Методические указания к лабораторной работе 5 измерение уровней сигналов в системах сотовой связи
 Скачать 6.19 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования РФ Иркутский национальный исследовательский технический университет Институт высоких технологий Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникационных систем Спутниковые и наземные системы радиосвязи Методические указания к лабораторной работе №5 «ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ СВЯЗИ»
Иркутск – 2018 Цель работы: Выбор программного средства для измерения GSM/3G сигнала. Оценка качества зоны покрытия систем сотовой связи, путем измерения RSSI (уровня сигнала) на территории университета. Получение практических навыков измерения параметров сотовой связи. Постановка задачи Необходимо ознакомиться с теоретической информацией о программном обеспечении, позволяющем определять основные параметры, а именно однозначно определяющие базовую станцию, а точнее, конкретный сектор (соту) базовой станции или другую минимальную ячейку позиционирования в мобильной сети, уровень сигнала, тип мобильной связи. Произвести замеры в 9 корпусах ИРНИТУ (минимум 2 точки в каждом корпусе расстояние между которыми должно быть не менее 30 метров), произвести разнос по высотам путем замеров на 1 и 3 этажах соответственно). Выбор оборудования: Для установки программ подойдет любой смартфон на базе ОС Android Хорошо себя показали аппараты серии Nexus (в первую очередь из-за последней версии ОС Android), а также HTC Desire, One Plus — нетмониторы на этих аппаратах они показывают максимально возможную информацию. Аппараты других марок и моделей тоже подойдут, но могут не отображать некоторую дополнительную информацию (например, список соседних базовых станций, о чем более подробно написано ниже). Установка ПО Нужно установить программу-нетмонитор. Их не так много, и не все из представленных корректно работают. Наиболее легким способом является установка ПО из Google Play Market. Программы нетмониторинга для смартфонов на базе ОС Аndroid и их краткое описание представлено в таблице 1:
Таблица 1. – Обзор наиболее известных программных решений Для достижения цели работы выбранное ПО должно иметь следующий функционал, а именно, корректно отображать параметры, необходимые нам для мониторинга сети и сохранять их в удобочитаемый пригодный для машинной обработки лог вместе в некоторых случаях с GPS-координатами. Таким образом, проанализировав информацию и сравнив программные продукты, рекомендуем использовать лишь две программы, отвечающие заданным требованиям: G-MoN и Netmonitor.   Рисунок 1 – Интерфейсы рабочего пространства программы netmonitor   Рисунок 2 – Интерфейсы программ G-Mon и Net Monitor Основные параметры ПО ARFCN (Absolute radio-frequency channel number) – это номер канала. Значение ARFCN в диапазоне 1-124 или 974-1024 это означает, что оператор работает в диапазоне 900 МГц и нам нужна Антенна GSM (900 мГц) или Репитер GSM900. Значение ARFCN в диапазоне 512-886 это означает, что оператор работает в диапазоне 1800 МГц и мы выбираем антенну 1800 или репитер DCS1800. Downlink Frequency – номер канала, по которому определяется частота несущей. RSSI (received signal strength indicator) — Показатель уровня принимаемого сигнала. Полная мощность принимаемого приёмником сигнала. Измеряется приёмником по логарифмической шкале в дБм.  Рисунок 3 – Значение параметра RSSI, соответствующего определенному качеству сигнала RSSI index (он же GSM singnal strength) — индекс уровня принимаемого сигнала. SINR (Signal Interference + Noise Ratio) также называемый CINR (Carrier to Interference + Noise Ratio) – отношение уровня полезного сигнала к уровню шума (или просто соотношение сигнал/шум). Значение SINR измеряется в дБ (dB). Чем выше данное значение, тем лучше качество сигнала. При значениях SINR ниже 0 скорость подключения будет очень низкой, т.к. это означает, что в принимаемом сигнале шума больше, чем полезной части, при этом вероятность потери LTE-соединения также существует. RSRP (Reference Signal Received Power) – среднее значение мощности принятых пилотных сигналов (Reference Signal) или уровень принимаемого сигнала с Базовой Станции. Значение RSRP измеряется в дБм (dBm). При значениях RSRP= -120 dBm и ниже LTE-подключение может быть нестабильным или вообще не устанавливаться. RSRQ (Reference Signal Received Quality) – характеризует качество принятых пилотных сигналов. Значение RSRQ измеряется в дБ (dB).  Рисунок 4 – Значения параметров RSRP, RSRQ, SINR, которые соответствуют очень плохому (Cell Edge), плохому (Mid Cell), хорошему (Good), очень хорошему (Excellent) качеству сигнала LTE. CQI (Channel Quality Indicator) – для каждой абонентской станции UE (User Equipment) и каждого частотного блока несущей формируются индикаторы качества канала CQI (Channel Quality Indicator). В зависимости от требуемой для UE скорости передачи данных базовой станцией принимается решение о количестве ресурсных блоков, выделяемых тому или иному пользователю, а какие именно частотные блоки выделять пользователям, зависит от индикатора CQI. Пользователям выделяются те ресурсные блоки, которые обладают наивысшим CQI, а значит, наилучшим соотношением сигнал/шум. Этот параметр может принимать значения от 0 до 15. Чем выше значение, тем лучше (тем выше скорость, которую может выделить базовая станция оператора LTE). Если значение канала в диапазоне 2937-3088, то это 3G/UMTS900 – и нам нужна антенна GSM900 или Репитер GSM900. Если значение канала в диапазоне 10562-10838, то это 3G/UMTS2000 – выбираем антенну 3G на 2100 МГц и Репитер WCDMA2100 . Советуем смотреть информацию по нескольким каналам. Также информация по данному определению номеров каналов будет более достоверной, если проводить данные замеры во время соединения с другим абонентом (входящий или исходящий вызов). Надо понимать, что все значения телефон показывает только для того сотового оператора, сим карта которого вставлена в телефон в момент измерений! И если Вы хотите установить GSM/3G Pепитер под двух и более сотовых операторов, то необходимо проделать все измерения с каждой симкартой! Детальное описание распространенных типов мобильных сетей и отображение параметров в netmonitor: GSM, Global System for Mobile Communications — глобальная система для мобильной связи. Сеть второго поколения. В России применяется в следующих частотных диапазонах:
Таблица 2. Диапазоны частот GSM Для 900-го диапазона существует несколько модификаций, призванных увеличить пропускную способность сети за счет расширения частотного диапазона:
Таблица 3. Диапазоны частот модификаций GSM GSM-1800, также называется DCS (Digital Cellular Service, Цифровой Сотовый Сервис). В сети GSM существуют следующие параметры:
Таблица 4. Параметры GSM (здесь и далее в таблицах, символ» +» означает конкатенацию, т.е. сцепление строк, а не арифметическую операцию). Таким образом, получаем иерархическую цепочку идентификаторов MCC–MNC–LAC–CID (PLMN ID–LAC–CID), где для однозначного определения соты в мире важны все параметры. И именно эти параметры нам показывает любой нетмонитор. Если нетмонитор показывает параметр TA, то можно примерно (с градацией 550 м) установить удаленность мобильной станции от базовой станции. Для позиционирования это может быть полезным, если известно точное местоположение вышки. В сети GSM базовые станции (BTS, Base Transceiver Station) передают мобильным станциям (MS, Mobile Station — обозначение мобильных телефонов, модемов и т.п.) не только информацию о той соте, в которой работает MS, но и список соседних сот (NCL, Neighbor Cell List). Этот список конфигурируется для каждой соты при настройке параметров сети и служит для корректного проведения процедуры перехода MS из одной соты в другую (такой переход называется handover или handoff). UMTS, Universal Mobile Telecommunications System — Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система. Сеть третьего поколения. Всего в сети UMTS насчитывается 26 частотных диапазонов, из них в России используются два:
Таблица 5. Диапазоны частот UMTS В сетях UMTS такое понятие, как Сота (Cell) не определено. Вместо него появляется концепция Зоны обслуживания (Service Area, SA). Каждая зона обслуживания может состоять из одной или более физических ячеек (сот или секторов, по аналогии с GSM), т.е. может обслуживаться несколькими базовыми станциями (NodeB) одновременно (это, кстати, одно из основных фундаментальных отличий сетей третьего поколения от своих предшественников). Каждая ячейка, в свою очередь, может входить более чем в одну зону обслуживания. т.е. зоны обслуживания могут пересекаться. Современные устройства могут одновременно соединяться с тремя физическими ячейками, что помогает обеспечить процедуру т.н. бесшовной или мягкой передачи (softer handover, soft handover), без разрыва и пересоздания канала. Сопоставление зон обслуживания и ячеек происходит прозрачно, т.е. незаметно для сети передачи данных и, соответственно, для нетмониторов. Возвращаясь к параметрам, которые нам нужно зафиксировать, в сетях UMTS для нас важны MCC, MNC, LAC, а также:
Таблица 6. Параметр UMTS Для нетмониторинга различие заключается только в названии — CID поменялся на SAC, остальные параметры остались прежними, а уникальный номер соты (в данном случае, зоны обслуживания) имеет такой вид: MCC–MNC–LAC–SAC. Нетмониторы, обычно, не делают различий в обозначении, и код зоны обслуживания показывают как CID. Что касается списка соседних сот, то он здесь тоже присутствует и называется Neighbouring Set. Однако, соседние соты здесь являются именно физическими сотами, каждая из которых определяется неуникальным номером PSC (Primary Scrambling Code, всего 512 различных PSC), так что использовать их для позиционирования не получится. Стоит также отметить, что нетмониторы, в частности G-Mon, фиксируют также эти параметры:
Таблица 7. Параметры UMTS UTRAN — Universal Terrestrial Radio Access Network, Сеть универсального наземного радиодоступа, название сети передачи данных UMTS. Нужно заметить, что G-Mon вместо UC-ID показывает параметр, который у него называется LCID и определяется как RNC ID + SAC. Этот так называемый LCID для позиционирования пользовательского оборудования не используется. Настоящий UC-ID также не используется пользовательским оборудованием и нужен для корректного функционирования опорной сети (CN, Core Network). LTE, Long-Term Evolution — Мобильная сеть четвертого поколения, в буквальном переводе: Долговременное развитие (строго говоря, LTE представляет собой все еще третье поколение связи, и обозначается как 3G LTE, т.е. Долговременное развитие сетей третьего поколения. Четвертым поколением могут полноправно называться только сети LTE Advanced). Сети LTE могут быть развернуты в 44 частотных диапазонах (при этом, в диапазонах 33–44 применяется временное разделение каналов (TDD, Time Division Duplex), т.е. прием и передача происходят в одном диапазоне, но не одновременно).. Но пока не известно, когда же она может быть внедрена в нашей стране. В России используются следующие диапазоны:
Таблица 8. Параметры LTE Если говорить о параметрах, определяющих ячейку в сетях LTE, то здесь все несколько иначе. Нам понадобится PLMN ID (MCC и MNC), а также следующие параметры:
Таблица 9. Параметры LTE eNodeB - Аналог базовой станции в LTE. В GSM называется BTS, а в UMTS NodeB. E-UTRAN - Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, Сеть расширенного универсального наземного доступа, название интерфейса передачи данных сети LTE. Однозначно идентифицирует соту здесь связка параметров MCC–MNC–ECI (PLMN ID–ECI). Как видно, никакого LAC в сетях LTE не предусмотрено. Это вызвано тем, что сеть передачи данных в LTE предельно упрощена и состоит лишь из сети базовых станций (eNodeB) и выделенного ядра пакетной передачи данных. Никаких коммутаторов (MSC, Mobile Switching Center), контроллеров базовых станций (BSC, Base Station Controller) или контроллеров радиосети (RNC, Radio Network Controller) здесь нет, а их функции возложены на связанные между собой базовые станции eNodeB. Тем не менее, аналог LAC в сети LTE тоже существует — это TAC. Однако он уже не участвует в иерархической нумерации сот (более того, соты на одной базовой станции могут иметь различный TAC) и нужен для корректного отслеживания местоположения пользовательского оборудования (UE, User Equipment — аналог MS из GSM) — при переходе UE в другую зону отслеживания, происходит процедура обновления зоны отслеживания (Tracking Area Update). TAC в сетях LTE служит для логического деления сети на зоны отслеживания, в отличие от LAC, который обусловлен, скорее, физическим разделением сети. Ход работы: Выбор оборудования (sim-карта/оператор, смартфон с поддержкой специализированного ПО) Скачивание ПО Сбор параметров в 9 корпусах ИРНИТУ (минимум 2 точки в каждом корпусе расстояние между которыми должно быть не менее 30 метров, N≥18, где N – количество точек измерений), с разнесением по высотам (1 и 3 этаж), а именно: Тип мобильной сети (HSPA, UMTS, LTE); Номер канала; Диапазон частот на передачу/на прием; Какой тип антенны и репитер; Определить показатель уровня сигнала (RSSI) и графически представить на карте покрытия пример которой представлен на рисунке 4.  Рисунок 5 – Карта ИРНИТУ Сравнить полученные данные об уровне сигнала с эталонной картой покрытия выбранного оператора; В зависимости от типа мобильной сети составить иерархическую цепочку идентификаторов; Определить местоположении ближайшей базовой станции, используемой соты; Занести все данные в таблицу 10;
Таблица 10. Итоговые результаты замеров Сделать выводы о проделанной работе. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||