LTE制式车载电台物理层与高层FAPI的研究

杨 凯

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

LTE制式车载电台物理层与高层FAPI的研究

杨 凯1，2

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

基于FemtoForum eNodeB侧物理层与高层FAPI设计了终端侧（即车载电台）的物理层与高层FAPI，从而解耦物理层与高层，实现灵活性和通用性。

LTE；车载台（UE）；高层（L2/L3）；物理层（PHY）；FAPI；过程；消息

1 概述

图1　UE协议架构

LTE制式车载电台（也称终端，简称UE）是基于LTE标准研制的新型车载设备，主要是为了实现高速铁路场景下的车地数据通信、集群语音和视频通信等功能，涉及到的关键技术包括高速移动环境下LTE快速切换技术、多频点适配技术、高速移动环境下LTE接入技术等。LTE制式车载电台基于标准的LTE协议，采用无线接口协议栈如图1所示［1］。

无线接口协议主要用来建立、重配置和释放各种无线承载业务。该协议主要分三层两面，三层包括物理层（层一）、数据链路层（层二）和网络层（层三），两面指控制平面和用户平面。注意图1中许多协议实体对于用户面和控制面都是通用的。

控制面协议栈主要负责对无线接口的管理和控制，包括NAS协议、RRC协议、MAC/RLC/ PDCP协议（这三层称为数据链路层）和物理层协议。

用户面协议栈主要负责用户业务数据的传输和处理，包括MAC/RLC/PDCP协议（这三层统称为数据链路层）和物理层协议［2］。

各层之间通过标准协议进行用户数据的传输，但是并没有规范各层间如何传递控制信息（即信令），而信令对于系统的运行是非常重要的。目前，不同制造商生产的设备各层间信令交互均采用不同的实现。这对于集成商而言是个令人头疼的问题，一般为了保证系统正常高效的运行，只能采用同一制造商的层一，层二和层三协议。

FemtoForum组 织 推 出 的FAPI（Femto Forum Application Programming Interface）定义了LTE L2/L3软件与L1 PHY之间接口，由于其规范性和通用性，得到很多制造商的青睐，纷纷采用FAPI作为高层（L2/L3）与物理层之间的接口，使得物理层和高层解耦合，这样集成商可以选择不同制造商的LTE高层和物理层。

然而，FemtoForum目前只推出LTE eNodeB侧的L1 API，并没有针对UE高层与物理层间的API，因此本文旨在研究如何将eNodeB侧FAPI应用到UE侧，实现UE侧物理层与高层采用FAPI交互。

2 FAPI结构

eNodeB侧L1 API交互如图2所示，该图提供不同的L2/L3协议层与物理层采用L1 API交互的一个示例，该示例中PHY控制实体负责配置过程（P5），MAC层负责与物理层间用户数据的交互（P7）［3］。

eNodeB侧FAPI分为L1 API过程（Procedures）和L1 API消息（Messages）两大部分。

2.1L1 API过程

L1 API过程分为配置过程和子帧过程。

配置过程又细分为初始化（Initialization）、终止（Termination）、重启（Restart）、重置（Reset）、重重配置（Reconfigure）、查询（Query）、通知（Notification）共7个子过程。通过前5个子过程的执行实现了PHY层状态变更，这里将物理层分为空闲（IDLE）、配置（CONFIGURED）和运行（RUNNING）3种状态，状态转移如图3所示。

图2　L1 API交互图

图3　状态转移图

子帧过程分为子帧信号（SUBFRAME Signal）过程、SFN/SF（System Frame Number/Subframe）同步过程、半静态信息（Semi-Static Information）过程、上行HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request）信令过程、下行过程和上行过程。其中下行过程又分为BCH（广播控制信道）过程、PCH（寻呼信道）过程和DL-SCH（下行共享信道）过程；上行过程分为RACH（随机接入）过程、ULSCH（上行共享信道）过程、CQI（信道质量指示）过程和SR（调度请求）过程。

配置过程负责物理层管理，使用频率不太频繁。而子帧过程定义了每1 ms子帧的结构，其使用周期为1 ms。

2.2L1 API消息

L1 API消息分为配置消息和子帧消息两部分。配置消息应用于配置过程，而子帧消息用于子帧过程。每个L1 API消息均由消息头，消息体和错误码组成。消息头是由消息类型ID，消息体长度和制造商专用消息体长度（vendor-specific body length）组成。

配置消息的消息体是由TLVs（Tag LengthValue）组成的，每个TLV由1字节的Tag参数，1字节的Length参数和Value参数组成（Value参数的长度需确保整个TLV大小是4字节的倍数）。

子帧消息的消息体是由PDUs（Packet Data Unit，包数据单元）组成的。每个包数据单元基本格式为2字节的SFN/SF参数、2字节的Length参数（可选）和具体配置参数（可选）组成。

3 UE FAPI设计

UE侧PHY与高层主要涉及内容如下：

1）PHY如何从高层获取配置信息（配置信息主要来自eNB侧）；

2）PHY如何向高层传递从空口接收到数据（这些数据可能由高层协议解析）；

3）PHY如何接收高层传来的上行用户数据。

通过分析可知2）和3）均可采取相同处理方式，唯一的区别在于1），对于eNB侧高层，所有的配置消息均是已知的，可以自由组装，但对于UE侧高层，需要通过PHY或高层解析eNB发来的数据以获取配置信息，其中由PHY解析出的配置数据，需要上报给UE高层。

由于eNodeB发送的控制信息一般都有提前量，UE有充分的时间获取这些配置信息并控制UE接收或发送数据，所以，UE侧PHY可以采用FAPI方式与L2/L3交互，但由于eNodeB和UE是方向相反的两个过程（一方发送数据，另一方则接收数据）且UE有自身的特点，所有需要对eNodeB侧L1 API做出调整以适应UE。

UE与eNodeB的区别如下：

1）UE只关注自身，而eNodeB控制辖区内所有UEs，所以UE物理层与L2/L3交互的数据量相对于eNodeB要小很多；

2）UE需要通过小区搜索获取下行同步，通过发送PRACH获取上行同步，而eNodeB侧没有这两个过程；

3）UE侧在维护SFN/SF同步的同时，还需要维护TA（Time Advance）值，而eNodeB侧不用维护TA值；

4）UE侧需要进行服务小区和邻区测量，以进行小区重选和小区切换，而这不是eNodeB的功能；

5）UE侧需要接收PBCH，PDCCH，PCH， DL-SCH等下行物理信道数据，而对eNodeB侧则属于发送过程，两者方向相反；

6）UE侧 需 要 发 送PARCH，PUCCH和PUSCH等上行物理信道数据，而对eNodeB侧则属于接收过程，两者方向相反。

通过分析，主要关注6个方面，其他可与eNodeB侧L1 API保持一致，设计描述如下。

3.1配置过程

对于UE侧PHY，在RUNNING状态下还需要维护ASYNC，DL-SYNC和SYNC 3种状态。

1）当ASYNC状态（相当于DETACHED模式）时，需要通过START.request消息触发小区搜索过程，进行下行同步。UE在ASYNC状态下，只能接收PSS/SSS，小区搜索成功后转入DLSYNC状态；

2） 当DL-SYNC状 态（ 相 当 于IDLE模式）时，需要通过L2/L3触发或PHY主动接收PBCH，启动BCH过程。然后由L2/L3触发PCFICH过 程、PHICH过 程、PDCCH过 程 和PDSCH过程、目的是解SIB（系统信息块）消息，以获取配置信息。另外，还需要一直接收PCH对应的PDSCH，因为PCH携带配置变更等系统信息以便发起小区重选。最后可由L2/L3触发PRACH过程进行上行同步。上行同步成功后，由PHY向L2/L3发RACH.indication并转入SYNC状态；

当UE处于DL-SYNC状态时，可处理所有下行信道，但只能处理PRACH一个上行信道（得到SIB2消息后才可发起）。

3）当SYNC状态（相当于ACTIVE模式）时，表示上下行均已同步，UE可以正常发送和接收。

在DL-SYNC和SYNC状态，UE均需进行测量包括邻区测量，测量结果需要反馈给L2/L3，对于SYNC状态下的测量，UE需要提交测量报告给eNodeB。

各状态转移关系如下：

1）当上行失步时，UE由SYNC状态转入DL-SYNC；

2）当上下行均失步或下行失步时，UE由SYNC状态转入ASYNC状态；

3）当下行失步时，UE由DL-SYNC状态转入ASYNC状态。

状态转移如图4所示。

图4　状态转移图

3.2子帧过程

3.2.1SFN/SF同步过程

UE侧同步分为上行同步和下行同步，下行同步是以PHY解MIB得到的SFN/SF为准；上行同步则以eNodeB侧下发的TA（Timing Advance）值为准。

当小区搜索成功，则向L2/L3发SUBFRAME. indication，PHY会进入DL-SYNC状态；

PHY根据L2/L3下发的TA值是否为0，判断上行是否同步，如果为0，则上行失步。

初始TA值是由L2/L3（具体为MAC层）解MAC PDU得到的。UE侧L2/L3（具体为MAC层）会保存最近一次Timing Advance调整值，当UE收到新的Timing Advance Command后，会计算出最新的Timing Advance调整值，L2/L3通过UL_CONFIG.request消息指示PHY。

以PHY期望下一个UL_CONFIG.request包含frame M信息为例（如图5所示），其过程如下：

1） PHY向L2/L3发送SUBFRAME.indication，包含内容为SFN/SF=M；

2） 如果UE高层解到eNodeB发来的TimingAdvance Command（ 位 于Timing Advance Command MAC control element），则设置TA= newTA；否则，置TA=0；

3） 由L2/L3向PHY发送UL_CONFIG.request （SFN/SF=N TA=newTA）；

4） 如果M=N，则表示处于正常的下行同步状态，此时若TA！=0，则说明上行同步成功，设置PHY状态为SYNC；若TA=0，则说明上行未同步成功，设置PHY状态为DL-SYNC；

5） 如果M与N不相等，则认为下行失步，此时不论TA是否为0，PHY都会向L2/L3发送不匹配的指示ERROR.indication并将状态置为ASYNC。

下行失步的条件：

a.DL-SYNC状态下，PHY根据高层指示做小区测量（SIB消息指示），如果测量指标不满足条件，则触发小区切换，这样就会进入下行失步状态并切换到指定小区；

b.在SYNC状 态 下，PHY会 进 行Radio Link监控（non-DRX模式下每个无线帧监控一次；DRX模式下每DRX周期监控一次），当监控指标低于阈值，则认为失步，这时PHY会转入ASYNC状态触发小区重选（Cell_Reselect. request）。

c.DL-SYNC状态或SYNC状态下高层指示的SFN/SF与PHY接收到的不一致，也可认为下行失步，PHY会转入ASYNC状态触发小区重选。

3.2.2下行过程

下 行 过 程 包 括BCH、PCH、DL-SCH、PDCCH、PCFICH和PHICH过程，其中前3个过程与eNodeB侧对应的过程相反，后3个过程为新增过程。下面以BCH过程为例进行介绍。

有两种BCH接收方案（这两种方案的前提是PHY处于RUNNING状态）：

1）UE侧小区搜索后主动盲检PBCH，但PHY需要主动发API消息，将解析出的MIB信息传给L2/L3，其流程如图6所示。

图6　PHY主动PBCH过程

2）由L2/L3触发PHY接收PBCH，其流程如图7所示。

DL_CONFIG.request（BCH PDU）；

从eNodeB接收到PBCH给PHY；

图7　L2/L3触发PBCH过程

PHY盲解PBCH后发BCH.indication（包含解出的MIB信息）给L2/L3。

3.2.3上行过程

上行过程分为RACH、UL-SCH、CQI、SR、PUCCH和测量过程，其中前5个过程与eNodeB过程相反，后2个过程属于新增过程。下面以PUCCH过程为例进行介绍，其流程如图8所示。

传输PUCCH必需的信息如下。

在UL_CONFIG.request包含子帧N+K1的UCI PDU，有多个可能的被用来调度上行UCI PDUs：

1）如果上行HARQ信令计算在MAC层执行，则可使用UCI_ HARQ PDU，该PDU在UE被调度仅发送ACK/NACK应答时使用；

2）如果UE半静态配置信息保存在MAC层，则可使用UCI_CQI PDU，该PDU在UE被调度仅发送CQI时使用；

3）如果上行HARQ信令计算在MAC层执行且UE半静态配置信息保存在MAC层，则可使用UCI_CQI_HARQ PDU，该PDU在UE被调度同时发送CQI和ACK/NACK应答时使用。

3.3L1 API消息

为了配合上述过程的修改，需要新增、删除和修改如表1所示的消息。

4 结论语

出于兼容性和灵活性考虑，L1 API支持上行HARQ信令在MAC层或物理层计算，支持半静态配置信息保存在MAC层或物理层，支持RACH相关配置保存在MAC层或物理层，支持周期CQI信息保存在MAC层或物理层以及支持SR信息保存在MAC层或物理层，所以具体实现时要根据实现复杂度、灵活性和效率等因素综合考虑配置位置。

在不影响兼容性和灵活性的前提下物理层与L2/L3间应进行尽量减少消息交互。

下一步会将UE FAPI应用于LTE制式车载电台。

图8　PUCCH过程

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，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，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）