基于現網設備的TD-LTE 4G移動通信實驗教學系統構建

劉光燦, 萬家波, 陳威兵, 王路露, 張剛林

(長沙學院 電子信息與電氣工程系, 湖南 長沙 410022)

基于現網設備的TD-LTE 4G移動通信實驗教學系統構建

劉光燦, 萬家波, 陳威兵, 王路露, 張剛林

(長沙學院 電子信息與電氣工程系, 湖南 長沙 410022)

構建了由中興公司現網設備eNodeB、核心網iEPC、萬兆路由器、實驗室管理系統和學生操作實習終端等構成的實驗系統硬件平臺,規劃設計了實驗系統全局資源參數、傳輸資源參數、鄰接網元參數和小區參數,設計了訓練學生工程能力的實驗,并對實驗進行了試做。實驗結果表明,實驗系統硬件平臺可靠、網絡參數設計合理,具備培訓學生對LTE 4G現網設備的現場維護、設備安裝及開通能力的功能,具有很強的實用性。

實驗教學系統； 網絡架構； 網絡參數； TD-LTE實驗

TD-LTE是新一代寬帶移動通信技術,是我國擁有自主知識產權的TD-CDMA后續演進技術,在繼承其TDD優點的同時又引入了多天線MIMO和正交頻分復用OFDM技術,相比于3G,TD-LTE在系統性能上有了跨越式提高,能夠為用戶提供更加豐富多彩的移動互聯網業務[1-2]。2013年12月4日,中國工業與信息化部向中國移動、中國電信和中國聯通正式發放了第四代移動通信業務牌照,三大運營商均獲得了TD-LTE 牌照,標志著我國電信產業正式進入了4G時代[3-4]。隨著三大運營商4G網絡建設的全面展開,國內對4G移動通信人才的需求旺盛,人才的培養已成為當務之急。然而,傳統的通信教學依然以理論教學為主,僅有的一些通信實驗也是以通信實驗箱為主。這種單純的理論教學和輔以實驗箱的實踐教學已經難以適應迅速發展的現代通信行業對人才的需求,通信專業的學生職業能力欠缺,畢業生進入企業后,在一段較長的時期里很難適應工作崗位的要求[5-6]。為此，我們根據我校已建立的光傳輸和程控交換等在局運行的通信網絡實驗平臺的經驗[7],構建了基于現網設備的TD-LTE 4G移動通信實驗教學系統。這些在局運行的通信網絡實驗教學系統充分結合了當前主流通信技術及典型工程應用,模擬了真實的在局運行環境,能夠真正實現以就業為導向的通信專業工程教育,滿足市場對4G移動通信人才的需求。

1 系統構成方案

1.1 TD-LTE系統構成原理

TD-LTE系統由演進型分組核心網EPC(evolved packet core)、演進型基站eNodeB和用戶設備UE三部分組成。核心網EPC包括移動性管理實體MME(mobility management entity)、服務網關SGW(serving gateway)、分組數據網網關PGW(packet data network gateway)和歸屬用戶服務器HSS(home subscriber server)4個部分。其中MME提供LTE接入網絡的控制、移動性管理、安全控制及會話管理等功能；SGW負責LTE用戶數據的傳送、轉發和路由切換等功能；PGW管理移動終端設備和外部分組數據網絡之間的連接,負責終端 IP地址分配、用戶業務數據的出口路由。此外,它還作為移動網絡內部的錨定點,在用戶移動過程中始終保持不變以保障業務的連續。HSS負責用戶的簽約數據和鑒權信息的管理。eNodeB也稱E-UTRAN,是LTE 系統的無線接入設備,管理空中接口,負責接入控制、移動性控制、用戶資源分配等無線資源管理功能,為LTE 用戶提供無線接入[8-10]。UE即用戶終端設備。eNode B與EPC通過S1接口連接,eNode B之間通過X2接口連接,eNode B與UE之間通過Uu接口連接。TD-LTE系統構成原理圖見圖1。

圖1 TD-LTE系統構成原理圖

1.2 系統構建總體要求

TD-LTE 4G實驗系統構建的總目標是引進現網

主流設備,讓學生學習設備的組網、硬件結構、軟硬件安裝、開通調試、維護管理等；通過工程情景的教學,使學生對LTE網絡有個整體的認識,快速掌握TD-LTE 4G移動通信技術,具備一定的通信設備管理、網絡組網以及應用等能力。實驗教學系統總體要求如下:

(1) 采用TD-LTE現網主流設備,最大限度地模擬現網運行環境；

(2) 在核心網與無線接入網完全對接成功之后,能夠滿足數據網絡通信要求；

(3) 可滿足30～40名學生實訓教學的要求,既可連接到操作維護中心OMC(operations & maintenance center)網管平臺進行系統在線實驗,又可進行系統脫機配置實訓。

1.3 系統硬件結構

根據TD-LTE系統構成原理和實驗教學系統構建總體要求設計的實驗系統硬件結構由TD-LTE網絡系統、通信實驗室管理系統和學生操作實習終端三部分組成,如圖2所示。

(1) TD-LTE網絡系統由中興公司ZXUN iEPC(圖2中為EPC)核心網設備、BBU(B8300)+RRU(R8972) 無線接入eNodeB設備、萬兆路由器ZXR10 8902、后臺服務器(包括FTP服務器,eNodeB服務器,iEPC客戶端服務器)、智能天線和用戶終端UE組成。核心網EPC通過萬兆路由器分別與后臺服務器和eNodeB的基帶處理部分BBU相連,BBU和RRU采用現網最主流的光纖拉遠連接方式。系統組成見圖2。

ZXUN iEPC采用5U高度的中興E2040插箱,包含交換模塊MXES2、交換接口板RMXES、網管處理模塊PPBXO、網管處理接口板PPI1、分組及策略業務核心處理模塊PPBBO、分組及策略業務處理接口板PPI1各1塊,提供電信級業務功能,包括移動性管理、安全管理、用戶簽約數據管理、會話管理、基于IMSI(國際移動用戶識別碼)段的區域限制、基于IMSI段的EPLMN(對等公用陸地移動網)列表、IP路由、LTE用戶IP地址管理、APN(接入點名稱)管理、基于APN的QoS管理等。

eNodeB全面支持SDR(軟件無線電)軟基站最新技術,采用MicroTCA架構設計,全面支持IP RAN組網,使得整體平臺可擴展性強,接入方式靈活,協議可擴展支持傳統業務和多種以太網業務,將來還能平滑升級到更高版本,具有一定的前瞻性,能完全再現現網真實環境。eNodeB的基帶處理設備BBU(B8300)的硬件組成和功能見表1。

圖2 TD-LTE實驗系統組成

單板名稱配置數量功能描述控制與時鐘板(CC)1實現BBU主控與時鐘基帶處理板(BPL)1實現基帶處理。單塊基帶板支持1個8天線小區、或2個4天線小區、或3個2天線小區(小區帶寬均為20MHz)現場告警板(SA)1實現站點告警監控和環境監控電源模塊(PM)1實現BBUDC電源輸入,給BBU單板供電風扇模塊(FA)1實現BBU風扇散熱功能

eNodeB 的射頻處理設備RRU(R8972)是利用數字預失真技術、高效率功放技術、SDR技術研制的新型的、緊湊型射頻遠端單元(RRU),包括電源RPDC、雙工濾波器LDDLF、收發信板TRF1、功放模塊PA20F1、接口防護板PIB和接口轉換板RIE 。

(2) 通信實驗室管理系統包括CCS2000服務器和三層交換機,CCS2000服務器用于學生實驗排隊與管理,三層交換機連接學生操作實習終端和TD-LTE網絡,完成信息交換功能。

(3) 學生操作實習終端,由1臺教師機和40臺學生電腦組成,電腦系統采用Windows XP系統,安裝了核心網iEPC 操作維護軟件、eNodeB服務端軟件、eNodeB客戶端軟件及CCS2000資源管理軟件。

TD-LTE實驗系統通過對現網的完全模擬設計,為學生提供了完整的移動通信專業實驗硬件平臺。

2 系統網絡參數

系統網絡參數規劃包括全局資源參數、傳輸資源參數、鄰接網元參數和小區參數的規劃。

2.1 全局參數和傳輸參數規劃

全局資源參數是對eNodeB所有小區都有效的參數。傳輸資源參數包括GE參數、全局端口、IP參數、SCTP參數、靜態路由參數和OMC參數[11]。全局資源參數和傳輸資源參數在實驗室的規劃見表2。

表2 全局參數和傳輸參數規劃表

表2(續)

2.2 鄰接網元參數和小區參數規劃

鄰接網元參數規劃是為了定義偶聯的對端網元屬性。小區是基站的覆蓋區,分為幾個定向天線的小區,小區參數即為這幾個小區的屬性參數[12]。實驗系統鄰接網元參數和小區參數的規劃見表3。

表3 鄰接網元參數和小區參數規劃表

3 實驗項目

TD-LTE系統實驗目的是利用能模擬現網的TD-LTE 硬件平臺和維護操作中心網管平臺,讓學生通過一些基礎型、拓展型和研發創新型實驗項目的實習實訓,了解無線網絡設備中各個網元設備的配置原理，理解無線網絡對接數據的含義及無線網絡信令流程,掌握無線網絡系統原理；培訓學生對LTE 4G現網設備的現場維護、設備安裝及無線網絡開局的能力,有效提升他們的工程實踐能力。

3.1 基礎型實驗項目

基礎型實驗項目主要包括網元管理系統EMS基本配置和eNodeB基本配置等實驗。

(1) EMS基本配置實驗。該實驗主要是讓學生熟悉EMS(網元管理系統)客戶端的操作和使用方法。主要實驗內容包括登錄EMS客戶端、創建并啟動網元代理、啟動配置管理等,完成網元開通配置的初始化工作。實驗創建的網元配置管理界面如圖3所示。

圖3 EMS網元配置管理界面

(2) eNodeB基本配置實驗。該實驗主要內容包括創建LTE子網、創建子網基站網元、申請互斥權限、創建配置集、創建地面資源管理、創建無線資源管理、生成配置目錄樹(見圖4),在此基礎上開始設備、傳輸、無線等細節的配置。

圖4 eNOdeB基本配置目錄樹

3.2 拓展型實驗項目

拓展型實驗項目包括eNodeB地面資源管理配置實驗和eNodeB無線資源管理配置實驗等。這類實驗要求學生根據具體的實驗任務,進行網絡設計、設備配置和參數配置以完成相應的實驗任務。

(1) eNodeB地面資源管理配置實驗。該實驗內容首先包括eNodeB的物理資源配置,即添加BBU設備、選擇單板、配置RRU、光口設備BPL配置、光纖配置、物理層端口GE配置、配置天線物理實體對象、配置時鐘設備、IR天線組對象配置、射頻線配置等。其次包括eNodeB傳輸資源的配置,如以太網鏈路層配置、寬帶資源配置、IP層配置、偶聯SCTP配置、靜態路由配置、OMC通道配置等。該實驗配置的BBU、RRU物理資源見圖5。

圖5 eNodeB的 BBU RRU物理資源

(2) eNodeB無線資源管理配置實驗。該實驗內容包括創建LTE網絡、基帶資源配置、配置服務小區、配置小區重選、測量配置和系統信息調度配置、對無線傳輸資源和eNodeB資源進行調整分配、建立LTE小區,LTE小區界面見圖6。

圖6 實驗建立的LTE小區界面

3.3 研發創新型實驗項目

研發創新型實驗項目是學生在教師的指導下,依托所建成的移動通信實驗系統,將現有的軟硬件資源與實際應用場景結合,自主開發移動通信實驗,如系統性能管理可進行測量任務管理、計數器與指標管理、門限任務管理、通用模板管理、模板任務管理、性能數據管理等。該實驗創建的測量任務界面見圖7。

圖7 實驗創建的測量任務界面

此外，告警管理、小型實際TD-LTE網絡結構評估和與規劃[13]等研發創新型實驗因為難度更高,工作量更大,可以作為課程設計任務,主要培養學生知識綜合應用和創新能力。

4 結束語

由中興通訊現網設備eNodeB和iEPC等構建的TD-LTE 4G移動通信教學實驗系統,為學生學習4G移動通信原理、TD-LTE設備軟硬件結構、設備組網、工程安裝、開通調試等提供了一個基本平臺。通過對我校兩屆大四通信工程專業學生的教學實踐證明:該平臺通過工程情景教學,將一些抽象的原理具體化,復雜的過程可視化,激發了學生的學習興趣和熱情,加速了學生真正理解TD-LTE 4G移動通信系統和技術的進程,達到了培訓學生具備TD-LTE 4G現網設備的現場維護、設備安裝及開通上崗能力的目的。上崗畢業生深受用人單位歡迎。隨著4G移動通信技術的應用發展,我們還將利用現有的實驗教學系統開發新的應用教學實驗項目,拓展學生的就業上崗能力。

References)

[1] 陳山枝.TD-LTE Advanced技術、標準和產業的發展與展望[J].電

信科學,2014(1):1-7.

[2] 楊海寧,周勇.關于TD-LTE 的原理及關鍵技術的分析[J].價值工程,2013(6):188-190.

[3] 李進良.加速TD-LTE全國4G網建設共同促進全民信息消費[J].移動通信,2014(1):17-20.

[4] 吳純勇.TD-LTE開啟全新互聯網時代[J].網絡傳播,2014(3):86-87.

[5] 章曙光,郭樂深,孫巧云.引進現網通信設備構建通信實驗室[J]. 實驗技術與管理,2012,29(6):109-111.

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[7] 劉光燦,張剛林,黃飛江，等.新建本科院校通信工程實驗室建設的研究[J].實驗技術與管理,2014,31(3):209-212.

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Construction of TD-LTE 4G mobile communication network experimental teaching system based on existing network devices

Liu Guangcan, Wan Jiabo, Chen Weibing, Wang Lulu, Zhang Ganglin

(Department of Electronic Information and Electrical Engineering,Changsha Institute,Changsha 410022,China)

The building of an experimental teaching system of the fourth generation mobile communication network(TD-LTE) based on existing network devices,is significant to the training of mobile communication engineering and technical talents. The hardware platform of the system is built on network device eNodeB from ZTE company,core network iEPC,TenGigabits router,laboratory management system and student operation terminal; the global resource parameter,the transmission resource parameter,the adjacent network element parameter and the residential parameter of the system are planed and designed; the experiments combination to train students’ engineering ability is determined; and the try-out experiment is accomplished. The experimental result shows that the hardware platform of the system is reliable; the designed network parameters are reasonable; the system is capable of training students how to install,power on and maintain in production LTE 4G network devices,which can ensure the practicability of the system.

experimental teaching system； network architecture； network parameter； TD-LTE experiment

2015- 02- 15

湖南省普通高等學校教學改革研究項目(2013-475， 2014-529， 2012-477)；湖南省教育科學“十二五”規劃2014年度課題(XJK014BGD086)

劉光燦(1958—)，男，湖南邵陽，博士，教授，主要研究方向為光電信息處理和通信工程.

G484；TN929.5

A

1002-4956(2015)10- 0074- 06