失敗指示,，由高層決定是否要求基站重傳。

    因此無(wú)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(shí)現(xiàn)流程如下：

    (1)讀取隊(duì)列中的原語(yǔ)，判斷其來(lái)自高層還是FPGA,。

    (2)若該原語(yǔ)來(lái)自高層：

    ①進(jìn)行狀態(tài)匹配,，即判斷該條原語(yǔ)是否屬于該狀態(tài)下應(yīng)該接收并處理的原語(yǔ)：若屬于，則繼續(xù)對(duì)該原語(yǔ)進(jìn)行操作,，反之直接丟棄該原語(yǔ),；

    ②向各個(gè)信道配置相關(guān)參數(shù)。在不同狀態(tài)下,，高層會(huì)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(shí)，對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行配置,。

    (3)若該原語(yǔ)來(lái)自FPGA：

    ①讀取數(shù)據(jù)中攜帶的子幀號(hào)與時(shí)隙號(hào),；

    ②調(diào)度相關(guān)的信道，例如PDCCH或PDSCH等,，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼^[10-11]等處理,；

    ③若CRC校驗(yàn)成功，則將解出來(lái)的數(shù)據(jù)和相關(guān)DCI打包成原語(yǔ)發(fā)給高層,；若CRC校驗(yàn)失敗,，則將失敗指示上傳給高層。

4 仿真實(shí)現(xiàn)與分析

    本文為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性以及可實(shí)用性,，搭建了仿真與實(shí)現(xiàn)的調(diào)測(cè)平臺(tái),，整個(gè)平臺(tái)主要包含矢量信號(hào)發(fā)生器、示波器,、路測(cè)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(yǔ)時(shí),，物理層拒絕接收該原語(yǔ)的異常情況示意圖,。

    終端接收信號(hào)通過(guò)偵測(cè)儀采集了數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)FPGA與DSP進(jìn)行信道估計(jì),、信號(hào)檢測(cè)等過(guò)程后,，判斷需要調(diào)度和配置的信道并進(jìn)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(jìn)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(biāo)為星座圖實(shí)部,，縱坐標(biāo)為虛部,，星座點(diǎn)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(hào)檢測(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解PDSCH結(jié)果,，從圖中可以看出最終CRC校驗(yàn)標(biāo)志置高,，且解出該數(shù)據(jù)中包含的消息，說(shuō)明信道估計(jì)與信號(hào)檢測(cè)模塊運(yùn)行結(jié)果正確,。

    接下來(lái)需要物理層控制將解出所得的比特串組裝成原語(yǔ)發(fā)送給上層,，并由上層進(jìn)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(yǔ)發(fā)送上去后,，高層拆分原語(yǔ)能夠進(jìn)行正確的解碼。

    由此可見本文的設(shè)計(jì)是合理可行的,，基于5G系統(tǒng)的終端可以完整地進(jìn)行發(fā)送和接收的流程,。

5 結(jié)論

    本文通過(guò)對(duì)5G物理層現(xiàn)狀的分析，對(duì)傳統(tǒng)的高層原語(yǔ)直接驅(qū)動(dòng)物理層動(dòng)作的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn),，設(shè)計(jì)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(gè)狀態(tài)下的任務(wù),。物理層在接收原語(yǔ)命令時(shí)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(yǔ)的混亂，提高了物理層與高層之間的交互效率,。每個(gè)任務(wù)都進(jìn)行了詳細(xì)的原語(yǔ)設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)了物理層與高層的交互以及物理層對(duì)底層數(shù)據(jù)的接收，完成了物理層在各個(gè)狀態(tài)下對(duì)各個(gè)任務(wù)的調(diào)度,。本設(shè)計(jì)已經(jīng)引用在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶5G終端模擬器的開發(fā)中,。

參考文獻(xiàn)

[1] 3GPP，RP-160671.New SID proposal: study on new radio access technology[EB/OL].(2016-03-xx)[2018-12-27].http：//www.3gpp.org/ftp/tsg ran/TSG RAN/TSGR 71/Docs/RP-160671.zip.

[2] 張平,，陶運(yùn)錚,，張治.5G若干關(guān)鍵技術(shù)評(píng)述[J].通信學(xué)報(bào)，2016,，37(7)：15-29.

[3] INOUE T.5G standards progress and challenges[C].2017 IEEE Radio and Wireless Symposium(RWS),，Phoenix，AZ,，2017：1-4.

[4] 3GPP TS 38.211.NR：Physical channels and modulation[S].France,，3GPP Support Office，2018.

[5] PEDERSEN K I,，BERARDINELLI G,，F(xiàn)REDERIKSEN F，et al.A flexible 5G frame structure design for frequency-division duplex cases[J].IEEE Communications Magazine,，2016,，54(3)：53-59.

[6] 董宏成，張寧,，李小文.TTCN-3在RRC協(xié)議一致性測(cè)試中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2013，39(7)：117-120.

[7] 蔣忠均,，張德民,，庹勤.TD-LTE系統(tǒng)中MAC層子幀調(diào)度研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013,，39(2)：15-17,，21.

[8] WEI L，HU R,，QIAN Y,，et al.Key elements to enable millimeter wave communications for 5G wireless systems[J].IEEE Wireless Communications，2014,，21(6)：136-143.

[9] RASTORGUEVA-FOI E,，COSTA M，KOIVISTO M,，et al.Dynamic beam selection for beam-RSRP based direction finding in mmw 5G networks[C].2018 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation(IPIN),，Nantes,，2018：1-6.

[10] 何天光，杜江.一種高性能低復(fù)雜度Polar Code編解碼算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016,，42(7)：13-16，25.

[11] 周華,，翁少輝,，馮姣.LDPC碼節(jié)點(diǎn)剩余度置信傳播譯碼改進(jìn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017,，43(11)：107-111.

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）