刘光灿, 万家波, 陈威兵, 王路露, 张刚林

(长沙学院 电子信息与电气工程系, 湖南 长沙 410022)

基于现网设备的TD-LTE 4G移动通信实验教学系统构建

刘光灿, 万家波, 陈威兵, 王路露, 张刚林

(长沙学院 电子信息与电气工程系, 湖南 长沙 410022)

构建了由中兴公司现网设备eNodeB、核心网iEPC、万兆路由器、实验室管理系统和学生操作实习终端等构成的实验系统硬件平台,规划设计了实验系统全局资源参数、传输资源参数、邻接网元参数和小区参数,设计了训练学生工程能力的实验,并对实验进行了试做。实验结果表明,实验系统硬件平台可靠、网络参数设计合理,具备培训学生对LTE 4G现网设备的现场维护、设备安装及开通能力的功能,具有很强的实用性。

实验教学系统； 网络架构； 网络参数； TD-LTE实验

TD-LTE是新一代宽带移动通信技术,是我国拥有自主知识产权的TD-CDMA后续演进技术,在继承其TDD优点的同时又引入了多天线MIMO和正交频分复用OFDM技术,相比于3G,TD-LTE在系统性能上有了跨越式提高,能够为用户提供更加丰富多彩的移动互联网业务[1-2]。2013年12月4日,中国工业与信息化部向中国移动、中国电信和中国联通正式发放了第四代移动通信业务牌照,三大运营商均获得了TD-LTE 牌照,标志着我国电信产业正式进入了4G时代[3-4]。随着三大运营商4G网络建设的全面展开,国内对4G移动通信人才的需求旺盛,人才的培养已成为当务之急。然而,传统的通信教学依然以理论教学为主,仅有的一些通信实验也是以通信实验箱为主。这种单纯的理论教学和辅以实验箱的实践教学已经难以适应迅速发展的现代通信行业对人才的需求,通信专业的学生职业能力欠缺,毕业生进入企业后,在一段较长的时期里很难适应工作岗位的要求[5-6]。为此，我们根据我校已建立的光传输和程控交换等在局运行的通信网络实验平台的经验[7],构建了基于现网设备的TD-LTE 4G移动通信实验教学系统。这些在局运行的通信网络实验教学系统充分结合了当前主流通信技术及典型工程应用,模拟了真实的在局运行环境,能够真正实现以就业为导向的通信专业工程教育,满足市场对4G移动通信人才的需求。

1 系统构成方案

1.1 TD-LTE系统构成原理

TD-LTE系统由演进型分组核心网EPC(evolved packet core)、演进型基站eNodeB和用户设备UE三部分组成。核心网EPC包括移动性管理实体MME(mobility management entity)、服务网关SGW(serving gateway)、分组数据网网关PGW(packet data network gateway)和归属用户服务器HSS(home subscriber server)4个部分。其中MME提供LTE接入网络的控制、移动性管理、安全控制及会话管理等功能；SGW负责LTE用户数据的传送、转发和路由切换等功能；PGW管理移动终端设备和外部分组数据网络之间的连接,负责终端 IP地址分配、用户业务数据的出口路由。此外,它还作为移动网络内部的锚定点,在用户移动过程中始终保持不变以保障业务的连续。HSS负责用户的签约数据和鉴权信息的管理。eNodeB也称E-UTRAN,是LTE 系统的无线接入设备,管理空中接口,负责接入控制、移动性控制、用户资源分配等无线资源管理功能,为LTE 用户提供无线接入[8-10]。UE即用户终端设备。eNode B与EPC通过S1接口连接,eNode B之间通过X2接口连接,eNode B与UE之间通过Uu接口连接。TD-LTE系统构成原理图见图1。

图1 TD-LTE系统构成原理图

1.2 系统构建总体要求

TD-LTE 4G实验系统构建的总目标是引进现网

主流设备,让学生学习设备的组网、硬件结构、软硬件安装、开通调试、维护管理等；通过工程情景的教学,使学生对LTE网络有个整体的认识,快速掌握TD-LTE 4G移动通信技术,具备一定的通信设备管理、网络组网以及应用等能力。实验教学系统总体要求如下:

(1) 采用TD-LTE现网主流设备,最大限度地模拟现网运行环境；

(2) 在核心网与无线接入网完全对接成功之后,能够满足数据网络通信要求；

(3) 可满足30～40名学生实训教学的要求,既可连接到操作维护中心OMC(operations & maintenance center)网管平台进行系统在线实验,又可进行系统脱机配置实训。

1.3 系统硬件结构

根据TD-LTE系统构成原理和实验教学系统构建总体要求设计的实验系统硬件结构由TD-LTE网络系统、通信实验室管理系统和学生操作实习终端三部分组成,如图2所示。

(1) TD-LTE网络系统由中兴公司ZXUN iEPC(图2中为EPC)核心网设备、BBU(B8300)+RRU(R8972) 无线接入eNodeB设备、万兆路由器ZXR10 8902、后台服务器(包括FTP服务器,eNodeB服务器,iEPC客户端服务器)、智能天线和用户终端UE组成。核心网EPC通过万兆路由器分别与后台服务器和eNodeB的基带处理部分BBU相连,BBU和RRU采用现网最主流的光纤拉远连接方式。系统组成见图2。

ZXUN iEPC采用5U高度的中兴E2040插箱,包含交换模块MXES2、交换接口板RMXES、网管处理模块PPBXO、网管处理接口板PPI1、分组及策略业务核心处理模块PPBBO、分组及策略业务处理接口板PPI1各1块,提供电信级业务功能,包括移动性管理、安全管理、用户签约数据管理、会话管理、基于IMSI(国际移动用户识别码)段的区域限制、基于IMSI段的EPLMN(对等公用陆地移动网)列表、IP路由、LTE用户IP地址管理、APN(接入点名称)管理、基于APN的QoS管理等。

eNodeB全面支持SDR(软件无线电)软基站最新技术,采用MicroTCA架构设计,全面支持IP RAN组网,使得整体平台可扩展性强,接入方式灵活,协议可扩展支持传统业务和多种以太网业务,将来还能平滑升级到更高版本,具有一定的前瞻性,能完全再现现网真实环境。eNodeB的基带处理设备BBU(B8300)的硬件组成和功能见表1。

图2 TD-LTE实验系统组成

单板名称配置数量功能描述控制与时钟板(CC)1实现BBU主控与时钟基带处理板(BPL)1实现基带处理。单块基带板支持1个8天线小区、或2个4天线小区、或3个2天线小区(小区带宽均为20MHz)现场告警板(SA)1实现站点告警监控和环境监控电源模块(PM)1实现BBUDC电源输入,给BBU单板供电风扇模块(FA)1实现BBU风扇散热功能

eNodeB 的射频处理设备RRU(R8972)是利用数字预失真技术、高效率功放技术、SDR技术研制的新型的、紧凑型射频远端单元(RRU),包括电源RPDC、双工滤波器LDDLF、收发信板TRF1、功放模块PA20F1、接口防护板PIB和接口转换板RIE 。

(2) 通信实验室管理系统包括CCS2000服务器和三层交换机,CCS2000服务器用于学生实验排队与管理,三层交换机连接学生操作实习终端和TD-LTE网络,完成信息交换功能。

(3) 学生操作实习终端,由1台教师机和40台学生电脑组成,电脑系统采用Windows XP系统,安装了核心网iEPC 操作维护软件、eNodeB服务端软件、eNodeB客户端软件及CCS2000资源管理软件。

TD-LTE实验系统通过对现网的完全模拟设计,为学生提供了完整的移动通信专业实验硬件平台。

2 系统网络参数

系统网络参数规划包括全局资源参数、传输资源参数、邻接网元参数和小区参数的规划。

2.1 全局参数和传输参数规划

全局资源参数是对eNodeB所有小区都有效的参数。传输资源参数包括GE参数、全局端口、IP参数、SCTP参数、静态路由参数和OMC参数[11]。全局资源参数和传输资源参数在实验室的规划见表2。

表2 全局参数和传输参数规划表

表2(续)

2.2 邻接网元参数和小区参数规划

邻接网元参数规划是为了定义偶联的对端网元属性。小区是基站的覆盖区,分为几个定向天线的小区,小区参数即为这几个小区的属性参数[12]。实验系统邻接网元参数和小区参数的规划见表3。

表3 邻接网元参数和小区参数规划表

3 实验项目

TD-LTE系统实验目的是利用能模拟现网的TD-LTE 硬件平台和维护操作中心网管平台,让学生通过一些基础型、拓展型和研发创新型实验项目的实习实训,了解无线网络设备中各个网元设备的配置原理，理解无线网络对接数据的含义及无线网络信令流程,掌握无线网络系统原理；培训学生对LTE 4G现网设备的现场维护、设备安装及无线网络开局的能力,有效提升他们的工程实践能力。

3.1 基础型实验项目

基础型实验项目主要包括网元管理系统EMS基本配置和eNodeB基本配置等实验。

(1) EMS基本配置实验。该实验主要是让学生熟悉EMS(网元管理系统)客户端的操作和使用方法。主要实验内容包括登录EMS客户端、创建并启动网元代理、启动配置管理等,完成网元开通配置的初始化工作。实验创建的网元配置管理界面如图3所示。

图3 EMS网元配置管理界面

(2) eNodeB基本配置实验。该实验主要内容包括创建LTE子网、创建子网基站网元、申请互斥权限、创建配置集、创建地面资源管理、创建无线资源管理、生成配置目录树(见图4),在此基础上开始设备、传输、无线等细节的配置。

图4 eNOdeB基本配置目录树

3.2 拓展型实验项目

拓展型实验项目包括eNodeB地面资源管理配置实验和eNodeB无线资源管理配置实验等。这类实验要求学生根据具体的实验任务,进行网络设计、设备配置和参数配置以完成相应的实验任务。

(1) eNodeB地面资源管理配置实验。该实验内容首先包括eNodeB的物理资源配置,即添加BBU设备、选择单板、配置RRU、光口设备BPL配置、光纤配置、物理层端口GE配置、配置天线物理实体对象、配置时钟设备、IR天线组对象配置、射频线配置等。其次包括eNodeB传输资源的配置,如以太网链路层配置、宽带资源配置、IP层配置、偶联SCTP配置、静态路由配置、OMC通道配置等。该实验配置的BBU、RRU物理资源见图5。

图5 eNodeB的 BBU RRU物理资源

(2) eNodeB无线资源管理配置实验。该实验内容包括创建LTE网络、基带资源配置、配置服务小区、配置小区重选、测量配置和系统信息调度配置、对无线传输资源和eNodeB资源进行调整分配、建立LTE小区,LTE小区界面见图6。

图6 实验建立的LTE小区界面

3.3 研发创新型实验项目

研发创新型实验项目是学生在教师的指导下,依托所建成的移动通信实验系统,将现有的软硬件资源与实际应用场景结合,自主开发移动通信实验,如系统性能管理可进行测量任务管理、计数器与指标管理、门限任务管理、通用模板管理、模板任务管理、性能数据管理等。该实验创建的测量任务界面见图7。

图7 实验创建的测量任务界面

此外，告警管理、小型实际TD-LTE网络结构评估和与规划[13]等研发创新型实验因为难度更高,工作量更大,可以作为课程设计任务,主要培养学生知识综合应用和创新能力。

4 结束语

由中兴通讯现网设备eNodeB和iEPC等构建的TD-LTE 4G移动通信教学实验系统,为学生学习4G移动通信原理、TD-LTE设备软硬件结构、设备组网、工程安装、开通调试等提供了一个基本平台。通过对我校两届大四通信工程专业学生的教学实践证明:该平台通过工程情景教学,将一些抽象的原理具体化,复杂的过程可视化,激发了学生的学习兴趣和热情,加速了学生真正理解TD-LTE 4G移动通信系统和技术的进程,达到了培训学生具备TD-LTE 4G现网设备的现场维护、设备安装及开通上岗能力的目的。上岗毕业生深受用人单位欢迎。随着4G移动通信技术的应用发展,我们还将利用现有的实验教学系统开发新的应用教学实验项目,拓展学生的就业上岗能力。

References)

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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

湖南省普通高等学校教学改革研究项目(2013-475， 2014-529， 2012-477)；湖南省教育科学“十二五”规划2014年度课题(XJK014BGD086)

刘光灿(1958—)，男，湖南邵阳，博士，教授，主要研究方向为光电信息处理和通信工程.

G484；TN929.5

A

1002-4956(2015)10- 0074- 06