Ocena efektywno ci transmisji IP z wykorzystaniem w skopasmowej radiostacji VHF

Transkrypt

1 Janusz Romanik, Robert Urban, Edward Golan, Adam Kra niewski, Paweł Skar y ski Zakład Radiokomunikacji i Walki Elektronicznej Wojskowy Instytut Ł czno ci Ocena efektywno ci transmisji IP z wykorzystaniem w skopasmowej radiostacji VHF W referacie przedstawiono ocen efektywno ci transmisji IP w w skopasmowych sieciach pola walki bazuj cych na radiostacjach RRC Na podstawie pomiarów wykonanych w warunkach laboratoryjnych odzwierciedlaj cych kanał AWGN została oszacowana przepływno dost pna dla u ytkownika podczas transmisji datagramów UDP. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczono charakterystyk w funkcji tłumienia w kanale radiowym. Okre lono warto ci graniczne, dla których nast puje automatyczna zmiana pr dko ci transmisji w wyniku zwi kszania tłumienia w kanale radiowym. Zmierzone warto ci zostały odniesione do pr dko ci transmisji. Na podstawie wyników bada okre lono maksymaln przepływno dost pn dla u ytkownika w najbardziej korzystnych warunkach, która wynosi 9,1 kbit/s. Ponadto stwierdzono, e optymalna wielko datagramu UDP wynosi 512 bajtów. Bazuj c na uzyskanych wynikach dokonano oceny efektywno ci transmisji z wykorzystaniem radiostacji pola walki RRC Wprowadzenie Post puj ca od kilku lat ewolucja w zakresie rosn cych potrzeb systemów dowodzenia przekłada si na konkretne wymagania, jakim musz sprosta systemy ł czno ci. Nale y podkre li, e obserwowany obecnie rozwój wojskowych systemów telekomunikacyjnych ukierunkowany jest na technologie szerokopasmowe, najcz ciej bazuj ce na protokole IP (ang. Internet Protocol). Obecnie trend ten obejmuje równie sieci bezprzewodowe, maj ce zasadnicze znaczenie na dynamicznie zmieniaj cym si polu walki. Warto w tym miejscu doda, e od kilku lat wi e si du e nadzieje z wprowadzeniem radiostacji IP na szczeblu taktycznym (ang. Tactical Internet) [1,2,3]. Urz dzenia radiowe działaj ce w oparciu o protokół IP pozwalaj na realizacj nowych usług, m.in. dostarczanie dowódcom aktualnych informacji o poło eniu sił przeciwnika (ang. RFT Red Force Tracking) i własnych (ang. BFT Blue Force Tracking) oraz o ich stanie, wyposa eniu, stratach i bie cym potencjale bojowym. Pierwszym krokiem w stron zastosowania protokołu IP w sieciach wojskowych jest wykorzystanie obecnie eksploatowanych urz dze, w których zaimplementowano stos protokołów TCP/IP i zł cze Ethernet 100BaseTX. Przykładem takiego urz dzenia jest radiostacja RRC 9210 firmy Radmor, która znajduje si na wyposa eniu Wojsk L dowych. Radiostacja ta pracuje w kanale w skopasmowym, który ogranicza mo liwo ci transmisyjne, ale w porównaniu do systemów szerokopasmowych oferuje znacznie wi kszy zasi g oraz wi ksz odporno na zakłócenia. Zgodnie z deklaracj producenta radiostacja zapewnia pr dko transmisji danych do 19,2 kbit/s w korzystnych warunkach propagacyjnych [4,5,6,8]. Zastosowanie najnowszego oprogramowania umo liwia skonfigurowanie radiostacji do pracy w sieci IP. Powstaje jednak uzasadnione pytanie, jaka jest efektywno transmisji pakietów IP w w skopasmowych kanałach simpleksowych. Dotychczas ten problem nie był w literaturze szeroko poruszany. Bardzo cz sto zdarza si, e producenci sprz tu radiowego nie udost pniaj szczegółowych informacji w zakresie zaimplementowanych mechanizmów i wydajno ci sieci, ograniczaj c si do ogólnego stwierdzenia, e urz dzenia zapewniaj realizacj usług bazuj cych na protokole IP.

2 Z punktu widzenia eksploatatorów systemu istotna jest wiedza na temat praktycznych mo liwo ci transmisyjnych i zasad konfiguracji urz dze, uwzgl dniaj cych wpływ kanału w skopasmowego [7]. W literaturze wiele miejsca po wi cono szerokopasmowym sieciom bezprzewodowym, dostrzegaj c wiele czynników warunkuj cych efektywn prac, które mog mie istotniejsze znaczenie w sytuacji w skopasmowych kanałów transmisyjnych [9,10,11]. Nale y w ród nich wymieni narzut informacyjny wynikaj cy z przesyłania danych z warstwy aplikacji poprzez kompletny stos protokołów IP. W konsekwencji, podczas transportowania pakietu przez poszczególne warstwy s dodawane kolejne nagłówki i w rezultacie znacz co wzrasta rozmiar przesyłanych danych. W warstwie fizycznej, oprócz danych u ytkowych, przesyłane s dodatkowe dane - synchronizacyjne, steruj ce i inne - co powoduje, e kanał transmisyjny musi by współdzielony. Dodatkowo, w warstwie fizycznej stosowane s ramki zarz dzaj ce i steruj ce, np. RTS (ang. Request to Send), CTS (ang. Clear to Send) lub ACK (ang. Acknowledgement), które równie ograniczaj mo liwo ci kanału transmisyjnego [8]. St d te oszacowanie efektywno ci transmisji IP w sieci w skopasmowej jest zagadnieniem istotnym i aktualnym. Kolejne zagadnienie dotyczy dostosowania rozmiaru pakietów do wielko ci ramek transmitowanych w warstwie fizycznej. Je li rozwa ana jest transmisja TCP (ang. Transmission Control Protocol), wówczas pakiety IP maj rozmiar kilkuset bajtów. W warstwie fizycznej dane o takim rozmiarze musz by poddane procesowi defragmentacji i przesyłania w kilku ramkach warstwy fizycznej. Ma to zasadniczy wpływ na opó nienia transmisji, szczególnie w sytuacji powstawania bł dów i konieczno ci retransmisji poszczególnych ramek. Ponadto, jednym z krytycznych parametrów protokołu TCP jest okres Timeout, po którym powinny nast pi potwierdzenia w warstwie transportowej. Warto tego parametru powinna by dostosowana do specyfiki w skopasmowego kanału transmisyjnego, co nie zostało dotychczas zbadane z u yciem radiostacji w skopasmowej RRC Bior c pod uwag zasygnalizowane wy ej problemy celowe staje si przeprowadzenie szczegółowych testów radiostacji VHF pod k tem jej mo liwo ci transmisyjnych. Wyniki testów powinny stanowi podstaw do oceny efektywno ci transmisji IP w niesprzyjaj cych warunkach. Uzyskane wyniki dostarcz niezb dne informacje do opracowania zasad konfiguracji radiostacji i całej sieci, oszacowania typowych przepływno ci dla zadanych odległo ci oraz zakresu usług mo liwych do realizacji. W efekcie mo liwe b dzie oszacowanie typowych pr dko ci transmisji dost pnych dla u ytkownika. W dalszej cz ci referat jest zorganizowany w nast puj cy sposób. W rozdziale 2. scharakteryzowano ł czno w skopasmow VHF. W rozdziale 3. opisano tryby transmisji IP charakterystyczne dla radiostacji RRC Rozdział 4. zawiera scenariusze i zało enia badawcze. Wyniki bada zawarto w rozdziale 5., natomiast podsumowanie w rozdziale 6.. W rozdziale 7. przedstawiono kierunki dalszych prac. 2. Ł czno w skopasmowa VHF Kanał radiowy, w przeciwie stwie do kanałów przewodowych, podlega gwałtownym zmianom, które zachodz w sposób losowy. Sygnał z nadajnika mo e dotrze do odbiornika po wielu cie kach na skutek odbi od przeszkód terenowych czy ugi cia sygnału. Efektem tego s fluktuacje amplitudy i fazy odbieranego sygnału nazywane krótko zanikami wielodrogowymi (ang. Multipath Fading). Wyst puj ce w kanałach radiowych zaniki s przyczyn grupowania si bł dów w tzw. paczki (ang. Burst Errors), których rozmiar i cz sto pojawiania si ma istotny wpływ na prac systemu ł czno ci bezprzewodowej [9]. Zjawisko to wyst puje z ró n sił w ró nych punktach, zatem zmiana poło enia urz dze nadawczo-odbiorczych mo e równie wpływa negatywnie na odbiór sygnału. Kanał transmisji w systemie telekomunikacyjnym opartym na radiostacjach pracuj cych w zakresie UKF jest w skopasmowy i wyst puj w nim zaniki nieselektywne cz stotliwo ciowo (tzw. zaniki płaskie). Zaniki tego typu pojawiaj si, gdy

3 wszystkie wielodrogowe składniki transmitowanego sygnału przychodz przed ko cem czasu trwania symbolu danych, a pasmo koherencji jest wi ksze od pasma transmitowanego sygnału [10]. Wymagania, jakim musz sprosta współczesne systemy ł czno ci wskazuj, e rozwój wojskowych systemów telekomunikacyjnych ukierunkowany jest na technologie szerokopasmowe, najcz ciej bazuj ce na protokole IP [12]. Dotychczasowe sieci radiowe szczebla taktycznego CNR (ang. Combat Net Radio) były budowane w oparciu o radiostacje w skopasmowe pracuj ce w zakresie cz stotliwo ci UKF i KF. Klasyczna ł czno radiowa opiera si na sieciach i kierunkach radiowych. Sieci radiowe z natury zapewniaj ł czno pomi dzy wieloma korespondentami radiowymi w trybie okólnikowym ( wszyscy słysz wszystkich ). W celu realizacji wybranych usług opartych na protokole TCP/IP, opracowano ró nego rodzaju punkty dost powe, czy bramy (gateway e), których głównym zadaniem była integracja systemów radiowego i przewodowego. Implementacja w urz dzeniach radiowych protokołu IP spowodowała jako ciowe zmiany w zakresie funkcjonowania sieci radiowych i pozwoliła na rezygnacj ze stosowania urz dze integruj cych. Aktualnie radiostacje wojskowe IP mo na wykorzystywa do budowy sieci radiowych tworzonych dora nie (ad-hoc), które zapewniaj wi ksz niezawodno transmisji i redundancj poł cze [12]. 3. Tryby pracy IP radiostacji RRC 9210 Siły Zbrojne RP wyposa one s od kilku lat w radiostacje z rodziny PR4G nazwane F@stnet, umo liwiaj ce transmisj danych zgodnie z protokołem TCP/IP. S to radiostacje plecakowe RRC 9210 o mocy do 10 W oraz radiostacje pokładowe RRC 9310AP ze wzmacniaczem zapewniaj ce moc wyj ciow 50 W. Radiostacje te wyposa one s w karty IP umo liwiaj ce transmisje pakietowe w kanale w skopasmowym 25 khz z pr dko ci do 19,2 kbit/s, oferuj w trybie CNR (ang. Combat Net Radio) transmisj danych do 43 kbit/s. Sterowanie i monitorowanie pracy radiostacji odbywa si z wykorzystaniem protokołu SNMP (ang. Simple Network Management Protocol). Implementacja najnowszej wersji oprogramowania radiostacji wprowadza szereg nowych rozwi za zwi zanych z wykorzystaniem urz dze do pracy z protokołem IP. Radiostacja RRC 9210 zapewnia dwa tryby pracy IP [12]: - IP-MUX (jednoczesna transmisja mowy i danych); - IP PAS (wył cznie transmisja danych). Tryb IP-MUX jest przewidziany do jednoczesnej transmisji mowy i danych IP w tym samym kanale radiowym, Rys.1. Rys. 1. Radiostacje RRC 9210 w trybie IP MUX

4 W tym trybie oferowana jest transmisja danych z pr dko ci do 4,8 kbit/s, która odbywa si w sposób simpleksowy lub w trybie wyzwalanego TDMA (ang. Time Division Multiple Access). Synchronizacja pracy hopingowej odbywa si z wykorzystaniem radiostacji pełni cej w sieci funkcj NCS (stacja nadrz dna). Podstawowa metoda synchronizacji zakłada jednak wykorzystanie odbiornika GPS. Przej cie radiostacji do pracy w trybie IP-MUX inicjowane jest przez radiostacj główn. W dowolnym momencie mo liwe jest dodanie i usuwanie radiostacji z sieci, co odbywa si poprzez odpowiedni komend z radiostacji NCS. Liczba radiostacji w sieci mo e pozosta nie zmieniona w porównaniu z trybem CNR, ale tylko maksymalnie do 32 mo e pracowa w trybie mowa/dane, pozostałe tylko w trybie mowy. W najnowszej wersji oprogramowania firmowego radiostacji zapewniona jest automatyczna zmiana (rozesłanie) tras routingu po rekonfiguracji sieci radiowej. Tryb IP PAS jest przewidziany wył cznie do transmisji danych z pr dko ciami do 19,2 kbit/s. Synchronizacja pracy hopingowej odbywa si w sposób rozproszony, nie wymaga sygnału z radiostacji NCS (w sieci nie istnieje stacja nadrz dna). Mo liwa jest retransmisja danych z u yciem maksymalnie 5 prz seł. Pojedyncza radiostacja pracuje wówczas jako retransmiter (Rys. 2). Dzi ki takim mo liwo ciom uzyskuje si znaczne powi kszenie zasi gu sieci, aczkolwiek nale y liczy si z istotnym wzrostem opó nie przesyłanych danych tryb dedykowany do transmisji danych czasu nierzeczywistego. Maksymalna liczba radiostacji w sieci radiowej pracuj cej w trybie IP PAS jest ograniczona. Ka da radiostacja w sieci w sposób automatyczny aktualizuje dane dotycz ce topologii sieci, do której nale y ( zna swoje otoczenie). W przypadku braku ł czno ci bezpo redniej, automatycznie nawi zywana jest ł czno z inn radiostacj w sieci. Rys. 2. Radiostacje RRC 9210 w trybie IP PAS 4. Scenariusz badawczy Celem przeprowadzonych testów było okre lenie pr dko ci transmisji zapewnianej u ytkownikowi podczas transmisji pakietów IP z wykorzystaniem radiostacji RRC Na podstawie wst pnych testów został wybrany tryb IP-PAS, który charakteryzuje si tym, e nie umo liwia transmisji głosu ale przeznacza całe dost pne pasmo na transmisj danych. Pozwala to na pomiar maksymalnej dost pnej przepływno ci dla u ytkownika. Do testów u yto dwóch radiostacji w konfiguracji punkt-punkt z doł czonymi terminalami u ytkownika (Rys. 3). Radiostacje pracowały w trybie IP-PAS z adaptacyjn pr dko ci transmisji i doborem kodowania korekcyjnego.

5 Rys. 3. Układ badawczy Pierwszy etap testów polegał na pomiarze charakterystyki w funkcji tłumienia w kanale radiowym. Jako medium transmisyjne wykorzystano symulator kanału AWGN (Rys. 3), który gwarantuje du powtarzalno wyników pomiarów i stabilno pracy badanego układu. Cech kanału AWGN, jest równomierny rozkład bł dów transmisji, a nie jak w przypadku rzeczywistych kanałów radiowych grupowanie w paczki bł dów. Warto SNR była zmieniana poprzez dobór warto ci tłumienia w kanale w zakresie od 130 db do 140 db z krokiem 1 db. Przy poziomie sygnału równym +27 dbm po stronie nadawczej uzyskiwano sygnał na wej ciu odbiornika radiostacji w zakresie: -103 dbm, poziom maksymalny sygnału; -113 dbm, granica czuło ci radiostacji. Zmiana warto ci w funkcji tłumienia w kanale została przedstawiona na Rys. 4. Znajomo warto ci była wykorzystana w dalszej cz ci bada. 1,00E-01 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 1,00E-05 1,00E-06 1,00E Tłumienie [db] Rys. 4. Bitowa stopa bł du

6 Kolejny etap testów polegał na pomiarze przepływno ci dost pnej dla u ytkownika w zale no ci od jako ci kanału radiowego. W tym celu mi dzy z terminalami przesyłano ruch UDP (Rys. 3). Dzi ki zastosowaniu protokołu UDP nie było wymagane przesyłanie potwierdze w warstwie transportowej i ewentualnych retransmisji bł dnie odebranych datagramów [11]. Terminale ko cowe wyposa one były w oprogramowanie pozwalaj ce na generacj i analiz ruchu IP o parametrach zdefiniowanych przez operatora, np. wielko datagramu UDP i cz sto generacji datagramów. Podsumowuj c scenariusz badawczy, jako kanału radiowego była zmieniana przez dobór warto ci tłumienia. Po stronie nadawczej były generowane pakiety UDP o rozmiarze 512 bajtów z tak cz stotliwo ci, aby uzyska strumie 12 kbit/s. Po stronie odbiorczej za pomoc dedykowanej aplikacji mierzona była przepływno dost pna dla u ytkownika. 5. Wyniki bada Na Rys. 5 przedstawiono warto przepływno ci zmierzon dla ró nych warto ci, podczas przesyłania ruchu UDP. Warto rednia przepływno ci została obliczona na postawie wyników pomiarów uzyskanych w okresie 20 s. Po ka dych 10 minutach pomiarów dokonywano zmiany warto ci poprzez zwi kszanie tłumienia w kanale radiowym. Na Rys. 4 na osi odci tych liter n oznaczono liczb kolejnych 20 sekundowych okresów pomiarowych. Na osi rz dnych naniesiono u rednion warto przepływno ci Przepływno [kbit/s] ,02E-07 8,45E-07 8,45E-06 8,18E-05 1,49E-04 6,47E-04 2,45E-03 6,95E-03 1,16E-02 1,88E n Rys. 5. Przepływno w układzie punkt-punkt Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów mo na stwierdzi, e maksymalna warto przepływno ci wynosi około 9,1 kbit/s. Ze wzgl du na fakt, e kanał transmisyjny jest wysokiej jako ci ( od 4,02*10-7 do 8,45*10-6 ) nadmiar kodowy jest niewielki. W momencie gdy warto osi ga warto 8,18*10-5, efektywna przepływno transmisji spada do warto ci 3,59 kbit/s. Spowodowane jest to zastosowaniem przez radiostacj kodu korekcyjnego o wi kszej nadmiarowo ci. Zwi kszanie warto ci w kanale do 1,88 *10-2 powoduje, e pr dko transmisji spada do około 1,49 kbit/s. W tej sytuacji radiostacja wykrywa du e ilo ci bł dów wyst puj cych w kanale i zaczyna stosowa silniejsze kody korekcyjne. Dalsze zwi kszanie

7 warto ci w kanale prowadzi do sytuacji, w której transmisja IP pomi dzy radiostacjami staje si niemo liwa, a poł czenie pomi dzy nimi zostaje zerwane. 6. Podsumowanie W referacie dokonano oceny mo liwo ci transmisji pakietów IP w w skopasmowych sieciach radiowych opartych o radiostacje RRC Bazuj c na wynikach pomiarów wykonanych w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem symulatora kanału AWGN oszacowano przepływno dost pn dla u ytkownika w relacji punkt-punkt dla ruchu UDP. Maksymalna pr dko transmisji dost pna dla u ytkownika wyniosła 9,1 kbit/s, natomiast minimalna ok. 1,5 kbit/s. Wyznaczono graniczne poziomy, przy których nast puje spadek pr dko ci transmisji zwi zany z zastosowaniem kodów nadmiarowych o wi kszych mo liwo ciach korekcyjnych. Poziomy te pozwalaj na oszacowanie pr dko ci transmisji w zadanych warunkach propagacyjnych. Uzyskane wyniki mog wst pnie posłu y do oceny jako ci kanału radiowego w warunkach rzeczywistych oraz pozwalaj oszacowa przepływno dost pn dla u ytkownika. W rezultacie umo liwi to okre lenie zestawu usług jakie mog by realizowane w sieci. Dotychczas uzyskane wyniki pozwalaj przypuszcza, e sie nie b dzie w stanie efektywnie przenosi usług czasu rzeczywistego, a jedynie usługi transmisji danych, np. czat, poczta elektroniczna, przesyłanie dokumentów, map i plików o ograniczonych rozmiarach. Jednak e cało ciowa ocena mo liwo ci realizacji pełnego zestawu usług wymaga przeprowadzenia dodatkowych bada, wykonywanych m.in. w warunkach rzeczywistych. 7. Kierunki dalszych prac Jednym z kierunków dalszych prac b dzie zbadanie efektywno ci sieci podczas przenoszenia ruchu TCP. Umo liwi to optymalny dobór warto ci parametrów, np. rozmiaru pola danych i okresu Timeout. Kolejnym zagadnieniem b dzie zbadanie mo liwo ci transmisji pakietów IP w warunkach rzeczywistych przy typowych odległo ciach mi dzy radiostacjami. Bazuj c na tych wynikach mo liwe stanie si okre lenie zestawu oferowanych usług oraz zasad konfiguracji urz dze pracuj cych w trybie IP. W rezultacie umo liwi to okre lenie, w jakich systemach wojskowych mo na zastosowa radiostacj w pracuj c trybie IP. Przewiduje si równie wykonanie bada wydajno ci mechanizmu retransmisji przy rozmieszczeniu radiostacji na odległo ciach bliskim zasi gom ł czno ci. Badania te umo liwi oszacowanie efektywno ci protokołu routingowego zaimplementowanego w radiostacji. Literatura 1. Praca zbiorowa pod redakcj M. Amanowicza, Zaawansowane metody i techniki tworzenia wiadomo ci sytuacyjnej w działaniach sieciocentrycznych. 2. B. Marczuk, Radiostacje szerokopasmowe, Przegl d Wojsk L dowych 03/ L. Stypik, Cyfrowe wsparcie pola walki - przyszło czy rzeczywisto, Przegl d Wojsk L dowych 10/ M. Gruszka, Taktyczny Internet w praktyce, Przegl d Wojsk L dowych 01/ E. Golan, A. Kra niewski, J. Romanik, P. Skar y ski, Assessment of needs and possibilities of using the broadband on-board and personal radio stations at the tactical level, Journal of KONBIN, Safety and reliability systems, Warsaw D. Pawłocki, W stron transmisji danych z protokołem IP, Nowa Technika Wojskowa 09/ J. Dudczyk, Optymalny dobór parametrów radiostacji szerokopasmowej ołnierza, Nowa Technika Wojskowa 09/ J. Romanik, P. Gajewski and J. Jarmakiewicz, A Resource Management Strategy to Support VoIP across Ad hoc IEEE Networks, ThinkMind Digital Library, Proceedings of The

8 Fourth International Conference on Communication Theory, Reliability and Quality of Service, April 17-22, 2011, Budapest, Hungary. 9. R. Urban, Metoda okre lania redniej długo ci paczek bł dów w kanale UKF w oparciu o analiz zmian warto ci, Biuletyn WAT, Warszawa B. Sklar, Digital Communications: Fundamentals and Applications (2nd Edition), Prentice- Hall, Upper Saddle River, New Jersey W. Wysota, J. Wytr bowicz, End to End QoS Measurements of TCP Connections, PPAM'07 Proceedings of the 7th international conference on Parallel processing and applied mathematics, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg B. Grochowina, J. Milewski, P. Skar y ski, R. Urban, K. Wilgucki, Mo liwo ci zastosowania transmisji radiowej IP w sieciach radiowych szczebla taktycznego, Journal of KONBIN, Warszawa 2011.