基于OAI平台的软件框架及应用研究

【摘要】 OpenAirInterface（OAI）仿真平台是评估LTE和LTE-Advanced系统，测试相关的算法和策略的有效工具。本文首先对比现有仿真技术并分析其局限性，阐述OAI仿真平台的软件框架，分析OAI平台下可实现的LTE协议栈及演进分组核心网的主要功能。最后，本文简要分析OAI仿真平台的应用领域及并对未来做展望。

【关键字】 OpenAirInterface 仿真平台 LTE 软件框架 协议栈 应用分析

一、引言

随着无线通信技术的发展，通信系统的研究进入新水平。第三代移动通信系统取得世界性成功后，LTE和LTE-A的标准和协议一直是3GPP重点研究问题。评估LTE/ LTE-A系统性能、研究链路容量及相关算法是项重要工作。由于构建一个真实无线通信系统的成本较高，可建立一个兼容的实验仿真平台实现系统性能的测试与评估。仿真平台的系统设计和开发必须严格遵循LTE标准和协议，并考虑影响系统运行的场景和随机因素。传统的无线通信系统仿真分为链路级仿真与系统级仿真，详见表1。

综合上述两种仿真方式的优缺点，一个从物理层到传输层完整的LTE仿真平台更符合现有研究需求。

OAI仿真平台是一个基于LTE协议栈开发的软件平台，具有可重复性、可移植性及精确的仿真结果。OAI平台可通过对协议栈不同的配置实现不同的仿真场景，使用物理层抽象技术或用硬件替代部分系统功能以减少仿真时间，有效测试、评估、验证LTE系统。

二、OpenAirInterface（OAI）仿真平台

2.1 OAI平台概述

OpenAirInterface（OAI）平台是由Eurocom开发的开源、实时仿真平台，可完全模拟无线接入技术、协议等特点。常用于无线通信系统的仿真实验及信号处理，研究、验证通信技术的创新算法与策略。OAI仿真平台的架构严格按照3GPP协议设计，通过提供各种不同的仿真场景和完整的通信系统功能分层，最大限度地减少计算机模拟和实际硬件实验之间的差距。

OAI平台的主要特点：

提供完整LTE协议栈，包括物理层、MAC层、RLC层、 PDCP层及RRC层；

提供Linux操作系统下的IPv4/IPv6网络设备接口；

可用于蜂窝网络和网状拓扑结构；

支持完整物理层和物理层抽象两种仿真模式；

具有单机仿真和多机联合仿真两种工作模式；

包括多种不同信道模型，如：传输损耗、阴影衰落及随机的小尺度衰落等；

2.2 OAI软件框架及协议栈

OAI仿真平台的源代码分为四个部分。

OpenAir0：主要描述硬件模块CardBus MIMO和Express MIMO，以及对应FPGA的固件驱动程序。

OpenAir1：包括物理层各个功能模块，定义相关参数及初始化。主要功能是实现LTE系统基带信号的处理，提供与MAC层之间的接口。此外，OpenAir1还提供与硬件之间的接口，形成一个基于硬件的LTE系统仿真平台。

OpenAir2：包括LTE系统相关协议栈，即MAC层、RLC层、PDCP层及RRC层的具体实现。OpenAir2文件夹主要功能是无线接入控制方面的协议内容，包括相关协议流程的实现以及无线资源管理方案的部署。通过与物理层之间的接口，OpenAir1和OpenAir2中的内容组成了一个无线通信系统的基本功能。

OpenAir3：包括了基于IP的网络模块，即全IP蜂窝与IP/MPLS网状网络开发的第三层协议栈，具体有LTE系统中基站eNB、用户终端设备UE的相关内容。此外，OpenAir3为基于OAI平台的网络上层应用提供接口，完善了整个平台。

以上四个文件共同组成了OAI平台的软件框架及完整的LTE协议栈，清晰地划分了传输链路、资源管理、网络应用等功能。在硬件的支持下，整个平台可以看做一个真实的无线系统，完成系统开发与技术创新。

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图1是LTE协议栈在OAI平台下实现的示意图。OAI平台可以适用于多种软件开发环境，具有控制、监视、消息和时间分析、低权限的登录系统、流量发生器、分析及软设计等功能，提供协议验证、性能评估和预部署系统测试的工具等。

三、OAI平台仿真流程

OpenAirInterface LTE平台的仿真流程实现了真实LTE无线通信系统的完整工作流程，具体分为以下四步。

仿真场景设置：参数配置即仿真场景的设置。OAI平台可配置的参数主要有： LTE系统双工方式（TDD/FDD）、UE数量、eNB数量、信道模型等。

初始化：参数初始化设置。包络仿真场景参数的初始化、各个分层UE及eNB的参数配置、业务信息及移动性等初始化。

仿真执行：仿真节点同步、eNB及UE放置过程执行。基本流程包括LTE系统各个功能分层的处理，即同步、随机接入、调度、无线资源管理等功能的执行。

仿真结果输出：log文件收集、标记、存储。log文件记录并显示OAI平台仿真过程，是分析仿真过程及结果、评估性能最有价值的内容。

四、 OAI仿真平台应用分析与展望

4.1 OAI仿真平台应用领域

无线信号处理。硬件/软件架构通SDR技术，利用多处理系统级芯片，实时处理信号。物理层可利用UMTS的LTE和802.16m技术优化算法以适应实时性。

实现全IP无线网络。全IP移动网络协议802.21（基站采用IPv6路由器，包含IPv6的移动性管理）、IP/MPLS协议。

灵敏射频系统设计。OAI平台采用宽带无线电设计、线性范围内无线宽动态接收机设计，联合射频与数字信号处理，共同实现“智能”射频。

设计与仿真方法。OAI平台利用抽象技术如硬件建模、PHY子系统建模、交通建模等，分别模拟硬件、PHY子系统及流量，同时向分布式实时无线仿真网络提供射频仿真体系结构。

传播、系统测量与分析。通过实时测量的离线性能分析，有利于宽带信道表征和建模。

认知无线电。随着传感器网络技术的发展创新，OAI平台将支持同一地区持牌及无牌的无线用户的共存，还可处理相关设计和认知网络互联等问题。

4.2 OAI仿真平台展望

可灵活调配、控制，OAI平台的集成开发环境；

基于软件定义网络功能，可灵活搭建、配置网络组件；

在公共场所为用户终端提供服务、业务及应用；

通过从M2M/IoT、软件定义网络到cloud-RAN、大规模MIMO的研究，促进5G系统新概念成型。

五、结束语

OAI平台基于SDR技术以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，利用软件编程的方式实现各种应用，即硬件负责数字模拟与信号间转换、射频与基带信号间变频等功能，软件负责协议栈部分，硬件设备与PC端联合处理分析数据实现完整的通信系统。

目前OAI平台为4G测试及5G研究创造了一个开放、灵活的仿真环境，它提供的开源代码和参考软件实现了3GPP LTE兼容系统和LTE-A的特征子集的实时室内/室外试验与示范。OAI平台也将在其不断发展完善的过程中提供更完善的低成本、高适用、高灵活、易扩展及智能化仿真平台。

参 考 文 献

[1] OpenAirInterface[EB/OL]，http：//

[2] Renyuan Wang，Yuexing Peng，et al. OpenAirInterface-an effective emulation platform for LTE and LTE-Advanced. In Proceedings of IEEE MSE， 2014.

[3] ntonio Virdis，Niccolo Iardella，Giovanni Stea.Performance analysis of OpenAirInterface system emulation. Computer Society 2015 IEEE.

[4] 王任远.面向LTE的PHY/MAC联合仿真实现与调度算法研究.北京邮电大学硕士学位论文.2014年11月.