电子产品世界

　　杨传伟 ^1,2,3 ，王嘉嘉 ^1,2,3 ，吴 磊 ^1,2,3 ，宋加齐 ^1,2,3(1.中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010；2.中电科仪器仪表(安徽)有限公司，安徽 蚌埠 233010；3.电子信息测试技术安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233010)

　　摘 要：随着5G逐渐进入商用阶段，基站侧和终端侧的5G关键技术验证和外网测试都离不开高性能接收机测试仪表，常规的接收机仪表也很难适应5G关键技术测试需要。本文主要针对以上难点进行研究分析，通过优化升级软硬件方式设计实现一种高性能接收机测试仪表，保证能够满足高吞吐量测试需求，同时为用户提供良好的交互体验。测试结果验证了该仪表测试的有效性和友好性。

　　关键词：5G；高性能接收机；高吞吐量；低时延；

　　*基金项目：安徽省重点研究和开发计划项目(1804a09020042)，国家科技重大专项(2017ZX03001021)

　　0 引言

　　移动通信自诞生以来，经过三十多年的爆发式增长，已成为连接人类社会的基础信息网络。移动通信的发展不仅深刻改变了人们的生活方式，而且已成为推动国民经济发展、提升社会信息化水平的重要引擎。随着4G进入成熟商用阶段，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点。在5G愿景中，明确的典型场景包括低时延高可靠、热点高容量和高速移动、低功耗大连接等场景，这些场景的实现对基站侧和终端侧的接收机设计提出非常高的要求。在目前5G研发技术试验阶段，如何通过设计实现一类高性能的高性能接收机测试仪表对实现和验证5G关键技术具有重要意义。

　　由于5G通信新技术方面对天线数、频谱带宽和物理层新算法等方面进行改进突破，之前通常的终端模拟装置很难满足如此大数据、高速率处理的要求。常用接收机仪器是射频、中频、基带和母版总线传输方式来进行数据处理传输，但是随着Massive MIMO、MassivaCA等测试场景的出现 ^[1] ，通过这种方式很难再进行大数据量的并行处理分析显示等测试需要，更无法实现在5G复杂应用场景上形成一个通用测试方法。

　　另一方面，常用的万兆以太网口通信测试接口来持续处理实时性、高速率数据流难度比较大，很容易造成数据包的丢失和乱序。同时针对Gbit级以上且是一个持续传输场景，常用的接收、解析和更新顺序式方法处理难度也比较大，很容易造成上位机软件解析失败或者显示卡顿等问题。所以，如何针对这一情况进行有效的改进处理，并提高接收机对数据的实时处理解析，提升仪表用户的交互体验，也是解决整个高性能接收机测试仪表能否成功的关键所在。所以，本文重点进行高性能接收机测试仪表中相关测试接口模块进行分析设计，解决高性能接收机测试仪表在新测试场景下的高速率、实时性和稳定性数据测试问题，以满足真实环境中的测试需要。

　　1 高性能接收机测试仪表硬件设计

　　如图1所示，为高性能接收机测试仪表的整机实现原理框图。包括前端数据采集处理模块和后端接收机处理模块两大部分 ^[2] 。

　　其中，前端数据采集处理模块，包括射频接收模块、中频模块和基带处理模块；射频接收模块，包括信号处理变频模块、本振阵列模块和信号通路切换模块；本振阵列模块，被配置为用于产生本振信号，频率为400 MHz~6 GHz；信号处理变频模块，被配置为用于对接收的无线信号进行放大、滤波后，与本振阵列产生的本振信号进行下变频处理，下变频到153.6 MHz频点处；信号通路切换模块，被配置为用于对下变频后的信号进行选择切换和滤波处理；中频模块，包括A/D转换模块、中频信号处理变换模块、信号解映射转换处理模块和物理层同步预处理模块；A/D转换模块，被配置为用于对输出的8路153.6 MHz中频模拟信号进行模数转换；中频信号处理变换模块，被配置为用于对转换后的数字信号进行放大、滤波和CIC插值处理；信号解映射转换处理模块，被配置为用于对插值处理后的信号进行信号解映射处理以及FFT频域处理，转化成IQ两路信号；物理层同步预处理模块，被配置为用于对经过信号解映射转换处理模块处理后的信号进行同步头调整和物理层预解析参考信号处理；基带处理模块，包括物理层模块、高层协议模块、调度分析控制接口模块以及解析结果参数模块；物理层模块，被配置为用于对物理层的各个信道进行解析处理，信道包括PSS（Primary Synchronization Signal，主同步信号）、SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号）、PBCH（Physical Broadcast Channel，物理广播信道）、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 层 协 议 模 块，被配置为用于对MAC（Medium AccessControl，介质访问控制）/RLC（Radio LinkControl，无线链路控制）/PDCP（PacketData ConvergenceProtocol，分组数据汇聚协议）/RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）/NAS（Non-Access Stratum，非接入层）层信令消息进行解码处理；调度分析控制接口模块，被配置为用于和中频模块进行同步控制，并对物理层模块、高层协议模块进行调度分析；解析结果参数模块，被配置为用于对物理层解析参数、协议栈侧的RRC/NAS解析信令、协议栈解析的IP数据流进行缓存存储转发处理 ^[3—4] ；

　　后端接收机处理显示模块，包括万兆网口接收机处理模块和UI界面显示模块；万兆网口接收机处理模块，包括网口接收线程模块、数据解析处理线程模块和解析结果显示更新线程模块；网口接收线程模块，被配置为用于对万兆以太网口的数据进行接收存储；数据解析处理线程模块，被配置为用于对网口数据进行解析处理；解析结果显示更新线程模块，被配置为用于对解析后的结果参数进行显示刷新，包括时域频域数据的曲线绘制和参数显示、物理层参数的参数显示、协议层的MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS信令解码显示 ^[5] 。

　　2 高性能接收机测试仪表软件设计实现

　　在高性能接收机测试仪表软件设计实现过程中，难点部分是后端接收机处理显示过程中的大数据量数据处理及实时性解析交互模块，常规的后端接收解析方法很难满足高速率、大吞吐量测试要求，所以需要针对之前的方法进行改进，故设计通过一级内存循环组包缓存方式和一级内存文件映射缓存方式，实现后端万兆以太网口数据流的实时存储，保证了接收端能够完整接收高速率数据流。处理过程如图2所示。

　　在后端接收机处理显示模块中，首先通过万兆网口接收线程模块，基于UDP方式和前端数据采集处理模块中的基带处理模块交互通信，使用基于应用层面的标准套接字实现网口数据流的接收和发送通信传输，实现平台是基于高速X86的Windows服务器平台，基于传输通信使用的是recvfrom和sendto函数实现网口的接收和发送数据功能。具体步骤如下：

　　1）网口接收线程模块，如图3所示，首先进行循环组包模块处理，接收到的数据流进行循环组包处理：首先通过构造循环数据包进行一级内存缓存操作。同时，使用多线程方式再进行循环数据包的文件存储处理，保证整个原始网口数据不会丢失。

　　2）进行循环数据包组包和文件存储的具体实现过程如下。

　　①开辟1个一维数组 char szStream[N ₁ ×N ₂ ]，即N ₁行，每行N ₂ 字节数据流；通过使用nHead，nTail两个变量来维护当前缓存szStream的使用情况，nHead标识已被占用缓存的开始行标号，nTail标识已被占用缓存的结束行标号。

　　②通过万兆网口接收线程模块，每接收到1个数据包，则拷贝数据包到缓存的szStream起始位置偏移nTail×N ₂ 位置处，同时移动已占用缓存标识nTail加1，即nTail = nTail +1。

　　③ 缓 存 数 据 文 件 存 储 ， 如 图 4 所 示 ， 文 件 操作 是 通 过 多 线 程 技 术 和 内 存 映 射 文 件 处 理 方 法来 实 现 的 。 其 中 ， 内 存 映 射 文 件 处 理 方 法 是 通过包括CreateFileMapping、MapViewOfFile、UnmapViewOfFile在内的函数实现完成的；定义每次保存Ns个数据包到本地文件中，通过多线程内存映射方式保存szStream+（nHead×N 2 ）位置处后的Ns×N ₂个数据点到本地存储文件，保存完成后移动已缓存数据头部nHead位置，即nHead = nHead + Ns，继续循环进行下一次数据包的文件存储，直至nHead和nTial相等。

　　④若nHead或nTail超过N1，则重新进行赋值，即nHead（nTail）= nHead(nTail)%N1，一直循环读取网口数据，重复进行2.2)~2.4)过程。

　　3）数据解析处理线程模块，对步骤2中万兆网口接收数据进行本地缓存的文件进行读取数据流操作，然后再进行应用层面的数据解析处理过程，包括时域频域数据的曲线绘制和参数显示、物理层参数的参数显示、协议层的MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS等信令解码显示，通过对这些内容的解析处理后形成显示参数，最终提交至解析结果显示更新线程模块。

　　4）显示缓存循环组包模块和本地显示缓存文件模块，如图2所示，由于显示参数及显示模块的多样性，在步骤3完成显示参数后，针对每一类的显示过程都依次再进行显示缓存循环组包处理和本地显示缓存文件处理，其中，如图5所示，每一类的显示过程具体分别为统计信息缓存模块、波形曲线显示缓存模块和信令参数缓存模块。通过再一次的一级内存缓存配合一级文件缓存方式可以实现显示参数缓存功能处理，保证了界面显示刷新的流畅性和独立性，处理后的显示结果存储在本地对应的统计信息缓存显示缓存文件、波形曲线显示缓存文件和信令参数缓存文件中。

　　5）通过同步调度算法模块，保证数据解析处理线程模块和显示缓存组包模块的同步处理，保证数据解析处理线程模块和显示缓存组包模块间的处理速率匹配；在同步调度实现过程中，是通过监测缓存率和解析率值来进行相关的算法处理，然后再进行线程的执行时间片调度处理。

　　6）通过解析结果显示更新线程模块，对步骤3存储在本地对应的统计信息缓存显示缓存文件、波形曲线显示缓存文件和信令参数缓存文件直接进行更新处理，通过检测各个独立缓存文件的内容进行刷新结果操作，分别进行统计信息显示、波形曲线绘制更新和信令参数更新操作，最终完成整个后端数据的接收、分析处理和显示工作。

　　3 测试结果

　　高性能接收机测试仪表在设计实现过程中主要通过前后端分离灵活设计方法和后端接口优化算法处理方式来进行高吞吐量、高速率业务的实时解析处理，所以在测试验证方面分别针对吞吐量和接口时延进行测试和以前传统方案进行分析对比。

　　其中，由于传统的接收机仪表测试方案中采用千兆以太网口进行数据接口传输，故在高于1Gbit数据流传输时，传输方案无法实现。如图6所示，在吞吐量测试验证丢包率统计过程中，本文方案明显优于传统方案，随着速率越高，逐渐出现丢包情况，但是丢包率都会控制在6%以下，可以很好的保证高吞吐量业务的传输完成。

　　如图7所示，在交互时延测试验证时延过程中，本文方案也明显由于传输方案，特别是用户交互体验方面，传输方式下，在500 Mb/s速率下，数据传输时延较大，且交互过程明显卡顿；而本文方案下即使在接近2 Gb/s下，数据传输时延仍然较小，且用户交互时延不到2 s，基本实现了在高速率数据业务下的实时传输显示交互功能。

　　4 结论

　　本文为设计实现一类高性能接收机测试仪表仪器，通过前、后端模块分离，配合万兆以太网口进行接口通信，解决之前母版总线通信传输接口瓶颈问题；同时，分离模式设计增强后端数据处理灵活性，提高数据处理聚合度，降低装置设备成本；在后端以太网口接收处理过程中，通过内存循环组包缓存方式和内存文件映射缓存方式实现了后端网口数据流的实时存储功能，保证了接收端能完整接收高速率数据流能力；在后端接数据解析处理过程中，通过多显示块的内存循环组包缓存方式、内存文件映射缓存方式和同步调度算法实现了后端数据高速解析功能保证了接收机装置的解析显示能力，提高了与用户间的友好交互能力。实践证明，本文方案方法可以有效地进行高速率业务的高吞吐量、高实时性和低时延需求，在工程实践中也得到了验证，对其他类似高性能接收机测试仪表也有很好的借鉴作用。

　　参考文献

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

　　[2] 杨传伟,王嘉嘉,周保奎. LTE-Advanced空口监测加解密过程方法研究与实现[J].电子产品世界,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).

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第30页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 201909 5G 高性能接收机 高吞吐量 低时延