CC BY
83
УДК 654.165
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ 2G-4G СЕТЕЙ О.В. Бойко1, Д.В. Журавлев1, И.А. Сафонов2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж, Россия
Аннотация: в современном мире системы подвижной сотовой радиосвязи развиваются бурными темпами и за свой 20-летний прогресс плотно вошли в жизнь человечества, охватив все сферы его деятельности. Система связи общего пользования стандарта GSM позволяет решать широчайший спектр задач, давно покинув пределы обычного голосового общения. Примером того может послужить дистанционное управление различными устройствами или же, например, мобильная система видеонаблюдения за объектом, GSM-^жучки» для определения его местонахождения. Вследствие постоянного расширения возможностей системы сотовой связи GSM возникает проблема рационального использования радиочастотного спектра. Особенности используемых при передаче данных стандартов 2G-4G в данной системе сотовой подвижной радиосвязи вызывают необходимость постоянной оценки качества связи в сотах. Для решения этих проблем необходима специально разработанная под требуемые задачи система мониторинга. Такие системы являются достаточно сложными техническими устройствами, в то же время отличающимися своей дороговизной. Сравнительно молодая технология SDR позволяет успешно решить требуемые задачи и организовать доступную систему мониторинга 2G-4G сетей. Кратко рассмотрено применение предложенного решения на примере анализа диапазона систем сотовой подвижной радиосвязи GSM-900, показан наиболее точный с технической стороны метод оценки важных параметров
Ключевые слова: программно-определяемое радио, система мониторинга, 2G-4G сети
Введение
Цифровые системы подвижной наземной радиосвязи постоянно развиваются во всем мире. Сотовая связь стандарта GSM имеет среди них наибольшие темпы [1-3] . Причина того заключается в уникальной особенности стандарта — внедрение новых функций и идей возможно без остановки эксплуатации уже используемого оборудования [2]. Кроме того, бурную эволюцию стандартов 2G-4G вызвал рост потребностей пользователей в качестве и объемах передаваемой информации по радиоканалам. Сегодня подвижная радиосвязь поднялась на качественно новый уровень, а скорость доступа выросла от 9,6 Кбит/с до 100 Мбит/с. Скорое внедрение стандарта 5G к 2020 году увеличит реальную скорость передачи данных до 1 Гбит/с. Согласно оценкам Международного союза электросвязи (2014 год), к 2020 году будет необходим ресурс от 1340 до 1960 МГц. Заметим, что всего несколько лет назад для этого хватало около 500 МГц [4], а это ведет к очередному агрегированию радиочастотного спектра [5]. Широкое использование абонентами стандартов прошлых поколений (2,5G, 3G, 3,5G), а также лавинообразное увеличение количества новых пользователей и терминалов (устройств интернета вещей) порождают
© Бойко О.В., Журавлев Д.В., Сафонов И.А., 2018
проблему рационального и эффективного использования частотного диапазона, которая оценивается максимально допустимым числом каналов в выделенной полосе частот.
Решение простое — необходимо систематически проводить технический мониторинг выделенного радиочастотного диапазона для 2G-4G сетей сотовой связи общего пользования. К сожалению, есть одна немаловажная проблема в реализации необходимой задачи — профессиональное оборудование для таких целей является достаточно дорогостоящим, а в ряде случаев практически недоступным на отечественном рынке.
Однако современные достижения в области радиоэлектроники позволили появиться на свет новой технологии программно-определяемых платформ, которая является лучшим решением для реализации необходимой нам системы мониторинга.
Целью настоящей работы является исследование возможности применения коммерческих SDR платформ в качестве систем мониторинга 2G-4G сетей сотовой связи общего пользования.
Реализация системы мониторинга
Основой прототипа комплекса предложена коммерческая платформа программно-определяемого радио RTL-SDR на базе двух чипов - контроллера Realtek RTL2832U и тюне-
ра R820T2. Чипсет RTL2832U является микросхемой, содержащей в себе два 8-битных АЦП с частотой дискретизации до 3,2 МГц, принимающей на входе I- и Q-потоки, получаемые другой микросхемой R820T2, которая реализует радиочастотную часть SDR: усилитель антенны, перестраиваемый фильтр и квадратурный демодулятор с синтезатором частоты [6].
Разработанный комплекс системы мониторинга работает в диапазоне частот 24- 1750 МГц, обрабатывает широкий спектр различных видов модуляции (АМ, FM, NFM, LSB, USB, CW (ADS-B, D-STAR, AIS и др.), панорамный обзор сигналов возможен в полосе от 250 кГц до 3 МГц. Чувствительность приемника достигает значения 3 мкВ (на 438 МГц в режиме NFM), задержка принимаемого сигнала 340 мс, динамический диапазон 50 дБ (в режиме CW), входное сопротивление 50 Ом. Первичной обработкой сигнала в устройстве занимается 8-битный АЦП, после обработки сигнала цифровым сигнальным процессором (DSP) данные поступают в специальное программное обеспечение по интерфейсу USB 2.0 для визуального представления результатов [2].
Проведем мониторинг базовых станций «большой тройки» российских операторов системы сотовой связи GSM, а также оценим эффективность использования радиочастотного диапазона с помощью разработанного программного обеспечения «GSMScan». В результате сканирования формируются данные для анализа, на основе которых удалось идентифицировать принадлежность базовых станций к сетям «Билайн», «МТС», «Мегафон». Полученная информация представлена на рис. 1.
■ MTS Beelire ■ Megafon ■ SkyLmk: ■ Yota ■ Tele2 Unknown
Рис. 1. Идентификация БС и определение их рабочих частот
Накопленные результаты сохраняются в отчетный текстовый файл, где выводятся технические характеристики по каждому
обнаруженному и идентифицированному источнику. Отчетность представлена на рис. 2.
ARFCN Mhz dBm МСС MNC LAC CI Type BCCH
14 937.8 -96.1 250 1 435 1504-2 TCH only 20 16 938.2 -106.9 250 1 435 15042 TCH only 20 18 938.6 -109.0 250 1 435 1432 TCH only 1
20 939.0 -82.4 250 1 435 15042 BCCH+TCH
21 939.2 -105.6 250 1 435 16062 TCH only 86
Рис. 2. Отчетная информация об идентификации радиосигналов ССПР GSM 900 в нисходящем канале
Более подробный технический анализ возможно произвести с помощью программного обеспечения для построения программно-определяемых радиосистем «GNU Radio 3.7» совместно с утилитой перехвата пакетов «Wireshark», синхронизировав их работу между собой. Покажем это на примере анализа базовой станции оператора сотовой связи «МТС», работающей на частоте 936.612 МГц. Разработанный алгоритм и результаты его работы представлены на рис. 3 и рис. 4.
Рис. 3. Декодирование принимаемого радиосигнала от базовой станции «МТС» на частоте 936.612 МГц разработанным алгоритмом в «GNU Radio 3.7»
Рис. 4. Захват пакетов из декодированной информации в программе «Wireshark» при совместной работе с «GNU Radio 3.7»
В результате имеем возможность получать достаточно подробные сведения о каждой базовой станции ССПР GSM-900. Кроме того, в
дальнейшем можно определять, например, нагрузку на каждую из них, общую загруженность радиочастотного диапазона, оценивать качество покрытия соты исходя из определенных условий местности и т.д. Пример выявленных технических параметров базовой станции «МТС» представлен на следующем рис. 5.
Paybad Тури: GSM Urn (MSi-*BTS) (1) 00 Q0QQ QQQO = ARFCN: 0
GSW Fr^TiE iJumter: 577009
T GSM CCCH - Paging Request T vpe 1
Рис. 5. Пример некоторых параметров базовой станции «МТС» на частоте 936.612 МГц
Недостатки коммерческой платформы и возможные методы их устранения
В процессе выполнения мониторинга базовых станций «большой тройки» российских операторов сотовой связи GSM с помощью программного обеспечения «GSMScan» и «SDRSharp» наблюдается смещение влево реального сигнала. Покажем это на рис. 6.
Рис. 6. Смещение реального сигнала от базовой станции
Причиной наблюдаемого отклонения является проблема нестабильности кварцевого опорного генератора, которая впоследствии вызывает обнаруженную погрешность. Замена компонента на генератор с температурной компенсацией ТСХО является наилучшим решением, но этот тип генератора, работающий на частоте 28,8 МГц, является относительно дорогим. Альтернативой предложенного решения проблемы можно рассматривать генератор типа УСХО, например, Si550. Эта модель хоть и не обеспечивает такую точную температурную
компенсацию, как TCXO, но относительно стабильна.
Отметим, что на точность частоты приема оказывает влияние также и кремниевая технология изготовления чипа R820T2, являющаяся низкочастотной для данной области применения. Это порождает аналогичную проблему смещения частоты сигнала от реального значения. Устранение недостатка возможно с помощью калибровки коммерческой платформы. Для этого необходим источник сигнала со стабильной и заранее известной частотой. Разрешается использовать два типа источников -радиовещательную станцию FM-диапазона либо же GSM-сигнал [1].
При калибровке необходимо учитывать нелинейность случайного смещения частоты сигнала во всей полосе приемника. Это значит, что калибровка в более низком диапазоне радиостанции может быть не эффективна. Следовательно, лучшим решением, хоть и более продолжительным по времени, рекомендуется калибровка по GSM-сигналу. Для этого проводим сначала грубую, а затем точную калибровку с помощью программного обеспечения под операционной системой на базе ядра Linux 3.16.
При выполнении грубой настройки с помощью команды «rtl_test -p» переводим платформу в режим калибровки приема сигнала по GSM, во время которой осуществляются грубая оценка ошибки при поиске каналов базовых станций и набор необходимой в будущем статистики для точной калибровки. В результате получаем отчетную информацию: «real sample rate: 2048 003 current PPM: 2 cumulative PPM: -7» и «real sample rate: 2047986 current PPM: -6 cumulative PPM: -7». Эти данные и потребуются нам для точной калибровки комплекса системы мониторинга. Для этого используем программное обеспечение «Kalibrate-SDR».
С помощью команды «kal -s GSM900 -e <значение_грубой_оценки_ошибки>» переводим платформу в режим точной калибровки приема сигнала по GSM. Выбираем несколько каналов для проведения ряда замеров командой «kal -c <номер_канала> -e <значе-ние_грубой_оценки_ошибки> -v». Получаем итоговый отчет калибровки системы по трем самым мощным из доступных каналов: «aver-age absolute error: 6.559 ppm», «average absolute error: 6.621 ppm», «average absolute error: 6.518 ppm». Окончательной цифрой будет среднее значение в ppm, которое всегда должно фигу-
рировать при задании настроек платформы RTL-SDR.
Анализируя радиочастотную часть комплекса, важно заметить, что используемая в платформе микросхема влияет на чувствительность приема. Это определяется тем, что усилитель внутри нее шумит сильнее, чем более дорогие типы отдельных высокочастотных GaAs-усилителей. Для снижения уровня шумов на 1,5-3 дБ и улучшения приема рекомендуется дополнительно к схеме использовать малошу-мящий усилитель, включаемый между антенной и устройством, например, LNA for all [4]. Покажем его на рис. 7.
Рис. 7. Малошумящий усилитель «LNA for all»
Повышение чувствительности предложенной системы мониторинга возможно, в дополнение к первому способу, благодаря применению антенных фидеров со сравнительно малыми потерями. Для небольших расстояний до 10 метров хорошим вариантом является радиочастотный коаксиальный кабель «Radiolab 5D-FB» с затуханием на частоте 900 МГц - 21 дБ на 100 метрах, на частоте 1800 МГц - 30 дБ на 100 м; для длин до 20 метров — радиочастотный коаксиальный кабель «Radiolab 8D-FB» с затуханием на частоте 900 МГц - 13 дБ на 100 м, на частоте 1800 МГц - 20 дБ на 100 м). Не менее важным является использование антенного разъема BNC, обеспечивающего достаточно малую потерю сигнала не более 0,3 дБ [8].
Далее отметим, что для качественного выполнения задачи радиомониторинга 2G-4G сетей целесообразно применять специально рассчитанную под исследуемый частотный диапазон направленную антенну. Наиболее удачным решением, на наш взгляд, является антенна Харченко [1], ориентированная в сторону передатчика. Покажем ее модель на рис. 8.
Рис. 8. «Антенна Харченко» и ее диаграмма направленности
Таким образом, предложенная модель антенны, совместно с рекомендованным используемым типом антенных фидеров, позволит увеличить значение усиления радиочастотной части платформы RTL-SDR на 5-8 dbi.
Заключение
Технология SDR, несмотря на ее сравнительную молодость, уже является весьма перспективной и отличается широким спектром уникальных особенностей при проектировании и разработке достаточно мощных и в то же время относительно недорогих программно-определяемых систем различного назначения, вплоть до специальных. Разработанная система мониторинга подвижной сотовой радиосвязи GSM, а также 2G-4G сетей на базе коммерческой платформы RTL-SDR является одним из многочисленных примеров использования новейшей технологии в радиоэлектронике. Для гарантированной и стабильной работы комплекса были предложены пути повышения чувствительности и компенсации стабильности частоты.
Литература
1. Lauefr C. The hobbyist's guide to the RTL-SDR: really cheap software defined radio. 2016. 501 с.
2. Stewart R.W., Barlee K.W. Software defined radio using Matlab & Simulink and the RTL-SDR. Department of Electronic and Electrical Engineering University of Strath-clyde Glasgow, Scotland, UK, 2015. 645 с.
3. Brannon B. Software defined radio. Analog devices, Inc., 2014. 36 c.
4. Об использовании полос радиочастот 890-915 и 935-960 МГц радиоэлектронными средствами стандарта GSM и стандарта LTE и последующих его модификаций. Решение ГКРЧ № 14-26-07, июль 2014.
5. Скрынников В.Г. Агрегированное использование РЧС в системах MTS/HSPA+ и LTE-Advanced //Электросвязь. 2014. № 7. C. 24-32
6. Nayak A.K. Spectrum sensing & signal identification using RTL-SDR. Department of Electronics & Communication Engineering National Institute of Technology Rourkela, Odisha, India. 2016. 37c.
7. Виды ВЧ-разъемов. URL: https://gsm-repiteri.ru/vidyi-vch-razyomov.
Поступила 25.05.2018; принята к публикации 20.07.2018 Информация об авторах
Бойко Олег Валерьевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kazsevrus@mail.ru
Журавлев Дмитрий Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: ddom@bk.ru
Сафонов Иван Александрович - канд. техн. наук, доцент, руководитель проекта, АО «Концерн «Созвездие» (394018, Россия, г. Воронеж, ул. Плехановская, 14), e-mail: saff@inbox.ru
MONITORING SYSTEM OF MOBILE RADIO COMMUNICATION OF 2G-4G NETWORKS
O.V. Boyko1, D.V. Zhuravlev1, I.A. Safonov2
1 Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2 JSC "Concern Sozvezdie", VSTU, Voronezh, Russia
Abstract: in the modern world, mobile cellular radiocommunication systems are developing fast and for their 20 years of progress have densely entered the life of mankind, covering all areas of our activities. The GSM public communication system allows solving the widest range of tasks, having long ago left the limits of normal voice communication. An example of this can be remote control of various devices, or, for example, a mobile surveillance system behind the object, GSM "bugs" to determine its location. Due to the constant expansion of the GSM cellular communication system, the problem of rational use of the radio-frequency spectrum arises. The peculiarities of the 2G-4G standards used in the transmission of data in this system of cellular mobile radio make it necessary to continuously assess the quality of communication in cells. To solve these problems, a monitoring system specially designed for the required tasks is needed. Such systems are quite complex technical devices, while at the same time differing in their high cost. However, the relatively young SDR technology can successfully solve the required tasks and organize an affordable monitoring system for 2G - 4G networks. In this article, the application of the proposed solution is briefly considered using the GSM-900 mobile cellular radio range analysis as an example, the most technically accurate method for estimating important parameters is shown
Key words: software-defined radio; monitoring systems; 2G - 4G networks
References
1. Lauefr, C. "The hobbyist's guide to the RTL-SDR: really cheap software defined radio", 2016, 501 p.
2. Stewart R.W., Barlee K.W. "Software defined radio using Matlab & Simulink and the RTL-SDR", Department of Electronic and Electrical Engineering University of Strathclyde Glasgow, Scotland, UK, 2015, 645 p.
3. Brannon B. "Software defined radio", Analog devices, Inc., 2014, 36p.
4. "Use of radio frequency bands 890-915 and 935-960 MHz GSM and LTE standard and its future modifications", The decision of the GKRCh no. 14-26-07, Moscow, July 2014.
5. Skrynnikov V.G. "Aggregated use of PSD in MTS/HSPA + and LTE-Advanced systems", Telecommunications (Elektros-byaz'), St. Petersburg, 2014, no. 7, pp. 24-32
6. Nayak A.K. "Spectrum sensing & signal identification using RTL-SDR", Department of Electronics & Communication Engineering National Institute of Technology Rourkela, Odisha, India, 2016, 37 p.
7. "Types of RF connectors", available at: https://gsm-repiteri.ru/vidyi-vch-razyomov.
Submitted 25.05.2018; revised 20.07.2018 Information about the authors
Oleg V. Boyko, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kazsevrus@mail.ru
Dmitriy V. Zhuravlev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: ddom@bk.ru
Ivan A. Safonov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Project Manager, JSC "Concern Sozvezdie" (14 Plekhanovskaya st., Voronezh 394018, Russia), e-mail: saff@inbox.ru
