这是一篇论文的翻译,原题是"Demo – OpenAirInterface: An Open LTE Network in a PC",发表在MOBICOM 2014,正是这篇论文的这些作者们搞出了论文里写的这些东西(好像是废话)。我的毕设不出意外也将是这个方向,有些地方译的肯定不到位,权当科普了。

----------------------------------------------------分割线-----------------------------------------------------

Navid Nikaein, Raymond Knopp, Flor ian Kaltenberger, Lionel Gauthier,

Chr istian Bonnet, Dominique Nussbaum, and Riadh Ghaddab

Eurecom

06410 Biot Sophia-Antipolis, France

Nikaeinn, knopp, bonnet, kaltenberger, gauthier, nussbaum, ghaddab@eurecom.fr

摘要

在世界范围内,长期演进4G移动网络(LTE)技术正逐渐应用到各种主流系统,并且在最近的10年内,该项技术大有统治移动平台的趋势。同时,该技术最终会超越现阶段的移动网络技术,并且成为通向第五代移动网络的起始点。在供应商和运营商研发机构的垄断下,缺少开放的移动网络开发环境已经限制了移动网络领域的应用和研究。此外,一些新兴的技术和方法正被看做是构建未来移动网络的关键所在,包括构建无线电通信网云,服从二级分配网络(SDN)原则的无线电通信网络编程,对机器类型通信的本地支持,以及伟大的多入多出技术(MIMO)。对上述技术的研究需要有一个现实灵活的实验平台,可以在这个平台进行大量不同模式下的实验,控制并推进当前研究同时保持现阶段系统的向后兼容性。

在这份工作中,我们提出开放空中接口(OAI)并且把它当一个做通向开放的长期演进(LTE)生态系统的可靠灵活平台(参考文献1)。我们将会展示一个通过开放空中接口(OAI)技术,部署在一款兼容长期演进(LTE)标准的廉价商业级硬件设备上的开放的长期演进网络(LTE)的例子。我们还将展示这个平台的可重构性特征。

分类和主题描述
C.2.1 [计算机通信网络]:网络结构和设计 – 无线通信系统
关键词
开放空中接口(OAI), 长期演进网络(LTE),开放的移动生态系统
 

1. 内容介绍

众多的行业(工业)生产活动,人们希望能够通过移动系统,从缓慢发展、垄断又昂贵的软件、硬件平台慢慢过渡到一个开放的软件平台,进而去适应商用硬件平台。这就需要我们在无线领域建立起一个开放的移动生态系统并且创新和发展,就像开放栈(OpenStack)在云服务起的作用、安卓(Android)在手机操作系统中起的作用一样。现阶段,唯一的开放移动生态系统就是OpenBTS,OpenBTS为2G网络系统提供了一套开放的开发工具(参考文献2)。

在这份工作中,我们将展示开放空中接口(OAI)无线网络技术平台,该平台是首次开源实现并以软件的形式呈现,同时满足E-UTRAN 和 4G核心网络(EPC) 3GPP标准下的所有协议栈,将用于长期演进网络(LTE)系统中(参考文献1)。该平台可以在一台个人电脑(PC)上建立和定制一个长期演进网络(LTE)基站和核心网络,并且可以和商用级UEs连接,对不同的网络配置和设定进行测试,同时还可以实时地监视网络和移动设备。开放空中接口(OAI)是基于计算机软件的无线前端,通过该接口,将一个软件无线前端终端连接到一个主机进程,就可以在功能上实现无线信号的接收和发射。在无线网络研究领域,这种方式和其他的软件定义的无线电(SDR)原型设计平台相比是有相似之处的,例如SORA(参考文献3)。其他相似的方式是通过使用 NI LabView 软件(参考文献4)或者WARP结构(参考文献5)将基于现场可编程门阵列(FPGA)的进程和PC进行结合。值得指出的是,开放空中接口(OAI)是唯一的开源的全部基于x86架构的软件定义无线电(SDR)解决方案,同时满足UE,eNB标准,并且具有核心网络功能。Amarisoft(LTE100)是一个相似的闭源的开发并商用的技术,该技术在标准 Linux PC上提供eNB和核心网络功能,并致力应用于几个 USRP 平台(参考文献6)。开放空中接口(OAI)用标准C语言实现,可以应用在实时Linux 系统,代码优化后应用在X86 架构系统并且以自由软件发布,带有第三版的GUN证书(GNU General Public License,GPLv3)。OAI提供了一个拥有非常丰富的应用范围很广的工具的开发环境,例如高度逼真的仿真工具,软件监视和调试工具,协议分析工具,性能分析器,以及各层和各信道的日志配置系统。

为了建立一个灵活、廉价的,用于部署和实验4G网络的开放的移动生态系统,OAI致力于实现如下目标:

  1. 在实验控制下的开发的集成开发环境;
  2. 全部基于软件的网络功能,能够灵活地构建、改编、和重新配置网络组成(网络边缘、网路核心、使用相同和不同地址空间上的云);
  3. 商业手机、应用和服务平台,同时也是内容提供商;
  4. 服从和不服从3GPP的快速原型设计样例,同时也是横跨从M2M/IoT和软件定义网络到云 - RAN和多入多出技术(MIMO)的实现5G网络的新概念。

2. 开放空中接口(OAI 

软件

现阶段,OAI平台包括一套完整的用C语言实现的应用在x86架构的实时Linux系统的并且服从3GPP长期演进网络(LTE)标准的第四代移动通信系统的软件实现。在物理层,该平台体现出如下特征:

  1. 服从LTE发行版8.6,带有一个服从发行版10的子集;
  2. 频分复用、时分复用配置在5MHz,10MHz,20MHz带宽;
  3. 传输方式:1(单输入单输出系统,SISO),2,4,5,和6(多径MIMO 2 * 2);
  4. CQI/PMI 上报;
  5. 所有的数据传输链路通道支持:PSS,SSS,PBCH,PCFICH,PHICH,PDCCH,PDSCH,PMCH;
  6. HARQ支持(UL和DL);
  7. 高度优化的基带处理(包括解码器)。通过AVX2优化,这个全部由软件构成的解决方案可以适应平均状态下每eNB 一个x86核心的实例(64QAM的向下链路,16QAM的向上链路,20MHz,单输入单输出系统,SISO)。

对于E-UTRAN协议栈,该平台满足:

  1. 服从LTE发行版8.6,子集服从发行版10的某些特征;
  2. 实现了MAC,RLC,PDCP和RRC层;
  3. Re110和eMBMS协议服务(MCH,MCCH,MTCH);
  4. 带有动态MCS选择的基于优先级的MAC调度器;
  5. 完全可重构的协议栈;
  6. 集成用于检查和加密的AES算法和Snow3G算法;
  7. 支持带有测量间隔的RRC测量;
  8. 标准S1AP和GTP-U接口的网络核心;
  9. 支持IPv4和IPv6;

进化的数据包核心网络特征:

  1. MIME,SGW,PGW和HSS实现。OAI重用了一些标准,这些标准服从GTPv1u和GTPv2c应用于4G核心网络(EPC)又称作nwEPC的开源软件实现的应用协议栈(参考文献7);
  2. NAS使用AES算法和Snow3G算法进行集成和加密;
  3. UE程序操作:附加,认证,服务接入,无线承载接入;
  4. 透明接入到IP网络(外部服务网关和PDN网关都不是必要的)。可配置接入名称,IP范围,DNS和E-RAB QoS;
  5. 支持IPv4和IPv6;

 

Figure1

图片1:开放空中接口(OAI)长期演进网络(LTE)软件栈

图片1(Figure 1)展示了实施在LTE协议栈的OAI原理图。OAI可以在具有丰富软件开发环境的条件下使用,包括Aeroflex-Geisler LEON / GRLIB,用RTAI或者RT-PREEMPT实现的RT系统(RTOS),Linux,GUN,Wireshark,控制和监视工具,消息和时间分析器,低级的登录系统,通信量发生器,分析工具和示波器。它同样提供了协议验证的工具,性能评估工具和预部署系统测试工具。一些互操作性测试已经在支持LTE的商业级移动设备成功实施,也就是说华为E392(Huawei E392),华为 E398u-1(Huawei E398u-1)和Bandrich 500已经支持商业的第三代4G核心网络(EPC)协议。开放空中接口(OAI)平台可以在不同配置下不同程度上地应用在一些商业组件中:

  • OAI UE OAI eNB + OAI EPC
  • OAI UE OAI eNB + Commercial EPC
  • OAI UE Commercial eNB + OAI EPC
  • OAI UE Commercial eNB + Commercial EPC
  • Commercial UE Commercial eNB + OAI EPC
  • Commercial UE OAI eNB + Commercial EPC
  • Commercial UE OAI eNB + OAI EPC

硬件

为了进行真实的实验和验证,OAI默认的无线软件前端是ExpressMIMO2 PCIExpress (PCIe)电路板。该电路板采用Spartan 6 LX150T 现场可编程门阵列(FPGA) 和4个来自Lime Micro Systems(LMS6002)的高质量的芯片组组成,在上面集成了LEON3嵌入式系统,这个电路板是LTE级别的多径RF前端终端(LTE-grade MIMO RF front-ends)为小型eNBs电话设计的。它可以在低功率水平下(每个信道最大 0 dBm 发射功率)支持独立标准的操作系统,只需简单地连接到一个无线电路板。对于大功率和时分复用/频分复用(TDD/FDD)双工的额外的无线电频率(RF)可以根据部署方案连接到ExpressMIMO2。无线电频率可以根据时分双工(TDD)操作系统和频分双工(FDD)操作系统的不同进行配置,信道带宽最高可达20MHz,覆盖了可用无线电频率频谱(250 MHz ~ 3.8 GHz)和LTE多径传输模式的非常大的部分。ExpressMIMO2 电路板无论在软件层面还是硬件层面来说都是实惠的和完全开放的(GUN GPL)。图片2(Figure 2)展示了ExpressMIMO2的硬件平台。

Figure2

图片2:开放空中接口(OAI)ExpressMIMO2硬件平台

PCIexpress 电路板动态地受PC设备驱动的控制。基础的设计不包括任何的基于现场可编程门阵列(FPGA)的信号进程并且只占用大约10% - 15% 的FPGA的资源。FPGA上面留出的重要的空间可以提供给附加的进程,例如如果需要的话,可以从宿主PC上关闭Xilinx 快速傅里叶变换(FFT)进程。

除了 ExpressMIMO2,OAI现阶段也支持最近的USPP 基于PC的软件无线平台UHD接口,USPP 基于PC的软件无线平台被广泛的应用在研究领域。特别的,安捷伦科技(中国)公司(Agilent China)最近已经成功地把OAI软件与USRP B210平台连接到了一起(参考文献8)。这项开发已经成为OAI网站和SVN服务器的可用软件包的一个组成部分(参考文献1)。EURECOM将会继续维护这项开发并扩展到X300(USRP-Rio)家族系列产品。自从这份代码被成功独立移植到一个完全不同的硬件平台,这项成就就标志着将标准PC和通用软件定义的无线电(SDR)前端方法带入OAI的有效性。

演示描述

这份重要的演示方案在图片3(Figure 3)和图片4(Figure 4)中展示。

Figure3

图片3:演示的配置和包括的实体

Figure4

图片4:演示的硬件组成部分

该方案由一个商业的支持OAI的智能手机或者适配器(华为ascend P7或者华为E398u-1)和一个带有USB OAI适配器笔记本设备(华为 E398u-1或者Bandrich C500),一个OAI软eNB和OAI软4G核心网络(EPC)设备组成,在Intel芯片的PC上运行。从所有工作都在一台PC上完成到所有工作在分开的各个物理实体上运行,根据部署方案的不同而有所不同。对于这个演示,我们打算论证下在一台PC上可以完成的说法,开放空中接口(OAI)软eNB和EPC功能都在同一台PC上进行。在这种配置下,eNB运行在一个实时Linux宿主PC上,MIME和S+P-GW运行在一台虚拟机(VM)的顶层,HSS运行在另一台虚拟机(VM)上。

这个演示将部署在频分双工(FDD)单输入单输出系统,SISO模式下。将使用两个目标频率:频带13(美国,USA),频带7(欧洲,Europe),在一个受控的室内无线环境中。在这个推荐的演示中,我们将会接入如下对象:

  1. 成功的附加进程(控制版面),和下行链路中的视频流(数据版面);
  2. 从协议到无线频率,跨越所有层所有设定的高水平的可重构性和可编程性;
  3. 实时的演示移动设备的表现;
  4. 在个人电脑(PC)端使用商用硬件来运行LTE网络。

上述实验方案将会进行真实地演示,得到的实验结果也将和相应的实验执行平行的展示出来。我们将讨论网络通过开放的API和应用在智能电话和云-RAN中心进程领域的OAI的用法的可编程性和可重构性。

4. 演示要求

下面的设备将应用在这次的展示中:

  1. 一台带有EXMIMOII芯片的运行OAI 4G核心网络(EPC)和OAI eNB的PC;
  2. 一个带有保护的LTE UE和一部LTE的智能手机;
  3. 电缆、滤波器、小的天线和衰减器;

另外,我们还要求:

  1. 一张3米长的桌子,用来摆放上述设备;
  2. 电源插头和网络插头,给所有设备供电和网络;
  3. 5到10分钟用来展示和解释这个演示。

 5. 结论

我们提出OAI - 一个合适又灵活的平台,同时为4 G实验和5 G研究提供了一个开放的移动生态系统。它提供了一套服从3GPP LTE系统的开源软件实现并且为实时的室内/室外实验和演示提供了LTE - A特征的子集。

在这个演示中,我们展示了一个把所有设备部署在同一台PC的基于OAI平台的长期演进网络(LTE)。我们通过商业的启用长期演进网络(LTE)的带有保护的USB和只能手机展示互操作性,突出了完整的附加进程,默认数据无线传输的建立,和下行链路的视频传输。我们同样展示了这个平台的可重构特征。

感谢

这项研究和开发取得的这些成果经第七届欧盟框架计划(FP7 / 2014 - 2017)612050 FLEX工程予以同意和318306 NEWCOM#工程予以同意并且收到了来自欧洲研究委员会的资金。

 6. 参考文献

  1. 开放空中接口(OAI)平台 。openairinterface.org/,知识库:svn.eurecom.fr/openair4G/trunk。
  2. 开放BTS工程。openbts.org/
  3. Tan and al. Sora:使用通用的多核处理器高性能无线软件。Communications of the ACM,2011。
  4. S. Shearman and al:使用灵活的方法设计软件定义无线协议平台。IEEE Microwave Magazine,2012。
  5. Amiri and al. Warp:为教育和研究开发的统一的无线网络测试床。In Proceedings of IEEE MSE,2007。
  6. Amarisoft:www.amarisoft.com/
  7. nwEPC - 4G核心网络(EPC)SAE 网关。 http://sourceforge.net/projects/nw4GEPC/
  8. Ettus USRP B210。ettus.com/product/details/UN210-KIT