OAI 5G-NR源码架构

OAI 5G-NR源码架构

1 特性范围

目前gNB和5G-NRUE支持如下的配置：

  • 工作模式：TDD
  • CP长度：Normal CP
  • 子载波间隔： 30kHz
  • 信道带宽：40MHz(106PRB)、80MHz(217PRB)、100MHz(237PRB)
  • 天线端口：单波束
  • 时隙格式：14 OFDM符号
  • 编码方式：LDPC、polar

2 gNB源码解析

2.1 代码框架时序图

gNB源码主框架图如下图所示：

在这里插入图片描述

**Main：**主进程，主要功能包括：

1） 命令行参数解析

2） 系统配置文件解析

3） 各子层初始化工作，包括重要数据结构、接口初始化工作

4） 线程初始化，gNB管理线程、包括RRC层处理线程、rx/tx处理线程、传输网接口线程、x2口交互线程

5） 射频phy层及RU单元初始化及配置工作

6） 物理层算法模块数据初始化

7） 用户面数据业务缓存开辟

gNB_app_task：gNB管理线程，主要功能包括：

1） gNB主要数据结构初始化 RCconfig

2） MAC层与PHY层的P5&P7接口初始化，回调函数注册

3） 调用P5接口向RRC发送承载配置命令

4） 处理核心网下发的一些消息

5） 处理各种超时处理消息等

rrc_gnb_task：RRC处理线程，主要功能包括：

1） RRC配置消息处理，如果支持NSA方式，还需要处理MN设备发送的RRC重配置消息。

2） 双连接副站添加相关处理

3） 随机接入消息处理（Msg3，Msg4）

4） 测量相关处理

5） 系统消息处理

sctp_eNB_task：传输网接口线程，主要功能包括：

1） NG口连接建立相关的消息处理

2） 与F1AP 控制面的消息处理（包括CU和DU两部分）

ru_thread：rx/tx处理线程，主要功能包括：

1） RU设备库加载

2） 上行流程处理，包括PHY、MAC、RLC、PDCP

3） 下行流程处理, 包括PHY、MAC、RLC、PDCP

​

2.2 重要函数及过程

2.2.1 主进程

Main() [nr-softmodem.c]

  1. get_options()

通过解析命令行参数来对系统做配置。

重要的数据结构：RAN_CONTEXT_t， 存储gNb实例、macrlc实例、L1实例，RU实例信息。

  1. netlink_init()

  2. init_pdcp()

  3. create_gNB_tasks(1)

起来几个主要线程

a. itti_create_task(TASK_GNB_APP, gNB_app_task,NULL)：

1） L1配置信息初始化

2） 完成对phy层、rlc子层、PDCP子层的初始配置工作，若支持noS1模式，还要读取rrc子层的配置信息。

3） 初始化MAC与PHY之间的接口，回调函数注册：

Nr_ul_indication：层2上行接收接口函数，当物理层从空口接收到上行数据，经过物理层过程后将会触发该函数将解码后的数据pdu上送至MAC层

**nr_phy_config_request：**系统参数配置入口处理函数。在SA模式下，系统读取初始化配置文件，然后将其传送给RRC层，RRC层根据配置文件信息形成RRC message（如：SI系统消息），在5G NR NSA模式下，其接收的配置消息基本上就是MIB以及服务小区从X2接口传来的重配置消息。

nr_schedul_response：MAC与PHY的下行接口处理函数。该函数可对MAC层下行pdu进行调度，包括MIB、PRACH消息、rrc消息业务数据pdu以及一些半动态配置消息，并根据调度结果生成DCI。

4） configure_nr_rrc：初始化RRC实体，生成rrc配置消息，包括物理层及射频单元配置。通知RRC处理线程。

b. itti_create_task(TASK_SCTP, sctp_eNB_task,NULL)：

​ gNB NG-C的接口线程，也可作为F1-C的接口。

c. itti_create_task(TASK_X2AP, x2ap_task,NULL)：

X2接口线程

d. itti_create_task(TASK_RRC_GNB, rrc_gnb_task,NULL)

​ RRC子层的处理线程，主要应包括系统消息、随机接入的Msg3、Msg4相关处理、一些测量相关消息处理

  1. init_gNB()

注册MAC层与PHY层接口回调函数：Nr_ul_indication、nr_phy_config_request、nr_schedul_response（详细描述见4）。

  1. wait_gNBs()

此处采用了停等的模式。至此，系统参数配置以及生效，phy及mac层以上子层均完成初始配置工作。

  1. init_NR_RU()

1） 射频单元参数初始化。主要参数包括：uhd driver地址、类型、同步时钟源，接收增益，参考信号能量等。

2） 回调函数注册，主要回调有：

ru->fh_south_in：RU与phy的上行接口处理函数

ru->fh_south_out：RU与phy的下行接口处理函数

ru->feptx_ofdm：射频前端处理函数

ru->feprx ：射频前端处理函数

3） init_RU_proc()：空口线程管理，此处起了gNB上下行处理的主线程ru_thread

  1. wait_RUs()

此处采用线程同步方式（pthread_cond_signal(&RC.ru_cond)，RC.ru_mask）。至此，包括射频单元在内的所有模块初始配置工作完成。

  1. init_eNB_afterRU()

1） 初始化物理层算法模块使用的数据表格、配置物理层处理过程的一些关键参数

2） 回调函数注册：gNB_top, gNB上/下行数据处理入口函数。

3） 为ULSCH/DLSCH开辟存储buffer

  1. 至此，所有RU单元及gNB实体ok，发送同步信号（pthread_cond_broadcast(&sync_cond)）通知所有处理线程可以开始上/下行数据处理。

2.2.2 ru_thread线程

  1. nr_init_frame_parms()

这里计算了空口帧的许多重要参数信息，包括每帧的时隙数、每子帧的时隙数、每个时隙的符号数、每帧的采样点数、每个时隙的点数、接收/发送天线数、频率范围、帧类型、子载波间隔等信息。

  1. fill_rf_config()

根据numerology及PRB配置信息得到系统的信道带宽及采用率等信息上下行频点，天线tx_gain,rx_gain等信息

  1. nr_phy_init_RU()

初始化与phy层的接口buffer

  1. openair0_device_load()

加载RF设备库

  1. 线程同步，启动RF设备，开始正常的接收发送

  2. 上行处理流程

  3. 下行处理流程

2.2.3 rrc_gnb_task线程

RRC子层处理线程

  1. RRC配置/重配置

接收gNB管理线程的rrc配置消息NRRRC_CONFIGURATION_REQ，调用init_NR_SI,该函数最终会调用P5接口对底层设备进行配置。如下图所示：
在这里插入图片描述

  1. 副站添加

接收X2接口发送的副站添加消息X2AP_ENDC_SGNB_ADDITION_REQ

2.2.4 随机接入过程

  1. preamble接收

调用函数L1_nr_prach_procedures()在上行PRACH信道上接收preamble，最多能检测到64个preamble。获取preamble序列，找到当前root序列下的preamble循环偏移位置，计算输出检测到的pramble的TA（时间调整值）和能量。

选取能量最大的preamble

gNB->UL_INFO.rach_ind.number_of_pdus = 1, 发起随机接入流程

  1. 初始化发起随机接入

handle_nr_rach()

调用nr_initiate_ra_proc()

将状态改为 ra->state = Msg2

初始化随机接入过程

  1. 发送RAR

nr_schedule_RA()

nr_generate_Msg2()生成Msg2，分别处理DCI，PDCCH，PDSCH设置，

赋值tx_req

在发送时隙，调用phy_procedures_gNB_TX()

生成DCI

执行PDCCH、PDSCH过程

将状态改为 ra->state = WAIT_Msg3

  1. Msg3接收

调用nr_schedule_reception_msg3()存储msg3主要信息（ul_req）：包大小，包地址，当前帧号和时隙。

ifi->NR_Schedule_response[回调函数：nr_schedule_response]

调用函数handle_nfapi_nr_ul_dci_pdu 解出ul dci

调用函数nr_fill_ulsch()根据dci找到ulsch位置

在物理层接收主函数phy_procedures_gNB_uespec_RX 中调用函数nr_ulsch_procedures()

调用函数nr_ulsch_decoding()得到解码后的mac_pdu

rx_ind.number_of_pdus++ ， crc_ind.number_crcs++

mac上行接收主函数中调用nr_rx_sdu()

3 接口

3.1 nFAPI（P5 &P7）

3.1.1 架构

FAPI提供了MAC层与PHY层之间的接口，实现了phy层与mac层的分离，其接口架构如下图所示，其中P5口主要用于传送静态配置信息，P7口主要用来传送数据和半动态配置信息。

在这里插入图片描述

3.1.2 过程

如上图所示，MAC层从命令行或配置文件获取系统配置参数，然后将其传送至RRC层，RRC层会通过P5接口触发nr_phy_config_req()对PHY及RU进行配置。在5G NR NSA方式下，RRC子层接收从X2接口来的主校区rrc重配置消息。

对于半动态配置消息以及用户面数据信息的传送，MAC层与PHY层之间使用P7接口，对于上行数据，触发nr_ul_indication()；对于下行数据，触发nr_schedule_response()。

NR_UL_INDICATION

NR_SCHEDULE_RESPONNSE

TX_REQ

携带从MAC层到 PHY 层的 PDU.

RX_IND

携带从PHY层到MAC层的 PDU

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