0 引言 

隨著GSM網絡規模和用戶數量不斷增長，各大運營商的移動網絡都具有相當規模。如何在最短時間內提高網絡服務質量，提高企業核心競爭力，受到越來越多的關注。在網絡運行過程中，經常會出現各種不可預料的問題，其中基站硬件故障、傳輸問題等，可以通過網絡操作維護設備(OMC)來發現，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象，統計中難以發現。對這些問題，要通過路測采集數據并進行分析，做出準確的判斷，同時依據測試結果，提出調整方案。這些測試數據包括：信號電平、信號質量、信令數據等[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、設備和終端的高速發展，參考終端的開發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，得出只需一部USRP 和一臺普通PC 配合全球定位系統GPS 就能夠實現采集信號電平、獲得信令數據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 實驗環境 

1.1 硬件平臺——USRP 

USRP 全稱是軟件無線電通用外設，實現了基站的射頻前端。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/數轉換器ADC、4 個14bit/128M 數/模轉換器DAC、一個百萬門的現場可編程門陣列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據、數模轉換、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，另外兩個用于發射。RF 前端實現在子板上的，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，實現了GSM無線接口。  

圖1 USRP的系統框圖 (Blossom, 2004)   

傳統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點，把智能化程度高的信號處理（如調制解調）交給電腦上的軟件執行，而其余按部就班的執行簡單操作，比如數字上下變頻、抽樣和內插等，交給USRP上的FPGA處理。既保證了無線電信號處理的速度，又有利于創造新型無線設備，尤其是降低創新所面臨的開發難度。 

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射和接收方式，搭建無線電通信系統的開源軟件系統。現在那些高性能的無線電設備中所遇到的數字調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Airprobe，可以實現在某一固定GSM 頻點上通過USRP 對下行鏈路BCCH 信道進行一段時間的靜態偵聽，在偵聽結束后對結果進行分析，把環境中BCCH信道上的所有信息解析出來，最終得到環境中主小區基站工作頻點、鄰小區工作頻點、網絡識別和配置參數等信息。 

2 基于GNU Radio和USRP的路測儀實現

首先，打開所有設備后，運行腳本./usrp_fft.py，它是基于GNU Radio 開發的軟件頻譜儀，由于選擇要測試的運營商GSM900M 網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字信號對CPU 和存儲器產生的負擔），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的頻點后，固定在該頻點上進行信號采集、解調和分析，先調用腳本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 調用同路徑下的gsm-receive.py完成解調功能，同時調用gsmdecode文件夾里的可執行文件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（遠離窗戶）、室內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頻率、主小區所使用的所有頻點、鄰小區BCCH 頻點、小區識別、位置區識別碼和主小區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，鄰小區等無線環境變化情況，同時能夠從信號強度的分析結果呈現網絡質量狀況。通過分析實驗結果可得，窗外的信號強度明顯要強于室內；靠窗的位置可能是幾個小區邊界的交叉點，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，所設計的系統完整和準確地記錄了BCCH 信息，該系統在軟件無線電平臺上進行開發，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 原理及其網絡優化[M].北京：機械工業出版社，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].