基于OpenLTE的LTE系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

張向裕，甘顯豪

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東省物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東　廣州 510006）

基于OpenLTE的LTE系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

張向裕，甘顯豪

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東省物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006）

文章首先介紹了開(kāi)源軟件無(wú)線電系統(tǒng)OpenLTE。重點(diǎn)分析OpenLTE的軟硬件平臺(tái)，詳細(xì)分析OpenLTE的系統(tǒng)框架，對(duì)整套系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行了介紹。最后經(jīng)過(guò)調(diào)試在通用軟件無(wú)線電平臺(tái)上成功運(yùn)行，驗(yàn)證OpenLTE實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)的可行性，能夠?yàn)檠芯?LTE 和相關(guān)科研教學(xué)工作人員提供一個(gè)更加符合真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

LTE；軟件無(wú)線電；OpenLTE；通用軟件；無(wú)線電硬件平臺(tái)

1　概述

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從2G到3G，再?gòu)?G演進(jìn)到4G網(wǎng)絡(luò)速率有了巨大的飛躍，給用戶的體驗(yàn)也有了很大的提升，人們也越來(lái)越依賴通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)。但是相對(duì)于需求而言，移動(dòng)通信網(wǎng)的承載力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，特別是對(duì)于我國(guó)這樣人口密集的國(guó)家，現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)用戶提供的服務(wù)資源有限，具體表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、網(wǎng)速慢。這要求運(yùn)營(yíng)商用于建設(shè)、運(yùn)維和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的投資不斷增加以提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。但是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的收入?yún)s增長(zhǎng)緩慢，一方面是資費(fèi)下調(diào)以及運(yùn)營(yíng)商之間的競(jìng)爭(zhēng)造成運(yùn)營(yíng)商從每個(gè)用戶獲得的收益減少，另一方面偏遠(yuǎn)山區(qū)和人煙稀少的地區(qū)部署昂貴的基站設(shè)備，進(jìn)一步增加運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。為了保證盈利增長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)商需要一種低成本的解決方案。軟件定義無(wú)線電（Software Define Radio，SDR）剛好可以作為一種低成本的替代和補(bǔ)充方案，SDR可將基站信號(hào)處理功能盡量通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用通用硬件平臺(tái)可快速地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，編碼運(yùn)算，SDR為現(xiàn)有通信系統(tǒng)建設(shè)提供了全新思路，給技術(shù)研究開(kāi)發(fā)降低了成本、并提供了更快的實(shí)現(xiàn)方式。

Open LTE是在Linux系統(tǒng)下的使用GNU Radio軟件開(kāi)發(fā)包實(shí)現(xiàn)的3GPP通信協(xié)議的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的4G基站的功能。本文詳細(xì)介紹了OpenLTE00.20.00版本。主要從軟件實(shí)現(xiàn)整體架構(gòu)，物理層（Physical Layer，PHY）、介質(zhì)訪問(wèn)控制（Media Access Control，MAC）、無(wú)線鏈路控制協(xié)議（Radio Link Control，RLC）、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）、無(wú)線資源控制協(xié)議（Radio Resource Control，RRC）等各層功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。使得無(wú)線技術(shù)研究人員對(duì)OpenLTE有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。

2　硬件平臺(tái)

整套系統(tǒng)的硬件平臺(tái)包含兩部分：一臺(tái)較高配置的個(gè)人計(jì)算機(jī)和低成本通用軟件無(wú)線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）。USRP被設(shè)計(jì)用來(lái)處理波形相關(guān)的任務(wù)，在個(gè)人PC上進(jìn)行所有的計(jì)算后將調(diào)制編碼數(shù)字信息傳給USRP處理生成無(wú)線電波形信號(hào)發(fā)射出去，同樣USRP接受無(wú)線電信號(hào)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)交給計(jì)算機(jī)上的程序處理。

本系統(tǒng)采用Ettus公司的 B210型號(hào)產(chǎn)品，B210的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1　B210主要性能

USRP B210是一個(gè)完全集成的單板，從主要性能上看完全滿足LTE系統(tǒng)的要求，頻譜能夠覆蓋LTE的所有頻段，并且提供在單通道半雙工情況下56Msps，在全雙工工作方式下36Msps的實(shí)時(shí)帶寬。該款設(shè)備支持全雙工FDD/TDD，同時(shí)還支持 2×2 MIMO，通過(guò)開(kāi)源驅(qū)動(dòng)UHD實(shí)現(xiàn)了PC對(duì)USRP的控制。

3　軟件平臺(tái)

3.1OpenLTE整體架構(gòu)

OpenLTE系統(tǒng)基于GNURadio開(kāi)發(fā)模塊化思想來(lái)實(shí)現(xiàn)LTE協(xié)議的各個(gè)層次，主要包括RRC，PDCP，RLC，MAC，PHY等模塊。圖1描述了LTE協(xié)議不同層次的結(jié)構(gòu)、主要功能以及各層之間的交互流程。

如圖1所示，來(lái)自核心網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)包要通過(guò)基站側(cè)的多個(gè)協(xié)議層處理之后才會(huì)通過(guò)射頻前端將信號(hào)發(fā)射出去。

分組數(shù)據(jù)合并協(xié)議（PDCP）層：負(fù)責(zé)對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行壓縮盡可能地減少在無(wú)線鏈路上面?zhèn)鬏數(shù)谋忍財(cái)?shù)，頭壓縮機(jī)制基于穩(wěn)健頭標(biāo)壓縮（ROHC）算法，一種標(biāo)準(zhǔn)的頭壓縮算法，也用于其他的移動(dòng)通信系統(tǒng)。PDCP還負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)一致性保護(hù)工作，增加攜帶有移動(dòng)終端解密信息的PDCP頭。

無(wú)線鏈路控制（RLC）層：負(fù)責(zé)對(duì)上層的PDCP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分割級(jí)聯(lián)以及重傳控制和按序發(fā)送。

媒體接入控制（MAC）層：負(fù)責(zé)控制HARQ重傳以及上下行鏈路的調(diào)度。

物理層（PHY）層：負(fù)責(zé)編解碼、調(diào)制、解調(diào)和多天線映射工作。

OpenLTE把上述的各個(gè)模塊都通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。最后將基帶信號(hào)通過(guò)USB接口傳送到USRP，USRP進(jìn)行采樣和上下變頻將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去。

3.2物理層

OpenLTE的物理層協(xié)議實(shí)現(xiàn)了LTE Release 8標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。支持所有的物理信道，發(fā)送模式只支持單發(fā)多收，不支持多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）。不支持多媒體廣播（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS），PDCCH物理層控制信道格式支持DCI1，1A，1B，1D，2，3和0，并不支持1D和2A和MIMO PDSCH分配有關(guān)的格式。支持動(dòng)態(tài)大小的TTI，turbo編碼，用速率匹配控制碼率實(shí)現(xiàn)了控制傳輸塊大小自適應(yīng)傳輸，然后依次經(jīng)過(guò)比特交織、數(shù)據(jù)調(diào)制、天線映射和資源映射完成了物理層的功能。物理層功能比較完善。表2詳細(xì)列出了物理層功能。

表2　物理層

代碼當(dāng)中LTE_fdd_enb_phy是整個(gè)物理層的實(shí)體對(duì)象，Start函數(shù)中會(huì)處理上層Mac層數(shù)據(jù)，也會(huì)向MAC傳遞成功解碼的信息。radio_interface函數(shù)會(huì)分別啟動(dòng)一個(gè)上行和下行進(jìn)程進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)收發(fā)工作。

3.3MAC調(diào)度層

LTE無(wú)線接入的基本原理之一是共享信道傳輸，無(wú)線資源以時(shí)分，頻分，空分的方式進(jìn)行復(fù)用，控制上行資源和下行資源的分配是一項(xiàng)很重要的工作。其中基站每1ms內(nèi)制定調(diào)度決策并向終端發(fā)送調(diào)度信息。調(diào)度策略的首要原則就是盡可能地提高信道的利用率，在用戶信道最好的時(shí)候進(jìn)行資源分配。協(xié)議沒(méi)有具體定義調(diào)度算法，各個(gè)設(shè)備廠商有不同的算法，常見(jiàn)得有比例公平，最優(yōu)調(diào)度等。

OpenLTE采用比較簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的輪詢調(diào)度算法。程序運(yùn)行過(guò)程中為維護(hù)一個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，把待發(fā)送的PDU數(shù)據(jù)包都放入這個(gè)隊(duì)列當(dāng)中，每次對(duì)隊(duì)列的第一項(xiàng)進(jìn)行處理。然后根據(jù)PDSCH上面?zhèn)鬏數(shù)腝CI信息計(jì)算MCS以及TBS。OpenLTE對(duì)MAC層的處理有不完善的地方，以至于影響程序的健壯性。OpenLTE對(duì)MAC層以上的功能都已經(jīng)完整實(shí)現(xiàn)。

3.4OpenLTE代碼

首先是Interface層這是程序提供給外部的接口，用來(lái)處理外部控制命令和配置信息。通過(guò)這個(gè)接口啟動(dòng)和關(guān)閉eNB，輸入相應(yīng)的配置信息例如頻帶，系統(tǒng)帶寬等，以及添加用戶等工作。MsgQ層提供消息的封裝，對(duì)各個(gè)協(xié)議層的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行接收，封裝和發(fā)送。無(wú)線資源承載層（RB）層，無(wú)限承載是LTE的無(wú)線邏輯資源集合體，分為信令承載SRB和數(shù)據(jù)承載DRB。RB完成了到邏輯信道的映射，MAC層以邏輯信道的方式為上層提供服務(wù)。每個(gè)RB中會(huì)為每個(gè)協(xié)子層定義一個(gè)消息隊(duì)列，例如RRC，PDCP，RLC，MAC。當(dāng)收到RB時(shí)RB實(shí)體會(huì)將它放到對(duì)應(yīng)實(shí)體的消息隊(duì)列進(jìn)行處理。Radio層負(fù)責(zé)無(wú)線電設(shè)備的控制工作，配置USRP的參數(shù)驅(qū)動(dòng)USRP正常工作，屬于物理層更底下的一層，Radio的Start函數(shù)創(chuàng)建線程來(lái)處理數(shù)據(jù)幀收發(fā)。

4　軟件運(yùn)行測(cè)試

在l i n u x發(fā)行版上面使用正確的命令編譯安裝OpenLTE，編譯完成在shell終端上輸入運(yùn)行sudo./LTE_ fdd_enodeb，然后另開(kāi)新的終端運(yùn)行telnet 127.0.0.1 30000，在這個(gè)運(yùn)行終端下面輸入配置信息，添加用戶。然后輸入start命令啟動(dòng)一個(gè)eNB，然后手機(jī)終端就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索和接入操作。還可以另開(kāi)一個(gè)終端輸入telnet 127.0.0.1 30001觀察調(diào)試信息。OpenLTE的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)顯示界面還不完善，圖2顯示的是接入之后MME顯示的信息。

圖2　用戶接入OpenLTE網(wǎng)絡(luò)

手機(jī)終端進(jìn)行搜索網(wǎng)絡(luò)并接入之前還需要插入一張測(cè)試用的USIM卡，因?yàn)閁SIM卡會(huì)對(duì)基站的合法性進(jìn)行鑒別，手機(jī)終端使用運(yùn)營(yíng)商發(fā)行的卡會(huì)造成無(wú)法搜索到OpenLTE網(wǎng)絡(luò)和無(wú)法通過(guò)UE側(cè)的鑒權(quán)的結(jié)果。需要專門的工具往測(cè)試卡當(dāng)中寫入測(cè)試信息。

OpenLTE只實(shí)現(xiàn)了下行同步，整套系統(tǒng)還不穩(wěn)定，需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化。

5　結(jié)語(yǔ)

本文從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)分析了開(kāi)源LTE項(xiàng)目OpenLTE。梳理了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)LTE各層功能的完整性，代碼的各個(gè)實(shí)體層功能。最后在通用軟件無(wú)線電平臺(tái)上運(yùn)行。

OpenLTE是一個(gè)優(yōu)秀的開(kāi)源LTE項(xiàng)目，能夠?qū)崿F(xiàn)LTE協(xié)議的基本功能，代碼結(jié)構(gòu)清晰易讀，短小和高度優(yōu)化，比較容易學(xué)習(xí)。但是提供的調(diào)試工具較少，系統(tǒng)錯(cuò)誤輸出信息不全面，難以成功運(yùn)行整套系統(tǒng)。OpenLTE還需要進(jìn)一步完善功能，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理方面，以及進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。該項(xiàng)目可以為進(jìn)行無(wú)線通信相關(guān)的研究人員提供一個(gè)低成本易搭建的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

［1］吳彤，張玉艷，趙慧，等.基于開(kāi)源SDR實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)對(duì)比［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（7）：81-86.

［2］ERIK D.3G演進(jìn)：HSPA與LTE［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

Research and implementation of the LTE platform based on OpenLTE

Zhang Xiangyu， Gan Xianhao
（Automation School of Guangdong University of Technology and Guangdong Key Laboratory of IoT Information Processing， Guangzhou 510006， China）

At frst，this paper introduced the open source software defned radio system OpenLTE.It mainly analyzed the hardware and software platform of OpenLTE， and analyzed the framework of system in in detail， each functional module of the system is introduced. Finally， The system runned successfully at the software radio general platform， the experimental result have proved the effectiveness of this software defned radio system for LTE， it provided a more real wireless environment to the LTE researchers.

LTE； SDR； OpenLTE； general software； radio platform

張向裕（1992— ），男，江西贛州，碩士研究生；研究方向：智能電網(wǎng)與無(wú)線通信。