LTE制式車載電臺物理層與高層FAPI的研究

楊 凱

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)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(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)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P(yáng)DU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P(yáng)DU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P(yáng)DU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）