CC BY
18UDC 621.391.2
Babanov I.A., Prasolov A.A., Fedorov A.S. Development of a
multi-purpose mobile tester
Разработка многоцелевого тестера мобильной связи
Babanov Ivan Andreevich,
Postgraduate Student of Department of Radio Communication and Broadcasting, SPbSUT
Prasolov Aleksandr Aleksandrovich,
Senior instructor of Department of Radio Communication and Broadcasting, SPbSUT
Fedorov Andrey Sergeevich,
Graduate Student of Department of Radio Communication and Broadcasting, SPbSUT Scientific adviser: Vorobiev O.V., Cand. Of Eng. Sc., professor, head of Department of Radio Communication and Broadcasting, SPbSUT
Бабанов Иван Андреевич,
Аспирант кафедры радиосвязи и вещания, СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Прасолов Александр Александрович, Старший преподаватель кафедры радиосвязи и вещания, СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича Федоров Андрей Сергеевич, Магистрант кафедры радиосвязи и вещания, СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Научный руководитель
Воробьев О.В., к.т.н., профессор, заведующей кафедрой радиосвязи и вещания,
СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Abstract. Cellular networks are primarily commercial networks, so the operator's profit directly depends on the quality of service of subscribers. There is great competition between them and therefore, to improve the quality of service, an important issue is raised - the issue of measurement. Testing and analysis of the quality indicators of deployed networks are one of the most important conditions for improving the quality of service and, therefore, competitiveness. For measurements, several versions of measuring complexes produced by the largest telecommunications companies are presented on the market, but among them there are no domestic development complexes, which introduces certain difficulties for measurement by Russian operators
Keywords: mobile communication, measurements, radio module, Raspberry.
Аннотация. Сотовые сети прежде всего являются коммерческими сетями, поэтому от качества обслуживания абонентов напрямую зависит прибыль оператора. Между ними наблюдается огромная конкуренция и поэтому для повышения качества обслуживания поднимается важный вопрос - вопрос проведения измерений. Тестирование и анализ показателей качества развернутых сетей являются одними из наиболее важных условий для улучшения качества обслуживания и, следовательно, конкурентноспособности. Для проведения измерений на рынке представлено несколько вариантов измерительных комлексов, производимых крупнейшими телекоммуникационными компаниями, однако среди них отсутствуют комплексы отечественной разработки, что вносит определенные трудности для проведения измерений российскими операторами
Ключевые слова: мобильная связь, измерения, радиомодуль, Raspberry
Рецензент: Сагитов Рамиль Фаргатович, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе в ООО «Научно-исследовательский и проектный институт экологических проблем», г. Оренбург
Аппаратная составляющая измерительного устройства состоит из 5 основных частей, к которым относятся радиомодуль, модуль обработки информации, система хранения данных, устройства ввода/вывода и система электропитания. Стоит отметить, что данные блоки будут так или иначе входить в состав измерительного устройства, в независимости от платформы его реализации. Структурная схема измерительного устройства представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема измерительного устройства
Радиомодуль необходим для приема и передачи сигналов между устройством и базовой станцией. На основе принятых им данных и проводятся измерения таких параметров, как РББ!, БЫР, ВЕЯ в реальном времени. Модуль обработки информации является основным элементом системы и необходим для декодирования полученной информации, ее обработки и визуализации, вывода информации на внешний дисплей, а также для управления остальными блоками устройства. Кроме того, модуль обработки информации контролирует ведение базы данных и обеспечивает сохранение и загрузку информации из нее. Система хранения данных предназначена для хранения пользовательских данных, служебной информации и программного обеспечения. Устройства ввода/вывода предназначены для визуализации данных и внешнего управления устройством. В качестве примера можно привести дисплей. Система электропитания должна обеспечивать возможность работы устройства от
промышленной сети, либо в автономном режиме (от аккумуляторных батарей). Также система электропитания может включать в себя блоки для зарядки аккумуляторных батарей и преобразователи напряжения. Наиболее важными частями измерительного устройства, определяющими его характеристики и работу, являются радиомодуль и модуль обработки информации.
Радиомодуль в рассматриваемой схеме представляет собой модем сотовой связи. Для подключения радиомодуля к модулю обработки информации используется последовательный порт (интерфейс UART).
Изучив перечни предоставляемых на рынке радиомодулей выбор был остановлен на двух экземплярах - SIMCom SIM7600E-H и Quectel AG35-E. Для сравнения были выбраны именно эти два модуля, поскольку они являются наиболее универсальными, так как поддерживают все актуальные на сегодняшний день стандарты сотовой связи. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика, содержащая основные технические характеристики, габариты, условия эксплуатации и розничные цены [1] [2].
Таблица 1
Сравнительная характеристика радиомодулей
Параметр SIMCom SIM7600E-H Quectel AG35-E
Габариты, мм 30,0x30,0x2,9 29,0x32,0x2,4
Частотный диапазон LTE-FDD B1/B3/B5/B7/B8/B20 B1/B3/B5/B7/B8/ B20/B28
LTE-TDD B38/B40/B41 B38/B40/B41
WCDMA B1/B5/B8 B1/B5/B8
GSM 900/1800 МГц 900/1800 МГц
Рабочее напряжение, В 3,4 - 4,2 DC 3,3 - 4,3 DC
Потребляемый ток, мА 2,3 (LTE) 3,3 (WCDMA) 2,8 (GSM) 2 (режим ожидания) 22 (рабочий режим)
Категория LTE Cat. 4 Cat. 4
Скорость передачи данных LTE-FDD, Мбит/с Downlink 150 150
Uplink 50 50
LTE-TDD, Мбит/с Downlink 150 130
Uplink 50 30
HSPA, Мбит/с Downlink 42 42
Uplink 5,76 5,76
WCDMA, Кбит/с Downlink 384 384
Uplink
EDGE, Кбит/с Downlink 236,8 296
Uplink 236,8
Downlink 107
Параметр SIMCom SIM7600E-H Quectel AG35-E
GPRS, .. .. . Кбит/с Uplink 85,6
Поддерживаемые протоколы TCP/IP/IPv4/IPv6/M ulti-PDP/FTP/FTPS/HTTP/ HTTPS/DNS TCP/UDP/PPP/FTP/HTTP/ NTP/PING/QMI/ NITZ/SMTP/MQTT/CMUX/ HTTPS/FTPS/ SMTPS/SSL
Интерфейсы SIM Card, UART, USB, PCM, I2C, ADC, SD Card, GNSS (U)SIM, USB, UART, I2C, PCM, ADC, SGMII, SD Card, GNSS
Средняя розничная цена, $ 35 65
На основании таблицы 1 можно сделать вывод, что рассмотренные модули имеют примерно одинаковые скоростные показатели передачи данных и интерфейсы, но меньший показатель энергопотребления и практически вдвое меньшая розничная цена делают использование модуля SIMCom SIM7600E-H более выгодным вариантом.
Вариант реализации модуля обработки информации выбирался, исходя из следующих критериев:
• наличие минимум одного последовательного порта является обязательным требованием, поскольку необходимо подключение радиомодуля (при этом, чем больше последовательных портов имеет модуль, тем более многофункциональным в итоге может получиться устройство);
• высокое быстродействие устройства;
• низкое энергопотребление для увеличения времени автономной работы устройства;
• небольшие габариты для удобства использования устройства и обеспечения его мобильности;
• низкая розничная цена.
Среди вариантов фигурировали такие устройства, как Arduino (моделей Uno и Mega 2560), микрокомпьютера Raspberry (моделей Pi 3 Model B и Pi 4 Model B), отладочную плату Core429I на основе микроконтроллера STM32F и отладочную плату Z-Turn Board, основанной на ПЛИС Zynq-7020 от компании Xilinx. На основе приведенных выше критериев была составлена сравнительная характеристика, представленная в таблице 2 [3] [4] [5] [6] [7] [8].
Таблица 2
Сравнительная характеристика модулей обработки информации
Arduino Raspberry Pi Core429 I Z-Turn Board
Критерий Uno Mega 2560 3 Model B 4 Model B
Быстродействи Тактовая частота процессора 16 МГц 16 МГц 1,2 ГГц 1,5 ГГц 180 МГц 667 МГц
е Оперативна я память 1 Кб 8 Кб 1 Гб 2/4/8 Гб 256 Кб 1 Гб
Число последовательных портов 1 4 2 6 4 1
Максимальное энергопотребление 50 мА при 5 В DC 50 мА при 5 В DC 2,5 А при 5 В DC 3 А при 5 В DC 30 мА при 3,3 В DC 2 А при 5 В DC
Габариты, мм 68,6x53, 4 101,52x53, 3 85x56x1 7 85x56x17 82x57 63x102x1, 6
Розничная цена, $ 25 40 60 75/95/11 5 35 120
Рассмотрев сравнительную характеристику вариантов реализации системы обработки информации, можно сделать следующие выводы:
• Каждое из рассмотренных устройств имеет возможность подключения внешнего экрана, поэтому при сравнении устройств данный критерий в дальнейшем можно не учитывать.
• Исходя из производительности, быстродействия и особенностей работы последовательных портов (не могут работать одновременно - только по очереди) продукты Arduino не подходят для реализации устройства, удовлетворяющего упомянутым выше критериям.
• Среди продуктов Raspberry будет уместнее выбрать модель серии 3, поскольку ее производительности вполне хватает для реализации измерительного устройства, но в сравнении с 4 серией, она имеет более низкое энергопотребление и более низкую розничную цену.
• Устройство на основе STM32 удовлетворяет требованиям по энергопотреблению, последовательным портам и розничной цене, но имеет недостаточно высокую производительность, что является ее главным недостатком.
• Устройство на основе 2упд-7020, в среднем, удовлетворяет требованиям по быстродействию и энергопотреблению, но наличие только одного последовательного порта и достаточно высокая розничная цена являются значительными минусами.
Таким образом, на основании приведенных выше сравнительных характеристик было принято решение разработать измерительное устройство на базе микрокомпьютера Raspberry Pi 3 Model B и радиомодуля SIMCom SIM7600E-H. Кроме того, в состав измерительного устройства входят плата расширения Raspi UPS HAT v1.0, к которой подключен литий-ионный аккумулятор (напряжение 3,7 В, емкость 2600 мАч), карта памяти типа MicroSD (объем 16 Гб), GPS-модуль (служит для определения местоположения устройства и синхронизации с сетью) и двухдиапазонная антенна микрополоскового типа (698-960/1710-2690 МГц). Структурная схема тестового устройства с указанием интерфейсов подключения представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Структурная схема разработанного измерительного устройства
Стоит отметить, что интерфейс подключения радиомодуля (иЭВ-иАЯТ реализован программно, что позволяет в будущем улучшить устройство путем добавления дополнительных радиомодулей.
Корпус для устройства был разработан на 3й-принтере. С его учетом габариты устройства составили 115x63x32 мм. Внешний вид тестового устройства представлен на рисунке 3.
№12-2020
а) б)
Рисунок 3. Внешний вид тестового устройства: а) без корпуса; б) в корпусе
Конфигурация радиомодуля производится с помощью AT-команд, представляющих из себя короткие текстовые сроки, каждая из которых начинается с букв AT (от англ. Attention. Эти команды позволяют определить режим работы модуля, порядок его взаимодействия с сетью, провести настройки аппаратной части и так далее. В общем виде любая AT-команда имеет следующую структуру: AT + «КОМАНДА». AT-команды разработаны выпускающими компаниями специально под свои устройства и описаны в руководстве пользователя для каждого конкретного радиомодуля. Выбранный нами радиомодуль SIMCom SIM7600E-H имеет около трехсот различных команд [9].
Пользовательский интерфейс состоит из нескольких экранов, переключение между которыми осуществляется с помощью блока, расположенного слева. Так как веб-интерфейс является адаптивным, то блок переключения в случае маленького дисплея расположен в нижней части.
Список экранов:
• Dashboard;
• Charts;
• Map;
• Database (включает в себя окна Basestations, Signal, Heatmap);
• System;
• Settings;
Экран Dashboard содержит в себе элементы других экранов (графики Signal level и Bit Error Rate, а также данные о подключенной сети и состояние устройства). Пример экрана Dashboard представлен на рисунке 4.
а) б)
Рисунок 4. Экран Dashboard: а) элементы экрана Charts; б) элементы экрана
Экран Charts, как следует, из названия, содержит в себе расширенные возможности по работе с графиками. Пример экрана Charts представлен на рисунке 5.
в
Рисунок 5. Экран Chars На экране карты (Map) пользователь может проводить измерения параметров сигнала с привязкой к определенной географической точке. Для этого требуется переключить карту в режим измерения с помощью кнопки, расположенной в правом
верхнем углу экрана. Далее пользователь может настроить режим модема и запустить режим измерения. После чего измерения можно проводить путем нажатия на требуемую точку карты. Примеры экрана Map в различных режимах представлены на рисунке 6.
а) б)
Рисунок 6. Примеры экрана Map: а) Scan mode; б) Measure mode
При проведении измерений необходимо прежде всего выявить основные параметры измерений. К таким параметрам относятся:
• уровень сигнала (в дБм);
• коэффициент битовой ошибки (BER);
• идентификаторы (IMEI, IMSI, MCC, MNC, TA, LAC, CELL ID, LAC);
• номер радиоканала (CN);
• данные о соседних сотах (их идентификаторы и нагрузка).
Также необходимо учитывать условия проведения испытаний, поскольку, например, большое скопление абонентов в зоне проведений испытаний могут повлиять на их результаты.
Измерения необходимо проводить в соответствии с некоторым алгоритмом, который схематично представлен на рисунке 7.
Рисунок 7. Алгоритм проведения измерений
Таким образом, для разработки тестового измерительного устройства были проведены анализ и сравнение аппаратных платформ и выявлены наиболее привлекательные по ряду параметров.
Разработанное устройство обладает следующими функциями:
• отображение данных о сигнале (уровень, номер частотного канала и частота, стандарт, отношение сигнал/шум);
• отображение данных о базовых станциях (геолокация, оператор, номер частотного канала и частота);
• запись сигнала в реальном времени и сохранение в базу данных с последующей возможностью редактирования и воспроизведением в виде графиков;
• встроенная оффлайн-карта, позволяющая отобразить все базовые станции из базы данных, а также вести работу в режиме измерения с последующим сохранением в базу данных.
Доступ к перечисленным функциям осуществляется посредством адаптивного веб-интерфейса, что позволяет работать с разработанным измерительным комплексом с любого устройства (ноутбук, смартфон, планшет и т. д.).
References
1. SIM7600E-H Product Details [Электронный ресурс]. URL: https://www.simcom.com/product/SIM7600X-H.html (дата обращения 23.10.2020).
2. AG35-E Specification [Электронный ресурс]. URL: https://www.quectel.com/UploadFile/Product/Quectel_AG35_LTE_Specification_V1.3.pdf (дата обращения 23.10.2020).
3. Arduino UNO Tech Specs [Электронный ресурс]. URL: https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3 (дата обращения 23.10.2020).
4. Arduino Mega 2560 Tech Specs [Электронный ресурс]. URL: https://store.arduino.cc/usa/mega-2560-r3 (дата обращения 23.10.2020).
5. Raspberry Pi 3 Model B Specification [Электронный ресурс]. URL: https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b (дата обращения 23.10.2020).
6. Raspberry Pi 4 Model B Specification [Электронный ресурс]. URL: https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b (дата обращения 23.10.2020).
7. Open429I-C User Manual [Электронный ресурс]. URL: https://www.waveshare.com/w/upload/7/78/Open429I-C_UserManual.pdf (дата обращения 23.10.2020).
8. Z-Turn Board Overview [Электронный ресурс]. URL: http://www.myirtech.com/download/Zynq7000/Z-turnBoard.pdf (дата обращения 23.10.2020).
9. SIM7500_SIM7600 Series_AT Command Manual [Электронный ресурс]. URL: https://simcom.ee/documents/SIM7600C/SIM7500_SIM7600%20Series_AT%20Command %20Manual_V1.01 .pdf (дата обращения 26.10.2020).
