杨传伟 1,2,3 ，王嘉嘉 1,2,3 ，吴 磊 1,2,3 ，宋加齐 1,2,3(1.我国电子科技集团公司第四十一研讨所，安徽 蚌埠 233010；2.中电科仪器外表(安徽)有限公司，安徽 蚌埠 233010；3.电子信息测验技能安徽省要点实验室，安徽 蚌埠 233010)
摘 要：跟着5G逐步进入商用阶段，基站侧和终端侧的5G关键技能验证和外网测验都离不开高性能接纳机测验外表，惯例的接纳机外表也很难习惯5G关键技能测验需求。本文首要针对以上难点进行研讨剖析，经过优化晋级软硬件办法规划完结一种高性能接纳机测验外表，确保能够满意高吞吐量测验需求，一起为用户供给杰出的交互体会。测验成果验证了该外表测验的有用性和友爱性。
关键词：5G；高性能接纳机；高吞吐量；低时延；
*基金项目：安徽省要点研讨和开发计划项目(1804a09020042)，国家科技严重专项(2017ZX03001021)
0 导言
移动通讯自诞生以来，经过三十多年的爆发式增加，已成为衔接人类社会的根底信息网络。移动通讯的开展不只深入改变了人们的生活办法，并且已成为推进国民经济开展、进步社会信息化水平的重要引擎。跟着4G进入老练商用阶段，面向2020年及未来的第五代移动通讯（5G）已成为全球研制热门。在5G愿景中，清晰的典型场景包含低时延高牢靠、热门高容量和高速移动、低功耗大衔接等场景，这些场景的完结对基站侧和终端侧的接纳机规划提出十分高的要求。在现在5G研制技能实验阶段，怎么经过规划完结一类高性能的高性能接纳机测验外表对完结和验证5G关键技能具有重要意义。
因为5G通讯新技能方面临天线数、频谱带宽和物理层新算法等方面进行改善打破，之前一般的终端模仿设备很难满意如此大数据、高速率处理的要求。常用接纳机仪器是射频、中频、基带和母版总线传输办法来进行数据处理传输，可是跟着Massive MIMO、MassivaCA等测验场景的呈现 [1] ，经过这种办法很难再进行大数据量的并行处理剖析显现等测验需求，更无法完结在5G杂乱运用场景上构成一个通用测验办法。
另一方面，常用的万兆以太网口通讯测验接口来持续处理实时性、高速率数据流难度比较大，很简单构成数据包的丢掉和乱序。一起针对Gbit级以上且是一个持续传输场景，常用的接纳、解析和更新次序式办法处理难度也比较大，很简单构成上位机软件解析失利或许显现卡顿等问题。所以，怎么针对这一状况进行有用的改善处理，并进步接纳机对数据的实时处理解析，进步外表用户的交互体会，也是处理整个高性能接纳机测验外表能否成功的关键所在。所以，本文要点进行高性能接纳机测验外表中相关测验接口模块进行剖析规划，处理高性能接纳机测验外表在新测验场景下的高速率、实时性和稳定性数据测验问题，以满意实在环境中的测验需求。
1 高性能接纳机测验外表硬件规划
如图1所示，为高性能接纳机测验外表的整机完结原理框图。包含前端数据收集处理模块和后端接纳机处理模块两大部分 [2] 。
其间，前端数据收集处理模块，包含射频接纳模块、中频模块和基带处理模块；射频接纳模块，包含信号处理变频模块、本振阵列模块和信号通路切换模块；本振阵列模块，被装备为用于发生本振信号，频率为400 MHz~6 GHz；信号处理变频模块，被装备为用于对接纳的无线信号进行扩大、滤波后，与本振阵列发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，被装备为用于对下变频后的信号进行挑选切换和滤波处理；中频模块，包含A/D转化模块、中频信号处理改换模块、信号解映射转化处理模块和物理层同步预处理模块；A/D转化模块，被装备为用于对输出的8路153.6 MHz中频模仿信号进行模数转化；中频信号处理改换模块，被装备为用于对转化后的数字信号进行扩大、滤波和CIC插值处理；信号解映射转化处理模块，被装备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，被装备为用于对经过信号解映射转化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阅信号处理；基带处理模块，包含物理层模块、高层协议模块、调度剖析操控接口模块以及解析成果参数模块；物理层模块，被装备为用于对物理层的各个信道进行解析处理，信道包含PSS（Primary Synchronization Signal，主同步信号）、SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号）、PBCH（Physical Broadcast Channel，物理播送信道）、PDSCH（Physical Downlink SharedChannel，物理下行同享信道）和PUSCH（PhysicalUplink Shared Channel，物理上行同享信道）信道；高 层 协 议 模 块，被装备为用于对MAC（Medium AccessControl，介质拜访操控）/RLC（Radio LinkControl，无线链路操控）/PDCP（PacketData ConvergenceProtocol，分组数据会聚协议）/RRC（Radio Resource Control，无线资源操控）/NAS（Non-Access Stratum，非接入层）层信令音讯进行解码处理；调度剖析操控接口模块，被装备为用于和中频模块进行同步操控，并对物理层模块、高层协议模块进行调度剖析；解析成果参数模块，被装备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] ；
后端接纳机处理显现模块，包含万兆网口接纳机处理模块和UI界面显现模块；万兆网口接纳机处理模块，包含网口接纳线程模块、数据解析处理线程模块和解析成果显现更新线程模块；网口接纳线程模块，被装备为用于对万兆以太网口的数据进行接纳存储；数据解析处理线程模块，被装备为用于对网口数据进行解析处理；解析成果显现更新线程模块，被装备为用于对解析后的成果参数进行显现改写，包含时域频域数据的曲线制作和参数显现、物理层参数的参数显现、协议层的MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS信令解码显现 [5] 。
2 高性能接纳机测验外表软件规划完结
在高性能接纳机测验外表软件规划完结进程中，难点部分是后端接纳机处理显现进程中的大数据量数据处理及实时性解析交互模块，惯例的后端接纳解析办法很难满意高速率、大吞吐量测验要求，所以需求针对之前的办法进行改善，故规划经过一级内存循环组包缓存办法和一级内存文件映射缓存办法，完结后端万兆以太网口数据流的实时存储，确保了接纳端能够完好接纳高速率数据流。处理进程如图2所示。
在后端接纳机处理显现模块中，首要经过万兆网口接纳线程模块，根据UDP办法和前端数据收集处理模块中的基带处理模块交互通讯，运用根据运用层面的规范套接字完结网口数据流的接纳和发送通讯传输，完结渠道是根据高速X86的Windows服务器渠道，根据传输通讯运用的是recvfrom和sendto函数完结网口的接纳和发送数据功用。详细进程如下：
1）网口接纳线程模块，如图3所示，首要进行循环组包模块处理，接纳到的数据流进行循环组包处理：首要经过结构循环数据包进行一级内存缓存操作。一起，运用多线程办法再进行循环数据包的文件存储处理，确保整个原始网口数据不会丢掉。
2）进行循环数据包组包和文件存储的详细完结进程如下。
①拓荒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；经过运用nHead，nTail两个变量来保护当时缓存szStream的运用状况，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完毕行标号。
②经过万兆网口接纳线程模块，每接纳到1个数据包，则复制数据包到缓存的szStream开始方位偏移nTail×N 2 方位处，一起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 经过包含CreateFileMapping、MapViewOfFile、UnmapViewOfFile在内的函数完结完结的；界说每次保存Ns个数据包到本地文件中，经过多线程内存映射办法保存szStream+（nHead×N 2 ）方位处后的Ns×N 2个数据点到本地存储文件，保存完结后移动已缓存数据头部nHead方位，即nHead = nHead + Ns，持续循环进行下一次数据包的文件存储，直至nHead和nTial持平。
④若nHead或nTail超越N1，则从头进行赋值，即nHead（nTail）= nHead(nTail)%N1，一向循环读取网口数据，重复进行2.2)~2.4)进程。
3）数据解析处理线程模块，对进程2中万兆网口接纳数据进行本地缓存的文件进行读取数据流操作，然后再进行运用层面的数据解析处理进程，包含时域频域数据的曲线制作和参数显现、物理层参数的参数显现、协议层的MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS等信令解码显现，经过对这些内容的解析处理后构成显现参数，终究提交至解析成果显现更新线程模块。
4）显现缓存循环组包模块和本地显现缓存文件模块，如图2所示，因为显现参数及显现模块的多样性，在进程3完结显现参数后，针对每一类的显现进程都顺次再进行显现缓存循环组包处理和本地显现缓存文件处理，其间，如图5所示，每一类的显现进程详细别离为计算信息缓存模块、波形曲线显现缓存模块和信令参数缓存模块。经过再一次的一级内存缓存合作一级文件缓存办法能够完结显现参数缓存功用处理，确保了界面显现改写的流畅性和独立性，处理后的显现成果存储在本地对应的计算信息缓存显现缓存文件、波形曲线显现缓存文件和信令参数缓存文件中。
5）经过同步调度算法模块，确保数据解析处理线程模块和显现缓存组包模块的同步处理，确保数据解析处理线程模块和显现缓存组包模块间的处理速率匹配；在同步调度完结进程中，是经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）经过解析成果显现更新线程模块，对进程3存储在本地对应的计算信息缓存显现缓存文件、波形曲线显现缓存文件和信令参数缓存文件直接进行更新处理，经过检测各个独立缓存文件的内容进行改写成果操作，别离进行计算信息显现、波形曲线制作更新和信令参数更新操作，终究完结整个后端数据的接纳、剖析处理和显现作业。
3 测验成果
高性能接纳机测验外表在规划完结进程中首要经过前后端别离灵敏规划办法和后端接口优化算法处理办法来进行高吞吐量、高速率事务的实时解析处理，所以在测验验证方面别离针对吞吐量和接口时延进行测验和曾经传计算划进行剖析比照。
其间，因为传统的接纳机外表测验计划中选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，传输计划无法完结。如图6所示，在吞吐量测验验证丢包率计算进程中，本文计划显着优于传计算划，跟着速率越高，逐步呈现丢包状况，可是丢包率都会操控在6%以下，能够很好的确保高吞吐量事务的传输完结。
如图7所示，在交互时延测验验证时延进程中，本文计划也显着因为传输计划，特别是用户交互体会方面，传输办法下，在500 Mb/s速率下，数据传输时延较大，且交互进程显着卡顿；而本文计划下即便在挨近2 Gb/s下，数据传输时延依然较小，且用户交互时延不到2 s，根本完结了在高速率数据事务下的实时传输显现交互功用。
4 定论
本文为规划完结一类高性能接纳机测验外表仪器，经过前、后端模块别离，合作万兆以太网口进行接口通讯，处理之前母版总线通讯传输接口瓶颈问题；一起，别离形式规划增强后端数据处理灵敏性，进步数据处理聚合度，下降设备设备本钱；在后端以太网口接纳处理进程中，经过内存循环组包缓存办法和内存文件映射缓存办法完结了后端网口数据流的实时存储功用，确保了接纳端能完好接纳高速率数据流才能；在后端接数据解析处理进程中，经过多显现块的内存循环组包缓存办法、内存文件映射缓存办法和同步调度算法完结了后端数据高速解析功用确保了接纳机设备的解析显现才能，进步了与用户间的友爱交互才能。实践证明，本文计划办法能够有用地进行高速率事务的高吞吐量、高实时性和低时延需求，在工程实践中也得到了验证，对其他相似高性能接纳机测验外表也有很好的学习效果。
参阅文献
[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空口监测加解密进程办法研讨与完结[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，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
