POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ I METALURGII

Kierunek: Edukacja Techniczno Informatyczna

Rodzaj studiów: dzienne

praca dyplomowa inżynierska

Michał GAS

PORÓWNANIE TECHNOLOGII PAKIETOWEGO

PRZESYŁANIA DANYCH W SIECIACH TELEFONII

KOMÓRKOWEJ

Comparison of data transfer rate in the packet switching

technologies of mobile telecommunication

Kierujący pracą:

Dr inż. Marcin Blachnik

Katowice, Styczeń, 2010 r.

2

Spis treści

Wstęp

1. Pakietowa transmisja danych w systemie GSM

1.1 GPRS

1.1.1 Architektura systemu GPRS

1.1.2 Schematy kodowania kanałowego

1.1.3 Kategorie stacji ruchomych

1.2 EDGE

1.2.1 Powstanie EDGE

1.2.2 Różnice pomiędzy EDGE a GPRS

1.2.3 Główne ulepszenia w warstwie fizycznej

2. Pakietowa transmisja danych w systemie UMTS

2.1 Koncepcja sytemu UMTS

2.2 HSDPA

2.2.1 Zmiany w UMTS wprowadzone przez HSDPA

2.2.2 Kategorie stacji ruchomych definiowane w HSDPA

2.3 HSUPA

2.3.1 Różnice pomiędzy HSDPA a HSUPA

2.3.2 Kategorie stacji ruchomych definiowane w HSUPA

3. Część praktyczna

3.1 Przebieg pomiarów

3.2 Wyniki pomiarów

3.2.1 Godzina 18.00

3.2.2 Godzina 21.00

3.3 Analiza wyników

Podsumowanie

Literatura

Spis tabel i rysunków

3

Wstęp

Systemy telefonii komórkowej pierwszej generacji zyskały popularność w latach

80-tych XX wieku. Oparte były na technice analogowej, która posiadała wiele wad m.in.

znikomą odporność na zakłócenia, brak roamingu , możliwość podsłuchu rozmów,

a usługa transmisji danych była słabo rozwinięta. Wyżej wymienione wady oraz mała

pojemność tych systemów przyczyniły się do powstania na początku lat 90-tych ubiegłego

stulecia systemów komórkowych drugiej generacji, w których najpopularniejszy był

standard GSM (ang. Global system of mobile communication). Standard ten działający w

technologii cyfrowej pozwalał na rozwój nowych usług opartych o transmisję danych.

Pojawiła się możliwość przekierowania i blokowania połączeń, usługa SMS, a prędkość

transmisji danych i mowy wyniosła 9,6 kb/s. Zmienił się sposób identyfikacji abonenta -

rolę identyfikatorów poszczególnych abonentów spełniają karty SIM. Wraz z biegiem

czasu i rozwojem systemu GSM wprowadzono takie usługi jak transmisja faksowa,

interfejs komputerowy, identyfikacja osoby dzwoniącej czy rozmowy konferencyjne.

Dalsze prace nad rozwojem standardu GSM zaowocowały ogłoszeniem w 1997 roku fazy

2+. Faza ta umożliwia wprowadzenie usług opartych na platformie inteligentnej (wirtualne

sieci prywatne), a także wielozakresowość systemu czyli powstanie sieci dualnych

z nadajnikami pracującymi w dwóch pasmach (900 i 1800 MHZ). Za kolejną fazę rozwoju

GSM uznawane jest opracowanie nowych standardów transmisji danych. Jako pierwsza

powstała technologia komutacji łączy HSCSD (ang. High Speed Circut Switched Data).

Umożliwiła ona zwiększenie prędkości transmisji poprzez przydział kilku szczelin

czasowych do jednego połączenia logicznego. Teoretycznie prędkość transmisji mogła

dojść nawet do 115,2 kb/s, jednak praktycznie wartość ta nie przekracza 57,6 kb/s. W 1998

opublikowano specyfikację technologii GPRS (ang. General Packet Radio Service)

służącej do pakietowej transmisji danych, została ona zdefiniowana jako część fazy 2+

standardu GSM. [1,6]

Transmisja pakietowa umożliwia przesłanie danych wielu użytkowników w postaci

pakietów poprzez współdzielone kanały podobnie jak w sieciach komputerowych.

Wszystkie pakiety danych zawierają adres przeznaczenia, dlatego mogą być przenoszone

niezależnie, różnymi trasami, zwykle z pewnym opóźnieniem. Zwiększenie szybkości

przesyłania informacji za pomocą tego rodzaju transmisji jest znacznie bardziej

ekonomicznym rozwiązaniem. W porównaniu do transmisji z komutacją łączy, gdzie

4

opłaty naliczane były na podstawie czasu trwania połączenia, transmisja pakietowa dała

możliwość naliczania opłat na podstawie ilości przesłanych danych. Maksymalną, lecz

niestety jedynie teoretyczną, prędkością jaką pozwala uzyskać GPRS jest 171,2 kb/s.

Następnym i jak się okazało ostatnim etapem rozwoju pakietowej transmisji

danych w standardzie GSM było wprowadzenie w 2000 roku technologii EDGE

(ang. Enhanced Data rates for GSM Evolution). Technologia ta stosuje 8-mio wartościową

metodę modulacji z kluczowaniem fazy, która zwiększa transmisję danych - do 384 kb/s.

Kolejnym etapem rozwoju systemów komórkowych było powstanie systemów trzeciej

generacji (3G), które w porównaniu z systemami poprzednich generacji znacznie

zwiększyły transmisje danych. W 2002 roku została uruchomiona pierwsza sieć UMTS w

Europie. Transfer danych miedzy siecią a abonentem został polepszony dzięki powstaniu

nowego interfejsu radiowego, co wpłynęło na poprawę jakości oferowanych usług. W

przeciwieństwie do systemów starszych generacji UMTS umożliwia realizację usług

multimedialnych. Podczas korzystania z serwisów UMTS koszt transmisji głosowej

zależny jest od czasu trwania połączenia, natomiast transmisji pakietowej zależy jest od

ilości przesłanych informacji oraz jakości usług. Systemy telefonii komórkowej obecnie

istniejące na rynku zapewniają abonentom jednakowe warunki pracy. Prędkość transmisji

danych jest taka sama, niezależnie od tego czy plik przesyłany jest w obrębie dwóch miast,

czy też transmisja odbywa się na jednym osiedlu mieszkalnym. Kiedy wymiana danych

odbywa się za pośrednictwem aparatów UMTS, ważnym aspektem jest to czy podczas

transmisji pozostajemy w ruchu, czy też poruszamy się np. jedziemy samochodem.

Nowy standard wnosi podział sieci telefonicznej na cztery strefy. Niezależnie od tego

w jakiej strefie znajduje się abonent może być on pewny że będzie mógł przeprowadzić

połączenie głosowe. Jednakże w dzisiejszych czasach telefon komórkowy często spełnia

funkcje modemu, ważnym faktem jest, iż transmisja danych w różnych strefach sieci

UMTS odbywać się będzie z różnymi prędkościami. Pomimo zróżnicowania warunków

transmisji, przepustowość będzie większa niż w najlepszych systemach GSM.[1,5]

Najmniejszym fragmentem sieci UMTS jest tzw. pikokomórka (ang. picocell),

która swoim zasięgiem obejmuje obszar kilkuset metrów kwadratowych. W tej strefie

wymiana danych odbywa się z maksymalną 2 Mb/s.

Abonenci znajdujący się na nieznacznie większej powierzchni (kilka kilometrów

kwadratowych), przebywający np. w centrum zaludnionego miasta, będą podlegali strefie

mikrokomórki (ang. microcell).

5

Teoretyczna przepustowość łącza w tej strefie wyniesie 2 Mb/s, lecz w rzeczywistości

może być ona niższa - ok. 384 kb/s. Kolejną strefą pozwalającą na połączenie osób

znajdujących się w odległych miastach będzie makrokomórka (ang. macrocells).

Natomiast do komunikacji miedzy krajami a nawet kontynentami wykorzystane będą

komórki światowe (ang. worldcells), które posłużą jako połączenie abonentów różnych

sieci komórkowych, także takich które zbudowane są na bazie innych technologii niż

UMTS. Maksymalna przepustowość w makrokomówkach i komórkach światowych będzie

na poziomie 384 kb/s.[1]

Cel i zakres pracy

Celem niniejszej pracy jest porównanie przepustowości łączy oferowanych

przez technologie pakietowej transmisji danych w sieci telefonii komórkowej

Zakres pracy obejmuje: porównanie rozwiązań stosowanych w technologii

pakietowej transmisji danych GPRS, EDGE, HSDPA i HSUPA. Przedstawienie celu

wdrożenia technologii GPRS jak i sposobu zwiększenia prędkości transmisji danych.

Omówienie architektury systemu GPRS oraz procesu połączenia i odłączenia od domeny

pakietowej. Objaśnienie zasady działania schematów kodowania kanałowego oraz podział

kategorii stacji ruchomych dostępnych w GPRS. Opis powstania systemu EDGE wraz

z ulepszeniami które wprowadza w stosunku do GPRS. Charakterystyka systemu UMTS

oraz porównanie innowacji wniesionych przez technologie HSDPA i HSUPA.

Przedstawienie kategorii stacji ruchomych definiowanych przez te standardy. W pracy

zamieszczono także wyniki opracowanych pomiarów, których celem było zbadanie

rzeczywistych parametrów opisanych technologii.

6

1. Pakietowa transmisja danych w systemie GSM

1.1 GPRS

Wdrożenie technologii GPRS pozwoliło na rozszerzenie zakresu usług GSM

o możliwość transmisji danych w trybie pakietowym. W porównaniu do transmisji

z komutacją kanałów tryb ten pozwala zwiększyć efektywność wykorzystania zasobów

systemowych. Większą wydajność zapewnia przydzielenie łącza radiowego wyłącznie na

żądanie , przez co dane łącze pozostaje zajęte tylko na czas transmisji danych. Dzięki

takiemu rozwiązaniu pojedynczy kanał fizyczny może być wykorzystywany przez kilku

użytkowników, którzy w różnym czasie korzystają z zasobów systemowych tzn. odbierają

lub przesyłają dane.[2]

Kolejnym ważnym aspektem jest fakt, iż kanały fizyczne do nadawania (transmisja

„w górę") i odbierania (transmisja „w dół") są wykorzystywane jako niezależne zasoby.

Podczas gdy jedna ze szczelin czasowych, która wchodzi w skład pary dupleksowej

używana jest przez którąś ze stacji ruchomej do odbierania pakietów w łączu „w dół”,

druga szczelina w łączu „w górę” może zostać wykorzystana przez inną stacje do

nadawania pakietów. Wprowadzenie w technologii GPRS transmisji wieloszczelinowej,

która polega na przydzieleniu abonentowi kilku szczelin czasowych w ramce TDMA,

zaowocowało zwiększeniem szybkości transmisji pakietów w porównaniu do sieci GSM.

Ponieważ liczba równocześnie obsługiwanych abonentów rośnie wraz ze wzrostem liczby

przydzielonych częstotliwości oraz liczby zdefiniowanych szczelin czasowych, ramki

TDMA wykorzystuje się do tworzenia ramek wyższego rzędu tzw. wieloramek. Do ramek

wyższego rzędu zaliczamy:

wieloramki mowy (czas trwania ramki to 120 ms)

wieloramki sterujące (czas trwania ramki to 235 ms).

Wieloramki służą do tworzenia superramki, która zawiera 1326 ramek TDMA, czyli 26

ramek mowy lub 51 ramek sterujących. Superramki tworzą następnie hieperramkę.

zawierającą 2048 superramek.[7]

7

Technologia GPRS rozszerza hierarchię ramek wyższego rzędu o nowy rodzaj

wieloramek - wieloramki 52-ramkowe, które nie do końca są odwzorowaniem superramek.

Maksymalna liczba wieloramek GPRS wchodzących w skład superramki wynosi 25,5.

Jedna wieloramka 52-ramkowa jest podzielona na 12 bloków radiowych, które stanowią

podstawową jednostkę przydzielenia zasobów radiowych w sieci GPRS. Każdy z nich jest

czterokrotnym powtórzeniem tego samego slotu czasowego w czterech kolejnych ramkach

TDMA. W każdej wieloramce GPRS znajdują się również cztery ramki TDMA służące do

sygnalizacji .[7]

Oznaczenia: B0, … , B11 – bloki radiowe, S – ramka sygnalizacyjna.

Rys.1.1 Struktura wieloramki GPRS

(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)

Rozwój standardu GSM w kierunku GPRS wymusza konieczność przeznaczenia

niektórych dostępnych zasobów radiowych dla ruchu pakietowego, co zmniejsza ilość

kanałów rozmownych. Dlatego ważną strategią w sieciach GSM/GPRS jest podział

szczelin czasowych między usługi wykorzystujące transmisje pakietową a pracujące

w środowisku z komutacją kanałów. Podczas podziału należy mieć na uwadze zmiany

natężenia ruchu pakietowego jak i ilości aktywnych połączeń głosowych . Podczas gdy

ilość rozmów w sieci wzrasta, należy utrzymać odpowiednią ilość wolnych zasobów, która

pozwoli na przyjmowanie kolejnych połączeń głosowych. Analogicznie należy postąpić

gdy wzrasta liczba połączeń z komutacją pakietów. W tej sytuacji bardzo ważna jest

optymalizacja przydzielania wolnych kanałów radiowych. Szczeliny czasowe przydzielone

do danej stacji ruchomej muszą ze sobą sąsiadować , jak i leżeć w tym samym paśmie

częstotliwościowym. Zwiększenie prawdopodobieństwa rezerwacji sąsiednich szczelin

czasowych można uzyskać poprzez rezerwację pewnej puli zasobów radiowych dla

transmisji z komutacją łączy, kolejnej puli dla transmisji pakietowych oraz trzeciej dla obu

rodzajów transmisji. [4]

8

Sieć podzielona w ten sposób będzie działała następująco:

Nowemu połączeniu głosowemu przyznawany jest kanał fizyczny z puli przeznaczonej dla

połączeń z komutacją łączy. Przy czym należy założyć że nie jest to pula pusta. Podczas

trwania połączenia dla innych abonentów GPRS możliwe jest przydzielanie zasobów

należących do wspólnej puli. W przypadku gdy pula zasobów radiowych dla połączeń

z komutacją łączy jest pusta , a ustanowione ma być nowe połączenie, wtedy kanał

fizyczny przydzielany jest ze wspólnej puli. Należy unikać przydzielania zasobów

w sposób przypadkowy. Aby uniknąć takiej sytuacji wspólne zasoby rezerwowane są

w obrębie jednej ramki TDMA dla połączeń z komutacją pakietów od strony prawej do

lewej (szczeliny są o coraz niższych numerach), natomiast dla połączeń z komutacją łączy

- od strony lewej do prawej (szczeliny są o coraz wyższych numerach).

Rys.1.2 Mechanizm alokacji zasobów radiowych w sieciach GSM/GPRS

(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)

W przypadku gdy ma nastąpić nowe połączenie głosowe, a obie pule są puste , połączenie

takie jest odrzucane, lub zasoby przydzielane są mu kosztem zwolnienia części zasobów

radiowych z puli przeznaczonej dla transmisji pakietowych. Analogiczna sytuacja ma

miejsce w przypadku rezerwacji kanałów fizycznych dla ruchu pakietowego. Dobór

rozmiaru poszczególnych pól jest elastyczny, zależy wyłącznie od operatora sieci.

9

1.1.1 Architektura systemu GPRS

System GPRS bazuje na zasobach systemu GSM, jego główne bloki sieciowe

połączone są między sobą osobną siecią szkieletową opartą na protokole IP. System

wprowadza również nowe elementy do architektury sieci:

Węzeł obsługujący GPRS- SGSN (ang. Serving GPRS Support Node) :

odpowiada za dostarczenie i odbiór pakietów do i od stacji ruchomych

znajdujących się w obszarze jego obsługi,

określa trasę transmitowanych pakietów oraz przesyła je do odpowiednich węzłów,

zarządza mobilnością stacji ruchomych,

odpowiada za zarządzanie łączami logicznymi,

potwierdza autentyczność stacji ruchomych,

przechowuje całą informacje o abonentach systemu GPRS zarejestrowanych

w rejestrze danego węzła SGSN,

zajmuje się konwersją protokołu IP, wykorzystywanego w sieci szkieletowej, na

protokoły SNDCP i LLC, które są używane do komunikacji pomiędzy SGSN

i stacjami ruchomymi.

Węzeł wejściowy GPRS- GGSN (ang. Gateway GPRS Support Node):

zapewnia współpracę części sieci GSM wykorzystującej komutację łączy

z sieciami opartymi o protokoły IP i X.25,

pełni w sieci GPRS funkcję bramy, która przechowuje dane pozwalające na

wyznaczanie pakietom tras do węzłów SGSN, a następnie do stacji ruchomych.

odbiera dane adresowane do danego użytkownika oraz sprawdza czy jego adres jest

aktywny. Jeśli jest, to przekazuje dane do węzła SGSN, który obsługuje stację

ruchomą danego użytkownika. Jeśli nie, to dane są odrzucane.

Urządzenie Charging Gateway:

zbiera informacje dla celów taryfikacyjnych o otwartych sesjach,

zlicza przesłane i odebrane dane w czasie ich trwania.

10

Rys1.3 Architektura systemu GPRS

(źródło: http://itpedia.pl)

Dołączenie do domeny pakietowej (ang. GPRS attach) inicjowane jest przez stację

ruchomą poprzez wysłanie do węzła SGSN komunikatu z żądaniem o dołączeniu (ang.

attach request), który zawiera: identyfikator stacji ruchomej oraz obszaru routowania (ang.

routing area identification) w obrębie którego stacja ostatnio przebywała, dane

określające możliwości terminala.

Proces odłączenia od domeny pakietowej jest efektem przesłania do węzła SGSN

informacji o rezygnacji stacji ruchomej z usług domeny pakietowej lub też powiadomieniu

stacji ruchomej przez SGSN o odebraniu jej możliwości dostępu do tej domeny.

Odłączenie abonenta od sieci następuje gdy do stacji ruchomej lub sieci zostanie przesłane

żądanie odłączenia lub w drugim przypadku bez powiadomienia stacji ruchomej- w sposób

domyślny. W tym przypadku przyczyną odłączenia może być awaria sieci, polecenie

z sytemu zarządzania lub zdarzenie zgłoszone przez licznik czasu. W przypadku

odłączenia stacji węzeł SGSN przechowuje przez określony czas wszystkie dane o

zakończonej transmisji co ułatwia ponowne dołączenie użytkownika do sieci, lub też

usuwa wszystkie dane. [8]

11

NS* - usługa sieciowa (ang. network service), na przykład ATM czy IP.

Rys.1.4 Stos protokołów GPRS

(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)

Na czas transmisji w nagłówku każdego pakietu implementowane są identyfikatory UCF

oraz TFI, ma to celu wskazanie stacji mobilnej szczelin czasowych, w których powinna

ona wysyłać i odbierać swoje dane. Za przydzielenie danego parametru odpowiedzialna

jest jednostka PCU.

Parametr TFI rozpoznaje zasoby przyznane stacji ruchomej dla transmisji łączem

„w dół". Stacja mobilna porównuje zawartość pola TFI w odbieranych pakietach

z zawartością przyznanego jej identyfikatora TFI. Stacja mobilna uznaje, że dany pakiet

jest adresowany do niej jeżeli zawartości pola TFI jest równa z zawartością przyznanego

jej identyfikatora TFI. Identyfikator TFI jest pięciobitowy, co oznacza, że pojedynczy

kanał fizyczny służący do transmisji „w dół" współdzielony jest przez maksymalnie 32

użytkowników sieci GPRS.

Pole USF rozpoznaje zasoby przyznane stacji mobilnej dla transmisji danych

„w górę". Jeżeli po porównaniu przez stacje ruchomą zwartości pola USF w odbieranych

pakietach z wartością przyznanego USF wartości te są takie same, oznacza to, iż dane

mogą zostać wysłane przez stacje. USF może zaadresować osiem szczelin czasowych,

ponieważ składa się z trzech bitów. Podczas gdy stacja mobilna używa jednej ze szczelin

do zgłaszania żądań dostępu do sieci GPRS, wówczas jeden kanał fizyczny służący do

transmisji „w górę" może być używany przez maksymalnie siedmiu użytkowników . [1]

12

1.1.2 Schematy kodowania kanałowego

Technologia GPRS wykorzystuje cztery schematy kodowania kanałowego:

CS1 o przepustowości 9,05 kb/s

CS2 o przepustowości 13,4 kb/s

CS3 o przepustowości 15,6 kb/s

CS4 o przepustowości 21,4 kb/s

Maksymalne szybkości transmisji, są różne w zależności od liczby łączonych

kanałów, przyjętego schematu kodowania oraz jakości łącza radiowego. Schemat CS-1

zapewnia najwyższy poziom ochrony przeciwko błędom transmisji, natomiast CS-4

gwarantuje najniższy. Im wyższy poziom ochrony na błędy transmisji tym mniejsza liczba

retransmisji podczas przesyłania bloków informacji abonenta. Dzięki temu całkowity czas

transmisji ulega skróceniu. Natomiast im wyższy poziom ochrony danego schematu

kodowania, tym większa ilość informacji jest dodawana oraz przesyłana wraz

z oryginalnymi danymi. Powoduje to zmniejszenie przepustowości przesyłu danych

abonenta. Pakiety w sieci GPRS przesyłane są w postaci zaszyfrowanej co ma na celu

zwiększenie bezpieczeństwa. Wszystkie dane są szyfrowane na poziomie protokołu LLC.

Zanim ramka zostanie podzielona na bloki radiowe, zostaje zaszyfrowana kluczem

symetrycznym. Procedura ta polega na wykonaniu operacji XOR miedzy bitami danej

ramki LLC a ciągiem bitów stanowiących klucz, do którego wygenerowania służy

algorytm A5. Klucz umieszczony jest w stacji mobilnej oraz w węźle SGSN. W sieci

GPRS dane abonenta są zaszyfrowane zarówno w interfejsie radiowym jak i podczas

transmisji miedzy stacja bazowa a węzłem SGSN.[1]

1.1.3 Kategorie stacji ruchomych

W transmisji pakietowej GPRS wyróżnia się 29 kategorii stacji ruchomych,

określanych mianem klas wieloszczelinowych. Zadaniem każdej z nich jest ustawienie

transmisji wieloszczelinowej, w tym określenie maksymalnej liczby szczelin

przeznaczonych do transmisji „w dół" oraz „w górę". Z pośród wszystkich kategorii można

wyodrębnić dwa typy urządzeń – typ 1 oraz typ 2. Gdy dana stacja ruchoma nie jest

w stanie w tym samym czasie nadawać i odbierać informacje należy do typu 1 (półduplex).

Gdy transmisja danych może zachodzić w obu kierunkach należy do typu 2(fullduplex).

13

Dodatkowo stacje mobilne podzielone są na trzy różne klasy urządzeń:

Klasa A - pozwala na równoczesną prace w sieci GSM oraz GPRS

Klasa B – pozwala na równoczesne podłączenie do sieci GSM oraz GPRS ale nie

zezwala na prace w obu sieciach na raz.

Klasa C – pozwala na podłączenie w tym samym czasie tylko do jednego rodzaju

sieci, którą wybiera abonent.

Przy odpowiednich warunkach transmisyjnych , przy wykorzystaniu wszystkich

ośmiu szczelin czasowych oraz schematu kodowania CS4 maksymalna teoretyczna

przepustowość w sieci GPRS można wyznaczyć jako 8*21,4 kb/s czyli 171,2 kb/s.[1]

Tabela 1.1 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w GPRS

(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)

Typ

urządzenia

Kategoria

stacji ruchomej

Maksymalna liczba

szczelin czasowych do

transmisji „w dół"

Maksymalna liczba

szczelin czasowych do

transmisji „w górę"

Maksymalna liczba

równocześnie

wykorzystywanych

szczelin czasowych

1 1 1 1 2

1 2 2 1 3

1 3 2 2 3

1 4 3 1 4

1 5 2 2 4

1 6 3 2 4

1 7 3 3 4

1 8 4 1 5

1 9 3 2 5

1 10 4 2 5

1 11 4 3 5

1 12 4 4 5

2 13 3 3 nie dot.

2 14 4 4 nie dot.

2 15 5 5 nie dot.

2 16 6 6 nie dot.

2 17 7 7 nie dot.

2 18 8 8 nie dot.

1 19 6 2 nie dot.

1 20 6 3 nie dot.

1 21 6 4 nie dot.

1 22 6 4 nie dot.

1 23 6 6 nie dot.

1 24 8 2 nie dot.

1 25 8 3 nie dot.

1 26 8 4 nie dot.

1 27 8 4 nie dot.

1 28 8 6 nie dot.

1 29 8 8 nie dot.

14

1.2 EDGE

EDGE (ang. Enhanced Data rates for Global Evolution- zwiększone szybkości

transmisji dla ewolucji globalnej) jest ulepszoną wersja GPRS. Często nazywany jest

również EGPRS, czyli Enhanced GPRS (Ulepszony GPRS). Podobnie jak w przypadku

usługi GPRS, płaci się rachunek tylko za ilość przesłanych danych, a nie za czas trwania

połączenia.

1.2.1 Powstanie EDGE

Celem stworzenia technologii EDGE było sprostanie wymaganiom transmisyjnym

wymuszonych koniecznością szybkiego przesyłu dużej ilości danych z w środowisku

radiowym. Teoretycznie EDGE powinno zapewnić przesył danych z szybkością do

384 kb/s w rzeczywistości prędkość ta wynosi 230 kb/s. EDGE używa tych samych pasm

częstotliwości, co GSM/GPRS. W związku z tym operator podczas wdrażania nowej

technologii nie musi ubiegać się o przydzielenie mu nowych częstotliwości,

a implementacja ograniczona jest do dodania modułów do obecnych stacji bazowych.

W ciągle poszerzającej się sieci komórkowej rutynową procedurą jest dodawanie nowych

modułów transmisyjnych. Instalacja modułów nadawczych posiadających funkcjonalność

obsługi standardów GSM oraz EDGE niweluje konieczność wstawiana nowych modułów

nadawczych GSM. Dodatkowym atutem oprogramowania EGDE jest możliwość jego

zdalnej instalacji a co za tym idzie natychmiastową aktywacje nowej technologii.[1]

1.2.2 Różnice pomiędzy EDGE a GPRS

Technika modulacji i kodowania jest czynnikiem odróżniającym technologie

EDGE oraz GPRS. W przypadku EDGE rozróżniamy dziewięć nowych schematów

modulacji i kodowania MCS-1 - MCS-9. Cztery spośród nich używają modulacji GMSK

stosowanej już w starszych sieciach GSM/GPRS. Pozostałe schematy wykorzystują do

modulacji nową technikę nazywaną 8PSK czyli 8-Phase Shift Keying, po polsku

nazywana ośmiowarstwowym kluczowaniem fazy. Technika ta w porównaniu do GMSK

zapewnia trzykrotnie większą szybkość transmisji danych, czyli w GPRS każdy impuls

przenosi 1 bit danych a w EDGE 3 bity.

Tak więc transmisja danych jako taka nie jest szybsza, lecz w tym samym czasie

można przesłać ich więcej. Kolejna różnicą jest stosowanie przez system EDGE

15

przeskoków częstotliwości nośnych. Polega to na zbiorczym odbiorze częstotliwości, co

pozwala na zniwelowanie wpływu zaników w kanale oraz ma istotny wpływ na poziom

zakłóceń współkanałowych. Sekwencyjna zmiana tych częstotliwości powoduje ze każdy

zakodowany blok danych jest transmitowany na czterech różnych częstotliwościach.

EDGE wprowadza również nową nieobecną w GPRS technologię, tzw.

wzrastającej redundancji (Incremental Redundancy - IR), która zamiast ponownego

przesyłania przekłamanych pakietów, wysyła dodatkowe informacje pozwalające na

zdekodowanie poprzednio wysłanych danych. Pakiety danych używane w technologii

EDGE mają format identyczny jak w standardowym systemie GSM. Jednak po

zastosowaniu modulacji 8PSK 8-poziomowe symbole danych zastępują symbole binarne.

Pakiet składa się z 26-symbolowej sekwencji treningowej która jest umieszczona w jego

środku, zawiera po trzy bity końcowe i początkowe oraz dwa razy po 58 symboli

użytkownika. W przypadku modulacji 8-PSK w pojedynczym pakiecie transmituje się 348

bitów a w GSM/GPRS zaledwie 116. Wieloramka zbudowana jest z 52 ramek w których

umieszczone jest 12 bloków danych. Do celów pomiarowych lub korekcji zegara

ramkowego użyta jest każda trzynasta ramka która nie niesie ze sobą żadnych informacji.

Maksymalna szybkość danych na częstotliwość nośną przy zastosowaniu wszystkich

szczelin czasowych wynosi 556,8 kb/s dla modulacji 8PSK i 185,6 kb/s dla GMSK.[1,2]

Tabela 1.2 Modulacja i schematy kodowania w systemie EGPRS(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)

16

2. Pakietowa transmisja danych w systemie UMTS

2.1 Koncepcja systemu UMTS

Systemu UMTS oparty jest na technologii GPRS. Do transmisji danych,

analogicznie do systemu GPRS wykorzystywane są węzły GGSN oraz SGSN, które tworzą

sieć szkieletową opartą na protokole IP. W obrębie sieci za tunelowanie danych

użytkowników odpowiedzialny jest protokół GTP. Technologia UMTS wprowadza nowy

interfejs radiowy, który zapewnia wydajniejsze wykorzystanie zasobów radiowych,

zwiększa przepustowość danych oraz poprawia współczynnik Quality of Service. Kolejną

zaletą systemu jest możliwość współpracy ze standardem GSM. Funkcja ta zapewnia

poruszającemu się użytkownikowi przeniesienie aktywnego połączenia między sieciami

pracującymi w obu standardach bez jego zerwania – handover. Podczas gdy, użytkownik

zaloguje się do sieci GSM, może korzystać z większości usług zdefiniowanych w UMTS,

niestety niektóre z nich mogą działać z gorszą jakością. Dobra komunikacja między

standardami GSM oraz UMTS sprawiła, iż jest on najpopularniejszym rozwiązaniem

wykorzystywanym do budowy sieci trzeciej generacji.[3]

Przed rozpoczęciem transmisji pakietowej należy określić następujące parametry:

typ protokołu wykorzystywanego podczas transmisji (IP lub PPP- Point-to-Point

Protocol), adres stacji ruchomej, który w przypadku protokołu IP przyjmuje postać adresu

internetowego IP i może być przydzielony na stałe lub dynamicznie zarówno przez

operatora sieci macierzystej jaki i wizytowej. Należy również określić adres punktu

dostępu do sieci zewnętrznej, odbiorcę informacji w stacji ruchomej oraz wymagany

poziom współczynnika QoS.

Przy założeniu idealnych warunków transmisji, gdy stacja ruchoma znajduje się

blisko stacji bazowej oraz przemieszcza się z nieznaczną prędkością, teoretyczna szybkość

połączenia z komutacją pakietów może dochodzić do 2 Mb/s. Wraz ze wzrostem szybkości

przemieszczania się stacji oraz odległości od niej maleje przepustowość. Przy założeniu, że

odległość od stacji bazowej jest mniejsza niż 2 km, a prędkość stacji ruchomej nie

przekracza 120 km/h – rzeczywista szybkość transmisji wynosić może 384 kb/s.

Natomiast gdy odległość stacji i prędkość jej przemieszczania jest większa szybkość

transmisji spada do 144 kb/s.[1,3]

17

2.2 HSDPA

HSDPA (ang. High Speed Downlink Packet Access) jest technologią UMTS

umożliwiającą przesyłanie danych z sieci w stronę terminala z teoretyczną, maksymalną

szybkością 21.6 Mb/s. Zaletą technologii jest możliwość jej wdrożenia w sieć UMTS bez

konieczności przebudowy sieci szkieletowej odpowiadającej za komutacje pakietów.

Wyjątkiem jest przeskalowanie sieci w przypadku zwiększenia transferu danych.

Przebudowie podlega jedynie sieć radiowa.[1]

2.2.1 Zmiany w UMTS wprowadzone przez HSDPA

Najważniejszą innowacją wprowadzoną przez technologię HSDPA jest kanał

transportowy HS-DSCH (ang. High Speed Downlink Shared Channel), który zapewnia

bardziej optymalny podział zasobów radiowych.

W przeciwieństwie do wcześniejszych systemów , gdzie kody używane do

wyodrębnienia poszczególnych transmisji z kanału transmisyjnego przydzielane były

terminalom na czas transmisji, są one dynamicznie przyznawane ze wspólnej puli kodów

w czasie połączenia. Liczba kodów przydzielana terminalowi nie jest wartością stałą

i zależy od zmiennych warunków propagacji, obciążenia w danej komórce oraz

priorytetów danych transmisji. Takie podejście podnosi wydajność sieci radiowej.

W technologii HSDPA oprócz standardowej technologii modulacji QPSK używana

jest modulacja 16QAM, zwiększa się tym samym wrażliwość na warunki propagacji

sygnału, ale zwiększa się również transfer danych. Skrócono czas w którym przesyłana jest

ramka danych tzw. Transmition Time Interval (TTI), dzięki czemu system może szybciej

reagować na zmianę warunków propagacji sygnału. W starszych systemach czas podramki

wynosił 10, 20 lub 40 ms. W HSDPA czas ten został skrócony do 2 ms , w których

przyznawane są kody ortogonalne do wyodrębnienia transmisji ze wspólnego kanału. [3,7]

Rys.2.1 Budowa Ramki TDMA stosowanej w systemie UMTS

(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)

18

W przypadku gdy terminal otrzyma niepełne dane od stacji bazowej, może wysłać żądanie

retransmisji. W systemach UMTS żądanie przesyłane jest przez stacje bazową do

sterownika, który obsługuje kilkaset stacji. Aby zniwelować opóźnienia retransmisji,

w systemie HSDPA żądanie zostało przeniesione bezpośrednio do stacji bazowej.

2.2.2 Kategorie stacji ruchomych definiowane w HSDPA

Stacje ruchome w transmisji pakietowej HSDPA mogą należeć do dwunastu kategorii,

które m.in. określają:

maksymalną przepływność ,

rodzaj modulacji

maksymalną liczbę kodów użytych w kanale transportowym.[1]

Tabela 2.1 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSDPA (źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)

2.3 HSUPA

Kolejny krok w ewolucji standardu UMTS stanowi HSUPA. Technologia ta

pozwala zwiększyć szybkość przesyłania danych w łączu „w górę" oraz zmniejsza

opóźnienia transmisji. Użytkownicy sieci UMTS dzięki możliwości wspólnego

wykorzystania technologii HSDPA i HSUPA mogą korzystać z szybkiego przesyłu

pakietów zarówno od jak i do stacji ruchomych. Taka koncepcja określana jest mianem

HSPA.

19

2.3.1 Różnice między HSDPA a HSUPA

Przesył danych w technologii HSUPA jest możliwy przy użyciu zarówno ramek

10ms jak i podramek stosowanych w HSDPA – 2ms. Oprócz podstawowej różnicy między

technologiami jaką jest kierunek przesyłu danych, różnią się one sposobem przydzielenia

kanału fizycznego. W HSUPA stacja ruchoma wykorzystuje jeden oddzielny kanał

fizyczny do przesyłania danych jednego użytkownika w kierunku stacji bazowej. Oznacza

to, że w czasie trwania jednej ramki czasowej przesyłane mogą być dane tylko jednego

abonenta. Natomiast w HSDPA kanał fizyczny dzielony jest pomiędzy kilku

użytkowników.

2.3.2 Kategorie stacji ruchomych definiowane w HSUPA

Stacje ruchome w transmisji pakietowej HSUPA mogą należeć do sześciu

kategorii, , które określają maksymalną dostępną prędkość transmisji.

Przynależność stacji ruchomej do danej kategorii określają:

typy ramek wykorzystywanych do transmisji danych,

maksymalna liczba kanałów fizycznych przydzielanych pojedynczemu

użytkownikowi,

minimalna długość wykorzystywanych ciągów rozpraszających.[1,3]

Tabela 2.2 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSUPA(źródło: http://www.zsk.p.lodz.pl)

20

3. Część praktyczna

3.1 Przebieg pomiarów

Pomiary wykonywane zostały przy użyciu modemu Option iCON 225 sieci Era, za

pomocą programu napisanego w języku C#. Test stanowiła transmisja w górę i w dół

danych za pośrednictwem protokołu TCP. W tym celu wykorzystano serwer FTP: web

park.pl na którym na przemiennie dokonywano transmisji pliku o rozmiarze 512kB.

Rozmiar pliku tak dobrano był skrócić czas realizacji połączenia oraz by zarówno

transmisja w górę jaki w dół odbyła się w miarę podobnych warunkach radiowych. Testy

wysyłania i odbioru wykonywano naprzemiennie, aby podobnie jak wcześniej zapewnić

podobne warunki radiowe. Testy powtórzono pięciokrotnie, co pozwoliła na podstawową

analizę statystyczną uzyskanych wyników.

GPRS/EDGE

UMTS/HSxPA

Proces pomiarowy został podzielony na dwa niezależne etapy. Etap pierwszy stanowił

pomiar stacjonarny, polegający na braku zmiany położenia urządzeń podczas realizacji

transmisji. Etap drugi stanowiły pomiary dynamiczne, gdzie komunikacja następowała

podczas poruszania się komputera z trzema różnymi prędkościami

Pomiar statyczny

Pomiar statyczny polegał na dokonaniu pomiarów przepustowości łącza zarówno w górę

(uplink) jak i w dół (downlink) przy nieruchomej stacji pomiarowej. Pomiar statyczny miał

na celu sprawdzenie jakości łącza w możliwie teoretycznie najlepszych warunkach

propagacji radiowych, przy zredukowanej interferencji sygnałów. Pomiarów dokonano w 3

różnych miejscach na trasie, na której następnie realizowane były pomiary dynamiczne

Pomiar szybkości poszczególnych łączy statycznie, przy nieruchomym

odbiorcy usług.

Pomiar wykonywany w różnych porach dnia w trzech określonych

miejscach

21

Rys. 3.1 Przebieg trasy na której zostały wykonane pomiary , z oznaczeniem trzech miejsc

wykonania pomiarów statycznych

Pomiar dynamiczny

Pomiary dynamiczne polegały, podobnie jak wyżej, na analizę przepustowości łącz

podczas przemieszczania się odbiorcy usług.

Celem w/w testów była analiza wpływu prędkości poruszania się odbiorcy usług na

przepustowość łącz. Dlatego też dokonano pomiarów dla trzech różnych prędkości

poruszania, odpowiednio: 40km/h, 60km/h oraz 80km/h. Dodatkowo w celu redukcji

wpływu możliwego lokalnego przeciążenia systemu pomiarów dokonano o dwóch różnych

porach dnia tj. 18:00 i 21:00

pomiar szybkości poszczególnych łączy podczas przemieszczania się

odbiorcy usług.

pomiary dla trzech różnych prędkości poruszania się w zakresie

(40-80 km)

pomiary w rożnych porach dnia

22

Rys. 3.2 Rozmieszczenie stacji bazowych ERA na trasie pomiarów

Ze względu na niekorzystne warunki atmosferyczne pomiary wykonywane zostały w

porach dnia, w których występuje stosunkowo małe zagęszczenie ruchu samochodów na

autostradzie.

23

3.2 Wyniki pomiarów

3.2.1 Godzina 18.00

POMIAR STATYCZNY:

Zmierzony czas transmisji:

GRRS/EDGE UMTS/HDxPA

Miejsce Czas wysyłania[s]

Czas pobierania[s]

Czas wysyłania[s]

Czas pobierania[s]

1

1,6380 1,6224 1,8408 1,6224 1,5600

1,4196 1,8564 1,9812 1,9188 1,7940

1,0920 1,0920 1,1388 1,0764 1,1388

1,2636 1,2012 1,2948 1,2012 1,2636

2

1,8876 1,6848 1,6848 1,6224 1,5444

1,8564 1,8564 1,8096 1,8654 1,7784

1,1700 1,3416 1,1544 1,0764 1,0920

1,3416 1,2324 1,2168 1,2792 1,2792

3

2,0592 1,6848 1,6068 1,6068 1,6224

1,8096 2,0592 1,9188 1,8096 1,8564

1,0920 1,2792 1,1544 1,0764 1,1388

1,3572 1,2948 1,3416 1,4820 1,4040

Obliczona prędkość transmisji:

GRRS/EDGE UMTS/HDxPA

Miejsce Prędkość wysyłania[kb/s]

Prędkość pobierania[kb/s]

Prędkość wysyłania[kb/s]

Prędkość pobierania[kb/s]

1

312,6 315,6 278,1 315,6 328,2

360,7 275,8 258,4 266,8 285,4

468,9 468,9 449,6 475,7 449,6

405,2 426,2 395,4 426,2 405,2

2

271,2 303,9 303,9 315,6 331,5

275,8 275,8 282,9 274,5 287,9

437,6 381,6 443,5 475,7 468,9

381,6 415,4 420,8 400,3 400,3

3

248,6 303,9 318,6 318,6 315,6

282,9 248,6 266,8 282,9 275,8

468,9 400,3 443,5 475,7 449,6

377,2 395,4 381,6 345,5 364,7

24

POMIAR DYNAMICZNY:

Zmierzony czas transmisji:

1. GRRS/EDGE UMTS/HDxPA Prędkość Czas

wysyłania[s] Czas

pobierania[s] Czas wysyłania[s] Czas

pobierania[s]

40 km/h

1,9968 1,6692 1,7472 2,0280 1,6692

2,0592 2,4180 2,0436 1,9344 2,1216

1,2012 1,0920 1,0764 1,2168 1,2324

1,2792 1,2168 1,3572 1,2948 1,2012

60 km/h

1,5912 1,9968 1,6692 1,9968 1,6848

1,7940 1,7160 1,8408 1,9188 1,9344

1,2324 1,0452 1,1544 1,0920 1,0920

1,4820 1,3572 1,2324 1,2792 1,3260

80 km/h

1,5912 1,6224 1,6068 1,6068 1,4820

1,7160 1,7940 1,8594 1,9344 1,6536

1,1076 1,1856 1,3260 1,2168 1,0920

1,2324 1,2792 1,8252 1,2636 1,2636

Obliczona prędkość transmisji:

GRRS/EDGE UMTS/HDxPA Prędkość Prędkość

wysyłania[kb/s] Prędkość

pobierania[kb/s] Prędkość

wysyłania[kb/s] Prędkość

pobierania[kb/s]

40 km/h

256,41 306,73 293,04 252,47 306,73

248,64 211,75 250,54 264,68 241,33

426,24 468,86 475,66 420,78 415,45

400,25 420,78 377,25 395,43 426,24

60 km/h

321,77 256,41 306,73 256,41 303,89

285,40 298,37 278,14 266,83 264,68

415,45 489,86 443,52 468,86 468,86

345,48 377,25 415,45 400,25 386,12

80 km/h

321,77 315,59 318,65 318,65 345,48

298,37 285,40 275,36 264,68 309,63

462,26 431,85 386,12 420,78 468,86

415,45 400,25 280,52 405,19 405,19

25

3.2.2 Godzina 21.00

POMIAR STATYCZNY:

Zmierzony czas transmisji:

GRRS/EDGE UMTS/HSxPA Miejsce Czas

wysyłania[s] Czas

pobierania[s] Czas

wysyłania[s] Czas

pobierania[s]

1

1,6224 1,7628 1,6068 1,6848 1,5600

1,8096 1,9188 1,7940 1,8560 1,9344

1,2480 1,0764 1,0920 1,2792 1,1076

1,2762 1,2792 1,2010 1,3416 1,2168

2

1,8720 1,6068 1,5444 1,6848 2,9796

1,6536 2,1060 1,7784 1,8096 1,7316

1,3728 1,0764 1,5912 1,1544 1,1388

1,2792 1,2792 1,2324 1,2168 1,2792

3

1,6224 1,7940 1,6848 1,8720 1,5912

1,8564 1,9656 1,7940 1,8408 1,9032

1,1856 1,2168 1,1388 1,0920 1,1076

1,3260 1,2324 1,2792 1,3416 1,4664

Obliczona prędkość transmisji:

GRRS/EDGE UMTS/HSxPA

Miejsce Prędkość wysyłania[kb/s]

Prędkość pobierania[kb/s]

Prędkość wysyłania[kb/s]

Prędkość pobierania[kb/s]

1

315,58 290,45 318,65 303,89 328,21

282,94 266,83 285,40 275,86 264,68

410,26 475,66 468,86 400,25 462,26

401,19 400,25 426,31 381,63 420,78

2

273,50 318,65 331,52 303,89 171,84

309,63 243,11 287,90 282,94 295,68

372,96 475,66 321,77 443,52 449,60

400,25 400,25 415,45 420,78 400,25

3

315,58 285,40 303,89 273,50 321,77

275,80 260,48 285,40 278,14 269,02

431,85 420,78 449,60 468,86 462,26

386,12 415,45 400,25 381,63 349,15

26

POMIAR DYNAMICZNY:

Zmierzony czas transmisji:

GRRS/EDGE UMTS/HDxPA Prędkość Czas

wysyłania[s] Czas

pobierania[s] Czas

wysyłania[s] Czas

pobierania[s]

40 km/h

1,8564 1,7472 1,8720 1,7940 1,7316

2,0592 1,9500 1,9968 2,4336 3,4320

1,0920 1,0920 1,2168 1,1544 1,0296

1,2168 1,4508 1,3572 1,4664 1,2792

60 km/h

1,8720 1,9812 2,0436 1,9812 1,8564

2,6988 1,9968 1,9968 2,4804 2,4180

1,2948 1,0920 1,3416 1,0920 1,2636

1,2792 1,2636 1,2168 1,2792 1,2792

80 km/h

1,8096 1,7004 1,8720 1,9188 2,8704

1,9344 2,0592 1,8720 2,2308 2,1684

1,6692 1,2792 1,1388 1,2012 1,2792

1,3416 1,4196 1,3416 1,2792 1,3572

Obliczona prędkość transmisji:

GRRS/EDGE UMTS/HDxPA Prędkość Prędkość

wysyłania[kb/s] Prędkość

pobierania[kb/s] Prędkość

wysyłania[kb/s] Prędkość

pobierania[kb/s]

40 km/h

275,80 293,04 273,50 285,40 295,68

248,64 262,56 256,41 210,39 149,18

468,86 468,86 420,78 443,52 497,28

420,78 352,91 377,25 349,15 400,25

60 km/h

273,50 258,43 250,54 258,43 275,80

189,71 256,41 256,41 206,42 211,75

395,43 468,86 381,63 468,86 405,19

400,25 405,19 420,78 400,25 400,25

80 km/h

282,94 301,11 273,50 266,83 178,37

264,68 248,64 273,50 229,51 236,12

306,73 400,25 449,60 426,24 400,25

381,63 360,66 381,63 400,25 377,25

27

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90200

220

240

260

280

300

320

340

360

380Prędkość wysyłania danych technologią GPRS/EDGE

Prędkość przemieszczania [km/h]

Prz

epusto

wość łącza [

kb/s

]

Godz.18:00

Godz.21:00

3.3 Analiza wyników

Każdy wykres na osi X zawiera informacje o prędkości poruszania się pojazdu oraz

wyniki obliczone jako średnia oraz odchylenie standardowe pięciu prób pomiarowych

zamieszczonych w tabelach. Oś Y przedstawia przepustowość łącza.

PRZESYŁ DANYCH TECHNOLOGIĄ GPRS/EDGE

Wniosek:

Pomiar o godzinie 18:00 wykazuje, że wraz ze wzrostem prędkości przemieszczania

rośnie prędkość wysyłania danych technologią GPRS/EDGE. Pomiar statyczny o tej

godzinie ma duża rozbieżność wyników co spowodowane jest zróżnicowaniem

zabudowania terenu na którym wykonane zostały badania. O godzinie 21:00 wraz ze

wzrostem prędkości spada przepustowość łącza a wyniki pomiarów statycznych są bardziej

ustabilizowane. Wynika to z mniejszej aktywności użytkowników sieci a co za tym idzie z

mniejszego obciążenia stacji bazowych.

28

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90160

180

200

220

240

260

280

300

320Prędkość pobierania danych technologią GPRS/EDGE

Prędkość przemieszczania [km/h]

Prz

epusto

wość łącza [

kb/s

]

Godz.18:00

Godz.21:00

Wniosek :

Wynik pomiaru prędkości pobierania danych technologią GPRS/EDGE o godzinie 18:00

jest wyższy niż o godzinie 21:00. Może być to spowodowane ruchem w sieci jaki generują

prywatni użytkownicy pobierający więcej danych w godzinach wieczornych. Przy

prędkości przemieszczania się 40km/h nastąpił znaczny spadek przepustowości

spowodowany przejazdem w pobliżu dużego osiedla mieszkalnego.

29

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90340

360

380

400

420

440

460

480

500Prędkość wysyłania danych technologią UMTS/HSxPA

Prędkość przemieszczania [km/h]

Prz

epusto

wość łącza [

kb/s

]

Godz.18:00

Godz.21:00

PRZESYŁ DANYCH TECHNOLOGIĄ UMTS/HSxPA

Wniosek:

Wynik pomiaru o godzinie 21:00 wykazuję wyższe odchylenia standardowe w

porównaniu z wynikami otrzymanymi z godziny 18:00. Można z tego wywnioskować, ze o

godzinie wcześniejszej sieć była bardziej stabilna i mniej obciążona a co za tym idzie

wysyłanie danych odbywało się na prawie stałym poziomie niezależnie od prędkości

przemieszczania.

30

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90320

340

360

380

400

420

440Prędkość pobierania danych technologią UMTS/HSxPA

Prędkość przemieszczania [km/h]

Prz

epusto

wość łącza [

kb/s

]

Godz.18:00

Godz.21:00

Wniosek:

Analiza wykresu pozwala zauważyć iż w przypadku pomiaru dokonanego o godzinie

18:00 prędkość pobierania danych wzrasta do prędkości 40 km/h by potem stopniowo

zmaleć. Natomiast o godzinie 21:00 przepustowość łącza maleje do prędkości 40 km/h,

wzrasta przy przyspieszeniu do 60 km/h a następnie gwałtownie maleje. Fakt ten trudno

zanalizować ze względu na brak wystarczających informacji od operatora sieci.

31

UŻYCIE POLECENIA TRACERT

Polecenia tracert użyto w celu wyświetlenia serii routerów IP, które są używane przy

dostarczaniu pakietów z danego komputera do miejsca docelowego, a także czasu trwania

każdego przeskoku.

GPRS/EDGE

UMTS/HSxPA

32

Analiza wyników badania przepustowości łącza, przy wykorzystaniu technologii

oferowanych przez operatora sieci ERA, pozwala na stwierdzenie, iż wyniki rzeczywistych

pomiarów prędkości znacznie odbiegają od założeń teoretycznych. Prędkość wysyłania czy

też pobierania danych wraz ze wzrostem prędkości przemieszczania się komórki powinna

spadać badanie wykazuje jednak, że wraz ze wzrostem prędkości przemieszczania,

szybkość transmisji wzrasta lub tylko w niektórych przypadkach ulega spadkowi.

Rozbieżność tą trudno uzasadnić z powodu braku wystarczających informacji posiadanych

wyłącznie przez operatora sieci a, znacznie wpływających na parametry transmisji w

danym momencie tj. ilość użytkowników korzystających z usługi w danym momencie,

jakie w danej chwili stosowane jest kodowanie, na ile jest ono nadmiarowe co ma wpływ

na spadek wydajności sieci oraz odległość od stacji bazowej która w danej chwili

obsługuje połączenie. Ponieważ podczas rozpędzania się komórki, oraz przy jeździe o

określonej prędkości bardzo szybko zmieniała się topologia terenu oraz gęstość

zaludnienia co znacznie zaburzyło wyniki pomiarów. Przy wykorzystaniu technologii

UMTS/HSxPA transmisja odbywa się średnio o 33% szybciej niż przy użyciu technologii

GPRS/EDGE. Użycie polecenia tracert pozwala zauważyć, iż czas przeskoku pakietów

pomiędzy poszczególnymi routerami w technologii GPRS/EDGE jest dużo większy niż w

przypadku UMTS/HSxPA. Teoretycznie, niezależnie od użytej technologii prędkość

wysyłania danych powinna być mniejsza od prędkości pobierania. W przypadku

przeprowadzonego badania sytuacja jest odwrotna, ponieważ sieć ta powinna być

asymetryczna a uzyskane wyniki mogą być uwarunkowane ilością użytkowników którzy

ściągają dane w trakcie dokonywania pomiarów. Kolejnym elementem nie możliwym do

poprawnej weryfikacji usług jest możliwość ograniczenia pasma wykorzystywanego

serwera FTP. Wyniki badania prędkości wysyłania, wykonane o godz. 18:00 wykazują

większą stabilność w zależności od prędkości poruszania się komórki, niż te o godz. 21:00.

Zależność tą można zauważyć porównując wynik badania statycznego do wyniku przy

prędkości 80km/h, o wcześniejszej porze przy użyciu technologii GPRS/EDGE różnica

wynosiła ok.18kb/s , natomiast o godz. 21:00 różnica ta wzrosła do ok.38kb/s. Porównując

pod tym samym względem technologie UMTS/HSxPA wyniki te przedstawiają się

następująco: 18:00 – ok. 16kb/s, 21:00-ok. 37kb/s. Stabilność wyników o godz. 18:00

może być spowodowana równomiernym obciążeniem sieci, przez duże firmy znajdujące

się na trasie pomiaru. O godzinie 21:00 większość firm jest już zamknięta a ruch w sieci

generują prywatni użytkownicy posiadający słabsze łącza.

33

Podsumowanie

Celem niniejszej pracy którym było porównanie przepustowości łączy

oferowanych przez technologie pakietowej transmisji danych w sieci telefonii

komórkowej zrealizowano poprzez opis zasady działania oraz architektury systemu GPRS.

W pracy poddano również analizie teoretycznej i omówiono metody zwiększenia

szybkości transmisji pakietów poprzez wprowadzanie transmisji wieloszczelinowej,

omówienie sposobu dołączenia i odłączenia od domeny pakietowej przy użyciu węzłów

SGSN oraz GGSN. Przedstawiono również schematy kodowania kanałowego, oraz podział

stacji ruchomych na kategorie, typy i klasy. Dodatkowo w pracy przedstawiono opis

powstania systemu EDGE oraz wprowadzenie ulepszeń oraz różnic w stosunku do GPRS.

W pracy omówiono również koncepcje systemu UMTS, najważniejsze innowacje

wprowadzone przez HSDPA i HSUPA oraz różnice między nimi. Dokonane zostały

pomiary, które miały na celu praktyczne porównanie technologii. Wyniki otrzymane w

pomiarach statycznych jak i dynamicznych o dwóch różnych porach dnia zostały

przedstawione na wykresach. Dla lepszego przedstawienia drogi jaką musi pokonać pakiet

danych wysyłany od abonenta zamieszczono wynik polecenia tracert. Wykonano również

analizę otrzymanych wyników.

Wraz ze wzrostem wymagań stawianych przez abonentów wykorzystujących telefony

komórkowe do przesyłania danych można spodziewać się w przyszłości rozwoju

technologii 3G a także budowy nowych stacji bazowych rozszerzających zasięg tej

technologii. Biorąc pod uwagę powyższy fakt powinno się zrealizować kolejne prace

dyplomowe mające na celu zbadanie przepustowości określonych systemów a tym samym

śledzenie postępu technologii. Dla uzyskania dokładniejszych, lepiej obrazujących

rzeczywiste możliwości technologii zaleca się przeprowadzenie pomiarów przy użyciu

dwóch lub więcej modemów oferowanych przez różnych operatorów sieci.

34

Literatura

1. Wesołowski K.: Systemy radiokomunikacji ruchomej, WKŁ, Warszawa 2003.

2. Praca zbiorowa NetWorld.: Vademecum Teleinformatyka, IDG Poland, Warszawa

2002.

3. Kołakowski J. Cichocki J.: UMTS system telefonii komórkowej trzeciej generacji,

Warszawa 2008

4. Simon A. Walczyk M.: Sieci komórkowe GSM/GPRS. Usługi i bezpieczeństwo,

XYLAB, Warszawa 2007

5. Bednarek Z.: Internet w kieszeni, http://www.pcworld.pl.

6. Autor nieznany: Ewolucja systemów komórkowych i podział na generacje,

http://www.zgapa.pl/data_files/referat_6358.html,

7. Autor nieznany: Wielodostęp w sieci komórkowej,

http://itpedia.pl/index.php/Wielodost%C4%99p_w_sieci_kom%C3%B3rkowej

8. Maćkowski M.: Zastosowanie pakietowej transmisji danych – GPRS w

rozproszonych systemach pomiarowych, http://www.ime.uz.zgora.pl.

9. Okolewski J.: Współczesne technologie telekomunikacyjne dla transmisji

pakietowych GPRS/EDGE/HSDPA,

http://www.zsk.p.lodz.pl/~morawski/Dyplomy/Praca%20dyplomowa%20p.%20Ok

olewskiego.pdf

35

Spis tabel i rysunków

Rys.1.1 Struktura wieloramki GPRS [9]

Rys.1.2 Mechanizm alokacji zasobów radiowych w sieciach GSM/GPRS [9]

Rys1.3 Architektura systemu GPRS [7]

Rys.1.4 Stos protokołów GPRS [9]

Rys.2.1 Budowa Ramki TDMA stosowanej w systemie UMTS [9]

Rys. 3.1 Przebieg trasy na której zostały wykonane pomiary , z oznaczeniem trzech miejsc

wykonania pomiarów statycznych

Rys. 3.2 Rozmieszczenie stacji bazowych ERA na trasie pomiarów

Tabela 1.1 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w GPRS [9]

Tabela 1.2 Modulacja i schematy kodowania w systemie EGPRS [9]

Tabela 2.1 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSDPA [9]

Tabela 2.2 Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSUPA [9]