基于OAI平臺的軟件框架及應用研究

李霏雯 杜博亞

【摘要】 OpenAirInterface（OAI）仿真平臺是評估LTE和LTE-Advanced系統，測試相關的算法和策略的有效工具。本文首先對比現有仿真技術并分析其局限性，闡述OAI仿真平臺的軟件框架，分析OAI平臺下可實現的LTE協議棧及演進分組核心網的主要功能。最后，本文簡要分析OAI仿真平臺的應用領域及并對未來做展望。

【關鍵字】 OpenAirInterface 仿真平臺 LTE 軟件框架 協議棧 應用分析

一、引言

隨著無線通信技術的發展，通信系統的研究進入新水平。第三代移動通信系統取得世界性成功后，LTE和LTE-A的標準和協議一直是3GPP重點研究問題。評估LTE/ LTE-A系統性能、研究鏈路容量及相關算法是項重要工作。由于構建一個真實無線通信系統的成本較高，可建立一個兼容的實驗仿真平臺實現系統性能的測試與評估。仿真平臺的系統設計和開發必須嚴格遵循LTE標準和協議，并考慮影響系統運行的場景和隨機因素。傳統的無線通信系統仿真分為鏈路級仿真與系統級仿真，詳見表1。

綜合上述兩種仿真方式的優缺點，一個從物理層到傳輸層完整的LTE仿真平臺更符合現有研究需求。

OAI仿真平臺是一個基于LTE協議棧開發的軟件平臺，具有可重復性、可移植性及精確的仿真結果。OAI平臺可通過對協議棧不同的配置實現不同的仿真場景，使用物理層抽象技術或用硬件替代部分系統功能以減少仿真時間，有效測試、評估、驗證LTE系統。

二、OpenAirInterface（OAI）仿真平臺

2.1 OAI平臺概述

OpenAirInterface（OAI）平臺是由Eurocom開發的開源、實時仿真平臺，可完全模擬無線接入技術、協議等特點。常用于無線通信系統的仿真實驗及信號處理，研究、驗證通信技術的創新算法與策略。OAI仿真平臺的架構嚴格按照3GPP協議設計，通過提供各種不同的仿真場景和完整的通信系統功能分層，最大限度地減少計算機模擬和實際硬件實驗之間的差距。

OAI平臺的主要特點：

提供完整LTE協議棧，包括物理層、MAC層、RLC層、 PDCP層及RRC層；

提供Linux操作系統下的IPv4/IPv6網絡設備接口；

可用于蜂窩網絡和網狀拓撲結構；

支持完整物理層和物理層抽象兩種仿真模式；

具有單機仿真和多機聯合仿真兩種工作模式；

包括多種不同信道模型，如：傳輸損耗、陰影衰落及隨機的小尺度衰落等；

2.2 OAI軟件框架及協議棧

OAI仿真平臺的源代碼分為四個部分。

OpenAir0：主要描述硬件模塊CardBus MIMO和Express MIMO，以及對應FPGA的固件驅動程序。

OpenAir1：包括物理層各個功能模塊，定義相關參數及初始化。主要功能是實現LTE系統基帶信號的處理，提供與MAC層之間的接口。此外，OpenAir1還提供與硬件之間的接口，形成一個基于硬件的LTE系統仿真平臺。

OpenAir2：包括LTE系統相關協議棧，即MAC層、RLC層、PDCP層及RRC層的具體實現。OpenAir2文件夾主要功能是無線接入控制方面的協議內容，包括相關協議流程的實現以及無線資源管理方案的部署。通過與物理層之間的接口，OpenAir1和OpenAir2中的內容組成了一個無線通信系統的基本功能。

OpenAir3：包括了基于IP的網絡模塊，即全IP蜂窩與IP/MPLS網狀網絡開發的第三層協議棧，具體有LTE系統中基站eNB、用戶終端設備UE的相關內容。此外，OpenAir3為基于OAI平臺的網絡上層應用提供接口，完善了整個平臺。

以上四個文件共同組成了OAI平臺的軟件框架及完整的LTE協議棧，清晰地劃分了傳輸鏈路、資源管理、網絡應用等功能。在硬件的支持下，整個平臺可以看做一個真實的無線系統，完成系統開發與技術創新。

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圖1是LTE協議棧在OAI平臺下實現的示意圖。OAI平臺可以適用于多種軟件開發環境，具有控制、監視、消息和時間分析、低權限的登錄系統、流量發生器、分析及軟設計等功能，提供協議驗證、性能評估和預部署系統測試的工具等。

三、OAI平臺仿真流程

OpenAirInterface LTE平臺的仿真流程實現了真實LTE無線通信系統的完整工作流程，具體分為以下四步。

仿真場景設置：參數配置即仿真場景的設置。OAI平臺可配置的參數主要有： LTE系統雙工方式（TDD/FDD）、UE數量、eNB數量、信道模型等。

初始化：參數初始化設置。包絡仿真場景參數的初始化、各個分層UE及eNB的參數配置、業務信息及移動性等初始化。

仿真執行：仿真節點同步、eNB及UE放置過程執行。基本流程包括LTE系統各個功能分層的處理，即同步、隨機接入、調度、無線資源管理等功能的執行。

仿真結果輸出：log文件收集、標記、存儲。log文件記錄并顯示OAI平臺仿真過程，是分析仿真過程及結果、評估性能最有價值的內容。

四、 OAI仿真平臺應用分析與展望

4.1 OAI仿真平臺應用領域

無線信號處理。硬件/軟件架構通SDR技術，利用多處理系統級芯片，實時處理信號。物理層可利用UMTS的LTE和802.16m技術優化算法以適應實時性。

實現全IP無線網絡。全IP移動網絡協議802.21（基站采用IPv6路由器，包含IPv6的移動性管理）、IP/MPLS協議。

靈敏射頻系統設計。OAI平臺采用寬帶無線電設計、線性范圍內無線寬動態接收機設計，聯合射頻與數字信號處理，共同實現“智能”射頻。

設計與仿真方法。OAI平臺利用抽象技術如硬件建模、PHY子系統建模、交通建模等，分別模擬硬件、PHY子系統及流量，同時向分布式實時無線仿真網絡提供射頻仿真體系結構。

傳播、系統測量與分析。通過實時測量的離線性能分析，有利于寬帶信道表征和建模。

認知無線電。隨著傳感器網絡技術的發展創新，OAI平臺將支持同一地區持牌及無牌的無線用戶的共存，還可處理相關設計和認知網絡互聯等問題。

4.2 OAI仿真平臺展望

可靈活調配、控制，OAI平臺的集成開發環境；

基于軟件定義網絡功能，可靈活搭建、配置網絡組件；

在公共場所為用戶終端提供服務、業務及應用；

通過從M2M/IoT、軟件定義網絡到cloud-RAN、大規模MIMO的研究，促進5G系統新概念成型。

五、結束語

OAI平臺基于SDR技術以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，利用軟件編程的方式實現各種應用，即硬件負責數字模擬與信號間轉換、射頻與基帶信號間變頻等功能，軟件負責協議棧部分，硬件設備與PC端聯合處理分析數據實現完整的通信系統。

目前OAI平臺為4G測試及5G研究創造了一個開放、靈活的仿真環境，它提供的開源代碼和參考軟件實現了3GPP LTE兼容系統和LTE-A的特征子集的實時室內/室外試驗與示范。OAI平臺也將在其不斷發展完善的過程中提供更完善的低成本、高適用、高靈活、易擴展及智能化仿真平臺。

參 考 文 獻

[1] OpenAirInterface[EB/OL]，http：/www.openairinterface.org/

[2] Renyuan Wang，Yuexing Peng，et al. OpenAirInterface-an effective emulation platform for LTE and LTE-Advanced. In Proceedings of IEEE MSE， 2014.

[3] ntonio Virdis，Niccolo Iardella，Giovanni Stea.Performance analysis of OpenAirInterface system emulation. Computer Society 2015 IEEE.

[4] 王任遠.面向LTE的PHY/MAC聯合仿真實現與調度算法研究.北京郵電大學碩士學位論文.2014年11月.