基于VC的LTE4G通信modem軟件仿真平臺的搭建

郭夢霞

（陜西職業技術學院 管理系，陜西 西安 710000）

科學技術的飛速發展給我們的生活帶來了日新月異的變化，而通信技術的進步更是對社會的文明和進步產生了深刻的影響[1]。進入21世紀以來，移動通信已經發展到大規模商用并逐漸成為人們生活中不可缺少的通信方式之一。目前，移動通信正朝著寬帶化、移動化的趨勢發展，3G系統的峰值傳輸速率已遠遠不能滿足人們日益增長的需求[2]。面對高速發展的移動市場以及大量低成本、高帶寬的無線技術的普及，3GPP引進了高速下行鏈路分組接入（HSDPA）和增強型上行鏈路（HSUPA）這兩種技術，使用MIMO和OFDM技術，建立一個能獲得高傳輸速率、低等待時間、基于包優化的可演進的無線接入架構[3]。目前語音業務在移動市場取得了巨大的成功，但隨著數據業務和應用的重要性和日益劇增的信息需求，LTE能為用戶帶來更豐富的服務。

1 需求分析

根據研究問題的著眼點不同，無線通信系統的仿真通常分為鏈路級和系統級仿真。鏈路級仿真一般用于算法的研究和算法優劣比較，通過對無線系統收發端之間的鏈路通信質量進行仿真，得到鏈路性能曲線，從而對物理層的關鍵技術進行評估。系統級仿真的主要目的是根據鏈路級仿真結果，檢驗系統級特征所帶來的系統容量和頻譜效率，對整個系統表現出來的各項性能統計指標進行考察。隨著目前FPGA的廣泛使用，且其主頻和處理速度也日益加快，很多算法也逐漸由FPGA硬件來實現，這也就逐步形成了以FPGA芯片、DSP或ARM處理器組成的通信modem芯片。而硬件建模工作量大，對時序要求非常嚴格，測試用例的執行效率較低[4-5]。由于芯片的局限性和高額的流片費用，需要在芯片流片前對其進行充分的仿真和測試，使其滿足所需要的功能。芯片的系統仿真也就應運而生，在芯片流片之前，為DSP軟件提供了仿真運行平臺，提高了DSP軟件的正確性。

2 模塊設計

2.1 概 述

基于VC平臺的軟件模擬仿真平臺包括4部分，如圖1所示，ST樁、協議棧樁、硬件平臺樁以及測試用例的管理。該模擬平臺模擬協議棧RRC和硬件BBP的處理，完成RRC、硬件和DSP軟件之間的交互，從而完成對DSP軟件代碼的相關測試[6]。

1）ST樁：包括驅動管理，各種中斷的管理和配置，以及符號中斷、浮動中斷等。以及模塊間交互過程中狀態的維護和流程的控制，模擬虛擬小區的配置，完成小區資源池的維護，包括頻點、小區ID等。

2）協議棧樁：包括 RRC樁、MAC樁等，完成 RRC、MAC的流程處理，實現小區搜索、測量、隨即接入、切換等功能，并實現和DSP軟件之間的原語交互，模擬真實協議棧的功能。

3）硬件邏輯樁：包括定時、小區搜索、測量等模塊，為DSP軟件提供定時和數據等相關功能，實現了viterbi譯碼、tuebo譯碼等打樁功能，并提供了硬件邏輯和DSP軟件之間的交互處理。

4）測試用例管理：存放了測試用例，實現了測試用例的運行和管理，以及結果的判斷和匹配。

圖1 仿真平臺模塊組成Fig.1 Simulation platform modules

2.2 系統架構和處理流程

仿真平臺實現了用戶終端的控制流程，并根據收到的原語來維護用戶終端的狀態，如圖2所示具體包括：

1）維護用戶終端的狀態，包括下電狀態、FREE空閑態、IDLE態、Connected連接態；

2）維護用戶終端空閑泰德子狀態，包括掃頻、初搜、初始解廣播狀態等；

3）維護用戶終端IDLE態的子狀態，包括IDLE尋呼、解廣播、解臨區廣播、IDLE態測量等狀態；

4）維護用戶CONNECT終端連接態的子狀態，包括下行信道控制、上行信道控制、CQI、測量等子狀態控制。

圖2 仿真平臺處理流程Fig.2 Simulation platform processing

2.3 數據緩沖區—郵箱

郵箱是一個環形緩沖區，如圖3所示。郵箱包括一個讀指針DataReadAddr，保存當前數據的讀取指針，記錄了已經讀取了數據的地址；以及一個寫指針DataWriteAddr，保存了已經寫入的數據的地址；寫入數據的長度，記錄了當前環形緩沖區中保存的數據長度，即寫指針和讀指針之間的長度。當時據需要寫入緩沖區時，將數據寫入緩沖區，并將寫指針地址加上寫入數據的長度，同時將保存的數據長度加上寫入的數據長度；當需要從緩沖區讀取數據時，需要將讀指針加上讀取數據的長度，并將保存的數據長度減去讀取的數據長度，同時需要保證讀取的數據長度不大于保存的數據長度。

圖3 環形緩沖區結構Fig.3 Ring buffer structure

2.3.1 數據的寫入

數據的寫入分為2種情況，即寫指針大于讀指針、寫指針小于讀指針（超過一環）。對于寫指針大于讀指針的情況，即正常的數據存儲，如圖4所示。將數據寫入緩沖區[7]，并將寫指針向前移動寫入數據的長度。需要提前保證寫入的數據長度小于空閑緩沖區的長度。空閑緩沖區如圖中紅色區域所示，藍色區域表示緩沖區中已有數據。

圖4 正常數據的寫入Fig.4 Data written to normal

圖5 寫指針超過一環Fig.5 Write pointer over one ring

另外一種情況是寫指針小于讀指針，這種情況是寫指針超過一環，如圖5所示。這種情況下寫指針會從0開始計數，結果是寫指針小于讀指針。這種情況下數據的寫入需要分為2部分，首先寫入當前寫指針到緩沖區起始位置的數據，寫指針指向0位置。再寫入剩下的數據，寫指針指向剩下的數據的長度。

2.3.2 數據的讀取

數據的讀取也分為2種情況，即寫指針大于讀指針，寫指針小于讀指針 （超過一環）。對于寫指針大于讀指針的情況，屬于正常的數據讀取，如圖6所示。讀取數據的長度不能打大于緩沖區中所保存的數據長度，這種情況下，讀指針不會超過范圍，不會指向緩沖區的起始位置0。將數據從緩沖區讀出后，將讀指針的位置加上讀出的數據長度，并更新為新的讀指針。

圖6 正常的數據讀取Fig.6 Normal data read

另一種情況是讀指針越過緩沖區的起始位置0，即寫指針大于讀指針的情況，如圖7所示。這種情況下，數據的讀取需要分為2步來進行，首先需要讀取當前讀指針到緩沖區起始位置0之間的數據，并將讀指針指向起始位置0。然后再讀取剩下的數據，并將讀指針指向剩下的數據長度。

3 系統仿真環境搭建

協議棧RRC、MAC和物理層DSP之間通過郵箱進行數據通信，即RRC、MAC層將相關原語發送到下行郵箱，并配置一IPCM中斷給驅動。物理層DSP收到該中斷后，調用相關處理過程從郵箱中取出數據[8]，并進行原語的解析和處理。協議棧RRC、MAC共用一個公共郵箱，MAC還有一專有郵箱，用于實現MAC專有原語的發送。其具體過程如圖8所示。

圖8 DSP軟件從郵箱中讀取數據Fig.8 DSP software to read data from the mailbox

圖9 軟件處理流程Fig.9 DSP software to read data from the mailbox

4 結束語

4G系統具有相當的復雜度，對其系統級性能的評估和有關候選關鍵技術的研究需要系統級仿真平臺的支持。并且，在modem芯片流片前對DSP物理層軟件進行仿真能夠保證芯片的開發和物理層軟件的開發齊頭并進，更好的保證開發進度，縮短開發周期，盡早發現軟件bug，提高物理層軟件的正確性。通過該仿真平臺，能夠模擬4G的相關功能，驗證物理層軟件的正確性，縮短開發周期，更好的保證芯片的開發質量。并且，該仿真平臺使用C語言開發，編程簡潔，方便后繼開發；且平臺的可移植性好，方便在不同操作系統上移植開發。同時，該仿真平臺使用模塊化設計，具有良好的擴展性，通過修改代碼硬件邏輯的樁代碼，可以使用在不同的芯片開發平臺上。

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