Тема работы:
"Применение симулятора OpenLTE для моделирования передачи данных в сети LTE"
Часть 3: Экспериментальная часть.



Выполнил: 
Студент группы 218
Исаев М.О.


    Цель работы: Общая цель, которая ставится при выполнении курсовой работы заключается в адаптации исходного кода симулятора OpenLTE к среде Matlab и демонстрация основных функциональных возможностей данного симулятора. Третья часть будет посвящена экспериментальной части рассматриваемого проекта OpenLTE. Будет изучен принцип работы симулятора, результаты исполнения функций отвечающих за передачу и приём LTE сигнала в рамках среды MATLAB.
    1. Рассмотрение работы приёмника LTE-сигнала на основе тестового сигнала созданного автором проекта.
    Для начала рассмотрим и проанализируем работу симулятора OpenLTE на основе тестового сигнала сделанного автором проекта, который можно скачать на странице его проекта на ресурсе sourceforge.net. Там же указано каким образом производить тест именно этого сигнала. Для этого необходимо, чтобы тестовый файл находился в той же папке, что и функция приёмника, после необходимо ввести следующие команды в Command Window среды Matlab:
fid = fopen('LTE_test_file_int8.bin', 'r');
iq_vec = fread(fid, inf, 'int8');
iq_split_vec = reshape(iq_vec, 2, []);
lte_fdd_dl_receive(iq_split_vec(1,:) + i*iq_split_vec(2,:));


    После завершения работы функции приёмника в командное окно будет выведена следующая информация:
  1. Found PSS-0 in 7 (120305.689855)
  2. Found SSS-0, 0 index is 307185, cell_id is 0
  3. Found BCH, N_ant = 1, N_rb_dl = 100, phich_duration = normal, phich_resource = 1, sfn = 1
  4. Found SIB1, Band = 1, PLMN = 1-1, TAC = 0x0000, Cell ID = 0x00000000, Cell barred = 1    
    Проанализируем полученную информацию:
  1. Первичный синхро-сигнал найден, идентификатор соты в пределах группы сот равен 0
  2. Найден вторичный синхросигнал, идентификатор группы равен 0, следовательно идентификатор соты равен 0.
  3. Найдена широковещательная информация, количество антенн равно 1, количество ресурсных блоков равно 100, длительность PHICH-сообщения - нормальная, количество информационных элементов в PHICH равно 1, номер системного кадра равен 1.
  4. Найден первый блок системной информации, номер полосы частот LTE равен 1, значение идентификатора PLNM равно 1-1, идентификатор местоположения равен 0, идентификатор соты равен 0, флаг Cell barred равен 1 и разрешает выбирать сектор с данными параметрами.
    2. Тестирование приёмника и передатчика на основе определённых параметрах
    Теперь протестируем работу симулятора не на тестовом сигналe, а на сигнале генерируемом самим симулятором. Для этого первоначально зададимся следующими параметрами, необходимыми для работы симулятора:
  • bandwidth= 20 МГц
  • N_frames = 10 - Для уменьшения вычислительных затрат
  • N_id_2 = пусть будет выбираться случайным образом от 0 до 2
  • N_id_1 = пусть так же будет случайным в пределах от 0 до 167
  • N_ant = 1
  • mcc = 250
  • mnc = 01
  • tac  = зададим случайным числом от 0 до 65535
  • cell_id = так же будет задаваться случайно в диапазоне от 0 до 268435455
  • band = тоже будем выбирать случайным в диапазоне номеров от 1 до 28
    Для удобства проведения эксперимента при изменении различных параметров напишем небольшую программу инициализирующую параметры симулятора и его запуск, и построение графика действительной части принятого сигнала.
bandwidth = 20; % Пропускная способность
N_frames = 10; % Количество кадров
N_id_2 = radni(2); % Номер соты в пределах группы
N_id_1 = randi(167); % Номер группы сот
N_ant = 1; % Количество антенн
mcc = 250; % Мобильный код страны
mnc = 01; % Код сотового оператора
tac = randi(65535); % Идентификатор зоны отслеживания
cell_id = randi(268435455); % Идентификатор соты
band = randi(28); % Номер полосы частот
Ts = 1/(15000*2048); % Временная единица спецификации LTE
Tf = 307200*Ts; % Длина кадра
Length_signal = Tf*N_frames; % Длина сигнала

signal = lte_fdd_dl_transmit(bandwidth, N_frames, N_id_2, N_id_1, N_ant, mcc, mnc, tac, cell_id, band); % Запуск передатчика
% Запуск приёмника в зависимости от количества передающих антенн
if N_ant == 1
    lte_fdd_dl_receive(signal);
    r_signal = real((signal(1,:) + signal(2,:))); % Вычисление действительной части сигнала
    plot(r_signal); grid; % Построение графика действительной части сигнала
elseif N_ant == 2
    lte_fdd_dl_receive(signal(1,:) + signal(2,:));
    r_signal = real((signal(1,:) + signal(2,:))); % Вычисление действительной части сигнала
    plot(r_signal); grid; % Построение графика действительной части сигнала
else
    lte_fdd_dl_receive(signal(1,:) + signal(2,:) + signal(3,:) + signal(4,:));
    r_signal = real(signal(1,:) + signal(2,:) + signal(3,:) + signal(4,:)); % Вычисление действительной части сигнала
    plot(r_signal); grid; % Построение графика действительной части сигнала
end;
xlabel('Time (Ts)'), ylabel('Power signal (V)');
title(strcat('Real part of LTE signal'));

    Таким образом проведём первый запуск симулятора с описанными выше параметрами. И как результат получаем следующее:

Found PSS-1 in 7 (62.000000)
Found SSS-47, 0 index is 307185, cell_id is 142
Found BCH, N_ant = 1, N_rb_dl = 100, phich_duration = normal, phich_resource = 1, sfn = 1
Found SIB1, Band = 28, PLMN = 250-1, TAC = 0x8C00, Cell ID = 0x0F51F2B0, Cell barred = 1
    Исходя из полученной информации можно определить, номер частотной полосы равен 28, идентификатор зоны отслеживания равен 35840, идентификатор соты равен 257028784, а из формулы Cell ID = 3*(Cell ID Group) + Cell ID Sector можно узнать, что номер группы сот равен 47, а номер соты в пределах группы равен 1.

    Ниже на рисунке 17 будет представлена действительная часть сформированного LTE-сигнала с данными параметрами.



Рисунок 17 - Структура действительной части сформированного LTE-сигнала

   
    На данном рисунке по оси времени откладываются временные едины Ts. В целом длина сигнала зависит от указанного при запуске симулятора количества кадров - чем больше, тем длиннее сигнал и тем дольше будет проходить формирование сигнала. Если полученное количество временных единиц данном случае 3072000 умножить на длительной временной единицы 3.2552e-008 с или 32,552 наносекунд, то можно получить длительность данного сигнала, и она составляет 0,1 с. 
    
    Далее увеличим количество антенн до 2, а количество кадров до 15.
    
    В качестве результата приведём аналогичную информацию как из экспериментов выше.

Found PSS-1 in 77 (124.000000)
Found SSS-163, 0 index is 307185, cell_id is 490
Found BCH, N_ant = 2, N_rb_dl = 100, phich_duration = normal, phich_resource = 1, sfn = 1
Found SIB1, Band = 23, PLMN = 250-1, TAC = 0xF508, Cell ID = 0x07C41942, Cell barred = 1

     На основе данной информации определим что, номер частотной полосы равен 23, идентификатор зоны отслеживания равен 62728, идентификатор соты равен 130292034, а  номер группы сот равен 81, а номер соты в пределах группы равен 1. 


Рисунок 18 - Структура действительной части сформированного LTE-сигнала при количестве кадров равном 15 и 2 антеннах передачи

    Как видно из рисунка 18, увеличение количества кадров до 15 ведёт к увеличению временных единиц, следовательно увеличению длительности сигнала. В данном случае длительность сигнала увеличивается на 0,05 с, т.е. общая длительность составляет 0,15 с. Так же необходимо заметить, что увеличение количества кадров ведёт к увеличению вычислительных нагрузок. Поэтому при испытании работы данного симулятора с большим количеством кадров лучше использовать мощное оборудование, чтобы вычисления проходили быстрее.

    Далее увеличим количество кадров до 20, а количество антенн до 4.

    Как и ранее получим аналогичную информацию:

Found PSS-1 in 7 (248.000000)
Found SSS-71, 0 index is 307185, cell_id is 214
Found BCH, N_ant = 4, N_rb_dl = 100, phich_duration = normal, phich_resource = 1, sfn = 1
Found SIB1, Band = 27, PLMN = 250-1, TAC = 0xEA6D, Cell ID = 0x0CACE197, Cell barred = 1
   

Рисунок 19 - Структура действительной части сформированного LTE-сигнала при количестве кадров равном 20 и 4 антеннах передачи

    Далее установим 2 антенны на передачу, а количество кадров сделаем 10, чтобы уменьшить вычислительные затраты и увеличить скорость симуляции, и уменьшим полосу пропускания сигнала до 15.

Found PSS-2 in 7 (124.000000)
Found SSS-125, 0 index is 307185, cell_id is 377
Found BCH, N_ant = 2, N_rb_dl = 75, phich_duration = normal, phich_resource = 1, sfn = 1
Found SIB1, Band = 5, PLMN = 250-1, TAC = 0x6469, Cell ID = 0x0A7CD662, Cell barred = 1

    Уменьшение полосы пропускания привело к уменьшению ресурсных блоков сигнала (N_rb_dl)

Рисунок 20 - Структура действительной части сформированного LTE-сигнала при количестве кадров равном 10 и 2 антеннах передачи и 15 МГц полосе пропускания

    Далее уменьшим полосу пропускания до 10 МГц.

Found PSS-2 in 77 (124.000000)
Found SSS-6, 0 index is 307185, cell_id is 20
Found BCH, N_ant = 2, N_rb_dl = 50, phich_duration = normal, phich_resource = 1, sfn = 1
Found SIB1, Band = 3, PLMN = 250-1, TAC = 0x46E5, Cell ID = 0x00BD1E37, Cell barred = 1

Рисунок 21 - Структура действительной части сформированного LTE-сигнала при количестве кадров равном 10 и 2 антеннах передачи и 10 МГц полосе пропускания

    Дальнейшее уменьшение полосы пропускания ведёт к уменьшению количества ресурсных блоков в сигнале.


    Выводы:
    Основной целью, которая ставилась перед выполнением данной курсовой работы, было рассмотрение и изучение принципа работы симулятора OpenLTE. Поэтому в рамках данной курсовой работы был рассмотрен стандарт сотовой связи 4-го поколения LTE. Основы построения физического и канального уровня данной спецификации. Так же были освещены альтернативные проекты похожего назначения. 
    Сам же симулятор OpenLTE делает упор на использовании в связки с радиооборудованием. Но так как в начале разработки автор проекта реализовал работу симулятора в среде Octave, то есть возможность опробовать его работу не прибегая к использованию оборудования. Мной были внесены минимальные правки в исходный код симулятора для возможности его запуска в среде Matlab. Непосредственная реализация проекта в среде Octave\Matlab представляет собой набор написанных функций, реализующий работу приёмника и передатчика LTE-сигнала. 
    В ходе эксперимента были протестированы различные параметры, указанные выше, и приведён результат работы симулятора. В целом проект выполняет необходимый функционал работы с сигналом LTE-стандарта.