冷若蘭+萬國金
摘 要： 針對傳統的解碼方法需要藉助編解碼器的問題，以及MUOS系統消息結構不確定的特點，提出一種更加簡單的系統消息解碼方法。在不使用ASN.1編譯器的同時通過具體解析RRC消息結構的方法提取特定的系統信息，並將方案首次用於MUOS。用實際的MUOS數據進行仿真測試，仿真結果中主擾碼號與主擾碼識別的結果一致，證明了方案能夠準確解碼MUOS下行鏈路系統消息。
關鍵詞： MUOS； 仿真測試； 系統消息解碼； RRC
中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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
移動用戶目標系統（MUOS）是首個借鑑WCDMA技術體制的軍事衛星移動通信系統[1]，對於我國衛星移動通信發展而言，深刻理解移動用戶目標系統的建設和相關技術為我國未來的衛星移動通信發展提供了重要的借鑑意義。WCDMA以及MUOS中的系統消息非常重要，包含大量的參數，這些參數包括網絡屬性信息、核心網信息、小區選擇與重選以及測量信息。研究系統消息包含的信息是了解網絡的重要一步，也是網絡優化的關鍵一步。
近幾年人們大量研究MUOS的網絡組成和相關技術。文獻[2]指出美軍空間力量建設是其他國家競相模仿的「藍本」，研究美軍衛星系統的網絡結構對我國空間力量的發展意義重大。重點研究了在軌美軍衛星部署情況和作戰能力。文獻[3]提到MUOS是一種全新的UHF衛星通信系統，研究MUOS對於其他國家的衛星建設具有指導意義。介紹了MUOS系統的主要組成部分。文獻[4?5]介紹了MUOS的關鍵技術以及與WCDMA的比較，其中包括空中接口技術、RAKE接收技術、抗干擾技術等。與傳統的UEH頻段衛星系統相比，MUOS容量更大，具有更好的可移動性、更高的數據速率以及可靠性。MUOS可以為建設衛星系統提供參考。目前為止，人們重點關注MUOS的整體組成與技術，很少研究MUOS內部消息的構成。為更加了解MUOS，本文研究MUOS內部消息的構成，其中系統消息是研究的關鍵一步。
用於WCDMA系統消息解碼的方法需藉助編解碼器，文獻[6]中消息解析部分使用ASN.1編解碼器，藉助ASN.1 TOOL工具生成協議解析結果，完成WCDMA系統消息的解碼。本文在傳統解碼方法的基礎上，設計一種更加簡單的系統消息解碼方法，並用於MUOS。整個解碼流程分為六個步驟，分別對應數字下變頻、解調、同步、物理層解碼、數據鏈路層解碼、RRC層解碼。其中前三步使用傳統方法實現，方法成熟。本文側重研究物理層解碼、數據鏈路層解碼以及RRC層解碼。設計完成後對方案進行整體測試，並將方案用於實際MUOS。測試結果表明，此方案能夠正確有效地解碼MUOS的系統消息，尤其針對特定的信息提取具有更加簡單有效的優勢。
1 MUOS下行鏈路系統消息解碼原理
MUOS是新一代戰術移動衛星通信系統，能夠用於機動性更強、容量需求更大、對業務質量要求更高的作戰平台，可為所有移動用戶提供全球窄帶衛星通信。MUOS衛星使用WCDMA體制，其系統主要包括空間段、地面段、用戶段三部分。MUOS的空中接口是移動終端與基站之間的無線接口，是MUOS網絡的一個重要接口。移動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，移動終端可以根據需要獲取L1，L2或L3的消息內容。例如，通過系統消息的接收就能夠得到諸如小區標識、公共信道信息、鄰小區列表等重要參數。通過這些參數就能夠得知當前網絡的運行狀態，對這些參數進行分析就能發現和定位一些網絡中存在的問題。
本文研究BCH信道上廣播的系統消息。設計的MUOS下行鏈路系統消息解碼方案流程如圖1所示。
解碼方案的實現主要包括六大步驟。其中數字下變頻採用混頻以及降低採樣率的方法，解調採用QPSK解調，同步主要實現時隙同步、幀同步以及主擾碼識別。前三步是傳統實現，方法成熟。本文方案主要討論物理層解碼、數據鏈路層處理以及RRC層解析過程，下面詳細介紹方案的步驟。
1.1 物理層解碼
物理層編碼與復用過程包含CRC 校驗、信道編碼、交織、復用和物理信道映射[7]等。BCH信道不與其他信道復用，其解碼流程為解第二次交織、解第一次交織、信道解碼、CRC校驗。
1.1.1 解交織
BCH信道經過兩次交織過程，第一次交織為幀間交織，第二次交織為幀內交織。發送端交織的方法是先確定交織器的行數和列數，也即先確定交織矩陣，然後把輸入的比特逐行寫入矩陣，再按照列間交換圖樣進行列間交換，最後逐列讀出；解交織是交織的逆過程，即先確定交織器的行數和列數，然後把比特逐列寫入矩陣，再按照列間交換圖樣進行相反的列間交換，最後逐行讀出[7?8]。
1.1.2 信道解碼
BCH信道編碼採用編碼效率為[12]的卷積碼，相應的解碼方式為Viterbi解碼。
Viterbi解碼是一種最大似然解碼方法，主要過程有路徑度量的「加比選」運算、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
CRC校驗是數字通信領域中最常用的一種差錯校驗碼，其特徵是信息欄位和校驗欄位的長度可以任意選定。BCH信道校驗採用CRC16，按照CRC粘貼算法對傳輸序列計算出CRC校驗序列，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，否則錯誤[10]。
1.2 數據鏈路層解碼
數據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用，沒有添加MAC頭。數據經過RLC子層，採用透明傳輸，不添加任何消息控制頭。因此BCH信道上傳輸的消息在數據鏈路層無編解碼過程。
1.3 RRC層解碼
地面站側發送系統消息之前，先要對每個信息塊進行抽象語法編碼，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。
協議TS 25.331中規定，RRC消息採用ASN.1非對齊PER編碼規則。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則生成的比特數據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，其解碼相對要複雜點。RRC層消息解碼包含信息塊組裝和信息塊解析兩個過程。
（1） 系統信息塊的組裝
系統信息消息的分段類型有四種：First segment， Subsequent segment，Last segment和Complete。構成可能的組合有11種 ，每個系統信息消息就傳送這11種組合的一種情況[11]。組裝的過程就是獲取完整段、首段、隨後段以及最後段的信息，然後連接成完整信息塊。
（2） 系統信息塊的解析
組裝好系統信息塊後，就可對系統信息塊進行解析。以Sib1為例，來看看解析的具體方法。依據協議[11]描述，將Sib1消息結構抽取出來，見表1。表中是標準的消息結構包含的內容，理論上需要全部解析，實際上只需要從Optional選項開始即可。根據Optional的值來確定此選項是否存在。RRC層解析就是處理未解碼的數據比特流，按照協議[11]一層層解析，得到所需參數的過程。
2 解碼方案的設計實現及改進
針對信號採集器採集的實際空中交互數據，對接收的數據進行離線分析處理。圖2為解碼實現的物理結構，信號採集器實現信令的捕獲，捕獲到的信令傳給PC機進行處理，這裡的處理主要包含數字下變頻、同步、解擾解擴、信道解碼、數據鏈路層解碼以及RRC層解析。其中數字下變頻採用混頻以及降低採樣率的方法，採用QPSK解調，同步主要實現時隙同步、幀同步以及主擾碼識別。
本文利用Matlab設計物理層解碼、數據鏈路層解碼以及RRC層解碼模塊，流程如圖3所示。數據經過鏈路層為透明傳輸，不做詳細討論。
2.1 物理層解碼模塊的實現
以解擾解擴後的數據作為物理層解碼模塊的輸入。物理層解碼模塊由四個子函數組成，分為解第二次交織、解第一次交織、信道解碼以及CRC校驗。解第二次交織函數將數據分為270 b數據塊作為輸入，輸出也為270 b的數據塊；將解第二次交織函數輸出的兩個270 b的數據塊同時作為解第一次交織函數的輸入，得到540 b；540 b的數據經過信道解碼函數的處理，得到246 b的數據塊；246 b的數據塊再經CRC校驗函數進行校驗。部分代碼如下所示：
經驗證，Sib11信息中返回的主擾碼號與主擾碼識別的結果一致，均為288。結果表明，設計的方案可以正確地解碼MUOS系統消息，並能夠獲得系統消息中包含的一些參數。由結果可知，國家碼（mcc）為901，網絡碼（mnc）為19；位置區碼在Sib1里包含，十六進制表示為4；小區識別碼（cellIdentity）在Sib3里包含，十六進制表示為30111。
4 結 論
本文提出一種用於MUOS系統消息的解碼方法，實現了MUOS系統消息解碼。整個解碼流程分為六個步驟，分別對應數字下變頻、解調、同步、物理層解碼、數據鏈路層解碼、RRC層解碼。其中數字下變頻採用混頻以及降低採樣率的方法，解調採用的是QPSK解調，同步主要實現時隙同步、幀同步以及主擾碼識別。前三步是傳統實現，方法成熟。本文側重討論了物理層解碼、數據鏈路層解碼以及RRC層解碼過程。其中RRC層解碼不需要藉助ASN.1編譯器，使得方案更加簡單有效。本文將此方法首次用於MUOS系統消息解碼，最後還以MUOS系統空中傳輸的實際數據為處理對象對方案進行測試。測試結果表明，本文設計的方法能夠正確地解碼MUOS系統消息，提取出系統消息中包含的一些參數，從而驗證了設計方案的可行性與正確性。
參考文獻
[1] 杭添仁. 2015年世界通信衛星發展回顧[J].數字通信世界，2016（2）：37?47.
[2] 李悅，李健良，房瑩.2015美軍軍用衛星現狀和發展特點淺析[J].中國電子科學研究院學報，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系統及關鍵技術分析[J].電訊技術，2012（11）：1850?1856.
[5] 王平.陸地及衛星WCDMA系統下行鏈路關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學，2015.
[6] 周玉坤.WCDMA空中接口系統信息的接收、解析及應用[D].南京：南京郵電大學，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用的實現研究[D].杭州：浙江大學，2010.
[9] 段高攀，杜慧敏，韓俊剛，等.可編程Viterbi解碼器設計與實現[J].電子技術應用，2014（3）：29?31.
[10] 張焱，任勇峰，齊蕾，等.基於FPGA的CRC校驗算法的實現[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.
摘 要： 針對傳統的解碼方法需要藉助編解碼器的問題，以及MUOS系統消息結構不確定的特點，提出一種更加簡單的系統消息解碼方法。在不使用ASN.1編譯器的同時通過具體解析RRC消息結構的方法提取特定的系統信息，並將方案首次用於MUOS。用實際的MUOS數據進行仿真測試，仿真結果中主擾碼號與主擾碼識別的結果一致，證明了方案能夠準確解碼MUOS下行鏈路系統消息。
關鍵詞： MUOS； 仿真測試； 系統消息解碼； RRC
中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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
移動用戶目標系統（MUOS）是首個借鑑WCDMA技術體制的軍事衛星移動通信系統[1]，對於我國衛星移動通信發展而言，深刻理解移動用戶目標系統的建設和相關技術為我國未來的衛星移動通信發展提供了重要的借鑑意義。WCDMA以及MUOS中的系統消息非常重要，包含大量的參數，這些參數包括網絡屬性信息、核心網信息、小區選擇與重選以及測量信息。研究系統消息包含的信息是了解網絡的重要一步，也是網絡優化的關鍵一步。
近幾年人們大量研究MUOS的網絡組成和相關技術。文獻[2]指出美軍空間力量建設是其他國家競相模仿的「藍本」，研究美軍衛星系統的網絡結構對我國空間力量的發展意義重大。重點研究了在軌美軍衛星部署情況和作戰能力。文獻[3]提到MUOS是一種全新的UHF衛星通信系統，研究MUOS對於其他國家的衛星建設具有指導意義。介紹了MUOS系統的主要組成部分。文獻[4?5]介紹了MUOS的關鍵技術以及與WCDMA的比較，其中包括空中接口技術、RAKE接收技術、抗干擾技術等。與傳統的UEH頻段衛星系統相比，MUOS容量更大，具有更好的可移動性、更高的數據速率以及可靠性。MUOS可以為建設衛星系統提供參考。目前為止，人們重點關注MUOS的整體組成與技術，很少研究MUOS內部消息的構成。為更加了解MUOS，本文研究MUOS內部消息的構成，其中系統消息是研究的關鍵一步。
用於WCDMA系統消息解碼的方法需藉助編解碼器，文獻[6]中消息解析部分使用ASN.1編解碼器，藉助ASN.1 TOOL工具生成協議解析結果，完成WCDMA系統消息的解碼。本文在傳統解碼方法的基礎上，設計一種更加簡單的系統消息解碼方法，並用於MUOS。整個解碼流程分為六個步驟，分別對應數字下變頻、解調、同步、物理層解碼、數據鏈路層解碼、RRC層解碼。其中前三步使用傳統方法實現，方法成熟。本文側重研究物理層解碼、數據鏈路層解碼以及RRC層解碼。設計完成後對方案進行整體測試，並將方案用於實際MUOS。測試結果表明，此方案能夠正確有效地解碼MUOS的系統消息，尤其針對特定的信息提取具有更加簡單有效的優勢。
1 MUOS下行鏈路系統消息解碼原理
MUOS是新一代戰術移動衛星通信系統，能夠用於機動性更強、容量需求更大、對業務質量要求更高的作戰平台，可為所有移動用戶提供全球窄帶衛星通信。MUOS衛星使用WCDMA體制，其系統主要包括空間段、地面段、用戶段三部分。MUOS的空中接口是移動終端與基站之間的無線接口，是MUOS網絡的一個重要接口。移動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，移動終端可以根據需要獲取L1，L2或L3的消息內容。例如，通過系統消息的接收就能夠得到諸如小區標識、公共信道信息、鄰小區列表等重要參數。通過這些參數就能夠得知當前網絡的運行狀態，對這些參數進行分析就能發現和定位一些網絡中存在的問題。
本文研究BCH信道上廣播的系統消息。設計的MUOS下行鏈路系統消息解碼方案流程如圖1所示。
解碼方案的實現主要包括六大步驟。其中數字下變頻採用混頻以及降低採樣率的方法，解調採用QPSK解調，同步主要實現時隙同步、幀同步以及主擾碼識別。前三步是傳統實現，方法成熟。本文方案主要討論物理層解碼、數據鏈路層處理以及RRC層解析過程，下面詳細介紹方案的步驟。
1.1 物理層解碼
物理層編碼與復用過程包含CRC 校驗、信道編碼、交織、復用和物理信道映射[7]等。BCH信道不與其他信道復用，其解碼流程為解第二次交織、解第一次交織、信道解碼、CRC校驗。
1.1.1 解交織
BCH信道經過兩次交織過程，第一次交織為幀間交織，第二次交織為幀內交織。發送端交織的方法是先確定交織器的行數和列數，也即先確定交織矩陣，然後把輸入的比特逐行寫入矩陣，再按照列間交換圖樣進行列間交換，最後逐列讀出；解交織是交織的逆過程，即先確定交織器的行數和列數，然後把比特逐列寫入矩陣，再按照列間交換圖樣進行相反的列間交換，最後逐行讀出[7?8]。
1.1.2 信道解碼
BCH信道編碼採用編碼效率為[12]的卷積碼，相應的解碼方式為Viterbi解碼。
Viterbi解碼是一種最大似然解碼方法，主要過程有路徑度量的「加比選」運算、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
CRC校驗是數字通信領域中最常用的一種差錯校驗碼，其特徵是信息欄位和校驗欄位的長度可以任意選定。BCH信道校驗採用CRC16，按照CRC粘貼算法對傳輸序列計算出CRC校驗序列，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，否則錯誤[10]。
1.2 數據鏈路層解碼
數據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用，沒有添加MAC頭。數據經過RLC子層，採用透明傳輸，不添加任何消息控制頭。因此BCH信道上傳輸的消息在數據鏈路層無編解碼過程。
1.3 RRC層解碼
地面站側發送系統消息之前，先要對每個信息塊進行抽象語法編碼，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。
協議TS 25.331中規定，RRC消息採用ASN.1非對齊PER編碼規則。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則生成的比特數據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，其解碼相對要複雜點。RRC層消息解碼包含信息塊組裝和信息塊解析兩個過程。
（1） 系統信息塊的組裝
系統信息消息的分段類型有四種：First segment， Subsequent segment，Last segment和Complete。構成可能的組合有11種 ，每個系統信息消息就傳送這11種組合的一種情況[11]。組裝的過程就是獲取完整段、首段、隨後段以及最後段的信息，然後連接成完整信息塊。
（2） 系統信息塊的解析
組裝好系統信息塊後，就可對系統信息塊進行解析。以Sib1為例，來看看解析的具體方法。依據協議[11]描述，將Sib1消息結構抽取出來，見表1。表中是標準的消息結構包含的內容，理論上需要全部解析，實際上只需要從Optional選項開始即可。根據Optional的值來確定此選項是否存在。RRC層解析就是處理未解碼的數據比特流，按照協議[11]一層層解析，得到所需參數的過程。
2 解碼方案的設計實現及改進
針對信號採集器採集的實際空中交互數據，對接收的數據進行離線分析處理。圖2為解碼實現的物理結構，信號採集器實現信令的捕獲，捕獲到的信令傳給PC機進行處理，這裡的處理主要包含數字下變頻、同步、解擾解擴、信道解碼、數據鏈路層解碼以及RRC層解析。其中數字下變頻採用混頻以及降低採樣率的方法，採用QPSK解調，同步主要實現時隙同步、幀同步以及主擾碼識別。
本文利用Matlab設計物理層解碼、數據鏈路層解碼以及RRC層解碼模塊，流程如圖3所示。數據經過鏈路層為透明傳輸，不做詳細討論。
2.1 物理層解碼模塊的實現
以解擾解擴後的數據作為物理層解碼模塊的輸入。物理層解碼模塊由四個子函數組成，分為解第二次交織、解第一次交織、信道解碼以及CRC校驗。解第二次交織函數將數據分為270 b數據塊作為輸入，輸出也為270 b的數據塊；將解第二次交織函數輸出的兩個270 b的數據塊同時作為解第一次交織函數的輸入，得到540 b；540 b的數據經過信道解碼函數的處理，得到246 b的數據塊；246 b的數據塊再經CRC校驗函數進行校驗。部分代碼如下所示：
經驗證，Sib11信息中返回的主擾碼號與主擾碼識別的結果一致，均為288。結果表明，設計的方案可以正確地解碼MUOS系統消息，並能夠獲得系統消息中包含的一些參數。由結果可知，國家碼（mcc）為901，網絡碼（mnc）為19；位置區碼在Sib1里包含，十六進制表示為4；小區識別碼（cellIdentity）在Sib3里包含，十六進制表示為30111。
4 結 論
本文提出一種用於MUOS系統消息的解碼方法，實現了MUOS系統消息解碼。整個解碼流程分為六個步驟，分別對應數字下變頻、解調、同步、物理層解碼、數據鏈路層解碼、RRC層解碼。其中數字下變頻採用混頻以及降低採樣率的方法，解調採用的是QPSK解調，同步主要實現時隙同步、幀同步以及主擾碼識別。前三步是傳統實現，方法成熟。本文側重討論了物理層解碼、數據鏈路層解碼以及RRC層解碼過程。其中RRC層解碼不需要藉助ASN.1編譯器，使得方案更加簡單有效。本文將此方法首次用於MUOS系統消息解碼，最後還以MUOS系統空中傳輸的實際數據為處理對象對方案進行測試。測試結果表明，本文設計的方法能夠正確地解碼MUOS系統消息，提取出系統消息中包含的一些參數，從而驗證了設計方案的可行性與正確性。
參考文獻
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[8] 何琴.WCDMA UE鏈路接入及解碼去復用的實現研究[D].杭州：浙江大學，2010.
[9] 段高攀，杜慧敏，韓俊剛，等.可編程Viterbi解碼器設計與實現[J].電子技術應用，2014（3）：29?31.
[10] 張焱，任勇峰，齊蕾，等.基於FPGA的CRC校驗算法的實現[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.
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