e-ISSN: 1390-5902

CEDAMAZ, Vol. 13, No. 1, pp. 71–77, Enero–Junio 2023

DOI: 10.54753/cedamaz.v13i1.1839

Implementación de un prototipo de estación base para una red 4G-LTE

utilizando SDR

Implementation of a prototype base station for a 4G-LTE network using SDR

Juan Ochoa-Aldeán1,* y Sergio García-Minchala1

1Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador

*Autor para correspondencia: jochoa@unl.edu.ec

Fecha de recepción del manuscrito: 05/04/2023 Fecha de aceptación del manuscrito: 17/05/2023 Fecha de publicación: 30/06/2023

Resumen—En el presente trabajo implementamos un prototipo de estación base para una red 4G-LTE, como herramienta experimental

para el estudio y análisis de las redes móviles para la Carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones de la Universidad Nacional de Loja.

Se ha detectado que a los estudiantes de nuestra carrera le falta experiencia práctica con tecnologías inalámbricas de última generación,

por lo que mediante este prototipo los estudiantes podrán comprender de mejor manera el funcionamiento de las redes 4G-LTE, ya que

el mismo permite observar el funcionamiento, la comunicación, los servicios y los diferentes tipos de datos que se intercambian entre las

diferentes entidades de la red. Para su ejecución, se realizó el análisis sobre los diferentes softwares de implementación de código abierto de

LTE, como para el resto de las tecnologías/dispositivos que son complementarias en el despliegue de la red LTE. El proyecto, por lo tanto,

se desarrolló mediante la plataforma de software OpenAirInterface (OAI) y el hardware BladeRF Micro 2.0 xA9, que son los elementos

principales que permiten emular el funcionamiento de una red 4G LTE comercial y se lo implementó en el Centro de Investigación,

Innovación, Desarrollo de Prototipos Tecnológicos y Pruebas Electroenergéticas I2TEC de la Facultad de Energía de nuestra Universidad.

Finalmente, para determinar el desempeño de la red, realizamos diferentes pruebas en el laboratorio de telecomunicaciones mediante la

utilización de herramientas y/o servicios que se pueden implementar en la red. Con esto, entregamos un prototipo adecuado para una mejor

compresión de esta tecnología y un mayor conocimiento practico acerca del funcionamiento de la misma.

Palabras clave—OAI (OpenAirInterface), SDR (Software Deﬁned Ratio), 4G, LTE (Long Term Evolution), eNB (Evolved Node B),

BladeRF.

Abstract—In this project, we implemented a prototype of a base station for a 4G-LTE network as an experimental tool for the study and

analysis of mobile networks for the Telecommunications Engineering program at the National University of Loja. It has been identiﬁed

that students in our program lack practical experience with the latest wireless technologies, so this prototype will enable students to better

understand the operation of 4G-LTE networks, as it allows observation of the operation, communication, services, and different types of data

exchanged between the different entities of the network. To execute this project, we analyzed different open-source LTE implementation

software, as well as other complementary technologies/devices needed for the deployment of the LTE network. The project was developed

using the OpenAirInterface (OAI) software platform and the BladeRF Micro 2.0 xA9 hardware, which are the main elements that allow

the emulation of the operation of a commercial 4G LTE network. The implementation was done at the I2TEC of our university. Finally, to

determine the performance of the network, we carried out various tests in the telecommunications laboratory using tools and/or services

that can be implemented in the network. With this, we delivered a suitable prototype for a better understanding of this technology and

greater practical knowledge about its operation.

Keywords—OAI (OpenAirInterface), SDR (Software Deﬁned Ratio), 4G, LTE (Long Term Evolution), eNB (Evolved Node B), BladeRF.

INTRODUCCIÓN

Las comunicaciones móviles en los últimos años, han su-

frido un creciente reconocimiento en el ámbito de la

sociedad, y su evolución a lo largo del tiempo ha alcanzado

a lo que actualmente se conoce como red 4G LTE. La red 4G

LTE es considerada como uno de los principales medios para

que la economía de un país sea más rápida y eﬁciente, y es la

que siempre nos acompañan en nuestras labores diarias. Esta

tecnología 4G LTE, mejorar la velocidad de transferencia de

datos y la experiencia del usuario al movilizarse utilizando el

protocolo de internet (IP).

Entonces su estudio comprende un pilar fundamental para

los estudiantes de la carrera de Telecomunicaciones, debido

a que el mismo contribuye en su formación como profesiona-

les caliﬁcados para el diseño, optimización e implementación

de redes telefónicas, redes de datos, sistemas de comunica-

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0. 71

IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE ESTACIÓN BASE PARA UNA RED 4G-LTE OCHOA-ALDEÁN

ciones móviles.

Es por ello que se desarrolló este prototipo como he-

rramienta tecnología para un mejor análisis y para el me-

joramiento de las experiencias prácticas de los estudiantes

con respecto a tecnologías de comunicación e información.

Nuestro prototipo ha sido implementado en un PC, en donde

con la ayuda de elementos como el hardware SDR y el soft-

ware OpenAirInterface se logró implementar la red de ma-

nera completa. La evaluación del prototipo se realizó medi-

ciones de potencia de señal en función a la distancia a través

de una aplicación celular que permite leer en tiempo real el

valor de Potencia en el equipo de usuario (UE).

Estado del Arte

LTE

La tecnología LTE (Long Term Evolution), es un están-

dar que permiten la transmisión de datos de alta velocidad en

forma inalámbrica entre dispositivos móviles. Este estándar

se empezó a deﬁnir en el año 2005 y fue creado por el 3rd

Generation Partnership Project (3GPP). Los documentos del

3GPP se estructuran en Releases, cada una de ellas caracteri-

zada por la incorporación de un conjunto de funcionalidades

destacadas en relación a la versión anterior (Comes et al.,

2010).

La versión 8, conocido como Release 8, fue la primera

versión que deﬁnió la red LTE. Esta versión surgió en el año

2008, como una evolución de la tecnología UMTS. La ver-

sión permite (3GPP, 2023):

Velocidad de enlace descendente de hasta 100 Mbit/s y

para enlace ascendente de hasta 50 Mbit/s.

Esquema de acceso radio para enlace descendente:

OFDMA (Acceso múltiple de dominio de frecuencia or-

togonal).

Tecnología de acceso radio para enlace ascendente: SC-

FDMA (enlace ascendente de Acceso múltiple de domi-

nio de frecuencia de portadora única).

Arquitectura LTE

La arquitectura de una red LTE se llama EPS (Envolved

Packet System), que se caracteriza por poseer una arquitec-

tura de red central, que agrega redes de acceso que incluyen

LTE, 3G o 2G (Comes et al., 2010).

Esta arquitectura está formada por dos subredes: la EU-

TRAN (Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network)

y la EPC (Evolved Packet Core) como se observa en la Figura

a) Red de acceso EUTRAN: Es la capa de radio acceso

que permite conectar los usuarios con la red central llamada

EPC (Evolved Packet Core) (Kibhat, 2012).

b) Núcleo de red EPC: es responsable de la gestión de

tráﬁco de red necesarias para proporcionar una red completa

de banda ancha móvil. Esto incluye, por ejemplo, la auten-

ticación, la funcionalidad de cobro y la conﬁguración de las

conexiones de extremo a extremo (Dahlman et al., 2013).

Fig. 1: Diagrama simpliﬁcado de la red LTE

SDR

Los dispositivos SDR, son equipos programables, reconﬁ-

gurables, eﬁcientes y rentables respectos a los dispositivos de

radio de generaciones anteriores. El mismo hardware permite

crear diferentes modos de radio o funcionalidades, utilizan-

do para este ﬁn los componentes electrónicos disponibles en

el mercado, combinados convenientemente para suplir las li-

mitaciones de los procesadores actuales (Fundora y Torres,

2013).

Uno de los hardware SDR más importantes para el desa-

rrollo de redes móviles son los BladeRF.

BladeRF es una plataforma de radio deﬁnida por software

(SDR) diseñada por Nuand, que permite que una comunidad

de aﬁcionados y profesionales exploren y experimenten con

las facetas de las comunicaciones de RF. Actualmente posee

dos generaciones:

BladeRF: permite sintonizar frecuencias desde los 300

MHz hasta los 3,8 GHz. Se conecta a un host (compu-

tador) a traves de una conexión USB 3.0. Permite que el

microcontrolador USB 3.0 y el FPGA se reprogramen a

través de JTAG o directamente a través de USB (Nuand,

2022b).

BladeRF 2.0: son dispositivos de segunda generación,

que tiene un rango de frecuencia de 47 MHz a 6H GHz.

Estan diseñados para aplicaciones móviles y de alto ren-

dimiento. Es compatible con GNURadio, GQRX, SDR-

Radio, SDR#, gr-fosphor, SoapySDR en Windows, Li-

nux y macOS (Nuand, 2022a). Para este proyecto se ha

utilizado un SDR de esta versión.

Softwares para LTE

Respecto a los softwares disponibles, su elección se basa

en la implementación que se realice. Algunos de los más im-

portantes, que permiten el desarrollo de redes móviles son:

1. OpenLTE: es una implementación de código abierto de

las especiﬁcaciones 3GPP LTE. Su octava versión de

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código (desarrollado en lenguaje C++ y C), permite pro-

bar y simular la funcionalidad de transmisión y recep-

ción de enlace descendente y la funcionalidad de trans-

misión y recepción PRACH de enlace ascendente (B.,

2021).

2. SrsLTE (SrsRAN): srsLTE, es una implementación de

código abierto (en lenguaje C++ y C) desarrollada por

Software Radio System (SRS), que permite implemen-

tar redes 4G/5G LTE (Systems, 2023). Su paquete in-

cluye:

SrsUE.

SrseNB.

SrsEPC.

3. OpenAirInterface: es una plataforma que permite im-

plementar un sistema LTE basada en software de código

abierto, que incluye el conjunto completo de protocolos

estándar 3GPP para E-UTRAN y EPC. Esta desarrolla-

do en lenguaje C. Se puede usar para crear y personali-

zar estaciones base LTE (OAI eNB), equipos de usuario

(OAI UE) y red central (OAI EPC) en una computadora

(OpenAirInterface, 2023).

Su capa física posee las siguientes características.

Cumple con la versión 8.6 de LTE, con un subcon-

junto de la versión 10;

Conﬁguraciones FDD y TDD en ancho de banda

de 5, 10 y 20 MHz;

Modo de transmisión: 1 (SISO) y 2, 4, 5 y 6 (MI-

MO 2×2);

La plataforma OAI se puede utilizar en varias conﬁguracio-

nes diferentes que involucran componentes comerciales en

diversos grados (OpenAirInterface, 2023):

Comercial UE ↔Comercial eNB + OAI EPC

Comercial UE ↔OAI eNB + Comercial EPC

Comercial UE ↔OAI eNB + OAI EPC

OAI UE ↔OAI eNB + OAI EPC

OAI UE ↔OAI eNB + EPC Comercial

OAI UE ↔eNB comercial + EPC comercial

El software es compatible con diferentes dispositivos de

radio frecuencia como (openairinterface5G, 2022):

USRP B210;

USRP X310;

BladeRF;

LimeSDR;

EURECOM EXPRESSMIMO2 RF

MATERIALES Y MÉTODOS

Para el desarrollo de este proyecto, primeramente, utili-

zamos el método analítico el cual nos permitió redactar y

delimitar el planteamiento del problema, realizar el marco

teórico y evaluar los datos recopilados. La mayoría de los

estudios están enfocados en el uso de libros, artículos cien-

tíﬁcos y documentos (Releases) emitidos por organizaciones

como 3GPP.

Luego a través del software elegido (enfoque cualitativo)

creamos la red. Para este caso fue necesario instalar prime-

ramente en el PC el Sistema operativo Linux Ubuntu, luego

instalamos los componentes tanto del EPC como del eNB

(que funciona de la mano del hardware SDR), que permiten

implementar la arquitectura completa de LTE anteriormente

mencionada.

Posterior a ello, realizamos el grabado de información en

las tarjetas USIM con los datos ingresados en el EPC. Luego

conﬁguramos los dispositivos móviles y se insertó las tarjetas

USIM para que puedan ser identiﬁcadas y operen dentro de

la red.

Por último, realizamos pruebas de rendimiento (método

experimental) para veriﬁcar el funcionamiento de la red im-

plementada. La Figura 2, muestra un resumen de todo el pro-

ceso metodológico realizado.

Fig. 2: Diagrama de ﬂujo empleado para la implementación del

prototipo

Software y equipos utilizados

Software

El software utilizado fue OAI, el mismo que es software de

código abierto, por lo que las actualizaciones del mismo no

tienen costo alguno, además ofrece una implementación eNB

completa y un controlador RAN en tiempo real el cual nos

IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE ESTACIÓN BASE PARA UNA RED 4G-LTE OCHOA-ALDEÁN

brinda una mejor ﬂexibilidad en términos de implementación

mediante diferentes tipos de conﬁguraciones.

1. Conﬁguración Utilizada

OAI presenta varias conﬁguraciones, pero la que más se

adaptó para cumplir con los objetivos del proyecto fue:

OAI EPC + OAI eNB + UE (Comercial).

2. Sistema Operativo

Respecto al sistema operativo, para este caso se utili-

zó la versión de Ubuntu 18.04, que al igual que OAI

es software libre y de código abierto, elejimos esta ver-

sión debido a que sus versiones anteriores no eran com-

patibles con la versión del SDR (2.0), y sus versiones

superiores poseen problemas para compilar una de las

entidades (OAI/UE) de la red LTE (Shigeru, 2022).

Equipos

1. Laptop Dell Inspiron 550 Core i7: debido a los requi-

sitos presentados por el software (CPU Intel® Core™

i5-6600K a 3,50 GHz × 4) se decidió usar una PC per-

sonal de 4 núcleos y de onceava generación.

2. Hardware SDR: Para la transmisión y recepción de se-

ñales de radiofrecuencia desde el eNB hacia los dispo-

sitivos móviles se empleó el dispositivo BladeRF Micro

2.0 xA9 del laboratorio de telecomunicaciones.

Fig. 3: BladeRF Micro xA9

3. Los equipos de usuarios (UE): para este caso se utiliza-

ron dos teléfonos móviles de la gama media, tales como:

Samsung A10 y Samsung J1.

4. Lector de tarjeta: se utilizó un lector de tarjetas 4g eco-

nómico (marca: Oyeitime), el cual funciona perfecta-

mente con prácticamente todas las tarjetas inteligentes

de contacto y sistemas operativos de PC (es.made-in

china.com, 2022).

SOLUCIÓN PROPUESTA

Arquitectura Utilizada

El esquema utilizado es el que se puede observar en la

Figura 4 Para su implementación se ha utilizado una sola

máquina, en la cual instalamos el sistema operativos Linux

Ubuntu 18.04 (64 bits).

Como se puede observar en la Figura 4, la arquitectura está

formada por dos subredes: la EUTRAN (Evolved Universal

Terrestrial Radio Access Network) y la EPC (Envolved Pac-

ket Core).

El EPC se encuentra conectada al eNB mediante una in-

terfaz S1, pero para este caso como se está realizando en

una sola maquina no fue necesario el uso de un cable de red

Ethernet.

Restricciones de Diseño

El prototipo desplegado cuenta con las siguientes restric-

ciones:

La red, no permite realizar el handover en la interfaz S1

(openairinterface5G, 2023).

La tarjeta BladeRF admite solo 25 Resource Block

(RB), limitante para aumentar el rendimiento de la red.

OpenAirInterface solo admite hasta 40 Equipos de

usuario (COST UEs) [15].

OpenAirInterface proporciona solo velocidades de 16 -

17 Mbit/s en modo de transmisión FDD DL: 5 MHz, 25

PRBS/MCS 28 (openairinterface5G, 2021).

Proporciona cobertura en entornos o laboratorios de po-

cas interferencias.

RESULTADOS

En este apartado se mencionan las diferentes pruebas que

realizamos para evaluar el rendimiento de la red implementa-

da. Se mostrarán las diferentes aplicaciones o softwares uti-

lizado para el análisis de la red. En este caso las pruebas se

han realizado en el laboratorio de Telecomunicaciones.

Monitorizacion del eNB con T-TRACER

A traves de la herramienta T-tracer se monitoreo todas las

señales/datos que el eNB envía y recibe al estar conectado

con el equipo móvil (UE) (Research, 2023). La Figura 6,

muestra la ventana de T-Tracer con las diferentes informa-

ciones del enlace radio.

Las gráﬁcas de la parte superior indican parámetros como:

la potencia de la señal de entrada, la modulación utilizada

que en este caso fue de 16 QAM y QPSK (dependiendo de

la distancia), la dispersión de retardo del canal, la energía se-

leccionada del UE en conjunto con sus velocidades binarias

de los enlaces uplink como downlink.

Test de Rendimiento

Esta prueba de rendimiento consistió en comprobar los

servicios dotados por la red: el acceso a internet y el servicio

de llamadas VoIP.

1. Visualización de páginas y descarga de archivos

Esta prueba se realizó mediante la visualización de la

página web de la Universidad Nacional de Loja y la des-

carga de algún tipo de archivo como música. La Figura

7, muestra la prueba realizada con éxito.

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Fig. 4: Esquema para la implementación del prototipo Nodo LTE

Fig. 5: Prototipo Nodo LTE implementado

Fig. 6: Ventana de la herramienta T-Tracer de OAI

2. Llamadas VOIP.

Para esta prueba, se realizó llamadas VOIP entre dos

UEs (Samsung A10 y J2) a traves de un servidor SIP

como Asterisk (instalador en la laptop) y la aplicación

ZoiPer instalado en los dos UEs (Figura 8).

Nota: La ﬁgura muestra la llamada realizada por el usuario

3 (ext103) al usuario 1 (ext101) mediante la aplicación de

Zoiper y el Servidor SIP de Asterisk.

Fig. 7: Test de rendimiento (Navegación y descarga de archivo)

Fig. 8: Test de llamada de voz IP, realizado entre el Samsung J7

(ext103) y el Samsung A10 (ext 101)

Asterisk, es un software libre de código libre que permite

implementar un servidor de comunicaciones basados en VoIP

mediante SIP (Session Initiation Protocol). Los usuarios son

considerados como clientes SIP, y estos pueden ser físicos

(teléfonos IP) o clientes basados en software libre para esta-

blecer comunicación entre los extremos. Estos softwares son

conocidos como softphones, algunos de ellos son: Twinkle,

Linphone, Ekiga, Zoiper, X-lite, etc. Siendo Zopier el soft-

ware utilizado en este caso (Cachimba, 2017).

IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE ESTACIÓN BASE PARA UNA RED 4G-LTE OCHOA-ALDEÁN

Test de Potencia: RX

Para realizar estas pruebas se procedió a descargar la apli-

cación de Network Cell Info Lite (NCIL) en el UE conectado

a la red. Esta aplicación consta de herramientas de medición

y diagnóstico de redes móviles y wiﬁ, lo cual permite obser-

var la banda LTE utilizada y la potencia promedio obtenida

(RSRP)(Figura 9).

Fig. 9: Potencias promedio recibida por el UE mediante la

aplicación NCIL

Nota: La ﬁgura muestra las diferentes pruebas de potencia

RSRP que fueron realizados a 1 metro (-75dBm) y a 2 metros

(-88 dBm) de distancia del bladeRF.

Test de velocidad

Esta prueba consistió en medir el tráﬁco máximo en UL

y DL, en modo de trasmisión SISO. Los resultados son los

que se muestran en la ﬁgura 8. Como se podrá observar en

la Figura 10, la red provee una velocidad promedio cercana

a los de 10 Mbps, por lo que el sistema permite navegar por

internet.

Fig. 10: Velocidad promedio de la red, tanto de Uplink como

Downlink

Análisis de la Banda de Frecuencia

Para obtener datos acerca de la banda en la que trabaja, se

utilizó el analizador de espectro de la Universidad Nacional

de Loja, el cual censa las frecuencias desde la banda de los 10

MHz hasta los 6 GHz (Cuéllar Charry, 2019). Como se podrá

Fig. 11: Banda de frecuencia LTE, obtenida mediante el Software

LCS Spectrum Analyzer.

observar en la Figura 11, la red se encuentra implementada

sobre la banda de frecuencia de 2,68 GHz, siendo esta la ban-

da de frecuencia Downlink (requisitos del UE) que utilizar la

red para poder transmitir paquetes de información/control a

los diferentes equipos de usuarios.

Test de Cobertura

s Para obtener datos acerca de la cobertura que la red pue-

de abarcar, se tomó en cuenta la Tabla 1. La tabla muestra

que para que una red LTE sea considerada de buen rendi-

miento, los tres parámetros (RSRP, RSRQ y RSSNR) deben

estar dentro de las dos primeras categorías. Y la aplicación

Network Cell Info, permite medir estos tres parámetros en

cada uno de los UEs.

Tabla 1: Calidad de señal LTE, deﬁnida mediante RSRP, RSRQ y

RSSNR

CALIDAD RSRP (dBm) RSRQ (dB) RSSNR (dB)

Excelente >-80 >-10 >20

Buena -80 a -90 -10 a -15 13 a 20

Pobre -90 a -100 -15 a -20 0 a 13

Muy pobre <-100 <-20 <0

Por lo tanto, las pruebas se realizaron mediante la aplica-

ción de Network cell info instalada en dos dispositivos UE

Comerciales que fueron colocados alrededor del Hardware

SDR. Los resultados, se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2: Cobertura proporcionada por la red LTE

Distancia (m) RSRP (dBm)

0,5 -75

1 -78

2 -85

3 -98

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Tabla 3: Costos referenciales.

Descripción Costo (USD)

1 tarjeta SDR BladeRF 850

1 Laptop 1200

1 lector de SIM 75

1 Smartphone 150

TOTAL 2275

Costos

Para el análisis de costos debemos tener en cuenta dos fac-

tores, el primero es el tipo de hardware que estamos utilizan-

do, el cual es de bajo costo y segundo el software de código

abierto que utilizamos nos garantiza que los softwares nece-

sario ni las actualizaciones del prototipo no tendrán costo al-

guno. A continuación, presentamos la Tabla 3 con los costos

referenciales del prototipo:

CONCLUSIONES

El prototipo de Nodo LTE funciona correctamente permi-

tiendo realizar varias funciones como: es el registro de usua-

rio, la autenticación, conexión con los usuarios y el acceso a

internet.

OpenAirinterface facilita la instalación y conﬁguración de

la red, puesto que tiene diferentes guías de soporte.

La red ofrece un servicio estable suﬁciente para el uso de

aplicaciones cotidianas.

La arquitectura propuesta resulta ser escalable, lo cual per-

mite añadir más elementos (eNBs/UEs) dentro de la misma

red.

El prototipo de Nodo LTE está implementado con hardwa-

re de bajo costo y software de código abierto.

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