LTE-Advanced空口監(jiān)測儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付沛可，張治中，賀 姿

(1.重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065;2.民航東北地區(qū)空中交通管理局技術(shù)保障中心，遼寧沈陽100169)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與融合，無線寬帶移動(dòng)通信成為可能，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、與任何人、以任何方式進(jìn)行信息交換，成為人類通信的最終訴求，長期演進(jìn)(Long Term Evolution，LTE)應(yīng)運(yùn)而生了。作為全新的移動(dòng)通信技術(shù)，LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［1］發(fā)生了較大變化，其扁平化結(jié)構(gòu)導(dǎo)致傳統(tǒng)的信令采集點(diǎn)消失了，需從Uu口(UE與UTRAN通信的空中接口)采集空口信令。結(jié)合核心網(wǎng)的信令分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LTE端到端的空口信令分析，研發(fā)新型LTE網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和分析儀表，是當(dāng)前LTE測試儀表研發(fā)的難點(diǎn)，也是運(yùn)營商的迫切需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

LTE-Advanced(LTE的演進(jìn)技術(shù))空口端到端分布式監(jiān)測儀表，支持3GPP規(guī)定的全部TD-LTE和LTE FDD頻段，支持射頻全部帶寬設(shè)置，支持 PHY，MAC，RLC，PDCP，RRC 和NAS控制面協(xié)議棧，及 PHY，MAC，RLC，PDCP，IP，應(yīng)用用戶面協(xié)議棧監(jiān)測和跨層多段多協(xié)議關(guān)聯(lián)分析，并支持LTE-Advanced的增強(qiáng)特性，以監(jiān)測多用戶的業(yè)務(wù)建立、信令過程和數(shù)據(jù)流量，分析用戶業(yè)務(wù)行為及網(wǎng)絡(luò)問題。

1．1 物理架構(gòu)

LTE-Advanced空口協(xié)議監(jiān)測儀表采用MAC層聚合的設(shè)計(jì)方式。多張L1層的“射頻和基帶板卡”通過PCIE 2.0 X1接口與L2、L3層的“協(xié)議板板卡”相連接;“協(xié)議板板卡”通過PCIE 2.0 X2接口與“核心板板卡”相連接;便攜式計(jì)算機(jī)或平板PC通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)的方式訪問LTE-Advanced空口協(xié)議監(jiān)測儀表。LTE-Advanced空口監(jiān)測儀表具體物理 架構(gòu)如圖1所示［2］。

圖1 LTE-Advanced空口協(xié)議監(jiān)測儀表物理架構(gòu)

圖1 所示的儀表結(jié)構(gòu)主要由5個(gè)部分組成，板卡功能介紹如下:

1)射頻和基帶板板卡:采集射頻數(shù)據(jù)，將射頻的原始數(shù)據(jù)(IQ數(shù)據(jù))恢復(fù)成比特流數(shù)據(jù);通過NGFF接口存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù);將比特流數(shù)據(jù)封裝成PCIE 2.0協(xié)議幀;通過PCIE 2.0 X1接口將PCIE 2.0協(xié)議幀發(fā)送到“協(xié)議板板卡”進(jìn)行處理。

2)協(xié)議板板卡:對(duì) LTE-Advanced的 MAC層、RLC層、PDCP層進(jìn)行協(xié)議關(guān)聯(lián)和分析處理。

3)核心板板卡:系統(tǒng)的中央處理器，實(shí)現(xiàn)RRC層、NAS層等控制面的協(xié)議分析，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測多用戶的業(yè)務(wù)建立、信令過程和數(shù)據(jù)流量，分析用戶業(yè)務(wù)行為以及網(wǎng)絡(luò)問題。

4)便攜式計(jì)算機(jī)或平板PC:人機(jī)交換平臺(tái)，通過Web等形式向用戶展示分析、處理后的數(shù)據(jù)。

5)機(jī)箱背板:對(duì)PCIE 2.0接口進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞。

物理層面，儀表接收和處理數(shù)據(jù)信息的步驟有如下4步，主要結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明:

步驟1，“射頻和基帶板卡”將天線接收的射頻原始數(shù)據(jù)恢復(fù)成比特流數(shù)據(jù)，并將比特流數(shù)據(jù)封裝成PCIE 2.0協(xié)議幀，送往機(jī)箱背板;

步驟2，“協(xié)議板板卡”接收“機(jī)箱背板”傳送來的PCIE 2.0協(xié)議幀，對(duì)PCIE 2.0協(xié)議幀進(jìn)行解幀處理，并依據(jù)LTEAdvanced的協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)MAC層的載波調(diào)度、解復(fù)用，實(shí)現(xiàn)RLC層進(jìn)行級(jí)聯(lián)、ARQ處理和PDCP層的解密、頭解壓處理，將LTE-Advanced的比特流數(shù)據(jù)恢復(fù)成TCP/IP數(shù)據(jù)包，同時(shí)，將TCP/IP數(shù)據(jù)包封裝成PCIE 2.0協(xié)議幀并送往“核心板板卡”;

步驟3，“核心板板卡”接收“機(jī)箱背板”傳送來的經(jīng)過“協(xié)議板板卡”處理的PCIE 2.0協(xié)議幀，并對(duì)PCIE 2.0協(xié)議幀進(jìn)行解幀處理，恢復(fù)成TCP/IP數(shù)據(jù)包，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測多用戶的業(yè)務(wù)建立、信令過程和數(shù)據(jù)流量，分析用戶業(yè)務(wù)行為以及網(wǎng)絡(luò)問題;

步驟4，便攜式計(jì)算機(jī)或平板PC通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)訪問LTE-Advanced空口協(xié)議監(jiān)測儀表，以網(wǎng)頁等形式，向用戶展示分析、處理的數(shù)據(jù)。

1．2 邏輯架構(gòu)

LTE-Advanced空口監(jiān)測儀表的邏輯功能如圖2所示［3］。PHY層對(duì)應(yīng)物理架構(gòu)中的“射頻和基帶板卡”的功能;MAC層、RLC層和PDCP層對(duì)應(yīng)物理架構(gòu)中的“協(xié)議板板卡”功能;IP分組包對(duì)應(yīng)物理架構(gòu)中的“核心板板卡”功能。

圖2 LTE-Advanced空口協(xié)議監(jiān)測儀表邏輯架構(gòu)(下行鏈路)

由邏輯架構(gòu)圖可知空口協(xié)議棧主要由4層協(xié)議組成，由上到下每一層的功能如下:

1)分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議PDCP層［4］進(jìn)行IP包頭解壓縮;IP包頭解壓縮機(jī)制采用穩(wěn)健的頭解壓縮算法(ROHC);PDCP還負(fù)責(zé)控制平面的解密、傳輸數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)，以及針對(duì)切換的按順序發(fā)送和復(fù)本刪除。

2)無線鏈路控制RLC層［5］負(fù)責(zé)分割/級(jí)聯(lián)、重傳控制、重復(fù)檢測和序列傳送到更上層;RLC以無線承載的形式向PDCP提供服務(wù)。

3)媒體接入控制MAC層［6］控制邏輯信道的解復(fù)用、混合ARQ重傳(HARQ)下行鏈路的調(diào)度;HARQ協(xié)議部分位于MAC協(xié)議的發(fā)射和接收結(jié)束;MAC以控制信道的形式為RLC提供服務(wù)。

4)物理PHY層管理解碼、解調(diào)、多天線和資源映射以及其他典型的物理層功能，物理層以傳輸信道的形式為MAC層提供服務(wù)。

邏輯層面，協(xié)議棧解析數(shù)據(jù)包的過程有以下4個(gè)步驟:

步驟1，LTE-Advanced空口協(xié)議監(jiān)測儀從多個(gè)載波分量上接收射頻端傳輸過來的IQ數(shù)據(jù);進(jìn)行多天線和資源映射的MIMO解碼、數(shù)據(jù)解調(diào)和信道解碼等操作;將空口原始數(shù)據(jù)恢復(fù)成比特流數(shù)據(jù)，并傳送至MAC層。

步驟2，MAC層接收多個(gè)載波分量的比特流數(shù)據(jù)［7］，根據(jù)PSS(主同步信號(hào))和SSS(輔同步信號(hào))相關(guān)的內(nèi)容，對(duì)載波分量的比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行解復(fù)用操作，剝離MAC首部;將MAC PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)恢復(fù)成一個(gè)個(gè)MAC SDU(服務(wù)數(shù)據(jù)單元)，并傳輸至RLC層。

步驟3，RLC層對(duì)MAC傳送過來的RLC PDU進(jìn)行RLC首部剝離操作，通過級(jí)聯(lián)，形成適當(dāng)大小的RLC SDU，并傳輸至PDCP層;RLC層還控制錯(cuò)誤接收的RLC PDU的重傳，去除重復(fù)的RLC PDU。

步驟4，PDCP層接收RLC層傳輸來的PDCP PDU數(shù)據(jù)，剝離PDCP首部，將PDCP PDU恢復(fù)成合適的PDCP SDU數(shù)據(jù);并對(duì)PDCP SDU進(jìn)行解密和頭解壓操作，恢復(fù)成IP數(shù)據(jù)包，以供上層應(yīng)用軟件分析和處理。

由于LTE-Advanced空口協(xié)議監(jiān)測儀表主要在于實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測多用戶的業(yè)務(wù)建立、信令過程、數(shù)據(jù)流量、分析用戶業(yè)務(wù)行為和網(wǎng)絡(luò)問題，不需要主動(dòng)發(fā)包測試LTE網(wǎng)絡(luò)的性能，因此諸如HARQ等相關(guān)內(nèi)容可以不考慮。

2 射頻和基帶板卡設(shè)計(jì)

2．1 FPGA硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)為片上系統(tǒng)SOPC方案，通過在ZC7030/ZC7045內(nèi)嵌的雙核ARM上搭載嵌入式Linux操作系統(tǒng)來配置AD936X芯片、FPGA的邏輯，通過USB/串口來調(diào)試系統(tǒng)，并通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)(如xfs、ext4等)來管理IQ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

LTE空口數(shù)據(jù)通過AD936X芯片［8］轉(zhuǎn)換為IQ數(shù)據(jù)。IQ數(shù)據(jù)通過LVDS接口傳遞到FPGA芯片上。FPGA將IQ數(shù)據(jù)復(fù)制成2份，一份傳遞到基帶邏輯中進(jìn)行處理，恢復(fù)成比特流數(shù)據(jù)，并通過PCIE 2.0模塊傳遞到上層板卡(如圖1中的協(xié)議板板卡);另一份傳遞到FPGA的存儲(chǔ)控制模塊，通過NGFF接口在SSD中存儲(chǔ)不少于10 min的IQ數(shù)據(jù)［9］。

FPGA硬件設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 射頻+基帶板卡的FPGA硬件設(shè)計(jì)方案

在本方案中，AD936X為射頻芯片，ZC7030/ZC7045為FPGA芯片;DDR3、FLASH、USB/串口是FPGA的外圍芯片，與FPGA一起構(gòu)成片上系統(tǒng)(SOPC)。射頻芯片與FPGA芯片之間通過LVDS接口來傳遞IQ數(shù)據(jù);FPGA與固態(tài)硬盤通過NGFF接口來存儲(chǔ)IQ數(shù)據(jù);FPGA通過PCIE 2.0 X1接口與上層板卡傳遞比特流數(shù)據(jù)，并PCIE 2.0 X1接口來接收用戶層的控制命令。

2．2 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

圖4為LTE上行基帶通道［10］的FPGA邏輯設(shè)計(jì)方案，主要由LTE隨機(jī)接入探測器(LTE RACH Detector)、LTE上行控制信道接收機(jī)(LTE PUCCH Receiver)和LTE信道解碼模塊構(gòu)成。

圖4 基于FPGA的基帶邏輯設(shè)計(jì)方案(上行部分)

LTE上行控制信道接收機(jī)包含PUCCH信道估算(PUCCH Channel Estimator)、PUCCH解調(diào)器(PUCCH Demodulator)、PUCCH探測與格式化(PUCCH Detector＆Formatter)和速度匹配譯碼器(RM Decoder)等功能模塊。

LTE信道解碼模塊包含速率匹配譯碼(RM Decoder)、維特比譯碼(Viterbi Decoder)、速率重匹配(Rate Dematch)、解復(fù)用(Demultiplexing)、合并分片(De-segmentation)、混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求聯(lián)合(HARQ Combine)、Turbo譯碼(Turbo Decoder)、循環(huán)校驗(yàn)及重組(CRC and Reassembly)等功能模塊。

同時(shí)，LTE上行基帶通道設(shè)計(jì)方案還包含正交幅度解調(diào)(QAM Demodulation)、離散傅里葉變換(DFT)、LTE多進(jìn)多出譯碼(LTE MIMO Decoder)、快速傅里葉變換(FFT)和混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求緩沖區(qū)(HARQ Buffer)等功能模塊。

LTE隨機(jī)接入探測器(LTE RACH Detector)主要完成以下2個(gè)功能:一是尋找并獲得與網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)小區(qū)的同步;二是對(duì)信息(小區(qū)系統(tǒng)信息)進(jìn)行接收并解碼，以便可以在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行通信和正常操作。

LTE上行控制信道接收機(jī)(LTE PUCCH Receiver)主要用來接收兩種類型的上行控制命令。一類是與數(shù)據(jù)相關(guān)的控制命令:控制命令通常和上行數(shù)據(jù)一起發(fā)送，并且在那些數(shù)據(jù)的處理中使用，如傳輸格式指示、“新數(shù)據(jù)”指示符和MIMO參數(shù);另一類是與數(shù)據(jù)無關(guān)的控制命令:與上行數(shù)據(jù)無關(guān)的控制命令，與任何上行數(shù)據(jù)包的發(fā)送相獨(dú)立，例如下行數(shù)據(jù)包的HARQ確認(rèn)(ACK/NACK)、支持鏈路自適應(yīng)的信道質(zhì)量指示器(CQI)和用于下行傳輸?shù)腗IMO反饋、上行傳輸調(diào)度請(qǐng)求(SR)等。

LTE信道解碼模塊主要將LTE上行共享信道的數(shù)據(jù)進(jìn)行OFDM(正交頻分復(fù)用)解調(diào)，并通過一系列的數(shù)據(jù)解調(diào)、信道解碼、速率匹配等操作將IQ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成比特流數(shù)據(jù)［11］以供上層板卡使用。

天線1、天線2、天線束為AD936X芯片出來的在LVDS接口上傳遞的IQ數(shù)據(jù)。由于LTE下行部分的基帶邏輯設(shè)計(jì)思想與上行部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容類似，因此，在本文中不一一詳細(xì)描述。

3 協(xié)議板卡設(shè)計(jì)

對(duì)于協(xié)議板板卡的設(shè)計(jì)方案，由于不太需要考慮硬件協(xié)處理器的算法加速要求，因此方案的可選余地很多，例如采用圖1中的核心板板卡或圖5中的FPGA的硬件設(shè)計(jì)方案都可以滿足要求［12］。從產(chǎn)品的技術(shù)傳承、性能和功耗方面考慮，本文著重關(guān)注FPGA的硬件設(shè)計(jì)方案，但如若充分考慮無線通信技術(shù)長期演進(jìn)的發(fā)展方向，那么首選FPGA的設(shè)計(jì)方案。

圖5 協(xié)議板板卡硬件設(shè)計(jì)方案(FPGA/DSP)

如圖5所示，F(xiàn)PGA采用片上系統(tǒng)(SOPC)的設(shè)計(jì)思想，DDR3、FLASH、USB/串口都作為外圍器件以供FPGA的片上系統(tǒng)運(yùn)行。FPGA的硬件設(shè)計(jì)方案與前文第三節(jié)的內(nèi)容基本一致，充分體現(xiàn)了FPGA方案的技術(shù)優(yōu)勢。

在邏輯設(shè)計(jì)方案上，雖然每個(gè)協(xié)議層有自己獨(dú)特的要求和特點(diǎn)(詳情請(qǐng)參考LTE-Advanced協(xié)議標(biāo)準(zhǔn))，但方案的核心設(shè)計(jì)思想是一致的，即從空口數(shù)據(jù)中恢復(fù)出TCP/IP數(shù)據(jù)包。如圖6所示［13］，接收端的數(shù)據(jù)處理的基本流程如下:

圖6 LTE-Advanced協(xié)議棧處理流程(接收方向)

步驟1，去除PHY層的CRC形成MAC PDU幀(即MAC頭和MAC SDU)。

步驟2，去除MAC層的頭部信息形成RLC PDU幀(即RLC頭和RLC SDU)。

步驟3，去除RLC層的頭部信息形成PDCP PDU幀(即PDCP頭和PDCP SDU)。

步驟4，去除PDCP層的頭部信息形成PDCP SDU幀，對(duì)PDCP SDU進(jìn)行IP頭解壓形成IP數(shù)據(jù)包(即IP頭和負(fù)載)。

4 技術(shù)路線分析

目前，絕大部分的中小公司和科研機(jī)構(gòu)都采用DSP技術(shù)來開發(fā)LTE協(xié)議棧，大公司則采用FPGA技術(shù)來開發(fā)LTE協(xié)議棧。LTE-Advanced空口監(jiān)測儀表對(duì)于采集到的空口數(shù)據(jù)，并且對(duì)空口數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議棧解析，將協(xié)議進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最后把數(shù)據(jù)以IP包的形式傳給上層應(yīng)用，對(duì)用戶行為和網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行監(jiān)測跟蹤，本文之所以選擇FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，是因?yàn)椴捎肍PGA開發(fā)LTE-Advanced空口協(xié)議監(jiān)測儀表相比較DSP開發(fā)具有一些技術(shù)優(yōu)勢，如表1所示［14］。

表1 FPGA與DSP實(shí)現(xiàn)難度比較

基于上述原因，采用FPGA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)LTE-Advanced協(xié)議棧有利于產(chǎn)品升級(jí)和技術(shù)演進(jìn)。由于LTE-Advanced空口協(xié)議棧的開發(fā)難度較大，可以采取用DSP技術(shù)開發(fā)“協(xié)議板板卡”;采用FPGA技術(shù)開發(fā)“射頻+基帶板卡”，同時(shí)采用軟件技術(shù)在核心板板卡上開發(fā)應(yīng)用軟件，利用第三方算法支持、測試環(huán)境和驗(yàn)證手段等來檢測產(chǎn)品性能。

5 結(jié)語

LTE在國內(nèi)外正快速部署和發(fā)展，對(duì)空口監(jiān)測儀表需求量大，同時(shí)，LTE具有技術(shù)更新較快的特點(diǎn)，傳統(tǒng)儀表廠商面臨技術(shù)更新的挑戰(zhàn)。基于此，本文首先介紹了LTE-Advanced空口監(jiān)測儀表研制的必要性。其次，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層面分析了儀表的硬件架構(gòu)、邏輯架構(gòu)。再次，根據(jù)信號(hào)接收和處理的流程，先后提出基于FPGA的射頻和基帶板卡設(shè)計(jì)方案、協(xié)議板板卡的設(shè)計(jì)方案。最后，從設(shè)計(jì)、成本、演進(jìn)等方面分析了設(shè)計(jì)方案的可行性。

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