CC BY
27
4. N.K. Pratas, S. Pattathil, Stefanovic, and P. Popovski, «Massive machine-type communication (mMTC) access with integrated authentication in Proc». IEEE Int. Conf. Commun. (iCC), May 2017.
5. S. Vural, N. Wang, P. Bucknell, G. Foster, R. Tafazolli and J. Muller, «Dynamic Preamble Subset Allocation for RAN Slicing in 5G Networks,» in IEEE Access, vol. 6, pp. 13015-13032, 2018.
6. TS 38.101; NR User Equipment (UE) radio transmission and reception.
7. TS 38.813; New frequency range for NR (3.3-4.2 GHz).
8. TS 38.814; New frequency range for NR (4.4-5 GHz).
9. TS 38.815; New frequency range for NR (24.25-29.5 GHz).
10. TS 38.211; Physical channels and modulation.
11. TS 38.202; Services provided by the physical layer.
12. TS 38.133; Requirements for support of radio resource management.
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
НА БАЗЕ Arduino Mega
В.В. Мошков, Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «ТИОС», setvit97@mail. ru;
Р.А. Андреев, Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «БИС», andreeffrom@mail. ru;
А.А. Прасолов, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, prasolov.alex@gmail.com.
УДК 621.391.8_
Аннотация. В связи с ростом числа используемых устройств в сети, а также с постепенным вводом устройств интернета вещей, подключенных к сети мобильной связи, возрастает сложность обеспечения качественного покрытия территории мобильной сетью. Для мониторинга данных о покрытии, а также параметров радиосигнала используются аппаратно-программные комплексы для измерения параметров сетей мобильной связи. В рамках данной статьи рассмотрена схемотехническая составляющая разработки измерителя параметров мобильной связи на базе Arduino Mega. Описан алгоритм работы программы для измерений параметров мобильной сети, а также описана методика проведения измерений на разработанном программно-аппаратном комплексе, получившим название «ВИСТ».
Ключевые слова: мобильная связь; измерения; GSM; Arduino; IDE; радиомодуль.
DEVELOPMENT OF A SOFTWARE AND HARDWARE COMPLEX FOR MAKING MEASUREMENTS OF MOBILE COMMUNICATION NETWORK PARAMETERS ON THE BASIS Arduino Mega
V. Moshkov, research engineer of REC «TIOS» St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich;
R. Andreev, head of REC «BIS», St. Petersburg state university of telecommunications n/aprof. M. A. Bonch-Bruevich;
A. Prasolov, senior department of RSiV St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich.
Annotation. Due to the increase in the number of devices used in the network as well as the gradual introduction of Internet of things devices connected to the mobile communication network, the complexity of ensuring high-quality coverage of the territory with a mobile network increases. To monitor coverage data as well as radio signal parameters hardware-software complexes for measuring mobile communication networks are used. In the framework of this article the circuitry component of the development of a mobile communication parameters meter based on the Arduino Mega is considered. The algorithm of the program for measuring the parameters of the mobile network is described as well as the methodology for conducting measurements on the developed hardware-software complex called «VIST».
Keywords: mobile communications; measurements; GSM; Arduino; IDE, radio module.
Введение
Основными компонентами сети мобильной связи являются мобильные терминалы (телефоны, смартфоны и различные другие устройства) и базовые станции, расположенные на кровле зданий и телекоммуникационных вышках или мачтах. Будучи включенным, мобильный терминал постоянно сканирует эфир, чтобы обнаружить сигнал базовой станции. Телефон и станция поддерживают постоянную радиосвязь, периодически обмениваясь пакетами.
Если телефон покидает поле действия базовой станции (или качество радиосигнала ячейки обслуживания ухудшается), он устанавливает связь с другой. Данная процедура носит название «хэндовер». В случаях, когда сеть спроектирована некорректно или же есть аварии на оборудовании сети, возможны потери соединения между базовой станцией и мобильным терминалом. Происходит это из-за того, что при переходе абонента из одной зоны обслуживания базовой станции в другую, абонент проходит территорию, на которой отсутствует покрытие сети, или же оно ограничено по тем или иным причинам.
Исходя из того, что мобильная связь прежде всего является коммерческой, а поставщик стремится максимизировать прибыль от продаж и привлечь клиентов лучшими показателями, необходимо обеспечить высокое качество связи в своих зонах обслуживания, чтобы предотвратить миграцию абонентов к другим операторам. Поэтому тестирование и анализ беспроводных сетей является одним из важнейших условий для повышения конкурентоспособности предоставляемых услуг и улучшения качества обслуживания клиентов. Для тестирования и анализа параметров сетей мобильной связи проводят процедуры по измерению параметров сетей мобильной связи, которые носят название «драйв тест». Полученная оценка параметров сигнала позволит операторам связи вводить корректировки в конфигурации оборудования базовых станций или же прогнозировать предполагаемые места установки новых базовых станций.
Анализ существующих решений
На сегодняшний день существует несколько компаний, предоставляющих решения для измерения и анализа сетевого покрытия. Среди них международная
электротехническая группа компаний Rohde & Schwarz, американская компания Keysight Technologies и Infovista.
Каждая из перечисленных выше компаний предоставляет несколько видов решений для проведения indoor- и драйв-тестов сотовой сети, другими словам -проведения измерений сети внутри здания и в движении на местности, соответственно.
Ниже приведены некоторые из них:
• Infovista TEMS - программно-аппаратные решения для проведения тестов сетей мобильной связи, как внутри зданий, так и снаружи, включает в себя решения Tems Sense, Tems Automatic, Tems Pocket.
• Keysight Nemo - аналог TEMS от компании Keysight, функционал комплекса схож с TEMS, включает в себя решения Nemo Handy, Nemo Outdoor
• Rohde&Schwarz ROMES4 - программное обеспечение для измерения качества обслуживания в сетях мобильной связи.
Стоит отметить, что Rohde & Schwarz также предоставляет решения для автоматизации очистки спектра в сетях мобильной связи. Данная задача становится все более и более актуальной в связи с развитием и распространением стандартов LTE и 5G NR, поскольку операторам приходится использовать диапазоны частот, которые ранее отводились для других услуг.
Постановка задачи
После анализа существующих решений измерителей сетей мобильной связи, было принято решение о разработке своего программно-аппаратного комплекса для измерений параметров сети мобильной связи. Данный комплекс может стать более доступной альтернативой уже существующим решениям. В качестве первого прототипа разработан комплекс для измерений параметров сети GSM. Разрабатываемый комплекс должен обеспечивать следующие функциональные возможности: сбор, обработку и анализ данных, полученных с радиомодуля; вывод информации на дисплей; построение карты покрытия сети и расположения ближайших базовых станций; анализ и сохранение данных в памяти устройства. В рамках проделанных научно-исследовательских работ были разработаны два комплекса для измерений параметров сетей мобильной связи на различных платформах: Arduino, Raspberry. В данной статье будет рассмотрена разработка программно-аппаратного комплекса на базе Arduino Mega [1, 2, 4].
На рис. 1 вынесена общая структурная схема разрабатываемых устройств. Аппаратная составляющая включает в себя четыре блока.
Рисунок 1
Блок обработки информации является основным элементом схемы, на котором проходит декодирование служебных блоков сигнализации, их обработка, визуализация и вывод информации на дисплей. Помимо вывода данных на дисплей о качестве мобильной сети, также должна вестись запись лог-файла об измерениях следующих параметров: текущие координаты, уровень сигнала RSRP, отношение сигнал-шум SNR, параметры сети оператора (код страны MCC, код сети MNC, код локальной зоны обслуживания LAC, код базовой станции CellID).
Модуль измерения производит измерения RSRP и SNR в реальном времени, получает параметры мобильной связи от базовых станций, а также данные о регистрации доступных для использования операторов связи.
Модуль питания. Задачей модуля питания является обеспечение автономной работы программно-аппаратного комплекса, необходимой для проведения тестов и измерений качества мобильной связи в движении или местах, не имеющих доступа к электрической сети. Помимо этого, должно обеспечиваться питание от сети.
Модуль ввода/вывода в программно-аппаратном комплексе выполняет задачу вывода информации о качестве и параметрах сотовой сети в максимально удобной для восприятия форме, а также предоставляет пользователю возможность навигации по меню, переход между информационными окнами и т.п.
Разработка аппаратной составляющей комплекса
Рассмотрим схему подключения оборудования для проведения измерений сетей мобильной связи стандарта GSM, а также опишем каждый блок и его задачи в отдельности. Схема подключения приведена на рис. 2.
Питание
Рисунок 2
Основополагающими факторами для подбора элементной базы являются: напрямую реализуемая возможность взаимодействия с сетями мобильной связи, линейный размер будущего устройства, максимально простой в освоении интерфейс взаимодействия с пользователем, автономность на несколько часов
работы. По совокупности имеющихся требований было принято решение использовать в качестве аппаратной базы Arduino Mega с подключенным в качестве приемного оборудования модулем SIM900 и экраном TFT LCD Shield 2.4. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат.
Основа устройства - Arduino Mega модели 2560. Arduino Mega 2560 - это расширенная версия Arduino Uno. Платформа выполнена на базе более продвинутого чипа ATmega2560, имеет больше контактов и большее количество аппаратных serial-портов для взаимодействия с компьютером и другими устройствами. Именно такая конфигурация более предпочтительна, так как необходимо подключать сразу несколько дополнительных модулей.
В качестве модуля измерений параметров сети, выбран радиомодуль SIMCom SIM900. SIM900 является четырехдиапазонным решением GSM/GPRS, работающем в частотах 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. Мониторинг сетей связи второго поколения может быть обеспечен полностью. Для простоты установки и отладки, выбрана отладочная плата Shield GPRS/GSM на основе SIM900, изображенная на рис. 3.
Рисунок 3
В качестве модуля вывода информации выбран дисплей TFT LCD Shield 2.4. Данный цветной сенсорный дисплей отлично подходит как экран для модулей Arduino. С разрешением 320x240 пикселей он справляется с выводом не только текстовой, но и графической информации. Модуль адаптирован для совместного использования с устройством Arduino Mega и устанавливается прямо в его клеммы.
Разработка программного обеспечения комплекса на базе Arduino
Mega
Средой разработки ПО для данного устройства была выбрана Arduino IDE. Программная среда разработки, предназначенная для программирования одноименной платы, имеет сравнительно простой интерфейс и базируется на языке программирования «С++». Общая логика и структура написанного кода не отличается от логики построения ПО на языке программирования С++.
Главной задачей ПО является связь и взаимодействие платы Arduino Mega 2560 и модуля SIM900, а также вывод результатов измерений на экран TFT 2.4 240x320. Для написания кода используются три основные библиотеки: «SPFD5408_Adafruit_GFX.h» - основная графическая библиотека, необходима для корректной работы TFT экрана (ориентация расположения цифро-буквенных значений, коррекция цвета и т.д.); «SPFD5408_Adafruit_TFTLCD.h» - аппаратно-зависимая библиотека, необходима для взаимодействия платы Arduino Mega 2560 с TFT-экраном; «SPFD5408_TouchScreen.h» - графическая библиотека, отвечает за Touch-screen экрана и его работу. Взаимодействие между Arduino Mega 2560 и SIM900 происходит с помощью, так называемых AT-команд, список которых
указан в документации к SIM900 [3]. Алгоритм работы программного кода 81М900 вынесен на рис. 4.
Рисунок 4
нт+5йРВк=3, 1, "Сог^аре" , "СРР5" 8¥+ЗйРВК=3 ,1,"ЙРН"," .mts.ru"
8¥+ЗйРВ1?М,1
♦ЭйРВР 1,1,"10.168.60.72" 2?+С1РОЗМЮС=1,1
+С1РСЗМ1.0С 0,30.418132,60.019429,2019/05^13,14 20 39 (Ж
ЙТ+зйрвр«0,1 ас
Й^Лт^&оп вел ие^.онг
нТ+СНЕТьСАИ«1
иг-е-1 • 1 У
ЕЙЙ^ЭДЧЙ^ 250,1*С ЙЖШ&РЯСС 250,МНС
©ЗЙ^Ш^СС а»,же ¿Ж^ЛсС г«,ЖС
1
бК^ВДЧфЬ гм,мнс 1
йЬ^йШ СЕН-----
ОК
>|Ь<1«и ,|!х1«и
30,С«Ш<('50»» 40>С*111с1 50^с 15,С»1Не1 ЗЬ6* • 14,С»Ш<1 5100
гг,с*ш<1 зьбь
>15,С*1Нс1'5105 19,Се111С| 0804 13,С»1Ис1 50(Ь
Рисунок 5
1- главное меню; 2 - информация о сети; 3 - график RSRP от времени; 4 - вывод информации о соседних базовых станциях.
Данные о текущей базовой станции (LAC и CelllD) модуль SIM900 передает как входной параметр в сервис Google по протоколу HTTP, а в ответ получает координаты базовой станции. Все эти действия скрыты от пользователя и реализуются при помощи ^Г-команды. На рис. 5 представлен графический интерфейс разработанного комплекса (вывод информации, полученной от базовой станции).
Представим методику измерений параметров сети для разработанного комплекса «ВИСТ». Взяв за основу средний радиус соты стандарта GSM в городской среде, а также особенности исследуемой территории, в том числе и ее площадь, определим на карте 16 соответствующих точек, на которых будут произведены измерения. Расстояние между точками приблизительно равно 80-130 метров. Далее, определившись с контрольными точками, будем действовать согласно алгоритму, изображенному на рис. 6 (алгоритм проведения измерений на комплексе «ВИСТ») [5, 6].
Выбор контрольной точки измерения
Проверка соединения
Проверка доступа к протоколу HTTP в сети
Определение мобильного оператора
Определение уровня сигнала в dESM
Определение координат подключенной ВС
Определение идентификаторов сети (IMEI ,1 MSI, MCC.MNC, ТА)
Определение код [LAC), вдентифик ID), номера рад локальной юны атора соты (CELL иоканала (CN).
Определение списка доступных сот выбранного оператора
Рисунок 6
В результате отработки данного алгоритма получаем свод следующих значений.
В табл. 1 есть пара ранее неуказанных параметров, где АКТСЫ - это код используемого канала, 1МЕ1 - идентификатор оборудования, 1М81 -идентификатор сим-карты, ТА - номер зоны обслуживания. На основании данных измерений строится тепловая карта покрытия, изображенная на рис. 7.
Таблица 1.
Номер измерения 1 2 3 4 5 6 7 8
Номер БС 1 2 2 2 1 1 1 1
Мобильный оператор Мг ГС
Средний RSRP, дБм -81 -73 -77 -78 -68 -66 -59 -58
IMEI 861508031561202
IMSI 250011814685819
MCC 250
MNC 1
TA 1 0 0 0 1 0 0 0
LAC 01fa 00df 00df 00df 01fa 01fa 01fa 01fa
CellID 40aa 4b6a 4b6c 4b7a 44ab 44ab 44af 44bb
ARFCN 41 678 633 0610 39 9 96 107
Кол-во доступных сот 7 8 8 7 8 8 8 8
Рисунок 7
Следовательно, на основании проведенных исследований, можем сделать вывод о работоспособности разработанного комплекса на базе Arduino, а также об удовлетворительном покрытии сетью мобильной связи стандарта GSM у оператора МТС в рассматриваемом районе. Однако, у данного комплекса есть некоторые недостатки:
• построение карт покрытия возможно только на этапе пост-обработки;
• большое энергопотребление.
Заключение
В данной статье описана программно-аппаратная составляющая разработанного комплекса для измерений параметров сети мобильной связи стандарта GSM на базе Arduino Mega, получившего название «ВИСТ». Представлена методика проведения измерений параметров сети на разработанном комплексе, а также проведено тестовое измерение параметров сети мобильной
связи, на основании чего были сделаны выводы о работоспособности данного устройства и принято решение о продолжении разработок бюджетных измерительных комплексов. Следующим этапом разработки будет реализация подобного измерителя сетей мобильной связи на основе одноплатного компьютера Raspberry PI, что представлено в следующей статье. Это позволит нам производить визуализацию результата с нанесением на карты покрытия на карту в режиме реального времени.
Литература
1. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. - СПб.: БХВ-Петербург, 2014. - 400 с.: ил. - (Электроника).
2. Arduino Forum - Index. - 2018 - URL: https://forum.arduino.cc.
3. Alex_EXE. AT-команды GSM модема SIM900. - 2018 - URL: https://alex-exe.ru/radio/wireless/gsm-sim900-at-command/
4. Петин В.А., Биняковский А.А. Практическая энциклопедия Arduino. - М.: ДМК Пресс, 2017. - 152 с.
5. Гаврилов А. В., Морозов А. М. Оценка качества обслуживания в сетях UMTS/GSM //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления, 2011. - №. 5.
6. Ефимушкин В. А. и др. Особенности оценки качества услуг сети подвижной радиотелефонной связи // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт, 2013. - №. 7.
7. Бабков В.Ю., Цикин И.А. Состовые системы мобильной радиосвязи: учеб. Пособие / В.Ю Бабков, И.А. Цикин. - СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2011. - 426с.
8. Решение Nemo Outdoor. - 2019 - URL: https://www.keysight.com/ru/pd-2765544/nemo-outdoor?cc=RU&lc=rus
9. Аппаратно-программный комплекс для контроля работы радиоинтерфейса TEMS Investigation InfoVista. - 2019 - URL:
https://www.2test.ru/solutions/seti-peredachi-dannykh/resheniya-dlya-drayv-testov-i-
benchmarkinga/apparatno-programmnyy-kompleks-dlya-kontrolya-raboty-
radiointerfeysa-ascom-tems-investigation.html
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
НА БАЗЕ Raspberry PI
Д.Ю. Румянцев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, Bobik2705@yandex.ru; Р.А. Андреев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «БИС», andreeffrom@mail. ru;
С.В. Мышьянов, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «ТИОС», mishyanov@gmail.com.
УДК 621.391.8_
Аннотация. По мере распространения мобильной связи появляется необходимость мониторинга параметров сети, для чего используются аппаратно-программные комплексы для измерений сетей мобильной связи различных
