PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 119 Transport 2017 Mariusz Rychlicki, Zbigniew Kasprzyk, Tomasz Duniec Politechnika Warszawska, Wydział Transportu METODY OCENY PARAMETRÓW BEZPRZEWODOWEGO ŁĄCZA INTERNETOWEGO W TRANSPORCIE DROGOWYM I KOLEJOWYM Rękopis dostarczono, 2017 Streszczenie: W artykule zaprezentowano zbiór metod i narzędzi, dotyczących oceny kluczowych parametrów bezprzewodowego połączenia z Internetem. Podkreślono, że szeroka gama dostępnych technologii transmisyjnych staje się kluczowa w aspekcie jakości bezprzewodowego dostępu do Internetu. W naturalny sposób wymusza to konieczność oceny wykorzystywanego łącza pod kątem oceny jakościowej jego parametrów. Z tego powodu autorzy skoncentrowali się na metodach testowania i oceny jakości usług oraz opisie wykorzystywanych wskaźników. W artykule przedstawiono opracowaną metodologię pomiarów, która została zilustrowana algorytmami. Przedstawiono opracowaną na potrzeby testów aplikację mobilną, która umożliwia pomiar parametrów jakościowych łącza bezprzewodowego dostępu do Internetu. Testuje ona parametry połączeń internetowych, które oczywiście mogą się znacznie różnić w zależności od wykorzystywanego łącza. Jej wykorzystanie pozwala na obiektywną ocenę parametrów łącza i dokonanie niezbędnych porównań jakościowych. Opracowana metodologia i aplikacja testowa pozwoliły na przeprowadzenie testów i zaprezentowanie wyników pomiarów. Dzięki temu wykazano, że użytkownicy bezprzewodowego Internetu mogą samodzielnie oraz obiektywnie sprawdzić i określić jakość swojego połączenia z Internetem, wykorzystywanego w transporcie drogowym i kolejowym. Wyniki pomiarów zostały odpowiednio opisane i zilustrowane. Słowa kluczowe: inteligentne systemy transportowe, transport, Internet, jakość usług 1. WSTĘP Rozwój bezprzewodowego dostępu do Internetu jest dziedziną, która we współczesnym świecie stale się rozwija. Jest to determinowane głównie przez rosnący odsetek użytkowników telefonii komórkowej. Oprócz wykorzystywania standardowych usług telefonii komórkowej wzrosło zapotrzebowanie na usługi pakietowej transmisji danych w urządzeniach mobilnych. Są one wykorzystywane do realizacji wielu usług takich jak: przeglądanie stron www, oglądanie filmów, połączenia telefoniczne przez Internet (VoIP) oraz wiele innych. Sprawne funkcjonowanie ww. usług jest zależne, od jakości usługi dostępu do Internetu w urządzeniach mobilnych. Usługa ta powinna być świadczona na odpowiednim poziomie jakości. Użytkownik oczekuje świadczenia usług, które oferują mu możliwość swobodnego korzystania ze swojego urządzenia. Dostęp do usług o określonym poziomie jakości wpływa na zadowolenie użytkownika. Ponadto, dostarczenie usług o określonych
410 Mariusz Rychlicki, Zbigniew Kasprzyk, Tomasz Duniec parametrach jest bardzo istotne z punktu widzenia działania systemów wykorzystujących łączność bezprzewodową. Uważne obserwacje technologii wykorzystywanych do pakietowych transmisji danych, które w dzisiejszych czasach charakteryzują się dużym zainteresowaniem, pozwalają na stwierdzenie, że każda z tych technologii oferuje różny poziom parametrów transmisji. Zaobserwowano wiele przypadków, w których wartości przepustowości i prędkości transmisji oferowane przez operatorów telekomunikacyjnych różnią się od tych, które są dostępne podczas rzeczywistego korzystania z usług internetowych po stronie użytkownika. Wynikać to może z wielu czynników wpływających na jakość transmisji. W celu zweryfikowania oferowanych przez operatorów parametrów transmisji należy prowadzić badania, które pozwalają określić jakość usług dostarczanych do użytkownika. Do tego celu, wykorzystuje się odpowiednie programy i obserwacje, pozwalające użytkownikom zweryfikować dostarczany przez operatora poziom jakości usługi dostępu do Internetu. 2. JAKOŚĆ USŁUG W SIECIACH MOBILNYCH W przeciągu ostatnich lat można zauważyć gwałtowny rozwój usług internetowych oraz stale rosnące zapotrzebowanie na wykorzystywanie tych usług. Wiąże się to ze wzrostem wymagań nałożonych na połączenia z Internetem. Technologie, które są obecnie używane do prowadzenia swobodnej wymiany informacji, powinny być również odpowiednio zabezpieczone. Zabezpieczenie to odnosi się do odpowiednich mechanizmów, które zapewniają transmisje z zachowaniem określonego poziomu najważniejszych parametrów. Wszystko to zamyka się pod jednym pojęciem Quality of Service (QoS). Pojęcie to jest jednym z najważniejszych charakterystyk wykorzystywanych obecnie w Internecie. Najważniejsze znaczenie dla użytkownika ma jakość oferowanych usług, która może odnosić się do różnych aspektów definiujących system. W tym miejscu należy skupić się na usługach teleinformatycznych ustalonych na podstawie zalecenia ITU-T E.800, z których wynika uniwersalność wzajemnych powiązań stanu i własności sieci oraz jakości usług w siedmiu obszarach, które wymienione są poniżej [1]: Dostarczenie usługi w tym obszarze analizuje się właściwości określające zdolność dostawcy usługi do dostarczenia i utrzymania usługi oraz pomocy w jej utrzymaniu. W obszarze tym analizę prowadzi się na podstawie wielkości takich jak: średni czas dostarczenia usługi, prawdopodobieństwo błędnego rozliczenia usługi, a także prawdopodobieństwo integralności rozliczenia (zgodności rozliczenia z rzeczywistym użytkowaniem) Operatywność usługi jest to zdolność usługi do wykorzystania jej przez użytkownika pod względem łatwości, skuteczności i zgodności z przeznaczeniem. Miarami operatywności usługi są prawdopodobieństwa: pomyłki użytkownika związanej z korzystaniem z usługi, błędnego wyboru adresu, rezygnację z próby nawiązania połączenia z usługą od strony użytkownika oraz rezygnacji z usługi podczas jej czasu trwania [2]. Zdolność usługowa jest to możliwość zrealizowania wymaganej przez użytkownika usługi bez zmniejszenia poziomu jakości w wymaganym czasie. Cechy składowe w tym obszarze to: dostępność, ciągłość i integralność usługi.
Metody oceny parametrów bezprzewodowego łącza internetowego... 411 Dostępność usługi to zdolność utrzymania usługi w danym czasie w granicach określonej tolerancji czasowej. Miary te dzielone są na dwa zbiory: Prawdopodobieństwa: uzyskania połączenia, bezbłędnego routingu dostępu do usług i dostępności sieci, Średniego opóźnienia: dostępu do usługi, dotarcia do odbiorcy. Ciągłość usługi jest to zdolność uzyskania dostępu do usługi i jej kontynuowania w wymaganym przedziale czasowym. Ciągłość zależy od poziomu jakości transmisji tj. niezawodności systemu, dostępności elementów oraz wydajności ruchu w systemie. Podstawowe miary prawdopodobieństwa to: ciągłości połączenia, ciągłości usługi, przerwania połączenia i ukończenia realizacji usługi. Integralność usługi jest miarą dostarczenia usługi bez obniżania jej jakości. Miary integralności to: czas chwilowego przerwania usługi, czas pomiędzy dwoma kolejnymi przerwaniami usługi oraz średni czas trwania pojedynczego przerwania i średni czas pomiędzy dwoma kolejnymi przerwaniami. Bezpieczeństwo usługi jest to miara odnosząca się do nieautoryzowanego dostępu, celowego zakłócania usługi, wykorzystania i monitoringu, a także narażenia ze względu na oddziaływanie środowiska i czynnik ludzki. Zakłócenia mogą wpływać jednoznacznie na wymienione wcześniej właściwości usługi. Wymienione powyżej obszary gwarantowanego poziomu zrealizowania usługi zależne są od wydajności systemu o następujących własnościach [3]: Wydajność ruchowa systemu jest to zdolność systemu do przyjęcia wymaganego ruchu w sieci odnoszącego się m.in. do jego natężenia wraz z uwzględnieniem warunków niezawodnościowych komponentów systemu. Miary wydajności ruchowej to: średni czas opóźnienia, średnia liczba straconych bitów przy realizacji wybranych zadań w systemie. Niezawodność systemu bezwymiarowa właściwość systemu opisująca gotowość do świadczenia usług, która uwzględnia czynniki wpływające na gotowość: nieuszkadzalność, podatność na obsługę i zapewnienie środków obsługi. Zdolność transmisyjna systemu jest to możliwość systemu do odtwarzania i przesyłania sygnałów, zależna od zdolności medium transmisyjnego, służącego do przesyłania różnego rodzaju sygnałów. Miary zdolności transmisyjnej to: bitowa stopa błędów (BER) i prawdopodobieństwo jednosekundowej bezbłędnej transmisji pomiędzy dwoma punktami sieci. Przyczynami wpływającymi na jakość usług realizowanych w sieci są: Czynniki zewnętrzne czynniki, które działają w sposób destrukcyjny na elementy sieci podzielone na dwie klasy: żywiołowe, które są następstwem innych niż normalne warunków pogodowych i środowiskowych mających charakter destrukcyjny, takich jak: wichury, trąby powietrzne, trzęsienia ziemi, powodzie itp., wytworzone przez człowieka, skutki szczególnej działalności człowieka, które jednoznacznie wpływają na elementy topologii sieci. Wystąpienie stanu niezdatności elementu sieci wynikające z procesu starzenia się (określonego czasu zdatności urządzenia).
412 Mariusz Rychlicki, Zbigniew Kasprzyk, Tomasz Duniec 3. ZAPOTRZEBOWANIE NA ŁĄCZA O DUŻEJ PRZEPUSTOWOŚCI Rynek telekomunikacyjny jest w stanie ciągłego rozwoju. Rozwój ten nie jest już tak dynamiczny jak był na przełomie XX i XXI wieku, lecz nadal charakteryzuje się rozwojem. Tak jak Internet stacjonarny jest oferowany w większości obszarów Polski, tak Internet mobilny posiada jeszcze tzw. białe plamy, gdzie ludność odcięta jest od usługi mobilnego Internetu. Rozwój i dostępność usług internetowych wpływa jednoznacznie na ich popularność. W dzisiejszych czasach użytkownik sieci Internet oczekuje, zgodnie ze swoimi potrzebami, zapewnienia sprawnego przesyłania dużych ilości danych, co wymaga łącza szerokopasmowego. Z dostępnych i przedstawionych na rys. 1 danych łatwo zauważyć, że w perspektywie czterech lat ilość łączy o przepustowościach powyżej 50 Mb/s wzrosła ( od 1,3 w 2011 r. do 4,1 % w 2014 r.). W roku 2011 największą popularnością cieszyły się łącza o przepustowościach z przedziału 2-9,99 Mb/s, popularność tych łączy w roku następnym spadła na rzecz łączy o wyższych przepustowościach. W przeciągu ostatniego roku wzrosła grupa osób korzystających z Internetu o prędkości 10-29,99 Mb/s. W 2014 r. odsetek użytkowników łączy o takiej przepustowości wyniósł 27,4%. W roku ubiegłym było ich o ponad 3 pp. mniej [4]. Analizując lata 2011 i 2014 widzimy wyraźne przemieszczenie liczby łączy w kierunku wyższych przepustowości. Należy też podkreślić duży spadek liczby łącz o małych przepustowościach, co wyraźnie wskazuje nam trend, jaki pojawił się u użytkowników Internetu na przestrzeni tych czterech lat [5]. Rys. 1. Zmiany prędkości dostępu do Internetu stacjonarnego [5]
Metody oceny parametrów bezprzewodowego łącza internetowego... 413 Wraz z upływem lat popularność stacjonarnego dostępu do Internetu spada na rzecz Internetu mobilnego. Niemniej jednak nie jest to wyraźny spadek. Pomimo malejącej popularności, nadal większość użytkowników Internetu łączy się z nim za pośrednictwem łącza stałego. W 2014 r. 72% internautów posiadało ten typ dostępu, o 6 pp. mniej niż w roku poprzednim i o blisko 9 pp. mniej niż w roku 2011 o 5 pp. w stosunku do roku ubiegłego. Zwiększył się natomiast odsetek osób korzystających z Internetu mobilnego. W 2014 r. 27% użytkowników posiadało taką usługę. Analizując wykres na rysunku 1 należy stwierdzić, że popularność Internetu stacjonarnego maleje. Mobilny dostęp do Internetu, z natury pozbawionego ograniczeń wynikających ze stacjonarności, znalazł zastosowanie w domach większej grupy osób na przestrzeni analizowanych lat. 4. PROJEKT APLIKACJI I POMIARY PARAMETRÓW ŁĄCZA BEZPRZEWODOWEGO Celem opracowania prezentowanej aplikacji było zapewnienie możliwości wykonania pomiaru podstawowych parametrów bezprzewodowego łącza internetowego. Pomiar ten powinien odbywać się między urządzeniem użytkownika, a serwerem testowym. Przyjęto przedstawione poniżej założenia projektowe [6]. Aplikacja ma za zadanie dokonać pomiarów przepustowości, przepływności i stabilności bezprzewodowego łącza internetowego w czasie rzeczywistym: parametrów sieci mobilnych GSM, UMTS, LTE opartych na protokołach GPRS/EDGE, HSPA, HSPA+, LTE. parametrów: przepływność, przepustowość oraz opóźnienie sieci mobilnej w transmisji pakietowej. przedstawić graficznie otrzymane wyniki. stworzyć prosty i przejrzysty interfejs graficzny. umożliwić zapis wyników testu do pliku o rozszerzeniu.csv lub wysłanie wyników na pocztę elektroniczną (e-mail). ocenić jakość połączenia z Internetem na podstawie zmierzonych parametrów (ocena w skali pięciostopniowej). ocenić jakość połączenia z Internetem na podstawie przetworzonych danych z perspektywy podstawowych usług internetowych. Aplikacja została podzielona na 3 części: część użytkownika (testowa), część numerycznej prezentacji wyników, część graficznej prezentacji wyników. Podstawowe zadanie aplikacji, pracującej w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 2, to pomiar czasu opóźnienia i przepustowości łącza internetowego wg przyjętych algorytmów pomiarowych, przedstawionych na rysunkach 3 i 4. Ekran aplikacji, interfejs użytkownika i przykładowe wyniki pomiarów zostały przedstawione na rysunku 5 [6]. Aplikacja umożliwia również subiektywną ocenę parametrów i jakości łącza internetowego, wg kryteriów przedstawionych w tabeli 1.
414 Mariusz Rychlicki, Zbigniew Kasprzyk, Tomasz Duniec Rys. 2. Schemat układu pomiarowego, wykorzystanego podczas pomiarów parametrów łącza internetowego źródło: opracowanie własne Rys. 3. Algorytm pomiaru opóźnienia (PING TEST) źródło: opracowanie własne
Metody oceny parametrów bezprzewodowego łącza internetowego... 415 Rys. 4. Algorytm pomiaru przepustowości w kierunku downlink w dół źródło: opracowanie własne
416 Mariusz Rychlicki, Zbigniew Kasprzyk, Tomasz Duniec Przyjęte kryteria subiektywnej oceny parametrów i jakości łącza internetowego [6] Tab. 1 Grupa aplikacji Przeglądanie stron WWW Wideo SD Wideo HD Rozmowy wideo HD Usługi VoIP Gry sieciowe czasu rzeczywistego Pozostałe gry Prędkość transmisji (DOWNLINK) DL [Mb/s] Prędkość transmisji (UPLINK) UL [Mb/s] Opóźnienie [ms] Ocena > 1,0 - < 200 5 0,9-0,99-201 - 222 4 0,7-0,89-223 - 285 3 0,5-0,69-286 - 400 2 < 0,5 - > 400 1 > 2,0 - < 200 5 1,8-1,99-201 - 222 4 1,4-1,79-223 - 285 3 1,0-1,39-286 - 400 2 < 1,0 - > 400 1 > 6,0 - < 200 5 5,4-5,99-201 - 222 4 4,2-5,39-223 - 285 3 3,0-4,19-286 - 400 2 < 3,0 - > 400 1 > 1,5 > 1,5 < 150 5 1,35-1,49 1,35-1,49 151-166 4 1,05-1,34 1,05-1,34 167-214 3 0,75-1,04 0,75-1,04 215-300 2 < 0,75 < 0,75 > 300 1 > 0,52 > 0,52 < 150 5 0,468-0,519 0,468-0,519 151-166 4 0,364-0,467 0,364-0,467 167-214 3 0,26-0,363 0,26-0,363 215-300 2 < 0,26 < 0,26 > 300 1 > 2,0 > 1,5 < 30 5 1,8-1,99 1,35-1,49 31-33 4 1,4-1,79 1,05-1,34 34-42 3 1,0-1,39 0,75-1,04 42-60 2 < 1,0 < 0,75 > 60 1 > 1,0 > 1,0 < 200 5 0,9-0,99 0,9-0,99 201-222 4 0,7-0,89 0,7-0,89 223-285 3 0,5-0,69 0,5-0,69 286-400 2 < 0,5 < 0,5 > 400 1
Metody oceny parametrów bezprzewodowego łącza internetowego... 417 Rys. 5. Ekran aplikacji, interfejs użytkownika i przykładowe wyniki pomiarów źródło: opracowanie własne 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Zakres badań obejmował projekt własnej aplikacji do pomiaru i subiektywnej oceny parametrów bezprzewodowego Internetu oraz wykonanie pomiarów tych parametrów, celem oceny jakości bezprzewodowego łącza. W aplikacji wykorzystano protokół FTP do transmisji plików między serwerem testowym i urządzeniem użytkownika. Projekt aplikacji przedstawia wyniki w sposób prosty i czytelny. Interfejs graficzny jest przyjazny dla użytkownika i łatwy w obsłudze. Opracowanie aplikacji we własnym zakresie pozwala jej autorom na jej swobodną modyfikację i rozbudowę w kierunku wykorzystania w konkretnych aplikacjach inteligentnych systemów transportowych. Potencjalne możliwości wykorzystania aplikacji i zastosowania wyników przeprowadzonych badań to przede wszystkim transport kolejowy i drogowy. Dla zastosowań w obszarze transportu kolejowego należy w pierwszej kolejności wskazać na łączność pomiędzy podsystemami typu samoczynna sygnalizacja przejazdowa czy blokada liniowa z lokalnym centrum sterowania. W przypadku transportu drogowego główne aplikacje to systemy sterowania ruchem drogowym, ze szczególnym uwzględnieniem rozwiązań bezpośrednio związanych z bezpieczeństwem ruchu, np. awaryjne sterowanie w sytuacjach kryzysowych, czy zapewnienie łączności pojazdom uprzywilejowanym. Przygotowywanie własnej aplikacji pozwala również weryfikować jakość usług z perspektywy pojedynczego użytkownika, czyli w ocenie subiektywnej. Dzięki takim pomiarom, użytkownicy bezprzewodowego Internetu, mogą samodzielnie sprawdzić i określić jakość swojego połączenia z Internetem i dokonać jej oceny. Ocena łącza przy użyciu aplikacji daje możliwość zweryfikowania czy użytkownik otrzy-
418 Mariusz Rychlicki, Zbigniew Kasprzyk, Tomasz Duniec muje usługę na poziomie jakościowym, za który płaci lub oczekuje. Ponadto, poprzez prowadzenie regularnych pomiarów, aplikacja może dostarczyć pomocy w szukaniu i rozwiązywaniu problemów z łączem. Zamieszczone w niej wskaźniki oceny poszczególnych usług, pozwalają określić, z jakich usług internetowych użytkownik może bez problemu korzystać. Wzrost popularności tego typu badań może doprowadzić do rozbudowy architektury sieci, ponieważ użytkownicy mają możliwość wyboru dostawcy Internetu w oparciu zmierzoną jakość łączy operatora. Może także przyczynić się do oceny aplikacji wdrożonych w obszarze transportu, np. w transporcie publicznym. Gromadzenie wyników pomiarów może być podstawą do klasyfikacji dostawców usług na danym terenie oraz do rozbudowy innych systemów wykorzystujących łączność bezprzewodową, takich jak inteligentne systemy transportowe. Z punktu widzenia transportu istotne jest dążenie do opracowania szybkiej i stabilnej transmisji do pojazdu znajdującego się w ruchu, a do tego celu może służyć jedynie radiowa transmisja danych. Ocena parametrów takiego połączenia może mieć przełożenie na podniesienie jakości usług oraz poprawę funkcjonowania sieci w miejscach o obniżonej efektywności transmisji, do czego wydatnie może się przyczynić opracowana i przetestowana w praktyce aplikacja pomiarowa. Bibliografia 1. Siergiejczyk M., Gago S.: Jakość usług teleinformatycznych w transporcie kolejowym, Problemy Kolejnictwa, Instytut Kolejnictwa, Warszawa 2011. 2. Michalski W.; Idea badania jakości usługi dostępu do Internetu z udziałem użytkowników, Przegląd Telekomunikacyjny, nr 10/2013, SIGMA-NOT, Warszawa 2013. 3. Stankiewicz R., Jajszczyk A,: Sposoby zapewnienia gwarantowanej jakości usług w sieciach IP, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, Nr. 2/2002, SIGMA-NOT, Warszawa 2002. 4. Urząd Komunikacji Elektronicznej, Preferencje konsumentów rynku telekomunikacyjnego w latach 2011 2014, Warszawa 2014. 5. Urząd Komunikacji Elektronicznej, Raport z badania klientów indywidualnych, Rynek usług telekomunikacyjnych w Polsce w 2014 r., Warszawa 2014 r. 6. Duniec T.: Ocena parametrów bezprzewodowego łącza internetowego, Praca dyplomowa magisterska, WT PW, Warszawa 2015. EVALUATION METHODS OF MOBILE INTERNET WIRELESS CONNECTION QUALITY IN TRANSPORT Summary: In the paper the collection of facts concerning evaluation of key parameters of wireless Internet connection were described. The wide range of available transmitting technologies becomes a critical aspect especially when taking into account quality of wireless Internet connection were presented. The main aspects reflecting to mobile networks evaluation, in particular testing of service and description of ratios used for such evolution were presented. The primary goal of the article is presentation of the mobile application that enables measurement of wireless Internet connection qualitative parameters. More precisely the above mentioned application tests the capacity of Internet connections, which of course may differ significantly deepening on the Internet supplier. The testing methodology and the functional algorithm were presented. Finally the mobile application, is the main of thesis. It s goal is to describe functional aspects of application that tests wireless Internet connection quality. The measurement results were described and illustrated. Keywords: intelligent transport systems, transport, Internet, quality of services