В работах [1–4] рассмотрены решения для проведения радиоизмерений, их возможности и функционал. На основе этих исследований было разработано два программных обеспечения: первое — для проведения радиоизмерений и записи в лог-файл первичных параметров сетей сотовой связи, второе — для пост-анализа полученных данных [5–6]. Программные продукты дорабатывались, в них добавлялись новые функции, однако при апробации были выявлены недостатки и ограничения.

В работе [7] были проанализированы различные абонентские терминалы, на которых проводилось тестирование программного обеспечения. В ходе исследования было выявлено, что большинство терминалов не предоставляет доступ ко всей информации о сети, что может повлиять на результаты измерений. В качестве вывода была предложена разработка собственного измерительного макета на основе модемов SIMCom Wireless Solutions модели SIM7600E-H. Эти модемы поддерживают все необходимые диапазоны частот: LTE-FDD, LTE-TDD, HSPA+, UMTS, EDGE, GPRS и GSM, аналогично абонентским терминалам.

Разработанный макет будет сравниваться с телефоном Samsung S23 Ultra, поскольку, как показано в работе [7], данный телефон предоставляет доступ к большинству параметров радиоканала, за исключением некоторых. Кроме того, выбранный абонентский терминал оснащён чипсетом Qualcomm Snapdragon 8 Gen 2. Модем SIM7600E-H построен на базе процессора ARM Cortex-A7 1.3GHz, также от Qualcomm. Данные условия позволяют обоснованно сравнивать два устройства.

Для сравнения макета на базе модемов и абонентского терминала необходимо реализовать минимальный функционал, существующий в текущем программном обеспечении: вывод уровней сигналов, информацию об обслуживающей базовой станции, получение координат, запись лог-файлов и переключение предпочтительного типа сети. Часть этого функционала реализована с помощью АТ-команд, предоставленных в документации [8]. Разработанный функционал представлен в таблице 1, где приведена сравнительная характеристика получаемых параметров.

Таблица 1

Сравнительная характеристика макета и абонентского терминала

В разработанном макете отсутствуют команды для определения используемого оператора, дуплекса, eNB и частот. Эти параметры можно вычислить путём перерасчёта из других получаемых данных. В статье [9] они были классифицированы как псевдопрямые параметры, которые определяются на основе первичных. Параметры RNC и BSIC невозможно получить с помощью АТ-команд.

Для сравнения полученных параметров был выбран маршрут в городе Мурино, представленный на рисунке 1, общей длиной 456 метров. Измерения проводились в сети LTE в течение нескольких дней для получения усредненных значений.

Рисунок 7. Исследуемый маршрут

Оба устройства используют GPS, так как в лог-файле к каждой точке фиксируются значения сетей сотовой связи. Точки фиксируются каждые 5 метров. Для первого сравнения двух устройств было решено оценить погрешность получения GPS-координат. Относительно прямого маршрута было рассчитано отклонение. Среднеквадратическая погрешность для координат, полученных с абонентского терминала, составила 6,56 м, а для разрабатываемого макета — 6,33 м. На рисунке 2 представлен график, отображающий отклонения от маршрута.

Рисунок 8. Отклонение координат от маршрута

Из сравнения графиков отклонений двух маршрутов можно сделать несколько выводов:

• АТ (синяя линия) показывает стабильные отклонения от маршрута с некоторыми небольшими вариациями, в среднем удерживаясь около 5 метров и достигая максимума около 15 метров. Это указывает на высокую точность измерений для данного маршрута, с незначительными колебаниями в пределах допустимых погрешностей;
• Макет (красная линия) также показывает аналогичные результаты, с отклонениями, близкими к значению в 5 метров, и с максимумом, чуть ниже 14 метров. Данные макета соответствуют маршруту с той же степенью точности, как и данные АТ, что указывает на хорошее соответствие маршруту и стабильность измерений.

Оба набора данных демонстрируют стабильное отклонение от маршрута в пределах 5-15 метров, что подтверждает высокую точность и надежность координат. Небольшие колебания на протяжении маршрута незначительны и не приводят к существенному изменению в общем качестве данных. Для потребительских GPS-устройств, таких как навигаторы в телефонах и автомобилях, стандартная погрешность составляет около 5-10 метров при идеальных условиях, без каких-либо внешних корректировок. Это связано с ограниченной точностью самих спутниковых сигналов и влиянием окружающей среды, таких как объекты городской инфраструктуры, подстилающая поверхность или метеорологические условия. В большинстве бытовых приложений такая погрешность считается приемлемой, поскольку она лишь незначительно влияет на задачи навигации и общего мониторинга [10].

Полученные данные о погрешностях GPS показывают, что точность варьируется в зависимости от условий. Однако для комплексной оценки покрытия сети важно учитывать параметры качества сигнала: RSRP, SNR, RSSI, и RSRQ, которые позволяют анализировать, насколько стабильной является связь в различных условиях и насколько высокое качество передаваемого сигнала. На рисунках 3, 4, 5 и 6 представлены результаты измерений параметров качества сигнала соответственно на абонентском терминале и разрабатываемом макете.

Рисунок 9. Сравнение значений RSRP

RSRP:

• Для первого маршрута (синий график): -82.62 dBm.
• Для второго маршрута (красный график): -81.79 dBm.

Рисунок 10. Сравнение значений SNR

SNR:

• Первый маршрут: -2.17 dB.
• Второй маршрут: 7.81 dB.

Рисунок 11. Сравнение значений RSSI

RSSI:

• Первый маршрут: -51.40 dBm.
• Второй маршрут: -44.82 dBm.

Рисунок 12. Сравнение значений RSRQ

RSRQ:

• Для первого маршрута: -14.62 dB.
• Для второго маршрута: -16.83 dB.

В условиях отсутствия эталонного устройства для калибровки и верификации данных, анализ допустимой погрешности измерений играет ключевую роль. Данное исследование нацелено на оценку параметров уровня сигнала и качества связи двух устройств, которые рассматриваются как контрольные в процессе измерения. Основными показателями служат RSSI, RSRP, RSRQ и SNR, описывающие уровень сигнала, его устойчивость и частоту.

Относительно каждого из параметров можно предложить следующие допустимые значения погрешности, исходя из аналитических данных и результатов исследования. Погрешность измерений связи зачастую не имеет строгих нормативов, так как качество измерений подвержено влиянию факторов внешней среды и технических характеристик устройства. Опираясь на общепринятые нормативы и учитывая практическое применение, в данном исследовании были приняты следующие допуски:

• Для уровня сигнала — до 10%: значение погрешности для RSSI и RSRP остается в рамках допустимого (рис. 3, рис. 4), что подтверждается близостью средних значений и сравнительно низкими дельтами (до 6.6 дБм для RSSI, до 1 дБм для RSRP).
• Для качества сигнала — до 20%: параметры RSRQ и SNR более чувствительны к внешним шумам и интерференциям, что может увеличивать расхождение. Результаты анализа показали относительную погрешность для RSRQ в пределах 14% (рис. 5), что также находится в допустимых пределах. Однако для SNR отмечено значительное отклонение в 468% (рис. 6), что связано с низким средним значением на устройстве «АТ» и подверженностью шумам.

Средние значения RSSI и RSRP для обоих устройств остаются стабильными и показывают отклонения в пределах допустимой погрешности. Данные подтверждают, что оба устройства надежно фиксируют уровень сигнала, позволяя судить о его устойчивости. Высокая относительная погрешность для SNR связана с техническими характеристиками устройства «АТ», что приводит к значительным колебаниям при низких значениях параметра. Это указывает на чувствительность к шумам, и данные по SNR следует учитывать осторожно при отсутствии эталонного устройства.

Анализ данных обоих устройств показал схожие результаты для параметров RSSI и RSRP, подтверждая стабильность уровня сигнала и его допустимую погрешность в рамках 10%. Для RSRQ допустимо отклонение до 20% из-за его чувствительности к внешним факторам, что также подтверждено результатами исследования. Показатель SNR требует особого внимания: высокая погрешность объясняется низкими значениями и большим количеством шумов, что делает его менее надежным без дополнительной калибровки и верификации.

Научная статья подготовлена в рамках прикладных научных исследований СПбГУТ, регистрационный номер 1023031600087-9-2.2.4;2.2.5;2.2.6;1.2.1;2.2.3 в ЕГИСУ НИОКТР.