OAI技術發(fā)展及其在通信領域的應用

1 引言

OAI（Open Air Interface）是由Eurocom組織發(fā)起的開源軟件項目，提供了世界上首個以軟件實現(xiàn)完整的3GPP的協(xié)議棧，也是目前最為完善的開源軟件定義無線電通信平臺。

OAI的實現(xiàn)思想是基于通用處理器的軟件無線電技術，通過軟件實現(xiàn)PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC各層功能。這一實現(xiàn)思想極大地擴展了通信領域的應用空間，為5G乃至以后的通信系統(tǒng)原型搭建、算法仿真、實現(xiàn)部署和升級迭代，都提供了一種更為靈活高效的方式。因此，研究OAI技術發(fā)展，進而探討其在通信領域的應用具有非常意義。

2 OAI發(fā)展情況

OAI發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，第1階段是從2004年到2007年，Eurocom中的移動通信部在wireless3g4free平臺上進行了OAI開源平臺的研究；第2階段是從2005年到2008年，在card MIMO基礎上，同時進行了硬件、軟件的研究，目標主要在于實現(xiàn)LTE；第3階段是2008年到現(xiàn)在，OAI結(jié)合3GPP的協(xié)議不斷深化代碼向更高版本的協(xié)議過渡，且OAI系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了LTE系統(tǒng)中各個模塊的實時運行功能。

2014年之后，OAI的發(fā)展走上了快車道，在2014年8月發(fā)布release0版本，兩個月后推出新版本，之后版本更新積極，2019年1月發(fā)布了1.0.0版。

2015年3月，在MWC 2015展示；并召開第一次OAI開發(fā)者網(wǎng)絡會議；之后每年參加MWC及各種峰會、論壇，積極跟進5G的發(fā)展：

（1）2015年12月，OAI作為5G實驗的組成部分之一寫入networld 2020白皮書。

（2）2016年3月，Raymond Knopp在巴黎舉行的5G會議上提出了OAI針對5G測試和原型設計的目標；

（3）2017年7月，OAI demo 5G網(wǎng)絡切片演示；北京郵電大學在ITU SG13上演示了5G網(wǎng)絡分層編排與管理系統(tǒng)；

（4）2018年6月，OAI專題研討會上中國電信展示了基于通用硬件平臺及軟件定義空口的5G NR驗證平臺；

（5）2019年2月，OAI在MWC2019主持小組討論開源將如何在不斷發(fā)展的5G生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮作用；

（6）2019年 7月，RedHat加入OAI聯(lián)盟。其VCO3.0項目目標是展示完整的5G、云端原生和邊緣；

（7）2019年9月，InterDigital?進一步成為OAI戰(zhàn)略成員。在過去兩年中，該公司一直是OAI聯(lián)盟的準成員，并與OAI團隊密切合作，研究了多種高端5G主題，如MMW和波束控制。

3 OAI技術架構(gòu)

3.1 OAI框架

依據(jù)3GPP的TS36等系列規(guī)范，OAI完整實現(xiàn)了LTE協(xié)議的核心網(wǎng)（EPC），基站（eNB）和用戶（UE）三部分。

OAI平臺架構(gòu)根據(jù)LTE的協(xié)議棧實現(xiàn)了2到5層的基本功能，如圖1所示。

圖1 OAI系統(tǒng)架構(gòu)

圖1左側(cè)是UE，包括物理層（PHY）、媒體接入層（MAC）、無線鏈路層（RLC）、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層（PDCP）、無線資源控制層（RRC）、非接入層（NAS），UE 側(cè)通過空中接口和 eNB 側(cè)進行上下行數(shù)據(jù)交互；中間是eNB；右側(cè)是EPC。eNB既要和UE進行交互，也要通過S1AP 接口和核心網(wǎng)如EPC進行通信。

3.2 OAI基本功能

OAI旨在構(gòu)建開放的基站生態(tài)系統(tǒng)，用于靈活和低成本的4G/5G部署和實驗。網(wǎng)絡側(cè)實現(xiàn)完全基于軟件的網(wǎng)絡功能，提供靈活的架構(gòu)、實例化和可重構(gòu)的網(wǎng)絡組件，可使用相同或不同的邊緣、核心或云環(huán)境；用戶端完全基于軟件設計，LTE和5G高級功能可軟件升級和在線開發(fā)。

OAI運行在intel/ARM等通用平臺上，可用在豐富的軟件開發(fā)環(huán)境中，支持Aeroflex-Geisler LEON/GRLIB、RTOSleon/grlib、rtos、rtai 及 rt-preempt、linux、gnu、wireshark等監(jiān)控工具、消息和時間分析器、底層日志系統(tǒng)、流量發(fā)生器。它還為協(xié)議驗證、性能評估提供了工具以及部署前系統(tǒng)測試。

目前OAI平臺在不同程度上支持與商用組件的各種靈活配置[1]：

（1）OAI UE?OAI eNB + OAI EPC

（2）OAI UE?OAI eNB +商用EPC

（3）OAI UE?商用eNB + OAI EPC

（4）OAI UE?商用eNB +商用EPC

（5）商用UE?商用eNB + OAI EPC

（6）商用UE?OAI eNB + 商用EPC

（7）商用UE?OAI eNB + OAI EPC

3.3 OAI軟件架構(gòu)

對照OAI框架，OAI軟件實現(xiàn)3GPP協(xié)議棧也包括無線接入網(wǎng)（ENB、GNB和4G、5G UE）以及核心網(wǎng)（EPC和5G-CN）。

OAI源代碼分為兩個項目，OAI無線接入網(wǎng)（OAIRAN）實現(xiàn)了基站和用戶設備，包括4G LTE和5G無線接入網(wǎng)；OAI核心網(wǎng)（OAI-CN）實現(xiàn)4G EPC和5G核心網(wǎng)絡。

OAI軟件架構(gòu)包括：

（1）OpenAir0：主要描述硬件模塊CardBus MIMO和Express MIMO，以及對應FPGA的固件驅(qū)動程序。

（2）OpenAir1：包括物理層各個功能模塊，定義相關參數(shù)及初始化。主要功能是實現(xiàn)LTE系統(tǒng)基帶信號的處理，提供與MAC層之間的接口。此外，OpenAir1還提供與硬件之間的接口，形成一個基于硬件的LTE系統(tǒng)仿真平臺。

（3）OpenAir2：包括LTE系統(tǒng)相關協(xié)議棧，即MAC層、RLC層、PDCP層及RRC層的具體實現(xiàn)。主要功能是無線接入控制方面的協(xié)議內(nèi)容，包括相關協(xié)議流程的實現(xiàn)以及無線資源管理方案的部署。通過與物理層之間的接口，OpenAir1和OpenAir2中的內(nèi)容組成了一個無線通信系統(tǒng)的基本功能。

（3）OpenAir3：包括了基于IP的網(wǎng)絡模塊，即全IP蜂窩與IP/MPLS網(wǎng)狀網(wǎng)絡開發(fā)的第三層協(xié)議棧，具體有LTE系統(tǒng)中基站eNB、用戶終端設備UE的相關內(nèi)容。此外，OpenAir3為基于OAI平臺的網(wǎng)絡上層應用提供接口，完善了整個平臺。

OpenAir0～3共同組成了OAI平臺的軟件框架及完整的LTE協(xié)議棧，清晰地劃分了傳輸鏈路、資源管理、網(wǎng)絡應用等功能。在硬件的支持下，整個平臺可以看作一個真實的無線系統(tǒng)，完成系統(tǒng)開發(fā)與技術創(chuàng)新。

另外，還有如下輔助功能模塊：

（1）OpenAir-cn：各個接口的功能模塊，實現(xiàn)3GPP LTE Rel 9和Rel 10版本的MME、NAS、HSS和eNodeB與MME之間S1接口功能，如S1-AP,S1-U,S6-A,S11等等；

（2）OpenAir ITS：沒有外加硬件設備情況下，基站的仿真實現(xiàn)模塊。IEEE802.11P協(xié)議相關軟件模塊的實現(xiàn)；

（3）Common：OAI的工具和插件等；

（4）Cmake_targets:提供了編譯環(huán)境，在該文件下生成各個編譯后的模塊，然后調(diào)用仿真運行，編譯后的生成文件自動在該文件下生成；

（5）Svn2git:軟件版本。

OAI的軟件包還在更新中，針對通信的發(fā)展特別是5G的發(fā)展進行不斷的優(yōu)化和代碼貢獻。

4 OAI通信功能實現(xiàn)

目前，OAI平臺包括用于RAN（OpenAirInterface5G）和EPC（OpenAirCN）的3GPP LTE協(xié)議棧的完整軟件實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 OAI通信功能拆分

RCC(Radio Cloud Center，無線云中心)和RRU(Remote Radio Unit，無線遠端單元)之間通過RAU（Radio-Access Unit，無線接入單元）連接。用戶面/控制面數(shù)據(jù)用實線表示，配置數(shù)據(jù)用虛線表示。其中，IF1接口由3GPP Release 15中的F1定義實現(xiàn)，IF4.5/IF5類比IEEE P1914.1實現(xiàn)，F(xiàn)API參考小基站論壇Small Cell Forum (open-nFAPI)實現(xiàn)。

4.1 通信信道仿真

OAI仿真主要是物理層各個信道的仿真以及系統(tǒng)級仿真。物理信道，包括PDSCH、PDCCH、PBCH、PRACH、PUSCH、PUCCH等信道的仿真；系統(tǒng)級別，OAI的oaisim提供了包含了LTE整個協(xié)議棧的仿真。

DLSIM是OAI的一個物理下行鏈路仿真平臺。DLSIM仿真平臺支持FDD和TDD兩種模式，支持1.25 M，5 M，10 M和20 M四種帶寬，包含了PDSCH、PCFICH、PDCCH等信道仿真，PCFICH用來指示PDCCH所占用的OFDM符號數(shù)，PDCCH用來傳輸DCI信息，PDSCH用來傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)，RS用于信道估計。DLSIM還在時頻資源上為PBCH、PSS、SSS、RS分配了時頻資源，但未產(chǎn)生相應的數(shù)據(jù)。

DLSIM仿真平臺首先初始化配置LTE參數(shù)，生成業(yè)務數(shù)據(jù)。接著處理DCI信息，先為PCFICH、PDCCH信道分配時頻資源，再處理PDSCH信息，加入導頻后送入OFDM調(diào)制器。在接收端，首先進行FFT和信道估計，信道均衡后再解調(diào)解碼PDCCH信息，根據(jù)解出來的PDCCH信息再去解調(diào)解碼PDSCH信息。

4.2 通信建立流程

（1）基于OAI的LTE通信建立過程為：

（2）啟動EPC/HSS等；

（3）啟動eNB，由eNB進行MIB主信息塊廣播；

（4）啟動UE，進行小區(qū)搜索，獲取小區(qū)號和CP長度等，完成定時和頻率同步；

（5）UE接收廣播信息，進行隨機接入，完成初始注冊，確定收發(fā)功率、隨機序列等；

（6）UE收到eNB隨機接入響應，并向eNB申請建立RRC連接；

（7）UE完成EPC附著請求流程，并完成UE與EPC之間的相互鑒權(quán)。此時MME需要從HSS獲取鑒權(quán)向量信息；

（8）UE最終完成RRC連接建立，可與eNB進行正常的雙向通信。

4.3 基于OAI實現(xiàn)的通信實例

OAI軟件平臺目前可以與標準的射頻實驗室設備即Ettus/NI USRP結(jié)合使用。

如下是一個在沒有S1接口的情況下利用OAI進行eNB和UE連接的實例[2]。OAI eNB和OAI UE分別用兩臺ubuntu機器，射頻部分均采用USRP b210。

硬件設置圖3所示，UE和eNB之間的衰減可在40～60 dB之間進行調(diào)整；

圖3 OAI eNB 和 OAI UE間通信的硬件設置

分別在兩臺機器上安裝運行OAI eNB和OAI UE。使用隧道接口運行，這是目前首選的安全有效的方法。在運行OAI UE之前，應首先運行OAI eNB。OAI eNB和OAI UE都在LTE FDD頻帶7（dl:2680 MHzz，ul:2560 MHz）上運行；

在第一臺ubuntu機器上啟動eNB，加載nasmesh內(nèi)核模塊并設置OAI接口，加載nasmesh.ko以設置無線承載，并在eNB和連接的UE之間提供ip連接。通過使用pipes tee enb.log運行eNB，并記錄eNB日志。通過使用--nokrnmod 0選項來強制使用NASMESH內(nèi)核模塊，得到類似圖4中所示的波形：

5.2 異構(gòu)5G網(wǎng)絡

5.2.1 小扇區(qū)

下一代5G無線網(wǎng)絡將運行對數(shù)據(jù)速率要求很高的應用，解決方案之一是通過小扇區(qū)來實現(xiàn)網(wǎng)絡的加密。宏站、微站、皮站和飛站等基站類型的并行操作被稱為異構(gòu)網(wǎng)絡，這種密集化可以提高頻譜效率，同時也可以降低移動設備與附近皮站的通信功耗。然而這種解決方案需要在硬件小型化方面進行創(chuàng)新，OAI開源軟件設計思路提供了這種可能，在越來越mini化的通用射頻硬件的基礎上進行軟件仿真和軟件迭加。

5.2.2 新型載波

最近，學術界和工業(yè)界都在推動通過拆分控制和數(shù)據(jù)平面來增強扇區(qū)，其主要思想是控制平面提供連接性和移動性，而用戶平面提供數(shù)據(jù)傳輸。這導致用戶設備UE可能連接到多個基站。在3GPP（Rel 8-10）中，這種新載波類型的定義提高了頻譜效率，因為數(shù)據(jù)傳輸是由小基站處理的。網(wǎng)絡基礎設施的能效也有顯著提高，因為在輕載情況下，可以關閉小基站。OAI提供了定義和測試新型載波的途徑，目前OAI 1b項目正在致力于載波聚合等方面的研究。

5.2.3 LTE/WiFi共存

5G無線網(wǎng)絡設計將看到LTE/WIFI網(wǎng)絡之間的大量融合。業(yè)界已經(jīng)開始推動在未經(jīng)許可頻段運營LTE以疏導流量的探索，然而由于目前WIFI部署的監(jiān)管問題和過于擁擠的問題，這種疏導有可能給最終用戶帶來QoS問題。IEEE 802.11工作組發(fā)起了一個關于高效WLAN（HEW：High Efficiency WLANs）的研究小組，以解決接入點和終端的加密問題。利用OAI可以進行頻段的仿真和測試。

5.2.4 D2D通信

設備到設備（D2D：Device to Device）通信是一種終端通過自動發(fā)現(xiàn)自身并在沒有基站的情況下彼此交互的方法。從功率控制的角度來看，這種方法是高效的，并且還可以減少無許可頻帶中的干擾。D2D在存在大量彼此緊密操作的設備的通信場景中特別有用，可以與基站協(xié)調(diào)相結(jié)合，在能量效率和頻譜效率方面給現(xiàn)有的蜂窩體系結(jié)構(gòu)帶來顯著的優(yōu)勢。D2D通信實驗和測試可以由OAI仿真功能實現(xiàn)。

5.3 大規(guī)模網(wǎng)絡仿真

5G對原型設計方法提出了復雜的挑戰(zhàn)，因為對數(shù)據(jù)速率和蜂窩堆棧的總體延遲都有嚴格的要求，未來的原型平臺還需要一個軟件框架來驗證仿真和模擬中的堆棧。OAI仿真平臺提供了這種可能。OAI平臺可在實際網(wǎng)絡環(huán)境中模擬無線接入的行為，同時遵守空中接口的時間幀參數(shù)[3]。OAI平臺可以使用完整物理層運行，也可以抽象運行，每個節(jié)點都有自己的IP接口，可以連接到實際應用程序或流量生成器。OAI平臺以在受控實驗室環(huán)境中進行大規(guī)?？芍貜蛯嶒灋槟繕?，具有各種真實的測試用例，可用于集成、性能評估和測試。

6 結(jié)束語

OAI技術是開源的軟件實現(xiàn)無線電技術，它基于通用硬件平臺，提供完整的基于3GPP標準的通信解決方案，并在不斷地持續(xù)更新。在5G時代以及未來的通信發(fā)展中，OAI以其開源、開放、通用、敏捷的特征，將會起到重要的作用。