LTE-Advanced空口监测仪表系统设计

付沛可，张治中，贺 姿

(1.重庆邮电大学通信网与测试技术重点实验室，重庆400065;2.民航东北地区空中交通管理局技术保障中心，辽宁沈阳100169)

随着通信网络技术的发展与融合，无线宽带移动通信成为可能，在任何时间、任何地点、与任何人、以任何方式进行信息交换，成为人类通信的最终诉求，长期演进(Long Term Evolution，LTE)应运而生了。作为全新的移动通信技术，LTE的网络架构［1］发生了较大变化，其扁平化结构导致传统的信令采集点消失了，需从Uu口(UE与UTRAN通信的空中接口)采集空口信令。结合核心网的信令分析系统，实现LTE端到端的空口信令分析，研发新型LTE网络监测和分析仪表，是当前LTE测试仪表研发的难点，也是运营商的迫切需求。

1 系统总体设计

LTE-Advanced(LTE的演进技术)空口端到端分布式监测仪表，支持3GPP规定的全部TD-LTE和LTE FDD频段，支持射频全部带宽设置，支持 PHY，MAC，RLC，PDCP，RRC 和NAS控制面协议栈，及 PHY，MAC，RLC，PDCP，IP，应用用户面协议栈监测和跨层多段多协议关联分析，并支持LTE-Advanced的增强特性，以监测多用户的业务建立、信令过程和数据流量，分析用户业务行为及网络问题。

1．1 物理架构

LTE-Advanced空口协议监测仪表采用MAC层聚合的设计方式。多张L1层的“射频和基带板卡”通过PCIE 2.0 X1接口与L2、L3层的“协议板板卡”相连接;“协议板板卡”通过PCIE 2.0 X2接口与“核心板板卡”相连接;便携式计算机或平板PC通过有线或者无线网络的方式访问LTE-Advanced空口协议监测仪表。LTE-Advanced空口监测仪表具体物理 架构如图1所示［2］。

图1 LTE-Advanced空口协议监测仪表物理架构

图1 所示的仪表结构主要由5个部分组成，板卡功能介绍如下:

1)射频和基带板板卡:采集射频数据，将射频的原始数据(IQ数据)恢复成比特流数据;通过NGFF接口存储原始数据;将比特流数据封装成PCIE 2.0协议帧;通过PCIE 2.0 X1接口将PCIE 2.0协议帧发送到“协议板板卡”进行处理。

2)协议板板卡:对 LTE-Advanced的 MAC层、RLC层、PDCP层进行协议关联和分析处理。

3)核心板板卡:系统的中央处理器，实现RRC层、NAS层等控制面的协议分析，实时跟踪监测多用户的业务建立、信令过程和数据流量，分析用户业务行为以及网络问题。

4)便携式计算机或平板PC:人机交换平台，通过Web等形式向用户展示分析、处理后的数据。

5)机箱背板:对PCIE 2.0接口进行关联，进行数据信息的传递。

物理层面，仪表接收和处理数据信息的步骤有如下4步，主要结合硬件结构进行说明:

步骤1，“射频和基带板卡”将天线接收的射频原始数据恢复成比特流数据，并将比特流数据封装成PCIE 2.0协议帧，送往机箱背板;

步骤2，“协议板板卡”接收“机箱背板”传送来的PCIE 2.0协议帧，对PCIE 2.0协议帧进行解帧处理，并依据LTEAdvanced的协议栈体系结构形式，实现MAC层的载波调度、解复用，实现RLC层进行级联、ARQ处理和PDCP层的解密、头解压处理，将LTE-Advanced的比特流数据恢复成TCP/IP数据包，同时，将TCP/IP数据包封装成PCIE 2.0协议帧并送往“核心板板卡”;

步骤3，“核心板板卡”接收“机箱背板”传送来的经过“协议板板卡”处理的PCIE 2.0协议帧，并对PCIE 2.0协议帧进行解帧处理，恢复成TCP/IP数据包，实时跟踪监测多用户的业务建立、信令过程和数据流量，分析用户业务行为以及网络问题;

步骤4，便携式计算机或平板PC通过有线或无线网络访问LTE-Advanced空口协议监测仪表，以网页等形式，向用户展示分析、处理的数据。

1．2 逻辑架构

LTE-Advanced空口监测仪表的逻辑功能如图2所示［3］。PHY层对应物理架构中的“射频和基带板卡”的功能;MAC层、RLC层和PDCP层对应物理架构中的“协议板板卡”功能;IP分组包对应物理架构中的“核心板板卡”功能。

图2 LTE-Advanced空口协议监测仪表逻辑架构(下行链路)

由逻辑架构图可知空口协议栈主要由4层协议组成，由上到下每一层的功能如下:

1)分组数据汇聚协议PDCP层［4］进行IP包头解压缩;IP包头解压缩机制采用稳健的头解压缩算法(ROHC);PDCP还负责控制平面的解密、传输数据的完整性保护，以及针对切换的按顺序发送和复本删除。

2)无线链路控制RLC层［5］负责分割/级联、重传控制、重复检测和序列传送到更上层;RLC以无线承载的形式向PDCP提供服务。

3)媒体接入控制MAC层［6］控制逻辑信道的解复用、混合ARQ重传(HARQ)下行链路的调度;HARQ协议部分位于MAC协议的发射和接收结束;MAC以控制信道的形式为RLC提供服务。

4)物理PHY层管理解码、解调、多天线和资源映射以及其他典型的物理层功能，物理层以传输信道的形式为MAC层提供服务。

逻辑层面，协议栈解析数据包的过程有以下4个步骤:

步骤1，LTE-Advanced空口协议监测仪从多个载波分量上接收射频端传输过来的IQ数据;进行多天线和资源映射的MIMO解码、数据解调和信道解码等操作;将空口原始数据恢复成比特流数据，并传送至MAC层。

步骤2，MAC层接收多个载波分量的比特流数据［7］，根据PSS(主同步信号)和SSS(辅同步信号)相关的内容，对载波分量的比特流数据进行解复用操作，剥离MAC首部;将MAC PDU(协议数据单元)恢复成一个个MAC SDU(服务数据单元)，并传输至RLC层。

步骤3，RLC层对MAC传送过来的RLC PDU进行RLC首部剥离操作，通过级联，形成适当大小的RLC SDU，并传输至PDCP层;RLC层还控制错误接收的RLC PDU的重传，去除重复的RLC PDU。

步骤4，PDCP层接收RLC层传输来的PDCP PDU数据，剥离PDCP首部，将PDCP PDU恢复成合适的PDCP SDU数据;并对PDCP SDU进行解密和头解压操作，恢复成IP数据包，以供上层应用软件分析和处理。

由于LTE-Advanced空口协议监测仪表主要在于实时跟踪监测多用户的业务建立、信令过程、数据流量、分析用户业务行为和网络问题，不需要主动发包测试LTE网络的性能，因此诸如HARQ等相关内容可以不考虑。

2 射频和基带板卡设计

2．1 FPGA硬件设计

该设计为片上系统SOPC方案，通过在ZC7030/ZC7045内嵌的双核ARM上搭载嵌入式Linux操作系统来配置AD936X芯片、FPGA的逻辑，通过USB/串口来调试系统，并通过嵌入式Linux操作系统的根文件系统(如xfs、ext4等)来管理IQ数据存储。

LTE空口数据通过AD936X芯片［8］转换为IQ数据。IQ数据通过LVDS接口传递到FPGA芯片上。FPGA将IQ数据复制成2份，一份传递到基带逻辑中进行处理，恢复成比特流数据，并通过PCIE 2.0模块传递到上层板卡(如图1中的协议板板卡);另一份传递到FPGA的存储控制模块，通过NGFF接口在SSD中存储不少于10 min的IQ数据［9］。

FPGA硬件设计方案如图3所示。

图3 射频+基带板卡的FPGA硬件设计方案

在本方案中，AD936X为射频芯片，ZC7030/ZC7045为FPGA芯片;DDR3、FLASH、USB/串口是FPGA的外围芯片，与FPGA一起构成片上系统(SOPC)。射频芯片与FPGA芯片之间通过LVDS接口来传递IQ数据;FPGA与固态硬盘通过NGFF接口来存储IQ数据;FPGA通过PCIE 2.0 X1接口与上层板卡传递比特流数据，并PCIE 2.0 X1接口来接收用户层的控制命令。

2．2 FPGA逻辑设计

图4为LTE上行基带通道［10］的FPGA逻辑设计方案，主要由LTE随机接入探测器(LTE RACH Detector)、LTE上行控制信道接收机(LTE PUCCH Receiver)和LTE信道解码模块构成。

图4 基于FPGA的基带逻辑设计方案(上行部分)

LTE上行控制信道接收机包含PUCCH信道估算(PUCCH Channel Estimator)、PUCCH解调器(PUCCH Demodulator)、PUCCH探测与格式化(PUCCH Detector＆Formatter)和速度匹配译码器(RM Decoder)等功能模块。

LTE信道解码模块包含速率匹配译码(RM Decoder)、维特比译码(Viterbi Decoder)、速率重匹配(Rate Dematch)、解复用(Demultiplexing)、合并分片(De-segmentation)、混合自动重传请求联合(HARQ Combine)、Turbo译码(Turbo Decoder)、循环校验及重组(CRC and Reassembly)等功能模块。

同时，LTE上行基带通道设计方案还包含正交幅度解调(QAM Demodulation)、离散傅里叶变换(DFT)、LTE多进多出译码(LTE MIMO Decoder)、快速傅里叶变换(FFT)和混合自动重传请求缓冲区(HARQ Buffer)等功能模块。

LTE随机接入探测器(LTE RACH Detector)主要完成以下2个功能:一是寻找并获得与网络中一个小区的同步;二是对信息(小区系统信息)进行接收并解码，以便可以在小区内进行通信和正常操作。

LTE上行控制信道接收机(LTE PUCCH Receiver)主要用来接收两种类型的上行控制命令。一类是与数据相关的控制命令:控制命令通常和上行数据一起发送，并且在那些数据的处理中使用，如传输格式指示、“新数据”指示符和MIMO参数;另一类是与数据无关的控制命令:与上行数据无关的控制命令，与任何上行数据包的发送相独立，例如下行数据包的HARQ确认(ACK/NACK)、支持链路自适应的信道质量指示器(CQI)和用于下行传输的MIMO反馈、上行传输调度请求(SR)等。

LTE信道解码模块主要将LTE上行共享信道的数据进行OFDM(正交频分复用)解调，并通过一系列的数据解调、信道解码、速率匹配等操作将IQ数据转换成比特流数据［11］以供上层板卡使用。

天线1、天线2、天线束为AD936X芯片出来的在LVDS接口上传递的IQ数据。由于LTE下行部分的基带逻辑设计思想与上行部分的设计内容类似，因此，在本文中不一一详细描述。

3 协议板卡设计

对于协议板板卡的设计方案，由于不太需要考虑硬件协处理器的算法加速要求，因此方案的可选余地很多，例如采用图1中的核心板板卡或图5中的FPGA的硬件设计方案都可以满足要求［12］。从产品的技术传承、性能和功耗方面考虑，本文着重关注FPGA的硬件设计方案，但如若充分考虑无线通信技术长期演进的发展方向，那么首选FPGA的设计方案。

图5 协议板板卡硬件设计方案(FPGA/DSP)

如图5所示，FPGA采用片上系统(SOPC)的设计思想，DDR3、FLASH、USB/串口都作为外围器件以供FPGA的片上系统运行。FPGA的硬件设计方案与前文第三节的内容基本一致，充分体现了FPGA方案的技术优势。

在逻辑设计方案上，虽然每个协议层有自己独特的要求和特点(详情请参考LTE-Advanced协议标准)，但方案的核心设计思想是一致的，即从空口数据中恢复出TCP/IP数据包。如图6所示［13］，接收端的数据处理的基本流程如下:

图6 LTE-Advanced协议栈处理流程(接收方向)

步骤1，去除PHY层的CRC形成MAC PDU帧(即MAC头和MAC SDU)。

步骤2，去除MAC层的头部信息形成RLC PDU帧(即RLC头和RLC SDU)。

步骤3，去除RLC层的头部信息形成PDCP PDU帧(即PDCP头和PDCP SDU)。

步骤4，去除PDCP层的头部信息形成PDCP SDU帧，对PDCP SDU进行IP头解压形成IP数据包(即IP头和负载)。

4 技术路线分析

目前，绝大部分的中小公司和科研机构都采用DSP技术来开发LTE协议栈，大公司则采用FPGA技术来开发LTE协议栈。LTE-Advanced空口监测仪表对于采集到的空口数据，并且对空口数据进行协议栈解析，将协议进行关联，最后把数据以IP包的形式传给上层应用，对用户行为和网络情况进行监测跟踪，本文之所以选择FPGA进行设计，是因为采用FPGA开发LTE-Advanced空口协议监测仪表相比较DSP开发具有一些技术优势，如表1所示［14］。

表1 FPGA与DSP实现难度比较

基于上述原因，采用FPGA技术来实现LTE-Advanced协议栈有利于产品升级和技术演进。由于LTE-Advanced空口协议栈的开发难度较大，可以采取用DSP技术开发“协议板板卡”;采用FPGA技术开发“射频+基带板卡”，同时采用软件技术在核心板板卡上开发应用软件，利用第三方算法支持、测试环境和验证手段等来检测产品性能。

5 结语

LTE在国内外正快速部署和发展，对空口监测仪表需求量大，同时，LTE具有技术更新较快的特点，传统仪表厂商面临技术更新的挑战。基于此，本文首先介绍了LTE-Advanced空口监测仪表研制的必要性。其次，从系统设计的层面分析了仪表的硬件架构、逻辑架构。再次，根据信号接收和处理的流程，先后提出基于FPGA的射频和基带板卡设计方案、协议板板卡的设计方案。最后，从设计、成本、演进等方面分析了设计方案的可行性。

［1］ 3GPP TS 36.300 v11.8.0，Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)and evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN);overall description［S］.2014.

［2］彭宇，姜红兰，杨智明，等.基于DSP和FPGA的通用数字信号处理系统设计［J］.理论与方法，2013，32(1):17-21.

［3］周志远，张治中.网络性能测试仪的FPGA设计与实现［J］.电光系统，2011，2(1):14-17.

［4］ 3GPP TS 25.323 v12.0.0，Technical specification group radio access network(E-UTRAN);packet data convergence protocol(PDCP)specification［S］.2014.

［5］ 3GPP TS 25.322 v12.0.0，Technical specification group radio access network(E-UTRAN);radio link control(RLC)protocol specification［S］.2014.

［6］ 3GPP TS 25.321 v12.1.0，Technical specification group radio access network;medium access control(MAC)protocol specification［S］.2014.

［7］徐军，张晓宇，王秀艳.基于ARM+DSP的3GPP移动通信系统标准 MAC层设计［J］.计算机测量与控制，2015，23(1):250-253.

［8］文璧，张洁，徐谦.基于无线射频与FPGA技术的数据采集系统［J］.中国测试，2009，35(4):40-43.

［9］欧阳文瀚.TDD系统基带数据处理的FPGA实现［D］.成都:电子科技大学，2013.

［10］陈发堂，杨林雨.TD-LTE综合测试仪表基带信号生成的研究与实现［J］.现代电信科技，2011(6):18-22.

［11］华舒杨，黄芝平.TMS320C6670的无线基带信号处理系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2013(8):41-44.

［12］张清勇，戴延浩.基于ARM和FPGA的手持工程测试仪设计［J］.武汉理工大学学报，2012，34(4):449-450.

［13］陶咏玲，陈绍炜，乐健.基于DSP和FPGA信号测试仪的设计［J］.科学技术与工程，2010，10(10):2498-2501.

［14］韩尧，秦开宇，汤小平.基于DSP+FPGA平台的基带信号发生器设计［J］.机械与电子，2010，7(1):66-68.