基于通用計算機和USRP的LTE通信系統開發與實現

高月紅，高 翔，張洪坤，袁洪權，孫常皓

(1.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876)(2.中國航天科工飛航技術研究院 創新研究院，北京 100074)

0 引言

在每一代的通信系統中，基于計算機的軟件仿真方法一直作為開發與研究通信系統的主要方式，被廣泛應用于系統架構、關鍵技術等領域[1-2]。軟件仿真成本低，開發周期短，使用范圍廣，目前已有多種支持通信系統仿真的軟件[3-5]。但隨著通信系統的更新，軟件仿真方法在無線信道環境的真實性、數據傳送的實時性及網絡監測和時延測量的有效性等方面的不足日益明顯。因此，無論是學術界還是工業屆對半實物通信系統的實現需求也日益迫切[6-7]。基于半實物仿真平臺，可以開展不同類型和場景的研究，例如雷達網絡[8]、無線網絡[9-10]等。

半實物仿真的核心是可以通過軟件編程實現不同功能的軟件無線電平臺。在眾多平臺中，通用軟件無線電外設(USRP, universal software radio peripheral)憑借其出色的性能脫穎而出[11]。USRP作為應用廣泛的軟件無線電平臺之一[12]，以低廉的價格、良好的開源性和廣泛的兼容性受到了全球工程師的歡迎。USRP能夠支持GNURadio框架、LabVIEW、Matlab等多種開發環境[13]，可根據使用者的不同需求，實現自定義的軟件無線電系統，因此被廣泛應用于各類軟件無線電平臺的實現[14]、算法開發[15-16]以及通信系統的研究等領域。

本文研究和實現了一套LTE系統的半實物仿真平臺。該平臺支持完整的LTE協議棧，實現了核心網和空中接口的功能，并能夠支持商用終端接入，為開展LTE系統的功能升級以及性能測試提供了基礎。本文所研究的LTE移動通信系統采用USRP作為軟件無線電前端，同時通過在通用計算機上部署開放空中接口(OAI，open air interface)平臺來完成基帶處理的方式，實現LTE系統的完整功能。與已有基于OAI和USRP的LTE半實物仿真系統相比[17]，本系統的最大特點在于支持多用戶接入，特別是支持電腦終端和商用終端的混合接入。

本文介紹了該系統的結構與原理、硬件和軟件設計、搭建流程，并給出了運行和測試結果。此外，為了提升系統的功能，進一步研究了多用戶接入場景的需求、軟硬件配置方案，實現并驗證了其功能，所開發的多用戶系統，可以支持基于通用計算機的電腦終端和商用終端的混合接入，并可以實現所搭建的LTE系統與外部因特網的互聯互通。

1 系統結構及原理

基于USRP的LTE通信系統采用通用計算機與軟件無線電前端相結合的方式，由計算機完成基帶數據的處理，由USRP實現數據的頻帶發送與接收，二者相結合實現完整的通信系統功能。整個通信系統包括核心網(EPC，evolved packet core)、基站(eNB，evolved node B)和用戶(UE，user equipment)三部分，其整體架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖

其中，核心網不涉及無線信號的收發，因此由一臺通用計算機組成即可。核心網包括歸屬用戶服務器(HSS，home subscriber server)、移動管理實體(MME，mobility management entity)和服務與PDN網關(SPGW，service and PDN gateway PDN)3個主要部分，并通過網線連接到交換機上，進而實現與外部網絡的互通。基站需要完成無線信號的收發，因此除了包含一臺通用計算機以外，還需要一臺USRP設備。該USRP設備通過USB數據線與通用計算機相連，再通過網線連接到交換機，進而實現與EPC的連接。與基站類似，若使用通用計算機實現用戶的功能，則必須同時配備一臺USRP設備。在后文中，使用電腦終端來指代使用通用計算機和USRP設備實現的用戶。此外，用戶也可以使用商用終端接入，需要注意的是，商用終端所支持的頻段需要與所開發的LTE系統的工作頻段相匹配，否則商用終端無法接入。電腦終端的USRP既可以通過同軸線與基站USRP相連接，也可以通過USRP天線與基站USRP天線進行無線連接。商用終端只能以無線的方式與基站的USRP天線實現無線連接。其中，有線連接主要用于模擬和測試無干擾的理想信道場景，在開發初期常常使用有線連接的方式屏蔽信道的不利影響，輔助調試代碼。在開發的后期，通過使用無線連接來驗證真實系統的功能和性能。

2 系統硬件設計

如前文所述，LTE通信系統的硬件設計主要包括軟件無線電前端和通用計算機兩個方面。市面上可選的產品較多。此處介紹本文工作中所使用的硬件設備的配置。

2.1 軟件無線電前端

本系統選取了兼容性較好的USRPB210作為軟件無線電前端。USRPB210是一款完全集成的、單板通用軟件無線電平臺[18]，其原理結構如圖2所示[19]。該平臺可以提供從70 MHz～6 GHz的連續頻率覆蓋；結合了Analog Devices公司的AD9364 RFIC芯片，提供高達56 MHz的實時帶寬；采用可編寫的Spartan 6 XC6SLX150FPGA，實現信號的下變頻，并通過高速USB 3.0連接到通用計算機上[13]；兼容多款配件，設備之間的通信可通過銅軸線或天線實現。

圖2 USRPB210原理結構圖

2.2 通用計算機

系統中包含EPC、eNB和電腦終端三臺通用計算機。由于各個模塊的功能不同，因此對硬件配置的要求也不盡相同。在以下行傳輸為主的測試環境下，EPC和電腦終端需要處理的數據量較少，因此對硬件配置的要求也較低。但是在此場景下，eNB處理的數據量較大，也就對計算機的運算和處理能力提出了較高的要求。

在本文所搭建的系統中，EPC采用配置了普通酷睿i5處理器的計算機，電腦終端采用配置了普通酷睿i7處理器的計算機，eNB采用配置了酷睿i7-8700 3.2 GHz處理器以及64 G內存的計算機。此外，為了降低計算機處理時延、提升其處理速度，建議為電腦終端和eNB安裝低延遲內核。

在操作系統方面，EPC、eNB和電腦終端統一采用ubuntu系統。其中ubuntu 16.04是目前較常用的版本，也是本文所使用的版本。

3 系統軟件設計

在軟件實現上，采用開放空中接口OAI平臺作為底層架構，在ubuntu環境下，利用C語言實現LTE系統的通信功能。OAI無線技術平臺是由EURECOM引領的開源通信平臺，符合3GPP協議標準[20]。該平臺基于通用服務器和軟件無線電前端，通過收發器連接實現其通信功能[21]，支持普通電腦終端和商用終端的接入，且可以根據研究需要對源代碼進行修改和編譯。

系統源代碼主要分為兩個部分：核心網(CN,core network)和無線接入網(RAN,radio access network)[12]。其中，核心網對應源代碼中的openair-cn項目是對LTEEPC的軟件實現；無線接入網對應源代碼中的openairinterface5G項目是對終端和基站的軟件實現，其整體架構如圖3所示。

圖3 軟件架構圖

openair-cn項目主要實現歸屬用戶服務器(HSS，home subscriber server)、移動管理實體 (MME, mobility management entity)、服務網關 (SGW,serving gateway)、PDN網關 (PGW,PDN gateway)等網元的功能。

openairinterface5G項目可根據需求通過選擇不同的編譯參數，令其實現UE或eNB的功能。該項目主要包括openair1、openair2和openair3等模塊。其中，openair1主要負責物理層實現，實現基帶信號的處理，并為外部設備提供接口；openair2 主要負責相關協議棧的實現，包括RLC/PDCP/RRC/X2AP等；openair3主要負責S1AP等實現，并提供了應用程序的接口[22]。

4 系統搭建流程

4.1 EPC的搭建

核心網的搭建主要分為HSS、MME和SPGW(S-GW和P-GW)共3部分，在運行時按HSS、MME和SPGW的先后順序啟動，故搭建時也采用了相同的順序，三部分部署在同一臺通用計算機上，組成了完整的核心網。

4.1.1 HSS的安裝

在聯網狀態下，首先通過執行HSS腳本下載并安裝一系列HSS所需的組件，包括核心網數據庫的創建與維護等。之后，為phpMyAdmin組件設定密碼并選擇合適的web服務器，其中密碼可以根據提示選擇隨機生成或手動設置。在web服務器的選擇方面，本系統使用了apache2服務器。然后使用超級權限將OAI腳本復制到系統對應目錄中，通過nano命令對所涉及的系統文件進行修改，過程中需要重點關注數據庫和本機相關信息。最后，執行文件生成相應的HSS證書。上述準備工作完成后即可對HSS文件進行編譯。首次運行時需要加載數據庫，之后則不再需要。通過瀏覽器訪問phpmyadmin，打開數據庫中的mmeidentity數據表，將mmeHost字段中的對應記錄修改為自己的主機名。

4.1.2 MME的安裝

首先，執行MME腳本安裝MME所需的各種組件，可以通過-h命令查看各項參數的作用。然后將OAI包中提供的各種配置文件復制到系統目錄下，并根據需求修改配置文件的各項配置參數，重點關注移動國家碼(MCC,mobile country code)、移動網絡碼(MNC,mobile network code)以及網絡接口地址，其中MCC和MNC在本系統中分別設置為208和93，網絡接口地址可通過計算機上的ifconfig命令查看。編輯MME配置文件中的身份字段，根據實際情況修改主機名。準備工作完成后即可進行MME文件的編譯及MME證書的安裝。

4.1.3 SPGW的安裝

將OAI包中的SPGW配置文件復制到系統目錄下，利用nano命令對配置文件進行修改。修改配置文件的過程中，需重點關注S-GW和P-GW部分，其中S-GW部分主要修改網口名稱及接口地址，本系統中EPC是單網卡配置，具體網口信息可通過ifconfig命令查看；P-GW主要修改SGI接口信息，用于與外部互聯網建立連接，具體參數根據實際情況進行配置。

4.2 eNB的搭建

4.2.1 環境配置

eNB和電腦終端均涉及到計算機對USRP的操控，同時計算機還要完成基帶處理，程序運行對實時性要求較高，因此計算機性能配置的優劣在一定程度上會影響程序的運行效果。為了在現有硬件的基礎上進一步提升性能，推薦使用低延遲內核，關閉CPU的節電特性和超線程等。低延遲內核的安裝推薦先利用apt-getupdate命令更新包列表，再執行低延遲內核的下載和安裝，這里不對低延遲內核的版本做硬性規定，安裝完畢后需重啟才能生效。在系統選擇界面通過高級啟動項選擇低延遲內核，進入系統后可通過uname命令查看當前內核是否為低延遲。禁用CPU的某些特性操作因硬件而異，主要包括CPU的C-STATES、P-STATES、超線程、Frequencyscaling特性等，可通過進入計算機的BIOS或編輯系統文件等方式進行修改。利用i7z軟件，檢查CPU的C0狀態占比是否達到100%，如圖4所示，如未達到建議重新檢查配置。通過上述操作，可以充分發揮計算機的硬件能力，進而從一定程度上降低對硬件配置的要求。

圖4 i7z界面

4.2.2 USRP驅動安裝

本系統使用的是USRPB210。首先需要通過執行build_oai文件的編譯命令，下載和安裝USRP驅動。驅動安裝完成后，將USRP連接到計算機上，通過uhd_find_devices命令查看USRP設備的連接情況。如果沒能成功打印設備信息，則需重新進行驅動的安裝和檢查。

4.2.3 參數配置

利用sourceoaienv命令加載環境變量，執行此命令時一定要確保終端當前工作目錄為openairinterface5g。執行build_oai文件，編譯eNB相關文件并安裝eNB必要的組件。編輯eNB的配置文件時，可通過資源管理器進入配置文件目錄，根據實際需求選擇合適的配置文件，并重點關注配置文件中的帶寬、頻段及網絡接口等信息。

本文所開發的系統采用25個PRB(對應5 MHz帶寬)配置，工作在2.685 GHz頻段(對應Band7)。網絡接口信息主要規定EPC中MME的IP地址和eNB的網口名稱和IP地址，根據計算機的實際IP地址進行配置即可。

4.3 電腦終端的搭建

電腦終端搭建過程中最重要的環節是填寫鑒權信息。在編譯電腦終端以前，需要先填寫電腦終端的身份識別信息，使得電腦終端接入時能在EPC處順利鑒權。從存儲位置上看，電腦終端的信息主要分為兩部分：一部分在EPC上，使用phpMyAdmin維護；另一部分在電腦終端自身計算機上，在編譯時會自動生成相應的鑒權信息。EPC側需要通過瀏覽器訪問phpMyAdmin，查看oai_db數據庫中的users、mmeidentity和pdn數據表，選擇所需的UE記錄。其中，users數據表主要記錄UE的國際移動用戶號碼(IMSI，international mobile subscriber identity)和MME標識；mmeidentity表記錄MME標識對應的主機；pdn表則記錄apn、pdn和pgw等信息，要確保所選記錄對應的上述信息真實有效。電腦終端側需要修改終端的鑒權文件信息，對照EPC users數據表中選取的UE記錄，修改配置文件的key、opc和hplmn，使其與EPC數據庫信息保持一致。

電腦終端中的通用計算機配置與eNB相似，需要安裝低延遲內核、禁用CPU特性、安裝USRP驅動。在源代碼的選擇上與eNB保持一致，編譯時通過設定不同參數來指明是終端還是eNB。

對準備好的源代碼，首先需要在OAI根目錄下加載環境變量，以保證程序的正確運行，然后通過build_oai來對電腦終端的相關文件、組件進行編譯和安裝。為方便調整運行命令、簡化執行流程，系統將終端的啟動命令封裝在啟動腳本中，這樣在編輯終端的配置文件時只需關注腳本及腳本涉及的各個執行文件即可。對照4.2節中eNB選取的配置文件修改電腦終端的腳本信息，主要修改運行帶寬、載波頻率、通信模式、USRP時鐘等。最后根據實際配置環境修改腳本中各執行文件的路徑及運行權限。

5 實驗結果與分析

在整個LTE通信系統中，大部分的啟動命令都被封裝在執行腳本中，在系統啟動時只需要按順序運行各部分執行腳本即可，簡化了系統啟動的流程；除此之外，部分運行參數也封裝在對應執行腳本中，大大降低了運行文件切換與修改的復雜度。本文首先開發了一套單用戶通信系統，其中僅包含最基本的網絡節點，即一個核心網、一個基站和一個電腦終端。之后，重點研究了如何在單用戶通信系統的基礎上，進行升級改造，實現多用戶以及多種終端的混合接入。

5.1 單用戶通信系統

單用戶通信系統主要由核心網、基站和一個電腦終端組成，其組成架構如圖5所示。其中，EPC和eNB通過網線與交換機實現互聯，eNB與電腦終端通過USRP實現互聯。為了降低實際傳播環境對信號的干擾，系統在實驗前期采用了銅軸線直連的方式實現eNB和電腦終端的USRP連接，在實驗后期采用天線實現無線連接。系統的運行過程以及測試過程如下。

圖5 單用戶通信系統架構

啟動EPC。每次運行EPC都需要打開3個終端窗口，按順序運行HSS、MME、SPGW的執行腳本。運行完畢后，可以在MME窗口觀察到電腦終端和eNB的連接信息，如圖6所示，此時由于尚未啟動eNB，也沒有用戶接入，因此當前狀態均為0。

圖6 MME窗口界面

啟動eNB。將USRP接入eNB計算機，通過驅動設備查找命令檢測是否連接成功。在OAI根目錄下加載環境變量，運行eNB執行文件。eNB正常運行的輸出如圖7所示；此時，在EPC的MME窗口重新觀察額NB的數量，可以看到起數量變成了1，如圖8所示，表示eNB啟動成功并連入核心網。

圖7 eNB運行界面

圖8 eNB接入時MME窗口界面

啟動電腦終端。將USRP設備接入電腦終端的計算機并檢測是否連接成功。在OAI根目錄下加載環境變量，運行電腦終端的執行文件。正常運行后，能夠通過USRP的數據收發與eNB建立連接，并可以通過兩者打印的實時日志和星座圖觀察連接情況。此時，EPC的MME窗口也會顯示終端的連接數量，如圖9所示。

圖9 單用戶接入時MME窗口界面

在3個部分均正常啟動和運行之后，可以對整個系統的連通性和傳輸性能進行驗證和測試。測試采用5 M帶寬的配置文件，利用iperf命令，采用UDP的方式進行上行或者下行數據包大速率灌包發送。經測試，在使用USRPB210的情況下，上行速率最高可達8.2 Mbits/s，下行速率最高可達16.2 Mbits/s，且系統運行狀態穩定。

5.2 多用戶通信系統

本系統在單用戶連通的情況下，可通過新增計算機和USRP的方式來接入更多的電腦終端，除此之外還可以采用燒制SIM卡的方式，為系統接入商用終端。在多用戶接入時，需要重點考慮多用戶的接入方式。本系統實現的多用戶場景架構如圖10所示，其中紅色部分為與單用戶通信系統相比新增的內容。在單用戶系統中，電腦終端的接入方式只有一種，即要么使用無線要么使用有線。而在多用戶系統中，由于存在多個終端，因此可以同時演示有線和無線兩種連接方式。此外，多用戶系統，克服了單用戶系統終端種類單一的弊端，可以同時支持電腦終端和商用終端。

圖10 多用戶通信系統架構

當存在多個電腦終端并采用有線連接時，需要使用功分器和合路器將各終端的USRP連接到基站的USRP上。每臺電腦終端都需要參照EPC注冊表，選擇并配置不同的鑒權信息，確保每個電腦終端有自己的IMSI。

為了支持商用終端的接入，需要為其燒制SIM卡。首先，從EPC數據庫中選取一條UE記錄，確保其相關的apn、pdn及pgw等信息真實有效，然后利用寫卡器將選取的UE信息寫入SIM卡。值得注意的是，在商用終端的選擇方面，要求終端支持所開發系統的工作頻段。例如，在本系統中，頻段為2.685 GHz(對應Band7)。將燒制好的SIM卡插入手機并打開數據網絡，可以在MME窗口觀察到UE的連接情況，也可以在手機設置中看到前文所設置的MCC和MNC標識，即20893，如圖11所示。

圖11 商用終端側運營商信息

由于實驗成本的限制，本系統在測試過程中，最多實現了4個終端的連接測試，包括一臺有線電腦終端、一臺無線電腦終端以及兩臺商用終端，4臺終端均可正常運行，同時在EPC的MME窗口也能夠觀察到UE的連接數量為4，如圖12所示。若具備更多的硬件條件，上述工作可以進一步擴展到更多終端的情況下。

圖12 多用戶接入時MME窗口界面

5.3 系統訪問外網

在系統聯通之后，需進一步驗證所搭建的系統與外部網絡的互聯互通性能。

EPC、eNB和UE順利運行時，會自動建立一個內部網段，EPC會為每一臺接入的UE分配一個內部IP。為了實現與外網的互聯互通，首先需要將EPC連接至互聯網。為了實現UE對外網的訪問，需要為UE添加一個指向EPC的默認網關。此外，還需要修改UE的DNS配置文件，添加常用的DNS服務器。最后，查看網絡接口信息，并設置USRP對應端口的MTU值。商用終端訪問外網的操作因手機而異，需根據操作手冊的說明，獲取手機root權限，設置MTU值即可。圖13給出了電腦終端訪問外網觀看視頻的場景。

圖13 電腦終端訪問外網

通過對系統進行多重操作和長時間的測試可知，eNB通過一臺USRPB210能夠支持2臺電腦終端和2臺商用終端的同時接入，系統運行穩定，且4臺終端均可維持較高的連接速度。

6 結束語

本文采用通用計算機與軟件無線電平臺USRP作為硬件基礎，依托OAI平臺作為軟件架構，開發和實現了一套完整的LTE通信系統。系統通過連接到通用計算機上的USRP實現數據的收發，通過計算機來實現數據的處理，能夠實現包括電腦終端和商用終端在內的多用戶接入，能夠正常訪問外網并保持較穩定的網絡連接。LTE通信系統的實現為進一步開展真實環境下信道研究與實時性數據測量提供了一定的便利，同時也為后面開展5G通信系統的研究與實現奠定了重要基礎。