高月紅，高 翔，張洪坤，袁洪權(quán)，孫常皓

(1.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)(2.中國航天科工飛航技術(shù)研究院 創(chuàng)新研究院，北京 100074)

0 引言

在每一代的通信系統(tǒng)中，基于計(jì)算機(jī)的軟件仿真方法一直作為開發(fā)與研究通信系統(tǒng)的主要方式，被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等領(lǐng)域[1-2]。軟件仿真成本低，開發(fā)周期短，使用范圍廣，目前已有多種支持通信系統(tǒng)仿真的軟件[3-5]。但隨著通信系統(tǒng)的更新，軟件仿真方法在無線信道環(huán)境的真實(shí)性、數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和時(shí)延測量的有效性等方面的不足日益明顯。因此，無論是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)屆對半實(shí)物通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需求也日益迫切[6-7]。基于半實(shí)物仿真平臺(tái)，可以開展不同類型和場景的研究，例如雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)[8]、無線網(wǎng)絡(luò)[9-10]等。

半實(shí)物仿真的核心是可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)不同功能的軟件無線電平臺(tái)。在眾多平臺(tái)中，通用軟件無線電外設(shè)(USRP, universal software radio peripheral)憑借其出色的性能脫穎而出[11]。USRP作為應(yīng)用廣泛的軟件無線電平臺(tái)之一[12]，以低廉的價(jià)格、良好的開源性和廣泛的兼容性受到了全球工程師的歡迎。USRP能夠支持GNURadio框架、LabVIEW、Matlab等多種開發(fā)環(huán)境[13]，可根據(jù)使用者的不同需求，實(shí)現(xiàn)自定義的軟件無線電系統(tǒng)，因此被廣泛應(yīng)用于各類軟件無線電平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)[14]、算法開發(fā)[15-16]以及通信系統(tǒng)的研究等領(lǐng)域。

本文研究和實(shí)現(xiàn)了一套LTE系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)。該平臺(tái)支持完整的LTE協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了核心網(wǎng)和空中接口的功能，并能夠支持商用終端接入，為開展LTE系統(tǒng)的功能升級(jí)以及性能測試提供了基礎(chǔ)。本文所研究的LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)采用USRP作為軟件無線電前端，同時(shí)通過在通用計(jì)算機(jī)上部署開放空中接口(OAI，open air interface)平臺(tái)來完成基帶處理的方式，實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)的完整功能。與已有基于OAI和USRP的LTE半實(shí)物仿真系統(tǒng)相比[17]，本系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于支持多用戶接入，特別是支持電腦終端和商用終端的混合接入。

本文介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理、硬件和軟件設(shè)計(jì)、搭建流程，并給出了運(yùn)行和測試結(jié)果。此外，為了提升系統(tǒng)的功能，進(jìn)一步研究了多用戶接入場景的需求、軟硬件配置方案，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了其功能，所開發(fā)的多用戶系統(tǒng)，可以支持基于通用計(jì)算機(jī)的電腦終端和商用終端的混合接入，并可以實(shí)現(xiàn)所搭建的LTE系統(tǒng)與外部因特網(wǎng)的互聯(lián)互通。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于USRP的LTE通信系統(tǒng)采用通用計(jì)算機(jī)與軟件無線電前端相結(jié)合的方式，由計(jì)算機(jī)完成基帶數(shù)據(jù)的處理，由USRP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的頻帶發(fā)送與接收，二者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)完整的通信系統(tǒng)功能。整個(gè)通信系統(tǒng)包括核心網(wǎng)(EPC，evolved packet core)、基站(eNB，evolved node B)和用戶(UE，user equipment)三部分，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，核心網(wǎng)不涉及無線信號(hào)的收發(fā)，因此由一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)組成即可。核心網(wǎng)包括歸屬用戶服務(wù)器(HSS，home subscriber server)、移動(dòng)管理實(shí)體(MME，mobility management entity)和服務(wù)與PDN網(wǎng)關(guān)(SPGW，service and PDN gateway PDN)3個(gè)主要部分，并通過網(wǎng)線連接到交換機(jī)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的互通。基站需要完成無線信號(hào)的收發(fā)，因此除了包含一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)以外，還需要一臺(tái)USRP設(shè)備。該USRP設(shè)備通過USB數(shù)據(jù)線與通用計(jì)算機(jī)相連，再通過網(wǎng)線連接到交換機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與EPC的連接。與基站類似，若使用通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶的功能，則必須同時(shí)配備一臺(tái)USRP設(shè)備。在后文中，使用電腦終端來指代使用通用計(jì)算機(jī)和USRP設(shè)備實(shí)現(xiàn)的用戶。此外，用戶也可以使用商用終端接入，需要注意的是，商用終端所支持的頻段需要與所開發(fā)的LTE系統(tǒng)的工作頻段相匹配，否則商用終端無法接入。電腦終端的USRP既可以通過同軸線與基站USRP相連接，也可以通過USRP天線與基站USRP天線進(jìn)行無線連接。商用終端只能以無線的方式與基站的USRP天線實(shí)現(xiàn)無線連接。其中，有線連接主要用于模擬和測試無干擾的理想信道場景，在開發(fā)初期常常使用有線連接的方式屏蔽信道的不利影響，輔助調(diào)試代碼。在開發(fā)的后期，通過使用無線連接來驗(yàn)證真實(shí)系統(tǒng)的功能和性能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如前文所述，LTE通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括軟件無線電前端和通用計(jì)算機(jī)兩個(gè)方面。市面上可選的產(chǎn)品較多。此處介紹本文工作中所使用的硬件設(shè)備的配置。

2.1 軟件無線電前端

本系統(tǒng)選取了兼容性較好的USRPB210作為軟件無線電前端。USRPB210是一款完全集成的、單板通用軟件無線電平臺(tái)[18]，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示[19]。該平臺(tái)可以提供從70 MHz～6 GHz的連續(xù)頻率覆蓋；結(jié)合了Analog Devices公司的AD9364 RFIC芯片，提供高達(dá)56 MHz的實(shí)時(shí)帶寬；采用可編寫的Spartan 6 XC6SLX150FPGA，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的下變頻，并通過高速USB 3.0連接到通用計(jì)算機(jī)上[13]；兼容多款配件，設(shè)備之間的通信可通過銅軸線或天線實(shí)現(xiàn)。

圖2 USRPB210原理結(jié)構(gòu)圖

2.2 通用計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)中包含EPC、eNB和電腦終端三臺(tái)通用計(jì)算機(jī)。由于各個(gè)模塊的功能不同，因此對硬件配置的要求也不盡相同。在以下行傳輸為主的測試環(huán)境下，EPC和電腦終端需要處理的數(shù)據(jù)量較少，因此對硬件配置的要求也較低。但是在此場景下，eNB處理的數(shù)據(jù)量較大，也就對計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和處理能力提出了較高的要求。

在本文所搭建的系統(tǒng)中，EPC采用配置了普通酷睿i5處理器的計(jì)算機(jī)，電腦終端采用配置了普通酷睿i7處理器的計(jì)算機(jī)，eNB采用配置了酷睿i7-8700 3.2 GHz處理器以及64 G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)。此外，為了降低計(jì)算機(jī)處理時(shí)延、提升其處理速度，建議為電腦終端和eNB安裝低延遲內(nèi)核。

在操作系統(tǒng)方面，EPC、eNB和電腦終端統(tǒng)一采用ubuntu系統(tǒng)。其中ubuntu 16.04是目前較常用的版本，也是本文所使用的版本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件實(shí)現(xiàn)上，采用開放空中接口OAI平臺(tái)作為底層架構(gòu)，在ubuntu環(huán)境下，利用C語言實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)的通信功能。OAI無線技術(shù)平臺(tái)是由EURECOM引領(lǐng)的開源通信平臺(tái)，符合3GPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[20]。該平臺(tái)基于通用服務(wù)器和軟件無線電前端，通過收發(fā)器連接實(shí)現(xiàn)其通信功能[21]，支持普通電腦終端和商用終端的接入，且可以根據(jù)研究需要對源代碼進(jìn)行修改和編譯。

系統(tǒng)源代碼主要分為兩個(gè)部分：核心網(wǎng)(CN,core network)和無線接入網(wǎng)(RAN,radio access network)[12]。其中，核心網(wǎng)對應(yīng)源代碼中的openair-cn項(xiàng)目是對LTEEPC的軟件實(shí)現(xiàn)；無線接入網(wǎng)對應(yīng)源代碼中的openairinterface5G項(xiàng)目是對終端和基站的軟件實(shí)現(xiàn)，其整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)圖

openair-cn項(xiàng)目主要實(shí)現(xiàn)歸屬用戶服務(wù)器(HSS，home subscriber server)、移動(dòng)管理實(shí)體 (MME, mobility management entity)、服務(wù)網(wǎng)關(guān) (SGW,serving gateway)、PDN網(wǎng)關(guān) (PGW,PDN gateway)等網(wǎng)元的功能。

openairinterface5G項(xiàng)目可根據(jù)需求通過選擇不同的編譯參數(shù)，令其實(shí)現(xiàn)UE或eNB的功能。該項(xiàng)目主要包括openair1、openair2和openair3等模塊。其中，openair1主要負(fù)責(zé)物理層實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的處理，并為外部設(shè)備提供接口；openair2 主要負(fù)責(zé)相關(guān)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，包括RLC/PDCP/RRC/X2AP等；openair3主要負(fù)責(zé)S1AP等實(shí)現(xiàn)，并提供了應(yīng)用程序的接口[22]。

4 系統(tǒng)搭建流程

4.1 EPC的搭建

核心網(wǎng)的搭建主要分為HSS、MME和SPGW(S-GW和P-GW)共3部分，在運(yùn)行時(shí)按HSS、MME和SPGW的先后順序啟動(dòng)，故搭建時(shí)也采用了相同的順序，三部分部署在同一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)上，組成了完整的核心網(wǎng)。

4.1.1 HSS的安裝

在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，首先通過執(zhí)行HSS腳本下載并安裝一系列HSS所需的組件，包括核心網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建與維護(hù)等。之后，為phpMyAdmin組件設(shè)定密碼并選擇合適的web服務(wù)器，其中密碼可以根據(jù)提示選擇隨機(jī)生成或手動(dòng)設(shè)置。在web服務(wù)器的選擇方面，本系統(tǒng)使用了apache2服務(wù)器。然后使用超級(jí)權(quán)限將OAI腳本復(fù)制到系統(tǒng)對應(yīng)目錄中，通過nano命令對所涉及的系統(tǒng)文件進(jìn)行修改，過程中需要重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)庫和本機(jī)相關(guān)信息。最后，執(zhí)行文件生成相應(yīng)的HSS證書。上述準(zhǔn)備工作完成后即可對HSS文件進(jìn)行編譯。首次運(yùn)行時(shí)需要加載數(shù)據(jù)庫，之后則不再需要。通過瀏覽器訪問phpmyadmin，打開數(shù)據(jù)庫中的mmeidentity數(shù)據(jù)表，將mmeHost字段中的對應(yīng)記錄修改為自己的主機(jī)名。

4.1.2 MME的安裝

首先，執(zhí)行MME腳本安裝MME所需的各種組件，可以通過-h命令查看各項(xiàng)參數(shù)的作用。然后將OAI包中提供的各種配置文件復(fù)制到系統(tǒng)目錄下，并根據(jù)需求修改配置文件的各項(xiàng)配置參數(shù)，重點(diǎn)關(guān)注移動(dòng)國家碼(MCC,mobile country code)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)碼(MNC,mobile network code)以及網(wǎng)絡(luò)接口地址，其中MCC和MNC在本系統(tǒng)中分別設(shè)置為208和93，網(wǎng)絡(luò)接口地址可通過計(jì)算機(jī)上的ifconfig命令查看。編輯MME配置文件中的身份字段，根據(jù)實(shí)際情況修改主機(jī)名。準(zhǔn)備工作完成后即可進(jìn)行MME文件的編譯及MME證書的安裝。

4.1.3 SPGW的安裝

將OAI包中的SPGW配置文件復(fù)制到系統(tǒng)目錄下，利用nano命令對配置文件進(jìn)行修改。修改配置文件的過程中，需重點(diǎn)關(guān)注S-GW和P-GW部分，其中S-GW部分主要修改網(wǎng)口名稱及接口地址，本系統(tǒng)中EPC是單網(wǎng)卡配置，具體網(wǎng)口信息可通過ifconfig命令查看；P-GW主要修改SGI接口信息，用于與外部互聯(lián)網(wǎng)建立連接，具體參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置。

4.2 eNB的搭建

4.2.1 環(huán)境配置

eNB和電腦終端均涉及到計(jì)算機(jī)對USRP的操控，同時(shí)計(jì)算機(jī)還要完成基帶處理，程序運(yùn)行對實(shí)時(shí)性要求較高，因此計(jì)算機(jī)性能配置的優(yōu)劣在一定程度上會(huì)影響程序的運(yùn)行效果。為了在現(xiàn)有硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升性能，推薦使用低延遲內(nèi)核，關(guān)閉CPU的節(jié)電特性和超線程等。低延遲內(nèi)核的安裝推薦先利用apt-getupdate命令更新包列表，再執(zhí)行低延遲內(nèi)核的下載和安裝，這里不對低延遲內(nèi)核的版本做硬性規(guī)定，安裝完畢后需重啟才能生效。在系統(tǒng)選擇界面通過高級(jí)啟動(dòng)項(xiàng)選擇低延遲內(nèi)核，進(jìn)入系統(tǒng)后可通過uname命令查看當(dāng)前內(nèi)核是否為低延遲。禁用CPU的某些特性操作因硬件而異，主要包括CPU的C-STATES、P-STATES、超線程、Frequencyscaling特性等，可通過進(jìn)入計(jì)算機(jī)的BIOS或編輯系統(tǒng)文件等方式進(jìn)行修改。利用i7z軟件，檢查CPU的C0狀態(tài)占比是否達(dá)到100%，如圖4所示，如未達(dá)到建議重新檢查配置。通過上述操作，可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的硬件能力，進(jìn)而從一定程度上降低對硬件配置的要求。

圖4 i7z界面

4.2.2 USRP驅(qū)動(dòng)安裝

本系統(tǒng)使用的是USRPB210。首先需要通過執(zhí)行build_oai文件的編譯命令，下載和安裝USRP驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)安裝完成后，將USRP連接到計(jì)算機(jī)上，通過uhd_find_devices命令查看USRP設(shè)備的連接情況。如果沒能成功打印設(shè)備信息，則需重新進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的安裝和檢查。

4.2.3 參數(shù)配置

利用sourceoaienv命令加載環(huán)境變量，執(zhí)行此命令時(shí)一定要確保終端當(dāng)前工作目錄為openairinterface5g。執(zhí)行build_oai文件，編譯eNB相關(guān)文件并安裝eNB必要的組件。編輯eNB的配置文件時(shí)，可通過資源管理器進(jìn)入配置文件目錄，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的配置文件，并重點(diǎn)關(guān)注配置文件中的帶寬、頻段及網(wǎng)絡(luò)接口等信息。

本文所開發(fā)的系統(tǒng)采用25個(gè)PRB(對應(yīng)5 MHz帶寬)配置，工作在2.685 GHz頻段(對應(yīng)Band7)。網(wǎng)絡(luò)接口信息主要規(guī)定EPC中MME的IP地址和eNB的網(wǎng)口名稱和IP地址，根據(jù)計(jì)算機(jī)的實(shí)際IP地址進(jìn)行配置即可。

4.3 電腦終端的搭建

電腦終端搭建過程中最重要的環(huán)節(jié)是填寫鑒權(quán)信息。在編譯電腦終端以前，需要先填寫電腦終端的身份識(shí)別信息，使得電腦終端接入時(shí)能在EPC處順利鑒權(quán)。從存儲(chǔ)位置上看，電腦終端的信息主要分為兩部分：一部分在EPC上，使用phpMyAdmin維護(hù)；另一部分在電腦終端自身計(jì)算機(jī)上，在編譯時(shí)會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的鑒權(quán)信息。EPC側(cè)需要通過瀏覽器訪問phpMyAdmin，查看oai_db數(shù)據(jù)庫中的users、mmeidentity和pdn數(shù)據(jù)表，選擇所需的UE記錄。其中，users數(shù)據(jù)表主要記錄UE的國際移動(dòng)用戶號(hào)碼(IMSI，international mobile subscriber identity)和MME標(biāo)識(shí)；mmeidentity表記錄MME標(biāo)識(shí)對應(yīng)的主機(jī)；pdn表則記錄apn、pdn和pgw等信息，要確保所選記錄對應(yīng)的上述信息真實(shí)有效。電腦終端側(cè)需要修改終端的鑒權(quán)文件信息，對照EPC users數(shù)據(jù)表中選取的UE記錄，修改配置文件的key、opc和hplmn，使其與EPC數(shù)據(jù)庫信息保持一致。

電腦終端中的通用計(jì)算機(jī)配置與eNB相似，需要安裝低延遲內(nèi)核、禁用CPU特性、安裝USRP驅(qū)動(dòng)。在源代碼的選擇上與eNB保持一致，編譯時(shí)通過設(shè)定不同參數(shù)來指明是終端還是eNB。

對準(zhǔn)備好的源代碼，首先需要在OAI根目錄下加載環(huán)境變量，以保證程序的正確運(yùn)行，然后通過build_oai來對電腦終端的相關(guān)文件、組件進(jìn)行編譯和安裝。為方便調(diào)整運(yùn)行命令、簡化執(zhí)行流程，系統(tǒng)將終端的啟動(dòng)命令封裝在啟動(dòng)腳本中，這樣在編輯終端的配置文件時(shí)只需關(guān)注腳本及腳本涉及的各個(gè)執(zhí)行文件即可。對照4.2節(jié)中eNB選取的配置文件修改電腦終端的腳本信息，主要修改運(yùn)行帶寬、載波頻率、通信模式、USRP時(shí)鐘等。最后根據(jù)實(shí)際配置環(huán)境修改腳本中各執(zhí)行文件的路徑及運(yùn)行權(quán)限。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在整個(gè)LTE通信系統(tǒng)中，大部分的啟動(dòng)命令都被封裝在執(zhí)行腳本中，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)只需要按順序運(yùn)行各部分執(zhí)行腳本即可，簡化了系統(tǒng)啟動(dòng)的流程；除此之外，部分運(yùn)行參數(shù)也封裝在對應(yīng)執(zhí)行腳本中，大大降低了運(yùn)行文件切換與修改的復(fù)雜度。本文首先開發(fā)了一套單用戶通信系統(tǒng)，其中僅包含最基本的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即一個(gè)核心網(wǎng)、一個(gè)基站和一個(gè)電腦終端。之后，重點(diǎn)研究了如何在單用戶通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)多用戶以及多種終端的混合接入。

5.1 單用戶通信系統(tǒng)

單用戶通信系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)、基站和一個(gè)電腦終端組成，其組成架構(gòu)如圖5所示。其中，EPC和eNB通過網(wǎng)線與交換機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，eNB與電腦終端通過USRP實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。為了降低實(shí)際傳播環(huán)境對信號(hào)的干擾，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)前期采用了銅軸線直連的方式實(shí)現(xiàn)eNB和電腦終端的USRP連接，在實(shí)驗(yàn)后期采用天線實(shí)現(xiàn)無線連接。系統(tǒng)的運(yùn)行過程以及測試過程如下。

圖5 單用戶通信系統(tǒng)架構(gòu)

啟動(dòng)EPC。每次運(yùn)行EPC都需要打開3個(gè)終端窗口，按順序運(yùn)行HSS、MME、SPGW的執(zhí)行腳本。運(yùn)行完畢后，可以在MME窗口觀察到電腦終端和eNB的連接信息，如圖6所示，此時(shí)由于尚未啟動(dòng)eNB，也沒有用戶接入，因此當(dāng)前狀態(tài)均為0。

圖6 MME窗口界面

啟動(dòng)eNB。將USRP接入eNB計(jì)算機(jī)，通過驅(qū)動(dòng)設(shè)備查找命令檢測是否連接成功。在OAI根目錄下加載環(huán)境變量，運(yùn)行eNB執(zhí)行文件。eNB正常運(yùn)行的輸出如圖7所示；此時(shí)，在EPC的MME窗口重新觀察額NB的數(shù)量，可以看到起數(shù)量變成了1，如圖8所示，表示eNB啟動(dòng)成功并連入核心網(wǎng)。

圖7 eNB運(yùn)行界面

圖8 eNB接入時(shí)MME窗口界面

啟動(dòng)電腦終端。將USRP設(shè)備接入電腦終端的計(jì)算機(jī)并檢測是否連接成功。在OAI根目錄下加載環(huán)境變量，運(yùn)行電腦終端的執(zhí)行文件。正常運(yùn)行后，能夠通過USRP的數(shù)據(jù)收發(fā)與eNB建立連接，并可以通過兩者打印的實(shí)時(shí)日志和星座圖觀察連接情況。此時(shí)，EPC的MME窗口也會(huì)顯示終端的連接數(shù)量，如圖9所示。

圖9 單用戶接入時(shí)MME窗口界面

在3個(gè)部分均正常啟動(dòng)和運(yùn)行之后，可以對整個(gè)系統(tǒng)的連通性和傳輸性能進(jìn)行驗(yàn)證和測試。測試采用5 M帶寬的配置文件，利用iperf命令，采用UDP的方式進(jìn)行上行或者下行數(shù)據(jù)包大速率灌包發(fā)送。經(jīng)測試，在使用USRPB210的情況下，上行速率最高可達(dá)8.2 Mbits/s，下行速率最高可達(dá)16.2 Mbits/s，且系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。

5.2 多用戶通信系統(tǒng)

本系統(tǒng)在單用戶連通的情況下，可通過新增計(jì)算機(jī)和USRP的方式來接入更多的電腦終端，除此之外還可以采用燒制SIM卡的方式，為系統(tǒng)接入商用終端。在多用戶接入時(shí)，需要重點(diǎn)考慮多用戶的接入方式。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多用戶場景架構(gòu)如圖10所示，其中紅色部分為與單用戶通信系統(tǒng)相比新增的內(nèi)容。在單用戶系統(tǒng)中，電腦終端的接入方式只有一種，即要么使用無線要么使用有線。而在多用戶系統(tǒng)中，由于存在多個(gè)終端，因此可以同時(shí)演示有線和無線兩種連接方式。此外，多用戶系統(tǒng)，克服了單用戶系統(tǒng)終端種類單一的弊端，可以同時(shí)支持電腦終端和商用終端。

圖10 多用戶通信系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)存在多個(gè)電腦終端并采用有線連接時(shí)，需要使用功分器和合路器將各終端的USRP連接到基站的USRP上。每臺(tái)電腦終端都需要參照EPC注冊表，選擇并配置不同的鑒權(quán)信息，確保每個(gè)電腦終端有自己的IMSI。

為了支持商用終端的接入，需要為其燒制SIM卡。首先，從EPC數(shù)據(jù)庫中選取一條UE記錄，確保其相關(guān)的apn、pdn及pgw等信息真實(shí)有效，然后利用寫卡器將選取的UE信息寫入SIM卡。值得注意的是，在商用終端的選擇方面，要求終端支持所開發(fā)系統(tǒng)的工作頻段。例如，在本系統(tǒng)中，頻段為2.685 GHz(對應(yīng)Band7)。將燒制好的SIM卡插入手機(jī)并打開數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可以在MME窗口觀察到UE的連接情況，也可以在手機(jī)設(shè)置中看到前文所設(shè)置的MCC和MNC標(biāo)識(shí)，即20893，如圖11所示。

圖11 商用終端側(cè)運(yùn)營商信息

由于實(shí)驗(yàn)成本的限制，本系統(tǒng)在測試過程中，最多實(shí)現(xiàn)了4個(gè)終端的連接測試，包括一臺(tái)有線電腦終端、一臺(tái)無線電腦終端以及兩臺(tái)商用終端，4臺(tái)終端均可正常運(yùn)行，同時(shí)在EPC的MME窗口也能夠觀察到UE的連接數(shù)量為4，如圖12所示。若具備更多的硬件條件，上述工作可以進(jìn)一步擴(kuò)展到更多終端的情況下。

圖12 多用戶接入時(shí)MME窗口界面

5.3 系統(tǒng)訪問外網(wǎng)

在系統(tǒng)聯(lián)通之后，需進(jìn)一步驗(yàn)證所搭建的系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通性能。

EPC、eNB和UE順利運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)段，EPC會(huì)為每一臺(tái)接入的UE分配一個(gè)內(nèi)部IP。為了實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)的互聯(lián)互通，首先需要將EPC連接至互聯(lián)網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)UE對外網(wǎng)的訪問，需要為UE添加一個(gè)指向EPC的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。此外，還需要修改UE的DNS配置文件，添加常用的DNS服務(wù)器。最后，查看網(wǎng)絡(luò)接口信息，并設(shè)置USRP對應(yīng)端口的MTU值。商用終端訪問外網(wǎng)的操作因手機(jī)而異，需根據(jù)操作手冊的說明，獲取手機(jī)root權(quán)限，設(shè)置MTU值即可。圖13給出了電腦終端訪問外網(wǎng)觀看視頻的場景。

圖13 電腦終端訪問外網(wǎng)

通過對系統(tǒng)進(jìn)行多重操作和長時(shí)間的測試可知，eNB通過一臺(tái)USRPB210能夠支持2臺(tái)電腦終端和2臺(tái)商用終端的同時(shí)接入，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且4臺(tái)終端均可維持較高的連接速度。

6 結(jié)束語

本文采用通用計(jì)算機(jī)與軟件無線電平臺(tái)USRP作為硬件基礎(chǔ)，依托OAI平臺(tái)作為軟件架構(gòu)，開發(fā)和實(shí)現(xiàn)了一套完整的LTE通信系統(tǒng)。系統(tǒng)通過連接到通用計(jì)算機(jī)上的USRP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，能夠?qū)崿F(xiàn)包括電腦終端和商用終端在內(nèi)的多用戶接入，能夠正常訪問外網(wǎng)并保持較穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。LTE通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為進(jìn)一步開展真實(shí)環(huán)境下信道研究與實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)測量提供了一定的便利，同時(shí)也為后面開展5G通信系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)。