1、基于 OAI 的 LTE 通信平台的研究与实现甘显豪 张向裕（广东工业大学自动化学院，广东省物联网信息技术重点实验室，广东 广州 510006）摘要：本文首先介绍基于 SDR（Software Defined Radio，软件定义无线电）实现的 LTE 开源无线通信系统OAI（OpenAirInterface 的简称），重点分析 OAI 的软硬件平台以及 OAI 连接流程，通过 OAI UE OAI eNB + OAI EPC/HSS 实验调试与分析，采用 FDD-LTE 制式，实现了从 EPS 到 eNodeB 的 S1 接口的互连，再通过真实无线环境到 UE 的上下行通信。相对于其它仿真实
2、验，可为研究 LTE 和相关科研教学工作人员提供一个更加符合真实应用场景的实验平台。关键字：OAI；LTE；SDR；无线通信Research and implementation of the LTE communication platform based on OAIGan Xianhao , Zhang Xiangyu(School of Automation, Guangdong University of Technology, and Guangdong Key Laboratory of IoT Information Processing,Guangzhou 510006, G
3、uangdong)Abstract: At first,this paper introduces the OpenAirInterface,which implenments LTE wireless communication system of open-sourcing based on the SDR.It mainly analyzes the hardware and software platform of OAI,and the experiment about OAI UE OAI eNB + OAI EPC/HSS,which used the mode of FDD-L
4、TE and successfully communicated with each other.It Differents from other kinds of simulation experiments and can be provide a more real wireless environment to the LTE researchers.Key words: OAI；LTE；SDR ；Wireless communications1 引言伴随着智能手机的普及，各种移动业务的应用，人们对移动数据流量的需求也在不断增长，LTE 将在今后一段时间内成为移动网络的主力军。然而，目
5、前城区各种建筑的不合理规划，偏远地区的复杂环境等都使移动基站的选址与布线造成一定困难，同时由于移动互联网业务所产生流量的迅速增长，用于建设、维护和无线网络升级的投资不断增加，但收入却增长缓慢。为了保证长期盈利增长，运营商必须节流，找到在保证提供优质无线接入业务的同时并能有效降低成本的方法 1。OAI 是基于软件无线电思想实现的 LTE 开源项目，它旨在建立一个遵循 3GPP（The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴项目）协议从核心网到接入网的开源生态系统，并能兼容多种空中接口制式的通信系统平台。OAI 可以在一台或多台计算机上编译安装 eNo
6、deB、EPC、HSS、UE,可搭建一个专用的 LTE 通信系统，实现了基于 SDR 的 LTE 研究实验平台，刚好可以提供一种低成本解决方案 2。2 OAI 软件平台OAI 是欧洲 EURECOM 组织在其原有 wireless3g4free 平台基础上，演变开发兼容多种空中接口制式的开源无线通信实验平台，即 OpenAirInterface。它完全按照 3GPP 实现的协议栈，使用标准 C 基于 Linux实时内核优化完成的。OAI 的实现思想是：OAI 的所有协议层功能全部在 PC 上用软件实现，射频收发板只需收发射频信号并上下变频等，通过 USB3.0 接口或以太网接口与计算机相连，最
7、后将生成的 IP 数据通过Linux IP 协议栈进行发送，将 NAS（Non-Access Straum，非接入层）的消息通过 AT（Attention）命令发送，eNodeB 与 MME 之间基于各自 IP 进行连接，信息传输也是基于各自的 IP 地址进行交换 2。目前，OAI 已经实现了 LTE Release8 的完整功能及 Release10 的部分功能，也正在向未来 5G 方向发展。OAI 一直在不断更新，本文主要基于 trunk_7763 版本，软件主要包括六部分，分别为openair1、openair2、openair3、openair-cn、openairITS、common
8、。1）openair1 主要是对 3GPP LTE Rel8 物理层协议的具体实现，例如 OFDM、调制与解调、信道估计等，还有相应的物理层 RF 仿真实例。2）openair2 是对 3GPP LTE Rel9 的 RLC、MAC、PDCP、RRC 数据链路层协议的实现，以及 eNodeB 的应用层和 eNodeB 之间的 X2 接口的功能。3）openair3 是基于 IP 网络层协议的实现，还包括一些相关的脚本。4）openair-cn 实现了 3GPP LTE Rel9 and Rel10 版本的 MME（Mobility Management Entity，移动管理节点）、NAS、H
9、SS（Home Subscriber Server,归属签约用户服务器）以及 eNodeB 与 MME 之间 S1 接口的功能。5）openairITS 是 IEEE 802.11p 协议相关软件模块的实现。6）common 包括了一些 OAI 使用到的工具、插件等。3 USRP 硬件平台目前，OAI 的硬件仅支持 ExpressMIMO 和 USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设）两种品牌系列，考虑到成本与稳定性等，本实验采用的是美国 Etuss 公司生产的 USRP B210。USRP B210 提供了一个完全集成的单开发板平台
10、，子板与母版高度集成，可双收双发，射频范围为70MHz 至 6GHz，并且支持高速的 USB3.0 接口，基于 UHD（Universal Hardware Driver，通用硬件驱动）的支持。天线也是采用 Etuss 配套的 VERT900,频率范围为 824MHz 至 960MHz、1710 至 1990 MHz 的四频垂直全向天线，涵盖移动终端/ PCS 和 ISM 频段，增益为 3dBi。本实验 OAI UE OAI eNB + OAI EPC/HSS 总体硬件框架如图 1，首先使用两台 USRP B210 分别作为OAI UE 与 OAI eNodeB 的射频收发器；然后在 3 台四
11、核八线程高配置的英特尔处理器电脑上分别安装Linux Ubuntu 版实时操作系统及相应的 OAI 环境与 OAI 软件。在第一台 PC 上面运行 OAI Soft EPC 与 HSS,第二台电脑上面运行 OAI Soft eNodeB，第三台电脑上运行 OAI Soft UE， eNodeB 与 UE 分别通过 USB3.0 连接各自的 USRP B210，通过 USRP B210 子板上的天线进行射频收发。图 1 OAI 硬件框图4 OAI 连接建立流程1）分别启动 OAI Soft MME/HSS 与 eNodeB 并互连上，eNodeB 会通过 BCH 向小区范围内广播MIB（Mast
12、er Information Block,主信息块），MIB 包含了下行系统带宽、天线数、参考信号发射功率等关键参数。同时，eNodeB 还会通过 DL-SCH 传输一些关键度略低的信息，如当前小区识别码、跟踪区域码等参数。2）启动 UE，UE 会进行小区搜索：先通过主同步信道完成 OFDM 符号定时，获取小区组内 ID；再利用从同步信道完成帧定时，获取小区组号和 CP 长度；后通过 DL-RS 完成精确定时和频率同步3。3）UE 完成了与 eNodeB 的时频同步后，便可接收 eNodeB 的广播信息，进行随机接入以完成用户信息在网络侧的初始注册：UE 高层请求触发物理层随机接入过程，高层会
13、在请求中指示 Preamble index、Preamble 目标接收功率、RA-RNTI 等信息；UE 根据高层指示决定随机接入信道的发射功率，选择Preamble 随机序列，在指定的随机接入信道资源中发射单个 Preamble，等待 eNodeB 的响应 3。4）UE 收到 eNodeB 的随机接入响应后，调整上行发送时机，向 eNodeB 发送 RRCConnectionRequest消息申请建立 RRC 连接。5）在随后的过程中 UE 将发送 Attach Request，以完成 EPS 的附着请求。在初始的 EPS 附着过程中，UE 和 MME（EPS）需要相互鉴权，EPS 中的认证
14、总是由网络侧发起的。为此，MME 需要从 HSS、Auc 获得鉴权向量的相关信息。MME 和 HSS、Auc 使用 Diameter 协议，通过 S6a 接口进行通讯。6）待 UE 的 Shell 终端窗口出现“RRC_RECONFIGURED”表明 RRC 连接已建立完成，此时，UE 与eNodeB 可正常双向通信。5 OAI UE OAI eNB + OAI EPC/HSS 实验5.1 IP 配置为了 UE、eNodeB 与 EPC 能基于 IP 正常通信，先要进行相应的 IP 配置，如图 2 所示 4，使 eNodeB与 EPC 通过分配的 IP 地址进行相互通信，而 UE 与 eNod
15、eB 利用 USRP 射频前端通过空中接口实现双向收发，其它参数如收发增益则需根据具体环境进行调试选择，并且采用 FDD-LTE 制式。图 2 OAI IP 配置5.2 启动步骤 先运行 EPC/HSS，再运行 eNodeB，最后运行 UE，待 UE 成功连接上 eNodeB 后分别在 UE 与 eNodeB 端做 Ping 测试。1）在第一台 PC 的 Shell 终端运行如下命令启动 EPC:cd /openairinterface4g/cmake_targetssudo ./tools/run_epc 2&1 | tee epc.log打开另一个 Shell 终端运行启动 HSSsudo
16、 ./tools/run_hss 2&1 | tee hss.log2）在第二台 PC 上运行如下命令启动 eNodeB 并等待数秒连接上 EPC：cd /openairinterface4g/sudo ./targets/bin/lte-softmodem.Rel10 -O ./enb.band5.tm1.usrpb210.conf 2&1 | tee FDD-enb.log其中-O 是加载配置文件选项,在运行 eNodeB 前要先对 enb.band5.tm1.usrpb210.conf 文件中各个关键参数进行配置。3）在第三台 PC 上运行如下命令启动 UE:cd /openairint
17、erface4g/sudo ./targets/bin/init_nas_s1 UE sudo ./targets/bin/lte-softmodem.Rel10 -U -C 875000000 -r 25 -ue-scan-carrier -ue-txgain 90 -ue-rxgain 100 -A 0 2&1 | tee UE.log其中-U 是启动一个用户终端； -C 是下行中心频率，这里设置为 875MHz，必须与上面 eNodeB 的配置文件 enb.band5.tm1.usrpb210.conf 中设置一致；-r 为带宽，设为 25RB,即 5M；-ue-scan-carrier
18、 是UE 对 eNodeB 扫频选项；-ue-txgain 是 UE 的天线发射增益，根据具体无线环境调试设为 90db，-ue-rxgain 接收增益设为 100；-A 是上行时间同步设为 0。当 OAI Soft UE 成功连接上 eNodeB/EPC/HSS 后，可以在 UE 电脑侧看到“RRC_RECONFIGURED”的连接已建立的信息。此时，eNodeB 端各种波形如图 3 所示，UE 端波形及 Iperf 速率测试如图 4 所示。图 3 OAI Soft eNodeB 示波图图 4 UE 波形与 Iperf 速率测试图6 结论分析本实验通过相应的配置与各种参数计算，选择合适的收发
19、增益，最后 OAI UE OAI eNB + OAI EPC/HSS 成功连接，并且能相互通信，OAI LTE 底层流程实现后，再在应用层上安装相应的局域网通信软件便可以进行双向收发信息、传输文件等，实现了真实无线环境的 LTE 双向通信。性能分析：稳定性方面，该平台还没有达到很理想的效果，经过大量测试能稳定维持不掉线 30 到 60分钟；上下行速率方面，利用 Iperf 测试，双发双收模式下，带宽 5 Mbit/s，上行最高速率可达 1.4 Mbit/s，下行最高速率是 3.0 Mbit/s，速率低的原因是 OAI 中传输数据并没有用到一帧中的所有的 20 个子帧，而只利用到其中的几个子帧进
20、行数据业务的传输，同时该子帧中也只使用了部分资源块传输数据业务的数据，因此测试的结果显示的上下行的速率离理论值还有较大的差距 2；无线距离方面，UE 与eNodeB 射频前端相距 3 米左右最佳，这使得 OAI 的应用受到一定限制。但是，对于研究 LTE 和相关科研教学工作人员提供了一个更加符合真实应用场景的实验工具，而不仅仅是停留在仿真层面，也为下一代5G 研究提供相应的测试平台。参考文献1 杨 璘绿色无线接入网络架构 C_RAN 研究D北京：北京邮电大学，2012：1-2.2 吴 彤. 张玉艳.赵 慧.席 雨. 基于开源 SDR 实现 LTE 系统对比J. 北京：电信工程 技术与标准化 2
21、015(7).3 元 泉.赵文超. LTE 轻松进阶M. 北京：电子工业出版社 2012：155-161.4 OpenAirInterfaceZ/OL. 2016-1-26. twiki.eurecom.fr/twiki/bin/view/OpenAirInterface.5 张俊龙. 张玉艳. 靳 松. 王 楠. 基于 OAI 的 LTE MAC 层研究和实现J. 北京：中国 科技论文 2013(10).6 李霏雯. 杜博亚. 基于 OAI 平台的软件框架及应用研究J. 北京：中国新通信 2016(13).作者简介：甘显豪（1990- ) ， 男，广西桂平，硕士，研究方向：智能电网与无线通信 。张向裕 (1992- )， 男，江西信丰，硕士，研究方向：智能电网与无线通信。
