ZESPÓŁ LABORATORIÓW TELEMATYKI TRANSPORTU ZAKŁAD TELEKOMUNIKACJI W TRANSPORCIE WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

Transkrypt

1 ZESPÓŁ LABORATORIÓW TELEMATYKI TRANSPORTU ZAKŁAD TELEKOMUNIKACJI W TRANSPORCIE WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ LABORATORIUM Eksploatacji Systemów Telekomunikacyjnych INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 1 Analiza podstawowych parametrów sieci WIMAX TwTWTPW, DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Warszawa 2016

2 Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z podstawowymi własnościami systemów radiowych oraz konfiguracją urządzeń WiMAX na przykładzie stacji bazowej MicroMAX- SOC 3.5L FDDE oraz terminala abonenckiego EasyST 3.5G FDD produkcji firmy Airspan Networks pracujących w technologii w paśmie 3.5GHz FDD. Ćwiczenie umożliwi obserwację wpływu zmiany warunków propagacyjnych na prędkość transmisji oraz pozwoli zaobserwować działanie mechanizmu automatycznej kontroli mocy (ang. APC Automatic Power Controll) 1. Parametry określające jakość łącza radiowego Jakość łącza radiowego ma zasadniczy wpływ na jakość usługi oferowanej abonentom sieci radiowych oraz na pojemność sieci. Dwa podstawowe kryteria zapewniające pracę systemu radiowego na odpowiednim poziomie to: odpowiednia moc sygnału odbieranego przez odbiornik urządzenia gwarantująca prawidłową pracę demodulatora, czystość sygnału czyli stosunek właściwego sygnału do szumów otoczenia oraz szumów własnych generowanych w odbiorniku. 2. Moc odbieranego sygnału Wskaźnik mocy sygnału odbieranego (ang. RSSI, Receive Signal Strenght Indication) informuje nas o energii sygnału radiowego odbieranego przez dane urządzenie w kanale odbiorczym. Moc wyrażana jest w logarytmicznych jednostkach dbm określających o ile decybeli jest ona większa (lub mniejsza) od mocy 1mW. Typowy zakres mocy sygnału odbieranego przez terminal abonencki systemu WiMAX, zapewniający właściwą pracę mieści się w granicach od -90dBm do -30dBm, co odpowiada odpowiednio mocy od 0, mW do 0,001mW. Są to wartości bardzo małe i wprowadzenie logarytmicznej jednostki odniesienia do 1mW stanowi duże ułatwienie. Poniższe wzory przedstawiają zależność mocy wyrażanej w Wattach i dbm. PdBm = 10 log10( PmWatt ) PmWatt = 10 ( (PdBm)/10) Minimalna moc wymagana do pracy urządzenia związana jest z czułością jego odbiornika. 1

3 Pomiar mocy odbieranej nie jest informacją wystarczającą do poprawnej pracy urządzenia radiowego. W przypadku pojawienia się zakłócenia zewnętrznego (np. inne urządzenie pracujące z tą samą częstotliwością) moc sygnału odbieranego wzrośnie gdyż energia mierzona w kanale będzie większa. Spowoduje to jednak spadek jakości sygnału odbieranego a nie jego wzrost, dlatego konieczna jest dodatkowa analiza jakościowa sygnału. 3. Odstęp sygnału od szumu Różnicę pomiędzy mocą sygnału użytecznego a mocą sygnałów zakłócających nazywamy odstępem sygnału od szumu (ang. SNR - Signal to Noise Ratio). Poprzez sygnały zakłócające rozumiemy: szumy otoczenia oraz szumy własne odbiornika. Wartość stosunku sygnału do szumu wyrażana jest w decybelach [db]. Pomiar i prezentacja SNR jest najczęściej spotykaną metodą określenia jakości odbieranego sygnału - jest najszybsza, najłatwiejsza do zrealizowania i dlatego znajduje powszechne zastosowanie w urządzeniach abonenckich. Po stronie stacji bazowej która pracuje z wieloma terminalami określenie jakości sygnału odbieranego ma dużo większą wagę. Stąd producenci do określenia jakości sygnału odbieranego po stronie odbiornika stacji bazowej stosują metodę pomiaru CINR (ang. Carrier to Interference and Noise Ratio). Polega ona na pomiarze stosunku energii fali nośnej do energii interferencji oraz szumów. Jest to stosunek sygnału właściwego, odfiltrowanego wstępnie w torze odbiorczym, do szumu oraz identycznych sygnałów pochodzących ze źródeł podobnego pochodzenia np. od abonenta innej stacji pracującej z tą samą częstotliwością. 4. Przepływność bitowa Moc sygnału odbieranego oraz stosunek sygnału do szumu przekładają się bezpośrednio na przepływności bitowe uzyskiwane na danym łączu radiowym. Im wyższa wartość RSSI tym zazwyczaj wyższy wskaźnik SNR i CINR i tym wyższy poziom modulacji wykorzystywanej do transmisji. W systemach radiowych, w przeciwieństwie do systemów transmisyjnych kablowych należy odróżnić przepływność bitową w interfejsie radiowym (często określaną jako brutto) od przepływności bitowej uzyskiwanej na łączu Ethernet (netto). Wielu producentów sprzętu radiowego celowo podaje wartość brutto próbując lepiej pozycjonować swoje produkty. Najlepszym przykładem takich praktyk jest technologia WiFi, gdzie 54Mbit/s przepływności bitowej w interfejsie radiowym brutto, odpowiada około 2

4 25Mbit/s przepływności Ethernet-owej netto. Systemy WiMAX charakteryzują się dużo większą efektywnością. Przepływność netto dla najwyższej modulacji sięga 75-80% przepływności brutto. Efektywność bitowa jest wyrażana w bit/s/hz. Im wyższa jej wartość tym lepsze wykorzystanie kanału radiowego, co ma szczególne znaczenie w przypadku kanałów licencjonowanych płatnych. Efektywność bitowa interfejsu radiowego (brutto) systemu dla kanału 3,5MHz, przy ramce radiowej długości 10ms w najwyższej modulacji wynosi: 13.1Mbit/s * 1/3,5MHz = bit/s *1/ Hz = ~3,7 bit/s/hz natomiast efektywność bitowa netto (z włączeniem nagłówka ramki Ethernet): 10.4Mbit/s * 1/3,5MHz = bit/s *1/ Hz = ~3.0 bit/s/hz Dla niższych poziomów modulacji efektywność bitowa będzie odpowiednio mniejsza. 5. Rodzaje modulacji i stopnie kodowania stosowane w systemie Poziom modulacji i stopień kodowania użytego podczas transmisji pomiędzy stacją bazową i terminalem zależy od wartości zmierzonego parametru SNR lub CINR. Im wyższa jego wartość tym wyższy poziom modulacji jest użyty do transmisji. Pomiar SNR/CINR jest wykonywany niezależnie dla kierunku od stacji bazowej do terminala abonenckiego ang. downlink oraz od terminala abonenckiego do stacji bazowej ang. uplink. Przez poziom modulacji rozumiemy domyślnie typ użytej modulacji oraz stopień zastosowanego kodowania. Cztery podstawowe typy modulacji używanych w standardzie to: BPSK ang. Binary Phase Shift Keying jest to podstawowa forma modulacji kluczowania fazy, w której faza może przyjmować jedną z dwóch wartości przesuniętych względem siebie o 180 reprezentując logiczne 0 lub 1. QPSK Qadrature Phase-Shift Keying kwadraturowa modulacja kluczowania fazy polegająca na dwubitowym kodowaniu (00,01,10,11) opartym na 4 wartościach przesunięcia fazy: 0, 90, 180, QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation - kwadraturowa modulacja amplitudy i fazy oparta na konstelacji 16 punktowej. 64QAM 64 Quadrature Amplitude Modulation - kwadraturowa modulacja amplitudy i fazy oparta na konstelacji 64 punktowej We wszystkich systemach transmisyjnych stosuje się tzw. korekcję błędów w celu zwiększenia dokładności przesyłu. W systemach radiowych korekcja ta ma zasadnicze 3

5 znaczenie gdyż sygnał radiowy jest wyjątkowo podatny na zakłócenia. W standardzie stosowana jest technika kodowania nadmiarowego FEC (ang. Forward Error Correction) polegająca na przesyłaniu nadmiarowej ilości bitów kontrolnych służących do odzyskiwania właściwej informacji w przypadku jej przekłamania. Z mechanizmem FEC związany jest właśnie stopień kodowania. Dla FEC = 1/2, połowa przenoszonych danych to bity nadmiarowe służące do naprawiania przekłamanej (np. wskutek zakłóceń) przesyłanej informacji, FEC = 3/4 oznacza że tylko 1/4 danych to bity nadmiarowe. Poniższa tablica przedstawia podstawowe rodzaje modulacji oraz stopnie kodowania wraz z minimalnym wartościami wymaganego SNR dla stacji bazowej MicroMAX w kanale 3,5MHz w paśmie 3,5GHz FDD. Tablica 5.1. Czułość oraz CINR odbiornika stacji bazowej MicroMAX dla kanału 3,5MHz w paśmie 3,5GHz FDD (źródło: Rodzaj Modulacji Stopień kodowania Minimalna wartość CINR [db] gwarantująca poprawna pracę w danym poziomie modulacji Czułość odbiornika [dbm] BPSK 1/2 5,3-98 QPSK 1/2 7,8-94 QPSK 3/4 10, QAM 1/2 13, QAM 3/4 16, QAM 2/3 20, QAM 3/ Opis stanowiska laboratoryjnego schemat Stanowisko składa się ze stacji bazowej MicroMAX SOC 3.5 L FDDE, w skrócie BSR (ang. base station radio) zasilanej za pomocą modułu SDA-4S (ang. simple data adapter). Do stacji BSR za pomocą kabli wysokiej częstotliwości oraz tłumika nastawnego dołączony jest terminal abonencki SS (ang. subscriber station). Poprzez zmianę tłumienia za pomocą tłumika nastawnego możliwa będzie zmiana jakości sygnału odbieranego ze stacji BSR przez terminal 4

6 abonencki SS oraz w kierunku przeciwnym. Wraz ze spadkiem jakości sygnału można będzie zaobserwować zmianę modulacji oraz spadek wydajności bitowej łącza radiowego. Do modułu zasilającego SDA-4S oraz do terminala abonenckiego SS dołączone będą komputery osobiste PC (ang. Personal Computer) z darmowym oprogramowaniem do pomiaru przepływności bitowej łącza iperf.exe. Za pomocą odpowiednich komend w iperf.exe wymuszany będzie ruch w kierunku od stacji bazowej do terminala abonenckiego ang. downlink oraz od terminala abonenckiego do stacji bazowej ang. uplink. BSR oraz SS to urządzenia pracujące w paśmie 3,5GHz FDD (ang. Frequency Division Duplex) co oznacza, że częstotliwość sygnału nadawanego i odbieranego są różne. Tablica nr 6.1 przedstawia częstotliwości z jakimi może pracować BSR oraz SS w Polsce według planu zagospodarowania częstotliwości 3,5A3,5. Tablica 6.1. Częstotliwości pracy MicroMAX i SS (źródło: opracowanie własne) Nr kanału Częstotliwość nadawcza/odbiorcza BSR Kanał 3,5MHz Częstotliwość nadawcza/odbiorcza SS Kanał 3,5MHz 1 3, / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3, , / 3,

7 Rys Schemat połączeniowy stanowiska pomiarowego 6

8 7. Konfiguracja parametrów radiowych stacji bazowej BSR Przed przystąpieniem do pomiarów należy sprawdzić czy tłumik nastawny TR ustawiony jest na pozycję 30 oraz skonfigurować podstawowe parametry stacji bazowej: moc nadawczą stacji bazowej BSR (ang. base station radio), częstotliwość nadawczą, identyfikator stacji bazowej, częstotliwość odbiorczą szerokość kanału pracy, długość ramki WiMAX docelową wartość mocy sygnału odbieranego od terminala abonenckiego SS (ang. subscriber station) W celu konfiguracji BSR należy w przeglądarce internetowej na komputerze PC1 wpisać domyślny adres strony WWW stacji bazowej: i zalogować się jako admin, hasło: admin. Po pomyślnym zalogowaniu na stronę główną urządzenia należy wybrać zakładkę Advanced a następnie Config. W zakładce Config wyszukujemy w lewej kolumnie setmacdl i ustawiamy następujące parametry dla kierunku downlink: moc nadawcza stacji (tx-power): 10dBm częstotliwość nadawcza BSR (frequency): z tablicy nr 6.1 powyżej (wprowadzona wartość musi być wartością całkowitą) identyfikator stacji bazowej: (bs-id): dowolny klucz heksadecymalny w formacie adresu MAC, np.: 01:02:03:04:05:06 7

9 Rys Konfiguracja kierunku downlink Potwierdzamy wpisane dane przyciskiem Call. Jeśli wpisane wartości są prawidłowe na dole ekranu wyświetli się napis OK.. Jeśli wpisana wartość nie jest obsługiwana przez urządzenie, zostanie wyświetlony stosowny komunikat. Następnie wybieramy w lewej kolumnie setmacul i ustawiamy częstotliwość odbiorczą kierunku uplink (frequency): zgodnie z wybraną częstotliwością nadawczą BSR z tablicy nr 6.1. Rys Konfiguracja kierunku uplink 8

10 W kolejnym etapie konfiguracji wybieramy setmacframe w lewej kolumnie zakładki Config i ustawimy: stan kanału stacji (started): 1 szerokość kanału radiowego (bandwidth): 3.5MHz długość ramki radiowej WiMAX (duration): 10ms Rys Konfiguracja ramki WiMAX W ostatnim etapie konfiguracji wybieramy setrfrx w lewej kolumnie zakładki Config i ustawimy docelową wartość mocy sygnału odbieranego od SS (commanded-rx-power): -80 dbm. Ustawienie tego parametru ma za zadanie wprowadzić odpowiedni bilans łącza czyli stosunek mocy sygnału wysyłanego do mocy sygnału od SS. Rys Konfiguracja docelowej wartość mocy sygnału odbieranego od SS 9

11 Od tego momentu terminal abonencki SS może już zalogować się do stacji bazowej BSR. Zestawiony jest kanał zarządzający co można zweryfikować komendą ping z komputera PC1: ping , gdzie adres interfejsu WiMAX terminala abonenckiego SS. Nie jest jeszcze możliwa transmisja pomiędzy komputerami PC1 i PC2. Aby ją umożliwić należy stworzyć strumienie danych w obu kierunkach. 8. Konfiguracja strumieni danych Aby skonfigurować strumienie danych (ang. Service Flows) należy na stronie głównej stacji bazowej wybrać zakładkę Advanced a następnie zakładkę PROV_SF z głównego menu. Poprzez wybranie i bezargumentowe wykonanie funkcji Show_SS uzyskamy MAC adres aktualnie zalogowanego do stacji terminala abonenckiego. W celu ułatwienia dalszych kroków konfiguracyjnych należy skopiować lub zanotować MAC adres terminala. Następnie w lewej kolumnie zakładki PROV_SF wybieramy Create_Service_Class, gdzie konfigurujemy następujące parametry: identyfikator klasy usługowej (scid): (unikalny dla każdej tworzonej klasy usługowej) np. 10 nazwę klasy usługowej (scname): ciąg znakowy (unikalny dla każdej tworzonej klasy usługowej) np. MAX maksymalną przepływność jaką chcemy przypisać danej klasie usługowej (max-sustained-rate): przepływność w bitach / sekundę: np (20Mbit/s jest wartością dwukrotnie większą niż możliwa do osiągnięcia przepływność w kanale 3.5MHz. Ustawienie takiej wartości gwarantuje nam, że przepływność będzie ograniczana tylko przez fizyczną wydajność w poszczególnych stopniach modulacji). metoda dostępu do pasma w kierunku uplink (scheduling): best effort 1 1 Usługa best effort (BES) transmituje dane w sieci o możliwie najwyższej przepustowości ale za to bez gwarancji poziomu usług QoS. Jest to standardowy sposób postępowania z kolejkami pakietów w Internecie. Pakiety są wysyłane w kolejności napływania i są wysyłane tak szybko jak to tylko możliwe. 10

12 Rys Konfiguracja klasy usługowej Na bazie tak przygotowanej klasy usługowej możemy przypisać naszemu terminalowi abonenckiemu strumienie danych w kierunku downlink oraz uplink. W tym celu wybieramy Add_prov_SF w lewej kolumnie zakładki PROV_SF i konfigurujemy: identyfikator klasy usługowej (scid): 10 (wpisujemy numer klasy którą stworzyliśmy i chcemy zastosować dla danego strumienia) MAC adres terminala dla którego tworzymy strumień danych (mac address) wyróżnik strumienia danych (sfid): np (unikalny dla każdego tworzonego strumienia) kierunek strumienia danych (direction): downlink - dla kierunku od stacji bazowej do terminala abonenckiego, uplink dla kierunku od terminala abonenckiego do stacji bazowej klasyfikator pakietu (classifier1): any (taki wybór oznacza: zastosuj dany strumień dla każdego pakietu) Należy terminalowi przypisać oddzielnie strumień downlink oraz uplink. Oba mogą, ale nie muszą wykorzystywać jedną klasę usługową. 11

13 Rys Konfiguracja strumienia danych 9. Pomiar przepływności bitowej Przed przystąpieniem do pomiarów należy upewnić się, że: tłumik nastawny TR ustawiony jest na pozycję 30 stan linku radiowego odczytywanego na komputerze PC1 z terminala SS jest OPERATIONAL ; w tym celu w przeglądarce komputera PC2 otwieramy stronę WWW terminala abonenckiego i wybieramy zakładkę Signal Parameters i sprawdzamy tabelę Link Status (jak pokazano na rysunku nr 9.1 poniżej). w komputerach PC1 oraz PC2 wyłączona jest zapora ogniowa, pomiędzy komputerami PC1 oraz PC2 istnieje komunikacja IP. W tym celu należy z komputera PC2 wywołać w oknie wiersza poleceń cmd komendę ping: ping Jeśli komputer PC1 odpowiada na zapytania PC2 to możemy przechodzić do pomiarów, jeśli nie, to należy sprawdzić krok po kroku konfigurację stacji bazowej BSR. 12

14 Rys Odczyt parametrów obioru i transmisji terminala abonenckiego SS oraz stanu linku radiowego 10. Kierunek downlink Parametry łącza radiowego: SNR (Effective SNR), RSSI (Receive Signal Strength) oraz poziom modulacji (Modulation), obserwujemy na komputerze PC2 pod adresem terminala w zakładce Signal Parameters w tablicy Downlink Parameters (jak pokazano na rysunku nr 9.1 powyżej). Obracając pokrętłem tłumika nastawnego w prawo regulujemy parametry toru nadawczo-odbiorczego tak, aby w kierunku downlink terminal abonencki pracował z najwyższą możliwą modulacją: 64QAM3/4. Po dokonaniu pomiaru przepływności w danej modulacji przekręcamy pokrętłem tak, aby obniżyć poziom modulacji o jeden, aż do momentu uzyskania najniższej modulacji BPSK. Aktualny odczyt otrzymujemy poprzez każdorazowe odświeżenie strony z częstotliwością nie większą niż 1 raz na sekundę. Aby 13

15 pomiar przepływności był miarodajny modulacja powinna być stabilna. Jeśli w trzech kolejnych próbach wyniki będą znacznie się od siebie różnić należy dokonać korekty właściwości toru nadawczo-odbiorczego i powtórzyć pomiar. W celu dokładnego ustawienia toru nadawczo-odbiorczego, zaleca się dokonywania jego regulacji przy wymuszonej transmisji pomiędzy PC1 i PC2. W celu zmierzenia przepływności w kierunku downlink należy: na komputerze PC2 uruchomić program iperf w trybie serwer: iperf.exe s na komputerze PC1 uruchomić trzykrotnie program iperf w trybie klient: iperf.exe c P 10 t 30 Każde uruchomienie programu klienta z powyższymi parametrami spowoduje transmisję 10 jednoczesnych sesji (opcja P 10) 30 sekundowych (opcja t 30) protokołem TCP w kierunku od PC1 do PC2. Po trzydziestu sekundach w wierszu [SUM], w kolumnie Bandwidth pojawi się wynik pomiaru, którego uśrednioną wartość z trzech kolejnych prób należy zanotować w tablicy pomiarowej nr Przed każdą próbą należy odczytać aktualne parametry odbiorcze w kierunku downlink (Effective SNR, Receive Signal Strength) terminala i wartości uśrednione również zanotować w tablicy Tablica Wyniki pomiarów downlink Przepływność Modulacja oraz Średnie RSSI Średnie SNR bitowa interfejsu stopień [dbm] [db] radiowego kodowania [Mbit/s] 64QAM3/4 13,1 64QAM2/3 11,5 16QAM3/4 8,7 16QAM1/2 5,8 QPSK3/4 4,4 QPSK1/2 2,9 BPSK1/2 1,4 Średnia przepływność bitowa [Mbit/s] 14

16 11. Kierunek uplink Przed przystąpieniem do pomiaru przepływności w kierunku uplink należy zwiększyć moc nadawczą BSR w celu zapewnienia bardzo stabilnych warunków kierunku downlink i wyeliminowania ewentualnego wpływu tych warunków na wyniki pomiarów. W tym celu na komputerze PC1 na stronie WWW stacji BSR wybieramy zakładkę Advanced i w zakładce Config wyszukujemy w lewej kolumnie setmacdl. Ustawiamy moc nadawczą stacji (tx-power) na 25dBm i potwierdzamy przyciskiem Call. Obracając pokrętłem tłumika nastawnego regulujemy parametry toru nadawczoodbiorczego tak, aby w kierunku Uplink terminal abonencki pracował z najwyższą możliwą modulacją: 64QAM3/4 (w celu dokładnego ustawienia toru nadawczo-odbiorczego, zaleca się dokonywania jego regulacji przy wymuszonej transmisji pomiędzy PC1 i PC2). Po dokonaniu pomiaru przepływności w danej modulacji przekręcamy pokrętłem tak, aby obniżyć poziom modulacji o jeden (zgodnie z tabelą pomiarową nr 11.1), aż do momentu uzyskania najniższej modulacji BPSK. W celu zmierzenia przepływności w kierunku uplink należy: na komputerze PC1 uruchomić program iperf w trybie serwer: iperf.exe s na komputerze PC2 uruchomić trzykrotnie program iperf w trybie klient: iperf.exe c P 10 t 30 Każde uruchomienie programu klienta z powyższymi parametrami spowoduje transmisję 10 jednoczesnych sesji 30 sekundowych protokołem TCP w kierunku od PC2 do PC1. Po trzydziestu sekundach w wierszu [SUM], w kolumnie Bandwidth pojawi się wynik pomiaru. Uśrednione wartości z pomiarów również zanotować w tablicy

17 Tablica Wyniki pomiarów uplink Moc Przepływność Modulacja oraz nadawcza bitowa interfejsu stopień SS radiowego kodowania [dbm] [Mbit/s] 64QAM3/4 11,5 64QAM2/3 10,1 16QAM3/4 7,6 16QAM1/2 5,1 QPSK3/4 3,9 QPSK1/2 2,5 BPSK1/2 1,2 Zmierzona przepływność bitowa [Mb/s] Po zakończeniu ćwiczenia, należy usunąć całą konfigurację BSR. Uzyskujemy to logując się przeglądarką WWW na stronę główną BSR (lub wybierając zakładkę Home jeśli znajdowaliśmy się w zakładce Advanced) następnie wybieramy zakładkę Reset i w lewej kolumnie wybieramy Reset to Factory Default. Komenda ta przywróci ustawienia fabryczne sprzętu. 12. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać wyniki wszystkich pomiarów wraz z wyciągniętymi z ćwiczenia wnioskami. W sprawozdaniu nie należy umieszczać opisów teoretycznych ćwiczenia, należy opracować interpretację otrzymanych wyników pomiarów wraz z opisem ich wykonania. 16