基于软件无线电的LTE-Advanced实时测试平台同步的设计与实现

李　鹏, 杨保亮,胡勤国, 干红平

(1.重庆文理学院电子电气工程学院， 重庆　永川　402160； 2.重庆大学通信工程学院， 重庆　沙坪坝　400044)



基于软件无线电的LTE-Advanced实时测试平台同步的设计与实现

李鹏1,2, 杨保亮1,胡勤国1, 干红平1

(1.重庆文理学院电子电气工程学院， 重庆永川402160； 2.重庆大学通信工程学院， 重庆沙坪坝400044)

[摘要]基于GNU Radio和USRP以软件无线电方式构建了一个移动通信技术实时测试平台.在此平台上，利用LTE无线帧中的主/辅同步信号实现了符合LTE-Advanced物理层规范的实时通信.该测试平台为真实物理环境下移动通信技术的设计、测试及验证提供了技术手段.

[关键词]软件无线电; LTE-Advanced测试平台;同步; GNU Radio; USRP

采用先进无线传输技术及新型移动通信网络架构是满足未来移动通信需求的主要途径[1].清华大学、北京邮电大学及东南大学利用C++和MATLAB分别建立了国内领先的LTE(Long Term Evolution)系统级软件仿真平台[2, 3].维也纳技术大学基于MATLAB建立了符合LTE-Advanced标准的链路级和系统级软件仿真平台[4].软件仿真平台的搭建，为LTE及LTE-Advanced技术研究提供了仿真测试手段.但是，仅靠软件仿真已不能满足未来移动通信技术的设计与测试需要.软硬结合的测试平台与计算机软件仿真相比，信道环境、干扰环境真实，算法、技术方案时间维度特征得以体现，执行速度快，实时性强等.因此，有必要开发符合未来移动通信技术测试需求的软硬结合的实时测试平台.

基于上述考虑，选用GNU Radio和通用软件无线电外设USRP (Universal Software Radio Peripheral)以软件无线电的方式搭建了一个移动通信技术测试平台.在测试平台搭建过程中，分析、总结了先进无线传输技术和新型移动通信网络架构、技术的测试需求，根据测试需求设计了测试平台的组成结构，设计了测试平台无线收发工作模式，实现了平台中各组件、模块的功能，编制了图形化用户界面.运行结果表明，测试平台无线接收端与发送端实现了同步.测试结果真实反映了信道环境、干扰环境对测试平台同步的影响.

1GNU Radio简介

GNU Radio是一个开源的软件定义无线电软件.GNU Radio在通用处理器上运行，完成基带信号处理，如调制、解调等与信号波形相关的操作[5].在GNU Radio中，利用面向对象的脚本化高级编程语言Python进行信号处理流程图的编制.信号处理流程图由若干具有独特功能的信号处理模块组成.如图1所示，使用Python编写GNU Radio顶层模块.顶层模块通过接口生成器SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator)调用底层信号处理模块[6].在测试平台中，实时性要求严格的信号处理模块是由C++编程实现的，并利用GRC (GNU Radio Companion)这个类似于Simulink的图形化界面工具，编制图形化的信号处理流程图.

图1　GNU Radio编程结构示意图

2通用软件无线电外设USRP

通用软件无线电外设USRP主要由一块FPGA母板和一块或多块可调换的覆盖不同频率范围的子板组成，完成诸如数字上/下变频、抽样、内插等高速通用操作.USRP支持GNU Radio、Labview、Matlab/Simulink等众多软件平台.USRP与HackRF、bladeRF等其他软件无线电外设相比，频带范围宽，采样精度高，采样速率快，支持全双工方式等[7, 8].网络系列的USRP采用千兆以太网接口，传输速率达1 Gbps，传输距离较长，适宜作为移动通信技术测试平台的射频前端.

3测试平台发送端及接收端信号处理流程

测试平台发送端信号处理流程如图2所示.首先生成待发送数据、小区专用参考信号CRS (Cell-specific Reference Signal)、主同步信号PSS (Primary Synchronization Signal)及辅同步信号SSS (Secondary Synchronization Signal)；接着对待发送数据进行调制，在已实现系统中采用QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)调制方式；接着根据LTE无线帧资源映射规定，生成LTE无线帧；对无线帧进行IFFT变换，再将循环前缀CP (Cyclic Prefix)插入到待发送数据的前部，生成OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)符号；最后利用USRPTx将生成的无线帧以OFDM符号的形式逐个发射.

测试平台接收端的信号处理流程如图3所示.图3中，实线代表数据流，虚线代表信息流.接收端USRP将无线帧接收下来，首先进行频偏校正，频偏值的大小由频偏值计算模块计算得到；频偏值freq_offset以message_passing方式反馈至频偏校正模块，实现对接收数据的频偏校正.接着进行循环前缀CP定位，获取CP位置信息.CP位置信息一方面用于频偏计算，另一方面用于去除CP.在去除CP之后，通过FFT变换将数据由时域变换至频域.接着利用主同步信号PSS和辅同步信号SSS实现发送端接收端同步.利用小区专用参考信号CRS实现信道估计.利用信道估计的结果对接收到的数据进行幅度及相位的补偿.在实现了接收数据幅度及相位补偿之后，对接收数据进行判决，将判决结果以一定的数据格式加以输出.

图2　发送端信号处理流程

图3　接收端信号处理流程

4测试平台收发端同步

利用LTE物理层同步信号实现测试平台收发端同步.LTE物理层同步信号用于物理层小区搜索，实现用户终端对小区的识别及同步.LTE物理层同步信号有主同步信号和辅同步信号.每个同步信号在时域上为1个OFDM符号，在频域上占用下行频带中心1.08 MHz带宽.

如图4所示，LTE中一个无线帧(frame)包含10个子帧(subframe)，编号为0到9；包含20个时隙(slot)，编号为0~19；每一个时隙包含7个OFDM符号(symbol)，编号为0~6.每帧由140个OFDM符号组成.每帧包含两个主同步信号和辅同步信号.一帧中两个PSS相同；两个SSS不同，前半帧的SSS_sub0与后半帧的SSS_sub5不同.SSS_sub0为第0个子帧中的辅同步信号，SSS_sub5为第5个子帧中的辅同步信号.

图4　LTE FDD Type1帧结构

4.1半帧同步

首先利用主同步信号实现接收端与发送端之间的半帧同步.将接收到的70个OFDM符号逐个与接收端本地生成的主同步信号PSS做相关运算，得到70个相关值.最大相关值对应的OFDM符号中包含PSS信号.因此，最大相关值对应的OFDM符号在该半帧数据中应该编号为6.然而，由于接收到的70个OFDM符号并不恰好为半个无线帧，因此76减去当前半帧OFDM符号编号为实际OFDM符号编号.经过主同步信号定位模块find_pss的处理，接收端定位了主同步信号PSS.从下一半帧开始输出实际的OFDM符号编号，实现了半帧同步.

4.2符号同步

接着利用辅同步信号实现接收端与发送端之间的符号同步.符号同步的含义是指无线接收端能够对每一个无线帧中的140个OFDM符号进行正确的编号，编号范围为1~140.利用主同步信号定位模块find_pss的处理结果，将接收到的编号为5的OFDM符号与本地生成的辅同步信号SSS_sub0和SSS_sub5分别相关，将相关值分别存储到Corr_f_0和Corr_f_5中.若Corr_f_0 >Corr_f_5，说明当前OFDM符号所处半帧为前半帧，将find_pss模块的输出编号直接输出；若Corr_f_0

4.3物理层小区ID解算

图5　同步程序流程

图6　物理层小区ID解算

5测试结果

5.1测试平台运行参数配置

测试平台搭建完成之后，利用此平台进行真实物理环境下的通信测试.采用增强型小区间干扰协调技术，抑制小区间干扰，实现宏小区/微小区两层结构的异构网通信.选用Ettus Research公司的USRP N210作为基站射频前端和无线终端.选用服务器Dell Power Edge T620作为中央处理单元.完成基带数字信号处理的GNU Radio安装在中央处理单元中.宏基站通过前端交换机以有线回程的方式与中央处理单元相连；低功率节点采用有线回程的方式与宏基站相连.测试平台运行参数配置如表1所示.

表1　测试平台运行参数配置

5.2同步测试结果

如图7所示，find_sss模块向后继模块逐个输出了OFDM符号编号.find_pss模块和find_sss模块分别消耗70个OFDM符号后实现半帧同步和符号同步.因此，首个无线帧包含的140个OFDM符号对应输出140个0.接着find_sss模块向后继模块逐个输出OFDM符号编号.

测试平台收发两端同步测试结果如图7所示.图7 (a)表明，在经过了半帧同步和符号同步之后，测试平台接收端已经实现了OFDM符号的正确编号.在半帧同步和符号同步的过程中，系统输出编号为0.实现半帧同步和符号同步之后，同步模块顺序输出编号范围为1~140的OFDM符号编号.图7(b)表明，接收端对接收到的一帧OFDM符号编号完毕之后，对下一帧OFDM符号进行1~140的顺序编号.至此，实现了测试平台无线收发两端的同步.

(a)首帧同步测试结果

(b)前一帧转至下一帧时的同步测试结果

5.3实时测试平台

利用wxPython编制了如图8所示的图形化用户界面，提取了用户吞吐率和通信误码率两个重要的性能指标.在未采用增强型小区间干扰协调技术时，宏小区边缘用户UE#1和微小区边缘用户UE#2的通信速率约为450 Kbps.由于存在小区间干扰，用户通信误码率高达30﹪~40﹪，用户无法正常通信.在采用了增强型小区间干扰协调技术之后，小区用户通信误码率显著下降.与此同时，为抑制小区间干扰，干扰基站会有一些子帧未承载数据.因此，微小区用户UE#1及宏小区用户UE#2的通信速率较采用干扰协调技术之前略微降低，约为300 Kbps.通信速率的略微降低换来了误码率的显著下降.

图8　测试平台图形化用户界面

6结语

本文设计并实现了一个移动通信技术实时测试平台.该平台利用GNU Radio和USRP以软件无线电的方式搭建.平台实现方式灵活，结构通用且模块化，扩展性、可移植性强，易于改进及扩展，适用于测试、验证不断发展演进的移动通信技术.运行结果表明，测试平台实现了无线接收端与发送端的同步.测试结果真实反映了信道环境、干扰环境对测试平台同步的影响.

[参考文献]

[1]Cisco Public. Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast update, 2013-2018[EB/OL]. (2014-02-05) [2015-08-26] .http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white_paper_c11-520862.html.

[2]陈伟, 孙引, 李云洲, 等. 基于MATLAB的LTE系统级仿真平台的建立[J]. 通信技术, 2010, 43(5):170-175.

[3]周文安, 陈微, 陈思, 等.基于MATLAB的LTE仿真平台CoMP功能的设计与实现[J]. 系统仿真学报, 2012, 24(11):2259-2263.

[4]MEHLFUHRER C, IKUNO J C, SIMKO M, et al. The Vienna LTE simulators-enabling reproducibility in wireless communications research[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing 2011,29:1-14.

[5]BLOSSOM E. Exploring GNU Radio [EB/OL]. (2004-11-29) [2015-08-28].http://www.gnu.org/software/doc/exploring-gnuradio.html.

[6]GNU Radio 3.7.5 C++ API. [EB/OL].(2013-11-04) [2015-08-26]. http://gnuradio.org/doc/ doxygen/index.html.

[7]MA N, LI Y M. 4G Test-bed trial: Building wireless research “HEART”-CoMP probes the first step[C]//IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications Workshops. Istanbul, Turkey, 2010: 408-413.

[8]BUDHIRAJA R, RAMAMURTHI B, NARAYANAN B, et al. End-to-end india-uk transnational wireless testbed [EB/OL].(2011-06-10)[2015-08-24].http://ictactjournals.in/paper/jct_Spl_Paper _323_328.pdf.

(责任编辑穆刚)

The synchronization design and implementation of LTE-advanced real-time test platform based on the software defined radio

LI Peng1, 2, YANG Baoliang1, HU Qinguo1, GAN Hongping1

(1. School of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China;2. College of Communication Engineering, Chongqing University, Shapingba Chongqing 400044, China)

Abstract：Based on the GNU Radio and universal software radio peripheral a test platform for mobile communication technologies is constructed. With the platform, a real communication conforming to LTE-Advanced physical layer specification is implemented by the PSS/SSS of LTE radio frame. The platform provides a tool to the design, test and verification for the mobile communication technologies in real environment.

Key words：soft defined radio; LTE-Advanced test platform; synchronization; GNU Radio; USRP

[中图分类号]TN929.53

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0055-06

[通讯作者]杨保亮 (1979—)，男，山东枣庄人，讲师.

[作者简介]李鹏 (1981—)，男，湖南长沙人，讲师，博士，主要从事新一代宽带无线通信理论与技术方面的研究.

[基金项目]重庆市教委科学技术研究项目(KJ1501105，KJ1501107)；重庆大学研究生科技创新基金项目(CDJXS12161103)；重庆文理学院科研项目(Y2015DQ35).

[收稿日期]2015-09-18