一种MUOS下行链路系统消息解码方案的设计
冷若兰+万国金
摘 要： 针对传统的解码方法需要借助编解码器的问题，以及MUOS系统消息结构不确定的特点，提出一种更加简单的系统消息解码方法。在不使用ASN.1编译器的同时通过具体解析RRC消息结构的方法提取特定的系统信息，并将方案首次用于MUOS。用实际的MUOS数据进行仿真测试，仿真结果中主扰码号与主扰码识别的结果一致，证明了方案能够准确解码MUOS下行链路系统消息。
关键词： MUOS； 仿真测试； 系统消息解码； RRC
中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 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
移動用户目标系统（MUOS）是首个借鉴WCDMA技术体制的军事卫星移动通信系统[1]，对于我国卫星移动通信发展而言，深刻理解移动用户目标系统的建设和相关技术为我国未来的卫星移动通信发展提供了重要的借鉴意义。WCDMA以及MUOS中的系统消息非常重要，包含大量的参数，这些参数包括网络属性信息、核心网信息、小区选择与重选以及测量信息。研究系统消息包含的信息是了解网络的重要一步，也是网络优化的关键一步。
近几年人们大量研究MUOS的网络组成和相关技术。文献[2]指出美军空间力量建设是其他国家竞相模仿的“蓝本”，研究美军卫星系统的网络结构对我国空间力量的发展意义重大。重点研究了在轨美军卫星部署情况和作战能力。文献[3]提到MUOS是一种全新的UHF卫星通信系统，研究MUOS对于其他国家的卫星建设具有指导意义。介绍了MUOS系统的主要组成部分。文献[4?5]介绍了MUOS的关键技术以及与WCDMA的比较，其中包括空中接口技术、RAKE接收技术、抗干扰技术等。与传统的UEH频段卫星系统相比，MUOS容量更大，具有更好的可移动性、更高的数据速率以及可靠性。MUOS可以为建设卫星系统提供参考。目前为止，人们重点关注MUOS的整体组成与技术，很少研究MUOS内部消息的构成。为更加了解MUOS，本文研究MUOS内部消息的构成，其中系统消息是研究的关键一步。
用于WCDMA系统消息解码的方法需借助编解码器，文献[6]中消息解析部分使用ASN.1编解码器，借助ASN.1 TOOL工具生成协议解析结果，完成WCDMA系统消息的解码。本文在传统解码方法的基础上，设计一种更加简单的系统消息解码方法，并用于MUOS。整个解码流程分为六个步骤，分别对应数字下变频、解调、同步、物理层解码、数据链路层解码、RRC层解码。其中前三步使用传统方法实现，方法成熟。本文侧重研究物理层解码、数据链路层解码以及RRC层解码。设计完成后对方案进行整体测试，并将方案用于实际MUOS。测试结果表明，此方案能够正确有效地解码MUOS的系统消息，尤其针对特定的信息提取具有更加简单有效的优势。
1 MUOS下行链路系统消息解码原理
MUOS是新一代战术移动卫星通信系统，能够用于机动性更强、容量需求更大、对业务质量要求更高的作战平台，可为所有移动用户提供全球窄带卫星通信。MUOS卫星使用WCDMA体制，其系统主要包括空间段、地面段、用户段三部分。MUOS的空中接口是移动终端与基站之间的无线接口，是MUOS网络的一个重要接口。移动用户与基站之间的一些重要信令的传输都通过此接口，通过接收这些信令，移动终端可以根据需要获取L1，L2或L3的消息内容。例如，通过系统消息的接收就能够得到诸如小区标识、公共信道信息、邻小区列表等重要参数。通过这些参数就能够得知当前网络的运行状态，对这些参数进行分析就能发现和定位一些网络中存在的问题。
本文研究BCH信道上广播的系统消息。设计的MUOS下行链路系统消息解码方案流程如图1所示。
解码方案的实现主要包括六大步骤。其中数字下变频采用混频以及降低采样率的方法，解调采用QPSK解调，同步主要实现时隙同步、帧同步以及主扰码识别。前三步是传统实现，方法成熟。本文方案主要讨论物理层解码、数据链路层处理以及RRC层解析过程，下面详细介绍方案的步骤。
1.1 物理层解码
物理层编码与复用过程包含CRC 校验、信道编码、交织、复用和物理信道映射[7]等。BCH信道不与其他信道复用，其解码流程为解第二次交织、解第一次交织、信道译码、CRC校验。
1.1.1 解交织
BCH信道经过两次交织过程，第一次交织为帧间交织，第二次交织为帧内交织。发送端交织的方法是先确定交织器的行数和列数，也即先确定交织矩阵，然后把输入的比特逐行写入矩阵，再按照列间交换图样进行列间交换，最后逐列读出；解交织是交织的逆过程，即先确定交织器的行数和列数，然后把比特逐列写入矩阵，再按照列间交换图样进行相反的列间交换，最后逐行读出[7?8]。
1.1.2 信道译码
BCH信道编码采用编码效率为[12]的卷积码，相应的解码方式为Viterbi译码。
Viterbi译码是一种最大似然译码方法，主要过程有路径度量的“加比选”运算、度量的更新、路径的更新和最大似然路径的回溯等[9]。
1.1.3 CRC校验
CRC校验是数字通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的長度可以任意选定。BCH信道校验采用CRC16，按照CRC粘贴算法对传输序列计算出CRC校验序列，该序列与接收到的CRC序列逐比特比较，如果完全一致，说明该传输块接收正确，否则错误[10]。
1.2 数据链路层解码
数据链路层处理涉及的层有MAC子层和RLC子层，MAC层完成逻辑信道和传输信道之间的映射，BCH信道不与其他信道复用，没有添加MAC头。数据经过RLC子层，采用透明传输，不添加任何消息控制头。因此BCH信道上传输的消息在数据链路层无编解码过程。
1.3 RRC层解码
地面站侧发送系统消息之前，先要对每个信息块进行抽象语法编码，RRC层消息的编码方式为ASN.1，因此RRC层解码就是ASN.1的解码过程。
协议TS 25.331中规定，RRC消息采用ASN.1非对齐PER编码规则。非对齐PER是PER编码的一种变体，它要求所有信息单元按编码规则生成的比特数据将按其被编码的顺序首尾相连，中间不填充，是一种高效率的编码方式，其解码相对要复杂点。RRC层消息解码包含信息块组装和信息块解析两个过程。
（1） 系统信息块的组装
系统信息消息的分段类型有四种：First segment， Subsequent segment，Last segment和Complete。构成可能的组合有11种 ，每个系统信息消息就传送这11种组合的一种情况[11]。组装的过程就是获取完整段、首段、随后段以及最后段的信息，然后连接成完整信息块。
（2） 系统信息块的解析
组装好系统信息块后，就可对系统信息块进行解析。以Sib1为例，来看看解析的具体方法。依据协议[11]描述，将Sib1消息结构抽取出来，见表1。表中是标准的消息结构包含的内容，理论上需要全部解析，实际上只需要从Optional选项开始即可。根据Optional的值来确定此选项是否存在。RRC层解析就是处理未解码的数据比特流，按照协议[11]一层层解析，得到所需参数的过程。
2 解码方案的设计实现及改进
针对信号采集器采集的实际空中交互数据，对接收的数据进行离线分析处理。图2为解码实现的物理结构，信号采集器实现信令的捕获，捕获到的信令传给PC机进行处理，这里的处理主要包含数字下变频、同步、解扰解扩、信道解码、数据链路层解码以及RRC层解析。其中数字下变频采用混频以及降低采样率的方法，采用QPSK解调，同步主要实现时隙同步、帧同步以及主扰码识别。
本文利用Matlab设计物理层解码、数据链路层解码以及RRC层解码模块，流程如图3所示。数据经过链路层为透明传输，不做详细讨论。
2.1 物理层解码模块的实现
以解扰解扩后的数据作为物理层解码模块的输入。物理层解码模块由四个子函数组成，分为解第二次交织、解第一次交织、信道译码以及CRC校验。解第二次交织函数将数据分为270 b数据块作为输入，输出也为270 b的数据块；将解第二次交织函数输出的两个270 b的数据块同时作为解第一次交织函数的输入，得到540 b；540 b的数据经过信道译码函数的处理，得到246 b的数据块；246 b的数据块再经CRC校验函数进行校验。部分代码如下所示：
经验证，Sib11信息中返回的主扰码号与主扰码识别的结果一致，均为288。结果表明，设计的方案可以正确地解码MUOS系统消息，并能够获得系统消息中包含的一些参数。由结果可知，国家码（mcc）为901，网络码（mnc）为19；位置区码在Sib1里包含，十六进制表示为4；小区识别码（cellIdentity）在Sib3里包含，十六进制表示为30111。
4 结 论
本文提出一种用于MUOS系统消息的解码方法，实现了MUOS系统消息解码。整个解码流程分为六个步骤，分别对应数字下变频、解调、同步、物理层解码、数据链路层解码、RRC层解码。其中数字下变频采用混频以及降低采样率的方法，解调采用的是QPSK解调，同步主要实现时隙同步、帧同步以及主扰码识别。前三步是传统实现，方法成熟。本文侧重讨论了物理层解码、数据链路层解码以及RRC层解码过程。其中RRC层解码不需要借助ASN.1编译器，使得方案更加简单有效。本文将此方法首次用于MUOS系统消息解码，最后还以MUOS系统空中传输的实际数据为处理对象对方案进行测试。测试结果表明，本文设计的方法能够正确地解码MUOS系统消息，提取出系统消息中包含的一些参数，从而验证了设计方案的可行性与正确性。
参考文献
[1] 杭添仁. 2015年世界通信卫星发展回顾[J].数字通信世界，2016（2）：37?47.
[2] 李悦，李健良，房莹.2015美军军用卫星现状和发展特点浅析[J].中国电子科学研究院学报，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，佟阳，黄国策，等.美军MUOS系统及关键技术分析[J].电讯技术，2012（11）：1850?1856.
[5] 王平.陆地及卫星WCDMA系统下行链路关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2015.
[6] 周玉坤.WCDMA空中接口系统信息的接收、解析及应用[D].南京：南京邮电大学，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链路接入及解码去复用的实现研究[D].杭州：浙江大学，2010.
[9] 段高攀，杜慧敏，韩俊刚，等.可编程Viterbi译码器设计与实现[J].电子技术应用，2014（3）：29?31.
[10] 张焱，任勇峰，齐蕾，等.基于FPGA的CRC校验算法的实现[J].电子器件，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.
摘 要： 针对传统的解码方法需要借助编解码器的问题，以及MUOS系统消息结构不确定的特点，提出一种更加简单的系统消息解码方法。在不使用ASN.1编译器的同时通过具体解析RRC消息结构的方法提取特定的系统信息，并将方案首次用于MUOS。用实际的MUOS数据进行仿真测试，仿真结果中主扰码号与主扰码识别的结果一致，证明了方案能够准确解码MUOS下行链路系统消息。
关键词： MUOS； 仿真测试； 系统消息解码； RRC
中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 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
移動用户目标系统（MUOS）是首个借鉴WCDMA技术体制的军事卫星移动通信系统[1]，对于我国卫星移动通信发展而言，深刻理解移动用户目标系统的建设和相关技术为我国未来的卫星移动通信发展提供了重要的借鉴意义。WCDMA以及MUOS中的系统消息非常重要，包含大量的参数，这些参数包括网络属性信息、核心网信息、小区选择与重选以及测量信息。研究系统消息包含的信息是了解网络的重要一步，也是网络优化的关键一步。
近几年人们大量研究MUOS的网络组成和相关技术。文献[2]指出美军空间力量建设是其他国家竞相模仿的“蓝本”，研究美军卫星系统的网络结构对我国空间力量的发展意义重大。重点研究了在轨美军卫星部署情况和作战能力。文献[3]提到MUOS是一种全新的UHF卫星通信系统，研究MUOS对于其他国家的卫星建设具有指导意义。介绍了MUOS系统的主要组成部分。文献[4?5]介绍了MUOS的关键技术以及与WCDMA的比较，其中包括空中接口技术、RAKE接收技术、抗干扰技术等。与传统的UEH频段卫星系统相比，MUOS容量更大，具有更好的可移动性、更高的数据速率以及可靠性。MUOS可以为建设卫星系统提供参考。目前为止，人们重点关注MUOS的整体组成与技术，很少研究MUOS内部消息的构成。为更加了解MUOS，本文研究MUOS内部消息的构成，其中系统消息是研究的关键一步。
用于WCDMA系统消息解码的方法需借助编解码器，文献[6]中消息解析部分使用ASN.1编解码器，借助ASN.1 TOOL工具生成协议解析结果，完成WCDMA系统消息的解码。本文在传统解码方法的基础上，设计一种更加简单的系统消息解码方法，并用于MUOS。整个解码流程分为六个步骤，分别对应数字下变频、解调、同步、物理层解码、数据链路层解码、RRC层解码。其中前三步使用传统方法实现，方法成熟。本文侧重研究物理层解码、数据链路层解码以及RRC层解码。设计完成后对方案进行整体测试，并将方案用于实际MUOS。测试结果表明，此方案能够正确有效地解码MUOS的系统消息，尤其针对特定的信息提取具有更加简单有效的优势。
1 MUOS下行链路系统消息解码原理
MUOS是新一代战术移动卫星通信系统，能够用于机动性更强、容量需求更大、对业务质量要求更高的作战平台，可为所有移动用户提供全球窄带卫星通信。MUOS卫星使用WCDMA体制，其系统主要包括空间段、地面段、用户段三部分。MUOS的空中接口是移动终端与基站之间的无线接口，是MUOS网络的一个重要接口。移动用户与基站之间的一些重要信令的传输都通过此接口，通过接收这些信令，移动终端可以根据需要获取L1，L2或L3的消息内容。例如，通过系统消息的接收就能够得到诸如小区标识、公共信道信息、邻小区列表等重要参数。通过这些参数就能够得知当前网络的运行状态，对这些参数进行分析就能发现和定位一些网络中存在的问题。
本文研究BCH信道上广播的系统消息。设计的MUOS下行链路系统消息解码方案流程如图1所示。
解码方案的实现主要包括六大步骤。其中数字下变频采用混频以及降低采样率的方法，解调采用QPSK解调，同步主要实现时隙同步、帧同步以及主扰码识别。前三步是传统实现，方法成熟。本文方案主要讨论物理层解码、数据链路层处理以及RRC层解析过程，下面详细介绍方案的步骤。
1.1 物理层解码
物理层编码与复用过程包含CRC 校验、信道编码、交织、复用和物理信道映射[7]等。BCH信道不与其他信道复用，其解码流程为解第二次交织、解第一次交织、信道译码、CRC校验。
1.1.1 解交织
BCH信道经过两次交织过程，第一次交织为帧间交织，第二次交织为帧内交织。发送端交织的方法是先确定交织器的行数和列数，也即先确定交织矩阵，然后把输入的比特逐行写入矩阵，再按照列间交换图样进行列间交换，最后逐列读出；解交织是交织的逆过程，即先确定交织器的行数和列数，然后把比特逐列写入矩阵，再按照列间交换图样进行相反的列间交换，最后逐行读出[7?8]。
1.1.2 信道译码
BCH信道编码采用编码效率为[12]的卷积码，相应的解码方式为Viterbi译码。
Viterbi译码是一种最大似然译码方法，主要过程有路径度量的“加比选”运算、度量的更新、路径的更新和最大似然路径的回溯等[9]。
1.1.3 CRC校验
CRC校验是数字通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的長度可以任意选定。BCH信道校验采用CRC16，按照CRC粘贴算法对传输序列计算出CRC校验序列，该序列与接收到的CRC序列逐比特比较，如果完全一致，说明该传输块接收正确，否则错误[10]。
1.2 数据链路层解码
数据链路层处理涉及的层有MAC子层和RLC子层，MAC层完成逻辑信道和传输信道之间的映射，BCH信道不与其他信道复用，没有添加MAC头。数据经过RLC子层，采用透明传输，不添加任何消息控制头。因此BCH信道上传输的消息在数据链路层无编解码过程。
1.3 RRC层解码
地面站侧发送系统消息之前，先要对每个信息块进行抽象语法编码，RRC层消息的编码方式为ASN.1，因此RRC层解码就是ASN.1的解码过程。
协议TS 25.331中规定，RRC消息采用ASN.1非对齐PER编码规则。非对齐PER是PER编码的一种变体，它要求所有信息单元按编码规则生成的比特数据将按其被编码的顺序首尾相连，中间不填充，是一种高效率的编码方式，其解码相对要复杂点。RRC层消息解码包含信息块组装和信息块解析两个过程。
（1） 系统信息块的组装
系统信息消息的分段类型有四种：First segment， Subsequent segment，Last segment和Complete。构成可能的组合有11种 ，每个系统信息消息就传送这11种组合的一种情况[11]。组装的过程就是获取完整段、首段、随后段以及最后段的信息，然后连接成完整信息块。
（2） 系统信息块的解析
组装好系统信息块后，就可对系统信息块进行解析。以Sib1为例，来看看解析的具体方法。依据协议[11]描述，将Sib1消息结构抽取出来，见表1。表中是标准的消息结构包含的内容，理论上需要全部解析，实际上只需要从Optional选项开始即可。根据Optional的值来确定此选项是否存在。RRC层解析就是处理未解码的数据比特流，按照协议[11]一层层解析，得到所需参数的过程。
2 解码方案的设计实现及改进
针对信号采集器采集的实际空中交互数据，对接收的数据进行离线分析处理。图2为解码实现的物理结构，信号采集器实现信令的捕获，捕获到的信令传给PC机进行处理，这里的处理主要包含数字下变频、同步、解扰解扩、信道解码、数据链路层解码以及RRC层解析。其中数字下变频采用混频以及降低采样率的方法，采用QPSK解调，同步主要实现时隙同步、帧同步以及主扰码识别。
本文利用Matlab设计物理层解码、数据链路层解码以及RRC层解码模块，流程如图3所示。数据经过链路层为透明传输，不做详细讨论。
2.1 物理层解码模块的实现
以解扰解扩后的数据作为物理层解码模块的输入。物理层解码模块由四个子函数组成，分为解第二次交织、解第一次交织、信道译码以及CRC校验。解第二次交织函数将数据分为270 b数据块作为输入，输出也为270 b的数据块；将解第二次交织函数输出的两个270 b的数据块同时作为解第一次交织函数的输入，得到540 b；540 b的数据经过信道译码函数的处理，得到246 b的数据块；246 b的数据块再经CRC校验函数进行校验。部分代码如下所示：
经验证，Sib11信息中返回的主扰码号与主扰码识别的结果一致，均为288。结果表明，设计的方案可以正确地解码MUOS系统消息，并能够获得系统消息中包含的一些参数。由结果可知，国家码（mcc）为901，网络码（mnc）为19；位置区码在Sib1里包含，十六进制表示为4；小区识别码（cellIdentity）在Sib3里包含，十六进制表示为30111。
4 结 论
本文提出一种用于MUOS系统消息的解码方法，实现了MUOS系统消息解码。整个解码流程分为六个步骤，分别对应数字下变频、解调、同步、物理层解码、数据链路层解码、RRC层解码。其中数字下变频采用混频以及降低采样率的方法，解调采用的是QPSK解调，同步主要实现时隙同步、帧同步以及主扰码识别。前三步是传统实现，方法成熟。本文侧重讨论了物理层解码、数据链路层解码以及RRC层解码过程。其中RRC层解码不需要借助ASN.1编译器，使得方案更加简单有效。本文将此方法首次用于MUOS系统消息解码，最后还以MUOS系统空中传输的实际数据为处理对象对方案进行测试。测试结果表明，本文设计的方法能够正确地解码MUOS系统消息，提取出系统消息中包含的一些参数，从而验证了设计方案的可行性与正确性。
参考文献
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[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链路接入及解码去复用的实现研究[D].杭州：浙江大学，2010.
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[10] 张焱，任勇峰，齐蕾，等.基于FPGA的CRC校验算法的实现[J].电子器件，2015（1）：222?226.
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