孫吉剛，何電明

（廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 51006）

基于OAI系統(tǒng)的軟基站相關(guān)技術(shù)研究

孫吉剛，何電明

（廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 51006）

基于大型基站通信設(shè)備體積大而笨重、硬件改造困難，容易給工作帶來問題。文章結(jié)合OAI開源系統(tǒng)和通用軟件無線電設(shè)備，在計算機(jī)上建立了4G-LTE軟基站（eNB）、軟終端（UE）以及在空中接口的eNB和UE上下行鏈路系統(tǒng)，用Iperf測試軟基站穩(wěn)定性和空中接口的傳輸速率，并對測試結(jié)果進(jìn)行重點分析。文章為研究LTE軟基站和其他相關(guān)技術(shù)以搭建了一個簡便快速的平臺，具有很強(qiáng)的靈活參數(shù)配置性，該結(jié)論將為研究軟件無線電LTE的軟基站的研究者提供參考。

OAI；軟基站；軟終端；穩(wěn)定性；傳輸速率

如今是移動通信產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時代，隨著近幾年4G移動技術(shù)的在世界范圍內(nèi)的成功運行，第三代合作伙伴項目3GPP制定了長期演進(jìn)技術(shù)（LTE）和LTE-A標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之后，世界各國的大公司、運營商、研究組織便又紛紛投入到4G-LTE的研究中。

無線通信技術(shù)每一次革新都增強(qiáng)了系統(tǒng)的復(fù)雜性，這為移動通信運營商硬件設(shè)施的更新?lián)Q代帶來了諸多不便和極大的資金投入，而且世界范圍內(nèi)戶外各種宏基站與日俱增，也造成了一定的土地資源浪費。于是無線通信工作者考慮到將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用到移動通信領(lǐng)域，以此來減輕研究投入的資金壓力和加速對通信技術(shù)的研究步伐。2008年基于GSM協(xié)議棧的Open BTS開源軟件的出現(xiàn)給研究者帶來了新的研究方向，Open BTS是一個基于軟件的GSM接入點，實現(xiàn)了低三層標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，在2008年8月的火人節(jié)上，做了為期一周的現(xiàn)場測試，Open BTS成功地將測試現(xiàn)場的120個手機(jī)同北美洲的95個移動運營商號碼實現(xiàn)了連接，這些都引發(fā)了無線通信研究者對軟件無線電技術(shù)的興趣。

2013年法國的EURECOM組織開發(fā)出了針對無線通信信號處理的軟件開源平臺OAI（Open Air Interface）。利用該平臺和軟件無線電設(shè)備USRP-B210可以建立實時的軟基站和軟終端平臺。截至目前，還沒有相關(guān)的文獻(xiàn)在LTE空中接口下實現(xiàn)eNB和UE穩(wěn)定性和傳輸速率測試。

1　USRP硬件平臺

本次eNB和UE連接仿真實驗采用了美國Ettus公司的USRP-210產(chǎn)品，USRP-B210提供了一個完全集成的單開發(fā)板平臺，其包括一個發(fā)射通道和一個接收通道。USRP-B210采用新的模擬射頻集成芯片來實現(xiàn)一個高性價比的實驗平臺，通過采用USB3.0芯片組，其能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)56MHz的瞬時帶寬。該平臺能覆蓋頻率70MHz-6GHz.涵蓋了LTE系統(tǒng)所有的頻段，這為在任意頻段上的仿真測試帶來了極大方便。該硬件平臺支持全雙工TDD/FDD，還支持多天線2x2mMIMO。Ettus還提供開源驅(qū)動UHD，該驅(qū)動實現(xiàn)了PC 對USRP-B210的控制。USRP-B210硬件平臺的收發(fā)端口型號是TX/RX，RX其中的TX/RX端口同時實現(xiàn)了收發(fā)，這樣就導(dǎo)致了嚴(yán)重的TX/RX端口自發(fā)自收的信號能量泄露問題，為后期eNB，UE連接帶來極大的干擾。為了解決這個問題，文章采取了在USRPB210射頻板上手動焊接了一個雙工器，將TX/RX實現(xiàn)端口分離。采取SRP902R947N10N25FAS介質(zhì)雙工器，覆蓋天線頻段。

2　OAI軟件平臺

OAI是世界上第一個以軟件方式實現(xiàn)完整3GPP的協(xié)議棧，實現(xiàn)了LTE的PHY，MAC，RLC，PDCP，RRC各層功能。該軟件系統(tǒng)由openair-cn，OpenAirInterface，xtablesaddons-oai 3部分組成，其中以openair-cn，OpenAirInterface為核心。Openai-cn包括MME，HSS，S-GW，P-GW.該部分是用來實現(xiàn)核心網(wǎng)（EPC）功能，OpenAirInterface包含7個不同部分，系統(tǒng)文件功能介紹如圖1所示。

圖1　OAI各系統(tǒng)功能介紹

3　隨機(jī)接入過程

在隨即接入過程之前UE做了一系列工作：搜素eNB頻段，時頻同步，解碼小區(qū)的系統(tǒng)信息（MIB），小區(qū)選擇。在選擇合適的小區(qū)后，UE駐留在該小區(qū)發(fā)起隨機(jī)接入過程接入LTE網(wǎng)絡(luò)。隨機(jī)接入過程分為兩種接入方式：基于競爭的隨機(jī)接入和基于非競爭的隨機(jī)接入過程。本文UE接入eNB過程是基于競爭的隨即接入過程，在以下情況下UE基于競爭隨機(jī)接入eNB：

（1）UE初始接入時候建立無線連接；（2）RRC連接重建過程；（3）UE在不同小區(qū)間切換；（4）在RRC_ CONNECTED態(tài)下，下行數(shù)據(jù)到達(dá)時，上行處于不同步狀態(tài)；（5）在RRC_CONNECTED態(tài)下，上行數(shù)據(jù)到達(dá)時上行處于不同步或者沒有可用的PUCCH資源用于SR傳輸。

基于競爭隨機(jī)接入過程如圖2所示，實現(xiàn)步驟如下所述：

（1）UE發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)信號給eNB。告訴eNB有一個隨機(jī)接入請求，同時使得eNB能估計其與UE之間的傳輸時延并以此校準(zhǔn)uplink timing；（2）eNB發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)（RAR）給UE。當(dāng)eNB檢測到UE上發(fā)的前導(dǎo)序列，則在DLSCH上發(fā)送一個響應(yīng)，包含：該序列索引號，時間調(diào)整信息，資源調(diào)度信息，臨時C-RNTI；（3）Msg3。eNB接收UE上發(fā)的Msg3，讓UE成功接入，UE則獲得上行同步并在公共控制信道上發(fā)送RRC連接請求等基本信息，但是要能夠?qū)崿F(xiàn)上行數(shù)據(jù)傳輸，則必須獲得唯一的C-RNTI；（4）競爭解決。UE接收到eNB返回的競爭解決消息，并且其中攜帶的UE ID與自己在Msg3中上報給eNB的相符，那么UE就認(rèn)為自己隨機(jī)接入成功，將RAR消息中得到的臨時的C-RNTI置為自己的C-RNTI。否則，UE就認(rèn)為此次接入失敗，按上面的步驟再次進(jìn)行隨機(jī)接入的重傳過程。

圖2　基于競爭的隨機(jī)接入過程

4　軟基站和軟終端連接試驗

該連接試驗在兩臺電腦上分別建立eNB與UE，不接入S1接口與核心網(wǎng)EPC，主要過程如下：

在兩臺裝有Ubuntu系統(tǒng)的PC機(jī)上分別搭建eNB和UE系統(tǒng)平臺。

（1）分別運行eNB和UE。（2）當(dāng)UE連上eNB時，做PING和文件傳輸測試。

4.1軟基站和軟終端系統(tǒng)平臺

在兩臺PC機(jī)上分別下載OAI開源代碼，在cmake_ targets文件下編譯安裝eNB和UE，

eNB系統(tǒng)平臺搭建shell終端命令如下：

cd～/oai7763/camke_targets

sudo ./build_oai -I

sudo ./build_oai -x -w USRP -eNB --noS1

執(zhí)行命令后會在targets根目錄下生成lte-softmodemnos1.Rel10可執(zhí)行文件。

UE系統(tǒng)平臺搭建shell終端命令如下：

cd～/oai7763/camke_targets

sudo ./build_oai -I

sudo ./build_oai -x -w USRP -UE --noS1

執(zhí)行命令后會在targets根目錄下生成lte-softmodemnos1.Rel10可執(zhí)行文件。

4.2運行軟基站

在shell終端執(zhí)行命令：sudo ./targets/bin/lte-softmodemnos1.Rel10 -d-O ./target/bin/enb.band5.tm1.usrpb210.conf 2＞＆1 | tee ENB.log，“-d”參數(shù)意義是加載軟示波器，參數(shù)O讀取配置文件，配置文件可根據(jù)選用的射頻天線頻段修改相應(yīng)的中心頻點及帶寬，還有收發(fā)接收增益，收發(fā)接收天線數(shù)量等參數(shù)?！?＞＆1 | tee ENB.log”參數(shù)是將eNB的輸出通過管道流在當(dāng)前目錄下生成eNB.log日記文件，方便查看記錄。當(dāng)成功執(zhí)行命令后會生成如圖3所示的NB軟示波器界面。

圖3　eNB系統(tǒng)平臺示波器

圖3中各參數(shù)說明：

Channel Tmpulse response：表示一有UE終端接進(jìn)來的時候，就會出現(xiàn)脈沖波形，eNB和UE連接成功后，該波形呈平滑狀。

Channel frequency response ：表示信道的頻率響應(yīng)，是反映信道質(zhì)量情況的一個參數(shù)指標(biāo)，作為后期的eNB的調(diào)度依據(jù)之一。

PUSCH log-likelihood ratios（LLR，mag）：為PUSCH（物理上行共享信道）的解調(diào)提供一種概率依據(jù)，LLR的結(jié)果是概率數(shù)，大于0，解調(diào)時候就判斷為bit為二進(jìn)制1，小于0，解調(diào)時候就判斷bit為二進(jìn)制0。

PUSCH I/Q：表示PUSCH信道的星座圖，依據(jù)不同的調(diào)制的方式（BPSK，QPSK，16QAM，64QAM），可以顯示出不同的星座圖。

PUSCH throughput表示PUSCH信道的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

4.3運行軟終端

在shell終端運行Sudo./target/bin/lte-softmodemnos1.Rel10-U-C 947000000-r 25--us-scan-carrier --uetxgain100--ue-rxgain 110--ue-max-power60 2＞＆1|tee UE.log，該命令表示UE在頻段947000000Hz上去隨機(jī)接入eNB，UE成功隨機(jī)接入eNB后，示波器如圖4所示。其中-U是讓可執(zhí)行文件lte-softmodem-nos1.Rel10來執(zhí)行UE的功能；

圖4　UE成功隨機(jī)接入eNB示波器

-C947000000是空中接口的工作頻段。

-r25是給空中接口分配5M帶寬，修改該參數(shù)可以分配其他帶寬。

--ue-scan-carrier是UE來掃描基站頻段，從而進(jìn)行接入。

--ue-txgain 100是UE的發(fā)射增益，本系統(tǒng)設(shè)置為100。

--ue-rxgain 110是UE的接收增益，本系統(tǒng)設(shè)置為110。

-ue-max-power 70將ue的發(fā)射功率設(shè)置為70，該70是通過計算所得。

max_ue_power = PDSCH_EPRE+10*log10（12*N_ PRB）.其中的N_PRB就是分配給系統(tǒng)的RB個數(shù)PDSCH_ EPRE，是PDSCH信道的每個RE的功率。

PDSCH信道功率計算：EPRE=P_B/P_A*EPRE，該EPRE是參考信號的功率，參考信號的功率在eNB配置文件里面有說明∶P_B/P_A是比值可以取1，4/5，3/5，2/5反映了參考信號功率和鄰近RE功率的相對大小，選取該值的原則是：盡量讓比值小，使得參考信號功率大于鄰近的RE功率，這樣更有利于RE的解調(diào)。

在UE成功接入eNB后，eNB側(cè)的示波器圖發(fā)生變化如圖5所示。

圖5　eNB成功連接上UE

綜觀以上eNB側(cè)和UE側(cè)結(jié)果圖以及各個參數(shù)，得出eNB 和UE成功連接上，建立了一套基于空中接口的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，二者接下來可以進(jìn)行相關(guān)的穩(wěn)定性和傳輸速率測試。

5　軟基站的穩(wěn)定性和空中接口傳輸速率測試

本系統(tǒng)是在單發(fā)單收模式和基于5Mbit/s帶寬下利用iperf來測試，iperf 是一個網(wǎng)絡(luò)性能測試工具。iperf可以測試最大TCP和UDP帶寬性能。Iperf具有多種參數(shù)和UDP特性，可以根據(jù)需要調(diào)整。Iperf可以報告帶寬、延遲抖動和數(shù)據(jù)包丟失。

給定1M的測試包大小，下行傳輸速率最高可以達(dá)到3.432Mbit/s，上行最高可達(dá)1.675Mbit/s。得出軟基站穩(wěn)定性尚可，不容易垮掉而停止工作，但是傳輸速率較低。原因在于通用軟件無線電設(shè)備USRP-B210的RX/TX端口做的不好，信號在端口泄露較多；物理下行控制信道PDCCH占用了3個symbol符號，減少了用于傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的符號數(shù)目，物理層用的是QPSK的2階調(diào)制，若利用64QAM調(diào)制方式，理論上在相同的帶寬下傳輸速率會提高4倍。

6　結(jié)語

利用以上無線電USRP-B210和OAI軟件搭建單基站單終端的LTE系統(tǒng)，在FDD格式下，基于空中接口5M帶寬，在上行902M下行947M頻段經(jīng)過多次測試傳輸速率，得到上行峰值速率為1.675Mbit/s，下行峰值速率為3.432Mbit/s。eNB和UE成功連接持續(xù)時間可以達(dá)3個小時，穩(wěn)定性尚可。本文針對在空中接口上軟基站相關(guān)研究初步驗證和實現(xiàn)了4G-LTE相關(guān)通信技術(shù)，為以后的研究者追求更高的4G-LTE空中接口傳輸速率和穩(wěn)定性提供了一些參考。

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Signal（Time-Domain）：表示基站的信號強(qiáng)弱。

Research on the Technology of Soft Base Station Based on OAI System

Sun Jigang，He Dianming
（Guangdong University of Technology， Guangdong Key Laboratory of Internet of Things Information Technology， Guangzhou 510006， China）

Large base station communication equipment is bulky and bulky， hardware transformation is difficult， it is easy to bring problems to work. This paper combines OAI open source system and the universal software radio equipment in the computer to establish the 4G-LTE soft base station（eNB）and soft terminal（UE）， established in the air interface of the eNB and UE Downlink Systems with Iperf soft base station air interface transmission rate， and the test results were the focus of the work of LTE base stations and other related technologies to build a simple and rapid platform， has the very strong flexible parameter configuration， the conclusion for the study of software radio LTE base station to provide reference.

OAI； soft base station； soft-terminal； stability； transmission speed

孫吉剛（1990-），男，湖北荊州。