一種MUOS下行鏈路系統(tǒng)消息解碼方案的設(shè)計(jì)

冷若蘭+萬國金

摘 要： 針對傳統(tǒng)的解碼方法需要借助編解碼器的問題，以及MUOS系統(tǒng)消息結(jié)構(gòu)不確定的特點(diǎn)，提出一種更加簡單的系統(tǒng)消息解碼方法。在不使用ASN.1編譯器的同時(shí)通過具體解析RRC消息結(jié)構(gòu)的方法提取特定的系統(tǒng)信息，并將方案首次用于MUOS。用實(shí)際的MUOS數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真測試，仿真結(jié)果中主擾碼號(hào)與主擾碼識(shí)別的結(jié)果一致，證明了方案能夠準(zhǔn)確解碼MUOS下行鏈路系統(tǒng)消息。

關(guān)鍵詞： MUOS； 仿真測試； 系統(tǒng)消息解碼； RRC

中圖分類號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）23?0006?04

Abstract： Since the traditional decoding method needs the help of the encoder and decoder， and the system message structure of MUOS is uncertain， a simpler system message decoding method is proposed. The method to analyze the specific RRC message structure is used to extract the specific system message without ASN.1 compiler. The scheme is first used for MUOS. The simulation test is performed with the actual MUOS data. The primary scrambling code number in the simulation results is consistent with the recognition result of the primary scrambling code， which proves that the scheme can decode the downlink system message of MUOS accurately.

Keywords： MUOS； simulation testing； system message decoding； RRC

0 引 言

移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS）是首個(gè)借鑒WCDMA技術(shù)體制的軍事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]，對于我國衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展而言，深刻理解移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)的建設(shè)和相關(guān)技術(shù)為我國未來的衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展提供了重要的借鑒意義。WCDMA以及MUOS中的系統(tǒng)消息非常重要，包含大量的參數(shù)，這些參數(shù)包括網(wǎng)絡(luò)屬性信息、核心網(wǎng)信息、小區(qū)選擇與重選以及測量信息。研究系統(tǒng)消息包含的信息是了解網(wǎng)絡(luò)的重要一步，也是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的關(guān)鍵一步。

近幾年人們大量研究MUOS的網(wǎng)絡(luò)組成和相關(guān)技術(shù)。文獻(xiàn)[2]指出美軍空間力量建設(shè)是其他國家競相模仿的“藍(lán)本”，研究美軍衛(wèi)星系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對我國空間力量的發(fā)展意義重大。重點(diǎn)研究了在軌美軍衛(wèi)星部署情況和作戰(zhàn)能力。文獻(xiàn)[3]提到MUOS是一種全新的UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)，研究MUOS對于其他國家的衛(wèi)星建設(shè)具有指導(dǎo)意義。介紹了MUOS系統(tǒng)的主要組成部分。文獻(xiàn)[4?5]介紹了MUOS的關(guān)鍵技術(shù)以及與WCDMA的比較，其中包括空中接口技術(shù)、RAKE接收技術(shù)、抗干擾技術(shù)等。與傳統(tǒng)的UEH頻段衛(wèi)星系統(tǒng)相比，MUOS容量更大，具有更好的可移動(dòng)性、更高的數(shù)據(jù)速率以及可靠性。MUOS可以為建設(shè)衛(wèi)星系統(tǒng)提供參考。目前為止，人們重點(diǎn)關(guān)注MUOS的整體組成與技術(shù)，很少研究MUOS內(nèi)部消息的構(gòu)成。為更加了解MUOS，本文研究MUOS內(nèi)部消息的構(gòu)成，其中系統(tǒng)消息是研究的關(guān)鍵一步。

用于WCDMA系統(tǒng)消息解碼的方法需借助編解碼器，文獻(xiàn)[6]中消息解析部分使用ASN.1編解碼器，借助ASN.1 TOOL工具生成協(xié)議解析結(jié)果，完成WCDMA系統(tǒng)消息的解碼。本文在傳統(tǒng)解碼方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種更加簡單的系統(tǒng)消息解碼方法，并用于MUOS。整個(gè)解碼流程分為六個(gè)步驟，分別對應(yīng)數(shù)字下變頻、解調(diào)、同步、物理層解碼、數(shù)據(jù)鏈路層解碼、RRC層解碼。其中前三步使用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)，方法成熟。本文側(cè)重研究物理層解碼、數(shù)據(jù)鏈路層解碼以及RRC層解碼。設(shè)計(jì)完成后對方案進(jìn)行整體測試，并將方案用于實(shí)際MUOS。測試結(jié)果表明，此方案能夠正確有效地解碼MUOS的系統(tǒng)消息，尤其針對特定的信息提取具有更加簡單有效的優(yōu)勢。

1 MUOS下行鏈路系統(tǒng)消息解碼原理

MUOS是新一代戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠用于機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)、容量需求更大、對業(yè)務(wù)質(zhì)量要求更高的作戰(zhàn)平臺(tái)，可為所有移動(dòng)用戶提供全球窄帶衛(wèi)星通信。MUOS衛(wèi)星使用WCDMA體制，其系統(tǒng)主要包括空間段、地面段、用戶段三部分。MUOS的空中接口是移動(dòng)終端與基站之間的無線接口，是MUOS網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要接口。移動(dòng)用戶與基站之間的一些重要信令的傳輸都通過此接口，通過接收這些信令，移動(dòng)終端可以根據(jù)需要獲取L1，L2或L3的消息內(nèi)容。例如，通過系統(tǒng)消息的接收就能夠得到諸如小區(qū)標(biāo)識(shí)、公共信道信息、鄰小區(qū)列表等重要參數(shù)。通過這些參數(shù)就能夠得知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，對這些參數(shù)進(jìn)行分析就能發(fā)現(xiàn)和定位一些網(wǎng)絡(luò)中存在的問題。

本文研究BCH信道上廣播的系統(tǒng)消息。設(shè)計(jì)的MUOS下行鏈路系統(tǒng)消息解碼方案流程如圖1所示。

解碼方案的實(shí)現(xiàn)主要包括六大步驟。其中數(shù)字下變頻采用混頻以及降低采樣率的方法，解調(diào)采用QPSK解調(diào)，同步主要實(shí)現(xiàn)時(shí)隙同步、幀同步以及主擾碼識(shí)別。前三步是傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，方法成熟。本文方案主要討論物理層解碼、數(shù)據(jù)鏈路層處理以及RRC層解析過程，下面詳細(xì)介紹方案的步驟。

1.1 物理層解碼

物理層編碼與復(fù)用過程包含CRC 校驗(yàn)、信道編碼、交織、復(fù)用和物理信道映射[7]等。BCH信道不與其他信道復(fù)用，其解碼流程為解第二次交織、解第一次交織、信道譯碼、CRC校驗(yàn)。endprint

1.1.1 解交織

BCH信道經(jīng)過兩次交織過程，第一次交織為幀間交織，第二次交織為幀內(nèi)交織。發(fā)送端交織的方法是先確定交織器的行數(shù)和列數(shù)，也即先確定交織矩陣，然后把輸入的比特逐行寫入矩陣，再按照列間交換圖樣進(jìn)行列間交換，最后逐列讀出；解交織是交織的逆過程，即先確定交織器的行數(shù)和列數(shù)，然后把比特逐列寫入矩陣，再按照列間交換圖樣進(jìn)行相反的列間交換，最后逐行讀出[7?8]。

1.1.2 信道譯碼

BCH信道編碼采用編碼效率為[12]的卷積碼，相應(yīng)的解碼方式為Viterbi譯碼。

Viterbi譯碼是一種最大似然譯碼方法，主要過程有路徑度量的“加比選”運(yùn)算、度量的更新、路徑的更新和最大似然路徑的回溯等[9]。

1.1.3 CRC校驗(yàn)

CRC校驗(yàn)是數(shù)字通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長度可以任意選定。BCH信道校驗(yàn)采用CRC16，按照CRC粘貼算法對傳輸序列計(jì)算出CRC校驗(yàn)序列，該序列與接收到的CRC序列逐比特比較，如果完全一致，說明該傳輸塊接收正確，否則錯(cuò)誤[10]。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層解碼

數(shù)據(jù)鏈路層處理涉及的層有MAC子層和RLC子層，MAC層完成邏輯信道和傳輸信道之間的映射，BCH信道不與其他信道復(fù)用，沒有添加MAC頭。數(shù)據(jù)經(jīng)過RLC子層，采用透明傳輸，不添加任何消息控制頭。因此BCH信道上傳輸?shù)南⒃跀?shù)據(jù)鏈路層無編解碼過程。

1.3 RRC層解碼

地面站側(cè)發(fā)送系統(tǒng)消息之前，先要對每個(gè)信息塊進(jìn)行抽象語法編碼，RRC層消息的編碼方式為ASN.1，因此RRC層解碼就是ASN.1的解碼過程。

協(xié)議TS 25.331中規(guī)定，RRC消息采用ASN.1非對齊PER編碼規(guī)則。非對齊PER是PER編碼的一種變體，它要求所有信息單元按編碼規(guī)則生成的比特?cái)?shù)據(jù)將按其被編碼的順序首尾相連，中間不填充，是一種高效率的編碼方式，其解碼相對要復(fù)雜點(diǎn)。RRC層消息解碼包含信息塊組裝和信息塊解析兩個(gè)過程。

（1） 系統(tǒng)信息塊的組裝

系統(tǒng)信息消息的分段類型有四種：First segment， Subsequent segment，Last segment和Complete。構(gòu)成可能的組合有11種 ，每個(gè)系統(tǒng)信息消息就傳送這11種組合的一種情況[11]。組裝的過程就是獲取完整段、首段、隨后段以及最后段的信息，然后連接成完整信息塊。

（2） 系統(tǒng)信息塊的解析

組裝好系統(tǒng)信息塊后，就可對系統(tǒng)信息塊進(jìn)行解析。以Sib1為例，來看看解析的具體方法。依據(jù)協(xié)議[11]描述，將Sib1消息結(jié)構(gòu)抽取出來，見表1。表中是標(biāo)準(zhǔn)的消息結(jié)構(gòu)包含的內(nèi)容，理論上需要全部解析，實(shí)際上只需要從Optional選項(xiàng)開始即可。根據(jù)Optional的值來確定此選項(xiàng)是否存在。RRC層解析就是處理未解碼的數(shù)據(jù)比特流，按照協(xié)議[11]一層層解析，得到所需參數(shù)的過程。

2 解碼方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及改進(jìn)

針對信號(hào)采集器采集的實(shí)際空中交互數(shù)據(jù)，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析處理。圖2為解碼實(shí)現(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)，信號(hào)采集器實(shí)現(xiàn)信令的捕獲，捕獲到的信令傳給PC機(jī)進(jìn)行處理，這里的處理主要包含數(shù)字下變頻、同步、解擾解擴(kuò)、信道解碼、數(shù)據(jù)鏈路層解碼以及RRC層解析。其中數(shù)字下變頻采用混頻以及降低采樣率的方法，采用QPSK解調(diào)，同步主要實(shí)現(xiàn)時(shí)隙同步、幀同步以及主擾碼識(shí)別。

本文利用Matlab設(shè)計(jì)物理層解碼、數(shù)據(jù)鏈路層解碼以及RRC層解碼模塊，流程如圖3所示。數(shù)據(jù)經(jīng)過鏈路層為透明傳輸，不做詳細(xì)討論。

2.1 物理層解碼模塊的實(shí)現(xiàn)

以解擾解擴(kuò)后的數(shù)據(jù)作為物理層解碼模塊的輸入。物理層解碼模塊由四個(gè)子函數(shù)組成，分為解第二次交織、解第一次交織、信道譯碼以及CRC校驗(yàn)。解第二次交織函數(shù)將數(shù)據(jù)分為270 b數(shù)據(jù)塊作為輸入，輸出也為270 b的數(shù)據(jù)塊；將解第二次交織函數(shù)輸出的兩個(gè)270 b的數(shù)據(jù)塊同時(shí)作為解第一次交織函數(shù)的輸入，得到540 b；540 b的數(shù)據(jù)經(jīng)過信道譯碼函數(shù)的處理，得到246 b的數(shù)據(jù)塊；246 b的數(shù)據(jù)塊再經(jīng)CRC校驗(yàn)函數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。部分代碼如下所示：

經(jīng)驗(yàn)證，Sib11信息中返回的主擾碼號(hào)與主擾碼識(shí)別的結(jié)果一致，均為288。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的方案可以正確地解碼MUOS系統(tǒng)消息，并能夠獲得系統(tǒng)消息中包含的一些參數(shù)。由結(jié)果可知，國家碼（mcc）為901，網(wǎng)絡(luò)碼（mnc）為19；位置區(qū)碼在Sib1里包含，十六進(jìn)制表示為4；小區(qū)識(shí)別碼（cellIdentity）在Sib3里包含，十六進(jìn)制表示為30111。

4 結(jié) 論

本文提出一種用于MUOS系統(tǒng)消息的解碼方法，實(shí)現(xiàn)了MUOS系統(tǒng)消息解碼。整個(gè)解碼流程分為六個(gè)步驟，分別對應(yīng)數(shù)字下變頻、解調(diào)、同步、物理層解碼、數(shù)據(jù)鏈路層解碼、RRC層解碼。其中數(shù)字下變頻采用混頻以及降低采樣率的方法，解調(diào)采用的是QPSK解調(diào)，同步主要實(shí)現(xiàn)時(shí)隙同步、幀同步以及主擾碼識(shí)別。前三步是傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，方法成熟。本文側(cè)重討論了物理層解碼、數(shù)據(jù)鏈路層解碼以及RRC層解碼過程。其中RRC層解碼不需要借助ASN.1編譯器，使得方案更加簡單有效。本文將此方法首次用于MUOS系統(tǒng)消息解碼，最后還以MUOS系統(tǒng)空中傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)為處理對象對方案進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方法能夠正確地解碼MUOS系統(tǒng)消息，提取出系統(tǒng)消息中包含的一些參數(shù)，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性與正確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 杭添仁. 2015年世界通信衛(wèi)星發(fā)展回顧[J].數(shù)字通信世界，2016（2）：37?47.

[2] 李悅，李健良，房瑩.2015美軍軍用衛(wèi)星現(xiàn)狀和發(fā)展特點(diǎn)淺析[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2015（6）：667?674.

[3] OETTING J D， TAO J. The mobile user objective system [J]. Johns Hopkins applied technical digest， 2011， 30（2）： 103?112.

[4] 倪娟，佟陽，黃國策，等.美軍MUOS系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電訊技術(shù)，2012（11）：1850?1856.

[5] 王平.陸地及衛(wèi)星WCDMA系統(tǒng)下行鏈路關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[6] 周玉坤.WCDMA空中接口系統(tǒng)信息的接收、解析及應(yīng)用[D].南京：南京郵電大學(xué)，2005.

[7] 3GPP Organizational Partners. Multiplexing and channel coding （FDD）： 3GPP TS 25.212 V6.1.0 [S]. Valbonne， France： 3GPP Organizational Partners， 2003.

[8] 何琴.WCDMA UE鏈路接入及解碼去復(fù)用的實(shí)現(xiàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[9] 段高攀，杜慧敏，韓俊剛，等.可編程Viterbi譯碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014（3）：29?31.

[10] 張焱，任勇峰，齊蕾，等.基于FPGA的CRC校驗(yàn)算法的實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2015（1）：222?226.

[11] 3GPP Organizational Partners. Radio resource control （RRC）： 3GPP TS 25.331 V6.0.1 [S]. Valbonne， France： 3GPP Organizational Partners， 2004.endprint