Deployment of a private LTE network in a laboratory environment and integration of basic sensors

Abstract

Este trabajo expone el diseño, la implementación y la validación experimental de una red privada LTE desplegada en el Laboratorio del DIE de la Universidad del Norte, concebida como una infraestructura local y controlada para la integración de servicios de sensorización, monitoreo, comunicación IP y transmisión de video comprimido. La arquitectura física y lógica se estructuró mediante una estación base Airspan AirSpeed 1000 operativa en la banda 48 (con un ancho de banda de 20 MHz y operación TDD), un núcleo Evolved Packet Core (EPC) de código abierto gestionado a través de Open5GS, equipos CPE como terminales de acceso y un servidor privado destinado a la analítica local. La validación técnica evaluó el rendimiento extremo a extremo, priorizando el enlace ascendente (uplink) como la métrica crítica del sistema debido al flujo de datos dominante que genera la cámara de videovigilancia conectada detrás del CPE. Para determinar la viabilidad operativa, se formuló un presupuesto funcional de tasa ascendente de 7.2 Mbps que consolida la demanda agregada de todos los servicios concurrentes. Los resultados experimentales demostraron un comportamiento estable del sistema en el borde, registrando un throughput ascendente promedio de 8.22 Mbps (con una dispersión mínima de 0.024 Mbps), un throughput descendente de 36.66 Mbps y un tiempo de ida y vuelta (RTT) promedio de 32.70 ms, sin pérdida de paquetes ICMP. Mediante una prueba de hipótesis t de Student, se confirmó con un 95% de confianza que la capacidad real de la red supera el umbral crítico de diseño. Se concluye que la red implementada cumple con los criterios funcionales exigidos en el laboratorio y se consolida como una plataforma académica para la investigación aplicada en redes móviles privadas.

This work presents the design, implementation, and experimental validation of a private LTE network deployed at the DIE Laboratory of Universidad del Norte, conceived as a local and controlled infrastructure for the integration of sensing, monitoring, IP communication, and compressed video transmission. The physical and logical architecture was structured using an Airspan AirSpeed 1000 base station operating in band 48 (with a 20 MHz bandwidth and TDD operation), an open-source Evolved Packet Core (EPC) managed through Open5GS, CPE equipment as access terminals, and a private server destined for local analytics. The technical validation evaluated the end-to-end performance, prioritizing the uplink as the critical system metric due to the dominant data flow generated by the video surveillance camera connected behind the CPE. To determine operational viability, a functional uplink rate budget of 7.2 Mbps was formulated, consolidating the aggregate demand of all concurrent services. Experimental results demonstrated a stable behavior of the system at the edge, registering an average uplink throughput of 8.22 Mbps (with a minimum dispersion of 0.024 Mbps), a downlink throughput of 36.66 Mbps, and an average round-trip time (RTT) of 32.70 ms, with no ICMP packet loss. Through a Student's t-test hypothesis, it was confirmed with 95% confidence that the actual network capacity exceeds the critical design threshold. It is concluded that the implemented network complies with the functional criteria required in the laboratory and consolidates itself as an academic platform for applied research in private mobile networks.