基于OpenLTE的LTE系统的研究与实现

张向裕，甘显豪

（广东工业大学 自动化学院，广东省物联网信息技术重点实验室，广东　广州 510006）

基于OpenLTE的LTE系统的研究与实现

张向裕，甘显豪

（广东工业大学 自动化学院，广东省物联网信息技术重点实验室，广东广州 510006）

文章首先介绍了开源软件无线电系统OpenLTE。重点分析OpenLTE的软硬件平台，详细分析OpenLTE的系统框架，对整套系统的各个功能模块进行了介绍。最后经过调试在通用软件无线电平台上成功运行，验证OpenLTE实现LTE系统的可行性，能够为研究 LTE 和相关科研教学工作人员提供一个更加符合真实应用场景的实验验证平台。

LTE；软件无线电；OpenLTE；通用软件；无线电硬件平台

1　概述

移动通信网络技术从2G到3G，再从3G演进到4G网络速率有了巨大的飞跃，给用户的体验也有了很大的提升，人们也越来越依赖通过移动通信网接入互联网。但是相对于需求而言，移动通信网的承载力是远远不够的，特别是对于我国这样人口密集的国家，现有的无线网络为每个用户提供的服务资源有限，具体表现为网络不稳定、网速慢。这要求运营商用于建设、运维和无线网络升级的投资不断增加以提升网络的服务能力。但是移动运营商的收入却增长缓慢，一方面是资费下调以及运营商之间的竞争造成运营商从每个用户获得的收益减少，另一方面偏远山区和人烟稀少的地区部署昂贵的基站设备，进一步增加运营商的运营成本。为了保证盈利增长，运营商需要一种低成本的解决方案。软件定义无线电（Software Define Radio，SDR）刚好可以作为一种低成本的替代和补充方案，SDR可将基站信号处理功能尽量通过软件来实现，使用通用硬件平台可快速地实现信号的调制解调，编码运算，SDR为现有通信系统建设提供了全新思路，给技术研究开发降低了成本、并提供了更快的实现方式。

Open LTE是在Linux系统下的使用GNU Radio软件开发包实现的3GPP通信协议的一个开源项目，主要实现一个简单的4G基站的功能。本文详细介绍了OpenLTE00.20.00版本。主要从软件实现整体架构，物理层（Physical Layer，PHY）、介质访问控制（Media Access Control，MAC）、无线链路控制协议（Radio Link Control，RLC）、分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）、无线资源控制协议（Radio Resource Control，RRC）等各层功能实现进行介绍。使得无线技术研究人员对OpenLTE有一个直观的认识。

2　硬件平台

整套系统的硬件平台包含两部分：一台较高配置的个人计算机和低成本通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）。USRP被设计用来处理波形相关的任务，在个人PC上进行所有的计算后将调制编码数字信息传给USRP处理生成无线电波形信号发射出去，同样USRP接受无线电信号并转化为数字信号交给计算机上的程序处理。

本系统采用Ettus公司的 B210型号产品，B210的主要性能参数如表1所示。

表1　B210主要性能

USRP B210是一个完全集成的单板，从主要性能上看完全满足LTE系统的要求，频谱能够覆盖LTE的所有频段，并且提供在单通道半双工情况下56Msps，在全双工工作方式下36Msps的实时带宽。该款设备支持全双工FDD/TDD，同时还支持 2×2 MIMO，通过开源驱动UHD实现了PC对USRP的控制。

3　软件平台

3.1OpenLTE整体架构

OpenLTE系统基于GNURadio开发模块化思想来实现LTE协议的各个层次，主要包括RRC，PDCP，RLC，MAC，PHY等模块。图1描述了LTE协议不同层次的结构、主要功能以及各层之间的交互流程。

如图1所示，来自核心网的IP数据包要通过基站侧的多个协议层处理之后才会通过射频前端将信号发射出去。

分组数据合并协议（PDCP）层：负责对IP数据包进行压缩尽可能地减少在无线链路上面传输的比特数，头压缩机制基于稳健头标压缩（ROHC）算法，一种标准的头压缩算法，也用于其他的移动通信系统。PDCP还负责进行数据加密和数据一致性保护工作，增加携带有移动终端解密信息的PDCP头。

无线链路控制（RLC）层：负责对上层的PDCP数据包进行分割级联以及重传控制和按序发送。

媒体接入控制（MAC）层：负责控制HARQ重传以及上下行链路的调度。

物理层（PHY）层：负责编解码、调制、解调和多天线映射工作。

OpenLTE把上述的各个模块都通过软件实现。最后将基带信号通过USB接口传送到USRP，USRP进行采样和上下变频将数字信号转化为电磁波发射出去。

3.2物理层

OpenLTE的物理层协议实现了LTE Release 8标准协议。支持所有的物理信道，发送模式只支持单发多收，不支持多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）。不支持多媒体广播（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS），PDCCH物理层控制信道格式支持DCI1，1A，1B，1D，2，3和0，并不支持1D和2A和MIMO PDSCH分配有关的格式。支持动态大小的TTI，turbo编码，用速率匹配控制码率实现了控制传输块大小自适应传输，然后依次经过比特交织、数据调制、天线映射和资源映射完成了物理层的功能。物理层功能比较完善。表2详细列出了物理层功能。

表2　物理层

代码当中LTE_fdd_enb_phy是整个物理层的实体对象，Start函数中会处理上层Mac层数据，也会向MAC传递成功解码的信息。radio_interface函数会分别启动一个上行和下行进程进行实际的数据收发工作。

3.3MAC调度层

LTE无线接入的基本原理之一是共享信道传输，无线资源以时分，频分，空分的方式进行复用，控制上行资源和下行资源的分配是一项很重要的工作。其中基站每1ms内制定调度决策并向终端发送调度信息。调度策略的首要原则就是尽可能地提高信道的利用率，在用户信道最好的时候进行资源分配。协议没有具体定义调度算法，各个设备厂商有不同的算法，常见得有比例公平，最优调度等。

OpenLTE采用比较简单实现的轮询调度算法。程序运行过程中为维护一个优先级队列，把待发送的PDU数据包都放入这个队列当中，每次对队列的第一项进行处理。然后根据PDSCH上面传输的QCI信息计算MCS以及TBS。OpenLTE对MAC层的处理有不完善的地方，以至于影响程序的健壮性。OpenLTE对MAC层以上的功能都已经完整实现。

3.4OpenLTE代码

首先是Interface层这是程序提供给外部的接口，用来处理外部控制命令和配置信息。通过这个接口启动和关闭eNB，输入相应的配置信息例如频带，系统带宽等，以及添加用户等工作。MsgQ层提供消息的封装，对各个协议层的传输的数据进行接收，封装和发送。无线资源承载层（RB）层，无限承载是LTE的无线逻辑资源集合体，分为信令承载SRB和数据承载DRB。RB完成了到逻辑信道的映射，MAC层以逻辑信道的方式为上层提供服务。每个RB中会为每个协子层定义一个消息队列，例如RRC，PDCP，RLC，MAC。当收到RB时RB实体会将它放到对应实体的消息队列进行处理。Radio层负责无线电设备的控制工作，配置USRP的参数驱动USRP正常工作，属于物理层更底下的一层，Radio的Start函数创建线程来处理数据帧收发。

4　软件运行测试

在l i n u x发行版上面使用正确的命令编译安装OpenLTE，编译完成在shell终端上输入运行sudo./LTE_ fdd_enodeb，然后另开新的终端运行telnet 127.0.0.1 30000，在这个运行终端下面输入配置信息，添加用户。然后输入start命令启动一个eNB，然后手机终端就可以进行网络搜索和接入操作。还可以另开一个终端输入telnet 127.0.0.1 30001观察调试信息。OpenLTE的数据业务显示界面还不完善，图2显示的是接入之后MME显示的信息。

图2　用户接入OpenLTE网络

手机终端进行搜索网络并接入之前还需要插入一张测试用的USIM卡，因为USIM卡会对基站的合法性进行鉴别，手机终端使用运营商发行的卡会造成无法搜索到OpenLTE网络和无法通过UE侧的鉴权的结果。需要专门的工具往测试卡当中写入测试信息。

OpenLTE只实现了下行同步，整套系统还不稳定，需要进一步完善和优化。

5　结语

本文从硬件和软件两个方面详细分析了开源LTE项目OpenLTE。梳理了系统的整体架构，实现LTE各层功能的完整性，代码的各个实体层功能。最后在通用软件无线电平台上运行。

OpenLTE是一个优秀的开源LTE项目，能够实现LTE协议的基本功能，代码结构清晰易读，短小和高度优化，比较容易学习。但是提供的调试工具较少，系统错误输出信息不全面，难以成功运行整套系统。OpenLTE还需要进一步完善功能，特别是数据业务处理方面，以及进一步提高稳定性。该项目可以为进行无线通信相关的研究人员提供一个低成本易搭建的实验验证平台。

［1］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.

［2］ERIK D.3G演进：HSPA与LTE［M］.北京：人民邮电出版社，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

张向裕（1992— ），男，江西赣州，硕士研究生；研究方向：智能电网与无线通信。