李　鵬, 楊保亮,胡勤國, 干紅平

(1.重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 重慶　永川　402160； 2.重慶大學(xué)通信工程學(xué)院， 重慶　沙坪壩　400044)

?

基于軟件無線電的LTE-Advanced實時測試平臺同步的設(shè)計與實現(xiàn)

李鵬1,2, 楊保亮1,胡勤國1, 干紅平1

(1.重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 重慶永川402160； 2.重慶大學(xué)通信工程學(xué)院， 重慶沙坪壩400044)

[摘要]基于GNU Radio和USRP以軟件無線電方式構(gòu)建了一個移動通信技術(shù)實時測試平臺.在此平臺上，利用LTE無線幀中的主/輔同步信號實現(xiàn)了符合LTE-Advanced物理層規(guī)范的實時通信.該測試平臺為真實物理環(huán)境下移動通信技術(shù)的設(shè)計、測試及驗證提供了技術(shù)手段.

[關(guān)鍵詞]軟件無線電; LTE-Advanced測試平臺;同步; GNU Radio; USRP

采用先進無線傳輸技術(shù)及新型移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是滿足未來移動通信需求的主要途徑[1].清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)及東南大學(xué)利用C++和MATLAB分別建立了國內(nèi)領(lǐng)先的LTE(Long Term Evolution)系統(tǒng)級軟件仿真平臺[2, 3].維也納技術(shù)大學(xué)基于MATLAB建立了符合LTE-Advanced標準的鏈路級和系統(tǒng)級軟件仿真平臺[4].軟件仿真平臺的搭建，為LTE及LTE-Advanced技術(shù)研究提供了仿真測試手段.但是，僅靠軟件仿真已不能滿足未來移動通信技術(shù)的設(shè)計與測試需要.軟硬結(jié)合的測試平臺與計算機軟件仿真相比，信道環(huán)境、干擾環(huán)境真實，算法、技術(shù)方案時間維度特征得以體現(xiàn)，執(zhí)行速度快，實時性強等.因此，有必要開發(fā)符合未來移動通信技術(shù)測試需求的軟硬結(jié)合的實時測試平臺.

基于上述考慮，選用GNU Radio和通用軟件無線電外設(shè)USRP (Universal Software Radio Peripheral)以軟件無線電的方式搭建了一個移動通信技術(shù)測試平臺.在測試平臺搭建過程中，分析、總結(jié)了先進無線傳輸技術(shù)和新型移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)的測試需求，根據(jù)測試需求設(shè)計了測試平臺的組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計了測試平臺無線收發(fā)工作模式，實現(xiàn)了平臺中各組件、模塊的功能，編制了圖形化用戶界面.運行結(jié)果表明，測試平臺無線接收端與發(fā)送端實現(xiàn)了同步.測試結(jié)果真實反映了信道環(huán)境、干擾環(huán)境對測試平臺同步的影響.

1GNU Radio簡介

GNU Radio是一個開源的軟件定義無線電軟件.GNU Radio在通用處理器上運行，完成基帶信號處理，如調(diào)制、解調(diào)等與信號波形相關(guān)的操作[5].在GNU Radio中，利用面向?qū)ο蟮哪_本化高級編程語言Python進行信號處理流程圖的編制.信號處理流程圖由若干具有獨特功能的信號處理模塊組成.如圖1所示，使用Python編寫GNU Radio頂層模塊.頂層模塊通過接口生成器SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator)調(diào)用底層信號處理模塊[6].在測試平臺中，實時性要求嚴格的信號處理模塊是由C++編程實現(xiàn)的，并利用GRC (GNU Radio Companion)這個類似于Simulink的圖形化界面工具，編制圖形化的信號處理流程圖.

圖1　GNU Radio編程結(jié)構(gòu)示意圖

2通用軟件無線電外設(shè)USRP

通用軟件無線電外設(shè)USRP主要由一塊FPGA母板和一塊或多塊可調(diào)換的覆蓋不同頻率范圍的子板組成，完成諸如數(shù)字上/下變頻、抽樣、內(nèi)插等高速通用操作.USRP支持GNU Radio、Labview、Matlab/Simulink等眾多軟件平臺.USRP與HackRF、bladeRF等其他軟件無線電外設(shè)相比，頻帶范圍寬，采樣精度高，采樣速率快，支持全雙工方式等[7, 8].網(wǎng)絡(luò)系列的USRP采用千兆以太網(wǎng)接口，傳輸速率達1 Gbps，傳輸距離較長，適宜作為移動通信技術(shù)測試平臺的射頻前端.

3測試平臺發(fā)送端及接收端信號處理流程

測試平臺發(fā)送端信號處理流程如圖2所示.首先生成待發(fā)送數(shù)據(jù)、小區(qū)專用參考信號CRS (Cell-specific Reference Signal)、主同步信號PSS (Primary Synchronization Signal)及輔同步信號SSS (Secondary Synchronization Signal)；接著對待發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)制，在已實現(xiàn)系統(tǒng)中采用QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)調(diào)制方式；接著根據(jù)LTE無線幀資源映射規(guī)定，生成LTE無線幀；對無線幀進行IFFT變換，再將循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)插入到待發(fā)送數(shù)據(jù)的前部，生成OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)符號；最后利用USRPTx將生成的無線幀以O(shè)FDM符號的形式逐個發(fā)射.

測試平臺接收端的信號處理流程如圖3所示.圖3中，實線代表數(shù)據(jù)流，虛線代表信息流.接收端USRP將無線幀接收下來，首先進行頻偏校正，頻偏值的大小由頻偏值計算模塊計算得到；頻偏值freq_offset以message_passing方式反饋至頻偏校正模塊，實現(xiàn)對接收數(shù)據(jù)的頻偏校正.接著進行循環(huán)前綴CP定位，獲取CP位置信息.CP位置信息一方面用于頻偏計算，另一方面用于去除CP.在去除CP之后，通過FFT變換將數(shù)據(jù)由時域變換至頻域.接著利用主同步信號PSS和輔同步信號SSS實現(xiàn)發(fā)送端接收端同步.利用小區(qū)專用參考信號CRS實現(xiàn)信道估計.利用信道估計的結(jié)果對接收到的數(shù)據(jù)進行幅度及相位的補償.在實現(xiàn)了接收數(shù)據(jù)幅度及相位補償之后，對接收數(shù)據(jù)進行判決，將判決結(jié)果以一定的數(shù)據(jù)格式加以輸出.

圖2　發(fā)送端信號處理流程

圖3　接收端信號處理流程

4測試平臺收發(fā)端同步

利用LTE物理層同步信號實現(xiàn)測試平臺收發(fā)端同步.LTE物理層同步信號用于物理層小區(qū)搜索，實現(xiàn)用戶終端對小區(qū)的識別及同步.LTE物理層同步信號有主同步信號和輔同步信號.每個同步信號在時域上為1個OFDM符號，在頻域上占用下行頻帶中心1.08 MHz帶寬.

如圖4所示，LTE中一個無線幀(frame)包含10個子幀(subframe)，編號為0到9；包含20個時隙(slot)，編號為0~19；每一個時隙包含7個OFDM符號(symbol)，編號為0~6.每幀由140個OFDM符號組成.每幀包含兩個主同步信號和輔同步信號.一幀中兩個PSS相同；兩個SSS不同，前半幀的SSS_sub0與后半幀的SSS_sub5不同.SSS_sub0為第0個子幀中的輔同步信號，SSS_sub5為第5個子幀中的輔同步信號.

圖4　LTE FDD Type1幀結(jié)構(gòu)

4.1半幀同步

首先利用主同步信號實現(xiàn)接收端與發(fā)送端之間的半幀同步.將接收到的70個OFDM符號逐個與接收端本地生成的主同步信號PSS做相關(guān)運算，得到70個相關(guān)值.最大相關(guān)值對應(yīng)的OFDM符號中包含PSS信號.因此，最大相關(guān)值對應(yīng)的OFDM符號在該半幀數(shù)據(jù)中應(yīng)該編號為6.然而，由于接收到的70個OFDM符號并不恰好為半個無線幀，因此76減去當(dāng)前半幀OFDM符號編號為實際OFDM符號編號.經(jīng)過主同步信號定位模塊find_pss的處理，接收端定位了主同步信號PSS.從下一半幀開始輸出實際的OFDM符號編號，實現(xiàn)了半幀同步.

4.2符號同步

接著利用輔同步信號實現(xiàn)接收端與發(fā)送端之間的符號同步.符號同步的含義是指無線接收端能夠?qū)γ恳粋€無線幀中的140個OFDM符號進行正確的編號，編號范圍為1~140.利用主同步信號定位模塊find_pss的處理結(jié)果，將接收到的編號為5的OFDM符號與本地生成的輔同步信號SSS_sub0和SSS_sub5分別相關(guān)，將相關(guān)值分別存儲到Corr_f_0和Corr_f_5中.若Corr_f_0 >Corr_f_5，說明當(dāng)前OFDM符號所處半幀為前半幀，將find_pss模塊的輸出編號直接輸出；若Corr_f_0

4.3物理層小區(qū)ID解算

圖5　同步程序流程

圖6　物理層小區(qū)ID解算

5測試結(jié)果

5.1測試平臺運行參數(shù)配置

測試平臺搭建完成之后，利用此平臺進行真實物理環(huán)境下的通信測試.采用增強型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，抑制小區(qū)間干擾，實現(xiàn)宏小區(qū)/微小區(qū)兩層結(jié)構(gòu)的異構(gòu)網(wǎng)通信.選用Ettus Research公司的USRP N210作為基站射頻前端和無線終端.選用服務(wù)器Dell Power Edge T620作為中央處理單元.完成基帶數(shù)字信號處理的GNU Radio安裝在中央處理單元中.宏基站通過前端交換機以有線回程的方式與中央處理單元相連；低功率節(jié)點采用有線回程的方式與宏基站相連.測試平臺運行參數(shù)配置如表1所示.

表1　測試平臺運行參數(shù)配置

5.2同步測試結(jié)果

如圖7所示，find_sss模塊向后繼模塊逐個輸出了OFDM符號編號.find_pss模塊和find_sss模塊分別消耗70個OFDM符號后實現(xiàn)半幀同步和符號同步.因此，首個無線幀包含的140個OFDM符號對應(yīng)輸出140個0.接著find_sss模塊向后繼模塊逐個輸出OFDM符號編號.

測試平臺收發(fā)兩端同步測試結(jié)果如圖7所示.圖7 (a)表明，在經(jīng)過了半幀同步和符號同步之后，測試平臺接收端已經(jīng)實現(xiàn)了OFDM符號的正確編號.在半幀同步和符號同步的過程中，系統(tǒng)輸出編號為0.實現(xiàn)半幀同步和符號同步之后，同步模塊順序輸出編號范圍為1~140的OFDM符號編號.圖7(b)表明，接收端對接收到的一幀OFDM符號編號完畢之后，對下一幀OFDM符號進行1~140的順序編號.至此，實現(xiàn)了測試平臺無線收發(fā)兩端的同步.

(a)首幀同步測試結(jié)果

(b)前一幀轉(zhuǎn)至下一幀時的同步測試結(jié)果

5.3實時測試平臺

利用wxPython編制了如圖8所示的圖形化用戶界面，提取了用戶吞吐率和通信誤碼率兩個重要的性能指標.在未采用增強型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)時，宏小區(qū)邊緣用戶UE#1和微小區(qū)邊緣用戶UE#2的通信速率約為450 Kbps.由于存在小區(qū)間干擾，用戶通信誤碼率高達30﹪~40﹪，用戶無法正常通信.在采用了增強型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)之后，小區(qū)用戶通信誤碼率顯著下降.與此同時，為抑制小區(qū)間干擾，干擾基站會有一些子幀未承載數(shù)據(jù).因此，微小區(qū)用戶UE#1及宏小區(qū)用戶UE#2的通信速率較采用干擾協(xié)調(diào)技術(shù)之前略微降低，約為300 Kbps.通信速率的略微降低換來了誤碼率的顯著下降.

圖8　測試平臺圖形化用戶界面

6結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個移動通信技術(shù)實時測試平臺.該平臺利用GNU Radio和USRP以軟件無線電的方式搭建.平臺實現(xiàn)方式靈活，結(jié)構(gòu)通用且模塊化，擴展性、可移植性強，易于改進及擴展，適用于測試、驗證不斷發(fā)展演進的移動通信技術(shù).運行結(jié)果表明，測試平臺實現(xiàn)了無線接收端與發(fā)送端的同步.測試結(jié)果真實反映了信道環(huán)境、干擾環(huán)境對測試平臺同步的影響.

[參考文獻]

[1]Cisco Public. Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast update, 2013-2018[EB/OL]. (2014-02-05) [2015-08-26] .http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white_paper_c11-520862.html.

[2]陳偉, 孫引, 李云洲, 等. 基于MATLAB的LTE系統(tǒng)級仿真平臺的建立[J]. 通信技術(shù), 2010, 43(5):170-175.

[3]周文安, 陳微, 陳思, 等.基于MATLAB的LTE仿真平臺CoMP功能的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2012, 24(11):2259-2263.

[4]MEHLFUHRER C, IKUNO J C, SIMKO M, et al. The Vienna LTE simulators-enabling reproducibility in wireless communications research[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing 2011,29:1-14.

[5]BLOSSOM E. Exploring GNU Radio [EB/OL]. (2004-11-29) [2015-08-28].http://www.gnu.org/software/doc/exploring-gnuradio.html.

[6]GNU Radio 3.7.5 C++ API. [EB/OL].(2013-11-04) [2015-08-26]. http://gnuradio.org/doc/ doxygen/index.html.

[7]MA N, LI Y M. 4G Test-bed trial: Building wireless research “HEART”-CoMP probes the first step[C]//IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications Workshops. Istanbul, Turkey, 2010: 408-413.

[8]BUDHIRAJA R, RAMAMURTHI B, NARAYANAN B, et al. End-to-end india-uk transnational wireless testbed [EB/OL].(2011-06-10)[2015-08-24].http://ictactjournals.in/paper/jct_Spl_Paper _323_328.pdf.

(責(zé)任編輯穆剛)

The synchronization design and implementation of LTE-advanced real-time test platform based on the software defined radio

LI Peng1, 2, YANG Baoliang1, HU Qinguo1, GAN Hongping1

(1. School of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China;2. College of Communication Engineering, Chongqing University, Shapingba Chongqing 400044, China)

Abstract：Based on the GNU Radio and universal software radio peripheral a test platform for mobile communication technologies is constructed. With the platform, a real communication conforming to LTE-Advanced physical layer specification is implemented by the PSS/SSS of LTE radio frame. The platform provides a tool to the design, test and verification for the mobile communication technologies in real environment.

Key words：soft defined radio; LTE-Advanced test platform; synchronization; GNU Radio; USRP

[中圖分類號]TN929.53

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0055-06

[通訊作者]楊保亮 (1979—)，男，山東棗莊人，講師.

[作者簡介]李鵬 (1981—)，男，湖南長沙人，講師，博士，主要從事新一代寬帶無線通信理論與技術(shù)方面的研究.

[基金項目]重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1501105，KJ1501107)；重慶大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目(CDJXS12161103)；重慶文理學(xué)院科研項目(Y2015DQ35).

[收稿日期]2015-09-18