基于OAI平臺的軟件框架及應(yīng)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(tǒng)，測試相關(guān)的算法和策略的有效工具。本文首先對比現(xiàn)有仿真技術(shù)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(xiàn)的LTE協(xié)議棧及演進(jìn)分組核心網(wǎng)的主要功能。最后，本文簡要分析OAI仿真平臺的應(yīng)用領(lǐng)域及并對未來做展望。

【關(guān)鍵字】 OpenAirInterface 仿真平臺 LTE 軟件框架 協(xié)議棧 應(yīng)用分析

一、引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)的研究進(jìn)入新水平。第三代移動通信系統(tǒng)取得世界性成功后，LTE和LTE-A的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議一直是3GPP重點研究問題。評估LTE/ LTE-A系統(tǒng)性能、研究鏈路容量及相關(guān)算法是項重要工作。由于構(gòu)建一個真實無線通信系統(tǒng)的成本較高，可建立一個兼容的實驗仿真平臺實現(xiàn)系統(tǒng)性能的測試與評估。仿真平臺的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)必須嚴(yán)格遵循LTE標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，并考慮影響系統(tǒng)運行的場景和隨機因素。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)仿真分為鏈路級仿真與系統(tǒng)級仿真，詳見表1。

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

OAI仿真平臺是一個基于LTE協(xié)議棧開發(fā)的軟件平臺，具有可重復(fù)性、可移植性及精確的仿真結(jié)果。OAI平臺可通過對協(xié)議棧不同的配置實現(xiàn)不同的仿真場景，使用物理層抽象技術(shù)或用硬件替代部分系統(tǒng)功能以減少仿真時間，有效測試、評估、驗證LTE系統(tǒng)。

二、OpenAirInterface（OAI）仿真平臺

2.1 OAI平臺概述

OpenAirInterface（OAI）平臺是由Eurocom開發(fā)的開源、實時仿真平臺，可完全模擬無線接入技術(shù)、協(xié)議等特點。常用于無線通信系統(tǒng)的仿真實驗及信號處理，研究、驗證通信技術(shù)的創(chuàng)新算法與策略。OAI仿真平臺的架構(gòu)嚴(yán)格按照3GPP協(xié)議設(shè)計，通過提供各種不同的仿真場景和完整的通信系統(tǒng)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(xié)議棧，包括物理層、MAC層、RLC層、 PDCP層及RRC層；

提供Linux操作系統(tǒng)下的IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口；

可用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

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(lián)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(xié)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(yīng)FPGA的固件驅(qū)動程序。

OpenAir1：包括物理層各個功能模塊，定義相關(guān)參數(shù)及初始化。主要功能是實現(xiàn)LTE系統(tǒng)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(tǒng)仿真平臺。

OpenAir2：包括LTE系統(tǒng)相關(guān)協(xié)議棧，即MAC層、RLC層、PDCP層及RRC層的具體實現(xiàn)。OpenAir2文件夾主要功能是無線接入控制方面的協(xié)議內(nèi)容，包括相關(guān)協(xié)議流程的實現(xiàn)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(nèi)容組成了一個無線通信系統(tǒng)的基本功能。

OpenAir3：包括了基于IP的網(wǎng)絡(luò)模塊，即全I(xiàn)P蜂窩與IP/MPLS網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的第三層協(xié)議棧，具體有LTE系統(tǒng)中基站eNB、用戶終端設(shè)備UE的相關(guān)內(nèi)容。此外，OpenAir3為基于OAI平臺的網(wǎng)絡(luò)上層應(yīng)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(xié)議棧，清晰地劃分了傳輸鏈路、資源管理、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(tǒng)，完成系統(tǒng)開發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新。

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圖1是LTE協(xié)議棧在OAI平臺下實現(xiàn)的示意圖。OAI平臺可以適用于多種軟件開發(fā)環(huán)境，具有控制、監(jiān)視、消息和時間分析、低權(quán)限的登錄系統(tǒng)、流量發(fā)生器、分析及軟設(shè)計等功能，提供協(xié)議驗證、性能評估和預(yù)部署系統(tǒng)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(xiàn)了真實LTE無線通信系統(tǒng)的完整工作流程，具體分為以下四步。

仿真場景設(shè)置：參數(shù)配置即仿真場景的設(shè)置。OAI平臺可配置的參數(shù)主要有： LTE系統(tǒng)雙工方式（TDD/FDD）、UE數(shù)量、eNB數(shù)量、信道模型等。

初始化：參數(shù)初始化設(shè)置。包絡(luò)仿真場景參數(shù)的初始化、各個分層UE及eNB的參數(shù)配置、業(yè)務(wù)信息及移動性等初始化。

仿真執(zhí)行：仿真節(jié)點同步、eNB及UE放置過程執(zhí)行?；玖鞒贪↙TE系統(tǒng)各個功能分層的處理，即同步、隨機接入、調(diào)度、無線資源管理等功能的執(zhí)行。

仿真結(jié)果輸出：log文件收集、標(biāo)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(jié)果、評估性能最有價值的內(nèi)容。

四、 OAI仿真平臺應(yīng)用分析與展望

4.1 OAI仿真平臺應(yīng)用領(lǐng)域

無線信號處理。硬件/軟件架構(gòu)通SDR技術(shù)，利用多處理系統(tǒng)級芯片，實時處理信號。物理層可利用UMTS的LTE和802.16m技術(shù)優(yōu)化算法以適應(yīng)實時性。

實現(xiàn)全I(xiàn)P無線網(wǎng)絡(luò)。全I(xiàn)P移動網(wǎng)絡(luò)協(xié)議802.21（基站采用IPv6路由器，包含IPv6的移動性管理）、IP/MPLS協(xié)議。

靈敏射頻系統(tǒng)設(shè)計。OAI平臺采用寬帶無線電設(shè)計、線性范圍內(nèi)無線寬動態(tài)接收機設(shè)計，聯(lián)合射頻與數(shù)字信號處理，共同實現(xiàn)“智能”射頻。

設(shè)計與仿真方法。OAI平臺利用抽象技術(shù)如硬件建模、PHY子系統(tǒng)建模、交通建模等，分別模擬硬件、PHY子系統(tǒng)及流量，同時向分布式實時無線仿真網(wǎng)絡(luò)提供射頻仿真體系結(jié)構(gòu)。

傳播、系統(tǒng)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(rèn)知無線電。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，OAI平臺將支持同一地區(qū)持牌及無牌的無線用戶的共存，還可處理相關(guān)設(shè)計和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等問題。

4.2 OAI仿真平臺展望

可靈活調(diào)配、控制，OAI平臺的集成開發(fā)環(huán)境；

基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)功能，可靈活搭建、配置網(wǎng)絡(luò)組件；

在公共場所為用戶終端提供服務(wù)、業(yè)務(wù)及應(yīng)用；

通過從M2M/IoT、軟件定義網(wǎng)絡(luò)到cloud-RAN、大規(guī)模MIMO的研究，促進(jìn)5G系統(tǒng)新概念成型。

五、結(jié)束語

OAI平臺基于SDR技術(shù)以一個通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺為依托，利用軟件編程的方式實現(xiàn)各種應(yīng)用，即硬件負(fù)責(zé)數(shù)字模擬與信號間轉(zhuǎn)換、射頻與基帶信號間變頻等功能，軟件負(fù)責(zé)協(xié)議棧部分，硬件設(shè)備與PC端聯(lián)合處理分析數(shù)據(jù)實現(xiàn)完整的通信系統(tǒng)。

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

參 考 文 獻(xiàn)

[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(yuǎn).面向LTE的PHY/MAC聯(lián)合仿真實現(xiàn)與調(diào)度算法研究.北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文.2014年11月.