Linux平臺的衛星通信終端物理層控制軟件設計

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(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

衛星通信憑借自己獨特的優勢，在一些領域有著不可替代的作用。在戰爭和重大自然災害中，當地面蜂窩系統遭到較大破壞時，衛星移動通信系統可作為一種應急通信手段[1]。汶川地震后，中國啟動了自主移動通信衛星系統的立項論證，決心填補國家在衛星移動通信領域的空白。在此背景下，我國第一代衛星移動通信系統應運而生[2]。

為了給我國首個具有自主知識產權的衛星移動通信系統進行推廣及應用提供終端方面的幫助，本文參考GMR-1 3G標準，設計了一套終端物理層控制軟件，該軟件滿足對基帶芯片內各模塊的控制以及與協議棧處理系統之間的交互控制需求，能夠結合儀表、協議棧以及終端射頻完成協議一致性測試，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發布的可與地面3G核心網互連的靜止軌道衛星移動通信系統技術規范，是伴隨地面蜂窩標準演進的寬帶衛星移動通信系統的一個重要標準[3]。

1.1 GMR-1 3G系統物理資源

GMR-1 3G標準的幀結構和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系統相同的WCDMA/FDD體制，而是保留了在衛星系統中成熟的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序列(Burst)，系統幀結構如圖1所示。

圖1 系統幀結構

1.2 信道類型及編碼調制方式

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

表1 信道參數

2 物理層控制軟件架構

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度，更好地完成協議一致性和射頻一致性測試，物理層控制軟件采用“C+匯編”的程序結構，其中C語言是軟件的主要設計語言，匯編語言主要用于實現控制系統的時延和對L1C系統寄存器進行配置。整個物理層控制系統采用其中斷功能完成每個信道處理的調度過程，各層信令間通過API機制進行交互。為滿足控制系統對實時性的要求，該軟件采用的處理器為OpenRisc。

2.1 軟件設計思路

本軟件的設計思路基于協議的物理層功能，通過分析物理層功能建立物理層狀態機，物理層控制是按照狀態對物理層進行任務的調度，所以按照終端從開機到呼叫結束的通信流程，把物理層劃分為8個狀態：NULL(設備掉電狀態)、INIT(設備初始化狀態)、CONFIG(MAC層對物理層進行基本配置狀態)、READY(基本配置完成，MAC啟動PHY進入正常數據接收狀態)、SEARCH BCH(物理層監聽BCCH/CCCH)、BCH(物理層監聽某頻點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(物理層已經獲得專有信道，可以進行邏輯信道建立和數據傳輸)[9-10]。各狀態之間的轉換如圖2所示。

圖2 物理層狀態轉移圖

2.2 軟件系統組成及其主要功能

圖3描述了物理層控制軟件功能結構，分為下行接收鏈路和上行發送鏈路。該功能結構由5個模塊組成：①軟件狀態匹配模塊，主要完成物理層狀態的選擇，物理層控制系統根據相應的狀態進行跳轉，進入相應狀態下的任務處理函數[11]；②原語解析模塊，主要解決高層給物理層的數據傳遞問題，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給物理層的原語是對應哪一條[11]，通過在內存中開辟空間創建結構體，將原語中的參數插入到結構體中，然后把數據從結構體搬到全局變量中；③配置射頻收/發數據模塊，物理層控制軟件通過配置射頻模塊的相關寄存器，設置收發數據的幀號、時隙號、接收/發送增益等參數來控制射頻模塊的收發任務，其中TBU單元提供發送計數器和接收計數器給外部模塊，提供固定的時隙、幀、多幀、系統幀計數及中斷；④L1C與

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

圖3 物理層控制軟件設計方案圖

3 物理層控制軟件工作流程

基于板上測試環境，以小區搜索為例，軟件的工作流程(見圖4)如下：

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

② 初始化和配置工作完成后，MAC層下發FCCH搜索請求，物理層接收到上層下發的FCCH搜索請求后，在消息解析函數中將狀態機的狀態置為STATUE_FCCH_SEARCH，執行主函數的小區搜索函數，在這里配置RFIU任務，首次配置任務時，一次配置兩次，因為接收天線開啟后，空口在不停地接收數據，在將數據傳送給下一個處理單元的時間期內，空口也在接收數據，這時原來buffer的數據也許還沒有傳送完，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。

③ 射頻芯片對數據完成A/D采樣和濾波后，從射頻口傳送給基帶芯片，此時會發送RFIU中斷給L1C，L1C再去配置DSP，寫命令給DSP對接收的數據做相應的處理，等待DSP啟動。

④ IRX_ASIP對接收到的FCCH數據做完處理后，IRX_ASIP會通過中斷控制模塊給L1C發送中斷，L1C根據中斷攜帶的API tag進入對應的處理函數中。對于FCCH搜索，L1C根據DSP反饋的參數判斷是否收到FCCH信道，若沒有，繼續配置射頻任務去搜，然后將射頻收到的數據交給DSP做相應的處理，這里會判斷如果搜索FCCH的次數超過設定的閾值，就調整接收增益去搜索，將接收增益調整為最小值去搜，若仍然沒搜到，則換頻點搜索。反之，若解調出來有FCCH信息，則根據時頻信息做初始的時頻同步，暫時關掉射頻。配置下一個接收任務，即配置BCCH信道的接收任務，同時將狀態機的狀態置為STATUE_BCCH_CAMPING。

4 功能測試

由于所開發的終端物理層控制軟件主要實現協調控制基帶芯片多個處理單元之間的工作，以及基帶處理系統與協議棧處理系統之間、基帶處理系統與射頻系統之間的交互，進而能聯合衛星終端綜測儀完成基帶芯片的協議一致性測試和終端聯測，因此軟件的測試標準為是否能實現物理層信道實時收發功能。該軟件是基于特定的硬件平臺——DX-S301基帶芯片環境和特定的協議，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是根據實物測試環境描繪出的簡圖。儀表產生的信道數據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、查看終端協議棧log信息。PC機的用途有：通過網線連接PC機與協議分析儀，發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中對應的編譯器對終端物理層和協議棧代碼進行編譯，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/關機2m41s576msMES能力查詢正常流程FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH8開機/撥號/關機2m20s373msMES能力查詢異常流程FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH8開機/撥號/關機2m3s367msMES等待RRCCONNECTIONSETUP消息T300超時重傳FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH開機/關機2m24s248msMES發起的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—調整時頻偏—正確收取BCCH廣播信道—發起隨機接入—入網—進行業務傳輸，通過對射頻模塊相關寄存器的配置實現收發數據的實時性。測試結果表明，該物理層控制軟件能實現調度基帶芯片模塊對信道進行相關的處理以及與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軟件能夠實時地配合協議棧完成測試，成功地在規定時間內完成通信流程。

結 語

[1] 程宇新,羅常青,吳建軍.新一代GEO衛星移動通信新標準GMR-13G簡介[C]//第六屆衛星通信新業務新技術學術年會.中國:北京,2010.

[2] 王京,趙明,晏堅.關于發展衛星移動通信系統的一些思考[C]//第六屆衛星通信新業務新技術學術年會.中國:北京,2010.

[3] 朱哲,周潔,劉洋,等.基于GMR-1的衛星移動通信系統模擬信關站物理層軟件的實現[J].高技術通訊,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系統終端物理層控制的設計與實現[J].計算機測量與控制,2014,22(1):88-90,99.