OAI技术发展及其在通信领域的应用

2019-02-13

广东通信技术 2019年11期

1 引言

OAI（Open Air Interface）是由Eurocom组织发起的开源软件项目，提供了世界上首个以软件实现完整的3GPP的协议栈，也是目前最为完善的开源软件定义无线电通信平台。

OAI的实现思想是基于通用处理器的软件无线电技术，通过软件实现PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC各层功能。这一实现思想极大地扩展了通信领域的应用空间，为5G乃至以后的通信系统原型搭建、算法仿真、实现部署和升级迭代，都提供了一种更为灵活高效的方式。因此，研究OAI技术发展，进而探讨其在通信领域的应用具有非常意义。

2 OAI发展情况

OAI发展经历了3个阶段，第1阶段是从2004年到2007年，Eurocom中的移动通信部在wireless3g4free平台上进行了OAI开源平台的研究；第2阶段是从2005年到2008年，在card MIMO基础上，同时进行了硬件、软件的研究，目标主要在于实现LTE；第3阶段是2008年到现在，OAI结合3GPP的协议不断深化代码向更高版本的协议过渡，且OAI系统平台实现了LTE系统中各个模块的实时运行功能。

2014年之后，OAI的发展走上了快车道，在2014年8月发布release0版本，两个月后推出新版本，之后版本更新积极，2019年1月发布了1.0.0版。

2015年3月，在MWC 2015展示；并召开第一次OAI开发者网络会议；之后每年参加MWC及各种峰会、论坛，积极跟进5G的发展：

（1）2015年12月，OAI作为5G实验的组成部分之一写入networld 2020白皮书。

（2）2016年3月，Raymond Knopp在巴黎举行的5G会议上提出了OAI针对5G测试和原型设计的目标；

（3）2017年7月，OAI demo 5G网络切片演示；北京邮电大学在ITU SG13上演示了5G网络分层编排与管理系统；

（4）2018年6月，OAI专题研讨会上中国电信展示了基于通用硬件平台及软件定义空口的5G NR验证平台；

（5）2019年2月，OAI在MWC2019主持小组讨论开源将如何在不断发展的5G生态系统中发挥作用；

（6）2019年 7月，RedHat加入OAI联盟。其VCO3.0项目目标是展示完整的5G、云端原生和边缘；

（7）2019年9月，InterDigital®进一步成为OAI战略成员。在过去两年中，该公司一直是OAI联盟的准成员，并与OAI团队密切合作，研究了多种高端5G主题，如MMW和波束控制。

3 OAI技术架构

3.1 OAI框架

依据3GPP的TS36等系列规范，OAI完整实现了LTE协议的核心网（EPC），基站（eNB）和用户（UE）三部分。

OAI平台架构根据LTE的协议栈实现了2到5层的基本功能，如图1所示。

图1 OAI系统架构

图1左侧是UE，包括物理层（PHY）、媒体接入层（MAC）、无线链路层（RLC）、分组数据汇聚协议层（PDCP）、无线资源控制层（RRC）、非接入层（NAS），UE 侧通过空中接口和 eNB 侧进行上下行数据交互；中间是eNB；右侧是EPC。eNB既要和UE进行交互，也要通过S1AP 接口和核心网如EPC进行通信。

3.2 OAI基本功能

OAI旨在构建开放的基站生态系统，用于灵活和低成本的4G/5G部署和实验。网络侧实现完全基于软件的网络功能，提供灵活的架构、实例化和可重构的网络组件，可使用相同或不同的边缘、核心或云环境；用户端完全基于软件设计，LTE和5G高级功能可软件升级和在线开发。

OAI运行在intel/ARM等通用平台上，可用在丰富的软件开发环境中，支持Aeroflex-Geisler LEON/GRLIB、RTOSleon/grlib、rtos、rtai 及 rt-preempt、linux、gnu、wireshark等监控工具、消息和时间分析器、底层日志系统、流量发生器。它还为协议验证、性能评估提供了工具以及部署前系统测试。

目前OAI平台在不同程度上支持与商用组件的各种灵活配置[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软件架构

对照OAI框架，OAI软件实现3GPP协议栈也包括无线接入网（ENB、GNB和4G、5G UE）以及核心网（EPC和5G-CN）。

OAI源代码分为两个项目，OAI无线接入网（OAIRAN）实现了基站和用户设备，包括4G LTE和5G无线接入网；OAI核心网（OAI-CN）实现4G EPC和5G核心网络。

OAI软件架构包括：

（1）OpenAir0：主要描述硬件模块CardBus MIMO和Express MIMO，以及对应FPGA的固件驱动程序。

（2）OpenAir1：包括物理层各个功能模块，定义相关参数及初始化。主要功能是实现LTE系统基带信号的处理，提供与MAC层之间的接口。此外，OpenAir1还提供与硬件之间的接口，形成一个基于硬件的LTE系统仿真平台。

（3）OpenAir2：包括LTE系统相关协议栈，即MAC层、RLC层、PDCP层及RRC层的具体实现。主要功能是无线接入控制方面的协议内容，包括相关协议流程的实现以及无线资源管理方案的部署。通过与物理层之间的接口，OpenAir1和OpenAir2中的内容组成了一个无线通信系统的基本功能。

（3）OpenAir3：包括了基于IP的网络模块，即全IP蜂窝与IP/MPLS网状网络开发的第三层协议栈，具体有LTE系统中基站eNB、用户终端设备UE的相关内容。此外，OpenAir3为基于OAI平台的网络上层应用提供接口，完善了整个平台。

OpenAir0～3共同组成了OAI平台的软件框架及完整的LTE协议栈，清晰地划分了传输链路、资源管理、网络应用等功能。在硬件的支持下，整个平台可以看作一个真实的无线系统，完成系统开发与技术创新。

另外，还有如下辅助功能模块：

（1）OpenAir-cn：各个接口的功能模块，实现3GPP LTE Rel 9和Rel 10版本的MME、NAS、HSS和eNodeB与MME之间S1接口功能，如S1-AP,S1-U,S6-A,S11等等；

（2）OpenAir ITS：没有外加硬件设备情况下，基站的仿真实现模块。IEEE802.11P协议相关软件模块的实现；

（3）Common：OAI的工具和插件等；

（4）Cmake_targets:提供了编译环境，在该文件下生成各个编译后的模块，然后调用仿真运行，编译后的生成文件自动在该文件下生成；

（5）Svn2git:软件版本。

OAI的软件包还在更新中，针对通信的发展特别是5G的发展进行不断的优化和代码贡献。

4 OAI通信功能实现

目前，OAI平台包括用于RAN（OpenAirInterface5G）和EPC（OpenAirCN）的3GPP LTE协议栈的完整软件实现，如图2所示。

图2 OAI通信功能拆分

RCC(Radio Cloud Center，无线云中心)和RRU(Remote Radio Unit，无线远端单元)之间通过RAU（Radio-Access Unit，无线接入单元）连接。用户面/控制面数据用实线表示，配置数据用虚线表示。其中，IF1接口由3GPP Release 15中的F1定义实现，IF4.5/IF5类比IEEE P1914.1实现，FAPI参考小基站论坛Small Cell Forum (open-nFAPI)实现。

4.1 通信信道仿真

OAI仿真主要是物理层各个信道的仿真以及系统级仿真。物理信道，包括PDSCH、PDCCH、PBCH、PRACH、PUSCH、PUCCH等信道的仿真；系统级别，OAI的oaisim提供了包含了LTE整个协议栈的仿真。

DLSIM是OAI的一个物理下行链路仿真平台。DLSIM仿真平台支持FDD和TDD两种模式，支持1.25 M，5 M，10 M和20 M四种带宽，包含了PDSCH、PCFICH、PDCCH等信道仿真，PCFICH用来指示PDCCH所占用的OFDM符号数，PDCCH用来传输DCI信息，PDSCH用来传输业务数据，RS用于信道估计。DLSIM还在时频资源上为PBCH、PSS、SSS、RS分配了时频资源，但未产生相应的数据。

DLSIM仿真平台首先初始化配置LTE参数，生成业务数据。接着处理DCI信息，先为PCFICH、PDCCH信道分配时频资源，再处理PDSCH信息，加入导频后送入OFDM调制器。在接收端，首先进行FFT和信道估计，信道均衡后再解调解码PDCCH信息，根据解出来的PDCCH信息再去解调解码PDSCH信息。

4.2 通信建立流程

（1）基于OAI的LTE通信建立过程为：

（2）启动EPC/HSS等；

（3）启动eNB，由eNB进行MIB主信息块广播；

（4）启动UE，进行小区搜索，获取小区号和CP长度等，完成定时和频率同步；

（5）UE接收广播信息，进行随机接入，完成初始注册，确定收发功率、随机序列等；

（6）UE收到eNB随机接入响应，并向eNB申请建立RRC连接；

（7）UE完成EPC附着请求流程，并完成UE与EPC之间的相互鉴权。此时MME需要从HSS获取鉴权向量信息；

（8）UE最终完成RRC连接建立，可与eNB进行正常的双向通信。

4.3 基于OAI实现的通信实例

OAI软件平台目前可以与标准的射频实验室设备即Ettus/NI USRP结合使用。

如下是一个在没有S1接口的情况下利用OAI进行eNB和UE连接的实例[2]。OAI eNB和OAI UE分别用两台ubuntu机器，射频部分均采用USRP b210。

硬件设置图3所示，UE和eNB之间的衰减可在40～60 dB之间进行调整；

图3 OAI eNB 和 OAI UE间通信的硬件设置

分别在两台机器上安装运行OAI eNB和OAI UE。使用隧道接口运行，这是目前首选的安全有效的方法。在运行OAI UE之前，应首先运行OAI eNB。OAI eNB和OAI UE都在LTE FDD频带7（dl:2680 MHzz，ul:2560 MHz）上运行；

在第一台ubuntu机器上启动eNB，加载nasmesh内核模块并设置OAI接口，加载nasmesh.ko以设置无线承载，并在eNB和连接的UE之间提供ip连接。通过使用pipes tee enb.log运行eNB，并记录eNB日志。通过使用--nokrnmod 0选项来强制使用NASMESH内核模块，得到类似图4中所示的波形：

5.2 异构5G网络

5.2.1 小扇区

下一代5G无线网络将运行对数据速率要求很高的应用，解决方案之一是通过小扇区来实现网络的加密。宏站、微站、皮站和飞站等基站类型的并行操作被称为异构网络，这种密集化可以提高频谱效率，同时也可以降低移动设备与附近皮站的通信功耗。然而这种解决方案需要在硬件小型化方面进行创新，OAI开源软件设计思路提供了这种可能，在越来越mini化的通用射频硬件的基础上进行软件仿真和软件迭加。

5.2.2 新型载波

最近，学术界和工业界都在推动通过拆分控制和数据平面来增强扇区，其主要思想是控制平面提供连接性和移动性，而用户平面提供数据传输。这导致用户设备UE可能连接到多个基站。在3GPP（Rel 8-10）中，这种新载波类型的定义提高了频谱效率，因为数据传输是由小基站处理的。网络基础设施的能效也有显著提高，因为在轻载情况下，可以关闭小基站。OAI提供了定义和测试新型载波的途径，目前OAI 1b项目正在致力于载波聚合等方面的研究。

5.2.3 LTE/WiFi共存

5G无线网络设计将看到LTE/WIFI网络之间的大量融合。业界已经开始推动在未经许可频段运营LTE以疏导流量的探索，然而由于目前WIFI部署的监管问题和过于拥挤的问题，这种疏导有可能给最终用户带来QoS问题。IEEE 802.11工作组发起了一个关于高效WLAN（HEW：High Efficiency WLANs）的研究小组，以解决接入点和终端的加密问题。利用OAI可以进行频段的仿真和测试。

5.2.4 D2D通信

设备到设备（D2D：Device to Device）通信是一种终端通过自动发现自身并在没有基站的情况下彼此交互的方法。从功率控制的角度来看，这种方法是高效的，并且还可以减少无许可频带中的干扰。D2D在存在大量彼此紧密操作的设备的通信场景中特别有用，可以与基站协调相结合，在能量效率和频谱效率方面给现有的蜂窝体系结构带来显著的优势。D2D通信实验和测试可以由OAI仿真功能实现。

5.3 大规模网络仿真

5G对原型设计方法提出了复杂的挑战，因为对数据速率和蜂窝堆栈的总体延迟都有严格的要求，未来的原型平台还需要一个软件框架来验证仿真和模拟中的堆栈。OAI仿真平台提供了这种可能。OAI平台可在实际网络环境中模拟无线接入的行为，同时遵守空中接口的时间帧参数[3]。OAI平台可以使用完整物理层运行，也可以抽象运行，每个节点都有自己的IP接口，可以连接到实际应用程序或流量生成器。OAI平台以在受控实验室环境中进行大规模可重复实验为目标，具有各种真实的测试用例，可用于集成、性能评估和测试。