politechnika ŚlĄska wydziaŁ inŻynierii … · w systemach umts żądanie przesyłane jest przez...
TRANSCRIPT
POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ I METALURGII
Kierunek: Edukacja Techniczno Informatyczna
Rodzaj studiów: dzienne
praca dyplomowa inżynierska
Michał GAS
PORÓWNANIE TECHNOLOGII PAKIETOWEGO
PRZESYŁANIA DANYCH W SIECIACH TELEFONII
KOMÓRKOWEJ
Comparison of data transfer rate in the packet switching
technologies of mobile telecommunication
Kierujący pracą:
Dr inż. Marcin Blachnik
Katowice, Styczeń, 2010 r.
2
Spis treści
Wstęp
1. Pakietowa transmisja danych w systemie GSM
1.1 GPRS
1.1.1 Architektura systemu GPRS
1.1.2 Schematy kodowania kanałowego
1.1.3 Kategorie stacji ruchomych
1.2 EDGE
1.2.1 Powstanie EDGE
1.2.2 Różnice pomiędzy EDGE a GPRS
1.2.3 Główne ulepszenia w warstwie fizycznej
2. Pakietowa transmisja danych w systemie UMTS
2.1 Koncepcja sytemu UMTS
2.2 HSDPA
2.2.1 Zmiany w UMTS wprowadzone przez HSDPA
2.2.2 Kategorie stacji ruchomych definiowane w HSDPA
2.3 HSUPA
2.3.1 Różnice pomiędzy HSDPA a HSUPA
2.3.2 Kategorie stacji ruchomych definiowane w HSUPA
3. Część praktyczna
3.1 Przebieg pomiarów
3.2 Wyniki pomiarów
3.2.1 Godzina 18.00
3.2.2 Godzina 21.00
3.3 Analiza wyników
Podsumowanie
Literatura
Spis tabel i rysunków
3
Wstęp
Systemy telefonii komórkowej pierwszej generacji zyskały popularność w latach
80-tych XX wieku. Oparte były na technice analogowej, która posiadała wiele wad m.in.
znikomą odporność na zakłócenia, brak roamingu , możliwość podsłuchu rozmów,
a usługa transmisji danych była słabo rozwinięta. Wyżej wymienione wady oraz mała
pojemność tych systemów przyczyniły się do powstania na początku lat 90-tych ubiegłego
stulecia systemów komórkowych drugiej generacji, w których najpopularniejszy był
standard GSM (ang. Global system of mobile communication). Standard ten działający w
technologii cyfrowej pozwalał na rozwój nowych usług opartych o transmisję danych.
Pojawiła się możliwość przekierowania i blokowania połączeń, usługa SMS, a prędkość
transmisji danych i mowy wyniosła 9,6 kb/s. Zmienił się sposób identyfikacji abonenta -
rolę identyfikatorów poszczególnych abonentów spełniają karty SIM. Wraz z biegiem
czasu i rozwojem systemu GSM wprowadzono takie usługi jak transmisja faksowa,
interfejs komputerowy, identyfikacja osoby dzwoniącej czy rozmowy konferencyjne.
Dalsze prace nad rozwojem standardu GSM zaowocowały ogłoszeniem w 1997 roku fazy
2+. Faza ta umożliwia wprowadzenie usług opartych na platformie inteligentnej (wirtualne
sieci prywatne), a także wielozakresowość systemu czyli powstanie sieci dualnych
z nadajnikami pracującymi w dwóch pasmach (900 i 1800 MHZ). Za kolejną fazę rozwoju
GSM uznawane jest opracowanie nowych standardów transmisji danych. Jako pierwsza
powstała technologia komutacji łączy HSCSD (ang. High Speed Circut Switched Data).
Umożliwiła ona zwiększenie prędkości transmisji poprzez przydział kilku szczelin
czasowych do jednego połączenia logicznego. Teoretycznie prędkość transmisji mogła
dojść nawet do 115,2 kb/s, jednak praktycznie wartość ta nie przekracza 57,6 kb/s. W 1998
opublikowano specyfikację technologii GPRS (ang. General Packet Radio Service)
służącej do pakietowej transmisji danych, została ona zdefiniowana jako część fazy 2+
standardu GSM. [1,6]
Transmisja pakietowa umożliwia przesłanie danych wielu użytkowników w postaci
pakietów poprzez współdzielone kanały podobnie jak w sieciach komputerowych.
Wszystkie pakiety danych zawierają adres przeznaczenia, dlatego mogą być przenoszone
niezależnie, różnymi trasami, zwykle z pewnym opóźnieniem. Zwiększenie szybkości
przesyłania informacji za pomocą tego rodzaju transmisji jest znacznie bardziej
ekonomicznym rozwiązaniem. W porównaniu do transmisji z komutacją łączy, gdzie
4
opłaty naliczane były na podstawie czasu trwania połączenia, transmisja pakietowa dała
możliwość naliczania opłat na podstawie ilości przesłanych danych. Maksymalną, lecz
niestety jedynie teoretyczną, prędkością jaką pozwala uzyskać GPRS jest 171,2 kb/s.
Następnym i jak się okazało ostatnim etapem rozwoju pakietowej transmisji
danych w standardzie GSM było wprowadzenie w 2000 roku technologii EDGE
(ang. Enhanced Data rates for GSM Evolution). Technologia ta stosuje 8-mio wartościową
metodę modulacji z kluczowaniem fazy, która zwiększa transmisję danych - do 384 kb/s.
Kolejnym etapem rozwoju systemów komórkowych było powstanie systemów trzeciej
generacji (3G), które w porównaniu z systemami poprzednich generacji znacznie
zwiększyły transmisje danych. W 2002 roku została uruchomiona pierwsza sieć UMTS w
Europie. Transfer danych miedzy siecią a abonentem został polepszony dzięki powstaniu
nowego interfejsu radiowego, co wpłynęło na poprawę jakości oferowanych usług. W
przeciwieństwie do systemów starszych generacji UMTS umożliwia realizację usług
multimedialnych. Podczas korzystania z serwisów UMTS koszt transmisji głosowej
zależny jest od czasu trwania połączenia, natomiast transmisji pakietowej zależy jest od
ilości przesłanych informacji oraz jakości usług. Systemy telefonii komórkowej obecnie
istniejące na rynku zapewniają abonentom jednakowe warunki pracy. Prędkość transmisji
danych jest taka sama, niezależnie od tego czy plik przesyłany jest w obrębie dwóch miast,
czy też transmisja odbywa się na jednym osiedlu mieszkalnym. Kiedy wymiana danych
odbywa się za pośrednictwem aparatów UMTS, ważnym aspektem jest to czy podczas
transmisji pozostajemy w ruchu, czy też poruszamy się np. jedziemy samochodem.
Nowy standard wnosi podział sieci telefonicznej na cztery strefy. Niezależnie od tego
w jakiej strefie znajduje się abonent może być on pewny że będzie mógł przeprowadzić
połączenie głosowe. Jednakże w dzisiejszych czasach telefon komórkowy często spełnia
funkcje modemu, ważnym faktem jest, iż transmisja danych w różnych strefach sieci
UMTS odbywać się będzie z różnymi prędkościami. Pomimo zróżnicowania warunków
transmisji, przepustowość będzie większa niż w najlepszych systemach GSM.[1,5]
Najmniejszym fragmentem sieci UMTS jest tzw. pikokomórka (ang. picocell),
która swoim zasięgiem obejmuje obszar kilkuset metrów kwadratowych. W tej strefie
wymiana danych odbywa się z maksymalną 2 Mb/s.
Abonenci znajdujący się na nieznacznie większej powierzchni (kilka kilometrów
kwadratowych), przebywający np. w centrum zaludnionego miasta, będą podlegali strefie
mikrokomórki (ang. microcell).
5
Teoretyczna przepustowość łącza w tej strefie wyniesie 2 Mb/s, lecz w rzeczywistości
może być ona niższa - ok. 384 kb/s. Kolejną strefą pozwalającą na połączenie osób
znajdujących się w odległych miastach będzie makrokomórka (ang. macrocells).
Natomiast do komunikacji miedzy krajami a nawet kontynentami wykorzystane będą
komórki światowe (ang. worldcells), które posłużą jako połączenie abonentów różnych
sieci komórkowych, także takich które zbudowane są na bazie innych technologii niż
UMTS. Maksymalna przepustowość w makrokomówkach i komórkach światowych będzie
na poziomie 384 kb/s.[1]
Cel i zakres pracy
Celem niniejszej pracy jest porównanie przepustowości łączy oferowanych
przez technologie pakietowej transmisji danych w sieci telefonii komórkowej
Zakres pracy obejmuje: porównanie rozwiązań stosowanych w technologii
pakietowej transmisji danych GPRS, EDGE, HSDPA i HSUPA. Przedstawienie celu
wdrożenia technologii GPRS jak i sposobu zwiększenia prędkości transmisji danych.
Omówienie architektury systemu GPRS oraz procesu połączenia i odłączenia od domeny
pakietowej. Objaśnienie zasady działania schematów kodowania kanałowego oraz podział
kategorii stacji ruchomych dostępnych w GPRS. Opis powstania systemu EDGE wraz
z ulepszeniami które wprowadza w stosunku do GPRS. Charakterystyka systemu UMTS
oraz porównanie innowacji wniesionych przez technologie HSDPA i HSUPA.
Przedstawienie kategorii stacji ruchomych definiowanych przez te standardy. W pracy
zamieszczono także wyniki opracowanych pomiarów, których celem było zbadanie
rzeczywistych parametrów opisanych technologii.
6
1. Pakietowa transmisja danych w systemie GSM
1.1 GPRS
Wdrożenie technologii GPRS pozwoliło na rozszerzenie zakresu usług GSM
o możliwość transmisji danych w trybie pakietowym. W porównaniu do transmisji
z komutacją kanałów tryb ten pozwala zwiększyć efektywność wykorzystania zasobów
systemowych. Większą wydajność zapewnia przydzielenie łącza radiowego wyłącznie na
żądanie , przez co dane łącze pozostaje zajęte tylko na czas transmisji danych. Dzięki
takiemu rozwiązaniu pojedynczy kanał fizyczny może być wykorzystywany przez kilku
użytkowników, którzy w różnym czasie korzystają z zasobów systemowych tzn. odbierają
lub przesyłają dane.[2]
Kolejnym ważnym aspektem jest fakt, iż kanały fizyczne do nadawania (transmisja
„w górę") i odbierania (transmisja „w dół") są wykorzystywane jako niezależne zasoby.
Podczas gdy jedna ze szczelin czasowych, która wchodzi w skład pary dupleksowej
używana jest przez którąś ze stacji ruchomej do odbierania pakietów w łączu „w dół”,
druga szczelina w łączu „w górę” może zostać wykorzystana przez inną stacje do
nadawania pakietów. Wprowadzenie w technologii GPRS transmisji wieloszczelinowej,
która polega na przydzieleniu abonentowi kilku szczelin czasowych w ramce TDMA,
zaowocowało zwiększeniem szybkości transmisji pakietów w porównaniu do sieci GSM.
Ponieważ liczba równocześnie obsługiwanych abonentów rośnie wraz ze wzrostem liczby
przydzielonych częstotliwości oraz liczby zdefiniowanych szczelin czasowych, ramki
TDMA wykorzystuje się do tworzenia ramek wyższego rzędu tzw. wieloramek. Do ramek
wyższego rzędu zaliczamy:
wieloramki mowy (czas trwania ramki to 120 ms)
wieloramki sterujące (czas trwania ramki to 235 ms).
Wieloramki służą do tworzenia superramki, która zawiera 1326 ramek TDMA, czyli 26
ramek mowy lub 51 ramek sterujących. Superramki tworzą następnie hieperramkę.
zawierającą 2048 superramek.[7]
7
Technologia GPRS rozszerza hierarchię ramek wyższego rzędu o nowy rodzaj
wieloramek - wieloramki 52-ramkowe, które nie do końca są odwzorowaniem superramek.
Maksymalna liczba wieloramek GPRS wchodzących w skład superramki wynosi 25,5.
Jedna wieloramka 52-ramkowa jest podzielona na 12 bloków radiowych, które stanowią
podstawową jednostkę przydzielenia zasobów radiowych w sieci GPRS. Każdy z nich jest
czterokrotnym powtórzeniem tego samego slotu czasowego w czterech kolejnych ramkach
TDMA. W każdej wieloramce GPRS znajdują się również cztery ramki TDMA służące do
sygnalizacji .[7]
Oznaczenia: B0, … , B11 – bloki radiowe, S – ramka sygnalizacyjna.
Rys.1.1 Struktura wieloramki GPRS
(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)
Rozwój standardu GSM w kierunku GPRS wymusza konieczność przeznaczenia
niektórych dostępnych zasobów radiowych dla ruchu pakietowego, co zmniejsza ilość
kanałów rozmownych. Dlatego ważną strategią w sieciach GSM/GPRS jest podział
szczelin czasowych między usługi wykorzystujące transmisje pakietową a pracujące
w środowisku z komutacją kanałów. Podczas podziału należy mieć na uwadze zmiany
natężenia ruchu pakietowego jak i ilości aktywnych połączeń głosowych . Podczas gdy
ilość rozmów w sieci wzrasta, należy utrzymać odpowiednią ilość wolnych zasobów, która
pozwoli na przyjmowanie kolejnych połączeń głosowych. Analogicznie należy postąpić
gdy wzrasta liczba połączeń z komutacją pakietów. W tej sytuacji bardzo ważna jest
optymalizacja przydzielania wolnych kanałów radiowych. Szczeliny czasowe przydzielone
do danej stacji ruchomej muszą ze sobą sąsiadować , jak i leżeć w tym samym paśmie
częstotliwościowym. Zwiększenie prawdopodobieństwa rezerwacji sąsiednich szczelin
czasowych można uzyskać poprzez rezerwację pewnej puli zasobów radiowych dla
transmisji z komutacją łączy, kolejnej puli dla transmisji pakietowych oraz trzeciej dla obu
rodzajów transmisji. [4]
8
Sieć podzielona w ten sposób będzie działała następująco:
Nowemu połączeniu głosowemu przyznawany jest kanał fizyczny z puli przeznaczonej dla
połączeń z komutacją łączy. Przy czym należy założyć że nie jest to pula pusta. Podczas
trwania połączenia dla innych abonentów GPRS możliwe jest przydzielanie zasobów
należących do wspólnej puli. W przypadku gdy pula zasobów radiowych dla połączeń
z komutacją łączy jest pusta , a ustanowione ma być nowe połączenie, wtedy kanał
fizyczny przydzielany jest ze wspólnej puli. Należy unikać przydzielania zasobów
w sposób przypadkowy. Aby uniknąć takiej sytuacji wspólne zasoby rezerwowane są
w obrębie jednej ramki TDMA dla połączeń z komutacją pakietów od strony prawej do
lewej (szczeliny są o coraz niższych numerach), natomiast dla połączeń z komutacją łączy
- od strony lewej do prawej (szczeliny są o coraz wyższych numerach).
Rys.1.2 Mechanizm alokacji zasobów radiowych w sieciach GSM/GPRS
(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)
W przypadku gdy ma nastąpić nowe połączenie głosowe, a obie pule są puste , połączenie
takie jest odrzucane, lub zasoby przydzielane są mu kosztem zwolnienia części zasobów
radiowych z puli przeznaczonej dla transmisji pakietowych. Analogiczna sytuacja ma
miejsce w przypadku rezerwacji kanałów fizycznych dla ruchu pakietowego. Dobór
rozmiaru poszczególnych pól jest elastyczny, zależy wyłącznie od operatora sieci.
9
1.1.1 Architektura systemu GPRS
System GPRS bazuje na zasobach systemu GSM, jego główne bloki sieciowe
połączone są między sobą osobną siecią szkieletową opartą na protokole IP. System
wprowadza również nowe elementy do architektury sieci:
Węzeł obsługujący GPRS- SGSN (ang. Serving GPRS Support Node) :
odpowiada za dostarczenie i odbiór pakietów do i od stacji ruchomych
znajdujących się w obszarze jego obsługi,
określa trasę transmitowanych pakietów oraz przesyła je do odpowiednich węzłów,
zarządza mobilnością stacji ruchomych,
odpowiada za zarządzanie łączami logicznymi,
potwierdza autentyczność stacji ruchomych,
przechowuje całą informacje o abonentach systemu GPRS zarejestrowanych
w rejestrze danego węzła SGSN,
zajmuje się konwersją protokołu IP, wykorzystywanego w sieci szkieletowej, na
protokoły SNDCP i LLC, które są używane do komunikacji pomiędzy SGSN
i stacjami ruchomymi.
Węzeł wejściowy GPRS- GGSN (ang. Gateway GPRS Support Node):
zapewnia współpracę części sieci GSM wykorzystującej komutację łączy
z sieciami opartymi o protokoły IP i X.25,
pełni w sieci GPRS funkcję bramy, która przechowuje dane pozwalające na
wyznaczanie pakietom tras do węzłów SGSN, a następnie do stacji ruchomych.
odbiera dane adresowane do danego użytkownika oraz sprawdza czy jego adres jest
aktywny. Jeśli jest, to przekazuje dane do węzła SGSN, który obsługuje stację
ruchomą danego użytkownika. Jeśli nie, to dane są odrzucane.
Urządzenie Charging Gateway:
zbiera informacje dla celów taryfikacyjnych o otwartych sesjach,
zlicza przesłane i odebrane dane w czasie ich trwania.
10
Rys1.3 Architektura systemu GPRS
(źródło: http://itpedia.pl)
Dołączenie do domeny pakietowej (ang. GPRS attach) inicjowane jest przez stację
ruchomą poprzez wysłanie do węzła SGSN komunikatu z żądaniem o dołączeniu (ang.
attach request), który zawiera: identyfikator stacji ruchomej oraz obszaru routowania (ang.
routing area identification) w obrębie którego stacja ostatnio przebywała, dane
określające możliwości terminala.
Proces odłączenia od domeny pakietowej jest efektem przesłania do węzła SGSN
informacji o rezygnacji stacji ruchomej z usług domeny pakietowej lub też powiadomieniu
stacji ruchomej przez SGSN o odebraniu jej możliwości dostępu do tej domeny.
Odłączenie abonenta od sieci następuje gdy do stacji ruchomej lub sieci zostanie przesłane
żądanie odłączenia lub w drugim przypadku bez powiadomienia stacji ruchomej- w sposób
domyślny. W tym przypadku przyczyną odłączenia może być awaria sieci, polecenie
z sytemu zarządzania lub zdarzenie zgłoszone przez licznik czasu. W przypadku
odłączenia stacji węzeł SGSN przechowuje przez określony czas wszystkie dane o
zakończonej transmisji co ułatwia ponowne dołączenie użytkownika do sieci, lub też
usuwa wszystkie dane. [8]
11
NS* - usługa sieciowa (ang. network service), na przykład ATM czy IP.
Rys.1.4 Stos protokołów GPRS
(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)
Na czas transmisji w nagłówku każdego pakietu implementowane są identyfikatory UCF
oraz TFI, ma to celu wskazanie stacji mobilnej szczelin czasowych, w których powinna
ona wysyłać i odbierać swoje dane. Za przydzielenie danego parametru odpowiedzialna
jest jednostka PCU.
Parametr TFI rozpoznaje zasoby przyznane stacji ruchomej dla transmisji łączem
„w dół". Stacja mobilna porównuje zawartość pola TFI w odbieranych pakietach
z zawartością przyznanego jej identyfikatora TFI. Stacja mobilna uznaje, że dany pakiet
jest adresowany do niej jeżeli zawartości pola TFI jest równa z zawartością przyznanego
jej identyfikatora TFI. Identyfikator TFI jest pięciobitowy, co oznacza, że pojedynczy
kanał fizyczny służący do transmisji „w dół" współdzielony jest przez maksymalnie 32
użytkowników sieci GPRS.
Pole USF rozpoznaje zasoby przyznane stacji mobilnej dla transmisji danych
„w górę". Jeżeli po porównaniu przez stacje ruchomą zwartości pola USF w odbieranych
pakietach z wartością przyznanego USF wartości te są takie same, oznacza to, iż dane
mogą zostać wysłane przez stacje. USF może zaadresować osiem szczelin czasowych,
ponieważ składa się z trzech bitów. Podczas gdy stacja mobilna używa jednej ze szczelin
do zgłaszania żądań dostępu do sieci GPRS, wówczas jeden kanał fizyczny służący do
transmisji „w górę" może być używany przez maksymalnie siedmiu użytkowników . [1]
12
1.1.2 Schematy kodowania kanałowego
Technologia GPRS wykorzystuje cztery schematy kodowania kanałowego:
CS1 o przepustowości 9,05 kb/s
CS2 o przepustowości 13,4 kb/s
CS3 o przepustowości 15,6 kb/s
CS4 o przepustowości 21,4 kb/s
Maksymalne szybkości transmisji, są różne w zależności od liczby łączonych
kanałów, przyjętego schematu kodowania oraz jakości łącza radiowego. Schemat CS-1
zapewnia najwyższy poziom ochrony przeciwko błędom transmisji, natomiast CS-4
gwarantuje najniższy. Im wyższy poziom ochrony na błędy transmisji tym mniejsza liczba
retransmisji podczas przesyłania bloków informacji abonenta. Dzięki temu całkowity czas
transmisji ulega skróceniu. Natomiast im wyższy poziom ochrony danego schematu
kodowania, tym większa ilość informacji jest dodawana oraz przesyłana wraz
z oryginalnymi danymi. Powoduje to zmniejszenie przepustowości przesyłu danych
abonenta. Pakiety w sieci GPRS przesyłane są w postaci zaszyfrowanej co ma na celu
zwiększenie bezpieczeństwa. Wszystkie dane są szyfrowane na poziomie protokołu LLC.
Zanim ramka zostanie podzielona na bloki radiowe, zostaje zaszyfrowana kluczem
symetrycznym. Procedura ta polega na wykonaniu operacji XOR miedzy bitami danej
ramki LLC a ciągiem bitów stanowiących klucz, do którego wygenerowania służy
algorytm A5. Klucz umieszczony jest w stacji mobilnej oraz w węźle SGSN. W sieci
GPRS dane abonenta są zaszyfrowane zarówno w interfejsie radiowym jak i podczas
transmisji miedzy stacja bazowa a węzłem SGSN.[1]
1.1.3 Kategorie stacji ruchomych
W transmisji pakietowej GPRS wyróżnia się 29 kategorii stacji ruchomych,
określanych mianem klas wieloszczelinowych. Zadaniem każdej z nich jest ustawienie
transmisji wieloszczelinowej, w tym określenie maksymalnej liczby szczelin
przeznaczonych do transmisji „w dół" oraz „w górę". Z pośród wszystkich kategorii można
wyodrębnić dwa typy urządzeń – typ 1 oraz typ 2. Gdy dana stacja ruchoma nie jest
w stanie w tym samym czasie nadawać i odbierać informacje należy do typu 1 (półduplex).
Gdy transmisja danych może zachodzić w obu kierunkach należy do typu 2(fullduplex).
13
Dodatkowo stacje mobilne podzielone są na trzy różne klasy urządzeń:
Klasa A - pozwala na równoczesną prace w sieci GSM oraz GPRS
Klasa B – pozwala na równoczesne podłączenie do sieci GSM oraz GPRS ale nie
zezwala na prace w obu sieciach na raz.
Klasa C – pozwala na podłączenie w tym samym czasie tylko do jednego rodzaju
sieci, którą wybiera abonent.
Przy odpowiednich warunkach transmisyjnych , przy wykorzystaniu wszystkich
ośmiu szczelin czasowych oraz schematu kodowania CS4 maksymalna teoretyczna
przepustowość w sieci GPRS można wyznaczyć jako 8*21,4 kb/s czyli 171,2 kb/s.[1]
Tabela 1.1 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w GPRS
(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)
Typ
urządzenia
Kategoria
stacji ruchomej
Maksymalna liczba
szczelin czasowych do
transmisji „w dół"
Maksymalna liczba
szczelin czasowych do
transmisji „w górę"
Maksymalna liczba
równocześnie
wykorzystywanych
szczelin czasowych
1 1 1 1 2
1 2 2 1 3
1 3 2 2 3
1 4 3 1 4
1 5 2 2 4
1 6 3 2 4
1 7 3 3 4
1 8 4 1 5
1 9 3 2 5
1 10 4 2 5
1 11 4 3 5
1 12 4 4 5
2 13 3 3 nie dot.
2 14 4 4 nie dot.
2 15 5 5 nie dot.
2 16 6 6 nie dot.
2 17 7 7 nie dot.
2 18 8 8 nie dot.
1 19 6 2 nie dot.
1 20 6 3 nie dot.
1 21 6 4 nie dot.
1 22 6 4 nie dot.
1 23 6 6 nie dot.
1 24 8 2 nie dot.
1 25 8 3 nie dot.
1 26 8 4 nie dot.
1 27 8 4 nie dot.
1 28 8 6 nie dot.
1 29 8 8 nie dot.
14
1.2 EDGE
EDGE (ang. Enhanced Data rates for Global Evolution- zwiększone szybkości
transmisji dla ewolucji globalnej) jest ulepszoną wersja GPRS. Często nazywany jest
również EGPRS, czyli Enhanced GPRS (Ulepszony GPRS). Podobnie jak w przypadku
usługi GPRS, płaci się rachunek tylko za ilość przesłanych danych, a nie za czas trwania
połączenia.
1.2.1 Powstanie EDGE
Celem stworzenia technologii EDGE było sprostanie wymaganiom transmisyjnym
wymuszonych koniecznością szybkiego przesyłu dużej ilości danych z w środowisku
radiowym. Teoretycznie EDGE powinno zapewnić przesył danych z szybkością do
384 kb/s w rzeczywistości prędkość ta wynosi 230 kb/s. EDGE używa tych samych pasm
częstotliwości, co GSM/GPRS. W związku z tym operator podczas wdrażania nowej
technologii nie musi ubiegać się o przydzielenie mu nowych częstotliwości,
a implementacja ograniczona jest do dodania modułów do obecnych stacji bazowych.
W ciągle poszerzającej się sieci komórkowej rutynową procedurą jest dodawanie nowych
modułów transmisyjnych. Instalacja modułów nadawczych posiadających funkcjonalność
obsługi standardów GSM oraz EDGE niweluje konieczność wstawiana nowych modułów
nadawczych GSM. Dodatkowym atutem oprogramowania EGDE jest możliwość jego
zdalnej instalacji a co za tym idzie natychmiastową aktywacje nowej technologii.[1]
1.2.2 Różnice pomiędzy EDGE a GPRS
Technika modulacji i kodowania jest czynnikiem odróżniającym technologie
EDGE oraz GPRS. W przypadku EDGE rozróżniamy dziewięć nowych schematów
modulacji i kodowania MCS-1 - MCS-9. Cztery spośród nich używają modulacji GMSK
stosowanej już w starszych sieciach GSM/GPRS. Pozostałe schematy wykorzystują do
modulacji nową technikę nazywaną 8PSK czyli 8-Phase Shift Keying, po polsku
nazywana ośmiowarstwowym kluczowaniem fazy. Technika ta w porównaniu do GMSK
zapewnia trzykrotnie większą szybkość transmisji danych, czyli w GPRS każdy impuls
przenosi 1 bit danych a w EDGE 3 bity.
Tak więc transmisja danych jako taka nie jest szybsza, lecz w tym samym czasie
można przesłać ich więcej. Kolejna różnicą jest stosowanie przez system EDGE
15
przeskoków częstotliwości nośnych. Polega to na zbiorczym odbiorze częstotliwości, co
pozwala na zniwelowanie wpływu zaników w kanale oraz ma istotny wpływ na poziom
zakłóceń współkanałowych. Sekwencyjna zmiana tych częstotliwości powoduje ze każdy
zakodowany blok danych jest transmitowany na czterech różnych częstotliwościach.
EDGE wprowadza również nową nieobecną w GPRS technologię, tzw.
wzrastającej redundancji (Incremental Redundancy - IR), która zamiast ponownego
przesyłania przekłamanych pakietów, wysyła dodatkowe informacje pozwalające na
zdekodowanie poprzednio wysłanych danych. Pakiety danych używane w technologii
EDGE mają format identyczny jak w standardowym systemie GSM. Jednak po
zastosowaniu modulacji 8PSK 8-poziomowe symbole danych zastępują symbole binarne.
Pakiet składa się z 26-symbolowej sekwencji treningowej która jest umieszczona w jego
środku, zawiera po trzy bity końcowe i początkowe oraz dwa razy po 58 symboli
użytkownika. W przypadku modulacji 8-PSK w pojedynczym pakiecie transmituje się 348
bitów a w GSM/GPRS zaledwie 116. Wieloramka zbudowana jest z 52 ramek w których
umieszczone jest 12 bloków danych. Do celów pomiarowych lub korekcji zegara
ramkowego użyta jest każda trzynasta ramka która nie niesie ze sobą żadnych informacji.
Maksymalna szybkość danych na częstotliwość nośną przy zastosowaniu wszystkich
szczelin czasowych wynosi 556,8 kb/s dla modulacji 8PSK i 185,6 kb/s dla GMSK.[1,2]
Tabela 1.2 Modulacja i schematy kodowania w systemie EGPRS(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)
16
2. Pakietowa transmisja danych w systemie UMTS
2.1 Koncepcja systemu UMTS
Systemu UMTS oparty jest na technologii GPRS. Do transmisji danych,
analogicznie do systemu GPRS wykorzystywane są węzły GGSN oraz SGSN, które tworzą
sieć szkieletową opartą na protokole IP. W obrębie sieci za tunelowanie danych
użytkowników odpowiedzialny jest protokół GTP. Technologia UMTS wprowadza nowy
interfejs radiowy, który zapewnia wydajniejsze wykorzystanie zasobów radiowych,
zwiększa przepustowość danych oraz poprawia współczynnik Quality of Service. Kolejną
zaletą systemu jest możliwość współpracy ze standardem GSM. Funkcja ta zapewnia
poruszającemu się użytkownikowi przeniesienie aktywnego połączenia między sieciami
pracującymi w obu standardach bez jego zerwania – handover. Podczas gdy, użytkownik
zaloguje się do sieci GSM, może korzystać z większości usług zdefiniowanych w UMTS,
niestety niektóre z nich mogą działać z gorszą jakością. Dobra komunikacja między
standardami GSM oraz UMTS sprawiła, iż jest on najpopularniejszym rozwiązaniem
wykorzystywanym do budowy sieci trzeciej generacji.[3]
Przed rozpoczęciem transmisji pakietowej należy określić następujące parametry:
typ protokołu wykorzystywanego podczas transmisji (IP lub PPP- Point-to-Point
Protocol), adres stacji ruchomej, który w przypadku protokołu IP przyjmuje postać adresu
internetowego IP i może być przydzielony na stałe lub dynamicznie zarówno przez
operatora sieci macierzystej jaki i wizytowej. Należy również określić adres punktu
dostępu do sieci zewnętrznej, odbiorcę informacji w stacji ruchomej oraz wymagany
poziom współczynnika QoS.
Przy założeniu idealnych warunków transmisji, gdy stacja ruchoma znajduje się
blisko stacji bazowej oraz przemieszcza się z nieznaczną prędkością, teoretyczna szybkość
połączenia z komutacją pakietów może dochodzić do 2 Mb/s. Wraz ze wzrostem szybkości
przemieszczania się stacji oraz odległości od niej maleje przepustowość. Przy założeniu, że
odległość od stacji bazowej jest mniejsza niż 2 km, a prędkość stacji ruchomej nie
przekracza 120 km/h – rzeczywista szybkość transmisji wynosić może 384 kb/s.
Natomiast gdy odległość stacji i prędkość jej przemieszczania jest większa szybkość
transmisji spada do 144 kb/s.[1,3]
17
2.2 HSDPA
HSDPA (ang. High Speed Downlink Packet Access) jest technologią UMTS
umożliwiającą przesyłanie danych z sieci w stronę terminala z teoretyczną, maksymalną
szybkością 21.6 Mb/s. Zaletą technologii jest możliwość jej wdrożenia w sieć UMTS bez
konieczności przebudowy sieci szkieletowej odpowiadającej za komutacje pakietów.
Wyjątkiem jest przeskalowanie sieci w przypadku zwiększenia transferu danych.
Przebudowie podlega jedynie sieć radiowa.[1]
2.2.1 Zmiany w UMTS wprowadzone przez HSDPA
Najważniejszą innowacją wprowadzoną przez technologię HSDPA jest kanał
transportowy HS-DSCH (ang. High Speed Downlink Shared Channel), który zapewnia
bardziej optymalny podział zasobów radiowych.
W przeciwieństwie do wcześniejszych systemów , gdzie kody używane do
wyodrębnienia poszczególnych transmisji z kanału transmisyjnego przydzielane były
terminalom na czas transmisji, są one dynamicznie przyznawane ze wspólnej puli kodów
w czasie połączenia. Liczba kodów przydzielana terminalowi nie jest wartością stałą
i zależy od zmiennych warunków propagacji, obciążenia w danej komórce oraz
priorytetów danych transmisji. Takie podejście podnosi wydajność sieci radiowej.
W technologii HSDPA oprócz standardowej technologii modulacji QPSK używana
jest modulacja 16QAM, zwiększa się tym samym wrażliwość na warunki propagacji
sygnału, ale zwiększa się również transfer danych. Skrócono czas w którym przesyłana jest
ramka danych tzw. Transmition Time Interval (TTI), dzięki czemu system może szybciej
reagować na zmianę warunków propagacji sygnału. W starszych systemach czas podramki
wynosił 10, 20 lub 40 ms. W HSDPA czas ten został skrócony do 2 ms , w których
przyznawane są kody ortogonalne do wyodrębnienia transmisji ze wspólnego kanału. [3,7]
Rys.2.1 Budowa Ramki TDMA stosowanej w systemie UMTS
(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)
18
W przypadku gdy terminal otrzyma niepełne dane od stacji bazowej, może wysłać żądanie
retransmisji. W systemach UMTS żądanie przesyłane jest przez stacje bazową do
sterownika, który obsługuje kilkaset stacji. Aby zniwelować opóźnienia retransmisji,
w systemie HSDPA żądanie zostało przeniesione bezpośrednio do stacji bazowej.
2.2.2 Kategorie stacji ruchomych definiowane w HSDPA
Stacje ruchome w transmisji pakietowej HSDPA mogą należeć do dwunastu kategorii,
które m.in. określają:
maksymalną przepływność ,
rodzaj modulacji
maksymalną liczbę kodów użytych w kanale transportowym.[1]
Tabela 2.1 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSDPA (źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)
2.3 HSUPA
Kolejny krok w ewolucji standardu UMTS stanowi HSUPA. Technologia ta
pozwala zwiększyć szybkość przesyłania danych w łączu „w górę" oraz zmniejsza
opóźnienia transmisji. Użytkownicy sieci UMTS dzięki możliwości wspólnego
wykorzystania technologii HSDPA i HSUPA mogą korzystać z szybkiego przesyłu
pakietów zarówno od jak i do stacji ruchomych. Taka koncepcja określana jest mianem
HSPA.
19
2.3.1 Różnice między HSDPA a HSUPA
Przesył danych w technologii HSUPA jest możliwy przy użyciu zarówno ramek
10ms jak i podramek stosowanych w HSDPA – 2ms. Oprócz podstawowej różnicy między
technologiami jaką jest kierunek przesyłu danych, różnią się one sposobem przydzielenia
kanału fizycznego. W HSUPA stacja ruchoma wykorzystuje jeden oddzielny kanał
fizyczny do przesyłania danych jednego użytkownika w kierunku stacji bazowej. Oznacza
to, że w czasie trwania jednej ramki czasowej przesyłane mogą być dane tylko jednego
abonenta. Natomiast w HSDPA kanał fizyczny dzielony jest pomiędzy kilku
użytkowników.
2.3.2 Kategorie stacji ruchomych definiowane w HSUPA
Stacje ruchome w transmisji pakietowej HSUPA mogą należeć do sześciu
kategorii, , które określają maksymalną dostępną prędkość transmisji.
Przynależność stacji ruchomej do danej kategorii określają:
typy ramek wykorzystywanych do transmisji danych,
maksymalna liczba kanałów fizycznych przydzielanych pojedynczemu
użytkownikowi,
minimalna długość wykorzystywanych ciągów rozpraszających.[1,3]
Tabela 2.2 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSUPA(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)
20
3. Część praktyczna
3.1 Przebieg pomiarów
Pomiary wykonywane zostały przy użyciu modemu Option iCON 225 sieci Era, za
pomocą programu napisanego w języku C#. Test stanowiła transmisja w górę i w dół
danych za pośrednictwem protokołu TCP. W tym celu wykorzystano serwer FTP: web
park.pl na którym na przemiennie dokonywano transmisji pliku o rozmiarze 512kB.
Rozmiar pliku tak dobrano był skrócić czas realizacji połączenia oraz by zarówno
transmisja w górę jaki w dół odbyła się w miarę podobnych warunkach radiowych. Testy
wysyłania i odbioru wykonywano naprzemiennie, aby podobnie jak wcześniej zapewnić
podobne warunki radiowe. Testy powtórzono pięciokrotnie, co pozwoliła na podstawową
analizę statystyczną uzyskanych wyników.
GPRS/EDGE
UMTS/HSxPA
Proces pomiarowy został podzielony na dwa niezależne etapy. Etap pierwszy stanowił
pomiar stacjonarny, polegający na braku zmiany położenia urządzeń podczas realizacji
transmisji. Etap drugi stanowiły pomiary dynamiczne, gdzie komunikacja następowała
podczas poruszania się komputera z trzema różnymi prędkościami
Pomiar statyczny
Pomiar statyczny polegał na dokonaniu pomiarów przepustowości łącza zarówno w górę
(uplink) jak i w dół (downlink) przy nieruchomej stacji pomiarowej. Pomiar statyczny miał
na celu sprawdzenie jakości łącza w możliwie teoretycznie najlepszych warunkach
propagacji radiowych, przy zredukowanej interferencji sygnałów. Pomiarów dokonano w 3
różnych miejscach na trasie, na której następnie realizowane były pomiary dynamiczne
Pomiar szybkości poszczególnych łączy statycznie, przy nieruchomym
odbiorcy usług.
Pomiar wykonywany w różnych porach dnia w trzech określonych
miejscach
21
Rys. 3.1 Przebieg trasy na której zostały wykonane pomiary , z oznaczeniem trzech miejsc
wykonania pomiarów statycznych
Pomiar dynamiczny
Pomiary dynamiczne polegały, podobnie jak wyżej, na analizę przepustowości łącz
podczas przemieszczania się odbiorcy usług.
Celem w/w testów była analiza wpływu prędkości poruszania się odbiorcy usług na
przepustowość łącz. Dlatego też dokonano pomiarów dla trzech różnych prędkości
poruszania, odpowiednio: 40km/h, 60km/h oraz 80km/h. Dodatkowo w celu redukcji
wpływu możliwego lokalnego przeciążenia systemu pomiarów dokonano o dwóch różnych
porach dnia tj. 18:00 i 21:00
pomiar szybkości poszczególnych łączy podczas przemieszczania się
odbiorcy usług.
pomiary dla trzech różnych prędkości poruszania się w zakresie
(40-80 km)
pomiary w rożnych porach dnia
22
Rys. 3.2 Rozmieszczenie stacji bazowych ERA na trasie pomiarów
Ze względu na niekorzystne warunki atmosferyczne pomiary wykonywane zostały w
porach dnia, w których występuje stosunkowo małe zagęszczenie ruchu samochodów na
autostradzie.
23
3.2 Wyniki pomiarów
3.2.1 Godzina 18.00
POMIAR STATYCZNY:
Zmierzony czas transmisji:
GRRS/EDGE UMTS/HDxPA
Miejsce Czas wysyłania[s]
Czas pobierania[s]
Czas wysyłania[s]
Czas pobierania[s]
1
1,6380 1,6224 1,8408 1,6224 1,5600
1,4196 1,8564 1,9812 1,9188 1,7940
1,0920 1,0920 1,1388 1,0764 1,1388
1,2636 1,2012 1,2948 1,2012 1,2636
2
1,8876 1,6848 1,6848 1,6224 1,5444
1,8564 1,8564 1,8096 1,8654 1,7784
1,1700 1,3416 1,1544 1,0764 1,0920
1,3416 1,2324 1,2168 1,2792 1,2792
3
2,0592 1,6848 1,6068 1,6068 1,6224
1,8096 2,0592 1,9188 1,8096 1,8564
1,0920 1,2792 1,1544 1,0764 1,1388
1,3572 1,2948 1,3416 1,4820 1,4040
Obliczona prędkość transmisji:
GRRS/EDGE UMTS/HDxPA
Miejsce Prędkość wysyłania[kb/s]
Prędkość pobierania[kb/s]
Prędkość wysyłania[kb/s]
Prędkość pobierania[kb/s]
1
312,6 315,6 278,1 315,6 328,2
360,7 275,8 258,4 266,8 285,4
468,9 468,9 449,6 475,7 449,6
405,2 426,2 395,4 426,2 405,2
2
271,2 303,9 303,9 315,6 331,5
275,8 275,8 282,9 274,5 287,9
437,6 381,6 443,5 475,7 468,9
381,6 415,4 420,8 400,3 400,3
3
248,6 303,9 318,6 318,6 315,6
282,9 248,6 266,8 282,9 275,8
468,9 400,3 443,5 475,7 449,6
377,2 395,4 381,6 345,5 364,7
24
POMIAR DYNAMICZNY:
Zmierzony czas transmisji:
1. GRRS/EDGE UMTS/HDxPA Prędkość Czas
wysyłania[s] Czas
pobierania[s] Czas wysyłania[s] Czas
pobierania[s]
40 km/h
1,9968 1,6692 1,7472 2,0280 1,6692
2,0592 2,4180 2,0436 1,9344 2,1216
1,2012 1,0920 1,0764 1,2168 1,2324
1,2792 1,2168 1,3572 1,2948 1,2012
60 km/h
1,5912 1,9968 1,6692 1,9968 1,6848
1,7940 1,7160 1,8408 1,9188 1,9344
1,2324 1,0452 1,1544 1,0920 1,0920
1,4820 1,3572 1,2324 1,2792 1,3260
80 km/h
1,5912 1,6224 1,6068 1,6068 1,4820
1,7160 1,7940 1,8594 1,9344 1,6536
1,1076 1,1856 1,3260 1,2168 1,0920
1,2324 1,2792 1,8252 1,2636 1,2636
Obliczona prędkość transmisji:
GRRS/EDGE UMTS/HDxPA Prędkość Prędkość
wysyłania[kb/s] Prędkość
pobierania[kb/s] Prędkość
wysyłania[kb/s] Prędkość
pobierania[kb/s]
40 km/h
256,41 306,73 293,04 252,47 306,73
248,64 211,75 250,54 264,68 241,33
426,24 468,86 475,66 420,78 415,45
400,25 420,78 377,25 395,43 426,24
60 km/h
321,77 256,41 306,73 256,41 303,89
285,40 298,37 278,14 266,83 264,68
415,45 489,86 443,52 468,86 468,86
345,48 377,25 415,45 400,25 386,12
80 km/h
321,77 315,59 318,65 318,65 345,48
298,37 285,40 275,36 264,68 309,63
462,26 431,85 386,12 420,78 468,86
415,45 400,25 280,52 405,19 405,19
25
3.2.2 Godzina 21.00
POMIAR STATYCZNY:
Zmierzony czas transmisji:
GRRS/EDGE UMTS/HSxPA Miejsce Czas
wysyłania[s] Czas
pobierania[s] Czas
wysyłania[s] Czas
pobierania[s]
1
1,6224 1,7628 1,6068 1,6848 1,5600
1,8096 1,9188 1,7940 1,8560 1,9344
1,2480 1,0764 1,0920 1,2792 1,1076
1,2762 1,2792 1,2010 1,3416 1,2168
2
1,8720 1,6068 1,5444 1,6848 2,9796
1,6536 2,1060 1,7784 1,8096 1,7316
1,3728 1,0764 1,5912 1,1544 1,1388
1,2792 1,2792 1,2324 1,2168 1,2792
3
1,6224 1,7940 1,6848 1,8720 1,5912
1,8564 1,9656 1,7940 1,8408 1,9032
1,1856 1,2168 1,1388 1,0920 1,1076
1,3260 1,2324 1,2792 1,3416 1,4664
Obliczona prędkość transmisji:
GRRS/EDGE UMTS/HSxPA
Miejsce Prędkość wysyłania[kb/s]
Prędkość pobierania[kb/s]
Prędkość wysyłania[kb/s]
Prędkość pobierania[kb/s]
1
315,58 290,45 318,65 303,89 328,21
282,94 266,83 285,40 275,86 264,68
410,26 475,66 468,86 400,25 462,26
401,19 400,25 426,31 381,63 420,78
2
273,50 318,65 331,52 303,89 171,84
309,63 243,11 287,90 282,94 295,68
372,96 475,66 321,77 443,52 449,60
400,25 400,25 415,45 420,78 400,25
3
315,58 285,40 303,89 273,50 321,77
275,80 260,48 285,40 278,14 269,02
431,85 420,78 449,60 468,86 462,26
386,12 415,45 400,25 381,63 349,15
26
POMIAR DYNAMICZNY:
Zmierzony czas transmisji:
GRRS/EDGE UMTS/HDxPA Prędkość Czas
wysyłania[s] Czas
pobierania[s] Czas
wysyłania[s] Czas
pobierania[s]
40 km/h
1,8564 1,7472 1,8720 1,7940 1,7316
2,0592 1,9500 1,9968 2,4336 3,4320
1,0920 1,0920 1,2168 1,1544 1,0296
1,2168 1,4508 1,3572 1,4664 1,2792
60 km/h
1,8720 1,9812 2,0436 1,9812 1,8564
2,6988 1,9968 1,9968 2,4804 2,4180
1,2948 1,0920 1,3416 1,0920 1,2636
1,2792 1,2636 1,2168 1,2792 1,2792
80 km/h
1,8096 1,7004 1,8720 1,9188 2,8704
1,9344 2,0592 1,8720 2,2308 2,1684
1,6692 1,2792 1,1388 1,2012 1,2792
1,3416 1,4196 1,3416 1,2792 1,3572
Obliczona prędkość transmisji:
GRRS/EDGE UMTS/HDxPA Prędkość Prędkość
wysyłania[kb/s] Prędkość
pobierania[kb/s] Prędkość
wysyłania[kb/s] Prędkość
pobierania[kb/s]
40 km/h
275,80 293,04 273,50 285,40 295,68
248,64 262,56 256,41 210,39 149,18
468,86 468,86 420,78 443,52 497,28
420,78 352,91 377,25 349,15 400,25
60 km/h
273,50 258,43 250,54 258,43 275,80
189,71 256,41 256,41 206,42 211,75
395,43 468,86 381,63 468,86 405,19
400,25 405,19 420,78 400,25 400,25
80 km/h
282,94 301,11 273,50 266,83 178,37
264,68 248,64 273,50 229,51 236,12
306,73 400,25 449,60 426,24 400,25
381,63 360,66 381,63 400,25 377,25
27
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90200
220
240
260
280
300
320
340
360
380Prędkość wysyłania danych technologią GPRS/EDGE
Prędkość przemieszczania [km/h]
Prz
epusto
wość łącza [
kb/s
]
Godz.18:00
Godz.21:00
3.3 Analiza wyników
Każdy wykres na osi X zawiera informacje o prędkości poruszania się pojazdu oraz
wyniki obliczone jako średnia oraz odchylenie standardowe pięciu prób pomiarowych
zamieszczonych w tabelach. Oś Y przedstawia przepustowość łącza.
PRZESYŁ DANYCH TECHNOLOGIĄ GPRS/EDGE
Wniosek:
Pomiar o godzinie 18:00 wykazuje, że wraz ze wzrostem prędkości przemieszczania
rośnie prędkość wysyłania danych technologią GPRS/EDGE. Pomiar statyczny o tej
godzinie ma duża rozbieżność wyników co spowodowane jest zróżnicowaniem
zabudowania terenu na którym wykonane zostały badania. O godzinie 21:00 wraz ze
wzrostem prędkości spada przepustowość łącza a wyniki pomiarów statycznych są bardziej
ustabilizowane. Wynika to z mniejszej aktywności użytkowników sieci a co za tym idzie z
mniejszego obciążenia stacji bazowych.
28
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90160
180
200
220
240
260
280
300
320Prędkość pobierania danych technologią GPRS/EDGE
Prędkość przemieszczania [km/h]
Prz
epusto
wość łącza [
kb/s
]
Godz.18:00
Godz.21:00
Wniosek :
Wynik pomiaru prędkości pobierania danych technologią GPRS/EDGE o godzinie 18:00
jest wyższy niż o godzinie 21:00. Może być to spowodowane ruchem w sieci jaki generują
prywatni użytkownicy pobierający więcej danych w godzinach wieczornych. Przy
prędkości przemieszczania się 40km/h nastąpił znaczny spadek przepustowości
spowodowany przejazdem w pobliżu dużego osiedla mieszkalnego.
29
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90340
360
380
400
420
440
460
480
500Prędkość wysyłania danych technologią UMTS/HSxPA
Prędkość przemieszczania [km/h]
Prz
epusto
wość łącza [
kb/s
]
Godz.18:00
Godz.21:00
PRZESYŁ DANYCH TECHNOLOGIĄ UMTS/HSxPA
Wniosek:
Wynik pomiaru o godzinie 21:00 wykazuję wyższe odchylenia standardowe w
porównaniu z wynikami otrzymanymi z godziny 18:00. Można z tego wywnioskować, ze o
godzinie wcześniejszej sieć była bardziej stabilna i mniej obciążona a co za tym idzie
wysyłanie danych odbywało się na prawie stałym poziomie niezależnie od prędkości
przemieszczania.
30
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90320
340
360
380
400
420
440Prędkość pobierania danych technologią UMTS/HSxPA
Prędkość przemieszczania [km/h]
Prz
epusto
wość łącza [
kb/s
]
Godz.18:00
Godz.21:00
Wniosek:
Analiza wykresu pozwala zauważyć iż w przypadku pomiaru dokonanego o godzinie
18:00 prędkość pobierania danych wzrasta do prędkości 40 km/h by potem stopniowo
zmaleć. Natomiast o godzinie 21:00 przepustowość łącza maleje do prędkości 40 km/h,
wzrasta przy przyspieszeniu do 60 km/h a następnie gwałtownie maleje. Fakt ten trudno
zanalizować ze względu na brak wystarczających informacji od operatora sieci.
31
UŻYCIE POLECENIA TRACERT
Polecenia tracert użyto w celu wyświetlenia serii routerów IP, które są używane przy
dostarczaniu pakietów z danego komputera do miejsca docelowego, a także czasu trwania
każdego przeskoku.
GPRS/EDGE
UMTS/HSxPA
32
Analiza wyników badania przepustowości łącza, przy wykorzystaniu technologii
oferowanych przez operatora sieci ERA, pozwala na stwierdzenie, iż wyniki rzeczywistych
pomiarów prędkości znacznie odbiegają od założeń teoretycznych. Prędkość wysyłania czy
też pobierania danych wraz ze wzrostem prędkości przemieszczania się komórki powinna
spadać badanie wykazuje jednak, że wraz ze wzrostem prędkości przemieszczania,
szybkość transmisji wzrasta lub tylko w niektórych przypadkach ulega spadkowi.
Rozbieżność tą trudno uzasadnić z powodu braku wystarczających informacji posiadanych
wyłącznie przez operatora sieci a, znacznie wpływających na parametry transmisji w
danym momencie tj. ilość użytkowników korzystających z usługi w danym momencie,
jakie w danej chwili stosowane jest kodowanie, na ile jest ono nadmiarowe co ma wpływ
na spadek wydajności sieci oraz odległość od stacji bazowej która w danej chwili
obsługuje połączenie. Ponieważ podczas rozpędzania się komórki, oraz przy jeździe o
określonej prędkości bardzo szybko zmieniała się topologia terenu oraz gęstość
zaludnienia co znacznie zaburzyło wyniki pomiarów. Przy wykorzystaniu technologii
UMTS/HSxPA transmisja odbywa się średnio o 33% szybciej niż przy użyciu technologii
GPRS/EDGE. Użycie polecenia tracert pozwala zauważyć, iż czas przeskoku pakietów
pomiędzy poszczególnymi routerami w technologii GPRS/EDGE jest dużo większy niż w
przypadku UMTS/HSxPA. Teoretycznie, niezależnie od użytej technologii prędkość
wysyłania danych powinna być mniejsza od prędkości pobierania. W przypadku
przeprowadzonego badania sytuacja jest odwrotna, ponieważ sieć ta powinna być
asymetryczna a uzyskane wyniki mogą być uwarunkowane ilością użytkowników którzy
ściągają dane w trakcie dokonywania pomiarów. Kolejnym elementem nie możliwym do
poprawnej weryfikacji usług jest możliwość ograniczenia pasma wykorzystywanego
serwera FTP. Wyniki badania prędkości wysyłania, wykonane o godz. 18:00 wykazują
większą stabilność w zależności od prędkości poruszania się komórki, niż te o godz. 21:00.
Zależność tą można zauważyć porównując wynik badania statycznego do wyniku przy
prędkości 80km/h, o wcześniejszej porze przy użyciu technologii GPRS/EDGE różnica
wynosiła ok.18kb/s , natomiast o godz. 21:00 różnica ta wzrosła do ok.38kb/s. Porównując
pod tym samym względem technologie UMTS/HSxPA wyniki te przedstawiają się
następująco: 18:00 – ok. 16kb/s, 21:00-ok. 37kb/s. Stabilność wyników o godz. 18:00
może być spowodowana równomiernym obciążeniem sieci, przez duże firmy znajdujące
się na trasie pomiaru. O godzinie 21:00 większość firm jest już zamknięta a ruch w sieci
generują prywatni użytkownicy posiadający słabsze łącza.
33
Podsumowanie
Celem niniejszej pracy którym było porównanie przepustowości łączy
oferowanych przez technologie pakietowej transmisji danych w sieci telefonii
komórkowej zrealizowano poprzez opis zasady działania oraz architektury systemu GPRS.
W pracy poddano również analizie teoretycznej i omówiono metody zwiększenia
szybkości transmisji pakietów poprzez wprowadzanie transmisji wieloszczelinowej,
omówienie sposobu dołączenia i odłączenia od domeny pakietowej przy użyciu węzłów
SGSN oraz GGSN. Przedstawiono również schematy kodowania kanałowego, oraz podział
stacji ruchomych na kategorie, typy i klasy. Dodatkowo w pracy przedstawiono opis
powstania systemu EDGE oraz wprowadzenie ulepszeń oraz różnic w stosunku do GPRS.
W pracy omówiono również koncepcje systemu UMTS, najważniejsze innowacje
wprowadzone przez HSDPA i HSUPA oraz różnice między nimi. Dokonane zostały
pomiary, które miały na celu praktyczne porównanie technologii. Wyniki otrzymane w
pomiarach statycznych jak i dynamicznych o dwóch różnych porach dnia zostały
przedstawione na wykresach. Dla lepszego przedstawienia drogi jaką musi pokonać pakiet
danych wysyłany od abonenta zamieszczono wynik polecenia tracert. Wykonano również
analizę otrzymanych wyników.
Wraz ze wzrostem wymagań stawianych przez abonentów wykorzystujących telefony
komórkowe do przesyłania danych można spodziewać się w przyszłości rozwoju
technologii 3G a także budowy nowych stacji bazowych rozszerzających zasięg tej
technologii. Biorąc pod uwagę powyższy fakt powinno się zrealizować kolejne prace
dyplomowe mające na celu zbadanie przepustowości określonych systemów a tym samym
śledzenie postępu technologii. Dla uzyskania dokładniejszych, lepiej obrazujących
rzeczywiste możliwości technologii zaleca się przeprowadzenie pomiarów przy użyciu
dwóch lub więcej modemów oferowanych przez różnych operatorów sieci.
34
Literatura
1. Wesołowski K.: Systemy radiokomunikacji ruchomej, WKŁ, Warszawa 2003.
2. Praca zbiorowa NetWorld.: Vademecum Teleinformatyka, IDG Poland, Warszawa
2002.
3. Kołakowski J. Cichocki J.: UMTS system telefonii komórkowej trzeciej generacji,
Warszawa 2008
4. Simon A. Walczyk M.: Sieci komórkowe GSM/GPRS. Usługi i bezpieczeństwo,
XYLAB, Warszawa 2007
5. Bednarek Z.: Internet w kieszeni, http://www.pcworld.pl.
6. Autor nieznany: Ewolucja systemów komórkowych i podział na generacje,
http://www.zgapa.pl/data_files/referat_6358.html,
7. Autor nieznany: Wielodostęp w sieci komórkowej,
http://itpedia.pl/index.php/Wielodost%C4%99p_w_sieci_kom%C3%B3rkowej
8. Maćkowski M.: Zastosowanie pakietowej transmisji danych – GPRS w
rozproszonych systemach pomiarowych, http://www.ime.uz.zgora.pl.
9. Okolewski J.: Współczesne technologie telekomunikacyjne dla transmisji
pakietowych GPRS/EDGE/HSDPA,
http://www.zsk.p.lodz.pl/~morawski/Dyplomy/Praca%20dyplomowa%20p.%20Ok
olewskiego.pdf
35
Spis tabel i rysunków
Rys.1.1 Struktura wieloramki GPRS [9]
Rys.1.2 Mechanizm alokacji zasobów radiowych w sieciach GSM/GPRS [9]
Rys1.3 Architektura systemu GPRS [7]
Rys.1.4 Stos protokołów GPRS [9]
Rys.2.1 Budowa Ramki TDMA stosowanej w systemie UMTS [9]
Rys. 3.1 Przebieg trasy na której zostały wykonane pomiary , z oznaczeniem trzech miejsc
wykonania pomiarów statycznych
Rys. 3.2 Rozmieszczenie stacji bazowych ERA na trasie pomiarów
Tabela 1.1 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w GPRS [9]
Tabela 1.2 Modulacja i schematy kodowania w systemie EGPRS [9]
Tabela 2.1 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSDPA [9]
Tabela 2.2 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSUPA [9]