Politechnika Poznańska Wydział Elektroniki i Telekomunikacji Michał Maćkowski Badania rozproszonych systemów pomiarowych z transmisją danych w sieci telefonii GSM AUTOREFERAT rozprawa doktorska przedłożona Radzie Wydziału Elektroniki i Telekomunikacji Politechniki Poznańskiej promotor: prof. dr hab. inż. Waldemar Nawrocki, Politechnika Poznańska recenzenci: dr hab. inż. Hanna Bogucka, Politechnika Poznańska dr hab. inż. Wiesław Winiecki prof. Politechniki Warszawskiej Poznań, 28
1. Problematyka badań Współczesne techniki telekomunikacyjne i informatyczne umożliwiają budowę rozproszonych systemów pomiarowych o zasięgu globalnym. Wykorzystanie do transmisji danych sieci komputerowych, Internetu oraz łączy telekomunikacyjnych stwarza nowe możliwości rozwiązań rozproszonych systemów pomiarowych, stanowiąc alternatywę dla klasycznych systemów interfejsów stosowanych obecnie w metrologii i automatyce. Do transmisji danych w rozproszonych systemach pomiarowych coraz częściej stosuje się transmisję bezprzewodową. Bezprzewodowa transmisja danych pomiarowych może być alternatywą dla transmisji przewodowej, szczególnie w przypadkach, gdy obiekt pomiaru znajduje się w trudno dostępnym miejscu (np. tereny górzyste, leśne, parki narodowe, itp.), gdy brak jest odpowiedniej infrastruktury teleinformatycznej lub gdy obiekt pomiaru przemieszcza się. Systemy pomiarowe z transmisją danych przez sieci GSM i UMTS dobrze spełniają to zadanie. Ich podstawowymi zaletami są duży zasięg potencjalnego systemu (obszar działania sieci) oraz brak wysokich nakładów inwestycyjnych przeznaczonych na budowę infrastruktury telekomunikacyjnej. W systemach pomiarowych można wykorzystać wszystkie usługi transmisji danych dostępne w sieciach GSM i UMTS: SMS, CSD (HSCSD), GPRS, EDGE, HSDPA, HSUPA. O wyborze konkretnego sposobu transmisji decyduje: przeznaczenie systemu, jego wymagania określające ilość, częstość i szybkość transmitowanych danych oraz dostępność poszczególnych usług transmisji danych na obszarze działania systemu. W wielu systemach pomiarowych istotne znaczenie ma określenie i zachowanie zależności czasowych pomiędzy kolejnymi zdarzeniami w systemie. W wyniku przetwarzania i transmisji danych w systemie powstają opóźnienia. Opóźnienia te mogą wprowadzać błędy pomiarowe oraz mogą być przyczyną niewłaściwego działania systemu. W komputerowych systemach pomiarowych, szczególnie w systemach transmitujących dane przez sieci komputerowe i telekomunikacyjne, czasy opóźnień mogą być zmienne. Przyczynami zmian czasu opóźnień są: zmienne obciążenie medium transmisyjnego oraz wielozadaniowość systemów operacyjnych. Duże i często nieprzewidywalne zmiany czasów transmisji danych występują w systemach transmitujących dane za pomocą publicznych sieci telekomunikacyjnych oraz Internetu. Na prędkość transmisji mogą mieć wpływ zmienne czynniki takie jak bieżące natężenie ruchu w sieci, odległość pomiędzy stacjami wymieniającymi dane oraz jakość wykorzystywanej infrastruktury sieciowej. Stwarza to dużą trudność przy teoretycznym szacowaniu wartości opóźnień wynikających z transmisji i przetwarzania danych. Dlatego istnieje konieczność doświadczalnego wyznaczania wartości czasów transmisji i przetwarzania danych oraz zakresu ich zmian w rzeczywistych systemach. Eksperymentalne wyznaczenie parametrów czasowych pozwala określić ich wartości średnie i graniczne co umożliwi optymalizację czasową systemów. Ponieważ usługi transmisji danych, które są aktualnie oferowane przez operatorów sieci komórkowych, są sukcesywnie rozwijane i rozszerzane, a także ciągle są udostępniane nowe technologie transmisji danych, to pojawia się potrzeba ciągłego badania ich parametrów. Badania te dają informacje potencjalnym użytkownikom tych usług i technologii o ich rzeczywistych możliwościach. 2. Cel i zakres pracy Celem pracy są badania wybranych parametrów transmisji danych za pośrednictwem sieci GSM i UMTS oraz analiza zarejestrowanych wyników w celu określenia możliwości i zakresu wykorzystania tej transmisji w rozproszonych systemach pomiarowych i pomiarowo-sterujących. Wyniki przeprowadzonych badań są niezbędne w procesie projektowania i programowania rozproszonych systemów pomiarowych, gdyż pozwolą projektantom na podjęcie decyzji o przydatności transmisji w wybranej technologii do określonych zadań oraz na wyznaczenie zależności czasowych w systemie wykorzystującym tę transmisję. - 2 -
Po wykonaniu serii wstępnych badań systemów pomiarowych transmitujących dane za pośrednictwem sieci GSM sformułowano tezę: Właściwości i parametry rozproszonych systemów pomiarowych i pomiarowo-sterujących wykorzystujących sieci GSM i UMTS są określone przez parametry dynamiczne usług transmisji danych w tych sieciach. W celu weryfikacji tezy przeprowadzono badania wybranych parametrów dynamicznych transmisji wykorzystując specjalnie do tego celu opracowane systemy pomiarowe. Wykonano pomiary czasu przesyłania wiadomości SMS, a dla systemów transmisji HSCSD, GPRS, EDGE, UMTS wykonano pomiary: czasu zestawienia kanału transmisyjnego pomiędzy zdalną stacją a centralą systemu; efektywnej prędkości transmisji; czasu transmisji pakietów danych o różnej wielkości; liczby utraconych pakietów przy transmisji wg protokołu UDP; maksymalnej częstotliwości próbkowania sygnału, dla której wyniki przetwarzania można transmitować na bieżąco. W trakcie pracy opracowano i sprawdzono przykładowe systemy pomiarowe, przeznaczone m.in. do: rejestracji pomiarów temperatury ze zdalnych stacji pomiarowych, zdalnej obsługi multimetru cyfrowego, konfiguracji i transmisji danych ze zdalnej stacji pomiarowej wyposażonej w kartę pomiarową, nadzoru, sterowania i akwizycji danych w rozległym systemie pomiarowo-sterującym wykorzystującym przemysłowe moduły Compact FieldPoint. 3. Badania systemów transmitujących dane za pośrednictwem wiadomości tekstowych SMS Czas transmisji wiadomości SMS w systemach pomiarowych Całkowity czas transmisji wiadomości SMS pomiędzy elementami systemu pomiarowego składa się z kilku etapów. Na rysunku 3.1 przedstawiono schematycznie przesłanie wiadomości SMS pomiędzy dwoma użytkownikami systemu. Rys. 3.1. Czas transmisji wiadomości SMS w systemie pomiarowym Gdzie: T KTN czas potrzebny na przesłanie wiadomości z komputera do terminala nadawczego, T TNC czas potrzebny na przesłanie wiadomości z terminala nadawczego do centrum SMSC, T CC czas związany z obsługą wiadomości SMS w centrum SMSC, T CPN czas potrzebny na przesłanie nadawcy potwierdzenia o poprawnym wysłaniu SMS-a, T CTO czas potrzebny na przesłanie wiadomości z centrum SMSC do terminala odbiorczego, T TOK czas potrzebny na przesłanie wiadomości z terminala odbiorczego do komputera. Ze względu na brak synchronizacji zegarów komputerów w systemie pomiarowym z komputerem centrali SMSC nie można dokładnie wyznaczyć wartości czasów T TNC, T CPN oraz T CTO. Również czas T CC obsługi wiadomości przez centralę SMSC nie jest znany. W trakcie badań wykonano następujące pomiary: czasu przesyłania wiadomości z komputera do terminala nadawczego GSM T KTN, całkowitego czasu transmisji wiadomości T CT, można opisać zależnością 3.1: - 3 -
19:24 2:39 22:7 23:22 :37 1:52 3:22 5:22 6:52 8:1 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18:12 19:14 22:51 :1 1:11 2:21 3:31 4:41 5:51 7:1 8:11 9:21 1:31 11:41 12:51 14:1 15:11 16:21 17:31 18:41 19:51 21:1 22:11 19:23 2:38 22:6 23:21 :36 1:51 3:21 5:21 6:51 8: 8:59 9:59 1:59 11:59 12:59 13:59 14:59 15:59 16:59 18:11 19:13 22:5 : 1:1 2:2 3:3 4:4 5:5 7: 8:1 9:2 1:3 11:4 12:5 14: 15:1 16:2 17:3 18:4 19:5 21: 22:1 T CT T T T T T. (3.1) KTN TNC CC przybliżonego czasu wysyłania wiadomości SMS T W. Czas ten zdefiniowano jako wartość czasu od chwili wysłania wiadomości z komputera nadawczego do chwili otrzymania potwierdzenia o jej poprawnym przesłaniu z centrum SMSC (+CMGS: xx). Czas ten określono zależnością 3.2: T W KTN TNC CTO CPN TOK T T T. (3.2) czas transmisji wiadomości SMS T T. Czas ten zdefiniowano jako wartość czasu od chwili wysłania wiadomości z terminala nadawczego do odbioru wiadomości przez terminal odbiorczy, czyli do chwili wyświetlenia komunikatu +CMTI: ME, x na terminalu odbiorczym. Czas T T opisuje zależność 3.3: T T T T T. (3.3) czasu przesyłania wiadomości z terminala odbiorczego do komputera T TOK. TNC CC Uproszczony schemat systemu pomiarowego oraz jego fotografię pokazano na rysunku 3.2. Do przeprowadzenia pomiarów wykorzystano specjalne oprogramowanie opracowane w środowisku LabVIEW. CTO Rys. 3.2. System pomiarowy przeznaczony do pomiaru czasu transmisji wiadomości SMS Pomiary czasu transmisji wiadomości SMS Terminal nadawczy co 15 minut wysyłał dwa SMS-y: jeden do odbiorcy we własnej sieci GSM, a drugi do odbiorcy w innej sieci GSM. W wykorzystanym systemie pomiarowym wartości czasu T KTN =,3 s i T TOK =,34 s były stałe. Wyniki zarejestrowanych serii pomiarowych przedstawiono w postaci wykresów na rysunkach 4.3. Zdefiniowano czas odczytu wiadomości T O jako różnicę (3.4): T O T T. (3.4) T W 12 1 8 Transmisja wiadomości SMS wewnątrz sieci Plus 12 1 8 Transmisja wiadomości SMS wewnątrz sieci Orange 6 6 4 4 2 To Tw 2 To Tw 12 1 8 6 Transmisja wiadomości SMS z sieci Plus do sieci Orange 12 1 8 6 Transmisja wiadomości SMS z sieci Orange do sieci Plus 4 4 2 To Tw 2 To Tw Rys. 3.3. Zarejestrowane wartości czasu transmisji SMS-ów - 4 -
Całkowita wysokość prążków na wykresach przedstawia czas transmisji T T. Analizując zarejestrowane wyniki pomiarów stwierdzono, że czas transmisji T CT wiadomości SMS w ciągu doby utrzymywał się na stałym poziomie i zawierał się w przedziałach od 5,3 s do 11,5 s dla SMS-ów wysyłanych z sieci Plus GSM oraz od 7,23 s do 12,4 s dla SMS-ów wysyłanych z sieci Orange. W celu porównania czasów transmisji wiadomości SMS w badanych sieciach GSM oraz pomiędzy abonentami jednej oraz dwóch sieci GSM, przeprowadzono analizę statystyczną serii pomiarowych zaprezentowanych poprzednim podpunkcie. Wszystkie serie pomiarowe zawierały po 12 pomiary czasu wysyłania oraz czasu transmisji wiadomości SMS. Wyznaczono parametry estymacji punktowej: wartość średnią oraz odchylenie standardowe (tabela 3.1). Tabela 3.1. Wartości czasu transmisji SMS-ów Sieć nadawcy Plus GSM Orange Czas wysłania SMS-a T W Całkowity czas transmisji SMS-a T CT Czas wysłania SMS-a T W Całkowity czas transmisji SMS-a T CT Sieć odbiorcy Plus GSM Orange Wartość minimalna 2,77 2,72 Wartość średnia 3,29 3,29 Wartość maksymalna 5,75 5,52 Odchylenie standardowe,54,55 Wartość minimalna 5,34 5,56 Wartość średnia 6,31 6,8 Wartość maksymalna 9,35 11,49 Odchylenie standardowe,62,86 Wartość minimalna 3,93 3,93 Wartość średnia 5,53 5,36 Wartość maksymalna 7,72 7,77 Odchylenie standardowe,73,7 Wartość minimalna 7,59 7,26 Wartość średnia 9,13 8,93 Wartość maksymalna 12,43 11,93 Odchylenie standardowe,85,81 Interpretacja wyników W rezultacie przeprowadzonych badań wykazano, że czas transmisji wiadomości SMS jest różny w sieciach GSM, zarządzanych przez różnych operatorów. Czas transmisji wiadomości SMS pomiędzy użytkownikami jednej sieci GSM jest krótszy niż czas transmisji SMS-a do użytkownika innej sieci GSM. Największy wpływ na czas przesłania SMS-a ma sieć, z której jest on wysyłany. Wartości czasu transmisji wiadomości SMS były na jednakowym poziomie w trakcie całej doby. Nie zarejestrowano wartości czasu transmisji, które by w znaczący sposób odbiegały od wartości średnich. 4. Badania systemów transmitujących dane przez łącza z komutacją kanałów HSCSD Badania systemów pomiarowych wykorzystujących szybką transmisję danych z komutacją kanałów HSCSD przeprowadzono w systemach transmitujących dane za pośrednictwem sieci telekomunikacyjnych GSM i PSTN oraz za pośrednictwem sieci GSM i Internetu (rys. 4.1). Rys. 4.1. Schematy blokowe wykorzystywanych systemów pomiarowych z transmisją HSCSD - 5 -
Wszystkie badania przeprowadzono transmitując dane przez sieć Plus GSM, ponieważ jest to jedyna sieć GSM w Polsce, która udostępniła ten sposób transmisji. Badano transmisję symetryczną o przepływności 28,8 kbit/s w obu kierunkach. 4.1. Badania systemów transmitujących dane przez sieci telekomunikacyjnych GSM i PSTN W badanych systemach centrala systemu pomiarowego (CSP) była podłączona do publicznej linii telefonicznej PSTN poprzez analogowy modem zgodny ze standardem V.92. Mobilna stacja pomiarowa, wyposażona w terminal pracujący w technologii HSCSD, nawiązywała połączenie telefoniczne z centralą systemu dodzwaniając się do niej. Pracą CSP i stacji sterowało oprogramowanie, które zostało specjalnie do tego celu opracowane w środowiskach HP VEE oraz LabVIEW. Modem analogowy zgodny ze standardem V.92 umożliwia transmisję danych z maksymalnymi przepływnościami 56 kbit/s dla danych pobieranych (ang. downlink) oraz 48 kbit/s dla danych wysyłanych (ang. uplink). Zastosowany modem GSM pracował z przepływnością 28,8 kbit/s dla danych wysyłanych i odbieranych. Zatem maksymalna przepływność kanału transmisyjnego pomiędzy stacją i CSP wynosiła 28,8 kbit/s. Czas zestawienia połączenia pomiędzy stacją pomiarową a centralą systemu Czas zestawienia połączenia między stacją a CSP mierzono od chwili wywołania numeru telefonicznego centrali (komenda atd) do chwili uzyskania połączenia (komunikat CONNECT 288). Wartości czasu zestawienia połączenia zawierały się w przedziale od 24 do 32 s. Pomiar czasu transmisji pakietów danych w systemie Na rysunku 4.2 przedstawiono program sterujący pracą stacji pomiarowej. Program ten umożliwiał przesłanie zadanej liczby pakietów o ustalonej wielkość w określonych odstępach czasu. Po uruchomieniu program inicjował połączenie z centralą sytemu, rejestrował czas nawiązania połączenia, następnie wysyłając i odczytując kolejne pakiety danych mierzył i rejestrował czas retransmisji pakietów. Dodatkowo w celu sprawdzenia poprawności transmisji porównywał dane wysłane z odczytanymi oraz sumował liczbę bajtów danych wysłanych i odebranych. Rys. 4.2. Okno programu wykorzystywanego do pomiaru czasu transmisji pakietów danych Po przeprowadzeniu każdej serii pomiarowej sprawdzano czy ilość bajtów wysłanych i odczytanych są równe oraz czy podczas porównywania danych wysyłanych i odebranych wykryto różnice. W trakcie badań nie stwierdzono błędów w transmisji, wszystkie wysłane dane zostały poprawnie odczytane. Typowe rejestrowane wartości czasu transmisji pakietów w badanym systemie przedstawiono w tabeli 4.1. Oprócz sesji pomiarowych, w których rejestrowany czas transmisji był na zbliżonym poziomie rejestrowano również takie, w których wartość czasu były przeszło dwukrotnie dłuższe. Wartości takie rejestrowano sporadycznie. Na rysunku 4.3 pokazano przykładowe zarejestrowane serie pomiarowe. - 6 -
Tabela 4.1. Typowe czasy transmisji pakietów w badanym systemie Wielkość pakietu [Bajt] min średnia max odch. standar. 1,414,441,929,15 2,414,437,499,17 5,413,48 1,133,93 1,452,544 1,114,145 2,494,544 1,393,119 5,573,634 1,534,144 1,732,779 1,34,52 2 1,41 1,69 1,333,36 5 1,953 2,41 3,799,253 Rys. 4.3. Przykłady zarejestrowanych serii pomiarowych, retransmisja pakietów: 1 B, 1 B i 1 B 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 1 4 7 1 13 16 19 22 25 28 31 34 37 4 43 46 49 52 55 58 Maksymalna częstotliwość rejestracji wyników pomiarów transmitowanych na bieżąco Maksymalna częstotliwość rejestracji wyników pomiarów transmitowanych na bieżąco zależy od przepływności kanału transmisyjnego, szybkości rejestrowania i przetwarzania pomiarów w zastosowanym przyrządzie pomiarowym, przepływności interfejsu łączącego przyrząd pomiarowy z komputerem oraz od wielkości i postaci, w jakiej jest przesyłany pojedynczy wynik pomiaru. W celu określenia maksymalnej częstotliwości rejestrowania pomiarów, których wyniki można transmitować na bieżąco opracowano systemy pomiarowe, w których źródłem danych pomiarowych były różnej klasy multimetry cyfrowe oraz karty akwizycji danych. Ze względu na objętość zapisu wyniku pomiaru oraz szybkość przetwarzania to karta akwizycji danych umożliwia transmitowanie wyników pomiarów rejestrowanych z największą częstotliwością. Do badań zastosowano kartę pomiarową DAQCard-624E, wykorzystującą 12-bitowy przetwornik A/C, o maksymalnej częstotliwości próbkowania 2 ks/s. Wynik pojedynczego pomiaru miał stałą wielkość i zawierał się w dwóch bajtach. Testowy system pomiarowy umożliwiał transmisję wyników pomiarów w pakietach o zadanej wielkości. Na rysunku 4.4 pokazano ramkę transmitowanego pakietu danych. Numer pakietu Liczba próbek w pakiecie (2 B) (2 B) Rys. 4.4. Format pakietu z transmitowanymi danymi pomiarowymi 2,5 2 1,5 1,5 1 4 7 1 13 16 19 22 25 28 31 34 37 4 43 46 49 52 55 58-7 - Wartości zmierzonych próbek ( 131 72 B) Korzystając z zależności 4.1 przeliczono uzyskane wyniki w S/s na przepływność w bit/s. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 4.2. V n p 16 32 v [bit/s] (4.1) n p 1 4 7 1 13 16 19 22 25 28 31 34 37 4 43 46 49 52 55 58 Gdzie: v przepływność; V częstotliwość próbkowania [S/s]; n p liczba próbek w pakiecie. Tabela 4.2. Maksymalna częstotliwość próbkowania i szybkość transmisji w badanym systemie Liczba próbek w pakiecie / wielkość pakietu [bit] Częstotliwość próbkowania [S/s] Prędkość transmisji [bit/s] 1 / 48 55 2 64 1 / 192 55 1 56 1 / 1 632 1 612 26 38 1 / 16 32 1 63 26 132 2,5 2 1,5 1,5
4.2. Badania systemów pomiarowych transmitujących dane za pośrednictwem Internetu W systemie wykorzystanym do pomiarów CSP była połączona z Internetem za pośrednictwem uczelnianej sieci LAN (o przepływności 1 Mbit/s) oraz dysponowała stałym, publicznym adresem IP. Mobilna stacja pomiarowa łączyła się z Internetem za pośrednictwem punktu dostępowego operatora sieci GSM, następnie nawiązywała połączenie TCP z centralą systemu lub wysyłała dane za pośrednictwem protokołu UDP. Transmisja ze stacji pomiarowej do punktu dostępowego była realizowana w technologii HSCSD z symetryczną prędkością transmisji danych 28,8 kbit/s. Wykorzystywany terminal GSM umożliwiał zestawianie połączeń w trzech trybach: modemowym, ISDN V.11 oraz ISDN V.12. Oprogramowanie sterujące pracą badanych systemów, opracowane w środowisku LabVIEW, pracowało pod kontrolą systemów operacyjnych z rodziny Windows. Ponieważ komputery w centrali systemu oraz stacji pomiarowej łączyły się z Internetem, to zostały wyposażone w odpowiednie oprogramowanie zapewniające ochronę antywirusową oraz typu FireWall. Czas zestawienia połączenia pomiędzy stacją pomiarową a centralą systemu Czas nawiązywania połączenia T P stacji pomiarowej z CSP składa się z dwóch etapów (równanie 4.2): z czasu logowania stacji do Internetu T LOG oraz z czasu nawiązywania połączenia TCP z centralą T TCP. TP TLOG TTCP (4.2) Pomiary wartości czasów T LOG i T TCP wykonano dla wszystkich trybów połączeń terminala GSM stacji pomiarowej z Internetem. W tabeli 4.3 przedstawiono średnie wartości czasu łączenia się stacji pomiarowej z centralą. Tabela 4.3. Czas łączenia się stacji pomiarowej z centralą systemu Tryb połączenia T LOG T TCP T P modemowy 34 1,2 35,2 ISDN V.11 17,75 17,75 ISDN V.12 16,6,7 17,3 Pomiar czasu transmisji pakietów danych w systemie, transmisja wg protokołu TCP Po nawiązaniu połączenia TCP z CSP stacja pomiarowa wysyłała pakiety danych o zadanej wielkości, które centrala natychmiast odsyłała z powrotem do stacji. Mierzono czas tej retransmisji T R. W celu sprawdzenia poprawności transmisji rejestrowano liczbę bajtów danych użytkownika wysłanych i odczytanych oraz porównywano pakiet danych wysyłany z pakietem odebranym. Przesyłano pakiety o wielkości od 1 B do 1 B. Każdorazowo po przeprowadzeniu serii pomiarowej porównywano dane wysłane z odebranymi. Wszystkie wysłane bajty danych zostały bezbłędnie odczytane. Pomiary we wszystkich trybach połączenia: modemowym, ISDN V.11 oraz ISDN V.12. Ponieważ zarejestrowane serie pomiarowe charakteryzują się dużą asymetrią, to jako miarę tendencji centralnej przyjęto medianę (równanie 4.3), a jako miarę rozrzutu przyjęto odchylenie ćwiartkowe (równanie 4.4). x k 1 dla n 2k 1 Me x x (4.3) k k 1 dla n 2k 2 Q3 me me Q1 Q3 Q1 Q (4.4) 2 2 Gdzie: Q 1 i Q 3 oznaczają odpowiednio pierwszy i trzeci kwartyl. Najkrótsze czasy transmisji rejestrowano w trakcie połączeń w trybie ISDN V.12 (rys. 4.5). Wyniki pomiarów czasu transmisji w tym trybie przedstawiono w tabeli 4.4. - 8 -
,75,7,65,6,55,5,45,4 modem ISDN V.11 ISDN V.12 Rys. 4.5. Zestawienie wartości średnich czasu transmisji dla różnych trybów połączenia Tabela 4.4. Czas transmisji pakietów, połączenie stacji w trybie ISDN V.12 wielkość pakietu [Bajt] min mediana max odch. ćwiartkowe 1,37,329,59,1 2,39,329,347,1 5,38,331,366,9 1,329,348,627,1 2,321,349,371,1 5,48,41,691,1 1,468,474,492,7 Na rysunku 4.6 przedstawiono przykładowe serie pomiarowe ilustrujące charakter zmian czasu transmisji poszczególnych pakietów w serii. Najbardziej zróżnicowane wartości mierzonego czasu transmisji występowały przy połączeniu modemowym. 1,6 1,4 Rys. 4.6. Serie pomiaru czasu transmisji pakietów (1 B), połączenie: modemowe, ISDN V.11 i ISDN V.12 1,2 1,8,6,4,2 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Pomiar czasu transmisji pakietów danych wysyłanych wg protokołu UDP Podczas pomiarów pakiety danych wysyłano ze stacji pomiarowej do CSP w odstępie 5 s. Stacja pomiarowa była połączona z Internetem w trybie ISDN V.12. Zarejestrowane wyniki przedstawiono w tabeli 4.5 oraz na wykresie z rysunku 4.7. Tabela 4.5. Czas transmisji pakietów według protokołu UDP wielkość pakietu [Bajt] min mediana max odch. ćwiartkowe 1,274,33 2,787,14 2,275,292 2,766,1 5,299,312 2,321,8 1,319,332,346,7 2,34,357 2,342,6 5,437,46 2,227,267 1,61,785 3,67,314,8,6,4,2 3, min mediana max 2,5 Badając transmisję wg protokołu UDP odnotowano, że liczba utraconych pakietów danych w analizowanym systemie nie przekraczała 2 % oraz, że pakiety, które dotarły do centrali nie zawierały błędów i zostały dostarczone w kolejności wysyłania.,35,3 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 2, 1,5 1,,5, 1 2 5 1 2 5 1 [Bytes] 1,4 1,2 1,8,6,4,2 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 1 2 5 1 2 5 1 [Bytes] Rys. 4.7. Czas transmisji pakietów wg protokołu UDP - 9 -
- 1 -
nawiązywania połączenia stacji z Internetem wykorzystywano narzędzia systemu Windows oraz oprogramowanie firmowe dostarczone z wykorzystywanymi modemami. Badano transmisję danych wykorzystującą protokoły transmisji sieciowej TCP oraz UDP. Rys. 5.1. Schemat blokowy systemów z pakietową transmisją w sieciach GPRS, EDGE i UMTS Maksymalna prędkość transmisji w badanych systemach była uzależniona od wybranego systemu transmisji, sposobu jego świadczenia przez wybranego operatora sieci oraz od parametrów wykorzystywanego terminala. W tabeli 5.1 zestawiono teoretycznie możliwe do uzyskania maksymalne prędkości transmisji w badanych systemach. Tabela 5.1. Maksymalne, teoretyczne przepływności w badanych systemach Technologia transmisji GPRS EDGE UMTS Kierunek transmisji Dane wysyłane uplink 42,8 kbit/s 123 kbit/s 384 kbit/s Dane pobierane downlink 85,6 kbit/s 247 kbit/s 384 kbit/s Wyznaczenie prędkości transmisji w badanych systemach wg protokołu FTP W celu wyznaczenia prędkości transmisji w badanych systemach zmierzono czas wysyłania i pobierania pliku binarnego o wielkości 1 MB. Stacja wysyłała lub pobierała plik z serwera FTP za pomocą programu klienta FTP. Pomiary wykonano na terenie Politechniki Poznańskiej oraz w podpoznańskiej wsi Tulce, w różnych porach dnia. Rejestrowane wartości czasu transmisji były powtarzalne. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów czasu transmisji wyznaczono prędkości transmisji danych (zależność 5.1). Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 5.2. v FTP 1MB 124 124 8 T 1 T FTP FTP [kbit/s] (5.1) Gdzie: v FTP średnia prędkość transmisji pliku; T FTP zmierzony czas transmisji Tabela 5.2. Prędkość transmisji pliku 1 MB sieć Era Orange PlusGSM kierunek transmisji technologia downlink uplink downlink uplink downlink uplink GPRS EDGE UMTS min [kbit/s] 28,9 18,4 41,5 19,7 28, 17,5 średnia [kbit/s] 44,2 25,6 41,8 2,4 37, 19,5 max [kbit/s] 64, 28,9 42,2 21, 41,9 21,1 min [kbit/s] 76,3 36,2 167,8 71,1 62,1 41,9 średnia [kbit/s] 92,6 38,2 181,8 93,8 145,6 73,8 max [kbit/s] 98,7 41,9 29,7 131,1 29,7 96,4 min [kbit/s] 118,1 111,8 b.d. b.d. 22,8 52,4 średnia [kbit/s] 118,7 112,4 b.d. b.d. 279,9 56,8 max [kbit/s] 119,8 113,4 b.d. b.d. 335,5 6,8 b.d. brak danych - 11 -
Czas zestawienia połączenia pomiędzy stacją pomiarową a CSP Czas łączenia stacji z CSP T P składał się z dwóch etapów (równanie 5.2): łączenia stacji z Internetem T INT oraz z nawiązywania połączenia TCP pomiędzy stacją a CSP T TCP. TP TINT TTCP (5.2) Czas logowania stacji do Internetu wynosił zależnie od systemu transmisji od 6 do 12 s w systemie GPRS oraz od 5 do 8 s w systemach EDGE i UMTS, czas nawiązywania połączenia TCP nie przekraczał 5 s. W sieciach poszczególnych operatorów rejestrowano wartości czasu logowania i czasu tworzenia połączenia TCP na zbliżonym poziomie. W tabeli 5.3 przedstawiono średnie wartości czasu łączenia się stacji z centralą we wszystkich badanych technologiach transmisji. Tabela 5.3. Średnie wartości czasu łączenia się stacji pomiarowej z centralą systemu T INT T TCP T P GPRS 8,5,78 8,81 EDGE 7,5,7 7,68 UMTS 6,4,4 6,8 Wartości czasu logowania stacji do Internetu oraz czas nawiązywania połączenia TCP zazwyczaj oscylowały wokół wartości średniej. W jednostkowych przypadkach czas tworzenia połączenia TCP był znacznie dłuższy i mieścił się w zakresie od 2,5 do 5 s. Te zmiany czasu występowały sporadycznie, nie zależnie do pory dnia, w której nawiązywano połączenia oraz od technologii transmisji. Pomiar czasu transmisji pakietów danych w systemie, transmisja wg protokołu TCP Ponieważ prędkość transmisji danych w badanych systemach jest asymetryczna, to przeprowadzono niezależnie pomiary czasu wysyłania T W i odbioru T O pakietów danych. Do przeprowadzenia pomiarów zaprojektowano specjalny system pomiarowy (rys. 5.2). Stacja pomiarowej i CSP cyklicznie przesyłały między sobą pakiety danych. W chwilach wysłania i odczytu transmitowanego pakietu komputery stacji i CSP na liniach RTS generowały znaczniki czasu (rys. 5.3), które sterowały bramką licznika układu zegarowego. Rys. 5.2. Schemat blokowy systemu do pomiaru czasu transmisji pakietów Rys. 5.3. Impulsy sterujące bramką licznika rejestrującego czas transmisji pakietów Podczas badań przesyłano pakiety o różnej wielkości w ustalonych odstępach czasu, co 1 ms. Centrala po odbiorze pakietu retransmitowała go powrotnie również po upływie 1 ms. Przesyłano pakiety o wielkości od 1 B do 5 B. W każdej serii wykonano po 1 pomiarów czasu wysyłania i odczytu. Wszystkie przedstawione pomiary przeprowadzono w zbliżonych warunkach, tzn. system był umieszczony w tym samym miejscu, a badania przeprowadzano w trakcie dni roboczych w jednakowej porze dnia. Wszystkie sesje pomiarowe były przeprowadzone z wykorzystaniem jednakowego sprzętu (poza terminalami) i oprogramowania. Pomiary czasu wysyłania i odczytu pakietów przedstawiono w tabelach 5.4 5.6. Na rysunku 5.4 pokazano przykładowe, zarejestrowane serie pomiarowe. - 12 -
Tabela 5.4. Zarejestrowane czasy transmisji pakietów danych w sieci UMTS Sieć ERA Wielkość pakietu [Bajt] Wartość min. Czas wysyłania pakietu T W Mediana Wartość maks. Odch. ćwiartk. Wartość min. Czas odczytu pakietu T O Mediana Wartość maks. Odch. ćwiartk. 1,135,176,288,37,132,135,15,1 5,184,221,347,13,141,145,175,1 1,244,329,469,13,151,156,173,1 2,397,487 1,461,35,182,185,25,1 5,772,813,941,19,256,265,294,2 1,22,219,565,8,167,21,94,3 2,345,365,578,5,247,26 1,84,2 5,415,451,751,5,422,436 1,11,4 1,49,61,145,3,64,69,128,9 5,31,58,35 Plus GSM Tabela 5.5. Zarejestrowane czasy transmisji pakietów danych w systemie GPRS - 13 -
Tabela 5.6. Zarejestrowane czasy transmisji pakietów danych w systemie EDGE Sieć ERA Plus GSM Orange Wielkość pakietu [Bajt] Wartość min. Czas wysyłania pakietu T W Mediana Wartość maks. Odch. ćwiartk. Wartość min. Czas odczytu pakietu T O Mediana Wartość maks. Odch. ćwiartk. 1,14,118,971,8,86,98,593,3 5,18,133 3,495,17,88,98,425,3 1,145,171,969,15,84,98,569,4 2,169,21,971,15,9,11,294,5 5,184,234 5,353,51,117 1,126,447,1 1,294,337 3,821,17,153,185 1,394,8 2,475,519 3,78,2,224,45,712,95 5,693 1,136 1,157,267,412,63 7,582,26 1,38,345,461,29,118,148,176,3 5,341,365,73,19,118,149,173,8 1,31,411,828,22,114,14 2,699,7 2,319,421 1,39,12,128,152,393,3 5,389,473 1,137,4,131,155,277,1 1,461,588 1,29,7,162,17,225,9 2,53 1,231 1,569,351 6,188,217 7,287,11 5 1,359 1,874 3,384,136,32,323 9,674,26 1,149,28,379,23,117,159,74,32 5,152,231 1,16,41,122,155,537,21 1,229,3,464,31,122,163 1,92,15 2,234,363,552,41,126,16,32,2 5,345,437 1,548,4,162,218 11,7,21 1,451,529,937,49,187,254,597,29 2,612,765 1,477,7,232,376,852,77 5 1,147 1,561 2,274,296,345,96 1,741,123 2,5 1,5,5 12 1 8 4 2 2 Wysyłanie pakietu 1 B 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 Odczyt pakietu 1 B 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 Wysyłanie pakietu 1 B,8,7,6,5,4,3,2,1 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 Rys. 5.4. Przykładowe, zarejestrowane serie pomiarowe w systemach: GPRS, EDGE i UMTS Wpływ częstotliwości retransmisji pakietów danych na czas transmisji Wielokrotnie powtarzając pomiary czasu transmisji pakietów zauważono, że na czas transmisji wpływa częstotliwość retransmisji pakietów. Wynika to z faktu współdzielenia łączy oraz z przyznawania użytkownikowi zasobów radiowych tylko na czas trwania rzeczywistej transmisji, a nie na całkowity czas trwania połączenia. Użytkownik systemu który wstrzymał transmisję zwalnia udostępnione mu zasoby sieci, które są mu ponownie przyznawane po wznowieniu transmisji. Procedura wpływa na zmiany szybkości transmisji poszczególnych pakietów. Wykonano pomiary czasu transmisji pakietów o wielkości 1 B - 14 -
czas trasnmsisji w zależności od czasu trwania przerwy pomiędzy kolejnymi retransmisjami pakietów. Pomiary wykonano dla wszystkich trzech badanych technologii transmisji. Na wykresie z rysunku 5.5 przedstawiono wartości średnie czasu transmisji pakietów. Analizując zarejestrowane wyniki stwierdzono, że wpływ wielkości okresu retransmisji na czas transmisji pakietu w badanym systemie jest największy w systemie UMTS. 1,2 GPRS EDGE UMTS 1,8,6,4 Rys. 5.5. Czas transmisji pakietu 1 B w zależności od okresu retransmisji,2,1,5,1,2,5 1 2 5 1 2 3 6 okres retransmisji 5.1. Badania systemów transmitujących dane z zgodnie z protokołem UDP Przeprowadzono pomiary czasu transmisji pakietów danych wysyłanych zgodnie z protokołem transmisji sieciowej UDP. Transmisja w tym systemie była jednokierunkowa. Tylko stacja pomiarowa wysyłała pakiety danych. Ze względu na ograniczenie metody pomiarowej, bieżący pakiet mógł być wysłany dopiero po odczytaniu poprzedniego. Zarejestrowane wyniki pomiarów przedstawiono w tabelach 5.7 5.9. W celu przedstawienia charakteru zmian czasu transmisji poszczególnych pakietów w zarejestrowanych seriach pomiarowych zaprezentowano wykresy z przykładowymi seriami pomiarowymi oraz histogramy dla transmisji pakietów o wielkości 1 B. Tabela 5.7. Czas transmisji pakietów danych wg protokołu UDP w systemie GPRS ERA Orange Plus GSM Wielkość pakietu [Bajt] min Mediana max Odch. ćwiartk. 1,381,496 1,159,61 5,453,62 1,254,64 1,92,631 1,216,44 2,733,844 2,17,58 5,991 1,69 3,276,87 1 1,82 1,26 3,274,55 1,34,51 1,491,6 5,366,554 2,11,71 1,453,641 1,728,8 2,554,689 1,915,72 5 1,348 1,562 4,961,111 1 1,543 1,785 3,715,168 1,333,41,32,74 5,367,433,355,4 1,42,489,419,37 2,59,618,42,91 5,944 1,399,517,77 1 1,538 1,682,696,156 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 1 8 15 22 29 36 43 5 57 64 71 78 85 92 99 Rys. 5.6. Przykładowa seria pomiarowa w systemie GPRS - 15 -
Tabela 5.8. Czas transmisji pakietów danych wg protokołu UDP w systemie EDGE ERA Orange Plus GSM Wielkość pakietu [Bajt] min Mediana max Odch. ćwiartk. 1,32,399 8,53,36 5,355,434 11,43,37 1,419,59 1,831,33 2,42,512 1,495,24 5,517,66 1,53,27 1,696,818 1,715,48 1,311,617,998,113 5,292,658 1,28,125 1,333,61 1,6,121 2,431,679 2,47,154 5,44,85 2,911,218 1,559,971 2,87,221 1,285,672 1,948,268 5,325,567 1,635,189 1,346,52 1,591,154 2,381,556 1,678,13 5,475,721 1,9,165 1,199,971 2,8,397 Tabela 5.9. Czas transmisji pakietów danych wg protokołu UDP w systemie UMTS ERA Plus GSM Wielkość pakietu [Bajt] min Mediana max Odch. ćwiartk. 1,73,97,123,5 5,124,149,18,6 1,236,259,291,6 2,342,367,42,1 5,771,796,845,11 1,27,22 1,12,6 1,55,17,119,5 5,173,193,251,8 1,324,359,422,13 2,72,89 1,134,435 5,115,918 2,259,449 1,178,917 2,252,647 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 1 8 15 22 29 36 43 5 57 64 71 78 85 92 99 Rys. 5.7. Przykładowa seria pomiarowa w systemie EDGE,45,4,35,3,25,2,15,1,5 1 8 15 22 29 36 43 5 57 64 71 78 85 92 99 Rys. 5.8. Przykładowa seria pomiarowa w systemie UMTS Poprawność transmisji w badanych systemach W systemach, w których do transmisji danych wykorzystano protokół transmisji gwarantowanej TCP wszystkie wysłane pakiety danych użytkownika dotarły do miejsca przeznaczenia w kolejności wysyłania. Po porównaniu danych wysłanych i odbieranych stwierdzono, że wszystkie dane przesłano poprawnie. O nieprawidłowościach w transmisji świadczą sporadyczne wartości czasu transmisji pakietów danych, które znacznie odbiegają od wartości średnich. Ich dużo większe wartości wynikają z konieczności retransmisji utraconych bądź uszkodzonych danych. W celu określenia stopy błędów transmisji przeprowadzono badania transmisji danych z wykorzystaniem protokołu UDP, który w przeciwieństwie do TCP nie zawiera mechanizmów potwierdzających poprawność transmisji i zapewniających automatyczne retransmitowanie uszkodzonych bądź utraconych danych. Wielokrotnie przesyłano pakiety danych o różnych wielkościach (od 1 B do - 16 -
1 B) w różnych odstępach czasu (od 1 ms do 5 s). W trakcie każdej serii pomiarowej wysyłano 1 (lub 1 w sieciach UMTS) pakietów. Pomiary przeprowadzono dla wszystkich badanych systemach transmisji pakietowej. Wyniki badań zestawiono w tabeli 5.1. Tabela 5.1. Procent utraconych pakietów danych podczas transmisji UDP System GPRS EDGE UMTS Sieć Era Orange Plus GSM min [%],1,1 średnia [%] 5,4 2,25 4,2 max [%] 17,4 4,3 6,5 min [%],1,1 średnia [%] 2, 2, 6,5 max [%] 6,6 3,8 13,3 min [%] b.d. średnia [%],12 b.d.,3 max [%],5 b.d.,1 Nie stwierdzono istotnej różnicy w liczbie utraconych pakietów podczas przesyłania pakietów o różnych wielkościach (z zakresu od 1 B do 1 B) oraz dla różnych częstotliwości wysyłania pakietów (z zakresu od 1 ms do 5 s). Wszystkie pakiety transmitowane przez UDP zapisywano po stronie nadawczej i odbiorczej. Po ich późniejszym porównaniu stwierdzono, że wszystkie pakiety, które zostały odczytane przez CSP zostały przesłane bezbłędnie. W co czwartej z przeprowadzonych serii pomiarowych rejestrowano pojedyncze pakiety, które były odebrane w niewłaściwej kolejności. Ich liczba nie przekraczała,3 % w serii. Maksymalna częstotliwość rejestracji wyników pomiarów transmitowanych na bieżąco Do określenia maksymalnej częstotliwości rejestrowania pomiarów wykorzystano specjalny system pomiarowy, na rysunku 5.9 pokazano panel użytkownika programu sterującego pracą stacji pomiarowej. Dane rejestrowane przez kartę pomiarową przesyłano na bieżąco za pośrednictwem transmisji pakietowej w systemach GPRS, EDGE oraz UMTS. Dane transmitowano wykorzystując protokół TCP. Rys. 5.9. Panel użytkownika programu sterującego pracą stacji pomiarowej Po przeprowadzeniu pomiarów, obliczono maksymalną prędkość transmisji danych w kbit/s w zależności od wielkości transmitowanego pakietu (tabela 5.11). Przeprowadzając pomiary w ciągu jednego dnia roboczego zauważono wpływ pory dnia na prędkość transmisji. Pomiary przeprowadzono w kilku sesjach: w godzinach południowych, w godzinach popołudniowych (po godzinie 16:), oraz w godzinach nocnych (po godzinie 23:). W tabeli 5.12 przedstawiono wyniki tych pomiarów. Przedstawione badania przeprowadzono transmitując dane - 17 -
w systemie EDGE w sieci Plus GSM. Podobne zmiany w prędkości transmisji odnotowano w pozostałych badanych sieciach GSM, przy czym zmiany prędkości transmisji w różnych porach dania były znacznie większe w technologii EDGE niż w GPRS. Nie zarejestrowano istotnego wpływu pory dania na prędkość transmisji w sieciach UMTS, co świadczy o znacznie mniejszej liczbie użytkowników tych sieci w porównaniu do GSM. Prezentowane wyniki pomiarów wykonano w pierwszej połowie 27 roku. Tabela 5.11. Maksymalna częstotliwość rejestrowanai wyników pomiarów transmitowanych na bieżąco Technologia transmisji GPRS EDGE UMTS Liczba próbek w pakiecie / wielkość pakietu [bit] Częstotliwość próbkowania [S/s] - 18 - Prędkość transmisji [kbit/s] Era Orange Plus GSM Era Orange Plus GSM 1 / 48 46 46 39 22,8 22,8 18,72 1 / 192 1 1 1 15 1 1 21,12 22,8 19,39 1 / 1 632 1 4 1 3 1 5 22,85 21,22 17,14 1 / 16 32 1 6 1 25 1 2 25,65 2,4 19,24 1 / 48 72 7 7 34,56 33,6 33,6 1 / 192 2 8 3 2 8 53,76 57,6 53,76 1 / 1 632 3 45 4 1 3 9 56,3 66,91 63,65 1 / 16 32 3 5 4 6 4 4 56,11 73,75 7,54 1 / 48 1 2 b.d. 1 2 57,6 b.d. 57,6 1 / 192 4 7 b.d. 2 89 9,24 b.d. 55,49 1 / 1 632 6 7 b.d. 3 48 19,34 b.d. 56,79 1 / 16 32 6 9 b.d. 3 5 11,62 b.d. 56,11 Tabela 5.12. Maksymalna częstotliwość próbkowania w różnych porach dnia System transmisji, sieć EDGE, Plus GSM Częstotliwość próbkowania [S/s] Prędkość transmisji [kbit/s] Liczba próbek w pakiecie Pora dnia Pora dnia / wielkość pakietu [bit] Południe ok. 12: Po godz. 16: Po godz. 23: Południe ok. 12: Po godz. 16: Po godz. 23: 1 / 48 65 75 7 31,2 36, 33,6 1 / 192 26 2 85 28 49,92 54,72 53,76 1 / 1 632 2 7 3 3 39 44,6 53,86 63,65 1 / 16 32 2 7 4 44 43,29 64,13 7,54 Badania systemów z mobilną stacją pomiarową Wcześniej przedstawione wyniki badań były przeprowadzone w warunkach stacjonarnych, w których zarówno centrala systemu jaki i stacja pomiarowa były nieruchome. W celu sprawdzenia transmisji danych w systemach mobilnych przeprowadzono badania systemów z ruchomą stacją pomiarową. Badania wpływu poziomu mocy stacji BTS na czas transmisji pakietów Opracowano specjalny, mobilny system pomiarowy przeznaczony do pomiaru czasu transmisji w zależności od poziomu mocy sygnału radiowego nadajników BTS w systemie GPRS. System ten składał się ze stacjonarnej CSP połączonej z Internetem oraz z mobilnej stacji pomiarowej. Stację pomiarową tworzył przenośny komputer typu laptop i dołączony do niego, poprzez magistralę USB, telefon komórkowy Sony Ericsson K61i. Pomiar mocy realizowano wykorzystując komendę at+csq przeznaczoną do odczytu informacji o mocy sygnału radiowego i procentowym poziomie błędów bitowych w kanale. Pomiary przeprowadzono wykorzystując retransmisję pakietów danych o wielkości 1 B w odstępie 1 s. Zastosowano transmisję TCP. Przed wysłaniem każdego pakietu rejestrowano aktualny poziom mocy sygnału. W trakcie pomiarów stacja pomiarowa poruszała się w rejonie centralnej Wielkopolski po drogach lokalnych z prędkością nie przekraczającą 9 km/h. Na wykresie z rysunku 5.1 umieszczono wyniki przeprowadzonych pomiarów. Analizując dane przedstawione na wykresie z rysunku 5.1 można zauważyć, dla niższych wartości mocy zwiększa się czas transmisji pakietów oraz, że przy niskich wartościach mocy sygnału zwiększa się liczba transmisji pakietów, których czas jest znacznie dłuższy od wartości średniej co świadczy o powstawaniu błędów w transmisji i konieczności ponownej retransmisji danych.
Przełączanie cza retransmisji [ms] moc sygnału [dbm] 1-4 95-5 9 85 8-6 -7 75-8 7-9 65 6 55-1 -11 Rys. 5.1. Czas transmisji pakietów i moc sygnału radiowego 5 45 czas moc -12-13 Automatyczne przełączanie terminala pomiędzy systemami UMTS i GPRS Współczesne terminale komórkowe przystosowane do pracy w sieciach UMTS i GSM mogą się automatycznie przełączać się między nimi. W zasięgu działania sieci UMTS terminal pracuje w tym systemie, opuszczając zasięg UMTS i wchodząc się w zasięg sieci GSM, terminal automatycznie przełącza się w tryb pracy z siecią GSM. Mobilna stacja pomiarowa poruszała się na krańcu zasięgu UMTS sieci Plus GSM. Stacja retransmitowała pakiety danych o wielkości 1 B co 2 s według protokołu TCP. W trakcie przeprowadzania pomiarów wielokrotnie zarejestrowano przełączanie się terminala pomiędzy sieciami UMTS i GSM, zarejestrowane wyniki przedstawiono na wykresie z rysunku 5.11. 2 1,5 UMTS/GPRS 2,5 UMTS GPRS Przełączanie 25 2 15 1 1 Rys. 5.11. Czas transmisji pakietów w trakcie przełączania terminala pomiędzy UMTS i GSM,5 5 Interpretacja wyników Po przeprowadzeniu serii badań systemów z pakietową transmisją danych stwierdzono, że zgodnie z założeniami transmisja w systemach GPRS oraz EDGE jest asymetryczna i umożliwia pobieranie danych z większą szybkością niż ich wysyłanie. Inaczej powinno być w przypadku transmisji pakietowej w systemie UMTS. Według zapewnień operatorów sieci prędkość transmisji danych w UMTS jest możliwa z prędkością 384 kbit/s w obu kierunkach. Niestety w żadnym z przeprowadzonych pomiarów prędkości transmisji nie udało się potwierdzić tych danych. Prędkość transmisji w sieci Plus GSM dla danych pobieranych przekraczała 3 kbit/s, ale prędkość danych wysyłanych nie przekroczyła 6 kbit/s, z kolei w sieci Era prędkość transmisji nie przekraczała 12 kbit/s w obu kierunkach. Pomiary te były wielokrotnie powtarzane w różnych porach dnia. Po przeprowadzeniu pomiarów czasu transmisji pakietów wg protokołu TCP stwierdzono, że prędkości transmisji GPRS we wszystkich badanych sieciach były zbliżone. Porównując transmisję EDGE w sieciach różnych operatorów zauważono wyraźne różnice w prędkościach transmisji. Średnie wartości czasu transmisji pakietów w sieci UMTS są najbardziej zbliżone do zarejestrowanych wartości minimalnych, a uwzględniając najniższe wartości odchylenia ćwiartkowego, można stwierdzić, że transmisja pakietowa w tym systemie charakteryzuje się znacznie wyższą stałością niż w systemach GPRS i EDGE. - 19 -
We wszystkich badanych systemach transmisji średnie wartości czasu transmisji pakietów 2 B i mniejszych były na zbliżonym poziomie. Wykazano, że czas transmisji pakietów zależy od okresu retransmisji. Najbardziej to zjawisko jest widoczne podczas transmisji danych w systemie UMTS. Badając transmisję wg protokołu UDP stwierdzono, że we wszystkich badanych systemach transmisji pakietowej występowała utrata części transmitowanych danych. Przy czym największa średnia stopa utraty pakietów danych była na poziomie 6,5 % w systemie EDGE, a zdecydowanie najniższa,12 % w sieciach UMTS. Zarejestrowane prędkości transmisji pakietów danych wg protokołu UDP, w badanych systemach, były niższe niż w przypadku transmisji TCP. Zaobserwowano wpływ pory dnia na prędkość transmisji w sieciach GSM. W ciągu jednego dnia prowadzonych badań transmisji EGDE w sieci Plus GSM odnotowano, że maksymalna częstotliwość próbkowania sygnału transmitowanego na bieżąco zmieniała się od wartości 27 S/s (ok. 44 kbit/s) w godzinach południowych do 44 S/s (ok. 7 kbit/s) w godzinach nocnych. Ten efekt jest powodowany zmianą natężenia ruchu telekomunikacyjnego w badanej sieci. Przeprowadzono badania transmisji pakietowej GPRS i w UMTS w systemach z mobilną stacją pomiarową. W trakcie tych badań sprawdzono stałość czasu transmisji pakietów podczas przemieszczania się stacji i związaną z tym zmianą chwilowej mocy sygnału radiowego stacji BTS. Po przeprowadzeniu badań wykazano wpływ poziomu mocy sygnału radiowego na czas transmisji. Wraz ze zmniejszaniem się mocy sygnału zwiększają się czas transmisji oraz liczba pakietów o czasie transmisji znacznie większym od wartości średniej. W trakcie badań systemów mobilnych odnotowano blokowanie się transmisji, tzn. mimo aktywnego połączenia nie można było wymieniać żadnych danych. Z taką sytuacją nie spotkano się badając systemy stacjonarne. Aby wznowić transmisje należało zrestartować połączenie z Internetem. Badając transmisję podczas automatycznego przełączania się modemu z UMTS na GPRS i odwrotnie stwierdzono, że transmisja nie zostaje przerywana ale czas transmisji pakietu przesyłanego w trakcie przełączania jest znacznie dłuższy. Podczas gdy średni i czas retransmisji pakietu w UMTS wynosił ok.,15 s, a w GPRS ok.,6 s to czas w chwili przełączania wynosił od 6 s do 24 s. 6. Przykładowe systemy pomiarowe System pomiarowy przeznaczony do zdalnego pomiaru temperatury W celu praktycznego sprawdzenia systemu pomiarowego przesyłającego dane w postaci wiadomości SMS zbudowano i przetestowano system do zdalnego pomiaru temperatury (rys. 6.1). System ten składał się z centrali oraz z mobilnej stacji pomiarowej. Zarówno centrala jak i stacja pomiarowa były wyposażone w modemy GSM w postaci kart PCMCIA. Oprogramowanie sterujące pracą komputerów opracowano w środowisku LabVIEW (rys. 6.2). Uproszczony algorytm programu sterującego stacją pomiarową pokazano na rysunku 6.3. Zadaniem centrali systemu była rejestracja przychodzących wiadomości na dysku komputera, graficzne przedstawienie wartości mierzonej temperatury na wykresie oraz sygnalizacja przekroczenia zadanych wartości temperatury w monitorowanym pomieszczeniu. Pomiar temperatury był wykonywany co 1 s, a wynik pomiaru był porównywany z zadanymi wartościami granicznymi. Jeżeli wartość mierzonej temperatury mieściła się w ustalonym przedziale, to co określony czas (zwykle 1 minut) stacja przesyłała do centrali wynik pomiaru wraz z jego identyfikatorem, datą i czasem zarejestrowania w postaci wiadomości SMS. W przypadku, gdy zmierzona wartość temperatury wykraczała poza zadany przedział, stacja natychmiast wysyłała do centrali komunikat awaryjny. Testowy system, przez cały czas badań, działał niezawodnie, doświadczalnie potwierdzając możliwość wykorzystania wiadomości SMS do przesyłania danych w systemach zdalnego monitoringu. - 2 -