基于OAI系統的軟基站相關技術研究

孫吉剛，何電明

（廣東工業大學 廣東省物聯網信息技術重點實驗室，廣東 廣州 51006）

基于OAI系統的軟基站相關技術研究

孫吉剛，何電明

（廣東工業大學 廣東省物聯網信息技術重點實驗室，廣東 廣州 51006）

基于大型基站通信設備體積大而笨重、硬件改造困難，容易給工作帶來問題。文章結合OAI開源系統和通用軟件無線電設備，在計算機上建立了4G-LTE軟基站（eNB）、軟終端（UE）以及在空中接口的eNB和UE上下行鏈路系統，用Iperf測試軟基站穩定性和空中接口的傳輸速率，并對測試結果進行重點分析。文章為研究LTE軟基站和其他相關技術以搭建了一個簡便快速的平臺，具有很強的靈活參數配置性，該結論將為研究軟件無線電LTE的軟基站的研究者提供參考。

OAI；軟基站；軟終端；穩定性；傳輸速率

如今是移動通信產業飛速發展的時代，隨著近幾年4G移動技術的在世界范圍內的成功運行，第三代合作伙伴項目3GPP制定了長期演進技術（LTE）和LTE-A標準協議之后，世界各國的大公司、運營商、研究組織便又紛紛投入到4G-LTE的研究中。

無線通信技術每一次革新都增強了系統的復雜性，這為移動通信運營商硬件設施的更新換代帶來了諸多不便和極大的資金投入，而且世界范圍內戶外各種宏基站與日俱增，也造成了一定的土地資源浪費。于是無線通信工作者考慮到將軟件無線電技術應用到移動通信領域，以此來減輕研究投入的資金壓力和加速對通信技術的研究步伐。2008年基于GSM協議棧的Open BTS開源軟件的出現給研究者帶來了新的研究方向，Open BTS是一個基于軟件的GSM接入點，實現了低三層標準的協議棧，在2008年8月的火人節上，做了為期一周的現場測試，Open BTS成功地將測試現場的120個手機同北美洲的95個移動運營商號碼實現了連接，這些都引發了無線通信研究者對軟件無線電技術的興趣。

2013年法國的EURECOM組織開發出了針對無線通信信號處理的軟件開源平臺OAI（Open Air Interface）。利用該平臺和軟件無線電設備USRP-B210可以建立實時的軟基站和軟終端平臺。截至目前，還沒有相關的文獻在LTE空中接口下實現eNB和UE穩定性和傳輸速率測試。

1　USRP硬件平臺

本次eNB和UE連接仿真實驗采用了美國Ettus公司的USRP-210產品，USRP-B210提供了一個完全集成的單開發板平臺，其包括一個發射通道和一個接收通道。USRP-B210采用新的模擬射頻集成芯片來實現一個高性價比的實驗平臺，通過采用USB3.0芯片組，其能夠實現高達56MHz的瞬時帶寬。該平臺能覆蓋頻率70MHz-6GHz.涵蓋了LTE系統所有的頻段，這為在任意頻段上的仿真測試帶來了極大方便。該硬件平臺支持全雙工TDD/FDD，還支持多天線2x2mMIMO。Ettus還提供開源驅動UHD，該驅動實現了PC 對USRP-B210的控制。USRP-B210硬件平臺的收發端口型號是TX/RX，RX其中的TX/RX端口同時實現了收發，這樣就導致了嚴重的TX/RX端口自發自收的信號能量泄露問題，為后期eNB，UE連接帶來極大的干擾。為了解決這個問題，文章采取了在USRPB210射頻板上手動焊接了一個雙工器，將TX/RX實現端口分離。采取SRP902R947N10N25FAS介質雙工器，覆蓋天線頻段。

2　OAI軟件平臺

OAI是世界上第一個以軟件方式實現完整3GPP的協議棧，實現了LTE的PHY，MAC，RLC，PDCP，RRC各層功能。該軟件系統由openair-cn，OpenAirInterface，xtablesaddons-oai 3部分組成，其中以openair-cn，OpenAirInterface為核心。Openai-cn包括MME，HSS，S-GW，P-GW.該部分是用來實現核心網（EPC）功能，OpenAirInterface包含7個不同部分，系統文件功能介紹如圖1所示。

圖1　OAI各系統功能介紹

3　隨機接入過程

在隨即接入過程之前UE做了一系列工作：搜素eNB頻段，時頻同步，解碼小區的系統信息（MIB），小區選擇。在選擇合適的小區后，UE駐留在該小區發起隨機接入過程接入LTE網絡。隨機接入過程分為兩種接入方式：基于競爭的隨機接入和基于非競爭的隨機接入過程。本文UE接入eNB過程是基于競爭的隨即接入過程，在以下情況下UE基于競爭隨機接入eNB：

（1）UE初始接入時候建立無線連接；（2）RRC連接重建過程；（3）UE在不同小區間切換；（4）在RRC_ CONNECTED態下，下行數據到達時，上行處于不同步狀態；（5）在RRC_CONNECTED態下，上行數據到達時上行處于不同步或者沒有可用的PUCCH資源用于SR傳輸。

基于競爭隨機接入過程如圖2所示，實現步驟如下所述：

（1）UE發送隨機接入前導信號給eNB。告訴eNB有一個隨機接入請求，同時使得eNB能估計其與UE之間的傳輸時延并以此校準uplink timing；（2）eNB發送隨機接入響應（RAR）給UE。當eNB檢測到UE上發的前導序列，則在DLSCH上發送一個響應，包含：該序列索引號，時間調整信息，資源調度信息，臨時C-RNTI；（3）Msg3。eNB接收UE上發的Msg3，讓UE成功接入，UE則獲得上行同步并在公共控制信道上發送RRC連接請求等基本信息，但是要能夠實現上行數據傳輸，則必須獲得唯一的C-RNTI；（4）競爭解決。UE接收到eNB返回的競爭解決消息，并且其中攜帶的UE ID與自己在Msg3中上報給eNB的相符，那么UE就認為自己隨機接入成功，將RAR消息中得到的臨時的C-RNTI置為自己的C-RNTI。否則，UE就認為此次接入失敗，按上面的步驟再次進行隨機接入的重傳過程。

圖2　基于競爭的隨機接入過程

4　軟基站和軟終端連接試驗

該連接試驗在兩臺電腦上分別建立eNB與UE，不接入S1接口與核心網EPC，主要過程如下：

在兩臺裝有Ubuntu系統的PC機上分別搭建eNB和UE系統平臺。

（1）分別運行eNB和UE。（2）當UE連上eNB時，做PING和文件傳輸測試。

4.1軟基站和軟終端系統平臺

在兩臺PC機上分別下載OAI開源代碼，在cmake_ targets文件下編譯安裝eNB和UE，

eNB系統平臺搭建shell終端命令如下：

cd～/oai7763/camke_targets

sudo ./build_oai -I

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

執行命令后會在targets根目錄下生成lte-softmodemnos1.Rel10可執行文件。

UE系統平臺搭建shell終端命令如下：

cd～/oai7763/camke_targets

sudo ./build_oai -I

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

執行命令后會在targets根目錄下生成lte-softmodemnos1.Rel10可執行文件。

4.2運行軟基站

在shell終端執行命令：sudo ./targets/bin/lte-softmodemnos1.Rel10 -d-O ./target/bin/enb.band5.tm1.usrpb210.conf 2＞＆1 | tee ENB.log，“-d”參數意義是加載軟示波器，參數O讀取配置文件，配置文件可根據選用的射頻天線頻段修改相應的中心頻點及帶寬，還有收發接收增益，收發接收天線數量等參數。“2＞＆1 | tee ENB.log”參數是將eNB的輸出通過管道流在當前目錄下生成eNB.log日記文件，方便查看記錄。當成功執行命令后會生成如圖3所示的NB軟示波器界面。

圖3　eNB系統平臺示波器

圖3中各參數說明：

Channel Tmpulse response：表示一有UE終端接進來的時候，就會出現脈沖波形，eNB和UE連接成功后，該波形呈平滑狀。

Channel frequency response ：表示信道的頻率響應，是反映信道質量情況的一個參數指標，作為后期的eNB的調度依據之一。

PUSCH log-likelihood ratios（LLR，mag）：為PUSCH（物理上行共享信道）的解調提供一種概率依據，LLR的結果是概率數，大于0，解調時候就判斷為bit為二進制1，小于0，解調時候就判斷bit為二進制0。

PUSCH I/Q：表示PUSCH信道的星座圖，依據不同的調制的方式（BPSK，QPSK，16QAM，64QAM），可以顯示出不同的星座圖。

PUSCH throughput表示PUSCH信道的數據傳輸的吞吐量。

4.3運行軟終端

在shell終端運行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，該命令表示UE在頻段947000000Hz上去隨機接入eNB，UE成功隨機接入eNB后，示波器如圖4所示。其中-U是讓可執行文件lte-softmodem-nos1.Rel10來執行UE的功能；

圖4　UE成功隨機接入eNB示波器

-C947000000是空中接口的工作頻段。

-r25是給空中接口分配5M帶寬，修改該參數可以分配其他帶寬。

--ue-scan-carrier是UE來掃描基站頻段，從而進行接入。

--ue-txgain 100是UE的發射增益，本系統設置為100。

--ue-rxgain 110是UE的接收增益，本系統設置為110。

-ue-max-power 70將ue的發射功率設置為70，該70是通過計算所得。

max_ue_power = PDSCH_EPRE+10*log10（12*N_ PRB）.其中的N_PRB就是分配給系統的RB個數PDSCH_ EPRE，是PDSCH信道的每個RE的功率。

PDSCH信道功率計算：EPRE=P_B/P_A*EPRE，該EPRE是參考信號的功率，參考信號的功率在eNB配置文件里面有說明∶P_B/P_A是比值可以取1，4/5，3/5，2/5反映了參考信號功率和鄰近RE功率的相對大小，選取該值的原則是：盡量讓比值小，使得參考信號功率大于鄰近的RE功率，這樣更有利于RE的解調。

在UE成功接入eNB后，eNB側的示波器圖發生變化如圖5所示。

圖5　eNB成功連接上UE

綜觀以上eNB側和UE側結果圖以及各個參數，得出eNB 和UE成功連接上，建立了一套基于空中接口的LTE系統網絡，二者接下來可以進行相關的穩定性和傳輸速率測試。

5　軟基站的穩定性和空中接口傳輸速率測試

本系統是在單發單收模式和基于5Mbit/s帶寬下利用iperf來測試，iperf 是一個網絡性能測試工具。iperf可以測試最大TCP和UDP帶寬性能。Iperf具有多種參數和UDP特性，可以根據需要調整。Iperf可以報告帶寬、延遲抖動和數據包丟失。

給定1M的測試包大小，下行傳輸速率最高可以達到3.432Mbit/s，上行最高可達1.675Mbit/s。得出軟基站穩定性尚可，不容易垮掉而停止工作，但是傳輸速率較低。原因在于通用軟件無線電設備USRP-B210的RX/TX端口做的不好，信號在端口泄露較多；物理下行控制信道PDCCH占用了3個symbol符號，減少了用于傳輸數據業務的符號數目，物理層用的是QPSK的2階調制，若利用64QAM調制方式，理論上在相同的帶寬下傳輸速率會提高4倍。

6　結語

利用以上無線電USRP-B210和OAI軟件搭建單基站單終端的LTE系統，在FDD格式下，基于空中接口5M帶寬，在上行902M下行947M頻段經過多次測試傳輸速率，得到上行峰值速率為1.675Mbit/s，下行峰值速率為3.432Mbit/s。eNB和UE成功連接持續時間可以達3個小時，穩定性尚可。本文針對在空中接口上軟基站相關研究初步驗證和實現了4G-LTE相關通信技術，為以后的研究者追求更高的4G-LTE空中接口傳輸速率和穩定性提供了一些參考。

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

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

［6］趙訓威.3GPP長期演進（LTE）系統架構與技術規范［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

Signal（Time-Domain）：表示基站的信號強弱。

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

孫吉剛（1990-），男，湖北荊州。