LTE-Advanced空口監測儀表系統設計

付沛可，張治中，賀 姿

(1.重慶郵電大學通信網與測試技術重點實驗室，重慶400065;2.民航東北地區空中交通管理局技術保障中心，遼寧沈陽100169)

隨著通信網絡技術的發展與融合，無線寬帶移動通信成為可能，在任何時間、任何地點、與任何人、以任何方式進行信息交換，成為人類通信的最終訴求，長期演進(Long Term Evolution，LTE)應運而生了。作為全新的移動通信技術，LTE的網絡架構［1］發生了較大變化，其扁平化結構導致傳統的信令采集點消失了，需從Uu口(UE與UTRAN通信的空中接口)采集空口信令。結合核心網的信令分析系統，實現LTE端到端的空口信令分析，研發新型LTE網絡監測和分析儀表，是當前LTE測試儀表研發的難點，也是運營商的迫切需求。

1 系統總體設計

LTE-Advanced(LTE的演進技術)空口端到端分布式監測儀表，支持3GPP規定的全部TD-LTE和LTE FDD頻段，支持射頻全部帶寬設置，支持 PHY，MAC，RLC，PDCP，RRC 和NAS控制面協議棧，及 PHY，MAC，RLC，PDCP，IP，應用用戶面協議棧監測和跨層多段多協議關聯分析，并支持LTE-Advanced的增強特性，以監測多用戶的業務建立、信令過程和數據流量，分析用戶業務行為及網絡問題。

1．1 物理架構

LTE-Advanced空口協議監測儀表采用MAC層聚合的設計方式。多張L1層的“射頻和基帶板卡”通過PCIE 2.0 X1接口與L2、L3層的“協議板板卡”相連接;“協議板板卡”通過PCIE 2.0 X2接口與“核心板板卡”相連接;便攜式計算機或平板PC通過有線或者無線網絡的方式訪問LTE-Advanced空口協議監測儀表。LTE-Advanced空口監測儀表具體物理 架構如圖1所示［2］。

圖1 LTE-Advanced空口協議監測儀表物理架構

圖1 所示的儀表結構主要由5個部分組成，板卡功能介紹如下:

1)射頻和基帶板板卡:采集射頻數據，將射頻的原始數據(IQ數據)恢復成比特流數據;通過NGFF接口存儲原始數據;將比特流數據封裝成PCIE 2.0協議幀;通過PCIE 2.0 X1接口將PCIE 2.0協議幀發送到“協議板板卡”進行處理。

2)協議板板卡:對 LTE-Advanced的 MAC層、RLC層、PDCP層進行協議關聯和分析處理。

3)核心板板卡:系統的中央處理器，實現RRC層、NAS層等控制面的協議分析，實時跟蹤監測多用戶的業務建立、信令過程和數據流量，分析用戶業務行為以及網絡問題。

4)便攜式計算機或平板PC:人機交換平臺，通過Web等形式向用戶展示分析、處理后的數據。

5)機箱背板:對PCIE 2.0接口進行關聯，進行數據信息的傳遞。

物理層面，儀表接收和處理數據信息的步驟有如下4步，主要結合硬件結構進行說明:

步驟1，“射頻和基帶板卡”將天線接收的射頻原始數據恢復成比特流數據，并將比特流數據封裝成PCIE 2.0協議幀，送往機箱背板;

步驟2，“協議板板卡”接收“機箱背板”傳送來的PCIE 2.0協議幀，對PCIE 2.0協議幀進行解幀處理，并依據LTEAdvanced的協議棧體系結構形式，實現MAC層的載波調度、解復用，實現RLC層進行級聯、ARQ處理和PDCP層的解密、頭解壓處理，將LTE-Advanced的比特流數據恢復成TCP/IP數據包，同時，將TCP/IP數據包封裝成PCIE 2.0協議幀并送往“核心板板卡”;

步驟3，“核心板板卡”接收“機箱背板”傳送來的經過“協議板板卡”處理的PCIE 2.0協議幀，并對PCIE 2.0協議幀進行解幀處理，恢復成TCP/IP數據包，實時跟蹤監測多用戶的業務建立、信令過程和數據流量，分析用戶業務行為以及網絡問題;

步驟4，便攜式計算機或平板PC通過有線或無線網絡訪問LTE-Advanced空口協議監測儀表，以網頁等形式，向用戶展示分析、處理的數據。

1．2 邏輯架構

LTE-Advanced空口監測儀表的邏輯功能如圖2所示［3］。PHY層對應物理架構中的“射頻和基帶板卡”的功能;MAC層、RLC層和PDCP層對應物理架構中的“協議板板卡”功能;IP分組包對應物理架構中的“核心板板卡”功能。

圖2 LTE-Advanced空口協議監測儀表邏輯架構(下行鏈路)

由邏輯架構圖可知空口協議棧主要由4層協議組成，由上到下每一層的功能如下:

1)分組數據匯聚協議PDCP層［4］進行IP包頭解壓縮;IP包頭解壓縮機制采用穩健的頭解壓縮算法(ROHC);PDCP還負責控制平面的解密、傳輸數據的完整性保護，以及針對切換的按順序發送和復本刪除。

2)無線鏈路控制RLC層［5］負責分割/級聯、重傳控制、重復檢測和序列傳送到更上層;RLC以無線承載的形式向PDCP提供服務。

3)媒體接入控制MAC層［6］控制邏輯信道的解復用、混合ARQ重傳(HARQ)下行鏈路的調度;HARQ協議部分位于MAC協議的發射和接收結束;MAC以控制信道的形式為RLC提供服務。

4)物理PHY層管理解碼、解調、多天線和資源映射以及其他典型的物理層功能，物理層以傳輸信道的形式為MAC層提供服務。

邏輯層面，協議棧解析數據包的過程有以下4個步驟:

步驟1，LTE-Advanced空口協議監測儀從多個載波分量上接收射頻端傳輸過來的IQ數據;進行多天線和資源映射的MIMO解碼、數據解調和信道解碼等操作;將空口原始數據恢復成比特流數據，并傳送至MAC層。

步驟2，MAC層接收多個載波分量的比特流數據［7］，根據PSS(主同步信號)和SSS(輔同步信號)相關的內容，對載波分量的比特流數據進行解復用操作，剝離MAC首部;將MAC PDU(協議數據單元)恢復成一個個MAC SDU(服務數據單元)，并傳輸至RLC層。

步驟3，RLC層對MAC傳送過來的RLC PDU進行RLC首部剝離操作，通過級聯，形成適當大小的RLC SDU，并傳輸至PDCP層;RLC層還控制錯誤接收的RLC PDU的重傳，去除重復的RLC PDU。

步驟4，PDCP層接收RLC層傳輸來的PDCP PDU數據，剝離PDCP首部，將PDCP PDU恢復成合適的PDCP SDU數據;并對PDCP SDU進行解密和頭解壓操作，恢復成IP數據包，以供上層應用軟件分析和處理。

由于LTE-Advanced空口協議監測儀表主要在于實時跟蹤監測多用戶的業務建立、信令過程、數據流量、分析用戶業務行為和網絡問題，不需要主動發包測試LTE網絡的性能，因此諸如HARQ等相關內容可以不考慮。

2 射頻和基帶板卡設計

2．1 FPGA硬件設計

該設計為片上系統SOPC方案，通過在ZC7030/ZC7045內嵌的雙核ARM上搭載嵌入式Linux操作系統來配置AD936X芯片、FPGA的邏輯，通過USB/串口來調試系統，并通過嵌入式Linux操作系統的根文件系統(如xfs、ext4等)來管理IQ數據存儲。

LTE空口數據通過AD936X芯片［8］轉換為IQ數據。IQ數據通過LVDS接口傳遞到FPGA芯片上。FPGA將IQ數據復制成2份，一份傳遞到基帶邏輯中進行處理，恢復成比特流數據，并通過PCIE 2.0模塊傳遞到上層板卡(如圖1中的協議板板卡);另一份傳遞到FPGA的存儲控制模塊，通過NGFF接口在SSD中存儲不少于10 min的IQ數據［9］。

FPGA硬件設計方案如圖3所示。

圖3 射頻+基帶板卡的FPGA硬件設計方案

在本方案中，AD936X為射頻芯片，ZC7030/ZC7045為FPGA芯片;DDR3、FLASH、USB/串口是FPGA的外圍芯片，與FPGA一起構成片上系統(SOPC)。射頻芯片與FPGA芯片之間通過LVDS接口來傳遞IQ數據;FPGA與固態硬盤通過NGFF接口來存儲IQ數據;FPGA通過PCIE 2.0 X1接口與上層板卡傳遞比特流數據，并PCIE 2.0 X1接口來接收用戶層的控制命令。

2．2 FPGA邏輯設計

圖4為LTE上行基帶通道［10］的FPGA邏輯設計方案，主要由LTE隨機接入探測器(LTE RACH Detector)、LTE上行控制信道接收機(LTE PUCCH Receiver)和LTE信道解碼模塊構成。

圖4 基于FPGA的基帶邏輯設計方案(上行部分)

LTE上行控制信道接收機包含PUCCH信道估算(PUCCH Channel Estimator)、PUCCH解調器(PUCCH Demodulator)、PUCCH探測與格式化(PUCCH Detector＆Formatter)和速度匹配譯碼器(RM Decoder)等功能模塊。

LTE信道解碼模塊包含速率匹配譯碼(RM Decoder)、維特比譯碼(Viterbi Decoder)、速率重匹配(Rate Dematch)、解復用(Demultiplexing)、合并分片(De-segmentation)、混合自動重傳請求聯合(HARQ Combine)、Turbo譯碼(Turbo Decoder)、循環校驗及重組(CRC and Reassembly)等功能模塊。

同時，LTE上行基帶通道設計方案還包含正交幅度解調(QAM Demodulation)、離散傅里葉變換(DFT)、LTE多進多出譯碼(LTE MIMO Decoder)、快速傅里葉變換(FFT)和混合自動重傳請求緩沖區(HARQ Buffer)等功能模塊。

LTE隨機接入探測器(LTE RACH Detector)主要完成以下2個功能:一是尋找并獲得與網絡中一個小區的同步;二是對信息(小區系統信息)進行接收并解碼，以便可以在小區內進行通信和正常操作。

LTE上行控制信道接收機(LTE PUCCH Receiver)主要用來接收兩種類型的上行控制命令。一類是與數據相關的控制命令:控制命令通常和上行數據一起發送，并且在那些數據的處理中使用，如傳輸格式指示、“新數據”指示符和MIMO參數;另一類是與數據無關的控制命令:與上行數據無關的控制命令，與任何上行數據包的發送相獨立，例如下行數據包的HARQ確認(ACK/NACK)、支持鏈路自適應的信道質量指示器(CQI)和用于下行傳輸的MIMO反饋、上行傳輸調度請求(SR)等。

LTE信道解碼模塊主要將LTE上行共享信道的數據進行OFDM(正交頻分復用)解調，并通過一系列的數據解調、信道解碼、速率匹配等操作將IQ數據轉換成比特流數據［11］以供上層板卡使用。

天線1、天線2、天線束為AD936X芯片出來的在LVDS接口上傳遞的IQ數據。由于LTE下行部分的基帶邏輯設計思想與上行部分的設計內容類似，因此，在本文中不一一詳細描述。

3 協議板卡設計

對于協議板板卡的設計方案，由于不太需要考慮硬件協處理器的算法加速要求，因此方案的可選余地很多，例如采用圖1中的核心板板卡或圖5中的FPGA的硬件設計方案都可以滿足要求［12］。從產品的技術傳承、性能和功耗方面考慮，本文著重關注FPGA的硬件設計方案，但如若充分考慮無線通信技術長期演進的發展方向，那么首選FPGA的設計方案。

圖5 協議板板卡硬件設計方案(FPGA/DSP)

如圖5所示，FPGA采用片上系統(SOPC)的設計思想，DDR3、FLASH、USB/串口都作為外圍器件以供FPGA的片上系統運行。FPGA的硬件設計方案與前文第三節的內容基本一致，充分體現了FPGA方案的技術優勢。

在邏輯設計方案上，雖然每個協議層有自己獨特的要求和特點(詳情請參考LTE-Advanced協議標準)，但方案的核心設計思想是一致的，即從空口數據中恢復出TCP/IP數據包。如圖6所示［13］，接收端的數據處理的基本流程如下:

圖6 LTE-Advanced協議棧處理流程(接收方向)

步驟1，去除PHY層的CRC形成MAC PDU幀(即MAC頭和MAC SDU)。

步驟2，去除MAC層的頭部信息形成RLC PDU幀(即RLC頭和RLC SDU)。

步驟3，去除RLC層的頭部信息形成PDCP PDU幀(即PDCP頭和PDCP SDU)。

步驟4，去除PDCP層的頭部信息形成PDCP SDU幀，對PDCP SDU進行IP頭解壓形成IP數據包(即IP頭和負載)。

4 技術路線分析

目前，絕大部分的中小公司和科研機構都采用DSP技術來開發LTE協議棧，大公司則采用FPGA技術來開發LTE協議棧。LTE-Advanced空口監測儀表對于采集到的空口數據，并且對空口數據進行協議棧解析，將協議進行關聯，最后把數據以IP包的形式傳給上層應用，對用戶行為和網絡情況進行監測跟蹤，本文之所以選擇FPGA進行設計，是因為采用FPGA開發LTE-Advanced空口協議監測儀表相比較DSP開發具有一些技術優勢，如表1所示［14］。

表1 FPGA與DSP實現難度比較

基于上述原因，采用FPGA技術來實現LTE-Advanced協議棧有利于產品升級和技術演進。由于LTE-Advanced空口協議棧的開發難度較大，可以采取用DSP技術開發“協議板板卡”;采用FPGA技術開發“射頻+基帶板卡”，同時采用軟件技術在核心板板卡上開發應用軟件，利用第三方算法支持、測試環境和驗證手段等來檢測產品性能。

5 結語

LTE在國內外正快速部署和發展，對空口監測儀表需求量大，同時，LTE具有技術更新較快的特點，傳統儀表廠商面臨技術更新的挑戰。基于此，本文首先介紹了LTE-Advanced空口監測儀表研制的必要性。其次，從系統設計的層面分析了儀表的硬件架構、邏輯架構。再次，根據信號接收和處理的流程，先后提出基于FPGA的射頻和基帶板卡設計方案、協議板板卡的設計方案。最后，從設計、成本、演進等方面分析了設計方案的可行性。

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