基于OpenLTE的LTE系統的研究與實現

張向裕，甘顯豪

（廣東工業大學 自動化學院，廣東省物聯網信息技術重點實驗室，廣東　廣州 510006）

基于OpenLTE的LTE系統的研究與實現

張向裕，甘顯豪

（廣東工業大學 自動化學院，廣東省物聯網信息技術重點實驗室，廣東廣州 510006）

文章首先介紹了開源軟件無線電系統OpenLTE。重點分析OpenLTE的軟硬件平臺，詳細分析OpenLTE的系統框架，對整套系統的各個功能模塊進行了介紹。最后經過調試在通用軟件無線電平臺上成功運行，驗證OpenLTE實現LTE系統的可行性，能夠為研究 LTE 和相關科研教學工作人員提供一個更加符合真實應用場景的實驗驗證平臺。

LTE；軟件無線電；OpenLTE；通用軟件；無線電硬件平臺

1　概述

移動通信網絡技術從2G到3G，再從3G演進到4G網絡速率有了巨大的飛躍，給用戶的體驗也有了很大的提升，人們也越來越依賴通過移動通信網接入互聯網。但是相對于需求而言，移動通信網的承載力是遠遠不夠的，特別是對于我國這樣人口密集的國家，現有的無線網絡為每個用戶提供的服務資源有限，具體表現為網絡不穩定、網速慢。這要求運營商用于建設、運維和無線網絡升級的投資不斷增加以提升網絡的服務能力。但是移動運營商的收入卻增長緩慢，一方面是資費下調以及運營商之間的競爭造成運營商從每個用戶獲得的收益減少，另一方面偏遠山區和人煙稀少的地區部署昂貴的基站設備，進一步增加運營商的運營成本。為了保證盈利增長，運營商需要一種低成本的解決方案。軟件定義無線電（Software Define Radio，SDR）剛好可以作為一種低成本的替代和補充方案，SDR可將基站信號處理功能盡量通過軟件來實現，使用通用硬件平臺可快速地實現信號的調制解調，編碼運算，SDR為現有通信系統建設提供了全新思路，給技術研究開發降低了成本、并提供了更快的實現方式。

Open LTE是在Linux系統下的使用GNU Radio軟件開發包實現的3GPP通信協議的一個開源項目，主要實現一個簡單的4G基站的功能。本文詳細介紹了OpenLTE00.20.00版本。主要從軟件實現整體架構，物理層（Physical Layer，PHY）、介質訪問控制（Media Access Control，MAC）、無線鏈路控制協議（Radio Link Control，RLC）、分組數據匯聚協議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）、無線資源控制協議（Radio Resource Control，RRC）等各層功能實現進行介紹。使得無線技術研究人員對OpenLTE有一個直觀的認識。

2　硬件平臺

整套系統的硬件平臺包含兩部分：一臺較高配置的個人計算機和低成本通用軟件無線電外設（Universal Software Radio Peripheral，USRP）。USRP被設計用來處理波形相關的任務，在個人PC上進行所有的計算后將調制編碼數字信息傳給USRP處理生成無線電波形信號發射出去，同樣USRP接受無線電信號并轉化為數字信號交給計算機上的程序處理。

本系統采用Ettus公司的 B210型號產品，B210的主要性能參數如表1所示。

表1　B210主要性能

USRP B210是一個完全集成的單板，從主要性能上看完全滿足LTE系統的要求，頻譜能夠覆蓋LTE的所有頻段，并且提供在單通道半雙工情況下56Msps，在全雙工工作方式下36Msps的實時帶寬。該款設備支持全雙工FDD/TDD，同時還支持 2×2 MIMO，通過開源驅動UHD實現了PC對USRP的控制。

3　軟件平臺

3.1OpenLTE整體架構

OpenLTE系統基于GNURadio開發模塊化思想來實現LTE協議的各個層次，主要包括RRC，PDCP，RLC，MAC，PHY等模塊。圖1描述了LTE協議不同層次的結構、主要功能以及各層之間的交互流程。

如圖1所示，來自核心網的IP數據包要通過基站側的多個協議層處理之后才會通過射頻前端將信號發射出去。

分組數據合并協議（PDCP）層：負責對IP數據包進行壓縮盡可能地減少在無線鏈路上面傳輸的比特數，頭壓縮機制基于穩健頭標壓縮（ROHC）算法，一種標準的頭壓縮算法，也用于其他的移動通信系統。PDCP還負責進行數據加密和數據一致性保護工作，增加攜帶有移動終端解密信息的PDCP頭。

無線鏈路控制（RLC）層：負責對上層的PDCP數據包進行分割級聯以及重傳控制和按序發送。

媒體接入控制（MAC）層：負責控制HARQ重傳以及上下行鏈路的調度。

物理層（PHY）層：負責編解碼、調制、解調和多天線映射工作。

OpenLTE把上述的各個模塊都通過軟件實現。最后將基帶信號通過USB接口傳送到USRP，USRP進行采樣和上下變頻將數字信號轉化為電磁波發射出去。

3.2物理層

OpenLTE的物理層協議實現了LTE Release 8標準協議。支持所有的物理信道，發送模式只支持單發多收，不支持多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）。不支持多媒體廣播（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS），PDCCH物理層控制信道格式支持DCI1，1A，1B，1D，2，3和0，并不支持1D和2A和MIMO PDSCH分配有關的格式。支持動態大小的TTI，turbo編碼，用速率匹配控制碼率實現了控制傳輸塊大小自適應傳輸，然后依次經過比特交織、數據調制、天線映射和資源映射完成了物理層的功能。物理層功能比較完善。表2詳細列出了物理層功能。

表2　物理層

代碼當中LTE_fdd_enb_phy是整個物理層的實體對象，Start函數中會處理上層Mac層數據，也會向MAC傳遞成功解碼的信息。radio_interface函數會分別啟動一個上行和下行進程進行實際的數據收發工作。

3.3MAC調度層

LTE無線接入的基本原理之一是共享信道傳輸，無線資源以時分，頻分，空分的方式進行復用，控制上行資源和下行資源的分配是一項很重要的工作。其中基站每1ms內制定調度決策并向終端發送調度信息。調度策略的首要原則就是盡可能地提高信道的利用率，在用戶信道最好的時候進行資源分配。協議沒有具體定義調度算法，各個設備廠商有不同的算法，常見得有比例公平，最優調度等。

OpenLTE采用比較簡單實現的輪詢調度算法。程序運行過程中為維護一個優先級隊列，把待發送的PDU數據包都放入這個隊列當中，每次對隊列的第一項進行處理。然后根據PDSCH上面傳輸的QCI信息計算MCS以及TBS。OpenLTE對MAC層的處理有不完善的地方，以至于影響程序的健壯性。OpenLTE對MAC層以上的功能都已經完整實現。

3.4OpenLTE代碼

首先是Interface層這是程序提供給外部的接口，用來處理外部控制命令和配置信息。通過這個接口啟動和關閉eNB，輸入相應的配置信息例如頻帶，系統帶寬等，以及添加用戶等工作。MsgQ層提供消息的封裝，對各個協議層的傳輸的數據進行接收，封裝和發送。無線資源承載層（RB）層，無限承載是LTE的無線邏輯資源集合體，分為信令承載SRB和數據承載DRB。RB完成了到邏輯信道的映射，MAC層以邏輯信道的方式為上層提供服務。每個RB中會為每個協子層定義一個消息隊列，例如RRC，PDCP，RLC，MAC。當收到RB時RB實體會將它放到對應實體的消息隊列進行處理。Radio層負責無線電設備的控制工作，配置USRP的參數驅動USRP正常工作，屬于物理層更底下的一層，Radio的Start函數創建線程來處理數據幀收發。

4　軟件運行測試

在l i n u x發行版上面使用正確的命令編譯安裝OpenLTE，編譯完成在shell終端上輸入運行sudo./LTE_ fdd_enodeb，然后另開新的終端運行telnet 127.0.0.1 30000，在這個運行終端下面輸入配置信息，添加用戶。然后輸入start命令啟動一個eNB，然后手機終端就可以進行網絡搜索和接入操作。還可以另開一個終端輸入telnet 127.0.0.1 30001觀察調試信息。OpenLTE的數據業務顯示界面還不完善，圖2顯示的是接入之后MME顯示的信息。

圖2　用戶接入OpenLTE網絡

手機終端進行搜索網絡并接入之前還需要插入一張測試用的USIM卡，因為USIM卡會對基站的合法性進行鑒別，手機終端使用運營商發行的卡會造成無法搜索到OpenLTE網絡和無法通過UE側的鑒權的結果。需要專門的工具往測試卡當中寫入測試信息。

OpenLTE只實現了下行同步，整套系統還不穩定，需要進一步完善和優化。

5　結語

本文從硬件和軟件兩個方面詳細分析了開源LTE項目OpenLTE。梳理了系統的整體架構，實現LTE各層功能的完整性，代碼的各個實體層功能。最后在通用軟件無線電平臺上運行。

OpenLTE是一個優秀的開源LTE項目，能夠實現LTE協議的基本功能，代碼結構清晰易讀，短小和高度優化，比較容易學習。但是提供的調試工具較少，系統錯誤輸出信息不全面，難以成功運行整套系統。OpenLTE還需要進一步完善功能，特別是數據業務處理方面，以及進一步提高穩定性。該項目可以為進行無線通信相關的研究人員提供一個低成本易搭建的實驗驗證平臺。

［1］吳彤，張玉艷，趙慧，等.基于開源SDR實現LTE系統對比［J］.電信工程技術與標準化，2015（7）：81-86.

［2］ERIK D.3G演進：HSPA與LTE［M］.北京：人民郵電出版社，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

張向裕（1992— ），男，江西贛州，碩士研究生；研究方向：智能電網與無線通信。