基于OpenBTS平臺(tái)的均衡算法改進(jìn)和優(yōu)化

1、引言隨著移動(dòng)通信用戶不斷增多，業(yè)務(wù)需求不斷多樣化，無(wú)線接入網(wǎng)的負(fù)載也逐漸增大，基站建設(shè)成本不斷升高[1]。將基帶信號(hào)處理算法用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)可以大大降低基站的硬件規(guī)模和成本，因而目前移動(dòng)通信研究中對(duì)軟件無(wú)線電的研究成為熱點(diǎn)。而目前通用處理器性能不斷提高[1]，也加速了軟件無(wú)線電的應(yīng)用和發(fā)展。本文將介紹一種新型的無(wú)線接入點(diǎn)OpenBTS，它結(jié)合了運(yùn)用廣泛的GSM的空中接口和VoIP，形成了一種新的蜂窩系統(tǒng)；它在通用處理器上充分實(shí)現(xiàn)了軟件無(wú)線電的基帶處理，使系統(tǒng)成本大大降低；它的軟件部分運(yùn)行在UNIX系統(tǒng)中，是一種真正的開(kāi)源系統(tǒng)。但是現(xiàn)有的OpenBTS系統(tǒng)在GSM物理層設(shè)計(jì)上采用了性能較差的均衡算法，本文將對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。2OpenBTS的系統(tǒng)組成和功能OpenBTS通過(guò)基于UNIX平臺(tái)的開(kāi)源軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)基站的功能，它能夠通過(guò)通用軟件無(wú)線電設(shè)備（USRP）來(lái)實(shí)現(xiàn)與GSM手持端的空中接口（Um），并通過(guò)作為VoIP程控交換機(jī)的Asterisk軟件[2]來(lái)實(shí)現(xiàn)通話[3]。其系統(tǒng)組成如圖1所示：USRP是由EttusResearch公司研制出售的[3]，它提供天線端收發(fā)的數(shù)據(jù)通道，完成無(wú)線通信系統(tǒng)中的數(shù)字基帶和中頻的作用，比如上下變頻、抽樣和內(nèi)插等高速操作都由USRP上的FPGA完成。GSM手持終端通過(guò)空中接口與這套硬件相連。GNURadio是一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)的工具包，提供了許多軟件無(wú)線電信號(hào)處理模塊。一方面它完成了與USRP硬件的連接和和驅(qū)動(dòng)，另一方面，它為OpenBTS提供數(shù)據(jù)的接口和運(yùn)行的平臺(tái)。OpenBTS是開(kāi)源軟件，其中集成了GSM基站的三層結(jié)構(gòu)，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和信令控制層，文獻(xiàn)[4-6]對(duì)它們作了詳細(xì)的描述。OpenBTS中包含會(huì)話初始協(xié)議（SIP），以SIP信令與Asterisk進(jìn)行交互。這樣的設(shè)計(jì)使原GSM系統(tǒng)在MSC完成的功能都在Asterisk中完成，大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜度。Asterisk是一種軟件實(shí)現(xiàn)的程控交換機(jī)，建立在UNIX系統(tǒng)上。它擁有VoIP系統(tǒng)的幾乎所有功能，徹底實(shí)現(xiàn)了將PC轉(zhuǎn)變成PBX。用Asterisk可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話、電話會(huì)議、組撥、短信、語(yǔ)音郵件服務(wù)等功能。3OpenBTS系統(tǒng)物理層均衡算法文獻(xiàn)[4]定義了GSM的突發(fā)脈沖（Burst）的幀結(jié)構(gòu)，本文為便于說(shuō)明且不失一般性，只研究正常突發(fā)脈沖（NormalBurst，以下簡(jiǎn)稱NB），且每個(gè)NB都由156.25個(gè)比特構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2：G是8.25bits保護(hù)間隔，TB是3bits尾比特，信息比特是57bits，TSC是一種訓(xùn)練序列，共26bits。現(xiàn)有的OpenBTS系統(tǒng)物理層均衡采用了較為簡(jiǎn)單的單徑處理算法，簡(jiǎn)要算法步驟如下：

（1）用本地TSC序列與接收到的序列做相關(guān)得到相關(guān)序列R(n)：（2）用插值的方法得到相關(guān)峰能量，記為E(l)：由此得到最大相關(guān)峰能量Ech=max{E(l)}，峰的位置l=L

peak

，以及時(shí)間提前量TA=TA

target

-L

peak

，TA

target

表示峰的目標(biāo)位置。

（3）除去信道增益，同步和解調(diào)，得到軟比特輸出：（4）將ydemo(n)送去譯碼。

該算法在信道估計(jì)時(shí)，用Sinc函數(shù)重建相關(guān)峰值，從而得到主徑的信道增益和時(shí)間提前量。但多徑干擾比較大時(shí)，性能會(huì)大大降低，因此改進(jìn)思路主要是消除多徑干擾和碼間串?dāng)_。4

均衡算法的改進(jìn)本文對(duì)OpenBTS均衡算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用維特比均衡算法代替原有的均衡算法。算法步驟如下：

（1）信道估計(jì)

假設(shè)接收到的序列為y(n)，過(guò)采樣倍數(shù)ovs=2，訓(xùn)練序列為tsc(n)，長(zhǎng)度為26。對(duì)于NB，只用了中間24位做相關(guān)，記相關(guān)后的序列為Rcorr(n)：

由此可以得到相關(guān)序列的能量序列ERcorr(n)=|Rcorr(n)|2，在其中找到能量最大點(diǎn)的位置Lmax，于是得到時(shí)間提前量TA=Lmax；同時(shí)，在該相關(guān)能量序列中搜尋最大的能量窗口。假設(shè)信道多徑數(shù)為Nch，為方便說(shuō)明，令N=Nch-1，經(jīng)過(guò)2倍過(guò)采樣，能量窗長(zhǎng)度為（2N+1）。設(shè)最大能量窗口起始位置為L(zhǎng)estart，有：則信道響應(yīng)為：

h(n)=Rcorr(Lmax+2N-n)，n∈[0,2N]（2）匹配濾波

設(shè)匹配濾波器輸出為Mfout(n)，有：匹配濾波過(guò)程中進(jìn)行了降采樣，并保證每采樣點(diǎn)的SNR最大。

（3）解旋轉(zhuǎn)

由于在發(fā)送端進(jìn)行了GMSK調(diào)制和差分編碼，所以接收端需要對(duì)相位進(jìn)行反轉(zhuǎn)，即：（4）參數(shù)計(jì)算

如果將信道、匹配濾波、解旋轉(zhuǎn)看成一個(gè)系統(tǒng)，S參數(shù)就是對(duì)這個(gè)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的估計(jì)，記為Sp(l)。它是后續(xù)步驟的準(zhǔn)備，定義如下：

5

維特比均衡算法的SSE優(yōu)化單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)不同的多組數(shù)據(jù)采用相同的計(jì)算指令，比較適合并行算法的實(shí)現(xiàn)，在信號(hào)處理中運(yùn)用廣泛。SSE是Intel發(fā)布的對(duì)SIMD指令流的擴(kuò)展指令，包含單指令多數(shù)據(jù)整數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算和高速緩存控制指令。它充分體現(xiàn)了并行運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)，具備精度高和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)SSE寄存器有128比特，可以同時(shí)進(jìn)行4個(gè)32比特單精度浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，大大提高了運(yùn)算效率。由于改進(jìn)后算法中匹配濾波、維特比均衡和干擾消除三個(gè)步驟占整個(gè)程序70%以上的時(shí)間消耗，因此優(yōu)化主要對(duì)這三個(gè)函數(shù)展開(kāi)。

筆者運(yùn)用SSE指令集對(duì)改進(jìn)均衡算法中的復(fù)數(shù)乘法、卷積運(yùn)算、相關(guān)運(yùn)算、路徑度量計(jì)算等進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化，表2是取Nch=5時(shí)優(yōu)化前后程序耗費(fèi)時(shí)間的對(duì)比：程序運(yùn)行在主頻為1.6G的CPU上。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，優(yōu)化后算法效率是優(yōu)化前的3.2倍。一個(gè)NB的時(shí)間是0.577ms，優(yōu)化后的處理時(shí)間是0.053ms，算法優(yōu)化后不僅系統(tǒng)性能大大提高，而且能夠保證實(shí)時(shí)性要求。6

結(jié)束語(yǔ)OpenBTS系統(tǒng)嘗試用軟件無(wú)線電來(lái)降低基站規(guī)模和成本，并用Asterisk來(lái)實(shí)現(xiàn)軟交換，改變了現(xiàn)有的無(wú)線接入網(wǎng)的架構(gòu)，為改進(jìn)現(xiàn)有基站提供了一種新思路。本文改進(jìn)了OpenBTS物理層均衡算法，大幅提高了系統(tǒng)性能，并用SSE并行處理對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化從而保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。在未來(lái)OpenBTS還可以有新的改進(jìn)，比如如何增加其容量，如何用通用處理器池來(lái)增加其信號(hào)處理能力，用更新的EAGE、GPRS來(lái)取代GSM以獲得更多優(yōu)勢(shì)等。[1]黃宇紅.C-RAN無(wú)線接入網(wǎng)綠色演進(jìn)白皮書[R].北京:中國(guó)移動(dòng)通信研究院,2010.

[2]MeggelenJV,MadsenL.Asterisk-thefutureoftelephone(secondedition)[M].O'ReillyMedia,Inc:2007.8:3-8.

[3]DavidABurgess,HarvindSSamra.TheOpenBTSProject[EB/OL].[2008-8]/.

[4]3GPPTS05.01.PhysicallayerontheradiopathGeneraldescription[S].

[5]3GPPTS04.05V8.0.2.DataLink(DL)layer;Generalaspects[S].2002.5.

[6]3GPPTS04.08V7.21.0.Mobileradiointerfacelayer3specification[S].2003.12.

[7]孔德廷,伍守豪,等.維特