基于OAI的LTE通信平台的研究与实现

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 OAI

Gan Xianhao , Zhang Xiangyu

(School of Automation, Guangdong University of Technology, and Guangdong Key Laboratory of IoT Information Processing,Guangzhou 510006, Guangdong)

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-LTE 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 communications

1 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eNodeB、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。

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、HSS（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，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（Master 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eNodeB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_targets sudo ./tools/run_epc 2>&1 | tee epc.log 打开另一个Shell终端运行启动HSS

sudo ./tools/run_hss 2>&1 | tee hss.log 2）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 /openairinterface4g/ 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 2015(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]

OpenAirInterface[Z/OL].

[2016-1-26].

twiki.eurecom.fr/twiki/bin/view/OpenAir

Interface.

[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。