基于開源SDR實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)對(duì)比*

吳彤, 張玉艷, 趙慧, 席雨

（1 北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；2 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，北京 100876)

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的背景之下,智能手機(jī)的普及和各種互聯(lián)網(wǎng)OTT （Over The Top)應(yīng)用的流行,對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)需求呈幾何級(jí)增長,導(dǎo)致移動(dòng)運(yùn)營商之間激烈的競爭愈演愈烈。但由于資費(fèi)下調(diào)等各種因素影響,運(yùn)營商從每個(gè)用戶獲得的收益在慢慢減少，這大大的降低了移動(dòng)運(yùn)營商的收入水平。同時(shí)由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)所產(chǎn)生流量的迅速增長，用于建設(shè)、運(yùn)維和無線網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的投資不斷增加，但收入?yún)s增長緩慢。為了保證長期盈利增長，運(yùn)營商必須節(jié)流，找到在保證提供優(yōu)質(zhì)無線接入業(yè)務(wù)的同時(shí)并能有效降低成本的方法[1]。SDR（Software Defined Radio，軟件無線電）剛好可以提供一種低成本解決方案，將基站信號(hào)處理功能盡量使用軟件來實(shí)現(xiàn)，使用通用硬件平臺(tái)，可以快速地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，編解碼運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)頻帶寬度，并快速切換不同工作模式。在通用硬件平臺(tái)上盡量使用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的功能模塊，同時(shí)通過軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)[2]，這給現(xiàn)有通信系統(tǒng)建設(shè)提供了一種全新的思路，給技術(shù)研究開發(fā)提供了更快的實(shí)現(xiàn)方式，降低了開發(fā)成本和周期，并且還能保持目前這一代系統(tǒng)的后向兼容性。

但是目前還沒有相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比介紹兩種軟件，下面本文將詳細(xì)的介紹OAI （Open Air Interface)trunk_7165版本和openlte-00-v18-02版本。主要從軟件實(shí)現(xiàn)整體架構(gòu)，PHY（Physical Layer，物理層)、MAC （Media Access Control，介質(zhì)訪問控制)、RLC （Radio Link Control，無線鏈路控制器協(xié)議)、PDCP （Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議)、RRC （Radio Resource Control，無線資源控制協(xié)議)各層功能實(shí)現(xiàn)和軟件整體功能實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，無線通信技術(shù)研究人員基于結(jié)果能夠?qū)﹂_源SDR有一個(gè)初步的了解，同時(shí)也為他們對(duì)平臺(tái)的選擇提供了一個(gè)參考依據(jù)。

1 SDR硬件平臺(tái)

通用軟件無線電外設(shè) USRP是一種低成本的軟件無線電實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)。本次對(duì)比測(cè)試中采用了Ettus公司的B210型號(hào)產(chǎn)品。USRP B210是一個(gè)完全集成的單板，其頻率范圍從70 MHz!6 GHz，能覆蓋LTE的所有頻段，同時(shí)作為低成本的實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，它結(jié)合了單芯片直接變頻收發(fā)器，提供高達(dá)56 Mbit/s實(shí)時(shí)帶寬，開放和可重編程FPGA Spartan6，通過總線供電的超高速USB 3.0與PC連接。該款設(shè)備支持全雙工FDD/TDD，同時(shí)還支持2×2 MIMO，通過開源驅(qū)動(dòng)UHD實(shí)現(xiàn)了PC對(duì)USRP的控制。

2 軟件平臺(tái)

2.1 OAI

OAI是一個(gè)致力于無線數(shù)字通信創(chuàng)新研究的開放源代碼的硬件/軟件開發(fā)平臺(tái)，世界上第一個(gè)以軟件實(shí)現(xiàn)了完整的3GPP的協(xié)議棧[3]。它用標(biāo)準(zhǔn)C基于Linux實(shí)時(shí)內(nèi)核優(yōu)化完成的，OAI實(shí)現(xiàn)思想是：PC機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC各層功能，最后將生成的IP數(shù)據(jù)通過Linux IP協(xié)議棧進(jìn)行發(fā)送，將NAS （Non-Access Straum，非接入層)的消息通過AT （Attention)命令進(jìn)行發(fā)送，eNode B與MME之間基于各自IP進(jìn)行連接，信息傳輸也是基于各自的IP地址進(jìn)行交換。OAI軟件平臺(tái)已經(jīng)被使用作為無線通信技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證平臺(tái)，目前基于OAI已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DSRC協(xié)議[4]，低復(fù)雜度MIMO接收機(jī)[5]等，將來應(yīng)用場(chǎng)景在[6]中有詳細(xì)的介紹。

2.2 OpenLTE

OpenLTE是在Linux系統(tǒng)下的使用GNURadio軟件開發(fā)包實(shí)現(xiàn)的3GPP通信協(xié)議的一個(gè)開源項(xiàng)目，主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的基站的功能。其功能模塊主要包括：PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC、MME等，模塊都是使用 C++開發(fā)。由于GNURadio的開源性，全世界已經(jīng)有很多開發(fā)者提供很多的常用的通信模塊，如常用的FFT算法模塊，各種常用的調(diào)制解調(diào)模塊等等，還提供了一些開發(fā)函數(shù)的API （Application Programming Interface，應(yīng)用編程接口)，這給開發(fā)者提供了很多便捷。GNURadio作為軟件無線電開發(fā)工具已經(jīng)被全世界軟件無線電開發(fā)者所使用，基于GNURadio開發(fā)的OpenLTE被很多開源愛好者進(jìn)行使用，這個(gè)平臺(tái)獲得了大量研究者的關(guān)注。

3 軟件評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于本次兩種軟件的對(duì)比分析主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：

（1）用戶使用角度：軟件的可操作性、易維護(hù)性，調(diào)試方法難易程度對(duì)于用戶的學(xué)習(xí)使用有一定的影響，同時(shí)對(duì)于軟件功能的進(jìn)一步拓展也會(huì)有很大的影響。這部分可以從源碼以及自帶的調(diào)試工具方面進(jìn)行分析。

（2）軟件功能完整性角度：軟件的基本功能實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶是一個(gè)基本的要求。這部分可以從下面的整體架構(gòu)對(duì)比，各層的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)比，以及整體實(shí)現(xiàn)的功能上進(jìn)行詳細(xì)的分析獲得結(jié)論。

4 兩種軟件系統(tǒng)對(duì)比

4.1 整體架構(gòu)比較

目前，OAI軟件平臺(tái)整體架構(gòu)按照類似網(wǎng)絡(luò)ISO分層的思想進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，通過各層預(yù)留的接口實(shí)現(xiàn)了層與層之間的數(shù)據(jù)的傳遞，由圖1可知，主要分了4層: Openair0主要實(shí)現(xiàn)的射頻端的功能，由硬件USRP實(shí)現(xiàn)；Openair1主要對(duì)應(yīng)的是LTE的物理層，以及USRP實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸接口和上層MAC層數(shù)據(jù)接口；Openair2主要實(shí)現(xiàn)的MAC層，相關(guān)調(diào)度任務(wù)都是在該層中實(shí)現(xiàn)的；網(wǎng)絡(luò)層及以上功能都是在Openair3中實(shí)現(xiàn)的。

圖1 OAI的整體框架圖

OpenLTE系統(tǒng)基于GNURadio開發(fā)模塊化思想來實(shí)現(xiàn)的，由PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC等相應(yīng)的模塊組成，HSS模塊實(shí)現(xiàn)歸屬用戶服務(wù)器的所有配置；GW模塊完成了eNode B側(cè)網(wǎng)關(guān)IP的配置；MME模塊實(shí)現(xiàn)的是eNode B的移動(dòng)管理實(shí)體模塊的功能。上述各個(gè)模塊通過軟件實(shí)現(xiàn)，最終通過USB3.0將基帶信號(hào)傳到USRP中，經(jīng)過采樣變頻后生成了射頻信號(hào)并發(fā)射出去。

4.2 物理層對(duì)比

OAI中的物理層協(xié)議實(shí)現(xiàn)的比較完整，實(shí)現(xiàn)了Release 8.6，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了Release 10部分功能，主要是MBMS （Multimedia Broadcast/Multicastservice，多媒體廣播多播業(yè)務(wù))功能。對(duì)于發(fā)送模式支持單發(fā)單收、雙發(fā)雙收、一發(fā)兩收、兩發(fā)一收等方式，支持所有的物理信道，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)過比特交織、調(diào)制、映射完成了物理層的功能。OAI支持所有的物理信道，其中的PDCCH信道，支持協(xié)議中所有DCI格式，下行調(diào)制方式能實(shí)現(xiàn)64QAM，上行調(diào)制方式能實(shí)現(xiàn)16QAM，現(xiàn)有的物理層也能通過上報(bào)的CQI實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼調(diào)制。

目前使用的openlte_v00-18-02版本中，只實(shí)現(xiàn)Release 8部分協(xié)議。對(duì)于發(fā)送模式目前只支持單收多發(fā)即接收側(cè)只支持單天線，發(fā)送側(cè)支持1、2、4根天線。物理信道中除去PUCCH信道沒有完成，其余信道都已經(jīng)完成，但是對(duì)于下行的PDCCH中能使用的DCI控制信息只實(shí)現(xiàn)了DCI1A一種格式。

4.3 MAC層調(diào)度實(shí)現(xiàn)對(duì)比

調(diào)度主要是由MAC層完成，MAC是LTE系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議棧的重要組成部分。MAC層將RLC層的邏輯信道映射到傳輸信道，同時(shí)，MAC層要根據(jù)邏輯信道的速率為每個(gè)傳輸信道選擇合適的傳輸格式，以提高傳輸信道的利用率[7]?？傮w上說調(diào)度算法從吞吐量，鏈路利用率以及復(fù)雜度和公平性方面綜合考慮并提供更有效資源共享方式。MAC層通過特定的調(diào)度算法，對(duì)上下行子幀進(jìn)行資源分配，同時(shí)還決定了其調(diào)制編碼方式。目前也存在很多調(diào)度算法，每一種都有不同的使用特性。對(duì)于LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常見的算法有：輪詢算法（Round Robin）、最大載干比（Best CQI)以及比例公平（Proportional Fair)等在文獻(xiàn)[8]中已經(jīng)有了詳細(xì)的介紹。

4.3.1 OAI 調(diào)度方式

OAI中物理層給MAC層提供了相應(yīng)的調(diào)度請(qǐng)求和HARQ （Hybrid Automatic Repeat Request)等信息，MAC層中使用的是輪詢調(diào)度算法，具體的OAI下行調(diào)度流程在[9]中進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，其調(diào)度算法功能比較完善，能夠完成了實(shí)際用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)度任務(wù)。

表1 物理層內(nèi)容比較

4.3.2 OpenLTE調(diào)度方式

OpenLTE使用的也是輪詢調(diào)度算法，但是實(shí)現(xiàn)機(jī)制比較簡單：首先將需要調(diào)度的子幀放在一個(gè)隊(duì)列中，每次都是對(duì)隊(duì)列的第一個(gè)子幀進(jìn)行調(diào)度，對(duì)該幀進(jìn)行判斷依次做出相應(yīng)的處理，這符合輪詢調(diào)度的先到先處理機(jī)制。但是主要從調(diào)度流程圖可以看到，對(duì)于條件判斷的地方，多處只完成了一種條件的判斷，沒有對(duì)其他情況進(jìn)行處理，對(duì)于一些異常情況也沒有完善的處理機(jī)制，在實(shí)際的測(cè)試過程中會(huì)出現(xiàn)直接崩潰的情況，這與調(diào)度方面的功能還不完善有很大的原因，具體實(shí)現(xiàn)的流程如圖2所示。

圖2 OpenLTE 調(diào)度實(shí)現(xiàn)機(jī)制

4.4 MAC以上層實(shí)現(xiàn)功能對(duì)比

對(duì)于MAC層以上主要包括RLC、PDCP、RRC。RLC層為無線鏈路提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，支持3種傳輸模式：TM（Transparent Mode，透明模式），UM（Unacknowledged Mode,非確認(rèn)模式），AM（Acknowledged Mode，確認(rèn)模式)[10]。PDCP用于控制平面主要實(shí)現(xiàn)加密和完整性保護(hù)功能以及控制平面數(shù)據(jù)傳輸；用于用戶平面主要實(shí)現(xiàn)頭壓縮與解壓縮，對(duì)低層SDU數(shù)據(jù)的重復(fù)檢測(cè)，支持RLC確認(rèn)模式邏輯信道PDCP SDU的重傳[11]。RRC層主要完成的是非接入層和接入層的信息廣播,建立、維持和重建立UE與UTRAN的RRC連接，無線資源的分配、重新配置和釋放、高層路由等功能[12]?，F(xiàn)有的OAI這3層功能都能夠?qū)崿F(xiàn)，但是OpenLTE中的RLC層的3種模式中AM模式還沒有實(shí)現(xiàn)，主要在AM模式的接收端接收到的AMD PDU最大序列號(hào)，該序列號(hào)值在接收到新的AMD PDU時(shí)候不會(huì)持續(xù)更新，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸部分功能還沒有實(shí)現(xiàn)。OAI和OpenLTE對(duì)于PDCP層和RRC層基本功能都能實(shí)現(xiàn)。

5 軟件功能測(cè)試

分別使用OAI和OpenLTE軟件結(jié)合USRP搭建一個(gè)個(gè)人私有的LTE基站作為測(cè)試平臺(tái)，使用多款商用終端進(jìn)行接入網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試其實(shí)現(xiàn)的功能并給出測(cè)試結(jié)果和客觀評(píng)價(jià)。本次測(cè)試使用的設(shè)備有：惠普PC Z230（運(yùn)行Linux Ubuntu系統(tǒng)）、USRP B210、華為數(shù)據(jù)卡E3276S-210。

5.1 Amarisoft MME+OAI eNode B網(wǎng)絡(luò)

圖3 用戶接入OAI網(wǎng)絡(luò)

由于OAI的MME安裝后存在較多的問題，暫時(shí)先用第三方的Amarisoft軟件的MME替換進(jìn)行了測(cè)試。安裝完OAI之后開始運(yùn)行該程序，在Shell終端中運(yùn) 行sudo ./lte-softmodem–d–O ../../PROJECTS/GENERIC-LTE-EPC/CONF/enb.band7.usrpb210.conf–V，其中，參數(shù)d能打印出調(diào)試信息，參數(shù)O讀取配置文件，配置文件中可以手動(dòng)修改一些常用參數(shù)，如設(shè)置頻點(diǎn)、發(fā)射接收增益、發(fā)射接收天線數(shù)量等；V參數(shù)則是能顯示調(diào)試圖形界面。圖3中是MME側(cè)數(shù)據(jù)庫的信息，MME中已經(jīng)接入了一個(gè)eNode B，一個(gè)用戶已經(jīng)完成了小區(qū)搜索，隨機(jī)接入，用戶注冊(cè)和鑒權(quán)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載等一系列過程，相應(yīng)的SIM卡的IMSI和終端的IMEI的信息已經(jīng)在MME的數(shù)據(jù)庫中列出來了，也給該終端分配了IP地址。在下面兩種模式下分別進(jìn)行了上下行速率的測(cè)試：（1）單發(fā)單收模式，帶寬5 Mbit/s，上行最高速率1.8 Mbit/s，下行最高速率是3.76 Mbit/s。

（2）雙發(fā)雙收模式，帶寬5 Mbit/s，上行最高速率2.6 Mbit/s，下行最高速率是4.9 Mbit/s。

速率低的原因是OAI中傳輸數(shù)據(jù)并沒有用到一幀中的所有的20個(gè)子幀，而只利用到其中的幾個(gè)子幀進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，同時(shí)該子幀中也只使用了部分資源塊傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)，因此測(cè)試的結(jié)果顯示的上下行的速率離理論值還有較大的差距。

5.2 OpenLTE網(wǎng)絡(luò)

OpenLTE中已經(jīng)集成了MME功能，所以不需要第三方的MME，在shell終端中運(yùn)行sudo ./LTE_enodeb,接著在終端輸入用戶的配置信息參數(shù)，如頻點(diǎn)設(shè)置、發(fā)射接收增益、用add_user命令添加用戶信息等，會(huì)將其存儲(chǔ)在用戶數(shù)據(jù)庫中，再輸入start該程序就啟動(dòng)，然后終端可以啟動(dòng)終端搜索網(wǎng)絡(luò)，依次完成了小區(qū)搜索，隨機(jī)接入和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載等過程。由于該軟件平臺(tái)起步較晚，用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理方面功能還沒有完全實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，顯示了用戶接入網(wǎng)絡(luò)后基站側(cè)回饋的消息。

5.3 結(jié)果分析

結(jié)合源代碼和測(cè)試的結(jié)果通過用戶使用角度和實(shí)現(xiàn)功能兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

從用戶使用角度分析，OAI代碼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，編譯選項(xiàng)參數(shù)較多，但是自身提供了豐富的開發(fā)環(huán)境以及內(nèi)置的工具，如實(shí)時(shí)的仿真模式，軟監(jiān)控和調(diào)試工具，協(xié)議分析器，性能分析器，并配置日志記錄系統(tǒng)的所有圖層和通道；OpenLTE代碼結(jié)構(gòu)比較清晰，更加易于開發(fā)和維護(hù)，但是沒有提供完善的調(diào)試工具，每次調(diào)試還需要重新輸入配置的參數(shù)，調(diào)試比較麻煩。

從實(shí)現(xiàn)功能上看，OAI能夠?qū)崿F(xiàn)上下行同步，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理方面還比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是多用戶接入還不夠穩(wěn)定，整體的下行速率仍達(dá)不到理想的速率，代碼仍需要進(jìn)一步的優(yōu)化。OpenLTE能實(shí)現(xiàn)簡單的基站的功能，商用終端接入該網(wǎng)絡(luò)中只完成了下行同步，用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能還沒實(shí)現(xiàn)，仍需要進(jìn)一步的完善和優(yōu)化。

6 結(jié)論

圖4 用戶接入OpenLTE網(wǎng)絡(luò)

本文梳理了現(xiàn)有兩套開源SDR的整體架構(gòu)不同實(shí)現(xiàn)方式，PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC各層的實(shí)現(xiàn)功能的完整性，以及整體能夠?qū)崿F(xiàn)的功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析。開源SDR系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)LTE協(xié)議的基本功能，這兩種軟件都能夠?yàn)槲覀冞M(jìn)行無線通信相關(guān)的研究提供一個(gè)平臺(tái)，可以基于該平臺(tái)進(jìn)行下一代無線通信技術(shù)的快速驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)。

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