desarrollo de una herramienta computacional de e-learning para el aprendizaje de la interfaz aire

120 Pages·2016·2.51 MB·Spanish

UNIVERSIDADDECARABOBO
FACULTADDEINGENIERÍA
ESCUELADEINGENIERÍADE
TELECOMUNICACIONES
DEPARTAMENTODESEÑALESYSISTEMAS
DESARROLLODEUNAHERRAMIENTACOMPUTACIONALDE
E-LEARNINGPARAELAPRENDIZAJEDELAINTERFAZAIREDE
LAARQUITECTURADERED4GLTEMEDIANTELAPLATAFORMA
OPENAIRINTERFACE
LUISSÁNCHEZ
FRANCISCOGONZÁLEZ
Bárbula,13dediciembredel2016
UNIVERSIDADDECARABOBO
FACULTADDEINGENIERÍA
ESCUELADEINGENIERÍADE
TELECOMUNICACIONES
DEPARTAMENTODESEÑALESYSISTEMAS
DESARROLLODEUNAHERRAMIENTACOMPUTACIONALDE
E-LEARNINGPARAELAPRENDIZAJEDELAINTERFAZAIREDE
LAARQUITECTURADERED4GLTEMEDIANTELAPLATAFORMA
OPENAIRINTERFACE
TRABAJOESPECIALDEGRADOPRESENTADOANTELAILUSTREUNIVERSIDADDE
CARABOBOPARAOPTARALTÍTULODEINGENIERODETELECOMUNICACIONES
LUISSÁNCHEZ
FRANCISCOGONZÁLEZ
Bárbula,13dediciembredel2016
UNIVERSIDADDECARABOBO
FACULTADDEINGENIERÍA
ESCUELADEINGENIERÍADE
TELECOMUNICACIONES
DEPARTAMENTODESEÑALESYSISTEMAS
CERTIFICADODEAPROBACIÓN
Los abajo firmantes miembros del jurado asignado para evaluar el trabajo es-
pecialdegrado titulado«DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA COMPU-
TACIONAL DE E-LEARNING PARA EL APRENDIZAJE DE LA INTERFAZ
AIRE DE LA ARQUITECTURA DE RED 4G LTE MEDIANTE LA PLATA-
FORMA OPEN AIR INTERFACE»,realizadoporlosbachilleres LUIS SÁNCHEZ,
céduladeidentidad21.239.701,FRANCISCOGONZÁLEZ,céduladeidentidad22.213.759,
hemosdecididootorgarlamáximacalificaciónylamenciónhonoríficaalpresente
trabajo,conbasealossiguientesmotivos:
1. Losautoresdemostraronunampliodominiodeloscontenidosdesarrolladosenlainvestiga-
ción.
2. Elproductodesarrolladoofreceversatilidad,desdeunaplataformadeaprendizajeautodidacta
hastaunaherramientaparainiciarinvestigacionesfuturaseneláreadeLTE.
3. Laextraordinariacalidadqueseevidenciaenelproductoacadémicoresultantedeestetrabajo
degrado.
Firma
Prof. CARLOS MEJÍAS
TUTOR
Firma Firma
Prof. AHMAD OSMAN Prof. GRECIA ROMERO
JURADO JURADO
Bárbula,13dediciembredel2016
Dedicatoria
Amispadres,LuisyMaría.
AmishermanasNailimar,NailibethyNaileth.
Aminovia,Marisol.
Amicuñado,Rodolfo.
Amissuegros,OneidayElevid.
LUISSÁNCHEZ
Amispadres,AlirioyEleiza.
Amishermanos,LuisyVictor.
Aminovia,Jenesky.
Amissuegros,JesusySilvia.
FRANCISCOGONZÁLEZ
Agradecimientos
Primeramente a Dios, por su permanente amor, porque nos llenó de salud, sa-
biduríaybendicionesduranteeldesarrollodeesteproyecto.TodolopuedoenCristo
quemefortalece.Filipenses4:13.
A Luis Sánchez, María García, Alirio Gonzalez y Eleiza Hidalgo, nuestros pa-
dres, que con todo su amor, consejos y apoyo incondicional nos han llenado de
fuerzas para luchar y seguir. Agradecidos por hacernos las personas que hoy so-
mos,nuevamentegraciasporquesinellosestonofueraposible.
A nuestros hermanos Nailibeth, Nailimar, Naileth, Luis y Victor, que nos apo-
yarondurantetodalacarrerayenespecialenesteproyecto.
A Marisol Martínez y Jenesky Mendoza, por su amor, confianza, compresión
brindada durante todo el proyecto, por llenarnos de esperanza, alegría e inconfi-
cional apoyo, aún en los momentos más tensos del proyecto, hicieron este camino
másespecialyameno.
AlprofesorCarlosMejías,porguiarnosdurantetodoelTrabajoEspecialdeGra-
do.
A la Escuela de Telecomunicaciones por facilitarnos sus instalaciones para el
desarrollo del trabajo y a su personal: preparadores, beca servicios y secretarias,
pormostrarsiempredisposiciónaayudarnos.
A la organización EURECOM y en especial a los desarrolladores del softwa-
re OpenAirInterface: Raymond Knopp, Rohit Gupta, Florian Kaltenberger, Cedric
Roux,KoteswararaoKondepuyMartinO’Shield,porproporcionarnosdocumen-
taciónconcernientealaherramientayrespondernuestrasinquietudes.
A nuestro amigos, Jose Malpica, Enrique Alvarado, Antony Tavera, Esteffani
ParadayJuanBaldanporbrindarnossuapoyoeneldesarrollodelproyecto.
Atodaslaspersonasquesemantuvieronenoraciónyestuvieronsiempreaten-
tosalaculminacióndeestameta.
Índice general
ÍndicedeFiguras IX
ÍndicedeTablas XI
Acrónimos XIII
Resumen XV
I. Introducción 1
1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1. ObjetivoGeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2. ObjetivosEspecíficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
II. MarcoConceptual 7
2.1. ArquitecturadeRedLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1. UserEquipment(UE): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2. eNode-B(eNB):. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3. EvolvedPacketCore(EPC): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4. HomeSuscriberServer(HSS):. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.5. MobilityManagementEntity(MME): . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.6. S-Gateway(S-GW): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.7. P-Gateway(P-GW): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.8. InterfazAire(LTE-Uu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.9. InterfazS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.10. PiladeProtocolosLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.11. Canalesfísicos,lógicosydetransporte . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.11.1. CanalesLógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
CanalesLógicosdeControl . . . . . . . . . . . . . . . . 14
CanalesLógicosdeTráfico . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.11.2. CanalesdeTransporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
CanalesdeTransportedeBajada . . . . . . . . . . . . . 16
VII
VIII Índicegeneral
CanalesdeTransportedeSubida . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.11.3. CanalesFísicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
CanalesFísicosdeBajada . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
CanalesFísicosdeSubida . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2. TecnologíasdenivelFísicodeLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1. OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex) . . . . . . . . 17
2.2.2. PrefijoCíclico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3. SC-FDMA:SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess 20
2.3. CapaFísicadeLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1. Estructuradelatrama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1.1. Estructuradetramatipo1 . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1.2. Estructuradetramatipo2 . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2. Bloquederecursosfísicos(PhysicalResourceBlock) . . . . . . . 22
2.3.3. ElementodeRecurso(RE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4. Modelodelcanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5. Modosdetransmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6. SistemadeinformacióndelainterfazairedeLTE. . . . . . . . . . . . 26
2.6.1. MasterInformationBlock(MIB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.2. SystemInformationBlocktypeI(SIB1) . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.3. SystemInformationBlocktypeII(SIB2) . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7. NidCell(PhysicalCellID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8. Informacióndelacalidaddelcanal(CQI) . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.9. MecanismosderetransmisiónHibridaHARQ . . . . . . . . . . . . . 29
2.10. RelaciónSeñal/Ruido(SNR). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.11. OpenAirInterface(OAI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.12. Wireshark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.13. ITTIAnalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.14. SoftScope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.15. LibreríasdePython . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.15.1. LibPhonon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.15.2. Librandom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.15.3. Libos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
III.Procedimientosdelainvestigación 33
3.1. RevisiónTeórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1. DocumentacióndeLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2. DocumentacióndeOpenAirInterface . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.3. DocumentacióndelLenguajedeProgramación. . . . . . . . . 34
3.2. ReconomientodelasfuncionalidadesdeOAI . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1. ReconocimientodefuncionalidaddeOAISIM . . . . . . . . . 37
3.2.1.1. ExploracióndelcasoOAIeNB<–>OAIUE(Redde
acceso) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Índicegeneral IX
Compilación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Ejecución. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Exploraciónindividualdelosparámetros . . . . . . . . 40
3.2.2. ReconocimientodefuncionalidaddeUNISIM . . . . . . . . . 40
3.2.2.1. Compilación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2.2. Ejecución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2.3. Exploraciónindividualdelosparámetros . . . . . . 42
3.2.3. Consideraciones adicionales durante las pruebas de funcio-
nalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3. Definición de los casos funcionales con sus respectivos parámetros
decontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1. UNISIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1.1. PBCHSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1.2. DLSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1.3. MBMSSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1.4. ULSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.1.5. PUCCHSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1.6. PRACHSIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.2. OAISIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2.1. OAIeNB<–>OAIUE(ReddeAcceso) . . . . . . . . 49
3.4. Desarrollodemódulodeaprendizajeparalainterfaz . . . . . . . . . 49
3.4.1. MóduloeducativobasadoenUNISIM . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2. MóduloeducativobasadoenOAISIM . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5. Desarrollodemódulodesimulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6. Desarrollodeautoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7. DiseñodelaInterfaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
IV.Análisis,interpretaciónypresentacióndelosresultados 57
4.1. Seleccióndellenguajedeprogramación . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2. Modosdeutilizacióndelaherramienta: . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3. Módulosdeseleccióndecasoaestudiar: . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.1. CanalesfísicosdelainterfazdeaireLTE . . . . . . . . . . . . 60
4.3.1.1. Documentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
ArquitecturaLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Tecnologíaanivelfísico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Introducciónalainterfazdeaire . . . . . . . . . . . . . 63
LTEeneldominiodelafrecuencia . . . . . . . . . . . . 64
LTEeneldominiodeltiempo . . . . . . . . . . . . . . . 65
Modelosdelcanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Modosdetransmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
CanalesPCFICHyPHICH . . . . . . . . . . . . . . . . 67
CanalPDCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
X Índicegeneral
CanalPBCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
CanalPDSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
CanalPMCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
CanalPUSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
CanalPUCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
CanalPRACH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1.2. EjemplosPredefinidos . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Presentacióndelosejemplos . . . . . . . . . . . . . . . 75
Presentaciónyanálisisdelosresultados . . . . . . . . . 78
4.3.1.3. EjemplosAleatorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.1.4. Herramientasdeapoyo . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
ThroughputCalculator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
LTEResourceGrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
HerramientadeEvaluación . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.2. RedsinInterfazS1(ReddeAcceso) . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.2.1. EjemploPrincipal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Documentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Sincronizacióninicial . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
AccesoAleatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
ConexiónRRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
ConfiguracióndeleNB . . . . . . . . . . . . . . . . 90
PresentaciónyAnálisisdeResultados . . . . . . . 90
4.3.2.2. EjemplosPredefinidos . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.2.3. EjemplosAleatorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3.2.4. Herramientasdeapoyo . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Wireshark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
ITTIAnalyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
HerramientadeEvaluación . . . . . . . . . . . . . . . . 98
V. Conclusionesyrecomendaciones 101
5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
ReferenciasBibliográficas 105
Índice de figuras
2.1. ArquitecturadeRedLTE[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. Protocolosdelplanodeusuario[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3. Protocolosdelplanodecontrol[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4. CanalesdelaInterfazAiredeLTE[19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5. Ejemplodelespectrocorrespondientea6subportadorasOFDM[1] . 19
2.6. Insercióndelprefijocíclico[1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7. Estructuradetramatipo1[1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.8. Estructuradetramatipo2[1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.9. ConceptodeRadioBloque(PhysicalResourceBlock)[12] . . . . . . . . 23
2.10. Elementosderecursosenunbloquederecurso[14] . . . . . . . . . . 23
2.11. Canaldetransmisiónmultitrayectoria[15] . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1. Mensajedeayudapara«OAIeNB<–>OAIUE(Reddeacceso)»im-
presoporOpenAirInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2. Mensaje de ayuda para el ejecutable «dlsim» impreso por OpenAi-
rInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1. PresentacióndelosModosdeusodelaherramienta . . . . . . . . . . 59
4.2. Módulosdeestudiopresentadosporlaherramienta . . . . . . . . . . 60
4.3. DocumentacióndelosCanalesfísicosenLTE . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4. Contenidodeldocumento«ArquitecturaLTE» . . . . . . . . . . . . . 62
4.5. Contenidodeldocumento«Tecnologíasanivelfísico» . . . . . . . . . 63
4.6. Contenidodeldocumento«Introducciónalainterfazdeaire» . . . . 64
4.7. Contenidodeldocumento«LTEeneldominiodelafrecuencia» . . . 65
4.8. Contenidodeldocumento«LTEeneldominiodeltiempo» . . . . . . 65
4.9. Contenidodeldocumento«Modelosdelcanal» . . . . . . . . . . . . . 66
4.10. Contenidodeldocumento«Modosdetransmisión» . . . . . . . . . . 67
4.11. Contenidodeldocumento«CanalesPCFICHyPHICH» . . . . . . . . 68
4.12. Presentacióndeladocumentacióndeloscanalesfísicos . . . . . . . . 69
4.13. ContenidoreferentealestudiodelcanalPBCH . . . . . . . . . . . . . 70
4.14. ContenidoreferentealestudiodelcanalPDSCH . . . . . . . . . . . . 71
4.15. ContenidoreferentealestudiodelcanalPMCH. . . . . . . . . . . . . 72
4.16. ContenidoreferentealestudiodelcanalPUSCH . . . . . . . . . . . . 73
XI