FAPI专题-6：5G FAPI接口 - 中文规范-2- 主要流程

2023-10-27

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第1章概述

第2章主要的流程

2.1 配置管理流程（P5接口）：MAC层配置管理PHY层

2.2.0 概述

2.1.1 Initialization：初始化流程

2.1.2 Termination终止流程

2.1.3 Restart：重启PHY

2.1.4 Reset：复位流程

2.1.5 Reconfigure：重新配置流程

2.1.6 Query：参数或状态查询

2.1.7 Notification

2.2 时隙调度流程（P7接口）：MAC层调度PHY发送和接收数据

2.2.0 概述

2.2.1 SLOT signal

2.2.2 SFN/SL Synchronization

2.2.3 API message order

2.2.4 Downlink（与下行发送相关的子流程）

2.3 RF和波束赋型（P19接口）：MAC层控制RF

第1章概述

第2章主要的流程

FAPI接口有三大流程：

（1）配置管理流程（P5接口）：MAC层配置管理PHY层

（2）时隙调度流程（P7接口）：MAC层调度PHY发送和接收数据

调度周期可以是125us, 250us，500us, 1ms，取决于子载波间隔。

（3）RF和波束赋型（P19接口）：MAC层控制RF

2.1 配置管理流程（P5接口）：MAC层配置管理PHY层

2.2.0 概述

（1）配置管理流程分类

Initialization流程
Termination流程
Restart流程
Reset流程
Error notification流程

（2）PHY的配置管理状态机

配置管理流程会驱动PHY的状态机的转换。

IDLE状态：开机后的PHY状态。
CONFIGURED状态：PHY被配置后的状态。
RUNNING状态：PHY处于服务状态，MAC层可以对PHY进行时隙调度。

2.1.1 Initialization：初始化流程

初始化过程是指PHY由IDLE状态 -》configured状态 =》 running状态的状态切换的过程。

初始化是通过PARAM.request, CONFIG.request, START.request这三个消息来完成的。

PARAM.request：获取PHY的能力参数
CONFIG.request：对PHY进行配置
START.request：启动PHY工作

（1）PARAM.request

定时器的作用是防止消息没有响应，通过定时器的超时，处理异常。

（2）CONFIG.Request

（3）START.request

2.1.2 Termination终止流程

终止流程的目的是暂停PHY，使得PHY从RUNNING状态切换到CONFIGURED状态。

终止流程会清除PHY运行时的实时数据，但配置管理数据保持不变。

2.1.3 Restart：重启PHY

重启流程会清除PHY运行时的实时数据，但配置管理数据保持不变，然后重启启动PHY.

因此重启是由STOP.request + START.request组成。

2.1.4 Reset：复位流程

该流程让PHY回到IDLE状态，Reset PHY的过程，该规范并没有确定，取决于不同厂家的实现。

通过通过硬件RESET管脚来完成，也可以通过自定义消息完成。

之所以没有明确通过消息来完成，使用消息有一个致命的缺陷，就是RESET流程通常是在异常的情况才需要触发RESET流程，PHY异常或死机的时候，有时候是不能处理消息的。

当然，FAPI规范要求，在RESET之前，需要先发送STOP消息进行尝试，然后在进行硬件复位。

2.1.5 Reconfigure：重新配置流程

有两种方法实现重配

（1）完全重配

完全重配流程通过如下三个消息完成。

完全重配，通常发生在Cell reset时候。

（2）最小化重配

最小化重配，不需要STOP PHY, 直接对PHY进行CONFIG.request。

最小化重配通常发生在RRC Reconfig的时候。

2.1.6 Query：参数或状态查询

2.1.7 Notification

PHY通过该流程，主动通知L2和L3, 自身内部的状态和异常。

2.2 时隙调度流程（P7接口）：MAC层调度PHY发送和接收数据

2.2.0 概述

Slot时隙调度流程是重点，也是理解的难点。该流程起到两个重要的作用：

（1）控制上下行的PHY物理层的帧结构

（2）在L2与PHY物理层之间传送数据

上述两个过程，就是MAC层调度器对PHY物理层的无线资源进行调度的结果。

调度流程有如下的子过程组成：

（1）下行发送

Transmission of a 125us, 250us, 500us or 1ms SLOT message：调度指示消息，取决于子载波间隔，通过slot indication消息，可以由物理层通知上层，slot的起点，实现TTI (Slot）信号的对齐。
Synchronization of SFN/SLot between the L2/L3 software and PHY：slot indication实现了TTI信号的频率和相位对齐，而该过程在TTI对齐的基础之上，实现SFN号和SLOT号的同步与对齐。
Transmission of the BCH transport channel：广播信道数据发送
Transmission of the PCH transport channel：寻呼信道数据发送
Transmission of the DL-SCH transport channel：下行共享信道D-SCH用户数据发送
Transmission of the downlink control information (DCI)：下行控制信息指示DCI（基站调度手机）, 调度指示和D-SCH用户数据是分开的。现有调度，后来用户数据。
Transmission of the CSI reference signal：信道状态指示（Channel State Information）

（2）上行接收

Reception of the RACH transport channel：RACH信道的接收
Reception of the UL-SCH transport channel：上行共享信道UL-SCH用户数据的接收
Reception of the uplink control information (UCI)：上行控制信息（手机的调度请求），或称为上行调度请求。
Reception of the sounding reference signal：sounding探测参考信号。

（3）物理层信道

2.2.1 SLOT signal

时隙信号是通过SLOT.indication指示消息来完成的，由PHY发送给MAC层调度器，表明PHY层1个时隙调度的开始。

PHY层通过硬件中断，产生周期性的时隙信号，然后通过SLOT.indication通知MAC层。

该时隙的周期可以是125us, 250us, 500us or 1ms，其大小取决于子载波间隔的大小。在LTE中，通常1ms调度一次，而5G支持更小的调度周期。

从上图可以看出，Slot时隙调度周期，并不影响10ms帧和1ms的子帧。

时隙周期越小，一个子帧中包含的时隙就越多，对硬件的处理能力要求越高。

u=0：1ms子帧周期内调度1次，调度周期为1ms，这是LTE的调度周期
u=1：1ms子帧周期内调度2次，调度周期为0.5ms
u=2：1ms子帧周期内调度4次，调度周期为0.25ms
u=3：1ms子帧周期内调度8次，调度周期为0.125ms

2.2.2 SFN/SL Synchronization

（1）什么是SFN/SL同步

在通过PHY层的SLOT.indication指示进行调度前，需要完成10ms帧的系统帧号SFN和SLOT时隙号的同步与对齐。

SFN/SL同步过程就是要维持L2/L3软件实体与L1 PHY实体之间SFN和Slot号的一致。

（2）为什么需要同步流程？

之所以需要特定的流程维持SFN和Slot号的一致性，这是因为它们运行在不同的平台之上，L2&L3软件运行通常运行在ARM CPU + Linux操作系统的平台上，而L1软件运行在DSP之上。这两个系统通常是独立的，只能通过串行总线相连。、

（3）维持SFN/Slot的重要性？

为此这种同步非常重要，因为4G/5G的帧结构是时频结构，频域上是子载波的位置，而时域的位置就是通过10ms帧的系统帧号 + 子帧号 + 时隙号来标识的，不同的系统帧号 + 子帧号 + 时隙号其在无线帧结构中的位置是不相同的，也就是说传输的数据所包含的信息是不相同的。

（4）如何维持两个实体（MAC与PHY）之间SFN/Slot的一致性？

如何维持是关键，这里提供了两种主要的思路：

思路1：集权法，L1 PHY时刻使用L2&L3配置的SFN/Slot的值。

这种方案的优点：是简单，基本是不需要同步机制，L2/L3软件维持SFN/Slot值设定，L1直接使用。

这种方案的缺点：也是明显，它需要L1 PHY和L2&L3软件集成在同一个硬件平台和软件平台上。如单一的SOC芯片。对于完全一体化高度集成的系统是可行的，但对于硬件和软件平台功能分离的系统，这种方案就无法实施了。

思路2：自主法，L1 PHY使用L2&L3软件配置的SFN/Slot的值作为初始值，然后各自自主地维护自身的SFN/SL号，并进行定期的监控，确保双方的SFN/SL是一致的、对齐的。

这种方案优点：能够支持L1 PHY软件与L2&L3软件使用不同的硬件和软件平台，如L1在DSP上，L2&L3在ARM+Linux平台上，这种方案灵活，伸缩性强。

这种方案的缺点：硬件设计复杂，L1 PHY和L2&L3需要维持各种的硬件时钟同步，软件设计复杂，需要同步机制。

这两种方案，在实际系统中，都有自己的使用场合。

既然是同步，就一定有一个主（Master），一个从（Slave），Master负责SFN/SL的初始化以及后期发生不一致时，作为纠错的基准。

是L2&L3软件作为基准，还是L1 PHY作为基准呢？其实，都可以，取决于系统的实现。

因此，谁作为Master就有两种方案：L2&L3软件作为master或L1 PHY作为Master。

（5）称为Master的条件

对能够作为Master的软件实体是有要求的，即自身必须能够同步到外部的标准参考时钟源上，如：

GPS参考时钟源（都适用）
1588参考时钟源（只适用L2&L3作为Master，因为DSP通常不能处理1588协议栈）
1PPS参考时钟源（都适用）

2.2.2.1 L2/L3 software is master

（1）SFN/SL的初始化

L2&L3软件通过Start.request P5配置信令启动L1 PHY.
L1 PHY启动后，PHY可以使用任意的SFN/SL值作为默认值M，并通过SLOT.indication = M消息通知L2&L3软件，自己默认的SFN/SL值。
L2&L3软件，通过DL_TTI.request = N 修正L1 PHY默认的SFN/SL，得到初始的SFN/SL=N,

至此，完成了SFN/SL的初始化，以及SFN/SL的初始同步。

（2）SFN/SL维持与纠错

完成初始化同步后，后续还有可能失步，因此需要一种流程来时刻监控SFN/SL的同步状态，并在失步时由L2&L3的软件就PHY进行纠错，重新同步。

由于L2&L3是Master，由L2&L3软件负责对L1的SFN/SL就行纠错。过程如下：

L1 PHY通过SLOT.indication（SFN/SL=M）向L2&L3软件汇报自身的SFN/SL,
L2&L3软件发现L1 PHY的SFN/SL=M与自身维持的SFN/SL=N不一致，就启动纠错机制，通过DL_TTI.request(SFN/SL=N) or UL_TTI.request(SFN/SL=N), 要求L1 PHY对自身的SFN/SL就行纠错。

L1 PHY收到DL_TTI.request(SFN/SL=N) or UL_TTI.request(SFN/SL=N)，之后，如果N=M, 这表明是同步的。
L1 PHY收到DL_TTI.request(SFN/SL=N) or UL_TTI.request(SFN/SL=N)，之后，如果N！=M, 这表明是失步的，则L1 PHY对自身的SFN/SL就行纠错，设置为SFN/SL=N.
L1 PHY同时通过ERROR.indication（失步指示，接受到的SFN/SL, 原先期望的SFN/SL）指示自身内部SFN/SL的失步和纠错情况。

或许有人为思考，L1 PHY已经完成了纠错，为啥还要通过ERROR.indication通知L2&L3软件呢？

主要是因为，L2&L3软件也有可能与它自身的参考时钟源失步，因此通知L2&L3软件自身的纠错情况，以便L2&L3软件根据自身内部的状态，采取合适的行为。

2.2.2.2 L1 PHY is master

如果L1 PHY is master，L1 PHY就是参照的标准，纠偏就发生在L2&L3软件中。

这种方案的难点是L1 PHY如何获得同步时钟。

（1）SFN/SL的初始化

L2&L3软件通过Start.request P5配置信令启动L1 PHY.
L1 PHY启动后，PHY就不能使用任意的SFN/SL值作为默认值M，M值是PHY与GPS或外部时钟源进行同步后的结果值。
L1 PHY通过SLOT.indication = M消息通知L2&L3软件，初始SFN/SL值。
L2&L3软件收到该消息后，设置自身的SFN/SL=M，作为自己的初始SFN/SL值。
L2&L3软件通过DL_TTI.request = M通知L1 PHY，自身当前的SFN/SL值M, 很显然，与PHY此时是一致的。
L1 PHY通过SLOT.indication = M+1通知L2&L3软件，期望的下一个SFN/SL值。

至此，完成了SFN/SL的初始化，以及SFN/SL的初始同步。

（2）SFN/SL维持与纠错

L1 PHY通过SLOT.indication（SFN/SL=M）向L2&L3软件汇报自身的SFN/SL
L2&L3软件发现L1 PHY的SFN/SL=M与自身维持的SFN/SL=N不一致，就启动纠错机制，通过DL_TTI.request(SFN/SL=N) or UL_TTI.request(SFN/SL=N), 要求L1 PHY对自身的SFN/SL就行纠错。

L1 PHY收到DL_TTI.request(SFN/SL=N) or UL_TTI.request(SFN/SL=N)，之后，如果N=M, 这表明是同步的。
L1 PHY收到DL_TTI.request(SFN/SL=N) or UL_TTI.request(SFN/SL=N)，之后，如果N！=M, 这表明是失步的，但L1 PHY是Master，它不会对自身的SFN/SL就行纠错，并丢弃该请求。
L1 PHY同时通过ERROR.indication（失步指示，接受到的SFN/SL, 原先期望的SFN/SL）指示自身内部SFN/SL的失步和纠错情况。
L2&L3软件是Slave，因此L2&L3软件会对自身的SFN/SL进行纠错。

在上述过程中, L1 PHY会一直丢弃DL_TTI.request(SFN/SL=N) or UL_TTI.request(SFN/SL=N)，知道L2&L3对自身的SFN/SL进行纠错，重重同步。

2.2.3 API message order

FAPI P7接口的消息的发送，是有严格的时序要求的，并非任意时序发送。

（1）下行消息的时序

SLOT.indication（）：时隙开始开始指示，实现时隙信号的同步与对齐
CONFIG.request（）：完成PHY的配置或重配

DL_TTI.request：下行SFN/SL同步与对齐
UL_TTI.request：上行SFN/SL同步与对齐

TX_Data.request：下行数据发送，可选，并不是每个TTI时隙都需要发送，
UL_DCI.request：对手机的上行调度指示。可选，并不是每个TTI时隙都需要发送。

备注：

DCI: Downlink Control Information，通过PDCCH承载，用于给终端提供指示，如何解调下行DL-SCH信道中数据。

（2）上行消息的时候

CRC.indication(N)：上行数据控制信息。
Rx_Data.indication()：上行数据指示，传输接收到的UL-SCH信道数据。

UCI.indication：上行控制信道信息指示，通过UL-CCH信道进行传输。
RACH.indication：随机接入请求，通过PRACH信道进行传输
SRS.indication：探测参考信号指示，

上述信号都是可选信息，并不是每个时隙都需要。

2.2.4 Downlink（与下行发送相关的子流程）

2.2.4.1 BCH（广播信道）

广播信道BCH用于广播发送主信息块MIB, 其周期为80ms，通过物理广播信道PBCH发送。PBCH与主同步信号PSS和辅同步信号SSS信号一起，共同组成同步信号块SSB，如下下图所示：

SSB可以以时间复用的方式在不同的波束中传输。波束扫描中的一组SSB称为SS突发。

SSB的发送周期为5-160ms。

（1）SSB在FR1中的位置（20ms内）

（2）SSB在FR2中的位置（20ms内）

2.2.4.2 PCH（寻呼信道）

通过该消息，可以在基站小区内寻呼某个特定的UE.

UE会在特定的时间点（paging occasions）周期性的监控，是否有寻呼信息。
L2&L3软件的职责就是为UE计算特定的时间点（paging occasions）
L1 PHY的职责是在DL_TTI.request指示下，在特定的paging occasions发送PCH信道的PDU。
DL_TTI.request来用承载DCI
PCH PDU是通过DL_TTI.Data下发给L1 PHY的。

2.2.4.3 DL-SCH

DL-SCH信道用于基站给UE发送用户特定的业务数据，该信道采用了混合重传机制HARQ, 因此，基站软件在调度DL-SCH信道上的下行业务数据的时候，需要同时要为UE调度好ACK/NACK信息的上行资源。调度过程如下：

L2软件通过DL_TTI.request（PDSCH, PDCCH DCI）进行时隙调度
L2软件通过Tx_Data.request (MAC PDU)发送DL-SCH信道的PDU
L1 PHY通过DL-SCH信道给UE发送数据
L2软件通过DL_TTI.request（PDSCH）进行时隙调度
L2软件通过DL_TTI.request（PDCCH）进行时隙调度
L1 PHY在PDCCH信道接收UE的应答
L1 PHY通过UCI.indiation指示UE的应答信息。

2.3 RF和波束赋型（P19接口）：MAC层控制RF

待续。。。。。

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