История о том, как мы разработали собственную БС

Как играть на на фортепиано? Все просто — в нужные моменты времени нажимать правильные клавиши!

О проекте

Проект создания собственной базовой станции сотовой связи стандарта LTE был запущен в конце 2016 года. В конце 2020 совместно с ПАО «МТС» было проведено полевое тестирование на коммерческой сети сотовой связи. В настоящий момент готовится к выходу обновленная версия БС, которая будет доступна для коммерческого заказа.

Вступление

Что нужно, чтобы создать базовую станцию сотовой связи? Да всего ничего: софт, железо и волшебный мешок, в который все это складывается, трясется очумелыми ручками, а на выходе — вуаля — готовая БС. В реальности все обстоит несколько сложнее…

Ключевой технологией, позволившей решить эту задачу, стала технология программно определяемого радио (SDR) [1]. Она в корне изменила устоявшиеся практики в разработке радиосистем, позволив реализовать сложную обработку сигналов в софте, а не в железе.

Постановка задачи

Проблема создания собственных систем сотовой связи гражданского назначения существует уже давно. Рынок полностью поделен между крупными компаниями, накопившими огромные компетенции в этой отрасли, однако, благодаря технологическому прогрессу, проекты, которые в прошлом требовали колоссальных ресурсов, сейчас превращаются в задачи, вполне посильные даже небольшим компаниям.

История разработки сторонних систем сотовой связи началась в 2008 году, с экспериментов Харальда Велте (Harald Welte) и Дитера Спаара (Dieter Spaar) с базовой приемопередающей станцией от Siemens, срок службы которой подошел к концу. В процессе работы они реализовали сторону BSC протокола A-bis, который в конечном итоге превратился в OpenBSC [2]. Его целью была открытая реализация стека GSM. Проект развивается по сей день, в нем добавлена поддержка сетей 3G [3-5].

На старте нашего проекта был поставлен вопрос о том к какому поколению связи будет относиться БС. В России все ещё активно использовалась связь GSM (за рубежом она уже начинала сдавать позиции) и UMTS, а покрытие LTE часто оставляло желать лучшего, но мы решили сосредоточить свои силы именно на последней технологии. С одной стороны, к моменту когда мы представим первый релиз БС, актуальность LTE только возрастет, с другой — эта технология является основой для следующего (пятого) поколения связи. Кроме итого, нужно отметить, что спецификация LTE оставляет гораздо меньше пространства для вендерспецифичных решений, нежели стандарты связи предыдущих поколений.

Пути решения

Следующим очевидным шагом было изучение того, что уже было создано до нас. Мы присматривались к разработке Фабриса Белларда (Fabrice Bellard), одного из сооснователей Amarisoft, [6,7], но стоимость лицензии делала бессмысленной дальнейшую работу, к OAI [8] и srsLTE [9,10] — бесспорно проекты интересные, но, на наш взгляд, в них больше маркетинга, чем коммерчески применимого результата. Попадались нам также и другие (коммерческие) реализации стека LTE [11,12], но по тем или иным причинам не было возможности ни протестировать их, ни посмотреть изнутри. С srsLTE работа продлилась несколько дольше. Попытка пофиксить баги, которые «всплывали» почти непрерывно (напомню, был 2017 год, проект еще сырой, но в качестве демонстрационного стенда вполне годился; сейчас он проработан гораздо лучше), сработала как трамплин в наборе необходимых компетенций. Это заставило нас заняться разработкой собственной архитектуры стека LTE. В процессе работы мы полностью ощутили трудности с которыми сталкиваются разработчики приложений, работающих в жестких временных рамках (планирование нисходящего канала происходит каждую миллисекунду, при этом анализируются потребности более сотни пользователей и весь список ранжируется в соответствии с несколькими критериями — первые восемь счастливчиков получают доступ к радиоресурсам, а через миллисекунду все по новой).

Помимо ПО существовала проблема с необходимым оборудованием для усиления сигнала SDR (мощность передающего канала не превышает 100 мВт). Мы обратились к радиотехническим предприятиям, расположенным на просторах нашей необъятной страны, которые, как нам казалось, могут с легкостью взяться за разработку и производство. Не тут то было… Типичный диалог с потенциальным исполнителем:
— Здравствуйте, меня интересуют аналоговый СВЧ-усилитель и частотноразделительный фильтр (кратко обрисовал характеристики), вы можете их произвести?
— Да конечно, с вас ТЗ. За 10-12 месяцев мы сможем вам все сделать, минимальная партия 1000 штук.
— Спасибо, я подумаю…
Где взять ТЗ на оборудование, куда потом деть такое количество усилителей и фильтров???

В общем, выход был найден в лице наших восточных партнеров. После некоторых поисков, размышлений, оформлений, познакомившись с особенностями таможенного законодательства, долгожданные усилители и фильтры прибыли к нам. К слову, мы уже заручились поддержкой компании, готовой разработать и произвести все необходимое оборудование от SDR до усилителей и фильтров, как только — так сразу.
Решив проблемы с железом и софтом, создав независимую систему мониторинга и много всего еще мы плавно перешли к тестированию.

Тестирование

Неоценимую поддержку нам оказал давний партнер в лице ПАО «МТС». Разумеется в процессе разработки мы проводили тестирование на доступных ядрах, например, NextEPC [13], предсказать как наша БС поведет себя в «полевых» условиях не мог никто.

Само тестирование проходило в несколько этапов, сначала коллеги из МТС  подключили БС к тестовому ядру, чтобы убедиться, что она корректно взаимодействует с корой, затем провели лабораторное (настольное) тестирование необходимого функционала. Только после того как все убедились, что: а) нашу БС безопасно подключать к коммерческой коре; б) она соответствует функциональным требованиям, предъявляемым БС LTE — мы перешли к полевым испытаниям [14,15].

Полное тестирование заняло около месяца, по результатам был согласован список доработок на следующую версию, которая скоро будет представлена.

Позднее, совместно с компанией НТЦ «Протей» [16], мы провели успешное тестирование на разработанном ими ядре.

Перспективы развития

Проект стартовал когда, с одной стороны, уже существовало несколько спецификаций LTE и была видна его эволюция, с другой, все больше внимания уделялось будущему поколению связи. Хотя, в настоящий момент наша БС поддерживает Rel.8, в ее архитектуре мы постарались учесть изменения до 3Gpp Rel.14 включительно, местами «подглядывая» в Rel.15.

Дальнейшее развитие проекта связано как с последовательным расширением функционала БС, так и с переходом на отечественное железо. Архитектура БС позволяет ее частично перенести в облако, оставив только часть, непосредственно связанную с радио.

Литература

1. Software defined radio — https://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_radio

2. Osmocom (open source mobile communications) —  https://en.wikipedia.org/wiki/Osmocom

3. Osmocom Network In The Box —  https://osmocom.org/projects/cellular-infrastructure/wiki/Osmocom_Network_In_The_Box

4. GSM на столе —  https://habr.com/ru/post/213845/

5. Поднимаем GSM станцию с помощью YateBTS и bladeRF — https://codeby.net/threads/podnimaem-gsm-stanciju-s-pomoschju-yatebts-i-bladerf.67989/

6. Фабрис Беллард — https://bellard.org/lte/

7. Amari Soft — https://www.amarisoft.com/about-us/

8. Open Air Interface 5G — https://gitlab.eurecom.fr/oai/openairinterface5g/-/wikis/home

9. srsLTE — https://www.srslte.com/

10. srsLTE — https://github.com/srsLTE/srsLTE

11. CableFree — https://www.cablefree.net/4g-lte/lte-base-station/

12. CommAgility — https://www.commagility.com/products/software/smallcellstack

13. Свободное ядро операторской сети LTE — https://nextepc.org/

14. МТС запустила на своей сети первую российскую базовую станцию [Ведомости] — https://www.vedomosti.ru/technology/articles/2020/11/29/848735-mts-zapustila

15. Нашего полку LTE прибыло [ComNews] — https://www.comnews.ru/content/211901/2020-12-01/2020-w49/nashego-polku-lte-pribylo

16. НТЦ «Протей» — https://protei.ru/company

    Приложение А. Технические характеристики БС RBS-100

    Наименование параметра	Значение
    Технология связи	LTE FDD MIMO 2×2 — 5/10/15/20 МГц
    Частотный диапазон	1800 МГц (LTE Band 3)
    Фактически используемая полоса	2×5/10/15/20 МГц
    Выходная мощность	2×10 Вт
    Метод временной синхронизации	GPS (10 МГц OCXO)
    Максимальная потребляемая мощность	200 Вт
    Параметры электропитания	+48В / 220В
    Температура эксплуатации	От -40С до +40С
    Температура хранения	От -45С до +55С
    Степень пылевлагозащищенности	IP65

О нас

Компания ООО «ТЕНЕТ» оказывает услуги по разработке, внедрению, технической поддержке программных продуктов и аппаратных решений для бизнеса. Главное направление компании – создание собственных биллинговых систем «под ключ» для различных компаний и организаций: телекоммуникационных, ЖКХ и энергетических предприятий, банков и др. Также ООО «ТЕНЕТ» обладает опытом разработки и реализации разработки программного обеспечения по индивидуальному запросу, например: систем мониторинга состояния оборудования, CRM систем, цифровизации процессов производства и т. д.