基于聚合等級的5G通信下行信道傳輸控制系統設計

賈 璐

(上海電子信息職業技術學院 世賽學院，上海 201411)

0 引言

5G技術作為第五代移動通信技術，具有高速、低時延等特性，是實現人與人之間的互聯互通的新一代移動通信技術。從移動通信發展的規律出發，5G技術無論是在傳送速度上，還是在資源使用上，都要遠遠超過4G。同時，應用5G技也將明顯提高無線網絡的覆蓋率、系統的安全性以及用戶的使用體驗[1]。根據一些專家和學者的分析，5G在無線技術和資源利用方面，將會比4G快十倍。而且，隨著新技術的應用，通信網絡的智能化程度也會提升25倍。5G通信技術在為人們帶來便利的同時，也給通信信道提出了更高的要求。

通信信道是指數據傳輸的通道，一般來講，通信信道可以分為上行信道和下行信道，其中，下行信道也就是輸出信道，具體包括下行專用物理信道、物理下行共享信道等類型，不同類型的下行物理通道的作用各不相同，但是它們之間存在著某種關聯，它們之間的相互協作，確保了整個系統的正常運行。通過對下行鏈路的控制，可以加快用戶的數據傳遞，為用戶提供更好的服務，滿足用戶的某些需求。為了提高通信信道的應用效率、為5G通信技術提供支持，設計并開發了5G通信下行信道傳輸控制系統。

當前通信下行信道傳輸控制系統已經取得了一定的研究成果。文獻[2]設計了基于云計算的分布式大數據多通道并行控制系統。系統由分布式大數據多路數據存儲處理模塊同步存儲數據單元和數據多路實時處理單元組成；多路并行控制模塊主要由多路并行管理單元、多路由狀態掃描單元和生成數據流單元組成，實現分布式大數據多通道并行控制。然而通過系統應用反饋發現，現有的傳輸控制系統存在控制效果不佳的問題，主要體現在傳輸數據丟失、傳輸速度控制誤差大、通信下行信道傳輸擁塞事故頻發等方面。

針對當前現有5G通信下行信道傳輸控制系統出現控制效果不佳的問題，本文設計了基于聚合等級的5G通信下行信道傳輸控制系統，實現對傳輸控制系統的優化設計，以期能夠提升系統的信道傳輸控制效果。

1 5G通信下行信道傳輸控制硬件系統設計

1.1 DSP協處理器

DSP的主要功能模塊包括：流量管理模塊、 PKTDMA模塊和128比特數據流交換機，內部具體結構如圖1所示。

圖1 DSP協處理器結構框圖

在DSP協同處理程序中，可以將數據作為數據流或分組傳輸至PKTDMA。DSP的各個功能模塊均與數據流交換器連接，DSP在使用各個功能模塊時，先對包頭進行配置，再由TM模塊將包頭數據傳輸到BSS模塊，BSS模塊按照包頭的次序向各個模塊發送數據包。然后，當某一子模塊完成對該數據的處理后，該包頭的相關信息被刪除，產生新的數據包，并將其傳輸給BSS模塊。在配置信息分析完畢后，BSS對下一包頭的信息進行識別，然后將該信息傳遞給下一組進行處理。這樣，當包頭包含的全部模塊都對數據進行了處理，最后的數據由PKTDMA傳送給接收隊列，而接收隊列則可以利用累積隊列來監聽生成一個中斷，并告知CPU的工作內容。

1.2 通信數據采集器

傳統5G通信下行信道傳輸控制系統的數據采集器選用的是4路采集通道，可以采集電流型和電壓型的通信數據。然而由于5G通信信道數量較多，使用傳統的4路采集器會存在采集時間長的問題。因此在現有采集器的基礎上，擴大采集通道數量至8路，擴展后的通信數據采集通道原理如圖2所示。

圖2 通信數據采集通道示意圖

在優化設計的數據采集器中內置一個TLC2543芯片，該芯片能夠實現多通道數據的整合，并將任意通道的電流信號轉換成為電壓信號，保證數據信號的格式統一。

1.3 信道傳輸控制器

信道傳輸控制器是控制系統軟件控制程序的主要運行環境，用來產生控制信號并作用在相應信道對象上[4]。以提高信道傳輸控制效果為目的，在傳統控制器的基礎上進行優化，優化后控制器的運行原理如圖3所示。

圖3 信道傳輸控制器運行原理圖

接收模塊的設計如圖3所示，其核心是從所接收的數據流中抽取出時鐘同步，從而確保了數據的恢復。同步模塊通過取樣的方法來恢復數據時鐘，采集到的同步序列片段后，再標注出最優的樣本，用于對剩余的數據進行識別，當確定幀標題和校驗號正確后，將接收到的指令發送給DSP協同處理單元[5-7]。

2 5G通信下行信道傳輸控制系統軟件功能設計

2.1 構建通信下行信道模型

根據通信下行信道的空間和運行特點，構建相應的信道模型[8-9]。物理信道是頻分和時分的組合，一個信道傳輸子幀中包含兩個連續的時隙，對于子幀i來說，時隙的編號是2i和 2i+1。在5G通信下行信道空間結構下，可以得出其在工作狀態的沖激響應表達式為：

(1)

式中,t和τ分別為通信時長和時延，變量γ(t)、δ(τ)對應的是信道矩陣系數和狄拉克函數，參數κ和N分別表示萊斯因子和5G通信網絡中的信道數量，另外Hn(t)代表通信信道天線矩陣，其表達式如下：

Hn(t)=(hu,s,n(t))

(2)

其中：hu,s,n(t)為5G通信下行信道的傳輸信息，角標u、s和n分別為數據傳輸方向、相位和占用信道數量[10]。將上述信道運行原理與構建的通信下行信道空間結構模型進行融合，得出最終的通信下行信道模型構建結果。

2.2 判定通信下行信道實時狀態

一般來講通信下行信道的狀態可以分為空閑、占用和停用3種，其中空閑表示的是信道當前未執行任務傳輸任務，占用指的是信道正處于執行傳輸任務階段，而停用表示的是當前下行信道處于異常狀態，短期時間內不能執行傳輸任務。通過通信下行信道實時狀態的判定，可以確定系統的傳輸控制程序的執行范圍[11]。在判定過程中，假設信道信息都存在于Lcp中，采用最小二乘估計方法得到的傅里葉轉換到時間域，在時間域設定合適的門限，保持比Lcp長的閾值更高的取樣點，把低于門限的樣本歸零，再把它恢復到頻率域，最終得到全通信下行信道的狀態信息，記為St。然而5G通信下行信道的狀態會根據傳輸任務實時發生變化，因此需要計算信道狀態轉移概率，計算公式如下：

(3)

式中，變量pi,j為下行信道在時隙k處的狀態轉移概率，P為狀態轉移概率矩陣[12]。綜合考慮當前信道狀態信息以及轉移概率的計算結果，可以得出通信下行信道任意時刻的狀態判定結果。

2.3 采集與處理5G通信下行信道傳輸數據

一個5G通信下行信道傳輸的信號定義為X(t)，為保證采集到的原始數據信號不失真，取樣頻率應嚴格超過2f。信道的數據獲取分為兩個階段，第一階段是取樣，即把接收到的信號通過取樣電路轉換成數字信號。第二步是恢復，即把離散的數字信號恢復為原來的模擬信號。由于初始仿真信號在時間上不斷地改變，因此取樣的方法是在時域內以t為單位的時間間隔獲取原始模擬信號的數值，設定取樣間隔的范圍為[0.1 ms，1 ms]。在對信號進行取樣后，會產生一系列的數值，每個數值表示在特定的取樣時間內信號的量化數值[13]。如果取樣頻率足夠高，也就是取樣時間t，取樣值就會含有完整的資料。從這一點出發，重構信號實際上就是對所獲取的數據進行差值運算，即根據離散的數據x[n]，通過數學變換來計算出連續的信號x(t)，具體的差值處理過程如下：

(4)

將所有的離散采樣數據代入到公式(4)中，將其轉換為連續信號，并通過與初始采集數據的融合，完成信道傳輸數據資源的采集與處理工作。

2.4 根據聚合等級分配信道傳輸資源

不同類型和大小的傳輸資源需要選擇合適的下行信道，在剔除停用信道的情況下，根據信道的聚合等級實現傳輸資源的分配[14]。聚合等級主要就是信道中子幀之間的聚合程度等級，不同等級的信道對應的碼率和抗干擾性不同。將5G通信下行信道的聚合程度分為4個等級，具體的等級劃分情況及其與子幀、承載量之間的關系，如表1所示。

表1 通信下行信道聚合等級數據表

從表1中可以看出，每一條通信下行信道由1、2、4或8個子幀組成，每一個子幀中都含有6個REG捆綁，REG綁定是指當控制資源集合進行交錯時的交錯單元，REG綁定由6個REG構成，而REG的大小則對應于一個時域的符號，等于信道承載容量的數值，也就是在頻域中占有12個資源單位[15]。在資源分配之前首先選擇合適的信道聚合等級，即要求選擇的信道滿足如下關系式：

(5)

2.5 實現5G通信下行信道傳輸控制

以分配的傳輸資源和5G通信下行信道作為控制對象，在控制器設備的支持下，實現系統的傳輸控制功能。

2.5.1 信道增強控制

信道增強控制的目的是降低數據資源在傳輸過程中產生的路徑損耗，最大程度保證數據的傳輸正確性，減少數據傳輸丟失量。在自由空間下，數據傳輸產生的路徑損耗可以表示為：

Lroute=Psend-Preceive+Gt+Gr

(6)

式中，Psend、Preceive、Gt和Gr分別為發送功率、接收功率及發送與傳輸過程中產生的信道增益。采用波束掃描的方式，對5G通信下行信道進行增強控制，波束掃描采用了模擬波束賦形與數字預編碼相結合的方法，模擬波束賦形使用了二維子陣分割技術，將一塊平板上的天線分成兩個方向，在豎直方向和橫向方向上進行波束賦形，再利用克羅內克積為端口，將信號從一端到一塊板的虛擬矩陣[17]。而在數字預編碼中，利用奇異值分解技術，利用選取的模擬接收波束，進行數字預編碼。在各種極化方向土壤、不同的仿真波束、信道信息下，其奇異值的分解效果各不相同，因此可以根據公式(6)計算出的路損值確定波束掃射強度參數，保證信道的精準增強效果。

2.5.2 信道數據發送/接收端控制

通信數據的傳輸主要包括數據發送、信道傳輸和數據接收3個步驟，無控制下的數據發送流程如圖4所示。

圖4 通信下行信道數據發送流程圖

同理可以得出無控制下信道數據接收流程。在此基礎上，分別針對發送和接收模塊編寫控制程序。在傳送數據前，由幀同步發生模塊所產生的訓練代碼和幀首數據流傳送到射頻段，從 SRAM中讀出傳送的數據，經過并行-串變換裝置，輸入到通道控制器，執行16比特CCITT-CRC的編碼，再利用多項式生成序列加擾碼，以碼率傳送到射頻單元。整個傳輸過程都是通過基帶處理器控制器來實現的[18]。由于系統中高速的數據傳送速度與無線通道所能承受的較低的速率，因此，需要在一定程度上兼顧調整碼率、識別多個用戶的能力，并在一定程度上限制了區域和功率消耗。傳輸緩沖區使用了兩個緩沖區來進行乒乓運算，構成碼型的調制模塊可以按實際需求進行調換。在傳輸時，由基帶控制模塊產生訓練序列和幀頭，并加入驗證碼。驗證代碼用于對多個使用者之間的數據傳輸進行區分。另外，為了直接改變編碼率調節指令，還要執行傳輸的數據率控制。而接收模塊控制主要就是完成信號的解調工作，具體的信號解調過程可以表示為：

(7)

式中，y(m)和r(m)分別為接收端的實際接收數據和解調處理結果，λ為解調系數。由此完成對通信信道發送端和接收端的控制。

2.5.3 信道傳輸干擾控制

受到多個5G通信下行信道的相互影響，信道內部可能會出現干擾信號，這也是導致傳輸數據丟失的關鍵因素之一。因此在信道執行傳輸任務過程中，需要檢測信道中是否存在干擾，并對干擾信號進行抑制控制。利用周期特性檢測方式，即利用信號與噪聲的差異性，對其進行了周期平滑分析。在通訊系統中，由于信號的采集、調制等過程會使信號的統計特征發生顯著的周期性變化，而噪聲是一種穩定的信號，它的統計特征沒有周期性，因此可以利用周期平滑特征對信號進行識別。公式(8)表示了5G通信下行通道的噪聲信號原理。

(8)

式(8)中，變量T、f和t分別代表周期、頻率和檢測時間，xi(u)為實時通信信號。最終計算得出S(f)的值為0，表示當前通信下行信道中無噪聲信號，否則證明當前信道存在噪聲信道，且信號的干擾度可以表示為：

Intψ(c) = ∑n(c)×ωi(j)

(9)

其中：n(c)和ωi(j)分別為噪聲信號及其所在信道的權重值。最終針對存在噪聲信號的信道采用前向連續均值消除的方式進行噪聲抑制控制，對無干擾信道的干擾功率進行統計，設置控制門限值，之后將信道干擾度與設置門限值進行比較，將低于閾值的信道視為無干擾信道，大于閾值的信道被視為干擾信道，隨后未受到干擾的信道干擾度并重新計算門限值重新比較，直到未受到干擾的信道數目固定不變[19]。

2.5.4 信道傳輸速率控制

采用多通信信道并行傳輸的方式，實現5G通信下行信道傳輸速度的控制。將命令發送到分布式大數據多通道數據存儲和處理模塊中的管理 RF狀態機，讀取分布式大數據傳送通道中的數據，加快數據的處理和傳送，并對數據進行管理，使得數據可以多通道并行傳輸。在完成了這些數據的處理之后，多通道并行管理單元會再次發出命令，允許通道的正常工作[20]。在此期間，必須對各通道進行持續的掃描，一旦發現了超負荷的通道，必須馬上進行相應的處理，防止對其他分布的大數據通道造成干擾，同時保證多個分布的大數據傳輸通道可以同時并行，從而避免在大容量分布式數據傳輸中發生的傳輸差錯和通道沖突，從而間接地控制信道的傳輸速度。

3 系統測試

以測試設計的基于聚合等級的5G通信下行信道傳輸控制系統的控制效果為目的，設計系統測試實驗，采用黑盒測試的方式判斷系統的控制功能是否能夠正常使用，并通過與傳統信道傳輸控制系統的對比，體現出設計系統在控制功能方面的優勢。

3.1 搭建5G通信下行信道研究對象

此次系統測試實驗選擇某市的5G通信網絡作為研究背景，通信網絡采用無線的方式布設全市。選擇的5G通信網絡選擇中共包含3 746條長短不等的信道，包括下行物理共享信道、廣播信道等多種類型，各個信道之間通過交換機連接，實現數據類型的轉換，為數據的安全穩定傳輸提供支持。為了降低系統測試實驗的工作量，選擇該市某一區域的20條通信下行信道作為研究對象，該區域信道的平均帶寬和子載波帶寬分別為25 MHz和15 MHz，不同位置上的信道帶寬會存在細微差異。通信下行信道研究對象的載波頻率均為6 GHz，調制階數等級為QPSK，子幀大小均為3 RB，包含1、2、4和8共4種類型的聚合等級信道。

3.2 準備下行信道傳輸數據樣本

收集2021年12月該市多個通信網絡數據庫中的數據作為系統測試實驗的傳輸數據樣本，并將其劃分成多個下行信道傳輸任務，具體的任務設置情況，如表2所示。

表2 下行信道傳輸任務設置表

將準備的傳輸數據樣本轉換成信道可以直接處理的形式，并將其保存到系統運行環境中。在此基礎上根據不同傳輸數據的特征與需求，設置其傳輸數據，并以此作為系統的傳輸控制目標。

3.3 設置系統測試指標

此次系統測試實驗主要針對系統的傳輸控制功能進行測試，設置的測試指標分別為傳輸速率控制誤差、傳輸數據丟失量、傳輸擁塞概率。其中傳輸速率控制誤差反映了系統的速率控制效果，該指標的數值結果為：

(10)

式中，變量vcontrol-i和vact-i分別表示通信下行信道i的控制目標速率值和實際傳輸速率值，可以通過調取系統后臺數據直接得出，參數num代表該傳輸任務需要占用的信道數量。傳輸數據丟失量用來驗證控制系統對5G通信下行信道干擾的控制效果，傳輸數據的丟失量越大，證明信道的干擾控制效果越差。傳輸數據丟失量測試指標的量化結果可以表示為：

(11)

式中，Wsend和Wreceive分別對應的是發送端數據量和實際接收數據量。此外，傳輸擁塞概率指標反映了系統發送端/接收端以及并行控制效果，該指標的數值結果表達式如下：

(12)

其中：Wconflict和Wsuc為單位時間內信道傳輸發生沖突和正常發送的數據總數。最終計算得出的εv、Loss和ηcongestion取值越小，說明對應通信下行信道傳輸控制系統的控制功能越優。

3.4 描述系統測試過程

按照硬件系統的優化設計結果搭建硬件實驗環境，并通過調試保證所有的硬件設備在實驗環境中均能夠正常運行。除了硬件系統設備外，在實驗環境中加設一個代碼調試器，為用戶提供 DSP 代碼調試的集成開發軟件，該軟件具備良好的實時分析和源代碼編寫等功能。系統的軟件部分使用了c#開發的 Winform Windows操作系統。可以完成16個串口的測試，并統計接收的數據統計和正確率。在配置好的實驗環境中，將設計系統的軟件功能轉換成程序代碼，直接導入到主測計算機中得出系統運行界面。逐一調取準備好的下行信道傳輸數據樣本，同時啟動通信傳輸與傳輸控制程序，由于設計系統應用了聚合等級的概念進行信道選擇，其中編號1傳輸任務的選擇結果如圖5所示。

圖5 通信下行傳輸信道選擇結果

同理可以得出其他傳輸任務的信道傳輸結果，進而得出最終的下行信道傳輸與控制結果，如圖6所示。

圖6 5G通信下行信道傳輸控制結果示意圖

在系統運行過程中記錄發送數據量、接收數據量、沖突數據量等參數。為了體現出設計系統的控制功能優勢，實驗設置文獻[2]提出的基于A3C的信道傳輸控制系統作為實驗的對比系統，按照上述流程執行相應的傳輸與控制操作，并得出相應的測試結果。在系統的運行測試過程中，需要保證輸入的傳輸任務數據以及通信下行信道研究對象均相同，從而保證系統測試實驗變量的唯一性。

3.5 系統測試結果分析

3.5.1 信道傳輸速率控制效果分析

通過信道傳輸速率的測定以及數據的可視化轉換，對表2中的下行信道傳輸任務進行傳輸控制，得出反映信道傳輸速率控制效果的測試結果，并應用公式計算式(10)計算傳輸速率控制誤差，如圖7所示。

圖7 信道傳輸速率控制效果測試對比結果

將圖7中的數據代入到公式(10)中，可以計算得出文獻[2]系統和設計控制系統傳輸速率控制誤差的平均值分別為15.7 MB/s和4.6 MB/s。由此可見，應用設計的信道傳輸控制系統可大幅降低傳輸速率控制誤差，提升信道傳輸速率控制效果。

3.5.2 信道傳輸丟包量統計分析

統計每次傳輸任務的發送與接收數據量，得出兩種控制系統應用下，信道傳輸丟包量的測試統計結果，如表3所示。

表3 信道傳輸丟包量統計結果

3.5.3 信道擁塞概率測試分析

在信道執行傳輸任務過程中，觀察傳輸數據流的實時狀態，統計沖突數據量以及正常傳輸數據量，得出信道擁塞概率測試結果數據，如表4所示。

表4 信道擁塞概率測試結果數據表

通過公式(12)的計算，得出文獻[2]系統系統和設計控制系統下，信道擁塞概率平均值的測定結果分別為3.28%和0.69%。從上述測試結果數據中可以看出，設計控制系統下信道傳輸速率控制誤差、傳輸丟包量以及信道擁塞概率均低于對比控制系統，即設計的基于聚合等級的5G通信下行信道傳輸控制系統具有更佳的控制效果。

4 結束語

綜上所述，通過聚合等級概念的提出與應用，有效提升了對5G通信下行信道傳輸控制效果，對于5G通信技術的推廣與全面覆蓋提供有效支持。將基于聚合等級的5G通信下行信道傳輸控制系統應用到實際工程中，實現5G時代網絡信息的快速傳輸。