Научная статья на тему 'Разработка программно-аппаратного комплекса для проведения измерений параметров сети мобильной связи на базе Raspberry Pi'

Разработка программно-аппаратного комплекса для проведения измерений параметров сети мобильной связи на базе Raspberry Pi Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
302
51
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОБИЛЬНАЯ СВЯЗЬ / ИЗМЕРЕНИЯ / GSM / RASPBERRY PI ZERO / PYTHON / MOBILE COMMUNICATIONS / MEASUREMENTS / RASPBERRY PI

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Румянцев Д. Ю., Андреев Р. А., Мышьянов С. В.

По мере распространения мобильной связи появляется необходимость мониторинга параметров сети, для чего используются аппаратно-программные комплексы для измерений сетей мобильной связи различных стандартов. В рамках данной статьи рассмотрена вторая итерация разработки программно-аппаратного комплекса измерителя мобильной связи стандарта GSM, разработанного на базе Raspberry PI. Проведен анализ решений для измерения и анализа сетевого покрытия. Представлена общая структурная схема устройств. Разработано программное обеспечение и приведен пример листинга программы для получения сведений о доступных операторах с радиомодуля. Рассмотрена проверка работоспособности комплекса в реальных условиях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Румянцев Д. Ю., Андреев Р. А., Мышьянов С. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEVELOPMENT OF A SOFTWARE AND HARDWARE COMPLEX FOR MEASUREMENT OF MOBILE COMMUNICATION NETWORK PARAMETERS ON THE Raspberry PI BASIS

With the spread of mobile communications it becomes necessary to monitor network parameters where hardware-software systems for measuring mobile networks of various standards are used. In the framework of this article the second iteration of the development of the hardware-software complex of the GSM standard mobile communications meter developed on the basis of Raspberry PI is considered. The analysis of solutions for the measurement and analysis of network coverage is made. The general block diagram of devices is presented. The software has been developed and an example of a program listing is provided for obtaining information about the available operators from the radio module. The verification of the efficiency of the complex in real conditions is considered.

Текст научной работы на тему «Разработка программно-аппаратного комплекса для проведения измерений параметров сети мобильной связи на базе Raspberry Pi»

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

стандартов. В рамках данной статьи рассмотрена вторая итерация разработки программно-аппаратного комплекса измерителя мобильной связи стандарта GSM, разработанного на базе Raspberry PI. Проведен анализ решений для измерения и анализа сетевого покрытия. Представлена общая структурная схема устройств. Разработано программное обеспечение и приведен пример листинга программы для получения сведений о доступных операторах с радиомодуля. Рассмотрена проверка работоспособности комплекса в реальных условиях.

Ключевые слова: мобильная связь; измерения; GSM; Raspberry PI Zero; Python.

DEVELOPMENT OF A SOFTWARE AND HARDWARE COMPLEX FOR MEASUREMENT OF MOBILE COMMUNICATION NETWORK PARAMETERS ON THE Raspberry PI BASIS

D.Yu. Rumyantsev, graduate student of St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich;

R.A. Andreev, head of REC «BIS» of St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich;

S.V. Myshyanov, head of REC «TIOS» of St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich.

Annotation. With the spread of mobile communications it becomes necessary to monitor network parameters where hardware-software systems for measuring mobile networks of various standards are used. In the framework of this article the second iteration of the development of the hardware-software complex of the GSM standard mobile communications meter developed on the basis of Raspberry PI is considered. The analysis of solutions for the measurement and analysis of network coverage is made. The general block diagram of devices is presented. The software has been developed and an example of a program listing is provided for obtaining information about the available operators from the radio module. The verification of the efficiency of the complex in real conditions is considered.

Keywords: mobile communications; measurements; GSM; Raspberry PI;

Python.

Введение

Для операторов мобильной связи знание о сильных и слабых сторонах предоставляемых ими услуг составляет основу для повышения конкурентоспособности и привлечения новых клиентов. Именно поэтому тестирование и анализ беспроводных сетей является одним из важнейших условий для повышения конкурентоспособности предоставляемых услуг и улучшения качества обслуживания клиентов. Для измерений сетей мобильной связи различных стандартов используются аппаратно-программные комплексы.

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 разработаем комплекс для измерений параметров сети GSM. Разрабатываемый комплекс должен обеспечивать следующие функциональные возможности: сбор, обработку и анализ данных, полученных с

62

радио-модуля; 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 Raspberry PI Zero.

Разработка аппаратной составляющей комплекса

Для реализации аппаратной составляющей программно-аппаратного комплекса для измерений параметров сетей мобильной связи, необходимо провести подбор оборудования, а также элементной базы для каждого из выше приведенных блоков.

В качестве модуля обработки информации используется одноплатный компьютер Raspberry PI Zero. На Raspberry установлена операционная система Raspbian, программное обеспечение написано на языке программирования Python [1].

С помощью встроенного интерфейса UART (последовательного порта) на аппаратном уровне реализуется управление модулем измерения и чтение информации из него. Полученная информация обрабатывается и выводится на TFT-дисплей через интерфейс SPI.

Помимо вывода данных о качестве мобильной сети, в программном обеспечении предусмотрено ведение лог-файлов текущей сессии измерения, сохранение полученных карт покрытия и данных о ближайших базовых станциях.

Для прототипа измерителя сетей мобильной связи на базе Raspberry PI был выбран радио-модуль SIMCom SIM800L. Данный модуль работает в четырех диапазонах частот GSM850/GSM900/DCS1800/PCS1900. SIM800L подключен к Raspberry PI Zero через последовательный интерфейс UART. Процесс передачи данных осуществляется в бинарном виде с помощью изменения уровня напряжения на выходе TX. Взаимодействие с радиомодулем происходит посредством AT-команд, описанных в документации к каждому радиомодулю [2]. Модуль питания состоит из: li-ion аккумуляторов 18650; модуля для зарядки аккумуляторов TP4056; DC-DC преобразователя; фильтр питания.

Пользовательский интерфейс программно-аппаратного комплекса реализуется с помощью модуля ввода/вывода информации, состоящего из блока управления, дисплея на базе драйвера ILI9341 и индикатора работы комплекса. В программно-аппаратном комплексе модуль 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.

Разработанное устройство помещено в корпус РЭА с габаритными размерами 158х95,5х53 мм. Размер и исполнение корпуса подобраны таким образом, чтобы человек мог производить измерения, держа устройство одной рукой. Лицевая панель оборудована дисплеем и кнопками управления, торцевые стороны корпуса оборудованы micro-usb для зарядки устройства и подключения периферийных устройств, портом HDMI для вывода информации на экран, а также кнопкой включения устройства.

Следующим шагом разработки измерителя сетей мобильной связи является разработка программного обеспечения.

Разработка программного обеспечения

Основной концепцией в разработке программного обеспечения для измерителя сотовой связи стало сочетание использования процедурного и объектно-ориентированного программирования (ООП).

Процесс передачи данных между модулем обработки и измерения осуществляется с помощью последовательного интерфейса UART. Для работы с ним использовалась библиотека PySerial, входящая в состав стандартной библиотеки языка Python [3-5].

Примером применения ООП в разработке программного обеспечения может послужить использование класса «GSMmodule» для работы с радиомодулем SIM800L. Данный класс содержит в себе набор методов, процедур и функций для работы с любыми GSM модулями, что при необходимости позволит масштабировать программное обеспечение для работы с несколькими модулями связи.

Ниже описан пример листинг программы для получения сведений о доступных операторах с радиомодуля: operators_found = False Operators = []

getoperators = 'AT+COPS=?' + '\r\n' self.port.write(get_operators) response = self.port.readline() while not operators_found:

response = self.port.readline() if (str(response).startswith("+COPS")): operators_found = True response = response.replace('"', ") response = response.replace('),', ")

response = response.split('(') del response[0] del response[-2] del response[-1]

for element in range(len(response)):

response[element] = response[element].replace('MOTIV', 'TELE2') response[element] = response[element].split(',') Operators. append(response[element][2])

Ввиду того, что полный код программного обеспечения содержит в себе тысячи строк кода, дальнейшее описание работы программы приведем в виде блок-схемы с последующими комментариями. Блок-схема программы изображена на рис. 1.

Работа программно-аппаратного комплекса начинается с инициализации системы. Во время нее происходит вывод на экран приветствия, сигнализирующего о том, что Raspberry PI завершила загрузку ОС и совершает работу в штатном режиме.

Далее происходит установка соединения с модулем измерения и его конфигурация для дальнейшей работы. В случае успешной конфигурации программа переходит в нормальный режим работы, во время которого в бесконечном цикле происходит анализ данных от модуля измерения и вывод их на дисплей.

Также, во время работы устройство ведет запись всех данных, полученных от модуля измерения, в формате текстового лог-файла (уровень сигнала, текущие координаты, таблица базовых станций, отношения сигнал/шум), а также в виде скриншотов карт покрытия и координат расположения базовых станций. Схема интерфейсов программного обеспечения изображена на рис. 2.

Рисунок 1

Интерфейс устройства состоит из нескольких информационных окон. После инициализации системы и приветствия, пользователь попадает в главный экран, на котором отображена основная информация о сети - уровень сигнала, текущие координаты и доступные операторы. Навигация между окнами осуществляется с помощью блока управления.

Главный экран

Уровень сигнала

Координаты

Доступные операторы!

Координаты Оператор RSRP

30.288 60.1432 МТЯ -84

30.112 60.1443 \1сс:;|Ги| -90

31.21460.1326 ТЕЬЕ2 -87

30.521 60.2222 ВееНпе -110

Рисунок 2

Тестирование устройства

Заключительной частью разработки программно-аппаратного комплекса для измерений параметров сети мобильной связи стала проверка работоспособности комплекса в реальных условиях.

После включения устройства начинается процесс инициализации, при котором проверяется исправность модуля измерения, а также его конфигурирование. Следующим шагом устройство переходит в главное меню, и начинает измерение основных параметров сигнала, вид главного экрана вынесен на рис. 3.

Главный экран

Уровень снгщда: •70 (¡Вт ■

Координаты ¡0.5 59.«

Доступные операторы ТЕШ НТ5

¡3 □

о

о ез □

Рисунок 3

Для начала проведем измерения, не требующие перемещение на местности. По умолчанию, указатель меню находится на строке «Уровень сигнала». Следовательно, нажатие кнопки «вправо» переместит пользователя в дочернее окно «График уровня сигнала в дБм» (рис. 3). График обновляется в реальном времени.

Переход в следующее окно отобразит карту покрытия в данной точке. В зависимости от уровня, принимаемого модулем измерения сигнала, точки на карте, обозначающие местоположение базовых станций, отличаются по цвету: -10

- (минус) 40 - зеленый; -40 - (минус) 50 - синий; -50 - (минус) 70 - оранжевый.

Третье окно выводит информацию о каждой из ближайших базовых станций. Как видим, наилучший уровень сигнала в -34 дБм в данном районе у базовой станции оператора «MTS».

Заключение

Данное устройство является второй итерацией разработки программно-аппаратного комплекса для измерений сетей мобильной связи. Устройство удовлетворяет функциональным возможностям, описанным в начале статьи:

• Сбор, обработка и анализ данных о мобильной сети.

• Вывод информации на дисплей.

• Построение карты расположения ближайших базовых станций.

• Построение карты покрытия сети.

• Анализ и сохранение данных в памяти Raspberry PI.

• Автономная работа до 12 часов.

Кроме того, форм-фактор корпуса устройства позволяет использовать его не только в качестве измерителя связи, но также проводить анализ полученных данных в графической среде операционной системы Raspbian. В отличии от разработки на базе Arduino Mega, данное устройство позволяет строить карты покрытия в реальном времени за счет того, что в систему Raspbian есть возможность загрузить и использовать «GoogleMap» или «Яндекс.Карты». Также при данной конфигурации оборудования достигается автономная работа устройства при непрерывных измерениях в размере 2 час 30 мин. Данное устройство является одним из этапов создания программно-аппаратного комплекса для измерений сетей мобильной связи.

Следующим этапом разработки будет расширение списка поддерживаемых стандартов до полноценной поддержки всех существующих стандартов связи GSM/WCDMA/LTE/NB-IoT диапазонов частот, доступных на территории Российской Федерации. Также при нехватке аппаратных и вычислительных мощностей планируется смена аппаратной платформы с одноплатного компьютера Raspberry на промышленный компьютер с пассивным охлаждением.

Литература

1. Monk S. Raspberry PI cookbook: Software and hardware problems and solutions. -«O'Reilly Media, Inc.», 2016

2. Таранков И. В. Руководство по использованию АТ-команд для GSM/GPRS модемов //М.: ЗАО Компэл. - 2005.

3. Shaw Z. A. Learn Python The Hard Way. - 2010. - 391 с.

4. Sobell M.G. A practical guide to Linux commands, editors, and shell programming.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- Prentice Hall, 2013.

5. Лутц М. Python. Карманный справочник. // Вильям Издательский дом, 2019. -

320 с.

6. Ефимушкин В.А. и др. Особенности оценки качества услуг сети подвижной радиотелефонной связи // Т-Сошш-Телекоммуникации и Транспорт, 2013. - №. 7.

7. Решение Nemo Outdoor. - 2019 - URL: https://www.keysight.com/ru/pd-2765544/nemo-outdoor?cc=RU&lc=rus

8. 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

9. Бабков В.Ю., Цикин И.А. Сотовые системы мобильной радиосвязи: учеб. Пособие / В.Ю Бабков, И.А. Цикин. - СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2011. - 426 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.