Программное обеспечение подсистемы GSM BTS

Руководство оператора

Аннотация

В настоящем программном документе приведены основные сведения для обеспечения процедуры обращения оператора к функциональным возможностям программного обеспечения (ПО) GSM BTS.

В разделе «Назначение программы» указаны сведения о назначении программы и информация, достаточная для понимания функций программы и её эксплуатации.

В разделе «Условия выполнения программы» приведён состав аппаратных и программных средств, необходимых для выполнения программы, а также требования к предварительной готовности управляющих устройств.

В разделе «Выполнение программы» приведены сведения о действиях оператора, обеспечивающих загрузку, запуск, выполнение и завершение программы.

1. Назначение программы

1.1. Общие сведения о назначении программы

ПО GSM BTS предназначено для работы в составе цифровых модулей (BBU) базовых станций (БС) сотовой связи стандарта GSM. GSM BTS управляет работой радиоинтерфейса и поддерживает соединение с контроллером базовых станций (BSC) для выполнения команд управления сетью.

1.2. Описание функциональных характеристик

GSM BTS характеризуется следующими основными функциями:

1. управление радиоинтерфейсом:
   
   • обработка каналов трафика (TCH):
     
     • кодирование и декодирование речи (см. п. 3.6.3, с. 17);
     • перемежение и деперемежение данных для защиты от пакетных ошибок в эфире (см. п. 3.6.4, с. 18);
     • шифрование данных для обеспечения конфиденциальности разговора (см. п. 3.6.5, с. 18);
   • обработка каналов управления (CCH):
     
     • генерация и передача широковещательной информации (BCCH) (см. п. 3.6.2, с. 17);
     • приём запросов по каналу произвольного доступа (RACH) (см. п. 3.6.6, с. 18);
     • передача управляющих сообщений по каналам предоставления доступа (AGCH) и пейджинга (PCH) (см. п. 3.6.7, с. 19);
   • управление мощностью и синхронизацией:
     
     • измерение уровня сигнала (RxLev UL) и качества (RxQual UL) от абонентских терминалов (UE) (см. п.  3.6.10, с. 20);
     • управление временны́м упреждением (Timing Advance) (см. п. 3.6.9, с. 19);
     • управление мощностью приёмо-передающих модулей (RU) и UE (Power Control) (см. п. 3.6.10, с. 20);
   • реализация алгоритмов скачкообразной перестройки рабочей частоты для борьбы с замираниями и помехами (Frequency Hopping) (см. п. 3.6.12, с. 22);

1. управление на уровне BBU (см. п. 3.6.14, с. 22);
2. аппаратный контроль и диагностика:
   
   • мониторинг состояния аппаратной части БС и обработка аварий (см. п. 3.6.15, с. 23);
   • загрузка и применение конфигурации от BSC (см. п. 3.2, с. 13);
3. обработка вызовов:
   
   • установление соединения (см. п. 3.6.7, с. 19);
   • выполнение функции Handover (см. п. 3.6.11, с. 20);
   • разъединение (см. п. 3.6.13, с. 22).

2. Условия выполнения программы

2.1. Требуемый состав аппаратных средств для работы программы

Характеристики аппаратных средств для работы GSM BTS в составе БС должны соответствовать характеристикам компонентов приведённого ниже комплекта или превосходить их. Состав комплекта:

1. компоненты BBU:
   
   • центральное процессорное устройство (ЦПУ) Intel Xeon 4314;
   • 8 модулей оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) DDR4 RDIMM ёмкостью не менее 32 Гбайт каждый;
   • твердотельный накопитель NVMe форм-фактора M.2 2280 ёмкостью не менее 400 Гбайт;
   • сетевой адаптер с поддержкой синхронизации времени Silicom P425G410G8TS81-XR;
   • аппаратный ускоритель обработки алгоритмов FEC Silicom P3iMB-M-P1;

4. RU;
5. антенна ГНСС;
6. комплект сетевых, интерфейсных кабелей и кабелей питания, а также трансиверов Intel SFP+ 10G.
   Пример оборудования для применения в качестве BBU — цифровой модуль БС IRT-CDU-G1R-S РУДБ.466539.004.

2.2. Требуемый состав программных средств для работы программы

Требования GSM BTS к составу программных средств:

1. На цифровом модуле должно быть установлено ПО РУДБ.26.30.11.150.01.103 (ПО БС Open RAN 4G).
2. Цифровой модуль должен работать под управлением операционной системы, соответствующей требованиям ПО БС Open RAN 4G к составу программных средств и поддерживающей установку программ из пакетов RPM.

2.3. Требования к предварительной готовности инфраструктуры

2.3.1. Предварительная готовность управляющих устройств

Для корректного запуска и инициализации GSM BTS должны быть соблюдены следующие условия:

• ПО GSM BSC на управляющем устройстве BSC должно быть установлено, настроено и запущено в штатном режиме. Описание установки и настройки ПО GSM BSC представлено в документе РУДБ.62.01.29.000.01.110.34.
• BBU с установленным ПО GSM BSC и устройство, на которое устанавливается GSM BTS, должны находиться в общей сети сигнализации.

2.3.2. Предварительное конфигурирование цифрового модуля

Для корректного функционирования GSM BTS необходимо внести соты GSM в конфигурацию BBU как вторые несущие с указанием признака GSM. Конфигурационные данные BBU хранятся в локальном хранилище на базе Sysrepo.

Порядок внесения изменений в конфигурационный файл Sysrepo на BBU:

1. экспортировать XML-файл конфигурации с помощью команды:
   sysrepocfg –X <название_файла>.xml

7. открыть сохранённый .xml файл для редактирования;
8. найти в файле блок <network functions>, внутри него найти контейнер <rru> с данными нужного RU;
9. скопировать один из существующих блоков <cell> … </cell>;
10. вставить скопированный блок перед закрывающим тегом </rru>;
11. изменить параметры нового блока: в блоке <type> … </type> заменить LTE на GSM;
12. в блоке <absolute-frequency-center>…</absolute-frequency-center> в новом блоке изменить значение абсолютного радиочастотного номера канала (ARFCN) на необходимое значение;
13. при необходимости изменить другие параметры внутри нового блока <cell> … </cell>;
14. при необходимости повторить операцию для других RU в файле;
15. сохранить изменения в файле;
16. загрузить новую конфигурацию, выполнив следующую команду:
    sysrepocfg -I <название файла>.xml

Пример конфигурации соты в Sysrepo с несущими для LTE и GSM приведён ниже:

<rru>

<name>RRU1</name>

<hardware-rru>RRU1</hardware-rru>

<cell>

<local-cell-id>0</local-cell-id>

<enable>true</enable>

<pxsch-compression-type>null</pxsch-compression-type>

<prach-compression-type>null</prach-compression-type>

<type>LTE</type>

<tx>

<active>ACTIVE</active>

<downlink-sfn-offset>0</downlink-sfn-offset>

<downlink-radio-frame-offset>0</downlink-radio-frame-offset>

<type>LTE</type>

<port-number>0</port-number>

<port-number>1</port-number>

<gain>-25.0</gain>

<absolute-frequency-center>1750</absolute-frequency-center>

<channel-bandwidth>10000000</channel-bandwidth>

</tx>

<rx>

<active>ACTIVE</active>

<downlink-sfn-offset>0</downlink-sfn-offset>

<downlink-radio-frame-offset>0</downlink-radio-frame-offset>

<type>LTE</type>

<port-number>0</port-number>

<port-number>1</port-number>

<gain-correction>0.0</gain-correction>

<n-ta-offset>0</n-ta-offset>

<channel-bandwidth>10000000</channel-bandwidth>

</rx>

</cell>

<cell>

<local-cell-id>1</local-cell-id>

<enable>true</enable>

<pxsch-compression-type>null</pxsch-compression-type>

<prach-compression-type>null</prach-compression-type>

<type>GSM</type>

<tx>

<active>ACTIVE</active>

<downlink-sfn-offset>0</downlink-sfn-offset>

<downlink-radio-frame-offset>0</downlink-radio-frame-offset>

<type>GSM</type>

<port-number>0</port-number>

<gain>-20.0</gain>

<absolute-frequency-center>741</absolute-frequency-center>

<channel-bandwidth>5000000</channel-bandwidth>

</tx>

<rx>

<active>ACTIVE</active>

<downlink-sfn-offset>0</downlink-sfn-offset>

<downlink-radio-frame-offset>0</downlink-radio-frame-offset>

<type>GSM</type>

<port-number>0</port-number>

<gain-correction>0.0</gain-correction>

<n-ta-offset>0</n-ta-offset>

<channel-bandwidth>5000000</channel-bandwidth>

</rx>

</cell>

</rru>

3. Выполнение программы

3.1. Установка программы

Для установки GSM BTS:

1. запросите у представителей ООО «Иртея» пакет установки GSM BTS;
2. запустите установку, выполнив следующую команду:
   sudo rpm –ivh <имя пакета BTS>.rpm
   Пакет устанавливается в директорию /usr/local/bts

3. после установки будет автоматически выполнен старт программы;

17. проверьте версию встроенного ПО на RU c помощью следующей команды:
    m-plane

Команда отобразит информацию о подключённых RU. Пример результата выполнения команды представлен на рисунке Рисунок 1.

18. Для корректной работы GSM BTS версия встроенного ПО RU должна быть не ниже PRM61M40V1007.005. При необходимости, обновите встроенное ПО RU с помощью следующей команды:
    m-plane slot -a slot-2

3.2. Запуск программы

Для запуска GSM BTS:

1. запустите входящий в состав ПО БС Open RAN 4G модуль L1‑HighPHY командой systemctl start flexran
2. убедитесь в том, что в стандартном окне модуля L1‑HighPHY отобразился компонент GSM (рисунок 2);

3. запустите GSM BTS следующей командой:
   systemctl start bts

После запуска GSM BTS сервис MA-BTS начинает прослушивание порта 8081 на всех сетевых интерфейсах. BSC автоматически устанавливает соединение и передаёт в GSM BTS стартовые файлы конфигурации в формате JSON (рисунок 3).

При получении корректного JSON-объекта MA-BTS генерирует новые конфигурационные файлы и инициирует перезапуск соответствующих групп процессов BTS.

19. для проверки корректного запуска всех компонентов выполните команду
    tail -f /var/log/4G-eNB/console_flexran.log -n 100

Если все компоненты были запущены корректно, то в выводе команды отобразятся показатели нисходящего канала (DL) на BTS (рисунок 4).

3.3. Проверка состояния работы программы

Для проверки состояния работы программы выполните следующую команду:

systemctl status bts

3.4. Перезагрузка программы

Для перезагрузки программы выполните команду

sudo systemctl restart bts

3.5. Остановка программы

Для остановки программы выполните команду

sudo systemctl stop bts

3.6. Автоматически выполняемые функции

Функции, перечисленные в данном подразделе, реализуются ПО GSM BTS в автоматическом режиме после его полной настройки и конфигурирования. Участие оператора в выполнении указанных функций не предусмотрено.

3.6.1. Управление радиоканалами

Управление выделенными радиоканалами (DCM, Dedicated Channel Management) включает назначение, активацию, освобождение, управление и отчётность по выделенным каналам, таким как SDCCH, SACCH и TCH.

Используются следующие процедуры:

1. Активация канала — BSC даёт указание BTS активировать выделенный канал для UE. После активации этого канала BSC назначает его UE посредством служебного сообщения.
2. Изменение режима канала — GSM BTS изменяет режим активированного канала по команде от BSC.
3. Обнаружение хэндовера — используется между целевой BTS и целевой BSC для обнаружения UE, которое передаётся при хэндовере.
4. Начало шифрования — GSM BTS инициирует процедуру шифрования, определённую в TS GSM 04.08.
5. Передача отчётов об измерениях — GSM BTS передаёт в BSC все параметры, относящиеся к решению о хэндовере. Эта процедура состоит из обязательной процедуры передачи базовых отчётов об измерениях и опциональной процедуры передачи отчётов об измерениях с предварительной обработкой.
6. Освобождение радиоканала — BSC даёт указание GSM BTS освободить неиспользуемый радиоканал.
7. Разрыв соединения — GSM BTS уведомляет BSC о том, что активированный выделенный канал был разъединён.

3.6.2. Широковещательная информация

GSM BTS получает от BSC набор сообщений, содержащих системную информацию. BTS транслирует полученные сообщения по широковещательному каналу BCCH для UE в режиме ожидания.

Ключевые типы сообщений, передающихся по широковещательному каналу:

• SI1, SI2, SI3, SI4, SI13 — содержат базовые параметры для доступа, идентификации и выбора соты;
• SI2ter, SI2quater — содержат расширенную информацию о соседних сотах, включая другие доступные частотные диапазоны и технологии (при наличии).

3.6.3. Кодирование и декодирование сигнала

При передаче сигнала в сторону UE на первом этапе GSM BTS кодирует речевой сигнал речевым кодеком. Результатом является компактное цифровое представление речи, пригодное для передачи по узкополосному радиоканалу.

После речевого кодирования производится канальное кодирование, в ходе которого к полезным данным добавляется избыточность, необходимая для повышения устойчивости к ошибкам передачи. Канальное кодирование повышает вероятность корректного восстановления речи на приёмной стороне, особенно в условиях шумного и интерферирующего радиоканала.

При приёме сигнала от UE производится канальное декодирование и восстановление речи соответствующим декодером (FR, HR, EFR).

3.6.4. Перемежение и деперемежение

GSM BTS выполняет перемежение (interleaving) передаваемых данных в нисходящем направлении, распределяя биты одного блока данных по нескольким пакетам так, чтобы кратковременные замирания и помехи не уничтожили идущие подряд биты одного блока данных (например, речевого фрейма). При приёме данных от UE GSM BTS выполняет обратную операцию — деперемежение (deinterleaving): биты, распределённые по нескольким принятым пакетам, собираются обратно в исходный блок данных.

3.6.5. Шифрование данных

Функциональность шифрования (ciphering) обеспечивает конфиденциальность данных на радиоинтерфейсе Um между UE и BTS путём их скремблирования с использованием потокового шифра.

К данным, передаваемым в сторону UE, применяется зашифрование, а к данным, принимаемым от UE, применяется расшифрование.

3.6.6. Обработка запросов доступа по каналу RACH

Процедуры установления вызова являются фундаментальным механизмом предоставления услуг голосовой связи и SMS.

GSM BTS осуществляет постоянный мониторинг слотов восходящего направления, выделенных под канал RACH.

Для установления начального соединения по радиоканалу UE передаёт по каналу RACH запрос Channel Request с указанием причины установления соединения. GSM BTS принимает данный сигнал, рассчитывает величину временнóго упреждения, после чего передаёт в BSC запрос на установление соединения.

3.6.7. Установление соединения

GSM BTS принимает от BSC команду на активацию канала и подготавливает указанный физический ресурс (временной интервал; частоту; режим, определяющий вид данных, скорость и алгоритм кодирования) для обслуживания конкретного UE, после чего уведомляет BSC об активации канала. После фактической установки L2-соединения, GSM BTS уведомляет BSC сообщением с подтверждением установления связи.

3.6.8. Передача управляющих сообщений

При установлении начального соединения по радиоканалу, после того как GSM BTS передало в BSC запрос на установление соединения, BSC принимает решение о назначении UE выделенного ресурса и направляет на BTS сообщение о назначении каналов. BTS передаёт содержащуюся в нём информацию на UE по каналу AGCH.

GSM BTS осуществляет передачу на UE в своей зоне обслуживания сообщений пейджинга, инициированных сетью (например, о входящем вызове или коротком сообщении). Сообщения пейджинга формируются BSC и направляются в BTS по интерфейсу Abis. GSM BTS осуществляет передачу сообщений пейджинга по каналу PCH в заданные моменты времени в соответствии с параметрами планирования, предоставленными BSC.

3.6.9. Временнóе упреждение

GSM BTS отправляет каждому UE параметр временнóго упреждения в соответствии с измеренной задержкой распространения сигнала по маршруту BTS–UE–BTS. UE сдвигает время передачи на эту величину, в результате чего сигналы от разных UE приходят на BTS с учётом компенсации задержки распространения сигнала.

3.6.10. Управление мощностью

Управление мощностью используется для регулировки мощности передачи UE или BTS во время соединения. Чтобы уменьшить взаимные помехи и повысить эффективность использования радиоресурсов, UE и BTS должны передавать сигналы с оптимальной мощностью, а не с максимальной, которая используется при установлении соединения.

Управление мощностью реализуется следующим образом:

1. UE измеряет уровень принимаемого сигнала (RxLev DL) и качество приёма (RxQual DL) и отправляет эту информацию на BTS в отчётах об измерениях.
2. GSM BTS измеряет уровень (RxLev UL) и качество (RxQual UL) сигнала от UE.
3. GSM BTS передаёт на BSC отчёты об измерениях уровня сигнала и качества приёма в обоих направлениях.
4. BSС использует алгоритм управления мощностью для расчёта мощности передачи UE или BTS, после чего принимает решение об управлении мощностью в отношении одного из двух объектов.
5. BSC отправляет BTS сообщение о принятом решении. Возможны два случая:
   
   • BSC отправляет BTS сообщение «BS Power Control», уведомляя BTS о решении по управлению мощностью. BTS корректирует мощность передатчика RU.
   • BSC отправляет BTS сообщение «MS Power Control» для передачи на UE. BTS уведомляет UE о решении об управлении мощностью.

3.6.11. Хэндовер

Хэндовер на основе уровня сигнала (Signal Level-Based Handover) — это алгоритм управления радиоресурсами, обеспечивающий переключение UE в процессе активного вызова на канал другой соты, если уровень принимаемого сигнала (RxLev DL) от этой соты становится значительно лучше, чем от текущей обслуживающей соты, либо если уровень сигнала обслуживающей соты падает ниже критического порога. Алгоритм использует усреднённые измерения, чтобы избежать запуска хэндовера из-за временных колебаний сигнала.

Управление хэндовером реализуется следующим образом:

1. GSM BTS на обслуживающей BTS принимает по служебному радиоканалу отчёты от UE с данными измерений уровня и качества принимаемого сигнала.
2. GSM BTS на обслуживающей BTS измеряет уровень (RxLev UL) и качество (RxQual UL) сигнала от UE.
3. GSM BTS на обслуживающей BTS передаёт данные измерений на BSC, который принимает решение о необходимости хэндовера.
4. Если BSC принимает решение о хэндовере, то запускается инициация хэндовера. BSC выбирает целевую соту и даёт указание целевой BTS активировать и зарезервировать канал для подключения UE.
5. BSC формирует команду на хэндовер для UE. В ней содержатся все параметры новой соты: частота, описание канала, начальный уровень мощности, а также уникальный идентификатор, по которому целевая BTS сможет распознать указанный UE.
6. GSM BTS на обслуживающей BTS передаёт UE команду на хэндовер по радиоинтерфейсу.
7. UE настраивается на новый канал и выходит на связь с целевой BTS.
8. GSM BTS на целевой BTS обнаруживает сигналы доступа UE с корректным идентификатором. GSM BTS на целевой BTS измеряет задержку принятого сигнала и использует её для расчёта временнóго упреждения для данного UE.
9. GSM BTS на целевой BTS уведомляет BSC об обнаружении UE. В уведомлении передаётся измеренная задержка сигнала, которая необходима BSC для корректной синхронизации.
10. При необходимости GSM BTS передаёт UE рассчитанный параметр временнóго упреждения.
11. После получения параметра временнóго упреждения UE устанавливает соединение на новом канале и уведомляет целевую BTS о завершении хэндовера.
12. GSM BTS на целевой BTS ретранслирует уведомление о завершении хэндовера в BSC. BSC инициирует освобождение ресурсов в предыдущей BTS.

3.6.12. Скачкообразная перестройка частоты

GSM BTS реализует механизм скачкообразной перестройки частоты (Frequency Hopping) на физическом уровне, перестраивая RU на требуемую частоту для каждого временнóго слота в соответствии с параметрами, полученными от BSC.

3.6.13. Разъединение вызова

При завершении связи BSC запускает процедуру разъединения: передаёт на UE команду на прекращение работы на радиоканале и отправляет в BTS команду об освобождении радиоканала. После освобождения ресурсов GSM BTS уведомляет BSC служебным сообщением.

3.6.14. Управление на уровне BBU

Сервис MA-BTS в составе GSM BTS обеспечивает следующие функции управления на уровне BBU:

• HTTP-сервер на порту 8081 — принимает обновления конфигурации в формате JSON посредством HTTP POST-запросов;
• создание файлов конфигурации — создаёт файлы конфигурации для различных программных модулей на BBU;
• развёртывание конфигурации — обеспечивает корректное применение настроек ко всем компонентам;
• контроль процессов GSM — отслеживает работу всех процессов GSM на BBU и обеспечивает их надёжное функционирование;
• автоматический перезапуск — при обнаружении остановки любого критически важного процесса он автоматически перезапускается.

3.6.15. Реестр аварий

GSM BTS обнаруживает неисправности и записывает данные о них в централизованный реестр, где собираются все актуальные аварийные сообщения от компонентов БС.

Перечень сокращений