基于軟件無(wú)線(xiàn)電的LTE-Advanced實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)同步的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李　鵬, 楊保亮,胡勤國(guó), 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)

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基于軟件無(wú)線(xiàn)電的LTE-Advanced實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)同步的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李鵬1,2, 楊保亮1,胡勤國(guó)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(wú)線(xiàn)電方式構(gòu)建了一個(gè)移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái).在此平臺(tái)上，利用LTE無(wú)線(xiàn)幀中的主/輔同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)了符合LTE-Advanced物理層規(guī)范的實(shí)時(shí)通信.該測(cè)試平臺(tái)為真實(shí)物理環(huán)境下移動(dòng)通信技術(shù)的設(shè)計(jì)、測(cè)試及驗(yàn)證提供了技術(shù)手段.

[關(guān)鍵詞]軟件無(wú)線(xiàn)電; LTE-Advanced測(cè)試平臺(tái);同步; GNU Radio; USRP

采用先進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)及新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是滿(mǎn)足未來(lái)移動(dòng)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(guó)內(nèi)領(lǐng)先的LTE(Long Term Evolution)系統(tǒng)級(jí)軟件仿真平臺(tái)[2, 3].維也納技術(shù)大學(xué)基于MATLAB建立了符合LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)的鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)軟件仿真平臺(tái)[4].軟件仿真平臺(tái)的搭建，為L(zhǎng)TE及LTE-Advanced技術(shù)研究提供了仿真測(cè)試手段.但是，僅靠軟件仿真已不能滿(mǎn)足未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)的設(shè)計(jì)與測(cè)試需要.軟硬結(jié)合的測(cè)試平臺(tái)與計(jì)算機(jī)軟件仿真相比，信道環(huán)境、干擾環(huán)境真實(shí)，算法、技術(shù)方案時(shí)間維度特征得以體現(xiàn)，執(zhí)行速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等.因此，有必要開(kāi)發(fā)符合未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)測(cè)試需求的軟硬結(jié)合的實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái).

基于上述考慮，選用GNU Radio和通用軟件無(wú)線(xiàn)電外設(shè)USRP (Universal Software Radio Peripheral)以軟件無(wú)線(xiàn)電的方式搭建了一個(gè)移動(dòng)通信技術(shù)測(cè)試平臺(tái).在測(cè)試平臺(tái)搭建過(guò)程中，分析、總結(jié)了先進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)和新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)的測(cè)試需求，根據(jù)測(cè)試需求設(shè)計(jì)了測(cè)試平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了測(cè)試平臺(tái)無(wú)線(xiàn)收發(fā)工作模式，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)中各組件、模塊的功能，編制了圖形化用戶(hù)界面.運(yùn)行結(jié)果表明，測(cè)試平臺(tái)無(wú)線(xiàn)接收端與發(fā)送端實(shí)現(xiàn)了同步.測(cè)試結(jié)果真實(shí)反映了信道環(huán)境、干擾環(huán)境對(duì)測(cè)試平臺(tái)同步的影響.

1GNU Radio簡(jiǎn)介

GNU Radio是一個(gè)開(kāi)源的軟件定義無(wú)線(xiàn)電軟件.GNU Radio在通用處理器上運(yùn)行，完成基帶信號(hào)處理，如調(diào)制、解調(diào)等與信號(hào)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(jí)編程語(yǔ)言Python進(jìn)行信號(hào)處理流程圖的編制.信號(hào)處理流程圖由若干具有獨(dú)特功能的信號(hào)處理模塊組成.如圖1所示，使用Python編寫(xiě)GNU Radio頂層模塊.頂層模塊通過(guò)接口生成器SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator)調(diào)用底層信號(hào)處理模塊[6].在測(cè)試平臺(tái)中，實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的信號(hào)處理模塊是由C++編程實(shí)現(xiàn)的，并利用GRC (GNU Radio Companion)這個(gè)類(lèi)似于Simulink的圖形化界面工具，編制圖形化的信號(hào)處理流程圖.

圖1　GNU Radio編程結(jié)構(gòu)示意圖

2通用軟件無(wú)線(xiàn)電外設(shè)USRP

通用軟件無(wú)線(xiàn)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(tái).USRP與HackRF、bladeRF等其他軟件無(wú)線(xiàn)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(dá)1 Gbps，傳輸距離較長(zhǎng)，適宜作為移動(dòng)通信技術(shù)測(cè)試平臺(tái)的射頻前端.

3測(cè)試平臺(tái)發(fā)送端及接收端信號(hào)處理流程

測(cè)試平臺(tái)發(fā)送端信號(hào)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(zhuān)用參考信號(hào)CRS (Cell-specific Reference Signal)、主同步信號(hào)PSS (Primary Synchronization Signal)及輔同步信號(hào)SSS (Secondary Synchronization Signal)；接著對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，在已實(shí)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(wú)線(xiàn)幀資源映射規(guī)定，生成LTE無(wú)線(xiàn)幀；對(duì)無(wú)線(xiàn)幀進(jìn)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(hào)；最后利用USRPTx將生成的無(wú)線(xiàn)幀以O(shè)FDM符號(hào)的形式逐個(gè)發(fā)射.

測(cè)試平臺(tái)接收端的信號(hào)處理流程如圖3所示.圖3中，實(shí)線(xiàn)代表數(shù)據(jù)流，虛線(xiàn)代表信息流.接收端USRP將無(wú)線(xiàn)幀接收下來(lái)，首先進(jìn)行頻偏校正，頻偏值的大小由頻偏值計(jì)算模塊計(jì)算得到；頻偏值freq_offset以message_passing方式反饋至頻偏校正模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)的頻偏校正.接著進(jìn)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(jì)算，另一方面用于去除CP.在去除CP之后，通過(guò)FFT變換將數(shù)據(jù)由時(shí)域變換至頻域.接著利用主同步信號(hào)PSS和輔同步信號(hào)SSS實(shí)現(xiàn)發(fā)送端接收端同步.利用小區(qū)專(zhuān)用參考信號(hào)CRS實(shí)現(xiàn)信道估計(jì).利用信道估計(jì)的結(jié)果對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償.在實(shí)現(xiàn)了接收數(shù)據(jù)幅度及相位補(bǔ)償之后，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)處理流程

圖3　接收端信號(hào)處理流程

4測(cè)試平臺(tái)收發(fā)端同步

利用LTE物理層同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)收發(fā)端同步.LTE物理層同步信號(hào)用于物理層小區(qū)搜索，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)終端對(duì)小區(qū)的識(shí)別及同步.LTE物理層同步信號(hào)有主同步信號(hào)和輔同步信號(hào).每個(gè)同步信號(hào)在時(shí)域上為1個(gè)OFDM符號(hào)，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(gè)無(wú)線(xiàn)幀(frame)包含10個(gè)子幀(subframe)，編號(hào)為0到9；包含20個(gè)時(shí)隙(slot)，編號(hào)為0~19；每一個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)OFDM符號(hào)(symbol)，編號(hào)為0~6.每幀由140個(gè)OFDM符號(hào)組成.每幀包含兩個(gè)主同步信號(hào)和輔同步信號(hào).一幀中兩個(gè)PSS相同；兩個(gè)SSS不同，前半幀的SSS_sub0與后半幀的SSS_sub5不同.SSS_sub0為第0個(gè)子幀中的輔同步信號(hào)，SSS_sub5為第5個(gè)子幀中的輔同步信號(hào).

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(hào)實(shí)現(xiàn)接收端與發(fā)送端之間的半幀同步.將接收到的70個(gè)OFDM符號(hào)逐個(gè)與接收端本地生成的主同步信號(hào)PSS做相關(guān)運(yùn)算，得到70個(gè)相關(guān)值.最大相關(guān)值對(duì)應(yīng)的OFDM符號(hào)中包含PSS信號(hào).因此，最大相關(guān)值對(duì)應(yīng)的OFDM符號(hào)在該半幀數(shù)據(jù)中應(yīng)該編號(hào)為6.然而，由于接收到的70個(gè)OFDM符號(hào)并不恰好為半個(gè)無(wú)線(xiàn)幀，因此76減去當(dāng)前半幀OFDM符號(hào)編號(hào)為實(shí)際OFDM符號(hào)編號(hào).經(jīng)過(guò)主同步信號(hào)定位模塊find_pss的處理，接收端定位了主同步信號(hào)PSS.從下一半幀開(kāi)始輸出實(shí)際的OFDM符號(hào)編號(hào)，實(shí)現(xiàn)了半幀同步.

4.2符號(hào)同步

接著利用輔同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)接收端與發(fā)送端之間的符號(hào)同步.符號(hào)同步的含義是指無(wú)線(xiàn)接收端能夠?qū)γ恳粋€(gè)無(wú)線(xiàn)幀中的140個(gè)OFDM符號(hào)進(jìn)行正確的編號(hào)，編號(hào)范圍為1~140.利用主同步信號(hào)定位模塊find_pss的處理結(jié)果，將接收到的編號(hào)為5的OFDM符號(hào)與本地生成的輔同步信號(hào)SSS_sub0和SSS_sub5分別相關(guān)，將相關(guān)值分別存儲(chǔ)到Corr_f_0和Corr_f_5中.若Corr_f_0 >Corr_f_5，說(shuō)明當(dāng)前OFDM符號(hào)所處半幀為前半幀，將find_pss模塊的輸出編號(hào)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(cè)試結(jié)果

5.1測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行參數(shù)配置

測(cè)試平臺(tái)搭建完成之后，利用此平臺(tái)進(jìn)行真實(shí)物理環(huán)境下的通信測(cè)試.采用增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，抑制小區(qū)間干擾，實(shí)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(wú)線(xiàn)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(hào)處理的GNU Radio安裝在中央處理單元中.宏基站通過(guò)前端交換機(jī)以有線(xiàn)回程的方式與中央處理單元相連；低功率節(jié)點(diǎn)采用有線(xiàn)回程的方式與宏基站相連.測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行參數(shù)配置如表1所示.

表1　測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行參數(shù)配置

5.2同步測(cè)試結(jié)果

如圖7所示，find_sss模塊向后繼模塊逐個(gè)輸出了OFDM符號(hào)編號(hào).find_pss模塊和find_sss模塊分別消耗70個(gè)OFDM符號(hào)后實(shí)現(xiàn)半幀同步和符號(hào)同步.因此，首個(gè)無(wú)線(xiàn)幀包含的140個(gè)OFDM符號(hào)對(duì)應(yīng)輸出140個(gè)0.接著find_sss模塊向后繼模塊逐個(gè)輸出OFDM符號(hào)編號(hào).

測(cè)試平臺(tái)收發(fā)兩端同步測(cè)試結(jié)果如圖7所示.圖7 (a)表明，在經(jīng)過(guò)了半幀同步和符號(hào)同步之后，測(cè)試平臺(tái)接收端已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了OFDM符號(hào)的正確編號(hào).在半幀同步和符號(hào)同步的過(guò)程中，系統(tǒng)輸出編號(hào)為0.實(shí)現(xiàn)半幀同步和符號(hào)同步之后，同步模塊順序輸出編號(hào)范圍為1~140的OFDM符號(hào)編號(hào).圖7(b)表明，接收端對(duì)接收到的一幀OFDM符號(hào)編號(hào)完畢之后，對(duì)下一幀OFDM符號(hào)進(jìn)行1~140的順序編號(hào).至此，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)無(wú)線(xiàn)收發(fā)兩端的同步.

(a)首幀同步測(cè)試結(jié)果

(b)前一幀轉(zhuǎn)至下一幀時(shí)的同步測(cè)試結(jié)果

5.3實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)

利用wxPython編制了如圖8所示的圖形化用戶(hù)界面，提取了用戶(hù)吞吐率和通信誤碼率兩個(gè)重要的性能指標(biāo).在未采用增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)時(shí)，宏小區(qū)邊緣用戶(hù)UE#1和微小區(qū)邊緣用戶(hù)UE#2的通信速率約為450 Kbps.由于存在小區(qū)間干擾，用戶(hù)通信誤碼率高達(dá)30﹪~40﹪，用戶(hù)無(wú)法正常通信.在采用了增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)之后，小區(qū)用戶(hù)通信誤碼率顯著下降.與此同時(shí)，為抑制小區(qū)間干擾，干擾基站會(huì)有一些子幀未承載數(shù)據(jù).因此，微小區(qū)用戶(hù)UE#1及宏小區(qū)用戶(hù)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(lái)了誤碼率的顯著下降.

圖8　測(cè)試平臺(tái)圖形化用戶(hù)界面

6結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái).該平臺(tái)利用GNU Radio和USRP以軟件無(wú)線(xiàn)電的方式搭建.平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式靈活，結(jié)構(gòu)通用且模塊化，擴(kuò)展性、可移植性強(qiáng)，易于改進(jìn)及擴(kuò)展，適用于測(cè)試、驗(yàn)證不斷發(fā)展演進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù).運(yùn)行結(jié)果表明，測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)接收端與發(fā)送端的同步.測(cè)試結(jié)果真實(shí)反映了信道環(huán)境、干擾環(huán)境對(duì)測(cè)試平臺(tái)同步的影響.

[參考文獻(xiàn)]

[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(jí)仿真平臺(tái)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(tái)CoMP功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 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(lèi)號(hào)]TN929.53

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]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(jiǎn)介]李鵬 (1981—)，男，湖南長(zhǎng)沙人，講師，博士，主要從事新一代寬帶無(wú)線(xiàn)通信理論與技術(shù)方面的研究.

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

[收稿日期]2015-09-18