陳洪達(dá)，劉子辰，黃茂碟

（1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 無(wú)線通信技術(shù)研究中心，北京 100190）

基于OAI的LTE通信平臺(tái)用戶面時(shí)延分析

陳洪達(dá)1，劉子辰2，黃茂碟1

（1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 無(wú)線通信技術(shù)研究中心，北京 100190）

針對(duì)當(dāng)前流行的OAI（OpenAirInterface）LTE軟件無(wú)線電平臺(tái)缺少詳細(xì)的用戶面時(shí)延測(cè)試分析，提出關(guān)鍵模塊分離測(cè)試方法。首先，從OAI平臺(tái)通信架構(gòu)的角度出發(fā)，分割軟硬件模塊并進(jìn)行逐一研究，分析產(chǎn)生時(shí)延的機(jī)制；然后，通過(guò)平臺(tái)測(cè)試，獲得實(shí)際情況下的時(shí)延數(shù)據(jù)；最后，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證所提測(cè)試方法的正確性。實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)試平臺(tái)為OAI，能夠?yàn)槠渌鸖DR LTE平臺(tái)時(shí)延研究提供理論基礎(chǔ)和時(shí)延測(cè)試方法，同時(shí)也可為SDR在4G/5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供不可估量的科研價(jià)值。

SDR；用戶平面時(shí)延；時(shí)間標(biāo)記；OAI；USRP

0 引 言

OAI是一個(gè)EURECOM引領(lǐng)的基于軟件無(wú)線電的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，旨在建立一個(gè)開(kāi)放的、多制式融合、科技前沿的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1]。OAI是一個(gè)較為成熟的開(kāi)源軟件工程，能夠?qū)υ创a進(jìn)行修改并編譯；配合LTE核心網(wǎng)，能夠在真實(shí)的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)4G手機(jī)進(jìn)行接入測(cè)試。同時(shí)，OAI官方研究團(tuán)隊(duì)正朝向5G的SDR的研究方向發(fā)展，目前已經(jīng)取得一部分成就。因此，OAI在未來(lái)的無(wú)線通信領(lǐng)域潛伏著巨大的科研價(jià)值[2-4]。目前，世界各地越來(lái)越多的科研人員加入此項(xiàng)目，此項(xiàng)目還獲得30多家科研高校和知名企業(yè)的支持，如在通信領(lǐng)域享有盛名的貝爾實(shí)驗(yàn)室、肯特大學(xué)及國(guó)內(nèi)知名高校如北京郵電大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院等。而用戶面時(shí)延不僅是反映整體網(wǎng)絡(luò)通信狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，還是各類業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的前提條件。但是，目前對(duì)于OAI的時(shí)延研究?jī)H限于對(duì)某一部分的研究，沒(méi)有對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究。因此，如何找到影響時(shí)延的關(guān)鍵模塊，如何降低時(shí)延，便成為OAI在未來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域作為前沿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必須重視的問(wèn)題。這需要一種能夠詳細(xì)解析OAI的時(shí)延分析方法[5]，而本文旨在從系統(tǒng)層面進(jìn)行詳細(xì)的時(shí)延分析，以期為今后的時(shí)延優(yōu)化提供夯實(shí)基礎(chǔ)。

本文首先簡(jiǎn)要介紹OAI的系統(tǒng)架構(gòu)，然后劃分關(guān)鍵模塊，重點(diǎn)分析引起時(shí)延的關(guān)鍵技術(shù)，最后做出測(cè)試方法和時(shí)延分析總結(jié)，并對(duì)下一步的工作做出展望。

1 OAI系統(tǒng)架構(gòu)

本節(jié)重點(diǎn)介紹OAI LTE通信平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。前端射頻板接收到攜帶信息的信號(hào)開(kāi)始傳遞給匯聚信號(hào)模塊（Integrated RFIC），匯聚信息模塊主要負(fù)責(zé)信號(hào)的匯聚；之后將信號(hào)傳遞給DSP處理模塊，負(fù)責(zé)DAC/ADC的完成；然后硬件傳輸控制模塊（Hardware Transport Control Time）將數(shù)據(jù)通過(guò)高速總線傳遞給PC機(jī)，射頻板可采用高速率傳輸U(kuò)SB3.0總線，也可通過(guò)其他串口或網(wǎng)口連接PC機(jī)；經(jīng)過(guò)PC內(nèi)核處理，途經(jīng)硬件驅(qū)動(dòng)到達(dá)GNU Radio（軟件無(wú)線電核心部分），GNU Radio是一種運(yùn)行于普通PC上的軟件無(wú)線開(kāi)發(fā)電平臺(tái)，OAI LTE就是借用GNU Radio的相關(guān)模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)的[6]。

圖1 SDR數(shù)據(jù)處理模塊框架

在圖1數(shù)據(jù)處理框架圖中，可以將其分割為GNU Radio自身、GNU Radio?Hardware Driver驅(qū)動(dòng)模塊、Hardware Driver?Hardware Transport Control模塊及射頻板自身四個(gè)部分進(jìn)行時(shí)延分析。GNU Radio的處理速度由PC機(jī)的性能決定，模塊之間的傳輸依靠于Buffer運(yùn)行機(jī)制，而射頻硬件部分主要依賴于射頻板的性能及關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定。下面將詳細(xì)分析各部分的時(shí)延。

2 關(guān)鍵模塊時(shí)延分析

2.1 GNU Radio時(shí)延分析

在GNU Radio開(kāi)發(fā)過(guò)程中，OAI的實(shí)現(xiàn)會(huì)依賴于一些開(kāi)源的庫(kù)文件及內(nèi)核模塊，通過(guò)整體的編譯和運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包從應(yīng)用層到物理層的完整數(shù)據(jù)處理流程。內(nèi)核負(fù)責(zé)進(jìn)程管理、系統(tǒng)調(diào)用及網(wǎng)絡(luò)通信等，而軟件無(wú)線電的軟件開(kāi)發(fā)便包括LTE系統(tǒng)的架構(gòu)和功能的實(shí)現(xiàn)。GNU Radio可抽象為多個(gè)DSP模塊串聯(lián)，而每一個(gè)模塊通過(guò)Buffer傳遞給下一個(gè)DSP模塊[7]，其處理流程圖如圖2所示。

圖2 GNU Radio數(shù)據(jù)處理流程

對(duì)于內(nèi)核調(diào)用的處理時(shí)間，會(huì)依據(jù)實(shí)際任務(wù)的復(fù)雜度不同而不同。這就導(dǎo)致GNU Radio的處理時(shí)間處于某一范圍，且范圍較大。而DSP處理模塊包括DPCP加密和完整性保護(hù)、RLC包處理、MAC調(diào)度及物理層信道編碼、CRC、FFT、交織等，由相關(guān)代碼編寫(xiě)而成。而目前已發(fā)表的論文并未對(duì)此DSP模塊的處理時(shí)間進(jìn)行分析，而本文采用時(shí)間標(biāo)記的方式進(jìn)行預(yù)估，即在模塊調(diào)用起始位置標(biāo)注開(kāi)始運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)，在模塊調(diào)用結(jié)束位置標(biāo)注結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。結(jié)束時(shí)間點(diǎn)減去開(kāi)始運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)，便可得到模塊數(shù)據(jù)處理時(shí)間，這樣能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量模塊所用時(shí)間。

此外，Buffer的運(yùn)行機(jī)制可分為兩種：第一種是填滿后發(fā)出，第二種是直接發(fā)出。填滿后發(fā)出的時(shí)延可以做如下理解：假如GNU Radio默認(rèn)的是32 kB的Buffer，取樣率為4 Mb/s，每個(gè)樣本16 bit，填滿Buffer的時(shí)間為32 k×8/（4 M×16）=4 ms?？梢?jiàn)，buffer越多，等待的時(shí)間越長(zhǎng)。如果將buffer的容量調(diào)小，雖然時(shí)延會(huì)減小，但是吞吐率會(huì)降低。而GUN Radio?Hardware Driver驅(qū)動(dòng)模塊的時(shí)延分析可通過(guò)Buffer進(jìn)行分析。但是，實(shí)際編程過(guò)程會(huì)通過(guò)合理的運(yùn)行機(jī)制，以減少Buffer引起的時(shí)延[7]。

2.2 Hardware Driver?Hardware Transport Control模塊時(shí)延

Hardware Driver?Hardware Transport Control時(shí)延可以理解為PC與射頻板之間的總線時(shí)延。而總線時(shí)延一方面是由射頻前端FPGA板的Buffer產(chǎn)生。平臺(tái)不同，默認(rèn)的Buffer大小不同，但Buffer大小卻與總線的傳輸形式有關(guān)。例如，USRP B210[8-9]的默認(rèn)Buffer容量為8 kB，采用的是USB3.0，在實(shí)際傳輸過(guò)程中可達(dá)30 Mb/s。填滿8 kB Buffer的時(shí)間為0.267 ms。高速率的總線方式往往能夠產(chǎn)生低時(shí)延效果，尤其是對(duì)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

2.3 射頻前端時(shí)延

射頻前端，負(fù)責(zé)基站與終端空中接口的通信任務(wù)。FPGA Buffer處理、ADC/DAC、天線收發(fā)切換等都由射頻板完成。大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，高性能的射頻板能為科研帶來(lái)更加真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[10]。而射頻板的參數(shù)不同，如Buffer大小、收發(fā)間隔時(shí)間、硬件保護(hù)間隔（預(yù)留進(jìn)程間隔時(shí)間，以免進(jìn)程沖突）等，對(duì)時(shí)延的影響也不同。目前，一些科研工作者并未對(duì)射頻前端做出理論分析，而本文從OAI平臺(tái)硬件調(diào)用代碼中最重要的幾個(gè)參數(shù)入手，主要包括sample_rate（樣本率，每秒產(chǎn)生的樣本個(gè)數(shù)）、samples_per_packet（包的樣本數(shù)）、tx_sample_ advance（發(fā)送接收樣本間隔數(shù)）以及tx_scheduling_ advance（發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲等待）等，對(duì)硬件進(jìn)行時(shí)延研究。例如，樣本率為7 680 000，包的樣本數(shù)為1 024，則一個(gè)包的時(shí)間約為0.133 ms；若發(fā)送數(shù)據(jù)延遲等待5個(gè)數(shù)據(jù)包，則時(shí)間為5×0.133=0.665 ms。

tx_scheduling_advance數(shù)值為發(fā)送數(shù)據(jù)前的等待時(shí)間，是作為發(fā)送端的特殊保護(hù)間隔。這個(gè)數(shù)值的增大雖然會(huì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是會(huì)增加數(shù)據(jù)發(fā)送的等待時(shí)間，從而時(shí)延變大。此處說(shuō)明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)主要參考系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)。出錯(cuò)的標(biāo)識(shí)越多，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。而下節(jié)所測(cè)試的OAI的錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)由U/L表示?！癠”錯(cuò)誤的出現(xiàn)，意味著host PC或其上運(yùn)行的應(yīng)用程序的處理能力不足，不能處理設(shè)定的采樣速率；而“L”錯(cuò)誤的出現(xiàn)，則意味著應(yīng)用程序中存在邏輯錯(cuò)誤；正常情況下無(wú)U或L?？梢?jiàn)，以O(shè)AI運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)U/L的個(gè)數(shù)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定度，能夠反映當(dāng)下的系統(tǒng)穩(wěn)定情況[11]。下面將開(kāi)始各個(gè)模塊的時(shí)延測(cè)試。

3 測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

當(dāng)終端接入到OAI搭建的LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，手機(jī)則分配有IP地址。這為測(cè)試真實(shí)環(huán)境下的整體網(wǎng)絡(luò)時(shí)延奠定了基礎(chǔ)。

3.1 GNU Radio及Buffer時(shí)延

首先，通過(guò)時(shí)間標(biāo)記的方式估算出AS（接入層）數(shù)據(jù)處理的時(shí)間及物理層信道編碼、CRC、FFT、調(diào)制/解調(diào)等處理時(shí)間，如1 024點(diǎn)FFT的處理時(shí)間為15～32 μs。通過(guò)對(duì)模塊進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記，可以預(yù)估GNU Radio處理時(shí)間大約為1 500～4 500 μs。這里，每個(gè)處理模塊的處理時(shí)間不穩(wěn)定是由于系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度產(chǎn)生的。因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度與CPU、內(nèi)存和主機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，主機(jī)狀態(tài)較差時(shí)，產(chǎn)生的時(shí)延較高。

其次，對(duì)于各個(gè)模塊之間Buffer的時(shí)延影響，則采用單一改變Buffer大小進(jìn)行測(cè)試。但是，在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，單一改變Buffer的大小對(duì)整體的時(shí)延影響可以忽略，歸其原因是編程時(shí)采用的自適應(yīng)發(fā)送機(jī)制。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，并非需要填滿Buffer才發(fā)送，而是直接發(fā)送，這就大大減少了GNU Radio處理時(shí)間。而對(duì)于Hardware Driver?Hardware Transport Control模塊時(shí)延，也是主要由Buffer的大小和Buffer的運(yùn)行機(jī)制決定，此外還與平臺(tái)所采用總線的形式有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)采用的是USB3.0（180 Mb/s）總線，此部分的時(shí)延測(cè)量主要參考Nguyen所提出的總線傳輸理論[6]，可以預(yù)估傳輸2 kB數(shù)據(jù)需要0.088 ms。

3.2 射頻硬件時(shí)延

單一改變某一硬件參數(shù)，其他均不變。經(jīng)過(guò)測(cè)試，射頻參數(shù)設(shè)定中與時(shí)延最相關(guān)的射頻硬件參數(shù)是tx_scheduling_advance（值為1時(shí)，表示一個(gè)包的樣本數(shù)間隔，時(shí)間約為0.133 ms）。本文所測(cè)試的時(shí)延為雙向時(shí)延，即收包時(shí)刻減去發(fā)包時(shí)刻，且只改變tx_scheduling_advance的值。如圖3所示，測(cè)得tx_scheduling_advance不同值下的時(shí)延。

圖3 在tx_scheduling_advance不同值下的時(shí)延

隨著tx_scheduling_advance值增大，時(shí)延也會(huì)呈現(xiàn)遞增的規(guī)律，而且以0.133 ms左右線性遞增，從而印證了硬件參數(shù)對(duì)時(shí)延的影響，也說(shuō)明了硬件確實(shí)會(huì)影響OAI系統(tǒng)的整體時(shí)延。此外說(shuō)明，其值為4時(shí)，時(shí)延很高，原因是系統(tǒng)不穩(wěn)定。如圖4所示，U/L個(gè)數(shù)很多時(shí)，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致丟包或重傳現(xiàn)象出現(xiàn)。綜合觀察圖3、圖4發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬件處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，時(shí)延趨于穩(wěn)定。

圖4 在tx_scheduling_advance不同值下U/L統(tǒng)計(jì)

時(shí)延還與測(cè)試包的大小有著直接關(guān)系，測(cè)試包所采用的大小依次為64 B、128 B、256 B、512 B、1 024 B。測(cè)試包越大，時(shí)延越大，如圖5所示。

圖5 測(cè)試包不同大小下的時(shí)延統(tǒng)計(jì)

隨著包攜帶的信息增加，OAI平臺(tái)處理的數(shù)據(jù)也相應(yīng)增加，與之相關(guān)的各個(gè)模塊處理效率達(dá)到最高，包的容量越大，處理的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。而時(shí)延隨著測(cè)試包的大小增加呈現(xiàn)接近線性遞增的規(guī)律，可以得出每64 B數(shù)據(jù)處理時(shí)間約為1.5 ms，這也就說(shuō)明了OAI在處理數(shù)據(jù)時(shí)是按照固定的模式進(jìn)行，當(dāng)模塊的處理能力達(dá)到最高時(shí)，時(shí)延就會(huì)呈現(xiàn)線性遞增趨勢(shì)。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

由于傳輸64 B的雙向時(shí)延為10.9 ms，因此基底處理時(shí)間就是雙向時(shí)延減去64 B數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間，即10.9-1.5=9.4 ms。而除去包解析時(shí)間0.3 ms，幀調(diào)整時(shí)間2 ms，OAI平臺(tái)整體處理時(shí)間的均值為基底處理時(shí)間減去包解析時(shí)間和幀調(diào)整時(shí)間，即9.4-2-0.3=7.1 ms。此時(shí)間為OAI平臺(tái)的整體處理時(shí)間，對(duì)于硬件影響最大的是保護(hù)時(shí)間間隔（tx_scheduling_advance），硬件產(chǎn)生的時(shí)延大約為5×0.133=0.665 ms（在tx_scheduling_advance值為5，硬件產(chǎn)生的時(shí)延以0.133 ms左右線性遞增規(guī)律的規(guī)律下）。此外，傳輸總線的時(shí)間約為0.088 ms，則單向時(shí)延大約為（7.1-0.665-0.088）/2=3.17 ms，而實(shí)際預(yù)估的GNU Radio時(shí)間為1 500～4 500 μs。此處分析的單向時(shí)延在GNU Radio預(yù)估時(shí)間范圍內(nèi)，用同樣方法分析其他不同大小數(shù)據(jù)包的情況，均在GNU Radio預(yù)估時(shí)間范圍內(nèi)。這也證明了本文所提測(cè)量分析方法的正確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用OAI作為主流SDR LTE的時(shí)延分析平臺(tái)，從軟硬件的角度對(duì)系統(tǒng)的時(shí)延進(jìn)行了模塊分離時(shí)延分析，通過(guò)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了此方法的實(shí)用性，解決了OAI缺少詳細(xì)時(shí)延分析的問(wèn)題，還能夠?yàn)槠渌腟DR平臺(tái)的時(shí)延優(yōu)化提供方法和思路。但本文的不足是并未考慮復(fù)雜環(huán)境下的時(shí)延及丟包率，而是在普通的環(huán)境下，通過(guò)手機(jī)與基站的通信進(jìn)行測(cè)試和分析，而今后的重點(diǎn)為從某些算法上進(jìn)行改進(jìn)，以解決GNU Radio產(chǎn)生較高時(shí)延的問(wèn)題。

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陳洪達(dá)（1990—），男，碩士，主要研究方向?yàn)閷＞W(wǎng)通信、軟件無(wú)線電；

劉子辰（1984—），男，博士，中級(jí)軟件工程師，主要研究方向?yàn)榫G色無(wú)線電；

黃茂碟（1992—），女，碩士，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

Delay Analysis for User Space of LTE Platform based on OAI

CHEN Hong-da1, LIU Zi-chen2, HUANG Mao-die1
(1.Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2.Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Due to lack of user-space delay measurement to the popular OAI(OpenAirInterface), the SDR LTE communication platform, the solution with key-module separation analysis to this problem is proposed. First of all, starting from the angle of OAI platform communication architecture, the hardware and software modules are carved up and analyzed one by one, thus finding the mechanism for producing the time delay. And then via platform test, the delay date under actual circumstance is acguired. Finally the test result is analyzed, and the validity of this approach verified. With OAI as the test platform, the experiment could provide theoretical basis and test methods for delay research of other SDR LTE platform, and thus is of invaluable scientific value for research of SDR application in 4G/5G communication systems..

SDR(Software Defined Radio); delay of user space; time-marker; OpenAirInterface(OAI); USRP(Universal Software Radio Peripheral)

TN919.1

A

1002-0802(2016)-12-1659-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.016

2016-08-06

2016-11-13 Received date:2016-08-06;Revised date:2016-11-13