基于OAI系统的软基站相关技术研究

孙吉刚，何电明

（广东工业大学 广东省物联网信息技术重点实验室，广东 广州 51006）

基于OAI系统的软基站相关技术研究

孙吉刚，何电明

（广东工业大学 广东省物联网信息技术重点实验室，广东 广州 51006）

基于大型基站通信设备体积大而笨重、硬件改造困难，容易给工作带来问题。文章结合OAI开源系统和通用软件无线电设备，在计算机上建立了4G-LTE软基站（eNB）、软终端（UE）以及在空中接口的eNB和UE上下行链路系统，用Iperf测试软基站稳定性和空中接口的传输速率，并对测试结果进行重点分析。文章为研究LTE软基站和其他相关技术以搭建了一个简便快速的平台，具有很强的灵活参数配置性，该结论将为研究软件无线电LTE的软基站的研究者提供参考。

OAI；软基站；软终端；稳定性；传输速率

如今是移动通信产业飞速发展的时代，随着近几年4G移动技术的在世界范围内的成功运行，第三代合作伙伴项目3GPP制定了长期演进技术（LTE）和LTE-A标准协议之后，世界各国的大公司、运营商、研究组织便又纷纷投入到4G-LTE的研究中。

无线通信技术每一次革新都增强了系统的复杂性，这为移动通信运营商硬件设施的更新换代带来了诸多不便和极大的资金投入，而且世界范围内户外各种宏基站与日俱增，也造成了一定的土地资源浪费。于是无线通信工作者考虑到将软件无线电技术应用到移动通信领域，以此来减轻研究投入的资金压力和加速对通信技术的研究步伐。2008年基于GSM协议栈的Open BTS开源软件的出现给研究者带来了新的研究方向，Open BTS是一个基于软件的GSM接入点，实现了低三层标准的协议栈，在2008年8月的火人节上，做了为期一周的现场测试，Open BTS成功地将测试现场的120个手机同北美洲的95个移动运营商号码实现了连接，这些都引发了无线通信研究者对软件无线电技术的兴趣。

2013年法国的EURECOM组织开发出了针对无线通信信号处理的软件开源平台OAI（Open Air Interface）。利用该平台和软件无线电设备USRP-B210可以建立实时的软基站和软终端平台。截至目前，还没有相关的文献在LTE空中接口下实现eNB和UE稳定性和传输速率测试。

1　USRP硬件平台

本次eNB和UE连接仿真实验采用了美国Ettus公司的USRP-210产品，USRP-B210提供了一个完全集成的单开发板平台，其包括一个发射通道和一个接收通道。USRP-B210采用新的模拟射频集成芯片来实现一个高性价比的实验平台，通过采用USB3.0芯片组，其能够实现高达56MHz的瞬时带宽。该平台能覆盖频率70MHz-6GHz.涵盖了LTE系统所有的频段，这为在任意频段上的仿真测试带来了极大方便。该硬件平台支持全双工TDD/FDD，还支持多天线2x2mMIMO。Ettus还提供开源驱动UHD，该驱动实现了PC 对USRP-B210的控制。USRP-B210硬件平台的收发端口型号是TX/RX，RX其中的TX/RX端口同时实现了收发，这样就导致了严重的TX/RX端口自发自收的信号能量泄露问题，为后期eNB，UE连接带来极大的干扰。为了解决这个问题，文章采取了在USRPB210射频板上手动焊接了一个双工器，将TX/RX实现端口分离。采取SRP902R947N10N25FAS介质双工器，覆盖天线频段。

2　OAI软件平台

OAI是世界上第一个以软件方式实现完整3GPP的协议栈，实现了LTE的PHY，MAC，RLC，PDCP，RRC各层功能。该软件系统由openair-cn，OpenAirInterface，xtablesaddons-oai 3部分组成，其中以openair-cn，OpenAirInterface为核心。Openai-cn包括MME，HSS，S-GW，P-GW.该部分是用来实现核心网（EPC）功能，OpenAirInterface包含7个不同部分，系统文件功能介绍如图1所示。

图1　OAI各系统功能介绍

3　随机接入过程

在随即接入过程之前UE做了一系列工作：搜素eNB频段，时频同步，解码小区的系统信息（MIB），小区选择。在选择合适的小区后，UE驻留在该小区发起随机接入过程接入LTE网络。随机接入过程分为两种接入方式：基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入过程。本文UE接入eNB过程是基于竞争的随即接入过程，在以下情况下UE基于竞争随机接入eNB：

（1）UE初始接入时候建立无线连接；（2）RRC连接重建过程；（3）UE在不同小区间切换；（4）在RRC_ CONNECTED态下，下行数据到达时，上行处于不同步状态；（5）在RRC_CONNECTED态下，上行数据到达时上行处于不同步或者没有可用的PUCCH资源用于SR传输。

基于竞争随机接入过程如图2所示，实现步骤如下所述：

（1）UE发送随机接入前导信号给eNB。告诉eNB有一个随机接入请求，同时使得eNB能估计其与UE之间的传输时延并以此校准uplink timing；（2）eNB发送随机接入响应（RAR）给UE。当eNB检测到UE上发的前导序列，则在DLSCH上发送一个响应，包含：该序列索引号，时间调整信息，资源调度信息，临时C-RNTI；（3）Msg3。eNB接收UE上发的Msg3，让UE成功接入，UE则获得上行同步并在公共控制信道上发送RRC连接请求等基本信息，但是要能够实现上行数据传输，则必须获得唯一的C-RNTI；（4）竞争解决。UE接收到eNB返回的竞争解决消息，并且其中携带的UE ID与自己在Msg3中上报给eNB的相符，那么UE就认为自己随机接入成功，将RAR消息中得到的临时的C-RNTI置为自己的C-RNTI。否则，UE就认为此次接入失败，按上面的步骤再次进行随机接入的重传过程。

图2　基于竞争的随机接入过程

4　软基站和软终端连接试验

该连接试验在两台电脑上分别建立eNB与UE，不接入S1接口与核心网EPC，主要过程如下：

在两台装有Ubuntu系统的PC机上分别搭建eNB和UE系统平台。

（1）分别运行eNB和UE。（2）当UE连上eNB时，做PING和文件传输测试。

4.1软基站和软终端系统平台

在两台PC机上分别下载OAI开源代码，在cmake_ targets文件下编译安装eNB和UE，

eNB系统平台搭建shell终端命令如下：

cd～/oai7763/camke_targets

sudo ./build_oai -I

sudo ./build_oai -x -w USRP -eNB --noS1

执行命令后会在targets根目录下生成lte-softmodemnos1.Rel10可执行文件。

UE系统平台搭建shell终端命令如下：

cd～/oai7763/camke_targets

sudo ./build_oai -I

sudo ./build_oai -x -w USRP -UE --noS1

执行命令后会在targets根目录下生成lte-softmodemnos1.Rel10可执行文件。

4.2运行软基站

在shell终端执行命令：sudo ./targets/bin/lte-softmodemnos1.Rel10 -d-O ./target/bin/enb.band5.tm1.usrpb210.conf 2＞＆1 | tee ENB.log，“-d”参数意义是加载软示波器，参数O读取配置文件，配置文件可根据选用的射频天线频段修改相应的中心频点及带宽，还有收发接收增益，收发接收天线数量等参数。“2＞＆1 | tee ENB.log”参数是将eNB的输出通过管道流在当前目录下生成eNB.log日记文件，方便查看记录。当成功执行命令后会生成如图3所示的NB软示波器界面。

图3　eNB系统平台示波器

图3中各参数说明：

Channel Tmpulse response：表示一有UE终端接进来的时候，就会出现脉冲波形，eNB和UE连接成功后，该波形呈平滑状。

Channel frequency response ：表示信道的频率响应，是反映信道质量情况的一个参数指标，作为后期的eNB的调度依据之一。

PUSCH log-likelihood ratios（LLR，mag）：为PUSCH（物理上行共享信道）的解调提供一种概率依据，LLR的结果是概率数，大于0，解调时候就判断为bit为二进制1，小于0，解调时候就判断bit为二进制0。

PUSCH I/Q：表示PUSCH信道的星座图，依据不同的调制的方式（BPSK，QPSK，16QAM，64QAM），可以显示出不同的星座图。

PUSCH throughput表示PUSCH信道的数据传输的吞吐量。

4.3运行软终端

在shell终端运行Sudo./target/bin/lte-softmodemnos1.Rel10-U-C 947000000-r 25--us-scan-carrier --uetxgain100--ue-rxgain 110--ue-max-power60 2＞＆1|tee UE.log，该命令表示UE在频段947000000Hz上去随机接入eNB，UE成功随机接入eNB后，示波器如图4所示。其中-U是让可执行文件lte-softmodem-nos1.Rel10来执行UE的功能；

图4　UE成功随机接入eNB示波器

-C947000000是空中接口的工作频段。

-r25是给空中接口分配5M带宽，修改该参数可以分配其他带宽。

--ue-scan-carrier是UE来扫描基站频段，从而进行接入。

--ue-txgain 100是UE的发射增益，本系统设置为100。

--ue-rxgain 110是UE的接收增益，本系统设置为110。

-ue-max-power 70将ue的发射功率设置为70，该70是通过计算所得。

max_ue_power = PDSCH_EPRE+10*log10（12*N_ PRB）.其中的N_PRB就是分配给系统的RB个数PDSCH_ EPRE，是PDSCH信道的每个RE的功率。

PDSCH信道功率计算：EPRE=P_B/P_A*EPRE，该EPRE是参考信号的功率，参考信号的功率在eNB配置文件里面有说明∶P_B/P_A是比值可以取1，4/5，3/5，2/5反映了参考信号功率和邻近RE功率的相对大小，选取该值的原则是：尽量让比值小，使得参考信号功率大于邻近的RE功率，这样更有利于RE的解调。

在UE成功接入eNB后，eNB侧的示波器图发生变化如图5所示。

图5　eNB成功连接上UE

综观以上eNB侧和UE侧结果图以及各个参数，得出eNB 和UE成功连接上，建立了一套基于空中接口的LTE系统网络，二者接下来可以进行相关的稳定性和传输速率测试。

5　软基站的稳定性和空中接口传输速率测试

本系统是在单发单收模式和基于5Mbit/s带宽下利用iperf来测试，iperf 是一个网络性能测试工具。iperf可以测试最大TCP和UDP带宽性能。Iperf具有多种参数和UDP特性，可以根据需要调整。Iperf可以报告带宽、延迟抖动和数据包丢失。

给定1M的测试包大小，下行传输速率最高可以达到3.432Mbit/s，上行最高可达1.675Mbit/s。得出软基站稳定性尚可，不容易垮掉而停止工作，但是传输速率较低。原因在于通用软件无线电设备USRP-B210的RX/TX端口做的不好，信号在端口泄露较多；物理下行控制信道PDCCH占用了3个symbol符号，减少了用于传输数据业务的符号数目，物理层用的是QPSK的2阶调制，若利用64QAM调制方式，理论上在相同的带宽下传输速率会提高4倍。

6　结语

利用以上无线电USRP-B210和OAI软件搭建单基站单终端的LTE系统，在FDD格式下，基于空中接口5M带宽，在上行902M下行947M频段经过多次测试传输速率，得到上行峰值速率为1.675Mbit/s，下行峰值速率为3.432Mbit/s。eNB和UE成功连接持续时间可以达3个小时，稳定性尚可。本文针对在空中接口上软基站相关研究初步验证和实现了4G-LTE相关通信技术，为以后的研究者追求更高的4G-LTE空中接口传输速率和稳定性提供了一些参考。

［1］郭芳华.软件无线电技术综述［J］.现代电子技术，2003（21）：67-73.

［2］WESTWOOD S.“The State of LTE”［J］.OpenSignal Global State of LTE Report，2015（3）：5-6.

［3］ERIK D，STEFAN P，JOHAN S，et al.3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband（Second Edition）［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［4］吴彤，张玉艳，赵慧，等.基于开源SDR实现LTE系统对比［J］.电信工程技术与标准化，2015（7）：81-86.

［5］Eurecom OpenAirinterface.［EB/OL］（2015-07-11）［2016-06-04］.https：//gitlab.eurecom.fr/oai/openairinterface5g/wikis.

［6］赵训威.3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

Signal（Time-Domain）：表示基站的信号强弱。

Research on the Technology of Soft Base Station Based on OAI System

Sun Jigang，He Dianming
（Guangdong University of Technology， Guangdong Key Laboratory of Internet of Things Information Technology， Guangzhou 510006， China）

Large base station communication equipment is bulky and bulky， hardware transformation is difficult， it is easy to bring problems to work. This paper combines OAI open source system and the universal software radio equipment in the computer to establish the 4G-LTE soft base station（eNB）and soft terminal（UE）， established in the air interface of the eNB and UE Downlink Systems with Iperf soft base station air interface transmission rate， and the test results were the focus of the work of LTE base stations and other related technologies to build a simple and rapid platform， has the very strong flexible parameter configuration， the conclusion for the study of software radio LTE base station to provide reference.

OAI； soft base station； soft-terminal； stability； transmission speed

孙吉刚（1990-），男，湖北荆州。