0 引言 

隨著GSM網(wǎng)絡規(guī)模和用戶數(shù)量不斷增長，各大運營商的移動網(wǎng)絡都具有相當規(guī)模。如何在最短時間內(nèi)提高網(wǎng)絡服務質(zhì)量，提高企業(yè)核心競爭力，受到越來越多的關注。在網(wǎng)絡運行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種不可預料的問題，其中基站硬件故障、傳輸問題等，可以通過網(wǎng)絡操作維護設備(OMC)來發(fā)現(xiàn)，但是有些無線方面的問題，如并沒有導致嚴重掉話的上下行干擾或覆蓋不合理等現(xiàn)象，統(tǒng)計中難以發(fā)現(xiàn)。對這些問題，要通過路測采集數(shù)據(jù)并進行分析，做出準確的判斷，同時依據(jù)測試結果，提出調(diào)整方案。這些測試數(shù)據(jù)包括：信號電平、信號質(zhì)量、信令數(shù)據(jù)等[1]。 

路測設備一般分為兩大類：第一類是掃頻儀。它是專用的場強測試儀表，可以對無線網(wǎng)絡RF信號強度進行全面精確測量，其缺點是價格一般比較高。第二類是參考終端和路測軟件。通過參考終端配合路測軟件取得空中接口信令消息后進行后期處理。此類儀表的缺點主要有兩點：首先，面對目前移動通信系統(tǒng)、設備和終端的高速發(fā)展，參考終端的開發(fā)還需進一步完善和加強。其次，由于參考終端是由普通終端改進而成，故其RF信號測量精度非常有限，使用壽命也較短。 

為了解決上述問題，筆者基于GNU Radio和USRP提出了一種GSM900M 路測儀設計方案，通過在GNU Radio 軟件平臺上進行開發(fā)，得出只需一部USRP 和一臺普通PC 配合全球定位系統(tǒng)GPS 就能夠?qū)崿F(xiàn)采集信號電平、獲得信令數(shù)據(jù)等一些路測儀的基本功能，降低了設備成本以及維護和升級成本。 

1 實驗環(huán)境 

1.1 硬件平臺——USRP 

USRP 全稱是軟件無線電通用外設，實現(xiàn)了基站的射頻前端。如圖1 所示，它由一個母板和不同的子板組成。母板包含4 個12bit /64M 抽樣率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、4 個14bit/128M 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC、一個百萬門的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 芯片和一個可編程的USB2.0 控制器。其作用包括與電腦間傳送數(shù)據(jù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號處理、運行用戶程序等。每個USRP 母板上可連接四個子板，其中兩個用于接收，另外兩個用于發(fā)射。RF 前端實現(xiàn)在子板上的，通過連接不同的子板，USRP 可以處理不同頻段的信號。這里USRP 連接了兩塊900 MHz的子板，實現(xiàn)了GSM無線接口。  

圖1 USRP的系統(tǒng)框圖 (Blossom, 2004)   

傳統(tǒng)無線電處理基本上由硬件設備完成。而USRP則充分利用軟件無線電的優(yōu)點，把智能化程度高的信號處理（如調(diào)制解調(diào)）交給電腦上的軟件執(zhí)行，而其余按部就班的執(zhí)行簡單操作，比如數(shù)字上下變頻、抽樣和內(nèi)插等，交給USRP上的FPGA處理。既保證了無線電信號處理的速度，又有利于創(chuàng)造新型無線設備，尤其是降低創(chuàng)新所面臨的開發(fā)難度。 

1.2 軟件平臺 

1.2.1 GNU Radio[2] 

GNU Radio 是一個通過最小程度結合硬件（主要是USRP），用軟件定義無線電波發(fā)射和接收方式，搭建無線電通信系統(tǒng)的開源軟件系統(tǒng)。現(xiàn)在那些高性能的無線電設備中所遇到的數(shù)字調(diào)制問題將變成軟件問題。GNU Radio的編程基于Python腳本語言和C++的混合方式。C++被用于編寫各種信號處理模塊。Python 被用來編寫連接各個block 成為完整的信號處理流程的腳本graph[3]。 

1.2.2 Airprobe[4] 

Airprobe 是一個開源項目，目標是要建立一個對GSM（以及可能以后的3G）移動電話標準的空中接口分析工具。通過開發(fā)Airprobe，可以實現(xiàn)在某一固定GSM 頻點上通過USRP 對下行鏈路BCCH 信道進行一段時間的靜態(tài)偵聽，在偵聽結束后對結果進行分析，把環(huán)境中BCCH信道上的所有信息解析出來，最終得到環(huán)境中主小區(qū)基站工作頻點、鄰小區(qū)工作頻點、網(wǎng)絡識別和配置參數(shù)等信息。 

2 基于GNU Radio和USRP的路測儀實現(xiàn)

首先，打開所有設備后，運行腳本./usrp_fft.py，它是基于GNU Radio 開發(fā)的軟件頻譜儀，由于選擇要測試的運營商GSM900M 網(wǎng)絡所使用的頻段的下行頻率是954~960M 共6M 帶寬，因此設定軟件頻譜儀的中心頻率為957M，抽取率為8（由于采用的是52M 晶振，USRP默認采樣率為52M，設置抽取率為8 使其可以降采樣率到52/8=6.5M，既能夠完全覆蓋所要測試的頻段又能降低過高速率數(shù)字信號對CPU 和存儲器產(chǎn)生的負擔），就能夠看到非常明顯的200 kHz 寬度的GSM 信號，從而得到信號最強的頻點為當前位置主小區(qū)所使用的頻點。所觀察到的GSM 頻譜如圖2 所示。  

得到當前位置主小區(qū)的頻點后，固定在該頻點上進行信號采集、解調(diào)和分析，先調(diào)用腳本capture.sh，通過GNU Radio的組件usrp_rx_cfile.py 以完成該頻點上BCCH 信號采集功能，接著使用腳本文件go.sh 調(diào)用同路徑下的gsm-receive.py完成解調(diào)功能，同時調(diào)用gsmdecode文件夾里的可執(zhí)行文件gsmdecode完成分析功能；使用Matlab 分析采集的文件，得到該采集頻點的信號強度。 

3 實驗結果及分析 

由于目前實驗設備限制，僅在室內(nèi)（遠離窗戶）、室內(nèi)靠窗和窗外三個位置分別做了實驗。得到的實驗結果如表1所示。  

從表1可以看到，得到了三個不同位置的主小區(qū)頻率、主小區(qū)所使用的所有頻點、鄰小區(qū)BCCH 頻點、小區(qū)識別、位置區(qū)識別碼和主小區(qū)BCCH信號強度。為了保證收集到的信令被正確解析，采集信號時，設置抽取率為112，這樣降采樣率到約460 kHz，使得我們使用Matlab分析時畫出的功率譜密度圖的帶寬也只有460 kHz(見圖3、圖4 和圖5)，但是對于筆者獲取中心頻率的信號強度來說已經(jīng)足夠了。 

綜上，運用此套設備可以完整地記錄下BCCH的信令以及當前設備所在服務主小區(qū)，鄰小區(qū)等無線環(huán)境變化情況，同時能夠從信號強度的分析結果呈現(xiàn)網(wǎng)絡質(zhì)量狀況。通過分析實驗結果可得，窗外的信號強度明顯要強于室內(nèi)；靠窗的位置可能是幾個小區(qū)邊界的交叉點，因為該位置的幾個頻點的信號強度都差不多，信號強度也不高。  

4 結語 

文中提出了一種基于GNU Radio 的GSM900M 軟件無線電路測儀的系統(tǒng)結構。在文章的前半部分，筆者從理論研究方面評估了GNU Radio 和USRP 的特性。之后針對傳統(tǒng)路測儀存在的不足，提出了一種新的設計來克服這些缺點。在實驗和測試部分可以看到，所設計的系統(tǒng)完整和準確地記錄了BCCH 信息，該系統(tǒng)在軟件無線電平臺上進行開發(fā)，使用開源的源代碼，是一種功能強大且低成本的解決方案。  

參考文獻 

[1] 韓斌杰，杜新顏，張建斌. GSM 原理及其網(wǎng)絡優(yōu)化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009. 
[2] 曹瀚文,王文博.GNU Radio：開放的軟件無線電平臺[J].電信快報，2007(04)：31-34. 
[3] BLOSSOM E. How to Write a Signal Processing Block[EB/OL].（ 2006-07-21 ）[4] dexter. Airprobe Web Page[EB/OL]. （2010-06-28）[2010-09-01].