Flexible LTE user equipment

Abstract

As redes móveis estão em constante evolução. A geração atual (4G) de redes celulares de banda larga e representada pelo standard Long Term Evolution (LTE), definido pela 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Existe uma elevada procura/uso da rede LTE, com um aumento exponencial do número de dispositivos móveis a requerer uma ligação à Internet de alto débito. Isto pode conduzir à sobrelotação do espetro, levando a que o sinal tenha que ser reforçado e a cobertura melhorada em locais específicos, tal como em grandes conferências, festivais e eventos desportivos. Por outro lado, seria uma vantagem importante se os utilizadores pudessem continuar a usar os seus equipamentos e terminais em situações onde o acesso a redes 4G é inexistente, tais como a bordo de um navio, eventos esporádicos em localizações remotas ou em cenários de catástrofe, em que as infraestruturas que permitem as telecomunicações foram danificadas e a cobertura temporária de rede pode ser decisiva em processos de salvamento. Assim sendo, existe uma motivação clara por trás do desenvolvimento de uma infraestrutura celular totalmente reconfigurável e que preencha as características mencionadas anteriormente. Uma possível abordagem consiste numa plataforma de rádio definido por software (SDR), de código aberto, que implementa o standard LTE e corre em processadores de uso geral (GPPs), tornando possível construir uma rede completa investindo somente em hardware - computadores e front-ends de radiofrequência (RF). Após comparação e análise de várias plataformas LTE de código aberto foi selecionado o OpenAirInterface (OAI) da EURECOM, que disponibiliza uma implementação compatível com a Release 8.6 da 3GPP (com parte das funcionalidades da Release 10). O principal objectivo desta dissertação é a implementação de um User Equipment (UE) flexível, usando plataformas SDR de código aberto que corram num computador de placa única (SBC) compacto e de baixa potência, integrado com um front-end de RF - Universal Software Radio Peripheral (USRP). A transmissão de dados em tempo real usando os modos de duplexagem Time Division Duplex (TDD) e Frequency Division Duplex (FDD) é suportada e a reconfiguração de certos parâmetros é permitida, nomeadamente a frequência portadora, a largura de banda e o número de Resource Blocks (RBs) usados. Além disso, é possível partilhar os dados móveis LTE com utilizadores que estejam próximos, semelhante ao que acontece com um hotspot de Wi-Fi. O processo de implementação é descrito, incluindo todos os passos necessários para o seu desenvolvimento, englobando o port do UE de um computador para um SBC. Finalmente, a performance da rede é analisada, discutindo os valores de débitos obtidos.

Mobile networks are constantly evolving. 4G is the current generation of broadband cellular network technology and is represented by the Long Term Evolution (LTE) standard, de ned by 3rd Generation Partnership Project (3GPP). There's a high demand for LTE at the moment, with the number of mobile devices requiring an high-speed Internet connection increasing exponentially. This may overcrowd the spectrum on the existing deployments and the signal needs to be reinforced and coverage improved in speci c sites, such as large conferences, festivals and sport events. On the other hand, it would be an important advantage if users could continue to use their equipment and terminals in situations where cellular networks aren't usually available, such as on board of a cruise ship, sporadic events in remote locations, or in catastrophe scenarios in which the telecommunication infrastructure was damaged and the rapid deployment of a temporary network can save lives. In all of these situations, the availability of exible and easily deployable cellular base stations and user terminals operating on standard or custom bands would be very desirable. Thus, there is a clear motivation for the development of a fully recon gurable cellular infrastructure solution that ful lls these requirements. A possible approach is an open-source, low-cost and low maintenance Software-De ned Radio (SDR) software platform that implements the LTE standard and runs on General Purpose Processors (GPPs), making it possible to build an entire network while only spending money on the hardware itself - computers and Radio-Frequency (RF) front-ends. After comparison and analysis of several open-source LTE SDR platforms, the EURECOM's OpenAirInterface (OAI) was chosen, providing a 3GPP standard-compliant implementation of Release 8.6 (with a subset of Release 10 functionalities). The main goal of this dissertation is the implementation of a exible opensource LTE User Equipment (UE) software radio platform on a compact and low-power Single Board Computer (SBC) device, integrated with an RF hardware front-end - Universal Software Radio Peripheral (USRP). It supports real-time Time Division Duplex (TDD) and Frequency Division Duplex (FDD) LTE modes and the recon guration of several parameters, namely the carrier frequency, bandwidth and the number of LTE Resource Blocks (RB) used. It can also share its LTE mobile data with nearby users, similarly to a Wi-Fi hotspot. The implementation is described through its several developing steps, including the porting of the UE from a regular computer to a SBC. The performance of the network is then analysed based on measured results of throughput.