Linux平台的卫星通信终端物理层控制软件设计

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(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065；2.中国科学院)

引 言

卫星通信凭借自己独特的优势，在一些领域有着不可替代的作用。在战争和重大自然灾害中，当地面蜂窝系统遭到较大破坏时，卫星移动通信系统可作为一种应急通信手段[1]。汶川地震后，中国启动了自主移动通信卫星系统的立项论证，决心填补国家在卫星移动通信领域的空白。在此背景下，我国第一代卫星移动通信系统应运而生[2]。

为了给我国首个具有自主知识产权的卫星移动通信系统进行推广及应用提供终端方面的帮助，本文参考GMR-1 3G标准，设计了一套终端物理层控制软件，该软件满足对基带芯片内各模块的控制以及与协议栈处理系统之间的交互控制需求，能够结合仪表、协议栈以及终端射频完成协议一致性测试，充分证实了该软件的实用性和有效性。

1 GMR-1 3G空口物理层简介

GMR-1 3G标准是由欧洲电信标准化研究所ETSI发布的可与地面3G核心网互连的静止轨道卫星移动通信系统技术规范，是伴随地面蜂窝标准演进的宽带卫星移动通信系统的一个重要标准[3]。

1.1 GMR-1 3G系统物理资源

GMR-1 3G标准的帧结构和GMR-1 兼容，载波带宽是31.25 kHz，一共有1 087个载频，单载频的符号速率为23.4 ksps。虽然GMR-1 3G标准是面向地面3G标准的，但其空中接口并没有采用与地面3G系统相同的WCDMA/FDD体制，而是保留了在卫星系统中成熟的TDMA/FDD体制[4]。以时分多址接入帧为单位，划分为5个层次：超超帧(Hyperframe)、超帧(Superframe)、复帧(Multiframe)、帧(Frame)和时隙(Timeslot)[5]。每个时隙又称为一个突发序列(Burst)，系统帧结构如图1所示。

图1 系统帧结构

1.2 信道类型及编码调制方式

卫星无线接口定义了一系列逻辑信道，可分为两大类：业务信道(TCH)和控制信道(CCH)。业务信道主要有TCH3、TCH6、TCH9，后面的数字表示每个突发所占时隙数；控制信道主要有5时隙突发的FCCH、10时隙突发的BCCH、5时隙突发的BACH、10时隙突发的PCH、15时隙突发的RACH以及10时隙突发的AGCH[6-8]。

表1 信道参数

2 物理层控制软件架构

基于GMR-1 3G的物理层控制软件可用于终端基带芯片物理层协议一致性测试和射频一致性测试。为了充分合理地对基带芯片资源进行调度，更好地完成协议一致性和射频一致性测试，物理层控制软件采用“C+汇编”的程序结构，其中C语言是软件的主要设计语言，汇编语言主要用于实现控制系统的时延和对L1C系统寄存器进行配置。整个物理层控制系统采用其中断功能完成每个信道处理的调度过程，各层信令间通过API机制进行交互。为满足控制系统对实时性的要求，该软件采用的处理器为OpenRisc。

2.1 软件设计思路

本软件的设计思路基于协议的物理层功能，通过分析物理层功能建立物理层状态机，物理层控制是按照状态对物理层进行任务的调度，所以按照终端从开机到呼叫结束的通信流程，把物理层划分为8个状态：NULL(设备掉电状态)、INIT(设备初始化状态)、CONFIG(MAC层对物理层进行基本配置状态)、READY(基本配置完成，MAC启动PHY进入正常数据接收状态)、SEARCH BCH(物理层监听BCCH/CCCH)、BCH(物理层监听某频点BCCH/CCCH，准备好随机接入过程)、TUNING DCH(物理层捕获专有信道)，以及DCH(物理层已经获得专有信道，可以进行逻辑信道建立和数据传输)[9-10]。各状态之间的转换如图2所示。

图2 物理层状态转移图

2.2 软件系统组成及其主要功能

图3描述了物理层控制软件功能结构，分为下行接收链路和上行发送链路。该功能结构由5个模块组成：①软件状态匹配模块，主要完成物理层状态的选择，物理层控制系统根据相应的状态进行跳转，进入相应状态下的任务处理函数[11]；②原语解析模块，主要解决高层给物理层的数据传递问题，每一条原语都有原语头，物理层控制通过读取原语头部确定高层发给物理层的原语是对应哪一条[11]，通过在内存中开辟空间创建结构体，将原语中的参数插入到结构体中，然后把数据从结构体搬到全局变量中；③配置射频收/发数据模块，物理层控制软件通过配置射频模块的相关寄存器，设置收发数据的帧号、时隙号、接收/发送增益等参数来控制射频模块的收发任务，其中TBU单元提供发送计数器和接收计数器给外部模块，提供固定的时隙、帧、多帧、系统帧计数及中断；④L1C与

IRX_ASIP/TX_ASIP交互模块，从射频接口传送过来的数据通过DMA方式传给内置接收机做相关的数据处理，该模块负责配置DMA地址、待处理数据的长度等相关参数，为了避免数据覆盖，采用“乒乓”的存储方式；⑤调用加速器模块，通过L1C调用ORX对数据进行Turbo译码(或Viterbi译码)和CRC校验处理。

图3 物理层控制软件设计方案图

3 物理层控制软件工作流程

基于板上测试环境，以小区搜索为例，软件的工作流程(见图4)如下：

① L1C软件开始从main文件执行，main文件中主要是状态匹配函数、物理层初始化、物理层配置函数，主要实现搭建物理层状态机的框架，初始化全局变量，配置NAND Flash、射频芯片的初始带宽、收发增益、收发频点等功能。

② 初始化和配置工作完成后，MAC层下发FCCH搜索请求，物理层接收到上层下发的FCCH搜索请求后，在消息解析函数中将状态机的状态置为STATUE_FCCH_SEARCH，执行主函数的小区搜索函数，在这里配置RFIU任务，首次配置任务时，一次配置两次，因为接收天线开启后，空口在不停地接收数据，在将数据传送给下一个处理单元的时间期内，空口也在接收数据，这时原来buffer的数据也许还没有传送完，所以要开两个buffer，pingpang地去处理，之后的配置只需一次配置一个任务。

③ 射频芯片对数据完成A/D采样和滤波后，从射频口传送给基带芯片，此时会发送RFIU中断给L1C，L1C再去配置DSP，写命令给DSP对接收的数据做相应的处理，等待DSP启动。

④ IRX_ASIP对接收到的FCCH数据做完处理后，IRX_ASIP会通过中断控制模块给L1C发送中断，L1C根据中断携带的API tag进入对应的处理函数中。对于FCCH搜索，L1C根据DSP反馈的参数判断是否收到FCCH信道，若没有，继续配置射频任务去搜，然后将射频收到的数据交给DSP做相应的处理，这里会判断如果搜索FCCH的次数超过设定的阈值，就调整接收增益去搜索，将接收增益调整为最小值去搜，若仍然没搜到，则换频点搜索。反之，若解调出来有FCCH信息，则根据时频信息做初始的时频同步，暂时关掉射频。配置下一个接收任务，即配置BCCH信道的接收任务，同时将状态机的状态置为STATUE_BCCH_CAMPING。

4 功能测试

由于所开发的终端物理层控制软件主要实现协调控制基带芯片多个处理单元之间的工作，以及基带处理系统与协议栈处理系统之间、基带处理系统与射频系统之间的交互，进而能联合卫星终端综测仪完成基带芯片的协议一致性测试和终端联测，因此软件的测试标准为是否能实现物理层信道实时收发功能。该软件是基于特定的硬件平台——DX-S301基带芯片环境和特定的协议，所以目前没有通用的仿真平台，只能直接板上验证测试。

图5是根据实物测试环境描绘出的简图。仪表产生的信道数据块通过射频线传输至通信模块(Communication Process Module)，基带板上三个COM口分别用来传输终端AT指令、查看终端物理层log信息、查看终端协议栈log信息。PC机的用途有：通过网线连接PC机与协议分析仪，发起对仪表的远程可视化界面操作，使用特定的Test Manager软件管理所有测试例；利用DS-5中对应的编译器对终端物理层和协议栈代码进行编译，形成axf文件，借助于DSTREAM仿真器将程序加载到NAND Flash。表2给出了部分测试例的测试情况。

图4 物理层控制软件工作流图

图5 测试环境简图

测试例所涉及的信道类型终端AT指令操作测试时长时频校正(CS)FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH/PDCH开机/附着/去附着/关机2m41s576msMES能力查询正常流程FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH8开机/拨号/关机2m20s373msMES能力查询异常流程FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH8开机/拨号/关机2m3s367msMES等待RRCCONNECTIONSETUP消息T300超时重传FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH开机/关机2m24s248msMES发起的PDP上下文激活FCCH/BCCH/RACH/AGCH/DACCH/PDCH开机/附着/PDP激活/去附着/关机4m20s137ms

测试的方式是按照终端基本的通信流程来进行：收FCCH信道—调整时频偏—正确收取BCCH广播信道—发起随机接入—入网—进行业务传输，通过对射频模块相关寄存器的配置实现收发数据的实时性。测试结果表明，该物理层控制软件能实现调度基带芯片模块对信道进行相关的处理以及与MAC层交互的功能，从而保证终端通信流程的正常进行。测试时长说明L1C软件能够实时地配合协议栈完成测试，成功地在规定时间内完成通信流程。

结 语

[1] 程宇新,罗常青,吴建军.新一代GEO卫星移动通信新标准GMR-13G简介[C]//第六届卫星通信新业务新技术学术年会.中国:北京,2010.

[2] 王京,赵明,晏坚.关于发展卫星移动通信系统的一些思考[C]//第六届卫星通信新业务新技术学术年会.中国:北京,2010.

[3] 朱哲,周洁,刘洋,等.基于GMR-1的卫星移动通信系统模拟信关站物理层软件的实现[J].高技术通讯,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系统终端物理层控制的设计与实现[J].计算机测量与控制,2014,22(1):88-90,99.