5G 高性能接收機測試儀表的設計與實(shí)現

　　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(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗室，安徽 蚌埠 233010)

　　摘?要：隨著(zhù)5G逐漸進(jìn)入商用階段，基站側和終端側的5G關(guān)鍵技術(shù)驗證和外網(wǎng)測試都離不開(kāi)高性能接收機測試儀表，常規的接收機儀表也很難適應5G關(guān)鍵技術(shù)測試需要。本文主要針對以上難點(diǎn)進(jìn)行研究分析，通過(guò)優(yōu)化升級軟硬件方式設計實(shí)現一種高性能接收機測試儀表，保證能夠滿(mǎn)足高吞吐量測試需求，同時(shí)為用戶(hù)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(guān)鍵詞：5G；高性能接收機；高吞吐量；低時(shí)延；

　　*基金項目：安徽省重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)計劃項目(1804a09020042)，國家科技重大專(zhuān)項(2017ZX03001021)

　　0 引言

　　移動(dòng)通信自誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)三十多年的爆發(fā)式增長(cháng)，已成為連接人類(lèi)社會(huì )的基礎信息網(wǎng)絡(luò )。移動(dòng)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(dòng)國民經(jīng)濟發(fā)展、提升社會(huì )信息化水平的重要引擎。隨著(zhù)4G進(jìn)入成熟商用階段，面向2020年及未來(lái)的第五代移動(dòng)通信（5G）已成為全球研發(fā)熱點(diǎn)。在5G愿景中，明確的典型場(chǎng)景包括低時(shí)延高可靠、熱點(diǎn)高容量和高速移動(dòng)、低功耗大連接等場(chǎng)景，這些場(chǎng)景的實(shí)現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(shù)試驗階段，如何通過(guò)設計實(shí)現一類(lèi)高性能的高性能接收機測試儀表對實(shí)現和驗證5G關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義。

　　由于5G通信新技術(shù)方面對天線(xiàn)數、頻譜帶寬和物理層新算法等方面進(jìn)行改進(jìn)突破，之前通常的終端模擬裝置很難滿(mǎn)足如此大數據、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(xiàn)傳輸方式來(lái)進(jìn)行數據處理傳輸，但是隨著(zhù)Massive MIMO、MassivaCA等測試場(chǎng)景的出現 ^[1] ，通過(guò)這種方式很難再進(jìn)行大數據量的并行處理分析顯示等測試需要，更無(wú)法實(shí)現在5G復雜應用場(chǎng)景上形成一個(gè)通用測試方法。

　　另一方面，常用的萬(wàn)兆以太網(wǎng)口通信測試接口來(lái)持續處理實(shí)時(shí)性、高速率數據流難度比較大，很容易造成數據包的丟失和亂序。同時(shí)針對Gbit級以上且是一個(gè)持續傳輸場(chǎng)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(wèn)題。所以，如何針對這一情況進(jìn)行有效的改進(jìn)處理，并提高接收機對數據的實(shí)時(shí)處理解析，提升儀表用戶(hù)的交互體驗，也是解決整個(gè)高性能接收機測試儀表能否成功的關(guān)鍵所在。所以，本文重點(diǎn)進(jìn)行高性能接收機測試儀表中相關(guān)測試接口模塊進(jìn)行分析設計，解決高性能接收機測試儀表在新測試場(chǎng)景下的高速率、實(shí)時(shí)性和穩定性數據測試問(wèn)題，以滿(mǎn)足真實(shí)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(shí)現原理框圖。包括前端數據采集處理模塊和后端接收機處理模塊兩大部分 ^[2] 。

　　其中，前端數據采集處理模塊，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(wú)線(xiàn)信號進(jìn)行放大、濾波后，與本振陣列產(chǎn)生的本振信號進(jìn)行下變頻處理，下變頻到153.6 MHz頻點(diǎn)處；信號通路切換模塊，被配置為用于對下變頻后的信號進(jìn)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(jìn)行模數轉換；中頻信號處理變換模塊，被配置為用于對轉換后的數字信號進(jìn)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(jìn)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(guò)信號解映射轉換處理模塊處理后的信號進(jìn)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模塊；物理層模塊，被配置為用于對物理層的各個(gè)信道進(jìn)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(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）/RLC（Radio LinkControl，無(wú)線(xiàn)鏈路控制）/PDCP（PacketData ConvergenceProtocol，分組數據匯聚協(xié)議）/RRC（Radio Resource Control，無(wú)線(xiàn)資源控制）/NAS（Non-Access Stratum，非接入層）層信令消息進(jìn)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(jìn)行同步控制，并對物理層模塊、高層協(xié)議模塊進(jìn)行調度分析；解析結果參數模塊，被配置為用于對物理層解析參數、協(xié)議棧側的RRC/NAS解析信令、協(xié)議棧解析的IP數據流進(jìn)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(wàn)兆網(wǎng)口接收機處理模塊和UI界面顯示模塊；萬(wàn)兆網(wǎng)口接收機處理模塊，包括網(wǎng)口接收線(xiàn)程模塊、數據解析處理線(xiàn)程模塊和解析結果顯示更新線(xiàn)程模塊；網(wǎng)口接收線(xiàn)程模塊，被配置為用于對萬(wàn)兆以太網(wǎng)口的數據進(jìn)行接收存儲；數據解析處理線(xiàn)程模塊，被配置為用于對網(wǎng)口數據進(jìn)行解析處理；解析結果顯示更新線(xiàn)程模塊，被配置為用于對解析后的結果參數進(jìn)行顯示刷新，包括時(shí)域頻域數據的曲線(xiàn)繪制和參數顯示、物理層參數的參數顯示、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(shí)現

　　在高性能接收機測試儀表軟件設計實(shí)現過(guò)程中，難點(diǎn)部分是后端接收機處理顯示過(guò)程中的大數據量數據處理及實(shí)時(shí)性解析交互模塊，常規的后端接收解析方法很難滿(mǎn)足高速率、大吞吐量測試要求，所以需要針對之前的方法進(jìn)行改進(jìn)，故設計通過(guò)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(shí)現后端萬(wàn)兆以太網(wǎng)口數據流的實(shí)時(shí)存儲，保證了接收端能夠完整接收高速率數據流。處理過(guò)程如圖2所示。

　　在后端接收機處理顯示模塊中，首先通過(guò)萬(wàn)兆網(wǎng)口接收線(xiàn)程模塊，基于UDP方式和前端數據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(shí)現網(wǎng)口數據流的接收和發(fā)送通信傳輸，實(shí)現平臺是基于高速X86的Windows服務(wù)器平臺，基于傳輸通信使用的是recvfrom和sendto函數實(shí)現網(wǎng)口的接收和發(fā)送數據功能。具體步驟如下：

　　1）網(wǎng)口接收線(xiàn)程模塊，如圖3所示，首先進(jìn)行循環(huán)組包模塊處理，接收到的數據流進(jìn)行循環(huán)組包處理：首先通過(guò)構造循環(huán)數據包進(jìn)行一級內存緩存操作。同時(shí)，使用多線(xiàn)程方式再進(jìn)行循環(huán)數據包的文件存儲處理，保證整個(gè)原始網(wǎng)口數據不會(huì )丟失。

　　2）進(jìn)行循環(huán)數據包組包和文件存儲的具體實(shí)現過(guò)程如下。

　?、匍_(kāi)辟1個(gè)一維數組 char szStream[N ₁ ×N ₂ ]，即N ₁行，每行N ₂ 字節數據流；通過(guò)使用nHead，nTail兩個(gè)變量來(lái)維護當前緩存szStream的使用情況，nHead標識已被占用緩存的開(kāi)始行標號，nTail標識已被占用緩存的結束行標號。

　?、谕ㄟ^(guò)萬(wàn)兆網(wǎng)口接收線(xiàn)程模塊，每接收到1個(gè)數據包，則拷貝數據包到緩存的szStream起始位置偏移nTail×N ₂ 位置處，同時(shí)移動(dòng)已占用緩存標識nTail加1，即nTail = nTail +1。

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

　?、苋鬾Head或nTail超過(guò)N1，則重新進(jìn)行賦值，即nHead（nTail）= nHead(nTail)%N1，一直循環(huán)讀取網(wǎng)口數據，重復進(jìn)行2.2)~2.4)過(guò)程。

　　3）數據解析處理線(xiàn)程模塊，對步驟2中萬(wàn)兆網(wǎng)口接收數據進(jìn)行本地緩存的文件進(jìn)行讀取數據流操作，然后再進(jìn)行應用層面的數據解析處理過(guò)程，包括時(shí)域頻域數據的曲線(xiàn)繪制和參數顯示、物理層參數的參數顯示、協(xié)議層的MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS等信令解碼顯示，通過(guò)對這些內容的解析處理后形成顯示參數，最終提交至解析結果顯示更新線(xiàn)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，由于顯示參數及顯示模塊的多樣性，在步驟3完成顯示參數后，針對每一類(lèi)的顯示過(guò)程都依次再進(jìn)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(lèi)的顯示過(guò)程具體分別為統計信息緩存模塊、波形曲線(xiàn)顯示緩存模塊和信令參數緩存模塊。通過(guò)再一次的一級內存緩存配合一級文件緩存方式可以實(shí)現顯示參數緩存功能處理，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計信息緩存顯示緩存文件、波形曲線(xiàn)顯示緩存文件和信令參數緩存文件中。

　　5）通過(guò)同步調度算法模塊，保證數據解析處理線(xiàn)程模塊和顯示緩存組包模塊的同步處理，保證數據解析處理線(xiàn)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(shí)現過(guò)程中，是通過(guò)監測緩存率和解析率值來(lái)進(jìn)行相關(guān)的算法處理，然后再進(jìn)行線(xiàn)程的執行時(shí)間片調度處理。

　　6）通過(guò)解析結果顯示更新線(xiàn)程模塊，對步驟3存儲在本地對應的統計信息緩存顯示緩存文件、波形曲線(xiàn)顯示緩存文件和信令參數緩存文件直接進(jìn)行更新處理，通過(guò)檢測各個(gè)獨立緩存文件的內容進(jìn)行刷新結果操作，分別進(jìn)行統計信息顯示、波形曲線(xiàn)繪制更新和信令參數更新操作，最終完成整個(gè)后端數據的接收、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(shí)現過(guò)程中主要通過(guò)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(lái)進(jìn)行高吞吐量、高速率業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)解析處理，所以在測試驗證方面分別針對吞吐量和接口時(shí)延進(jìn)行測試和以前傳統方案進(jìn)行分析對比。

　　其中，由于傳統的接收機儀表測試方案中采用千兆以太網(wǎng)口進(jìn)行數據接口傳輸，故在高于1Gbit數據流傳輸時(shí)，傳輸方案無(wú)法實(shí)現。如圖6所示，在吞吐量測試驗證丟包率統計過(guò)程中，本文方案明顯優(yōu)于傳統方案，隨著(zhù)速率越高，逐漸出現丟包情況，但是丟包率都會(huì )控制在6%以下，可以很好的保證高吞吐量業(yè)務(wù)的傳輸完成。

　　如圖7所示，在交互時(shí)延測試驗證時(shí)延過(guò)程中，本文方案也明顯由于傳輸方案，特別是用戶(hù)交互體驗方面，傳輸方式下，在500 Mb/s速率下，數據傳輸時(shí)延較大，且交互過(guò)程明顯卡頓；而本文方案下即使在接近2 Gb/s下，數據傳輸時(shí)延仍然較小，且用戶(hù)交互時(shí)延不到2 s，基本實(shí)現了在高速率數據業(yè)務(wù)下的實(shí)時(shí)傳輸顯示交互功能。

　　4 結論

　　本文為設計實(shí)現一類(lèi)高性能接收機測試儀表儀器，通過(guò)前、后端模塊分離，配合萬(wàn)兆以太網(wǎng)口進(jìn)行接口通信，解決之前母版總線(xiàn)通信傳輸接口瓶頸問(wèn)題；同時(shí)，分離模式設計增強后端數據處理靈活性，提高數據處理聚合度，降低裝置設備成本；在后端以太網(wǎng)口接收處理過(guò)程中，通過(guò)內存循環(huán)組包緩存方式和內存文件映射緩存方式實(shí)現了后端網(wǎng)口數據流的實(shí)時(shí)存儲功能，保證了接收端能完整接收高速率數據流能力；在后端接數據解析處理過(guò)程中，通過(guò)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(shí)現了后端數據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(hù)間的友好交互能力。實(shí)踐證明，本文方案方法可以有效地進(jìn)行高速率業(yè)務(wù)的高吞吐量、高實(shí)時(shí)性和低時(shí)延需求，在工程實(shí)踐中也得到了驗證，對其他類(lèi)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.

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　　[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(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第30頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。