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計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，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計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

基于FemtoForum eNodeB側物理層與高層FAPI設計了終端側（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協議架構

LTE制式車載電臺（也稱終端，簡稱UE）是基于LTE標準研制的新型車載設備，主要是為了實現高速鐵路場景下的車地數據通信、集群語音和視頻通信等功能，涉及到的關鍵技術包括高速移動環境下LTE快速切換技術、多頻點適配技術、高速移動環境下LTE接入技術等。LTE制式車載電臺基于標準的LTE協議，采用無線接口協議棧如圖1所示［1］。

無線接口協議主要用來建立、重配置和釋放各種無線承載業務。該協議主要分三層兩面，三層包括物理層（層一）、數據鏈路層（層二）和網絡層（層三），兩面指控制平面和用戶平面。注意圖1中許多協議實體對于用戶面和控制面都是通用的。

控制面協議棧主要負責對無線接口的管理和控制，包括NAS協議、RRC協議、MAC/RLC/ PDCP協議（這三層稱為數據鏈路層）和物理層協議。

用戶面協議棧主要負責用戶業務數據的傳輸和處理，包括MAC/RLC/PDCP協議（這三層統稱為數據鏈路層）和物理層協議［2］。

各層之間通過標準協議進行用戶數據的傳輸，但是并沒有規范各層間如何傳遞控制信息（即信令），而信令對于系統的運行是非常重要的。目前，不同制造商生產的設備各層間信令交互均采用不同的實現。這對于集成商而言是個令人頭疼的問題，一般為了保證系統正常高效的運行，只能采用同一制造商的層一，層二和層三協議。

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，FemtoForum目前只推出LTE eNodeB側的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FAPI應用到UE側，實現UE側物理層與高層采用FAPI交互。

2 FAPI結構

eNodeB側L1 API交互如圖2所示，該圖提供不同的L2/L3協議層與物理層采用L1 API交互的一個示例，該示例中PHY控制實體負責配置過程（P5），MAC層負責與物理層間用戶數據的交互（P7）［3］。

eNodeB側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個子過程的執行實現了PHY層狀態變更，這里將物理層分為空閑（IDLE）、配置（CONFIGURED）和運行（RUNNING）3種狀態，狀態轉移如圖3所示。

圖2　L1 API交互圖

圖3　狀態轉移圖

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（隨機接入）過程、ULSCH（上行共享信道）過程、CQI（信道質量指示）過程和SR（調度請求）過程。

配置過程負責物理層管理，使用頻率不太頻繁。而子幀過程定義了每1 ms子幀的結構，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字節的Tag參數，1字節的Length參數和Value參數組成（Value參數的長度需確保整個TLV大小是4字節的倍數）。

子幀消息的消息體是由PDUs（Packet Data Unit，包數據單元）組成的。每個包數據單元基本格式為2字節的SFN/SF參數、2字節的Length參數（可選）和具體配置參數（可選）組成。

3 UE FAPI設計

UE側PHY與高層主要涉及內容如下：

1）PHY如何從高層獲取配置信息（配置信息主要來自eNB側）；

2）PHY如何向高層傳遞從空口接收到數據（這些數據可能由高層協議解析）；

3）PHY如何接收高層傳來的上行用戶數據。

通過分析可知2）和3）均可采取相同處理方式，唯一的區別在于1），對于eNB側高層，所有的配置消息均是已知的，可以自由組裝，但對于UE側高層，需要通過PHY或高層解析eNB發來的數據以獲取配置信息，其中由PHY解析出的配置數據，需要上報給UE高層。

由于eNodeB發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接收或發送數據，所以，UE側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（一方發送數據，另一方則接收數據）且UE有自身的特點，所有需要對eNodeB側L1 API做出調整以適應UE。

UE與eNodeB的區別如下：

1）UE只關注自身，而eNodeB控制轄區內所有UEs，所以UE物理層與L2/L3交互的數據量相對于eNodeB要小很多；

2）UE需要通過小區搜索獲取下行同步，通過發送PRACH獲取上行同步，而eNodeB側沒有這兩個過程；

3）UE側在維護SFN/SF同步的同時，還需要維護TA（Time Advance）值，而eNodeB側不用維護TA值；

4）UE側需要進行服務小區和鄰區測量，以進行小區重選和小區切換，而這不是eNodeB的功能；

5）UE側需要接收PBCH，PDCCH，PCH， DL-SCH等下行物理信道數據，而對eNodeB側則屬于發送過程，兩者方向相反；

6）UE側 需 要 發 送PARCH，PUCCH和PUSCH等上行物理信道數據，而對eNodeB側則屬于接收過程，兩者方向相反。

通過分析，主要關注6個方面，其他可與eNodeB側L1 API保持一致，設計描述如下。

3.1配置過程

對于UE側PHY，在RUNNING狀態下還需要維護ASYNC，DL-SYNC和SYNC 3種狀態。

1）當ASYNC狀態（相當于DETACHED模式）時，需要通過START.request消息觸發小區搜索過程，進行下行同步。UE在ASYNC狀態下，只能接收PSS/SSS，小區搜索成功后轉入DLSYNC狀態；

2） 當DL-SYNC狀 態（ 相 當 于IDLE模式）時，需要通過L2/L3觸發或PHY主動接收PBCH，啟動BCH過程。然后由L2/L3觸發PCFICH過 程、PHICH過 程、PDCCH過 程 和PDSCH過程、目的是解SIB（系統信息塊）消息，以獲取配置信息。另外，還需要一直接收PCH對應的PDSCH，因為PCH攜帶配置變更等系統信息以便發起小區重選。最后可由L2/L3觸發PRACH過程進行上行同步。上行同步成功后，由PHY向L2/L3發RACH.indication并轉入SYNC狀態；

當UE處于DL-SYNC狀態時，可處理所有下行信道，但只能處理PRACH一個上行信道（得到SIB2消息后才可發起）。

3）當SYNC狀態（相當于ACTIVE模式）時，表示上下行均已同步，UE可以正常發送和接收。

在DL-SYNC和SYNC狀態，UE均需進行測量包括鄰區測量，測量結果需要反饋給L2/L3，對于SYNC狀態下的測量，UE需要提交測量報告給eNodeB。

各狀態轉移關系如下：

1）當上行失步時，UE由SYNC狀態轉入DL-SYNC；

2）當上下行均失步或下行失步時，UE由SYNC狀態轉入ASYNC狀態；

3）當下行失步時，UE由DL-SYNC狀態轉入ASYNC狀態。

狀態轉移如圖4所示。

圖4　狀態轉移圖

3.2子幀過程

3.2.1SFN/SF同步過程

UE側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；上行同步則以eNodeB側下發的TA（Timing Advance）值為準。

當小區搜索成功，則向L2/L3發SUBFRAME. indication，PHY會進入DL-SYNC狀態；

PHY根據L2/L3下發的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L2/L3（具體為MAC層）會保存最近一次Timing Advance調整值，當UE收到新的Timing Advance Command后，會計算出最新的Timing Advance調整值，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發送SUBFRAME.indication，包含內容為SFN/SF=M；

2） 如果UE高層解到eNodeB發來的TimingAdvance Command（ 位 于Timing Advance Command MAC control element），則設置TA= newTA；否則，置TA=0；

3） 由L2/L3向PHY發送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，此時若TA！=0，則說明上行同步成功，設置PHY狀態為SYNC；若TA=0，則說明上行未同步成功，設置PHY狀態為DL-SYNC；

5） 如果M與N不相等，則認為下行失步，此時不論TA是否為0，PHY都會向L2/L3發送不匹配的指示ERROR.indication并將狀態置為ASYNC。

下行失步的條件：

a.DL-SYNC狀態下，PHY根據高層指示做小區測量（SIB消息指示），如果測量指標不滿足條件，則觸發小區切換，這樣就會進入下行失步狀態并切換到指定小區；

b.在SYNC狀 態 下，PHY會 進 行Radio Link監控（non-DRX模式下每個無線幀監控一次；DRX模式下每DRX周期監控一次），當監控指標低于閾值，則認為失步，這時PHY會轉入ASYNC狀態觸發小區重選（Cell_Reselect. request）。

c.DL-SYNC狀態或SYNC狀態下高層指示的SFN/SF與PHY接收到的不一致，也可認為下行失步，PHY會轉入ASYNC狀態觸發小區重選。

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側對應的過程相反，后3個過程為新增過程。下面以BCH過程為例進行介紹。

有兩種BCH接收方案（這兩種方案的前提是PHY處于RUNNING狀態）：

1）UE側小區搜索后主動盲檢PBCH，但PHY需要主動發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PBCH過程

PHY盲解PBCH后發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度上行UCI PDUs：

1）如果上行HARQ信令計算在MAC層執行，則可使用UCI_ HARQ PDU，該PDU在UE被調度僅發送ACK/NACK應答時使用；

2）如果UE半靜態配置信息保存在MAC層，則可使用UCI_CQI PDU，該PDU在UE被調度僅發送CQI時使用；

3）如果上行HARQ信令計算在MAC層執行且UE半靜態配置信息保存在MAC層，則可使用UCI_CQI_HARQ PDU，該PDU在UE被調度同時發送CQI和ACK/NACK應答時使用。

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，支持半靜態配置信息保存在MAC層或物理層，支持RACH相關配置保存在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，所以具體實現時要根據實現復雜度、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間應進行盡量減少消息交互。

下一步會將UE FAPI應用于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技術原理與系統設計［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）