「完全用软件实现 4G LTE 基站」的原理是什么?

【DuncanZhang的回答(29票)】:

早上看到这个新闻了,也看了Bellard的履历,他很厉害,其实他做的这些Hack或者代码实现,主要是围绕在PC结构上实现一些现场实时控制系统的搭建和软实现,异曲同工,水准确实很高。

关于知乎上这个问题问得其实有些不妥,因为这并不是在PC结构上完全以代码结构实现一个完整的LTE基站(eNodeB),Bellard也用到了专用的RF部件,

"RF configurationBand 7 (2600 MHz FDD), 20 MHz bandwidth, single antenna."

根据描述是在2.6GHz上的具有最大20MHz载频带宽处理能力的RF前端器件组合,这里包括功率放大器PA、低噪放大器LNA、双工器Duplexor、滤波等等和其它连接件,这是物理结构不是软结构,这部分是无法用软件实现的。现在的零中频架构ZIF,可以实现数字部分和模拟部分的低成本拆分,Bellard的这个架构类似,他所设计的软件部分完全实现了eNodeB的数字部分,从Layer1到Layer3和以上所有关于eUtran的数字部分全部由PC和软件实现,只是数字信号调制之后以ZIF结构进入RF的时候才交给RF前端作处理。

除此之外,Bellard的杰作还模拟了MME和GW,也就是LTE的核心网部分,这样就使得他的作品可以直接和Internet对接而提供接入业务,而无需和运营商对接。至少他现在这个架构是这样做的,合理不合理,有无市场还是只是玩儿票,不好说,需要时间检验。

其实,现在在通信业已经有这个趋势了,即采用更加廉价的ARM架构和Linux实现机站结构,为的就是降低成本且缩短开发周期。

【余天升的回答(12票)】:

软件无线电不是什么新鲜的东西了。他这个看着像是专用的设备,我用过另一个软件无线电设备——USRP,而且这个是通用的,我讲讲这个吧。

其实原理很简单,通过天线接受无线电信号,然后只完成最基本的模数转换,然后得到一大堆浮点数表示的无线电信号,接下来,平时无线电设备上所有电路板所需要做的工作,例如各种滤波、各种阶码,全部都由软件来完成。这种设备的优点就是,不需要从新设计硬件,只需要更改软件就可以完成不同的功能,方便无线电开发和调试。而缺点就是,因为这些事情是通过软件完成的,效率比较低,延迟也可能比较大。

相关阅读:

USRP: en.wikipedia.org/wiki/U

GNU Radio: en.wikipedia.org/wiki/G

OpenBTS: wush.net/trac/rangepubl

相关中文资料: microembedded.com.cn/

【mikezhang的回答(2票)】:

谢邀!

我不是学通信的,但在通信企业混饭吃,勉为其难查了一点资料提供给你,具体太详细无法解释,但基本架构还是不太会错了。

4G移动网架构如图

4G LTE基站就是这个eNode B,它和核心网组成了LTE的分组网络系统,负责和用户设备(手机或其他上网卡设备)通信。4G LTE基站就是这个eNode B,它和核心网组成了LTE的分组网络系统,负责和用户设备(手机或其他上网卡设备)通信。

所以4G LTE基站主要就要负责和用户设备以及核心网通信。

从这个图可以看到,电脑要通过以太网连接天线系统(这里他们用的是 USRP N210 ),所以和手机通信(无线电模拟信号)这部分是由天线系统完成了。模数信号转换完成后,按下图的原理进行数据和信令的通信。从这个图可以看到,电脑要通过以太网连接天线系统(这里他们用的是 USRP N210 ),所以和手机通信(无线电模拟信号)这部分是由天线系统完成了。模数信号转换完成后,按下图的原理进行数据和信令的通信。

这里MME和SGW都是核心网设备。这里MME和SGW都是核心网设备。

EPC 核心网主要由移动性管理设备(MME)、服务网关(S-GW)、分组数据网关(P-GW)、存储用户签约信息的HSS、策略控制单元(PCRF)等组成, 其中S-GW 和P-GW可以合设,也可以分设。EPC 核心网架构秉承了控制与承载分离的理念,将分组域中SGSN 的移动性管理、信令控制功能和媒体转发功能分离出来,分别由两个网元来完成,其中,MME 负责移动性管理、信令处理等功能,S-GW 负责媒体流处理及转发等功能,P-GW 则仍承担GGSN 的职能。LTE 无线系统中取消了RNC 网元,将其功能分别移至基站eNodeB 和核心网网元,eNodeB 将直接通过S1 接口与MME、S-GW 互通,简化了无线系统的结构。
从上图可以看到无论是信令流还是数据流,基站和用户设备是通过物理层来交互的,和核心网是通过ip协议来交互的。

所以软件可以模拟出基站系统的PHY、MAC、PLC、RLC、PDCP、RRC、S1AP、X2AP、GTPU、UDP、IP等层和协议,来做到和用户设备和分组网通信。

LTE Tools

The following tools were developed to simulate and validate all the aspects of my LTE base station:

  • LTEMOD: LTE signal generator compatible with LTE release 10.3.
  • LTEPROBE: LTE signal analyzer. Dump recorded downlink and uplink signals.
  • LTESIM: Very fast LTE UE and eNodeB simulator. Simulates a complete LTE network from the PHY layer up to the NAS layer.
这是引用这个网站它使用的工具,明显说明它的工具可以产生LTE信号、分析信号、仿真出完成的LTE网络(从PHY层到NAS层)。

PS:PHY、MAC等等层次和OSI七层协议不一样,都是LTE网络协议的一部分。这部分再深入就是钻研LTE协议了,我一时半会也理解不到。就这样了,希望对你有帮助。

【小明的回答(2票)】:

基本同意Duncan Zhang的答案,另外补充增加一点信息。

用软件实现LTE基站的的趋势各大运营商和设备商早就看到了。主要是运营商在大力推动,可以参考C-RAN白皮书中文版_V0_53_clean

原因、现状、趋势、难点都写得很清楚,规划中未来的基站远比单纯的软件化复杂的多。目前白皮书已经更新了几版了,但是总体思想还是差不多的。请大家注意白皮书最后致谢的那部分,知道幕后黑手是谁了吧?

在大T(中移动等运营商巨头)和幕后黑手的推动下,苦逼的设备商上进退两难,纠结的要死。做不出来是死,做出来也是革自己的命。以后,华为、爱立信等就真的成为“软件公司”了。去跟各路大牛、软件工作室充分竞争吧。至于基站什么的,让富士康来就可以了。

从阴谋论的角度分析,题目中的大牛可能就是大T和幕后黑手们推出来給各大设备商的下马威,逼其就范的。

根据我知道的信息,目前有些设备商也已经可以在普通PC上实现LTE的协议了。PC模拟BBU(基站基带单元),甚至是BBU池,通过少量其它设备连接到RRH(射频单元),已经可以打通电话了。用户数、天线数做的应该都要比大牛强点。不过离商用也还差十万八千里。

当然大牛是一个人,也不是纯专业的,还是非常非常厉害的。

【brissdong的回答(0票)】:

想要实现完全的软件无线电,就必须做到在射频直接进行A/D采样。接下来就完全是数字信号了,然后进行数字下变频将调制信号降到中频直至基频,最后仍用数字手段进行信道信源解码出调制数字信号。

由于软件修改起来相对简单,如果软件无线电真的实现,那么可以基于通用的硬件平台处理各种数字调制信号。目前的实现难题首先根据采样定理,射频直接采样对AD芯片性能和速率要求太高,其次直接数字下变频运算量太大,等等吧。所以目前手机等各种数字信号接收机,会采用超外差等方法把射频降到中频,再在进行AD采样,后面就是数字的世界了。

有兴趣请看 数字通信:基础与应用。

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