5G 高性能接收機測試儀表的設計與實現(xiàn)

　　楊傳偉 ^1,2,3 ，王嘉嘉 ^1,2,3 ，吳?磊 ^1,2,3 ，宋加齊 ^1,2,3(1.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010；2.中電科儀器儀表(安徽)有限公司，安徽 蚌埠 233010；3.電子信息測試技術安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233010)

　　摘?要：隨著5G逐漸進入商用階段，基站側和終端側的5G關鍵技術驗證和外網(wǎng)測試都離不開高性能接收機測試儀表，常規(guī)的接收機儀表也很難適應5G關鍵技術測試需要。本文主要針對以上難點進行研究分析，通過優(yōu)化升級軟硬件方式設計實現(xiàn)一種高性能接收機測試儀表，保證能夠滿足高吞吐量測試需求，同時為用戶提供良好的交互體驗。測試結果驗證了該儀表測試的有效性和友好性。

　　關鍵詞：5G；高性能接收機；高吞吐量；低時延；

　　*基金項目：安徽省重點研究和開發(fā)計劃項目(1804a09020042)，國家科技重大專項(2017ZX03001021)

　　0 引言

　　移動通信自誕生以來，經(jīng)過三十多年的爆發(fā)式增長，已成為連接人類社會的基礎信息網(wǎng)絡。移動通信的發(fā)展不僅深刻改變了人們的生活方式，而且已成為推動國民經(jīng)濟發(fā)展、提升社會信息化水平的重要引擎。隨著4G進入成熟商用階段，面向2020年及未來的第五代移動通信（5G）已成為全球研發(fā)熱點。在5G愿景中，明確的典型場景包括低時延高可靠、熱點高容量和高速移動、低功耗大連接等場景，這些場景的實現(xiàn)對基站側和終端側的接收機設計提出非常高的要求。在目前5G研發(fā)技術試驗階段，如何通過設計實現(xiàn)一類高性能的高性能接收機測試儀表對實現(xiàn)和驗證5G關鍵技術具有重要意義。

　　由于5G通信新技術方面對天線數(shù)、頻譜帶寬和物理層新算法等方面進行改進突破，之前通常的終端模擬裝置很難滿足如此大數(shù)據(jù)、高速率處理的要求。常用接收機儀器是射頻、中頻、基帶和母版總線傳輸方式來進行數(shù)據(jù)處理傳輸，但是隨著Massive MIMO、MassivaCA等測試場景的出現(xiàn) ^[1] ，通過這種方式很難再進行大數(shù)據(jù)量的并行處理分析顯示等測試需要，更無法實現(xiàn)在5G復雜應用場景上形成一個通用測試方法。

　　另一方面，常用的萬兆以太網(wǎng)口通信測試接口來持續(xù)處理實時性、高速率數(shù)據(jù)流難度比較大，很容易造成數(shù)據(jù)包的丟失和亂序。同時針對Gbit級以上且是一個持續(xù)傳輸場景，常用的接收、解析和更新順序式方法處理難度也比較大，很容易造成上位機軟件解析失敗或者顯示卡頓等問題。所以，如何針對這一情況進行有效的改進處理，并提高接收機對數(shù)據(jù)的實時處理解析，提升儀表用戶的交互體驗，也是解決整個高性能接收機測試儀表能否成功的關鍵所在。所以，本文重點進行高性能接收機測試儀表中相關測試接口模塊進行分析設計，解決高性能接收機測試儀表在新測試場景下的高速率、實時性和穩(wěn)定性數(shù)據(jù)測試問題，以滿足真實環(huán)境中的測試需要。

　　1 高性能接收機測試儀表硬件設計

　　如圖1所示，為高性能接收機測試儀表的整機實現(xiàn)原理框圖。包括前端數(shù)據(jù)采集處理模塊和后端接收機處理模塊兩大部分 ^[2] 。

　　其中，前端數(shù)據(jù)采集處理模塊，包括射頻接收模塊、中頻模塊和基帶處理模塊；射頻接收模塊，包括信號處理變頻模塊、本振陣列模塊和信號通路切換模塊；本振陣列模塊，被配置為用于產(chǎn)生本振信號，頻率為400 MHz~6 GHz；信號處理變頻模塊，被配置為用于對接收的無線信號進行放大、濾波后，與本振陣列產(chǎn)生的本振信號進行下變頻處理，下變頻到153.6 MHz頻點處；信號通路切換模塊，被配置為用于對下變頻后的信號進行選擇切換和濾波處理；中頻模塊，包括A/D轉換模塊、中頻信號處理變換模塊、信號解映射轉換處理模塊和物理層同步預處理模塊；A/D轉換模塊，被配置為用于對輸出的8路153.6 MHz中頻模擬信號進行模數(shù)轉換；中頻信號處理變換模塊，被配置為用于對轉換后的數(shù)字信號進行放大、濾波和CIC插值處理；信號解映射轉換處理模塊，被配置為用于對插值處理后的信號進行信號解映射處理以及FFT頻域處理，轉化成IQ兩路信號；物理層同步預處理模塊，被配置為用于對經(jīng)過信號解映射轉換處理模塊處理后的信號進行同步頭調整和物理層預解析參考信號處理；基帶處理模塊，包括物理層模塊、高層協(xié)議模塊、調度分析控制接口模塊以及解析結果參數(shù)模塊；物理層模塊，被配置為用于對物理層的各個信道進行解析處理，信道包括PSS（Primary Synchronization Signal，主同步信號）、SSS（Secondary Synchronization Signal，輔同步信號）、PBCH（Physical Broadcast Channel，物理廣播信道）、PDSCH（Physical Downlink SharedChannel，物理下行共享信道）和PUSCH（PhysicalUplink Shared Channel，物理上行共享信道）信道；高 層 協(xié) 議 模 塊，被配置為用于對MAC（Medium AccessControl，介質訪問控制）/RLC（Radio LinkControl，無線鏈路控制）/PDCP（PacketData ConvergenceProtocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）/RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）/NAS（Non-Access Stratum，非接入層）層信令消息進行解碼處理；調度分析控制接口模塊，被配置為用于和中頻模塊進行同步控制，并對物理層模塊、高層協(xié)議模塊進行調度分析；解析結果參數(shù)模塊，被配置為用于對物理層解析參數(shù)、協(xié)議棧側的RRC/NAS解析信令、協(xié)議棧解析的IP數(shù)據(jù)流進行緩存存儲轉發(fā)處理 ^[3—4] ；

　　后端接收機處理顯示模塊，包括萬兆網(wǎng)口接收機處理模塊和UI界面顯示模塊；萬兆網(wǎng)口接收機處理模塊，包括網(wǎng)口接收線程模塊、數(shù)據(jù)解析處理線程模塊和解析結果顯示更新線程模塊；網(wǎng)口接收線程模塊，被配置為用于對萬兆以太網(wǎng)口的數(shù)據(jù)進行接收存儲；數(shù)據(jù)解析處理線程模塊，被配置為用于對網(wǎng)口數(shù)據(jù)進行解析處理；解析結果顯示更新線程模塊，被配置為用于對解析后的結果參數(shù)進行顯示刷新，包括時域頻域數(shù)據(jù)的曲線繪制和參數(shù)顯示、物理層參數(shù)的參數(shù)顯示、協(xié)議層的MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS信令解碼顯示 ^[5] 。

　　2 高性能接收機測試儀表軟件設計實現(xiàn)

　　在高性能接收機測試儀表軟件設計實現(xiàn)過程中，難點部分是后端接收機處理顯示過程中的大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)處理及實時性解析交互模塊，常規(guī)的后端接收解析方法很難滿足高速率、大吞吐量測試要求，所以需要針對之前的方法進行改進，故設計通過一級內存循環(huán)組包緩存方式和一級內存文件映射緩存方式，實現(xiàn)后端萬兆以太網(wǎng)口數(shù)據(jù)流的實時存儲，保證了接收端能夠完整接收高速率數(shù)據(jù)流。處理過程如圖2所示。

　　在后端接收機處理顯示模塊中，首先通過萬兆網(wǎng)口接收線程模塊，基于UDP方式和前端數(shù)據(jù)采集處理模塊中的基帶處理模塊交互通信，使用基于應用層面的標準套接字實現(xiàn)網(wǎng)口數(shù)據(jù)流的接收和發(fā)送通信傳輸，實現(xiàn)平臺是基于高速X86的Windows服務器平臺，基于傳輸通信使用的是recvfrom和sendto函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)口的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)功能。具體步驟如下：

　　1）網(wǎng)口接收線程模塊，如圖3所示，首先進行循環(huán)組包模塊處理，接收到的數(shù)據(jù)流進行循環(huán)組包處理：首先通過構造循環(huán)數(shù)據(jù)包進行一級內存緩存操作。同時，使用多線程方式再進行循環(huán)數(shù)據(jù)包的文件存儲處理，保證整個原始網(wǎng)口數(shù)據(jù)不會丟失。

　　2）進行循環(huán)數(shù)據(jù)包組包和文件存儲的具體實現(xiàn)過程如下。

　?、匍_辟1個一維數(shù)組 char szStream[N ₁ ×N ₂ ]，即N ₁行，每行N ₂ 字節(jié)數(shù)據(jù)流；通過使用nHead，nTail兩個變量來維護當前緩存szStream的使用情況，nHead標識已被占用緩存的開始行標號，nTail標識已被占用緩存的結束行標號。

　　②通過萬兆網(wǎng)口接收線程模塊，每接收到1個數(shù)據(jù)包，則拷貝數(shù)據(jù)包到緩存的szStream起始位置偏移nTail×N ₂ 位置處，同時移動已占用緩存標識nTail加1，即nTail = nTail +1。

　?、?緩 存 數(shù) 據(jù) 文 件 存 儲 ， 如 圖 4 所 示 ， 文 件 操作 是 通 過 多 線 程 技 術 和 內 存 映 射 文 件 處 理 方 法來 實 現(xiàn) 的 。 其 中 ， 內 存 映 射 文 件 處 理 方 法 是 通過包括CreateFileMapping、MapViewOfFile、UnmapViewOfFile在內的函數(shù)實現(xiàn)完成的；定義每次保存Ns個數(shù)據(jù)包到本地文件中，通過多線程內存映射方式保存szStream+（nHead×N 2 ）位置處后的Ns×N ₂個數(shù)據(jù)點到本地存儲文件，保存完成后移動已緩存數(shù)據(jù)頭部nHead位置，即nHead = nHead + Ns，繼續(xù)循環(huán)進行下一次數(shù)據(jù)包的文件存儲，直至nHead和nTial相等。

　?、苋鬾Head或nTail超過N1，則重新進行賦值，即nHead（nTail）= nHead(nTail)%N1，一直循環(huán)讀取網(wǎng)口數(shù)據(jù)，重復進行2.2)~2.4)過程。

　　3）數(shù)據(jù)解析處理線程模塊，對步驟2中萬兆網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)進行本地緩存的文件進行讀取數(shù)據(jù)流操作，然后再進行應用層面的數(shù)據(jù)解析處理過程，包括時域頻域數(shù)據(jù)的曲線繪制和參數(shù)顯示、物理層參數(shù)的參數(shù)顯示、協(xié)議層的MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS等信令解碼顯示，通過對這些內容的解析處理后形成顯示參數(shù)，最終提交至解析結果顯示更新線程模塊。

　　4）顯示緩存循環(huán)組包模塊和本地顯示緩存文件模塊，如圖2所示，由于顯示參數(shù)及顯示模塊的多樣性，在步驟3完成顯示參數(shù)后，針對每一類的顯示過程都依次再進行顯示緩存循環(huán)組包處理和本地顯示緩存文件處理，其中，如圖5所示，每一類的顯示過程具體分別為統(tǒng)計信息緩存模塊、波形曲線顯示緩存模塊和信令參數(shù)緩存模塊。通過再一次的一級內存緩存配合一級文件緩存方式可以實現(xiàn)顯示參數(shù)緩存功能處理，保證了界面顯示刷新的流暢性和獨立性，處理后的顯示結果存儲在本地對應的統(tǒng)計信息緩存顯示緩存文件、波形曲線顯示緩存文件和信令參數(shù)緩存文件中。

　　5）通過同步調度算法模塊，保證數(shù)據(jù)解析處理線程模塊和顯示緩存組包模塊的同步處理，保證數(shù)據(jù)解析處理線程模塊和顯示緩存組包模塊間的處理速率匹配；在同步調度實現(xiàn)過程中，是通過監(jiān)測緩存率和解析率值來進行相關的算法處理，然后再進行線程的執(zhí)行時間片調度處理。

　　6）通過解析結果顯示更新線程模塊，對步驟3存儲在本地對應的統(tǒng)計信息緩存顯示緩存文件、波形曲線顯示緩存文件和信令參數(shù)緩存文件直接進行更新處理，通過檢測各個獨立緩存文件的內容進行刷新結果操作，分別進行統(tǒng)計信息顯示、波形曲線繪制更新和信令參數(shù)更新操作，最終完成整個后端數(shù)據(jù)的接收、分析處理和顯示工作。

　　3 測試結果

　　高性能接收機測試儀表在設計實現(xiàn)過程中主要通過前后端分離靈活設計方法和后端接口優(yōu)化算法處理方式來進行高吞吐量、高速率業(yè)務的實時解析處理，所以在測試驗證方面分別針對吞吐量和接口時延進行測試和以前傳統(tǒng)方案進行分析對比。

　　其中，由于傳統(tǒng)的接收機儀表測試方案中采用千兆以太網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)接口傳輸，故在高于1Gbit數(shù)據(jù)流傳輸時，傳輸方案無法實現(xiàn)。如圖6所示，在吞吐量測試驗證丟包率統(tǒng)計過程中，本文方案明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方案，隨著速率越高，逐漸出現(xiàn)丟包情況，但是丟包率都會控制在6%以下，可以很好的保證高吞吐量業(yè)務的傳輸完成。

　　如圖7所示，在交互時延測試驗證時延過程中，本文方案也明顯由于傳輸方案，特別是用戶交互體驗方面，傳輸方式下，在500 Mb/s速率下，數(shù)據(jù)傳輸時延較大，且交互過程明顯卡頓；而本文方案下即使在接近2 Gb/s下，數(shù)據(jù)傳輸時延仍然較小，且用戶交互時延不到2 s，基本實現(xiàn)了在高速率數(shù)據(jù)業(yè)務下的實時傳輸顯示交互功能。

　　4 結論

　　本文為設計實現(xiàn)一類高性能接收機測試儀表儀器，通過前、后端模塊分離，配合萬兆以太網(wǎng)口進行接口通信，解決之前母版總線通信傳輸接口瓶頸問題；同時，分離模式設計增強后端數(shù)據(jù)處理靈活性，提高數(shù)據(jù)處理聚合度，降低裝置設備成本；在后端以太網(wǎng)口接收處理過程中，通過內存循環(huán)組包緩存方式和內存文件映射緩存方式實現(xiàn)了后端網(wǎng)口數(shù)據(jù)流的實時存儲功能，保證了接收端能完整接收高速率數(shù)據(jù)流能力；在后端接數(shù)據(jù)解析處理過程中，通過多顯示塊的內存循環(huán)組包緩存方式、內存文件映射緩存方式和同步調度算法實現(xiàn)了后端數(shù)據(jù)高速解析功能保證了接收機裝置的解析顯示能力，提高了與用戶間的友好交互能力。實踐證明，本文方案方法可以有效地進行高速率業(yè)務的高吞吐量、高實時性和低時延需求，在工程實踐中也得到了驗證，對其他類似高性能接收機測試儀表也有很好的借鑒作用。

　　參考文獻

　　[1] Bjornson E, Hoydis J, Sanguinetti L. Massive MIMOhas Unlimited Capacity[J]. IEEE Transactions on WirelessCommunications, 2017,PP(99):1-1.

　　[2] 楊傳偉,王嘉嘉,周?？? LTE-Advanced空口監(jiān)測加解密過程方法研究與實現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界,2017(24):35-38.

　　[3]3GPP TS 36.331 V14.10.0 3rd Generation PartnershipProject; Technical Specification Group Radio AccessNetwork;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Radio Resource Control (RRC) Protocolspecification[S]. (2019-03).

　　[4]3GPP TS 24.301 V14.10.0 3rd Generation PartnershipProject; Technical Specification Group Core Networkand Terminals;Non-Access-Stratum (NAS) protocol forEvolved Packet System (EPS); Stage 3[S].(2018-12).

　　[5]3GPP TS 36.323 V14.5.0 3rd Generation PartnershipProject; Technical Specification Group Radio AccessNetwork; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol (PDCP)specification [S].(2017-12).

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。