5G 高性能接收機(jī)測試儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)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(tuán)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(yàn)室，安徽 蚌埠 233010)

　　摘?要：隨著5G逐漸進(jìn)入商用階段，基站側(cè)和終端側(cè)的5G關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和外網(wǎng)測試都離不開高性能接收機(jī)測試儀表，常規(guī)的接收機(jī)儀表也很難適應(yīng)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，通過優(yōu)化升級軟硬件方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種高性能接收機(jī)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(yàn)。測試結(jié)果驗(yàn)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(jī)；高吞吐量；低時延；

　　*基金項(xiàng)目：安徽省重點(diǎn)研究和開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(1804a09020042)，國家科技重大專項(xiàng)(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(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)。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(jì)發(fā)展、提升社會信息化水平的重要引擎。隨著4G進(jìn)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(diǎn)。在5G愿景中，明確的典型場景包括低時延高可靠、熱點(diǎn)高容量和高速移動、低功耗大連接等場景，這些場景的實(shí)現(xiàn)對基站側(cè)和終端側(cè)的接收機(jī)設(shè)計(jì)提出非常高的要求。在目前5G研發(fā)技術(shù)試驗(yàn)階段，如何通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一類高性能的高性能接收機(jī)測試儀表對實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證5G關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義。

　　由于5G通信新技術(shù)方面對天線數(shù)、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足如此大數(shù)據(jù)、高速率處理的要求。常用接收機(jī)儀器是射頻、中頻、基帶和母版總線傳輸方式來進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)在5G復(fù)雜應(yīng)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(shí)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(jī)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(jìn)行有效的改進(jìn)處理，并提高接收機(jī)對數(shù)據(jù)的實(shí)時處理解析，提升儀表用戶的交互體驗(yàn)，也是解決整個高性能接收機(jī)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(jī)測試儀表中相關(guān)測試接口模塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，解決高性能接收機(jī)測試儀表在新測試場景下的高速率、實(shí)時性和穩(wěn)定性數(shù)據(jù)測試問題，以滿足真實(shí)環(huán)境中的測試需要。

　　1 高性能接收機(jī)測試儀表硬件設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，為高性能接收機(jī)測試儀表的整機(jī)實(shí)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(jī)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(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(zhuǎn)換模塊、中頻信號處理變換模塊、信號解映射轉(zhuǎn)換處理模塊和物理層同步預(yù)處理模塊；A/D轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換；中頻信號處理變換模塊，被配置為用于對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行放大、濾波和CIC插值處理；信號解映射轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成IQ兩路信號；物理層同步預(yù)處理模塊，被配置為用于對經(jīng)過信號解映射轉(zhuǎn)換處理模塊處理后的信號進(jìn)行同步頭調(diào)整和物理層預(yù)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(diào)度分析控制接口模塊以及解析結(jié)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(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(jìn)行解碼處理；調(diào)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(diào)度分析；解析結(jié)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(cè)的RRC/NAS解析信令、協(xié)議棧解析的IP數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩存存儲轉(zhuǎn)發(fā)處理 ^[3—4] ；

　　后端接收機(jī)處理顯示模塊，包括萬兆網(wǎng)口接收機(jī)處理模塊和UI界面顯示模塊；萬兆網(wǎng)口接收機(jī)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(jié)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(jìn)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(jìn)行解析處理；解析結(jié)果顯示更新線程模塊，被配置為用于對解析后的結(jié)果參數(shù)進(jìn)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(jī)測試儀表軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　在高性能接收機(jī)測試儀表軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，難點(diǎn)部分是后端接收機(jī)處理顯示過程中的大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)處理及實(shí)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(jìn)行改進(jìn)，故設(shè)計(jì)通過一級內(nèi)存循環(huán)組包緩存方式和一級內(nèi)存文件映射緩存方式，實(shí)現(xiàn)后端萬兆以太網(wǎng)口數(shù)據(jù)流的實(shí)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(jī)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(yīng)用層面的標(biāo)準(zhǔn)套接字實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口數(shù)據(jù)流的接收和發(fā)送通信傳輸，實(shí)現(xiàn)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(shù)實(shí)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(jìn)行循環(huán)組包模塊處理，接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行循環(huán)組包處理：首先通過構(gòu)造循環(huán)數(shù)據(jù)包進(jìn)行一級內(nèi)存緩存操作。同時，使用多線程方式再進(jìn)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(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)包組包和文件存儲的具體實(shí)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(hù)當(dāng)前緩存szStream的使用情況，nHead標(biāo)識已被占用緩存的開始行標(biāo)號，nTail標(biāo)識已被占用緩存的結(jié)束行標(biāo)號。

　?、谕ㄟ^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(biāo)識nTail加1，即nTail = nTail +1。

　　③ 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(shù) 和 內(nèi) 存 映 射 文 件 處 理 方 法來 實(shí) 現(xiàn) 的 。 其 中 ， 內(nèi) 存 映 射 文 件 處 理 方 法 是 通過包括CreateFileMapping、MapViewOfFile、UnmapViewOfFile在內(nèi)的函數(shù)實(shí)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(nèi)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(fù)進(jìn)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(jìn)行本地緩存的文件進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)流操作，然后再進(jìn)行應(yīng)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(nèi)容的解析處理后形成顯示參數(shù)，最終提交至解析結(jié)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(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，每一類的顯示過程具體分別為統(tǒng)計(jì)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(nèi)存緩存配合一級文件緩存方式可以實(shí)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(dú)立性，處理后的顯示結(jié)果存儲在本地對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)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(diào)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(diào)度實(shí)現(xiàn)過程中，是通過監(jiān)測緩存率和解析率值來進(jìn)行相關(guān)的算法處理，然后再進(jìn)行線程的執(zhí)行時間片調(diào)度處理。

　　6）通過解析結(jié)果顯示更新線程模塊，對步驟3存儲在本地對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)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(jìn)行更新處理，通過檢測各個獨(dú)立緩存文件的內(nèi)容進(jìn)行刷新結(jié)果操作，分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jié)果

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

　　其中，由于傳統(tǒng)的接收機(jī)儀表測試方案中采用千兆以太網(wǎng)口進(jìn)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(shí)現(xiàn)。如圖6所示，在吞吐量測試驗(yàn)證丟包率統(tǒng)計(jì)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(wù)的傳輸完成。

　　如圖7所示，在交互時延測試驗(yàn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)了在高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下的實(shí)時傳輸顯示交互功能。

　　4 結(jié)論

　　本文為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一類高性能接收機(jī)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(jìn)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(shè)計(jì)增強(qiáng)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(shè)備成本；在后端以太網(wǎng)口接收處理過程中，通過內(nèi)存循環(huán)組包緩存方式和內(nèi)存文件映射緩存方式實(shí)現(xiàn)了后端網(wǎng)口數(shù)據(jù)流的實(shí)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(nèi)存循環(huán)組包緩存方式、內(nèi)存文件映射緩存方式和同步調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)了后端數(shù)據(jù)高速解析功能保證了接收機(jī)裝置的解析顯示能力，提高了與用戶間的友好交互能力。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)時性和低時延需求，在工程實(shí)踐中也得到了驗(yàn)證，對其他類似高性能接收機(jī)測試儀表也有很好的借鑒作用。

　　參考文獻(xiàn)

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　　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。