ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA DOPRAVNÍ
Bakalářská práce
ANALÝZA VLIVU MOBILITY UŽIVATELŮ NA KVALITU BEZDRÁTOVÉ SÍTĚ
Lukáš Čech
Praha 2013
Čestné prohlášení Já, Lukáš Čech, student Fakulty dopravní ČVUT v Praze, prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací.
Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V Praze dne: …………………………
podpis: ……………………………
3
Poděkování
Děkuji Ing. Martinu Šrotýřovi za odborné vedení, cenné rady a poskytnutí pomůcek k praktickému měření.
4
Abstrakt
Autor: Lukáš Čech Název bakalářské práce: Analýza vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě Škola: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta dopravní Rok vydání: Praha 2013 Počet stran:71
Tato bakalářská práce pojednává o bezdrátových technologiích a jejich využití v telematických aplikacích. Je zde přehled radiových přenosových cest a problematika přidělování kmitočtových pásem. Dále jsou popsány bezdrátové technologie na bázi standardů IEEE 802.11 a IEEE 802.16 a stav jejich certifikace. Práce obsahuje také popis dvou vybraných telematických aplikací, které využívají pro komunikaci bezdrátové technologie WiMax a DSRC. Na konci teoretické části je podán přehled o performačních indikátorech, které se používají pro klasifikaci telematických a telekomunikačních systémů. Hlavním cílem je vytvoření metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě. Tato metodika je zde ověřena praktickým měřením a následuje jeho vyhodnocení. Výsledkem měření je určení závislosti měřených parametrů bezdrátové sítě na rychlosti uživatele.
Klíčová slova: WiFi, IEEE 802.11, WiMax, performační indikátory, bezdrátové sítě
5
Abstract Author: Lukáš Čech Name of bachelor´s theses: Analysis of user mobility on the quality of wireless network School: Czech technical university in Prague, Faculty of transportation sciences Year of publication: Prague 2013 Pages: 71
This bachelor theses discusses about wireless technologies and their use in the telematic applications. There is a list of radio transmission paths and there is also issue of assignment frequency domain. Next part is focused on wireless technologies based on IEEE 802.11 and IEEE 802.16 and their certification status. The theses contains also description of two selected telematic applications which use wireless technologies WiMax and DSRC for communication. At the end of the theoretical part is an overview of performance indicators which are used for classification of telematics and telecommunication systems. The main purpose is to create methodology to determine the effect of user mobility on the quality of wireless network. This methodology is verified by practical measurement and its evaluation. The measurements results is determination of dependance between measured parameters of wireless network and the speed of users.
Keywords: WiFi, IEEE 802.11, WiMax, performance indicators, wireless networks
6
Obsah Seznam použitých zkratek ................................................................................................... 10 Seznam obrázků a tabulek ................................................................................................... 13 Seznam obrázků............................................................................................................... 13 Seznam tabulek ................................................................................................................ 14 1
2
Úvod .............................................................................................................................. 15 1.1
Předmluva .............................................................................................................. 15
1.2
Cíl práce ................................................................................................................. 15
Dostupné bezdrátové technologie v oblasti WLAN ...................................................... 16 2.1
Radiové přenosové cesty........................................................................................ 16
2.1.1
Rozdělení kmitočtového spektra .................................................................... 16
2.1.2
Radiokomunikační služby .............................................................................. 19
2.1.3
Přidělení rádiových kmitočtů.......................................................................... 22
2.2
Rádiové bezdrátové sítě ......................................................................................... 24
2.2.1
Dělení bezdrátových sítí dle mobility objektů ................................................ 24
2.2.2
Dělení bezdrátových sítí dle oblasti použití ................................................... 25
2.3
Bezdrátové lokální sítě WLAN .............................................................................. 26
2.3.1
IEEE 802.11a .................................................................................................. 27
2.3.2
IEEE 802.11b.................................................................................................. 27
2.3.3
IEEE 802.11 g................................................................................................. 28
2.3.4
IEEE 802.11n.................................................................................................. 28
2.3.5
IEEE 802.11e .................................................................................................. 29
2.3.6
IEEE 802.11i .................................................................................................. 30
2.3.7
IEEE 802.11p.................................................................................................. 30
2.3.8
IEEE 802.11ac ................................................................................................ 31
2.3.9
IEEE 802.16d.................................................................................................. 31
2.3.10
IEEE 802.16e .............................................................................................. 32 7
2.3.11 3
Využití bezdrátových technologií v mobilních telematických systémech .................... 33 3.1
Určování polohy vozidla ................................................................................ 33
3.1.2
Palubní jednotka vozidla ................................................................................ 34
3.1.3
Komunikace mezi OBU a mýtnou branou ..................................................... 35
Monitorování pohybu vozidel po pohybové ploše Letiště Praha........................... 35
3.2.1
Palubní jednotka vozidla ................................................................................ 35
3.2.2
Komunikační prostředí ................................................................................... 36
Telematické performační indikátory ............................................................................. 38 4.1
Přesnost .................................................................................................................. 38
4.2
Spolehlivost............................................................................................................ 38
4.3
Dostupnost ............................................................................................................. 39
4.4
Kontinuita (spojitost) ............................................................................................. 39
4.5
Integrita .................................................................................................................. 40
4.6
Bezpečnost ............................................................................................................. 40
4.7
Hodnocení vlastností komunikačního řešení ......................................................... 41
4.7.1
Aktivační doba dostupnosti služby ................................................................. 41
4.7.2
Dostupnost služby........................................................................................... 41
4.7.3
Doba mezi dvěma poruchami MTBF (Mean Time Between Failures) .......... 41
4.7.4
Doba obnovení služby – MTR (Mean Time to Restore) ................................ 41
4.7.5
Zpoždění ......................................................................................................... 42
4.7.6
Ztráta paketů ................................................................................................... 42
4.7.7
Bezpečnost ...................................................................................................... 42
4.8 5
Elektronický výběr mýta ........................................................................................ 33
3.1.1
3.2
4
IEEE 802.16m ............................................................................................. 32
Performační indikátory .......................................................................................... 42
Návrh metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě ..... 44 5.1
Popis testovacího prostředí .................................................................................... 44 8
5.1.1
Hardware ........................................................................................................ 45
5.1.2
Software .......................................................................................................... 47
5.2
Testovací scénář ..................................................................................................... 48
5.2.1
Cíl testu ........................................................................................................... 48
5.2.2
Počáteční podmínky ....................................................................................... 48
5.2.3
Postup testu ..................................................................................................... 51
5.3
Výstupy měření ...................................................................................................... 52
5.4
Vyhodnocení výsledků měření .............................................................................. 53
5.4.1
Nezatížená síť ................................................................................................. 53
5.4.2
Síť zatížená stahováním .................................................................................. 58
5.5
Diskuse ................................................................................................................... 62
6
Závěr.............................................................................................................................. 63
7
Seznam použitých zdrojů .............................................................................................. 65
Přílohy ................................................................................................................................. 69 Příloha A - nastavení NanoStation v režimu „Access Point“ .......................................... 69 Příloha B - nastavení NanoStation v režimu „Station“.................................................... 70 Příloha C – obsah přiloženého CD .................................................................................. 71
9
Seznam použitých zkratek Zkratka
Český název
Anglický název
AES
Pokročilý šifrovací standard
Advanced Encryption Standard
AP
Přístupový bod
Access Point
ASMGCS
Pokročilý systém pro navádění po
Advanced Surface Movement
letištní ploše
Guidance and Control System
Dvoustavové klíčování s fázovým
Binary Phase Shift Keying
BPSK
posuvem C2C
Vozidlo s vozidlem
Car To Car
C2I
Vozidlo s infrastrukturou
Car To Infrastructure
CCK
Doplňkové klíčové kódování
Complementary Code Keying
CCMP
Algoritmus zajišťující integritu,
Counter Mode with Cipher Block
autentizaci a poskytující utajení
Chaining Message Authentication Code Protocol
CDMA
Kódové dělení přenosových kanálů
Code Division Multiple Access
CSD
Přepojování okruhů
Circuit Switched Data
ČR
Česká republika
Czech Republic
DECT
Evropský standard pro bezšňůrový
Digital Enhanced Cordless
telefon
Telecomunications
DTFM
Tónová frekvenční volba
Dual Tone Multiple Frequency
EDCA
Rozšířená DCF
Enhanced DCF
EDGE
Rozšířené přenosy pro GSM přenosy
Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EFC
Elektronický výběr poplatků
Electronic Fee Collection
EHF
Milimetrové vlny
Extremely High Frequency
ELF
Extra nízká frekvence
Extremely Low Frequency
GNSS
Globální družicový polohový systém
Global Navigation Satellite System
GPRS
Paketový rádiový přenos dat
General Packet Radio Service
GPS
Globální polohový systém
Global Positioning Systém
GSM
Globální Systém pro Mobilní
Global System for
komunikaci
Mobile Communications
10
HCCA
Přístupová metoda ke kanálům řízená
HCF Controlled Channel Access
HCF HCF
Hybridní koordinační funkce
Hybrid Coordination Function
HF
Krátké vlny
High Frequency
HSCSD
Vysokorychlostní přepojování okruhů High Speed Circuit Switched Data
IP
Internetový protokol
Internet Protocol
IEEE
Institut pro elektrotechnické a
Institute of Electrical and Electronics
elektronické inženýrství
Engineers
ITS
Inteligentní dopravní systémy
Intelligent Transport Systems
ITU
Mezinárodní telekomunikační unie
International Telecommunication Union
LAN
Lokální síť
Local Area Network
LF
Dlouhé vlny
Low Frequency
MAC
Linková vrstva
Media Access Control
MAN
Metropolitní síť
Metropolitan Area Network
MF
Střední vlny
Medium Frequency
MIMO
Více vstupů více výstupů
Multiple-input multiple-output
MU-
Více uživatelská MIMO
Multi User MIMO
OBU
Palubní jednotka
On Board Unit
OFDM
Ortogonální multiplex s kmitočtovým Orthogonal Frequency Division
MIMO
dělením OFDMA
Multiplexing
Ortogonální multiplex s kmitočtovým Orthogonal Frequency-Division dělením pro mnohonásobný přístup
Multiple Access
PAN
Osobní síť
Personal Area Network
PHY
Fyzická vrstva
Physical Layer
QAM
Kvadraturní amplitudová modulace
Quadrature Amplitude Modulation
QPSK
Čtyřstavové klíčování s fázovým
Quadrature Phase Shift Keying
posuvem RC4
Proudová šifra RSA
Rivest Cipher 4
SHF
Centimetrové vlny
Super High Frequency
SMS
Krátké textové zprávy
Short Message Services
SNG
Schromažďování zpráv přes družice
Satellite News Gathering
11
SOFDMA Škálovatelný OFDMA
Scaleable OFDMA
TC
Třídy provozu
Traffic classes
TDM
Multiplex s časovým dělením
Time Division Multiplex
TKIP
Protokol dynamicky měnící klíče
Temporal Key Integrity Protocol
UHF
Ultra krátké vlny
Ultra High Frequency
UMTS
Univerzální mobilní telekomunikační
Universal Mobile
systém
Telecommunications System
UTP
Nestíněná kroucená dvojlinka
Unshielded Twisted Pair
UWB
Ultra Wide Band (technologie)
Ultra Wide Band
VHF
Velmi krátké vlny
Very High Frequency
VLF
Velmi dlouhé vlny
Very Low Frequency
VPD
Vzletová a přistávací dráha
Runway
VSAT
Terminál s malou plochou apertury antény
Very Small Aperture Terminal
WAN
Rozlehlá síť
Wide Area Network
WEP
Soukromí ekvivalentní drátovým sítím Wired Equivalent Privacy
WiMAX
Fórum pro standardizaci
Worldwide Interoperability
mikrovlnného přístupu
for Microwave Access
WiFi
Bezdrátové sítě LAN
Wireless Fidelity
WLAN
Lokální bezdrátová síť
Wireless Local Area Network
WPA
WiFi chráněný přístup
WiFi Protected Access
12
Seznam obrázků a tabulek Seznam obrázků Obr. 1 - Příklad bezdrátových technologií podle druhu mobility Obr. 2 - Příklad bezdrátových technologií podle oblasti použití Obr. 3 - Standardní mýtná brána v ČR Obr. 4 - OBU jednotka společnosti Kapsch Obr. 5 - Palubní jednotka se „smart“ anténou Obr. 6 - Anténa telekomunikačního systému WiMax Obr. 7 - Prostorové uspořádání letiště Tchořovice Obr. 8 - Schéma zapojení zařízení Obr. 9 - NanoStation loco M5 Obr. 10 - Počítač – server a WiFi vysílač Obr. 11 - Měřící počítač a WiFi přijímač v automobilu Obr. 12 - Umístění stanic NanoStation Obr. 13 - Naměřené hodnoty pro rychlost 30 km/h ve vzdálenosti 540 m, se stahováním dat Obr. 14 - Graf závislosti síly signálu na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat Obr. 15 - Graf závislosti TX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat Obr. 16 - Graf závislosti RX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat Obr. 17 - Graf závislosti doby odezvy na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat Obr. 18 - Graf závislosti síly signálu na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat Obr. 19 - Graf závislosti TX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat Obr. 20 - Graf závislosti RX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat Obr. 21 - Graf závislosti přenosové rychlosti na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat 13
Seznam tabulek Tab. 1 - Rozdělení kmitočtových pásem podle délky vlny Tab. 2 - Performační indikátory Tab. 3 - Parametry NanoStation loco M5 Tab. 4 - Tabulka naměřených hodnot pro sílu signálu Tab. 5 - Tabulka naměřených hodnot pro TX Rate Tab. 6 - Tabulka naměřených hodnot pro RX Rate Tab. 7 - Tabulka naměřených hodnot pro dobu odezvy Tab. 8 - Tabulka naměřených hodnot pro sílu signálu, se stahováním dat Tab. 9 - Tabulka naměřených hodnot pro TX Rate, se stahováním dat Tab. 10 - Tabulka naměřených hodnot pro RX Rate, se stahováním dat Tab. 11 - Tabulka naměřených hodnot pro přenosovou rychlost, se stahováním dat
14
1 Úvod 1.1 Předmluva Bezdrátové sítě jsou v dnešní době běžně používány pro široké spektrum aplikací, zejména kvůli jednoduchosti jejich vytváření bez nutnosti budování fyzických přenosových cest, jelikož poskytují kvalitní alternativu klasickým sítím na bázi Ethernetu. Standardy týkající se bezdrátových technologií jsou neustále vylepšovány tak, aby držely krok s trendem ve vývoji lidských potřeb ohledně přenosu dat. Tyto technologie se tak neustále zrychlují, nabízejí lepší stabilitu, a tak i svoji využitelnost. Bezdrátové sítě nacházejí využití jako doplněk klasických sítí LAN (Local Area Network) na bázi Ethernetu, tvoří samostatné komplexní lokální bezdrátové sítě WLAN (Wireless LAN) a umožňují nasazení mnoha telematických aplikací. Zejména použití v telematických aplikacích je v dnešní době velmi aktuální. Jde o nejrůznější využití při sledování vozidel (fleet management), aplikace umožňující řízení dopravy na základě bezdrátově získaných dat od dopravních senzorů, samotné infrastruktury a nebo vozidel. Prvky, které se podílejí na komunikaci v těchto aplikacích, nebývají pouze statické, ale velmi často jsou také v pohybu. Tyto pohybující se prvky mohou nepříznivě ovlivňovat spolehlivost bezdrátové sítě a datového přenosu. Většina bezdrátových technologií negarantuje správnou funkčnost při vyšších rychlostech, a proto je důležité vybírat vhodnou bezdrátovou technologii na základě konkrétních potřeb dané aplikace.
1.2 Cíl práce Tato práce je rozdělena na teoretickou a praktickou část. V první části je obsažen obecný popis radiových přenosových cest, frekvenčního spektra, přehled radiokomunikačních služeb a problematika přidělování radiových kmitočtů. Dále je uveden popis bezdrátových sítí, jejich dělení podle oblasti použití a popis dvou nejrozšířenějších standardů IEEE 802.11 pro WiFi a IEEE 802.16 pro WiMax. V závěru teoretické části jsou popsány nejdůležitější performační indikátory a jejich úloha v hodnocení komunikačních řešení telematických systémů. Praktická část se zabývá návrhem metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě a následným ověřením této metodiky praktickým měřením technologie IEEE 802.11. V závěru práce je zhodnocení výsledků praktického měření a na základě tohoto výsledku je stanovena vhodnost této technologie v telematických systémech. 15
2 Dostupné bezdrátové technologie v oblasti WLAN Bezdrátové technologie umožňují komunikaci na dálku mezi dvěma nebo více zařízeními, v případě, že tato zařízení nemají fyzické (kabelové) propojení. Dříve se jednalo o doplňkovou technologii pro přenos dat v místech, kde nebyly kabelové přístupové prostředky. V dnešní době jsou bezdrátové technologie používány v širokém spektru služeb, a to zejména kvůli nižším nákladům na potřebnou infrastrukturu oproti technologiím využívajícím fyzického propojení jednotlivých míst v síti. Komunikace může probíhat prostřednictvím radiového, optického nebo infračerveného signálu. V této kapitole budou uvedeny pouze takové bezdrátové technologie, které využívají pro přenos dat radiového signálu neboli radiové přenosové cesty. V první části této kapitoly je obecný popis radiových přenosových cest a rozdělení radiových bezdrátových technologií do skupin podle oblasti použití. V další části následuje popis vybraných bezdrátových technologií.
2.1 Radiové přenosové cesty Tento způsob přenosu informací využívá jako nosné médium elektromagnetické vlny o takovém kmitočtu, aby se radiový signál mohl vhodně šířit prostorem. Kmitočty jsou rozděleny do
několika
pásem
podle
fyzikálních
vlastností
šíření
odpovídajících
elektromagnetických vln. Každé pásmo je ještě rozděleno na několik skupin kmitočtů, které využívají v rámci daného pásma určité typy radiokomunikačních služeb.
2.1.1 Rozdělení kmitočtového spektra Na zvoleném kmitočtu neboli frekvenci je závislý dosah radiového signálu, který může být několik desítek kilometrů nebo jen v řádu několika jednotek metrů. Tato závislost je dána tím, že elektromagnetické vlny o nízkém kmitočtu se mnohem lépe šíří prostorem, protože kopírují zakřivení Země. [1]
Na základě zvolené frekvence signálu rozeznáváme tři typy šíření radiové vlny [2]:
přímá vlna – šíří se přímo vzduchem mezi vysílačem a přijímačem. Takové vlnění není ovlivněno Zemí a ani ionosférou. Vlastnosti jejího šíření odpovídají šíření světla a platí pro vysoké kmitočty od několika GHz výše. 16
povrchová (přízemní) vlna – kopíruje zakřivení Země, protože se šíří na rozhraní mezi vodivým (povrch Země) a nevodivým (vzduch) prostředím. Tento typ šíření se projevuje u vlnění s kmitočty do několika MHz.
prostorová vlna – šíří se odrazy od ionosférických vrstev. V době od východu do západu Slunce je tato vlna na základě zvolené frekvence různě silně tlumena v ionosféře a signál se nemusí vůbec šířit. Po západu Slunce se spodní vrstva ionosféry vytrácí a může se šířit i takové vlnění, které bylo během dne utlumeno. Jako prostorová vlna se šíří signály od kmitočtu 30 MHz do několika GHz.
Základní
dělení
kmitočtového
spektra
podle
vlnové
délky
je
uvedeno
v Radiokomunikačním řádu Mezinárodní telekomunikační unie ITU, vydaném v roce 1990 v Ženevě. Dělení radiových vln v tomto Radiokomunikačním řádu je provedeno tak, že každé z devíti pásem kmitočtů má odlišné fyzikální podmínky šíření elektromagnetického záření. Dělení radiových vln podle ITU je uvedeno v tabulce Tab. 1 – Rozdělení kmitočtových pásem podle délky vlny. Nejdelší vlnovou délku v řádu desítek kilometrů mají velmi dlouhé vlny (VLF, Very Low Frequency) mezi 3 až 30 kHz, které se využívají například pro komunikaci s ponorkami. Naopak radiové milimetrové vlny (EHF, Extremely High Frequency) mezi 30 a 300 GHz se používají pro vysokorychlostní mikrovlnný přenos dat a jejich vlnová délka je pouze několik milimetrů. [3] Tab. 1 - Rozdělení kmitočtových pásem podle délky vlny, Zdroj: [3]
Číslo pásma N
Zkratka
Rozsah kmitočtů (dolní mez mimo, horní mez včetně)
Odpovídající názvy pásem
Délka vlny
4
VLF
3 až 30 kHz
myriametrové
100 – 10 km
5
LF
30 až 300 kHz
kilometrové
10 – 1 km
6
MF
300 až 3000 kHz
hektometrové
1000 – 100 m
7
HF
3 až 30 MHz
dekametrové
100 – 10 m
8
VHF
30 až 300 MHz
metrové
10 – 1 m
9
UHF
300 až 3000 MHz
decimetrové
10 – 1 dm
10
SHF
3 až 30 GHz
centimetrové
10 – 1 cm
11
EHF
30 až 300 GHz
milimetrové
10 – 1 mm
12
---
300 až 3000 GHz
decimilimetrové
1 – 0,1 mm
Pásmo velmi dlouhých a dlouhých vln (VLF a LF) využívá pro komunikaci elektromagnetické vlny, které se díky nízké frekvenci šíří s malým útlumem na velké vzdálenosti až 1000 km. Signál o této frekvenci se šíří jako vlna prostorová i přízemní. Nízká hodnota útlumu umožňuje i vysílači s malým vyzářeným výkonem pokrýt velkou oblast 17
signálem. Mezi nevýhody těchto pásem patří nutnost budovat velké vysílače, atmosférické a průmyslové rušení a malý počet kmitočtových kanálů. Využití těchto pásem je nejčastější v námořní komunikaci a pro radionavigační služby. Velmi dlouhé vlny se využívají například také při komunikaci s ponorkami, protože se šíří i zemskou kůrou. Pásmo středních vln (MF) obsahuje takové frekvence, které se šíří jako vlna přízemní i prostorová. Během dne se signál šíří pouze jako přízemní vlna a jeho dosah je cca 100 km. V denní době není možné, aby se signál šířil jako vlna prostorová, protože sluneční záření ovlivňuje parametry ionosféry tak, že signál je v ionosféře utlumen. Po západu Slunce dochází ke změnám vlastností ionosféry a signál se tak šíří jako vlna přízemní i prostorová, která má mnohem větší dosah. V noci proto dochází na přijímačích ke skládání přízemní a prostorové vlny, což má za následek kolísání příjmu neboli únik. Toto kmitočtové pásmo je nejvíce využíváno rozhlasovou službou. Pásmo krátkých vln (HF) umožňuje šíření radiového signálu prostorovou i přízemní vlnou. U přízemní vlny dochází k nárůstu útlumu s rostoucím kmitočtem a dosah takových vln je jen několik kilometrů. Dosah u prostorové vlny ovlivňuje několik faktorů. Prvním faktorem je hustota ionosféry, která závisí na slunečním a kosmickém záření, a druhým faktorem je vlnová délka signálu. Pokud je kmitočet vzhledem k hustotě ionosféry příliš malý, dojde k útlumu takového signálu. Když je naopak kmitočet příliš vysoký, projde ionosférou a na povrch Země se už nedostane. [4] V denní době se proto od Ionosféry odrážejí vlny s vyšším kmitočtem, který odpovídá vlnové délce 10 až 25 m. Po západu Slunce dojde ke změně hustoty ionosféry a ta odráží signály o nižší frekvenci a vlnové délce 35 až 100 m. [5] Krátké vlny se používají pro komunikaci na velkou vzdálenost s námořními loděmi nebo se zaoceánskými kontinenty, i když pro tento účel se dnes využívá spíše družicového spojení. V pásmu velmi krátkých vln (VHF) se šíří signál pouze přízemní vlnou, protože kmitočet v tomto pásmu je vyšší, než mezní kmitočet pro odraz v ionosféře. Pouze u frekvence na spodním okraji pásma může dojít za specifických podmínek k odrazu vlny od ionosféry. Tohoto pásma využívá rozhlasové vysílání s kmitočtovou modulací a televizní vysílání. Pásmo ultra krátkých vln (UHF) obsahuje tzv. decimetrové vlny, které se šíří pouze povrchovou přímou vlnou do vzdálenosti radiové dohlednosti. U přímé vlny dochází k odrazu od většiny překážek. Odraz vlny je závislý na velikosti překážky tak, že pokud je překážka větší než vlnová délka signálu, vlnění za překážku nepronikne a za překážkou vznikají odstíněná místa. V městské zástavbě jsou taková odstíněná místa důsledkem četných odrazů
18
od domů apod. Prostorová vlna kvůli vysokému kmitočtu prochází skrze ionosféru do kosmu, pouze velmi zřídka a za specifických podmínek může dojít k jejímu odrazu od ionosféry. Toto pásmo je využíváno pro televizní vysílání, pozemní pohyblivou službu, leteckou pohyblivou službu, apod. Pásmo centimetrových a kratších vln (SHF, EHF) zahrnuje takové kmitočty, že se elektromagnetická vlna šíří s vlastnostmi, které odpovídají šíření světla. Dochází tak ještě ve větší míře k odrazům vlnění mezi překážkami a vniku odstíněných míst. Na dosah a kvalitu signálu šířícího se na centimetrových a kratších vlnách má podstatný vliv i počasí. Za hustého deště, sněžení nebo mlhy dochází k výraznému útlumu. Kmitočty z tohoto pásma jsou používány pro družicovou a pevnou službu. [4]
2.1.2 Radiokomunikační služby Vyjádření Českého telekomunikačního úřadu k radiokomunikačním službám: „Rozdělení radiokomunikačních
služeb
vychází
z Radiokomunikačního
řádu
Mezinárodní
telekomunikační unie a definice jednotlivých služeb jsou uvedeny v Plánu přidělení kmitočtových
pásem
(Národní
kmitočtová
tabulka),
zveřejněném
v částce 11/2004
Telekomunikačního věstníku dne 15. listopadu 2004. Plán přidělení kmitočtových pásem navazuje
na Plán
využití
kmitočtového
spektra,
zveřejněný
v částce 12/2001
Telekomunikačního věstníku.“ [6] 2.1.2.1 Pozemní pohyblivá služba Tato služba definuje používání vysílacího radiového zařízení za pohybu. Vztahuje se na takové použití, kdy vysílače vysílají signál za pohybu, anebo na místě při zastávce během pohybu. Umožňuje tedy spojení mezi pevnými základnovými stanicemi a pozemními pohyblivými stanicemi nebo mezi mobilními stanicemi navzájem. Vysílací zařízení používaná pro vysílání v rámci této služby jsou zejména přenosná mobilní nebo ruční. Používání těchto vysílacích radiových zařízení není vázáno zákonem a nevyžaduje se pro jejich obsluhu odborná způsobilost. 2.1.2.2 Pevná služba V rámci této služby mohou pevné vysílací stanice vysílat, přijímat nebo udržovat přenos s jinou pevnou vysílací stanicí. Přenos může být mezi dvěma pevnými body nebo z jednoho pevného bodu na více pevných bodů. Obsluha těchto pevných radiových vysílacích stanic nemusí podle zákona dokládat odbornou způsobilost.
19
2.1.2.3 Rozhlasová služba Tato služba je určena pro vysílací radiová zařízení, jejichž signál je distribuován široké veřejnosti. Jedná se o vysílání rozhlasových programů a dalších doplňkových informací a vysílání televizních programů spolu se zvukovou stopou a dalšími doplňkovými informacemi. Do této služby patří také rozhlasové a televizní převaděče, které umožňují příjem signálu na určitém kmitočtu a v reálném čase vysílání přijatého signálu na jiném kmitočtu. Odborná způsobilost pro obsluhu těchto stanic není zákonem předepsaná. Vyjádření ČTÚ k využívání rozhlasové služby: „V § 17 zákona je stanoveno, že Úřad může vydat individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů pro rozhlasovou službu, jen je-li vydána licence podle zvláštního právního předpisu nebo jen se souhlasem Rady pro rozhlasové a televizní vysílání, a to i pro jiné radiokomunikační služby v části rádiového spektra vyhrazené pro rozhlasovou službu.“ [6] 2.1.2.4 Družicová služba Družicová služba je obstarávána zejména vysílacími zařízeními typu VSAT (Very Small Aperture Terminal) a SNG (Satellite News Gathering), vysílacími stanicemi pohyblivých družicových služeb a ostatními stanicemi, umožňujícími vysílání v rámci této služby. Komunikační soustava je tvořena pozemskými uzlovými body a kosmickou stanicí (družicí). Pro obsluhu těchto stanic není zákonem vyžadována odborná způsobilost. [6] VSAT sítě tvoří koncové terminály s velmi malou plochou apertury antény, který se do komunikační sítě připojuje přes geostacionární družici. Centrem systému je pozemský HUB, který zajišťuje komunikaci mezi koncovými terminály a s jinými sítěmi. Tento systém pracuje na několika různých kmitočtech, které jsou určeny pro různé skupiny uživatelů. V České republice je VSAT síť provozována pouze jednou společností, která používá pro pokrytí ČR a území střední Evropy družici AMOS 3. [7] SNG služba je určena pro přenos zpráv a živých vstupů přes určené satelitní pásmo. Vysílací stanice SNG jsou kvůli mobilitě součástí různých dopravních prostředků. Příkladem použití SNG v ČR je Česká televize, která pro vysílání živých vstupů zvolila satelitní pásmo od společnosti GiTy a. s. a pro přenos dat využívá družice Astra 3B. [8]
20
2.1.2.5 Letecká pohyblivá služba Rozděluje vysílací zařízení na letadlové a letecké stanice. Přidělení individuálních oprávnění, jak jej definuje ČTÚ: „Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů lze vydat pouze na letadlové stanice schválené Úřadem pro civilní letectví. Letadlo, na kterém jsou letadlové stanice umístěny, musí mít příslušným orgánem přidělenou rejstříkovou nebo poznávací značku (tzv. imatrikulační značku). Individuální oprávnění k využívání kmitočtů letadlovými stanicemi mají mezinárodní platnost. Individuální oprávnění k využívání kmitočtů lze vydat pouze na letecké stanice, kterým Ministerstvo dopravy stanovilo volací značku a kmitočty. Všechny letouny a vrtulníky musí být s platností od 1. 7. 2011 vybaveny polohovým majákem nehody (ELT), který pracuje současně na frekvenci 121,5 MHz a 406 MHz v souladu s předpisem L 10/III, Částí II, Hlavou 5. Úřad proto po tomto datu neudělí individuální oprávnění letadlové stanice pro letouny a vrtulníky, které nebude obsahovat výše uvedený polohový maják nehody. V opačném případě Úřad individuální oprávnění udělí pouze v případě, že žadatel předloží výjimku z této povinnosti udělenou Ministerstvem dopravy – odborem civilního letectví. Požadavek na vybavení ELT se nevztahuje na letadla jiná než letouny a vrtulníky (např. na kluzáky, motorové kluzáky, balóny, vzducholodě, apod.).“ [6] Pro obsluhu takovýchto zařízení je podle zákona nutné získat průkaz odborné způsobilosti. Pro tuto službu je vyžadován všeobecný průkaz radiotelefonisty letecké pohyblivé služby a pro jednodušší obsluhu vnějších ovládacích prvků stačí obsluze omezený průkaz radiotelefonisty letecké pohyblivé služby. 2.1.2.6 Námořní pohyblivá služba Umožňuje komunikaci mezi pobřežními a lodními vysílacími stanicemi nebo mezi lodními stanicemi navzájem. Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů vysílacími zařízeními vydává Námořní úřad ČR. Pro obsluhu těchto zařízení je nutný průkaz odborné způsobilosti. Obsluha vysílacích zařízení námořní pohyblivé služby musí vlastnit Všeobecný průkaz operátora námořní pohyblivé služby nebo Omezený průkaz operátora námořní pohyblivé služby pro stanice pracující v pásmu velmi krátkých vln. Pro obsluhu radiotelefonní služby v lodní dopravě musí obsluha vlastnit Všeobecný průkaz radiotelefonisty pohyblivé radiotelefonní služby nebo Omezený průkaz radiotelefonisty pohyblivé radiotelefonní služby pro jednodušší obsluhu vnějších ovládacích prvků.
21
2.1.2.7 Amatérská služba Tato služba je určena pro nekomerční použití, a to zejména ke sportovní činnosti, osobnímu sebevzdělávání a studiu. Obsluha vysílacích stanic, které využívají kmitočty amatérské služby, musí být držitelem průkazu odborné způsobilosti, který je možné získat od ČTÚ po vykonání zkoušky před komisí. ČTÚ na základě úspěšně vykonané zkoušky vydá žadateli průkaz odborné způsobilosti pro obsluhu vysílacích rádiových zařízení amatérské radiokomunikační služby odpovídající třídy. Průkaz odborné způsobilosti je nezbytný pro následné přidělení individuálního oprávnění k využívání rádiových kmitočtů amatérské radiokomunikační služby a získání volací značky (identifikátoru vysílače).
2.1.3 Přidělení rádiových kmitočtů Spektrum rádiových kmitočtů je považováno za národní bohatství, a proto ho stát prostřednictvím ČTÚ reguluje a určuje pro využívání rádiových kmitočtů. Rádiové kmitočty pro vysílání není možné volit libovolně, ale s ohledem na definované radiokomunikační služby, které stanovují, na jakých kmitočtech a za jakých předpokladů je vysílání možné. Porušením takových pravidel by mohlo dojít k rušení jiných služeb a omezování ostatních uživatelů. Zákon definuje určité kmitočty, pro jejichž používání musí provozovatel získat Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů. Ostatní kmitočty, pro které není nutné získat individuální oprávnění, je možné používat na základě Všeobecného oprávnění. [6] 2.1.3.1 Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů Toto oprávnění uděluje ČTÚ na základě žádosti, kterou podá fyzická nebo právnická osoba. V žádosti je třeba uvést jméno fyzické nebo název právnické osoby, požadované kmitočty a jejich parametry a požadovanou dobu přidělení rádiových kmitočtů. Některé radiokomunikační služby vyžadují v žádosti další parametry, jako požadovanou volací značku, vymezení předpokládaného území, na kterém bude daný kmitočet využíván, nebo doložení odborné způsobilosti. Pokud žadatel splní všechny předepsané povinnosti a jím požadovaný kmitočet je možné použít, přidělí mu ČTÚ individuální oprávnění k vyžívání konkrétního kmitočtu. [9] Podle typu požadavku je možné žádat o tyto druhy individuálního oprávnění:
Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů,
Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů pro experimentální účely,
Krátkodobé oprávnění k využívání rádiových kmitočtů. 22
Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů pro experimentální účely je oprávnění, které mohou podat žadatelé v případě, že požadují přidělení kmitočtů, které budou využity pro výzkum, vývoj, ověřování nových rádiových zařízení a které zároveň nebudou použity pro výdělečnou činnost. Krátkodobé oprávnění k využívání rádiových kmitočtů je určeno pro přidělení rádiových kmitočtů v mimořádných situacích. Uděluje se na dobu nezbytně nutnou, maximálně však na 15 dní. Doba platnosti oprávnění navíc nejde po uplynutí této doby prodloužit. Do mimořádných situací, které umožňují přidělení krátkodobého oprávnění, patří například zajištění rádiové komunikace ochranného doprovodu významných osob, televizní a rozhlasový přenos při neočekávaných událostech. Krátkodobé oprávnění je možné přidělit pouze v případě, že požadované kmitočty jsou k dispozici a jejich užitím nedojde k rušení ostatních uživatelů. Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů je přiděleno žadateli v případě, že jeho požadavek nespadá do výše uvedených druhů individuálního oprávnění. [6] 2.1.3.2 Všeobecné oprávnění Všeobecné oprávnění se vztahuje na kmitočty, které nevyžadují individuální oprávnění. Tyto kmitočty jsou rozděleny do několika tříd a pro každou třídu existuje všeobecné oprávnění, které definuje, za jakých podmínek je možné dané rádiové kmitočty využívat. Především jde o určení kmitočtového pásma, vyzářeného výkonu vysílače a způsobu použití. Problém mohou způsobit rádiová zařízení, která jsou dovezena ze zahraničí a nemusí splňovat podmínky ČR pro vysílání na kmitočtech všeobecného oprávnění. Používání těchto nevyhovujících zařízení tak může způsobit, že dojde k rušení ostatních uživatelů. Nejvíce užívané kmitočty, které spadají pod všeobecné oprávnění, jsou seskupeny ve třídách podle způsobu použití:
provozování zařízení krátkého dosahu,
provozování bezšňůrových telefonů,
provozování zařízení v pásmu 2,4 a 5 GHz.
Provozování
zařízení
krátkého
dosahu
se
řídí
všeobecným
oprávněním
č. VO R/10/04.2012-7, které určuje použitelné kmitočty pro tuto třídu všeobecného oprávnění a jednotlivým kmitočtů z této třídy přiřazuje služby a podmínky, za jakých je možné tento kmitočet využívat. Podle výše uvedeného oprávnění je tak možné například volně použít kmitočet 433 MHz pro přenos dat nebo 2,4 GHz pro RFID zařízení. 23
Provozování bezšňůrových telefonů je v současné době podle evropské normy DECT možné pouze v pásmu 1880 až 1900 MHz, kterému odpovídá všeobecné oprávnění VO R/8/08.2005-23. Do roku 2005 bylo možné provozovat bezdrátové telefony i na jiných nižších pásmech, ale tyto kmitočty byly na základě rozhodnutími Výboru pro elektronické komunikace vyhrazeny pro jiné služby. Provozování zařízení v pásmu 2,4 a 5 GHz je v současné době velmi využívané. Na kmitočtech 2400 – 2483,5 probíhá komunikace v rámci bezdrátových sítí včetně bezdrátového internetu WLAN, přenos dat pomocí technologie Bluetooth, RFID atd. Podmínky pro využívání
jsou
nastaveny
ve
všeobecném
oprávněním
VO-R/12/09.2010-12
a VO R/10/04.2012-7. Nadměrné využívání tohoto pásma vede velmi často k rušení ostatních uživatelů, zejména používáním příliš vysokých výkonů u vysílačů. Pásmo 5 GHz je možné využívat podle všeobecného oprávnění VO-R/12/09.2010-12 a VO-R/10/04.2012-7 pro bezdrátové sítě. Konkrétně se používá kmitočet 5,15 – 5,35 GHz výhradně uvnitř budov, kmitočtové pásmo 5,470–5,725 GHz dle standard IEEE 802.11a a v pásmu 5,725–5,875 GHz je možný provoz pro vysílací zařízení s nízkým vyzářeným výkonem (25 mW). [10]
2.2 Rádiové bezdrátové sítě Tyto sítě propojují různá zařízení za účelem vzájemné komunikace a výměny dat. Propojení těchto zařízení se uskutečňuje pomocí elektromagnetického vlnění o vhodném kmitočtu. Rádiové bezdrátové sítě můžeme dále rozdělit do několika tříd, podle různých kritérií.
2.2.1 Dělení bezdrátových sítí dle mobility objektů Bezdrátové sítě mohou podporovat různou úroveň mobility jednotlivých vzájemně propojených zařízení. Podle této podpory můžeme rozdělit bezdrátové sítě do tří následujících skupin:
stacionární sítě,
nomádní sítě,
mobilní sítě.
Stacionární sítě používají bezdrátové technologie, které umožňují komunikaci mezi jednotlivými zařízeními v klidovém stavu. To znamená, že zařízení musí být v průběhu 24
vysílání nebo přijímaní signálu pevně umístěna a nesmí měnit svoji polohu. Zařízení ve stacionárních sítích navíc nemění svoji polohu ani mezi jednotlivými vysíláními. Nomádní (kočovné) sítě jsou tvořené objekty, které komunikují v klidovém stavu stejně jako u sítí stacionárních. Oproti stacionárním sítím se ale vysílací a přijímací zařízení mohou mezi jednotlivými spojeními volně pohybovat. Pohybující se uživatel může v době zastavení využít pro připojení lokálních WiFi sítí, které mohou být umístěny na čerpacích stanicích, v řetězcích rychlého občerstvení nebo v prostředcích městské hromadné dopravy. Mobilní sítě podporují mobilitu všech zařízení, tedy zařízení vysílacích i přijímacích. Kvalita bezdrátové sítě je i během pohybu jednotlivých objektů dostačující. Tyto vlastnosti má například technologie GPRS nebo 3G sítě. Přehled některých technologií pro různé druhy sítí je uveden na obrázku Obr. 1 – Příklad bezdrátových technologií podle druhu mobility.
Obr. 1 - Příklad bezdrátových technologií podle druhu mobility, Zdroj: [11]
2.2.2 Dělení bezdrátových sítí dle oblasti použití Každá bezdrátová technologie pro komunikaci mezi jednotlivými účastníky sítě má jiné vlastnosti a hodí se tak pro jinou oblast využití. Některé technologie slouží k propojení dvou objektů bezprostředně vzdálených, jiné technologie umožňují komunikaci mezi zařízeními, která mohou být od sebe vzdálena stovky kilometrů. Podle oblasti použití se bezdrátové sítě dělí do následujících skupin:
Rozlehlé sítě WAN (Wide Area Network),
Metropolitní sítě MAN (Metropolitan Area Network),
Lokální sítě LAN (Local Area Network),
Osobní sítě PAN (Personal Area Network). [11]
Konkrétní technologie pro jednotlivé skupiny jsou uvedeny v obrázku Obr. 2 – Příklad bezdrátových technologií podle oblasti použití.
25
Obr. 2 - Příklad bezdrátových technologií podle oblasti použití, Zdroj: [11]
2.3 Bezdrátové lokální sítě WLAN Jak samotný název napovídá, komunikace mezi jednotlivými zařízeními WLAN probíhá bezdrátově, a to nejčastěji pomocí elektromagnetického vlnění. Přenos dat v sítích WLAN je zajištěn zejména technologií WiFi, která je definována pomocí standardů IEEE 802.11x organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Původní standard IEEE 802.11 byl v průběhu času rozšířen o doplňky, které rozšiřují nebo upravují předchozí specifikaci. V současné době je několik standardů nosných, které tvoří samostatné systémy pro výměnu dat na základě odlišného technického řešení. Tyto nosné standardy jsou doplněny o standardy rozšiřující, které jim přidávají nové funkce a vylepšují tak jejich vlastnosti. V následují části bakalářské práce budou významné standardy popsány a tento popis bude následován i přehledem připravovaných standardů. Další technologií, která patří do oblasti WLAN sítí, je WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), která je následníkem WiFi a zaměřuje se na zlepšení kvality signálu na větší vzdálenost. Tato technologie je definována standardem IEEE 802.16x. Významné standardy této technologie budou v následující části také popsány.
26
2.3.1 IEEE 802.11a Tento standard využívá pro svoji funkci bezlicenční pásmo 5 GHz. Organizací IEEE byl schválen roku 1999. V tomto pásmu je k dispozici 11 vzájemně se nepřekrývajících kanálů s odstupem 20 MHz, které jsou konkrétně v pásmu 5,470 – 5,725 GHz. Maximální vyzářený výkon je omezen na hodnotu 1W e.i.r.p. (equivalent isotropically radiated power – střední ekvivalentní izotropicky vyzářený výkon), což je maximální výkon, který je možné vyzářit do okolí izotropní anténou. Tato hodnota ovšem platí pouze v případě, že je vysílací zařízení vybaveno automatickou regulací výkonu, která umožňuje snížení výstupního výkonu až na polovinu této hodnoty (- 3 dB). V opačném případě nesmí maximální vyzářený výkon překročit hodnotu 0,5 W e.i.r.p. Maximální rychlost v tomto pásmu je teoreticky až 54 Mb/s, ale v reálném prostředí je tato rychlost nižší a závisí na parametrech použité rádiové trasy. Pro teoretickou rychlost 54 Mb/s se tak v běžných podmínkách dostaneme k rychlostem mezi 30 a 36 Mb/s. Standard podporuje i nižší rychlosti 48, 36, 24, 18, 12, 9 a 6 Mb/s. Tyto rychlosti vždy závisejí na okolních podmínkách a reálná rychlost tak může být nižší, ale za určitých předpokladů se rychlost může i zvyšovat. Tento standard používá pro rádiové vysílání ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Tato modulační metoda využívá více nosných kmitočtů s rovnoměrným odstupem, takže signál je rozdělen a vysílán na různých frekvencích. Jednotlivých subkanálů může být i několik stovek a navíc se tyto subkanály překrývají, a proto dochází k efektivnějšímu využití frekvenčního pásma. Multiplex OFDM se vyznačuje vysokou rychlostí modulace, ale je nevhodný pro použití na velké vzdálenosti a ve členitém terénu, kde jsou jeho vlastnosti horší než u modulace DSSS. Pro modulaci vlastních subkanálu je potom možné použít jakýkoliv typ modulace (BPSK, QPSK, 16 – QAM či 64 – QAM). [12]
2.3.2 IEEE 802.11b Standard z rodiny 802.11 se používá pro připojení uvnitř budov i v otevřeném prostoru. Pracovní pásmo pro tento standard je 2,4 GHz Bylo ČTÚ schváleno v roce 2000 k bezlicenčnímu využití. V tomto pásmu je k dispozici 13 kanálů, které jsou na frekvenci 2,412 GHz až 2,472 GHz. Mezi jednotlivými kanály je odstup 5 Hz, ale ideální šířka jednoho kanálu je 20 Hz až 24 Hz, a tak se jednotlivé kanály překrývají. Ve skutečnosti existují pouze tři kanály, které se nepřekrývají, a to jsou kanály 3, 6 a 11. Maximální vyzářený výkon je omezen na 100 mW e.i.r.p. 27
Nejvyšší teoretická rychlost u této normy je 11 Mb/s, která je dosažena pomocí tzv. doplňkového klíčového kódování CCK (Complementary Code Keying) v rámci DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum – přímá posloupnost rozprostřeného spektra) modulace na fyzické vrstvě. DSSS modulace používá k rozprostření dat do širšího spektra Barkerovu sekvenci. Tím se zavádí mnohonásobná redundance, která zvyšuje spolehlivost přenosu dat. Maximální rychlost, která je pro tuto normu uváděna, je jen těžko dosažitelná a závisí na parametrech rádiové cesty. Při zhoršených podmínkách klesá na hodnoty 5,5 Mb/s, 2 Mb/s nebo až 1 Mb/s. Režie na vlastní přenos tvoří 30 až 40 % teoretické kapacity, a tak je skutečná průměrná rychlost kolem 5 – 6 Mb/s. [12]
2.3.3 IEEE 802.11 g Tento standard vznikl rozšířením standardu 802.11b z důvodu jeho nedostatečné rychlosti. Přijetí normy proběhlo v roce 2003 a tato norma je zpětně kompatibilní se standardem 802.11b. Maximální rychlost u tohoto standardu vzrostla na 54 Mb/s, čehož bylo dosaženo použitím OFDM na fyzické vrstvě (použita u standardu 802.11a). Ve skutečnosti jsou použity modulace dvě, a to DSSS a OFDM. Modulace DSSS zajišťuje zpětnou kompatibilitu s normou 802.11b a modulace OFDM umožňuje vysokou rychlost přenosu. Výsledná rychlost je závislá na použité modulaci. Při použití OFDM jsou podporované rychlosti 54, 48, 36 a 24 Mb/s pro modulaci 16-QAM, 18 a 12 Mb/s s pomocí QPSK, 9 a 6 Mb/s s využitím modulace BPSK. Při použití DSSS jsou rychlosti stejné jako 802.11b, a sice 11, 5,5, 2 a 1 Mb/s. Výsledná reálná rychlost je o něco nižší a opět je závislá na parametrech rádiové trasy, obvykle je do 30 Mb/s. Vliv na výslednou rychlost má také to, zda jsou do sítě připojeni i uživatelé se standardem 802.11b. V tom případě je systém přepnut do režimu požadavků o vysílání, aby nedocházelo ke kolizím na fyzické vrstvě, čímž se zvyšuje režie a dochází opět k poklesu přenosové rychlosti. [12]
2.3.4 IEEE 802.11n V dnešní době jde o nejpoužívanější standard, který vznikl z důvodu, aby se přenosové rychlosti u WiFi sítí vyrovnaly rychlostem Ethernetu a reálná propustnost tak dosahovala alespoň 100 Mb/s. Na standardu 802.11n, který může být provozován v pásmu 2,4 GHz i 5 GHz, se začalo pracovat již v roce 2003, ale k jeho finálnímu schválení došlo až v roce 2009.
28
V roce 2007 byl však schválen Draft 2.0 tohoto standardu, což umožnilo vznik zařízení, která tento standard podporovala. I u 802.11n je zajištěna zpětná kompatibilita se standardy 802.11a/b/g. Zvýšení rychlosti bylo dosaženo úpravou fyzické vrstvy PHY (Physical Layer) a části linkové vrstvy MAC (Media Access Control), takže maximální teoretická rychlost vzrostla až na 600 Mb/s. Ke změně došlo u modulace OFDM a zavedením nové technologie MIMO (Multiple Input – Multiple Output). Pozměněná OFDM modulace pracuje se šířkou pásma 20 nebo 40 MHz. V případě použití užšího pásma 20 MHz je toto pásmo rozděleno na 64 dílčích kanálů a z toho jich je 52 pro vlastní přenos dat. Pásmo 40 MHz se vlastně skládá ze dvou oddělených nepřekrývajících se 20 MHz pásem a je tedy rozděleno do 128 dílčích kanálů, z čehož jich je pro vlastní přenos dat 104. Při použití tohoto pásma ovšem přicházíme o zpětnou kompatibilitu s předešlými standardy. U OFDM došlo navíc ke snížení ochranného intervalu mezi vysíláním. [13] Další změnou je zavedení technologie MIMO, která umožňuje vícenásobným vysíláním a přijímáním signálu zvýšit kapacitu přenosu. Data jsou tak posílána po více rádiových kanálech, které se však vejdou do šířky pásma jednoho kanálu. Na každém kanálu jsou vysílána různá data. Technologie MIMO navíc dokáže pracovat i s odraženými signály, které se do přijímače dostávají s určitým zpožděním, a využívá je také k získání informace ze signálu. Nepracuje tedy pouze s přímými vlnami, čímž dochází k vyšší spolehlivosti obnovy dat. Výsledná rychlost je pak kromě parametrů rádiové cesty závislá i na počtu nezávislých signálů, které dokáže přijímač zpracovat. Maximální teoretické rychlosti 600 Mb/s lze dosáhnout použitím čtyř nezávislých signálů. [14]
2.3.5 IEEE 802.11e Standard schválený roku 2005 podporuje kvalitu služeb QoS (Quality of Service), čímž umožňuje nové využití pro WiFi sítě. Zejména jde o provoz aplikací pro přenos hlasu nebo videa, které jsou náchylné na zpoždění signálu. Tento standard upravuje linkovou vrstvu MAC, aby bylo možné použít všechny fyzické vrstvy používané ve WiFi sítích. Jde tedy o doplňkový standard, který přidává novou funkcionalitu stávajícím standardům 802.11. Hlavní funkcí je sledování provozu v síti a určování priority přenášených dat. Na základě priority je pak řízen přístup k médiu a přidělování síťových prostředků, tedy to, zda je možné vyhovět požadavku o přístup, respektive rezervování přístupu.
29
Řízení provozu je zajišťováno hybridní koordinační funkcí HCF (Hybrid Coordination Function), která má dvě metody přístupu k médiu, a to jsou HCCA (HCF Controlled Channel Access – přístupová metoda ke kanálům řízená HCF) a EDCA (Enhanced DCF – vylepšená DCF přístupová metoda ke kanálům). Obě tyto metody definují třídy provozu TC (Traffic Classes). [13]
2.3.6 IEEE 802.11i Standard schválený v roce 2004 byl vytvořen pro lepší zabezpečení WiFi sítí. Používá nový způsob šifrování a autentizací algoritmů, který je označován jako WPA2. Tento nový způsob lépe chrání data v síti a zamezuje neoprávněnému přístupu. Šifrování je prováděno pomocí blokové šifry AES (Advanced Encryption Standard) namísto dříve používané proudové šifry RC4 u metod WEP (Wired Equivalent Privacy) a WPA (WiFi Protected Access). Pro autentizaci je použit EAP (Extensible Authentication Protocol), což je autentizační rámec pro zprostředkování přenosu, a autentizační server. Pro šifrování je použit protokol CCMP (Counter Cipher Mode with Block Chaining Message Authentication Code Protocol), který využívá již zmíněnou šifru AES. Standard podporuje i šifrovací protokol TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), který využívá šifru RC4, ale protokol TKIP již v této době není považován za bezpečný. [13]
2.3.7 IEEE 802.11p Tento standard byl vytvořen proto, aby bezdrátové WiFi sítě umožňovaly připojení mobilních zařízení WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments). Jde o rozšíření stávajících standardů o podporu inteligentních dopravních systémů ITS (Intelligent Transport Systems). K finálnímu schválení standardu došlo v roce 2010. Hlavním cílem je, aby bylo možné používat WiFi sítě pro komunikaci mezi vozidly během jízdy a mezi vozidly a pevnou infrastrukturou. Změnou oproti předešlým standardům je využití licencovaného pásma 5,9 GHz, a tak možná kompatibilita se standardem DSRC (Dedicated Short Range Communications), který se používá zejména v USA. Stejně jako u 802.11a jsou zde použity modulace (BPSK, QPSK, 64-QAM či 16-QAM, BPSK, QPSK) a multiplex OFDM. Jen šířka pásma je namísto 20 Hz snížena na 10 Hz. Snížením šířky pásma je dosaženo lepších vlastností u vícecestného šíření signálů, ale dochází i k poklesu maximální přenosové rychlosti na 27 Mbit/s. Pokles rychlosti je možné vyřešit metodou sdružování kanálů.
30
Pro zlepšení dosahu byl zvýšen maximální vyzářený výkon na 30 W e.i.r.p. pro běžná použití a až na 48 W e.i.r.p. pro záchranné složky. [15]
2.3.8 IEEE 802.11ac V tomto případě jde o standard, který ještě není finálně schválen, ale na trhu jsou už zařízení, která tento standard podporují. Je také označován jako 5G WiFi, tedy jako Wifi páté generace. Standard je rozšířením 802.11n a jeho cílem je navýšení přenosové rychlosti, která může být teoreticky až 3,47 Gb/s. Jelikož je zde použita také technologie MIMO, je výsledná rychlost závislá na počtu antén, přičemž maximální rychlost je udávána pro zařízení o osmi anténách. Komunikace probíhá pouze v pásmu 5 GHz. Šířka pásma se může na rozdíl od starších standardů měnit, a to od 20 MHz do 160 MHz, přičemž nejběžnější šířka pásma je 80 MHz. Pro modulaci signálu jsou používány stejné modulace jako u 802.11n (BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM), ale nově je navíc možné použít i 256-QAM. Došlo zde také k vylepšení technologie MIMO, která nyní umožňuje komunikaci s více zařízeními v jednom momentě. Toto vylepšení se označuje jako MU-MIMO (Multi User MIMO). Nově je zde povinně použita technologie formování paprsku Beamforming, která zvyšuje kapacitu a pokrytí. Principem této technologie je, že různé antény dokážou načasovat fáze signálu tak, aby se k přijímači dostal co nejsilnější. [16]
2.3.9 IEEE 802.16d Tento standard technologie WiMax byl vydán v roce 2004 a jde o takzvaně nemobilní WiMax, který se používá pro stacionární řešení. Jedná se o robustní řešení, které je vhodné pro použití v profesionálních aplikacích, a to díky propustnosti, kapacitě a podpoře řízení kvality služeb QoS. Oproti sítím WiFi má WiMax obecně větší dosah signálu, který může být až kolem 50 km, a nevyžaduje přímou viditelnost mezi základnovou stanicí a klientem. Pracuje v pásmu 2 – 11 GHz, kde jsou bezlicenční i licencované frekvence. V České republice se tato technologie využívá v pásmu 3,5 GHz, které je licencované. Maximální přenosová rychlost je 75 Mb/s. Pro modulaci signálu se využívá 64-QAM, 16-QAM nebo QPSK modulace. Pro rozdělení signálu se využívá OFDM s 256 kanály. Z důvodu zamezení kolizí při přístupu k médiu je zde použit časový multiplex TDM (Time Division Multiplex), který dovoluje vysílání pouze jednoho signálu. [12], [17]
31
2.3.10 IEEE 802.16e K vydání standardu došlo v roce 2005, a proto je také někdy označován jako 802.16-2005. K finálnímu schválení došlo v roce 2008. Rozšiřuje původní standard 802.16d, aby umožnil použití WiMax pro mobilní zařízení. Tento standard je vhodný pro různé telematické aplikace, které vyžadují bezdrátové připojení, delší dosah než WiFi sítě a řízení kvality služeb QoS. Tolerovaná rychlost pohybu takových zařízení je 150 km/h. Dosah signálu je přibližně 30 km, a proto tento standard řeší i předávání pohybující se stanice mezi jednotlivými základnovými stanicemi, tzv. handover. Z důvodu pohybu stanic dochází ke změně frekvence přijímaného signálu, která je způsobena Dopplerovým efektem. Standard řeší i tento problém, ale kvůli přidaným funkcím roste režie, která snižuje celkovou přenosovou kapacitu komunikace. Systém používá novější škálovatelnou modulaci SOFDMA (Scaleable OFDMA), která volí frekvence pro jednotlivé dílčí kanály na základě okolního prostředí, a tím zajišťuje lepší přenosové parametry i za nepřímé viditelnosti. Mobilní WiMax pracuje v pásmu 2 – 6 GHz, přičemž v Evropě je nejběžnější 2,5 a 3,5 GHz. Maximální přenosová rychlost se snížila na 15 Mb/s. [12], [18], [19]
2.3.11 IEEE 802.16m Standard vyvinutý jako vylepšení 802.16d a 802.16e zvyšuje přenosové kapacity u mobilní i nemobilní WiMax. Někdy bývá označován jako WiMax 2.0, tedy WiMax nové generace, ale i zde je zachována zpětná kompatibilita s předchozím standardem 802.16e. K finálnímu schválení došlo v roce 2011. Pro mobilní uživatele se rychlost navýšila minimálně na 100 Mb/s a u stacionárních uživatelů minimálně na 1 Gb/s. Systém používá také škálovatelnou modulaci SOFDM a pro zvýšení přenosové kapacity i technologii MIMO. Šířka pásma je 20 MHz nebo 40 MHz (2 x 20 MHz). [20]
32
3 Využití bezdrátových technologií v mobilních telematických systémech Tato kapitola je zaměřená na popis vybraných telematických aplikací, které pro komunikaci mezi jednotlivými zařízeními využívají bezdrátové technologie. Obecně se jedná o aplikace, které obstarávají sledování dopravní sítě, řízení dopravy, šíření dopravních informací, elektronické platby, atd. Hlavním cílem takových aplikací je zvýšení bezpečnosti, snížení kongescí, usnadnění a automatizace některých úkonů.
3.1 Elektronický výběr mýta Elektronický výběr mýtného, označovaný také jako EFC (Electronic Fee Collection), je systém zavedený v mnoha státech světa pro výběr poplatků za používání některých druhů komunikací. EFC se používá pro efektivnější výběr mýtného, který je založen na skutečném využití komunikace. Jedná se o takzvané výkonové zpoplatnění, kdy uživatel platí s ohledem na počet ujetých kilometrů a kategorii vozidla. V systémech pro výběr mýtného se používají dva způsoby pro určování polohy, a to mikrovlnný systém s pevně umístěnými mýtnými branami nebo systém GPS (Global Positioning Systém). V této práci bude popsán systém s mýtnými branami, který je od roku 2007 provozován i v České republice.
3.1.1 Určování polohy vozidla Mikrovlnný systém používá pro určování polohy mýtné brány, které jsou pevně spojeny s komunikací, a tak i s určitou polohou v silniční síti. Podle počtu projetých bran a jejich vzdáleností je pak určena celková ujetá vzdálenost po zpoplatněné komunikaci. V ČR mýtné brány zatím pokrývají přibližně 950 km dálnic a rychlostních silnic a 200 km silnic I. třídy. Mýtná brána je vybavena čidlem pro komunikaci s OBU (On Board Unit) jednotkou, aby mohla detekovat průjezd vozidla. Standardní mýtná brána instalovaná na komunikace v ČR je na obrázku Obr. 3. [21], [22]
33
Obr. 3 - Standardní mýtná brána v ČR, Zdroj: [21]
3.1.2 Palubní jednotka vozidla Aby mohly mýtné brány detekovat průjezd vozidla, musí být vozidla vybavena palubní jednotkou OBU. Toto zařízení je malá krabička, která se umístí na palubní desku před čelní sklo. V ČR jí musejí být od 1.1.2010 vybavena všechna vozidla nad 3,5 tuny. Příklad OBU jednotky od firmy Kapsch je na obrázku Obr. 4. Každá OBU jednotka má unikátní identifikátor, pomocí kterého je vozidlo jednoznačně identifikovatelné. Při průjezdu mýtnou branou je navázáno spojení mezi čidlem na mýtné bráně a OBU jednotkou, vozidlo je identifikováno na základě čísla OBU a je zaznamenán čas a místo průjezdu. Z těchto informací je následně stanoven poplatek za použití zpoplatněné komunikace. [21], [22]
Obr. 4 - OBU jednotka společnosti Kapsch, Zdroj: [23]
34
3.1.3 Komunikace mezi OBU a mýtnou branou Systém mikrovlnného elektronického mýta je založen na technologii DSRC, která je navržena pro komunikaci na krátkou vzdálenost právě mezi vozidlem a infrastrukturou C2I (Car To Infrastructure) a C2C (Car To Car). Komunikace pomocí DSRC probíhá v mikrovlnném pásmu 5,8 GHz. Spojení mezi mýtnou bránou a palubní jednotkou se naváže ve chvíli, kdy se vozidlo s OBU jednotkou dostane do komunikační zóny mýtné brány. V momentě, kdy OBU jednotka zachytí signál z mýtné brány, začne sama vysílat unikátní číslo OBU jednotky a vysílá tak dlouho, dokud opět neopustí komunikační zónu. OBU zde funguje jako pasivní transpondér, takže energii z obdrženého signálu použije pro vlastní napájení, aby byla sama schopna vysílání. Přenos dat je šifrovaný, aby se zamezilo odposlechu třetích stran. Po zaznamenání čísla OBU a času průjezdu odešle mýtná brána spolu s informací o poloze tato data do dohledového centra, kde jsou tyto údaje přiřazeny vlastníkovi OBU. Na základě informací z projetých bran je vypočten poplatek za užití komunikace a částka se buď odečte z předem dobitého účtu a nebo je majiteli vozidla vyfakturována. [24], [25]
3.2 Monitorování pohybu vozidel po pohybové ploše Letiště Praha Tato telematická aplikace byla vyvinuta z důvodu usnadnění výkonu práce pro řízení letového provozu, zvýšení bezpečnosti a plynulosti pohybu vozidel pohybujících se po letištní ploše. Hlavním cílem aplikace je, aby řízení letového provozu mělo aktuální přehled o všech vozidlech zajišťujících letecký provoz, byla umožněna komunikace mezi řízením letového provozu a jednotlivými vozidly a jednotlivá vozidla měla přehled o aktuálním pohybu ostatních objektů po letištní ploše. Ačkoliv bylo toto řešení vytvořeno přímo pro Letiště Praha, jedná se o univerzální řešení sledování pohybu vozidel a tato aplikace má využití všude tam, kde je potřeba spolehlivého zjištění polohy vozidla a spolehlivého komunikačního prostředí. Systém je tvořen palubní jednotkou OBU a serverem pro příjem a odesílání dat, který je navíc napojen do stávajícího systému řízení letového provozu ASMGCS (Advanced Surface Movement Guidance and Control System).
3.2.1 Palubní jednotka vozidla Každé vozidlo v tomto systému musí být vybaveno palubní jednotkou OBU, která bude zajišťovat funkce mobilní části této aplikace. Bude tedy vyhodnocovat polohu vozidla,
35
odesílat data s polohou a přijímat data s polohami ostatních vozidel a zobrazovat tyto polohy v zobrazovacím zařízení na mapovém podkladu letiště. Pro určování polohy je součástí OBU přijímač družicové navigace GNSS (Global Navigation Satellite Systém). Z důvodu vysoké přesnosti určování polohy nemůže být použit systém GPS, který má příliš vysokou odchylku. Vhodným systémem je například DGPS (Diferenciální GPS) nebo v budoucnu dosud nespuštěný systém GALILEO. OBU musí být dále vybavena jednotkou pro komunikaci se serverem, která zajišťuje veškerou komunikaci mezi OBU a serverem. Komunikační jednotka bude blíže popsána v dalším odstavci. Dalším zařízením, které je součástí OBU, je zobrazovací zařízení. Informace o aktuálním dění na letištní ploše se zobrazují na dotykový LCD monitor. Na monitoru je zobrazena mapa letištní plochy a v ní se zobrazují jednotlivá pohybující se vozidla. Řidič vozidla obsluhuje přes monitor celé zařízení, tedy od přihlášení k serveru, přes zobrazení mapy až po odpojení od serveru. OBU jednotka se všemi součástmi je na obrázku Obr. 5.
Obr. 5 - Palubní jednotka se „smart“ anténou, Zdroj: [12]
3.2.2 Komunikační prostředí Technologie pro přenos dat musí být bezdrátová a musí splňovat nároky na kapacitu komunikačního prostředí a odezvu systému. Na letišti operuje velký počet vozidel zajišťujících letecký provoz, každé z těchto vozidel odesílá na server data o své poloze, přičemž jedna taková zpráva má v průměru velikost 70 B. Kromě odesílaných dat o poloze 36
navíc každá komunikační jednotka přijímá informace o poloze ostatních vozidel ze serveru, po zapnutí OBU se přihlašuje k serveru, žádá o povolení pojezdu, odesílá a přijímá ještě další servisní zprávy. Nároky na přenosovou kapacitu jsou tak opravdu vysoké. Tyto požadavky nejlépe splňuje technologie WiMax standardu 802.16d. V době, kdy vznikala tato aplikace, nebyla na trhu žádná zařízení, která by podporovala mobilní WiMax 802.16e. Testovací měření však prokázala, že je tato technologie pro tyto účely dostačující, zejména kvůli omezené nejvyšší rychlosti vozidel na letištní ploše. Systém je s nemobilním WiMax použitelný pro rychlosti do 120 km/h. Z důvodu maximálně možného pokrytí je toto řešení kombinováno s doplňkovými systémy (WiFi, GPRS nebo EDGE). Komunikační jednotka periodicky odesílá informace o poloze na server, přijímá informace o poloze ostatních vozidel ze serveru, po zapnutí OBU se přihlašuje k serveru, žádá o povolení pojezdu a ještě další servisní zprávy. Na obrázku Obr. 6 je zobrazeno umístění telekomunikační antény v prostoru letiště. [12]
Obr. 6 - Anténa telekomunikačního systému WiMax, Zdroj: [12]
37
4 Telematické performační indikátory Před návrhem každého telematického sytému je důležité správně určit požadované hodnoty pro některé parametry systému. Tyto parametry jsou důležité zejména pro následný výběr jednotlivých prvků a řešení konkrétní telematické aplikace tak, aby správně plnila svoji funkci. Systémové parametry neboli performační indikátory se mohou týkat určité funkce, komunikačního řešení, jednotlivých procesů nebo jedné konkrétní veličiny. Po zvolení performačních indikátorů je následně nutné zajistit, aby všechna zařízení a subsystémy dané aplikace tyto hodnoty splňovaly. Umožňují tak vlastně kvalitativní hodnocení vlastností systému. V textu níže je uvedena definice základních performačních indikátorů tak, jak je uvedena v [12.]
4.1 Přesnost Přesnost je definována jako stupeň shody mezi měřenou a definovanou hodnotou parametru / procesu / funkce: (1) tedy že rozdíl mezi požadovaným parametrem pi a měřeným parametrem pm,i nepřesáhne hodnotu
na hladině pravděpodobnosti
. Uvedený vztah platí i pro vektory parametrů.
Pokud je požadavek, že chyba polohové informace nesmí překročit v horizontální rovině 7,5 m na hladině pravděpodobnosti 99,9 %. Tento požadavek znamená, že po danou dobu měření nebude chyba naměřené polohové informace v horizontální rovině větší než 7,5 m v 99,9 % případů.
4.2 Spolehlivost Spolehlivost je schopnost systému plnit požadované funkce bez přerušení během daného postupu v průběhu definovaného časového intervalu: (2) tedy že rozdíl mezi požadovanými parametry (vektory parametrů) parametry
a měřenými
nepřesáhne hodnotu ε2 na hladině pravděpodobnosti γ2 v libovolném čase t
časového intervalu
. 38
U polohové informace je spolehlivost chápána jako podíl dostupnosti lokalizační služby vzhledem k celkové době T sledování této informace. Čas sledování se typicky určuje jako jedna hodina pro hodnocení pozemních dopravních systémů na stanovené hladině pravděpodobnosti. Pokud je požadavek na spolehlivost systému 99 % na hladině pravděpodobnosti 99 % v čase 1 hodina, znamená to, že v 99 pokusech ze sta je 99 % z 1 hodiny služba funkční, tedy služba není funkční 36 s z jedné hodiny.
4.3 Dostupnost Dostupnost je schopnost systému splnit požadované funkce při inicializaci (spuštění) systému / procesu podle daného postupu: (3) tedy rozdíl požadované hodnoty úspěšného spuštění i-té funkce / procesu hodnoty
nepřekročí hodnotu
na hladině pravděpodobnosti
a naměřené
.
Požadavek telematického systému může být takový, aby po aktivaci lokační služby byla služba dostupná do 30 sekund po zahájení aktivace na hladině pravděpodobnosti 99 %. Tento požadavek znamená, že provedeme-li 100 náhodných spuštění lokalizační služby, pouze v jednom případě naběhnutí lokalizační služby potrvá déle než 30 sekund.
4.4 Kontinuita (spojitost) Kontinuita je schopnost systému plnit požadované funkce / procesy bez (neplánovaného) přerušení (maximální povolená délka přerušení je předem definována) během daného postupu (nebo definovaného časového intervalu): (4) tedy rozdíl mezi požadovaným maximálním přerušením nepřesáhne v každém čase t v intervalu
hodnotu
a měřenou hodnotou
na hladině pravděpodobnosti
.
Kontinuita má blízko ke spolehlivosti, ale hlavním rozdílem je sledování délky výpadku. Jde tedy o možnost kvantifikace rozložení výpadků – u spolehlivosti můžeme zaznamenat jeden dlouhý výpadek nebo mnoho krátkodobých výpadků. Právě kontinuita dokáže mezi těmito dvěma případy rozlišit a definovat, jaká maximální délka výpadku je povolena. Kontinuita má velký vztah ke kritickým aplikacím pracujícím v reálném čase. 39
Telematický systém má stanoveno, že maximální doba výpadku lokalizační služby nemůže být větší než 5 sekund na hladině pravděpodobnosti 99 % v časovém intervalu 3 minuty. To znamená, že v intervalu 3 minuty jsou možné pouze výpadky s maximální délkou 5 sekund. Tato podmínka musí být splněna v 99 případech ze sta.
4.5 Integrita Je schopnost systému včasně a bezchybně informovat uživatele, že systém nemůže být použit pro operace daného postupu: (5) tedy rozdíl mezi požadovanou dobou nahlášení poruchy hlášení poruchy
nepřekročí hodnotu
a naměřenou hodnotou doby
na hladině pravděpodobnosti
.
Integrita vyjadřuje schopnost systému včas diagnostikovat překročení předdefinovaných parametrů a za požadovaný časový interval o této skutečnosti informovat uživatele / obsluhu. V případě lokalizačních funkcí je požadavek, že pokud přesnost určení polohy překročí hranici 10 m, uživatel musí být o této změně přesnosti informován do 5 sekund na hladině pravděpodobnosti 99 %. Pokud tedy dojde k porušení přesnosti určení polohy, uživatel musí být v 99 případech ze sta informován do 5 sekund.
4.6 Bezpečnost Bezpečnost je schopnost systému, že v případě vzniku poruchy nedojde k poškození systému nebo k materiálním ztrátám či ztrátám na lidském životě. Kvantifikace vychází z provedené analýzy a klasifikace rizik: (6) tedy rozdíl mezi požadovanou rizikovou situací nepřekročí hodnotu
na hladině pravděpodobnosti
a skutečnou rizikovou situací .
Bezpečnost, jako systémový parametr, rozděluje chyby / poruchy, které se vyvíjejí bezpečným směrem, pak jde o výpadky, které jsou charakterizovány spolehlivostí, kontinuitou, integritou atd., a chyby / poruchy, které se vyvíjejí nebezpečným směrem. Zjištění bezpečných a nebezpečných stavů systému je součástí klasifikace a analýz rizik. 40
Nebezpečným stavem je například situace, kdy jsou třetí stranou vysílány falešné GNSS signály, nebo dochází k rušení systému šumem.
4.7 Hodnocení vlastností komunikačního řešení Jakmile jsou stanoveny systémové parametry neboli performační indikátory telematického systému, je možné začít s výběrem komunikačního řešení, které musí odpovídat zvoleným performačním indikátorům. Telematické performační indikátory však nejsou plně srovnatelné s telekomunikačními performačními indikátory, a tak je nutné určit nejprve performační indikátory komunikačního řešení a až následně tyto parametry vyhodnotit v souladu s telematickými performačními indikátory. Níže v textu jsou ve stručnosti popsány telekomunikační performační indikátory dle definic uvedených v [12].
4.7.1 Aktivační doba dostupnosti služby (7) tedy rozdíl požadovaného času úspěšné i-té aktivace systému času
nepřekročí hodnotu
na hladině pravděpodobnosti
a naměřeného aktivačního .
4.7.2 Dostupnost služby Dostupnost služby je schopnost okruhu plnit požadované funkce bez přerušení během daného postupu v průběhu definovaného časového intervalu: (8) tedy rozdíl mezi požadovanými parametry hodnotu
na hladině pravděpodobnosti
a naměřenými parametry
nepřesáhne
v každém čase t v intervalu
.
4.7.3 Doba mezi dvěma poruchami MTBF (Mean Time Between Failures) (9) tedy i-tý rozdíl vzorku požadované doby mezi dvěma poruchami tohoto parametru
, který je menší než
a skutečné hodnoty
na hladině pravděpodobnosti
.
4.7.4 Doba obnovení služby – MTR (Mean Time to Restore) (10)
41
tedy rozdíl požadované poruše sítě je menší než
a skutečné hodnoty na hladině pravděpodobnosti
i-tého obnovení funkcionality po .
4.7.5 Zpoždění (11) tedy rozdíl požadované hodnoty zpoždění hodnotu
na hladině pravděpodobnosti
a měřené hodnoty zpoždění
nepřesáhne
.
4.7.6 Ztráta paketů (12) tedy podíl počtu dodaných paketů nebo větší než
a celkového počtu odeslaných paketů
na hladině pravděpodobnosti
, pro každý čas t z intervalu
je roven .
4.7.7 Bezpečnost Bezpečnost je schopnost systému, že v případě vzniku poruchy nedojde k poškození vlastní funkcionality komunikačního systému: (13) tedy že rozdíl mezi i-tou požadovanou hodnotou rizikové situace hodnotou rizikové situace
nepřekročí hodnotu
a skutečnou
na hladině pravděpodobnosti
.
4.8 Performační indikátory V předchozím textu jsou představeny performační indikátory pro telematické systémy i telekomunikační řešení. Parametry z jedné skupiny nejsou plně kompatibilní s parametry ze skupiny druhé, přesto je však možné zjednodušeně provést vzájemné přiřazení parametrů na základě nejdůležitějších vzájemných vazeb. Přehled jednotlivých parametrů a jejich přiřazení je v tabulce Tab. 2. [12]
42
Tab. 2 – Performační indikátory, Zdroj: [12] Performační indikátory Telematické:
Telekomunikační:
Přesnost naměřené hodnoty – pi
-
-
Zpoždění - di
-
Ztráta paketů - pli
Dostupnost služby - qi
Aktivační doba služby - ai Dostupnost virtuálního okruhu - cat
Spolehlivost služby -
Doba mezi dvěma poruchami - fi
Kontinuita služby - rt
Integrita služby - si
Doba obnovení / předání služby - rci Doba nedostupnosti automaticky neobnovované služby – tna,i -
Bezpečnost služby - Wi
Bezpečnost komunikační služby - Wci
-
43
5 Návrh metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě Cílem této bakalářské práce je analyzovat vliv mobility uživatele na kvalitu bezdrátové sítě. Pro získání potřebných dat pro takové vyhodnocení je nutné provést měření kvalitativních parametrů bezdrátového připojení. Cílem této kapitoly je tedy navrhnout metodiku, na základě které proběhne samotné měření kvalitativních parametrů, navrhnout testovací scénář a následně vyhodnotit výsledky měření.
5.1 Popis testovacího prostředí Účelem tohoto měření je otestovat změnu kvalitativních parametrů v závislosti na rychlosti přijímacího zařízení (klienta) vůči přístupovému bodu (Access Point). Z dostupných informací je všeobecně známo, že pokud se uživatel pohybuje nízkou rychlostí, nedochází k výrazné změně parametrů. Cílem tohoto měření je tedy otestovat změnu parametrů související s postupným nárůstem rychlosti klienta až do výše 150 km/h. Jako prostředí pro testování bylo zvoleno bývalé vojenské letiště Tchořovice v jižních Čechách, které nabízí volně přístupnou rozlehlou vzletovou a přistávací dráhu. Nejbližší vzdálenost mezi vzletovou a přistávací dráhou o délce cca 1 200 m a obcí Tchořovice je 200 m. Nejodlehlejší část vzletové a přistávací dráhy (VPD) je od obce Tchořovice vzdálena cca 1 300 m. Protože je vzdálenost od obce poměrně nízká, byly před měřením vyhledány dostupné bezdrátové sítě, které by mohly ovlivnit průběh testování. V den měření byla v oblasti nalezena jedna bezdrátová síť o frekvenci 2,4 GHz, která bude mít pouze minimální vliv na naše měření, protože testovací síť byla vytvořena na frekvenci 5 GHz. V době měření bylo v okolí letiště Tchořovice oblačné počasí s teplotou 9 °C a mírný severozápadní vítr o rychlosti 6 km/h. Viditelnost nebyla nijak omezena a počasí by tedy nemělo mít žádný vliv na průběh testování a naměřené parametry. Poloha a prostorové uspořádání vzletové a přistávací dráhy letiště Tchořovice je vidět na obrázku Obr. 7.
44
Obr. 7 - Prostorové uspořádání letiště Tchořovice, Zdroj: [26]
5.1.1 Hardware Veškerý hardware použitý pro naše měření ukazuje obrázek Obr. 8, kde je znázorněno také jednoduché schéma zapojení.
Obr. 8 - Schéma zapojení zařízení
Typy použitých zařízení budou níže popsány podrobněji, vynechám pouze popis propojovacích kabelů a napájecích adaptérů. Jako propojovací kabel mezi počítačem a WiFi vysílačem/přijímačem byla použita nestíněná kroucená dvojlinka UTP kategorie CAT5E zakončená konektory RJ-45. Jako napájecí adaptér byl použit klasický adaptér pro notebook pro vstupní napětí 100 až 240 V a výstupní napětí 19 V. Jako zdroj napětí pro Počítač – server a WiFi vysílač byl použit benzínový generátor UnitedPower GG 950 DC. Měřící počítač byl napájen ze své vlastní baterie a WiFi přijímač byl napájen z 12 V zásuvky automobilu pomocí měniče napětí.
45
Popis hardware: WiFi přijímač/vysílač – UBiQUiTi NanoStation loco M5 NanoStation loco M5 je zařízení, které je navrženo pro použití vně i uvnitř budov, a to v pásmu 5 GHz. Je vybaveno vnitřní MIMO (Multiple-input multiple-output) 2x2 13 dBi anténou a jedním konektorem LAN pro propojení s počítačem. Využití více antén (MIMO) má za následek zvýšení datové propustnosti a dosahu. Toto zařízení bude v našem testu použito jako WiFi přijímač i vysílač. První zařízení NanoStation použijeme pro příjem, bude tedy nastaveno do klientského režimu, a druhé zařízení nastavíme jako přístupový bod (AP). Jednotka NanoStation loco M5 je zobrazena na obrázku Obr. 9. [27]
Obr. 9 - NanoStation loco M5
Charakteristické parametry a vlastnosti NanoStation loco M5 jsou uvedeny v tabulce Tab. 3. Tab. 3- Parametry NanoStation loco M5, Zdroj: [27] Citlivost: -96 (6 mbps)
Frekvence: 5475 - 5825 MHz
Operační systém: AirOS V Modulace:OFDM, DBPSK, DQPSK, CCK, 64QAM,16QAM Provozní teplota: -30 až +80 °C
Max. výstupní výkon: 23 dBi Operační mód: AP, Client, WDS
Procesor: Atheros MIPS 24 KC, 400 MHz
Šifrování: WEP, WPA, WPA2
Shoda: FCC, CE
Hmotnost: 0,18 kg
LAN port: 1x RJ45 10/100 Mbps
Normy: 802.11a/n
Přenosová rychlost: až 300 Mb/s
46
Měřící počítač Jako počítač pro měření kvalitativních parametrů jsem zvolil notebook Acer Aspire S3 s operačním systémem Windows 7. Tento počítač jsem propojil s WiFi přijímačem NanoStation v klientském režimu pomocí Ethernet kabelu. V notebooku byl nainstalován potřebný software pro sledování parametrů bezdrátové sítě. Počítač – server Druhé zařízení NanoStation nastavené jako přístupový bod bylo připojeno k notebooku Acer Extensa 5635Z s operačním systémem Windows Vista. Počítač jsem propojil s přístupovým bodem pomocí Ethernet kabelu. Tento počítač bude navíc sloužit jako webový server, na kterém bude umístěn testovací soubor, který bude v průběhu testování přenášen na Měřící počítač.
5.1.2 Software Měření kvalitativních parametrů provedu pomocí operačního systému AirOS V, který je nainstalován v zařízení NanoStation. Tento operační systém je vybaven řadou utilit pro monitorování bezdrátové sítě. Do systému AirOS V je možné se připojit přes webové rozhraní. Po vytvoření bezdrátové sítě a připojení klientské stanice jsou v přehledu vidět aktuální hodnoty některých parametrů. Klientská stanice NanoStation během připojení vyhodnocuje sílu signálu (Signal Strength), úroveň rušení (Noise Floor), využití teoretické šířky pásma (Transmit CCQ), teoretickou rychlost přenosu dat ve vzestupném směru (TX Rate), teoretickou rychlost přenosu dat v sestupném směru (RX Rate), kvalitu připojení (AirMax Quality) a některé další parametry. [28] Na měřicím počítači je také nainstalován program MegaPing, který obsahuje řadu utilit na sledování počítačových sítí. Umožňuje nastavení automatického testování funkčnosti spojení mezi dvěma síťovými rozhraními pomocí příkazu ping. Tento příkaz odešle na požadované rozhraní IP datagram definované velikosti, čeká na odezvu a následně vypíše čas mezi odesláním a přijetím diagramu, takzvané zpoždění. Při měření byla využita funkce automatického odesílání požadavků v intervalu jedné sekundy. [29] Pro sledování průběhu stahování testovacího souboru byl na měřicí počítač nainstalován program Internet Download Accelerator 5.15.2, který lépe zobrazuje rychlost stahování. [30] Na počítači „počítač – server“, který bude sloužit jako přístupový bod, vytvořím webový server pomocí softwaru Apache HTTP Server 2.2. Díku tomuto programu odpoví „počítač – 47
server“ na dotaz vytvořený z webového prohlížeče měřicího počítače. Po zadání IP adresy nastavené na „počítač - server“ do webového prohlížeče měřicího počítače obdrží webový server, který je spuštěn na „počítač – server“, požadavek na odeslání webové stránky. [31]
5.2 Testovací scénář V této části je popis testování. Před začátkem testování je nutné stanovit testovací podmínky, aby bylo případně možné opakovat znovu měření. Je potřebné určit cíle testování, nastavení jednotlivých zařízení a nakonec samotný postup testování.
5.2.1 Cíl testu Cílem tohoto praktické testu je určit závislost sledovaných kvalitativních parametrů na rychlosti pohybujícího se uživatele vůči přístupovému bodu. Výstupem testu bude řada hodnot jednotlivých parametrů v závislosti na rychlosti uživatele (automobilu). Během měření budu sledovat tyto parametry:
sílu signálu [dBm]
TX Rate [Mb/s]
RX Rate [Mb/s]
přenosovou rychlost při stahování [KB/s]
dobu odezvy [ms]
5.2.2 Počáteční podmínky Před zahájením samotného měření je třeba nastavit všechna zařízení na požadované hodnoty a správně zapojit. Počítač – server Na druhém počítači je nutné změnit automatické přidělování IP adresy a nastavit adresu statickou z adresného rozsahu lokálních sítí. Na tomto počítači byla nastavena IP adresa 192.168.1.98 a maska podsítě 255.255.255.0. Druhý počítač také propojíme se stanicí NanoStation loco M5 pomocí ethernet kabelu. Přes webové rozhraní počítače se připojíme k NanoStation na výchozí IP adrese 192.168.1.20. Po přihlášení do operačního systému AirOS změníme na záložce „Network“ IP adresu tohoto zařízení, aby obě NanoStation neměly stejnou IP adresu. Při tomto měření byla nastavena IP adresa WiFi vysílače na 192.168.1.21. Následně na záložce „Wireless“ změníme operační 48
mód stanice na Access Point, v poli SSID nastavíme název sítě pro testování a tyto změny uložíme. Tímto jsme vytvořili testovací bezdrátovou síť, která měla pro toto měření název BP_test. Kompletní nastavení tohoto zařízení je v příloze Příloha A – nastavení NanoStation v režimu „Access Point“. Připojení WiFi vysílače k notebooku a celkové zapojení je na obrázku Obr. 10.
Obr. 10 - Počítač – server a WiFi vysílač
Měřicí počítač Na měřicím počítači změníme nastavení IP adresy tak, aby se nepřidělovala automaticky. Nastavíme statickou IP adresu z adresného rozsahu lokálních sítí. Na měřicím počítači byla nastavena IP adresa 192.168.1.97 a maska podsítě 255.255.255.0. Měřicí počítač propojíme se stanicí NanoStation loco M5 pomocí ethernet kabelu a přes internetový prohlížeč se připojíme ke stanici NanoStation na výchozí IP adrese 192.168.1.20. Po připojení nastavíme na záložce „Wireless“ NanoStation do operačního módu „Station“, aby se toto zařízení chovalo jako klient. V poli SSID zobrazíme seznam dostupných bezdrátových sítí a připojíme se na vytvořenou síť BP_test. Celkové nastavení NanoStation na záložce „Wireless“ je vidět v příloze Příloha B – nastavení NanoStation v režimu „Station“. 49
Zapojení měřicího počítače a WiFi přijímače v automobilu je na obrázku Obr. 11.
Obr. 11 - Měřící počítač a WiFi přijímač v automobilu
Prostorové uspořádání Jednotlivá zařízení je nutné před testováním přemístit do počáteční polohy na vzletové a přistávací dráze. Počáteční podmínky jsou definovány v následujícím odstavci. Před prvním testováním umístíme automobil s měřicím počítačem a s připojenou stanicí NanoStation na počátek VPD. Stanici upevníme do automobilu tak, aby byla ve výšce 110 cm nad VPD. Druhý počítač s WiFi vysílačem umístíme ve vzdálenosti 900 m od výchozí polohy automobilu po směru jízdy. Měření parametrů probíhá na úseku dlouhém 540 m, zbytek je vzdálenost pro rozjezd automobilu. WiFi vysílač umístíme na podstavec do výšky 110 cm. 50
Mezi WiFi vysílačem a přijímačem je ve vodorovném směru po celou dobu měření vzdálenost 4,5 m. Umístění obou stanic NanoStation je na obrázku Obr. 12.
Obr. 12 - Umístění stanic NanoStation
5.2.3 Postup testu Před zahájením testu je nutné nastavit všechna zařízení podle definovaných počátečních podmínek. Nejprve budeme sledovat změnu parametrů pro nezatíženou síť. Následně dojde k navázání spojení s webovým serverem, stahování testovacího souboru a opětovnému měření definovaných parametrů. Testujeme změnu definovaných parametrů pro různé rychlosti vozidla, které se bude přibližovat směrem k WiFi vysílači. Celou dráhu vždy projedeme různou konstantní rychlostí a sledované parametry budeme postupně zaznamenávat v předem vyznačených místech.
51
Hodnotu jednotlivých parametrů proměříme až do rychlosti 120 km/h. Testování začíná při rychlosti 30 km/h a prvně se parametry odečítají ve vzdálenosti 540 m a pak každých dalších 90 m. Rychlost vozidla při každém dalším měření zvýšíme o 20 km/h. Testujeme pro oba stavy bezdrátové sítě.
5.3 Výstupy měření Hodnoty výstupů měření byly ukládány pomocí klávesy Print Screen, když na ploše monitoru byly rozmístěny programy zaznamenávající pozorované parametry. Záznam plochy z měření parametrů při zatížené síti stahováním pro rychlost 30 km/h a vzdálenost 540 m je na obrázku Obr. 13. Následně byly parametry přepsány do tabulky a z naměřených hodnot byly vytvořeny grafy. Tabulky s daty i grafy jsou uvedeny níže.
Obr. 13 - Naměřené hodnoty pro rychlost 30 km/h ve vzdálenosti 540 m, se stahováním dat
Před začátkem testování bylo plánováno proměřit změny parametrů až do rychlosti 150 km/h. Této rychlosti bohužel při testování nebylo možné dosáhnout, a to z několika důvodu. Přesto, že se samotné měření uskutečnilo ve všední den dopoledne, vyskytovalo se na trati několik dalších osob, které letiště využívali pro létání modelů letadel. Z tohoto důvodu jsem nemohl využít celou délku 1500 m VPD, ale z důvodu bezpečnosti probíhalo měření na dráze 1200 m. Vliv na výslednou rychlost měl také jistě použitý automobil, jehož parametry neumožňovali dostatečnou akceleraci k dosažení požadované rychlosti. Měření tedy proběhlo pro maximální rychlost 120 km/h a pro tuto rychlost navíc pouze na dráze 360 m. 52
5.4 Vyhodnocení výsledků měření 5.4.1 Nezatížená síť Hodnoty a grafy získané měřením parametrů na nezatížené síti – bez stahování dat z webového serveru. Tab. 4 – Tabulka naměřených hodnot pro sílu signálu Síla signálu [dBm] Rychlost [km/h] Vzdálenost [m]
30
50
70
90
110
120
0
-34
-35
-50
-38
-44
-42
90
-47
-45
-49
-51
-50
-53
180
-55
-56
-57
-59
-56
-59
270
-62
-62
-63
-62
-64
-63
360
-67
-67
-66
-66
-68
-67
450
-68
-67
-68
-68
-67
540
-66
-66
-65
-65
-64
Závislost síly signálu na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače - bez stahování dat -25 0
90
180
270
360
450
540
-30
Síla signálu [dBm]
-35 -40
30 km/h 50 km/h
-45
70 km/h -50
90 km/h
-55
110 km/h 120 km/h
-60 -65 -70
Vzdálenost od vysílače [m]
Obr. 14 - Graf závislosti síly signálu na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat
53
Jak je vidět z obrázku Obr. 14, dochází pro každou testovanou rychlost ke zvyšování kvality signálu s klesající vzdáleností WiFi přijímače od WiFi vysílače. Větší hodnota znamená vyšší sílu signálu. Velikost rychlosti má na sílu signálu vliv pouze v těsné blízkosti u WiFi vysílače, ve větších vzdálenostech je síla signálu pro různé rychlosti téměř shodná. V těsné blízkosti u vysílače je nejlepší hodnota síly signálu -34 dBm pro rychlost 30 km/h a s rostoucí rychlostí se tento parametr zhoršuje. Nejhorší hodnoty jsou pak pro všechny rychlosti zaznamenané ve vzdálenosti 450 m od vysílače. Tab. 5 - Tabulka naměřených hodnot pro TX Rate TX Rate [Mb/s] Rychlost [km/h] Vzdálenost [m]
30
50
70
90
110
120
0
300
270
45
180
300
180
90
300
240
45
180
300
162
180
180
216
45
180
270
162
270
180
180
30
180
270
120
360
162
162
27
180
270
120
450
180
162
27
6,5
270
540
162
162
15
6,5
270
Závislost TX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače - bez stahování dat 350 300
TX Rate [Mb/s]
250 30 km/h 200
50 km/h 70 km/h
150
90 km/h 110 km/h
100
120 km/h 50 0 0
90
180
270
360
450
540
Vzdálenost od vysílače [m] Obr. 15 - Graf závislosti TX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat
54
Z obrázku Obr. 15, je vidět, že hodnota TX Rate klesá při zvyšující se vzdálenosti mezi přijímačem a vysílačem. Nejvyšší hodnota pro každou testovanou rychlost byla naměřena v těsné vzdálenosti vysílače. Nejlepší hodnota TX Rate 300 Mb/s byla zaznamenána pro rychlosti 30 km/h a 110 km/h v těsné vzdálenosti od vysílače. Nejhorší hodnota tohoto parametru 6,5 Mb/s pak byla změřena ve vzdálenosti 540 m při rychlosti vozidla 90 km/h. Na základě měření není možné určit závislost TX Rate na rychlosti vozidla. Tab. 6 - Tabulka naměřených hodnot pro RX Rate RX Rate [Mb/s] Rychlost [km/h] Vzdálenost [m]
30
50
70
90
110
120
0
40,5
40,5
40,5
40,5
243
243
90
40,5
40,5
40,5
40,5
243
243
180
40,5
40,5
40,5
40,5
243
243
270
40,5
40,5
40,5
40,5
243
243
360
40,5
40,5
40,5
40,5
243
243
450
40,5
40,5
40,5
40,5
243
540
30
40,5
40,5
40,5
243
Závislost RX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače - bez stahování dat 300
RX Rate [Mb/s]
250
200
30 km/h 50 km/h
150
70 km/h 90 km/h
100
110 km/h 120 km/h
50
0 0
90
180
270
360
450
540
Vzdálenost od vysílače [m] Obr. 16 - Graf závislosti RX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat
55
Graf závislosti RX Rate je na obrázku Obr. 16. Z tohoto grafu je vidět, že hodnota RX Rate není vůbec závislá na vzdálenosti mezi přijímačem a vysílačem, protože je pro jednotlivé rychlosti vždy stejná po celou dobu měření. Na delší dráze by jistě postupně docházelo k poklesu této hodnoty. Během testování byly naměřeny v podstatě jen dvě hodnoty, a to 40,5 Mb/s a 243 Mb/s. Nižší hodnota odpovídá rychlostem 30 km/h až 90 km/h a vyšší hodnota rychlostem 110 km/h a 120 km/h. Tab. 7 - Tabulka naměřených hodnot pro dobu odezvy Ping 70 km/h
90 km/h
110 km/h
Vzdálenost [m]
Odezva [ms]
Vzdálenost [m]
Odezva [ms]
Vzdálenost [m]
Odezva [ms]
0,00
11
0,00
2
0,00
7
21,60
2
27,00
2
33,75
2
43,20
2
54,00
2
67,50
2
2
81,00
2
101,25
2 2
64,80 86,40
2
108,00
2
135,00
108,00
2
135,00
2
168,75
2
129,60
2
162,00
2
202,50
2
151,20
2
189,00
2
236,25
3
172,80
2
216,00
2
270,00
2
194,40
2
243,00
2
303,75
3
216,00
2
270,00
2
337,50
3
2
297,00
2
371,25
3 2
237,60 259,20
2
324,00
2
405,00
280,80
2
351,00
2
438,75
3
302,40
4
378,00
2
472,50
5
324,00
2
405,00
2
506,25
3
345,60
2
432,00
2
540,00
32
367,20
2
459,00
6
388,80
2
486,00
6 8 17
410,40
3
513,00
432,00
3
540,00
453,60
2
475,20
2
496,80
2
518,40
2
540,00
9
56
Závislost doby odezvy na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od přijímače - bez stahování dat 35
Doba odezvy [ms]
30 25 20 70 km/h 15
90 km/h 110 km/h
10 5 0 0
100
200
300
400
500
600
Vzdálenost od vysílače [m] Obr. 17 - Graf závislosti doby odezvy na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat
Na obrázku Obr. 17 je vidět, že se podařilo zaznamenat pouze hodnoty pro rychlosti 70 km/h až 110 km/h, a to z důvodu nepříznivého počasí. Toto měření probíhalo jako poslední a v jeho průběhu začalo pršet. Jelikož nebyl „počítač – server“ chráněn proti dešti, muselo dojít k přerušení testování. Doba odezvy byla sledována pomocí programu MegaPing a velikost paketu byla nastavena na 64 B. Z naměřených hodnot je ale přesto vidět, že doba odezvy se s klesající vzdáleností snižuje, poté je určitou dobu na stejné úrovni bez ohledu na rychlost vozidla a v těsné blízkosti vysílače dochází k opětovnému zvýšení tohoto parametru. Maximální doba odezvy 32 ms je pro rychlost 110 km/h ve vzdálenosti 540 m od vysílače. Minimální doba odezvy 2 ms je ve vzdálenosti 30 m až 200 m pro všechny testované rychlosti. Rychlost přijímače má na dobu odezvy vliv pouze ve vzdálenosti 400 m až 540 m, kde také můžeme sledovat celkové zhoršení tohoto parametru, způsobené pravděpodobně nízkou sílou signálu v této vzdálenosti.
57
5.4.2 Síť zatížená stahováním V této části jsou uvedeny hodnoty jednotlivých parametrů, které byly naměřeny v situaci, kdy byl do měřícího počítače stahován testovací soubor o velikosti 7 GB. Tento soubor byl umístěn na počítači „Počítač – server“, který se choval jako webový server díky programu Apache HTTP Server 2.2. Tab. 8 - Tabulka naměřených hodnot pro sílu signálu, se stahováním dat Síla signálu [dBm] Rychlost [km/h] Vzdálenost [m]
30
50
70
90
110
120
0
-39
-43
-42
-44
-43
-46
90
-47
-49
-47
-48
-50
-49
180
-55
-58
-59
-58
-57
-58
270
-62
-64
-64
-64
-65
-66
360
-65
-66
-66
-66
-67
-68
450
-68
-67
-68
-67
-69
540
-65
-65
-64
-64
-64
Závislost síly signálu na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače - s přenosem dat -30 0
90
180
270
360
450
540
-35
Síla signálu [dBm]
-40 30 km/h
-45
50 km/h 70 km/h
-50
90 km/h -55
110 km/h 120 km/h
-60 -65 -70
Vzdálenost od vysílače [m]
Obr. 18 - Graf závislosti síly signálu na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat
58
Průběh síly signálu, který je vidět na obrázku Obr. 18, je stejný jako v případě nezatížené sítě, pouze došlo ke snížení této hodnoty v těsné blízkosti vysílače. U nejvyšší hodnoty je nyní síla signálu -39 dBm oproti -34 dBm u nezatížené sítě. I zde jsou nejhorší hodnoty ve 450 m od vysílače a jsou stejné jako pro nezatíženou síť. Tab. 9 - Tabulka naměřených hodnot pro TX Rate, se stahováním dat TX Rate [Mb/s] Rychlost [km/h] Vzdálenost [m]
30
50
70
90
110
120
0
216
180
180
180
180
180
90
216
180
180
180
180
180
180
180
240
240
270
216
216
270
180
180
180
162
162
180
360
120
180
180
162
120
90
450
120
180
120
120
120
540
180
162
162
180
180
Závislost TX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače - s přenosem dat 300
TX Rate [Mb/s]
250
200
30 km/h 50 km/h
150
70 km/h 90 km/h
100
110 km/h 120 km/h
50
0 0
90
180
270
360
450
540
Vzdálenost od vysílače [m] Obr. 19 - Graf závislosti TX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat
Oproti průběhu TX Rate při nezatížené síti na obrázku Obr. 15 je zde, na obrázku Obr. 29, vidět, že při stahování došlo k usměrnění TX Rate. V tomto případě již není vidět takový vliv rychlosti přijímače na velikost tohoto parametru. Průběh TX Rate je velmi podobný pro 59
všechny testované rychlosti. Maximální teoretická rychlost v těsné blízkosti vysílače poklesla z 300 Mb/s na 216 Mb/s pro rychlost 30 km/h. Nejhorší hodnota parametru 90 Mb/s byla naměřena ve vzdálenosti 360 m pro rychlost přijímače 120 km/h. S rostoucí vzdáleností od vysílače má TX Rate klesající trend. Tab. 10 - Tabulka naměřených hodnot pro RX Rate, se stahováním dat RX Rate [Mb/s] Rychlost [km/h] Vzdálenost [m]
30
50
70
90
110
120
0
120
270
300
300
300
300
90
120
300
300
300
300
270
180
120
300
270
270
270
270
270
120
180
180
180
180
180
360
120
180
180
180
120
120
450
120
162
120
120
120
540
180
180
180
180
180
Závislost RX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače - s přenosem dat 350 300
RX Rate [Mb/s]
250 30 km/h 200
50 km/h 70 km/h
150
90 km/h 110 km/h
100
120 km/h 50 0 0
90
180
270
360
450
540
Vzdálenost od vysílače [m] Obr. 20 - Graf závislosti RX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat
Z obrázku Obr. 20 je vidět, že při zatížené síti stahováním dochází ke změně tohoto parametru v závislosti na vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem. Tento jev u nezatížené 60
sítě nebyl naměřen, viz obrázek Obr. 16. Výjimku tvoří rychlost 30 km/h, u které má hodnota RX Rate na téměř celé dráze konstantní velikost 120 Mb/s, pouze ve vzdálenosti 540 m došlo k zlepšení teoretické rychlosti přenosu v sestupném směru na 180 Mb/s. Nejlepší hodnota 300 Mb/s byla naměřena pro rychlosti 70 km/h, 90 km/h, 110 km/h a 120 km/h v těsné blízkosti vysílače. Obecně lze z tohoto grafu odvodit, že RX Rate s rostoucí vzdáleností od vysílače klesá. Závislost tohoto parametru na rychlosti přijímače není v grafu patrná. Tab. 11 - Tabulka naměřených hodnot pro přenosovou rychlost, se stahováním dat Rychlost stahování [KB/s] Rychlost [km/h] Vzdálenost [m]
30
50
70
90
110
120
0
6831,73
6566,74
4852,78
4320,07
4181,84
1678,91
90
6571,41
5783,89
4539,31
4094,56
1741,65
1489,79
180
6326,87
5597,43
4052,27
3762,67
1470,94
1141,7
270
6184,14
5352,56
3451,24
3422,24
1133,45
773,37
360
5934,36
5186,04
936,57
1508,43
667,42
577,4
450
5854,91
5111,16
737,79
1392,65
509,74
540
6131,27
5029,91
330,27
1188,5
233,69
Závislost rychlosti stahování na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače - s přenosem dat 8000
Rychlost stahování [KB/s]
7000 6000 30 km/h
5000
50 km/h
4000
70 km/h
3000
90 km/h 110 km/h
2000
120 km/h 1000 0 0
90
180
270
360
450
540
Vzdálenost od vysílače [m] Obr. 21 - Graf závislosti přenosové rychlosti na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat
61
Na obrázku Obr. 21 je vidět, že rychlost stahování závisí nejen na vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem, ale také na rychlosti přijímače. Při nejnižší rychlosti 30 km/h a v těsné vzdálenosti od vysílače byla zaznamenána nejvyšší přenosová rychlost 6831,73 KB/s. S rostoucí vzdáleností od vysílače a s rostoucí rychlostí přijímače dochází ke snižování tohoto parametru. Nejnižší přenosová rychlost 233,69 KB/s byla naměřena ve vzdálenosti 540 m pro rychlost 110 km/h. Z průběhu tohoto parametru na obrázku Obr. 21 je možné říci, že pro rychlost 120 km/h by ve vzdálenosti 540 m byla přenosová rychlost ještě nižší.
5.5 Diskuse Praktickým měřením byla ověřena funkčnost metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě. Na základě měření je možné říci, že navržená metodika je vhodná pro testování bezdrátových technologií. Pro komplexní výsledek je však vhodnější testovat jednotlivé technologie i pro vyšší rychlosti uživatele (přijímače) bezdrátové sítě a případně i na větší vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem. Na základě výsledků měření technologie IEEE 802.11a je možné říci, že je tato technologie vhodná pro použití v určitých telematických systémech. Omezujícím faktorem pro použití bezdrátových WiFi sítí může být požadovaná maximální rychlost uživatelů a předpokládaný dosah aplikace. Z měření je vidět, že hodnota některých parametrů je zejména ve větších vzdálenostech od vysílače závislá na rychlosti přijímače a s rostoucí vzdáleností klesá. Před nasazením této technologie je potřeba zvážit požadavky konkrétní telematické aplikace na parametry komunikačního řešení, zejména potom na rychlost odezvy a přenosovou rychlost. Jistá nevýhoda této technologie je, že pracuje v bezlicenčním pásmu, a proto může docházet v obydlených oblastech k rušení od ostatních bezdrátových sítí.
62
6 Závěr Tato práce pojednává o bezdrátových sítích a přináší přehled rádiových přenosových cest, zabývá se problematikou přidělování kmitočtových pásem a udělování licencí. Protože je spektrum radiových kmitočtů považováno za národní bohatství, je důležité regulovat jejich použití. Z tohoto důvodu ČTÚ definuje různé radiokomunikační služby a jejich rozložení do frekvenčního spektra. Dalším důležitým nástrojem pro regulaci je přidělování radiových kmitočtů jednotlivým subjektům na základě jejich žádosti a následné licenci pro užívání daného frekvenčního pásma. Další část pojednává o bezdrátových sítích z hlediska oblasti jejich využití a mobility klientů. Tato dvě kritéria mají při budování bezdrátové sítě vliv na použité technologie a výsledné vlastnosti takové sítě. Nejrozšířenějším standardem pro bezdrátové sítě je jistě technologie WiFi založená na standardu IEEE 802.11, která se využívá zejména pro připojení koncových uživatelů do sítí LAN, ale i pro kompletní bezdrátové sítě. Z popularity tohoto řešení plyne i jeho nevýhoda, a to zhoršení parametrů v hustě obydlených oblastech, ke kterému dochází z důvodu vzájemného rušení různých bezdrátových sítí. Další nevýhodou, která omezuje využití této technologie pro profesionální využití je absence podpory pro řízení kvality služeb QoS. Tento problém však řeší standard IEEE 802.11e, který umožňuje pomocí WiFi spolehlivě přenášet zvuk i obraz. Druhou často používanou technologií je WiMax standardu IEEE 802.16. Jedná se o robustní technologii, která je založena na podpoře QoS a nachází využití zejména v aplikacích, které vyžadují stálost parametrů komunikačního řešení. V práci nechybí ani popis dvou vybraných telematických aplikací, které využívají pro komunikaci mezi jednotlivými zařízeními právě bezdrátové technologie. V 3. kapitole je popsán elektronický výběr mýtného, který je v provozu i v České republice a pro přenos dat mezi mýtnou branou a vozidlem využívá mikrovlnnou technologie DSRC. Druhou popsanou aplikací je monitorování pohybu vozidel po letištní ploše Letiště Praha, která pro komunikaci mezi vozidly a serverem využívá technologii WiMax. Ta je zde použita právě kvůli vysokým nárokům na spolehlivost komunikačního řešení. U telematických aplikací je obecně důležité stanovit systémové parametry, které jsou vyžadovány pro správnou funkčnost dané aplikace. Od volby těchto performačních indikátorů se následně odvíjí použití komunikačního řešení i ostatních prvků telematického systému. Performační indikátory proto pomáhají klást nároky na telematické aplikace. 63
Hlavní částí bakalářské práce bylo vytvoření metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě. Jak už bylo napsáno výše, mobilita uživatelů ovlivňuje parametry bezdrátové sítě, a tak pro využití bezdrátových technologií v telematických aplikacích je nutné znát chování a změnu parametrů této technologie v závislosti na rychlosti uživatele. Proto byla vytvořena metodika pro stanovení takovéto závislosti a následně při praktickém měření došlo k jejímu ověření. Pro testování byla zvolena technologie WiFi standardu IEEE 802.11a, která pracuje na frekvenci 5 GHz. Vybrané parametry technologie byly při testování proměřeny pro různé rychlosti a na základě naměřených dat vznikly grafy, na kterých je možné sledovat průběh vybraných parametrů v závislosti na rychlosti uživatele. Před měřením jsem očekával, že s rostoucí rychlostí dojde ke zhoršení všech sledovaných parametrů. Po vyhodnocení měření mohu říci, že tento předpoklad byl správný a u této technologie dochází s nárůstem rychlosti uživatele ke zhoršení parametrů sítě. Změna všech parametrů není stejná. Nejvýraznější zhoršení bylo zaznamenáno pro přenosovou rychlost dat. Naopak velmi malá závislost na rychlosti uživatele se projevila u parametru síla signálu.
64
7 Seznam použitých zdrojů [1]
VODRÁŽKA, Jiří. Přenosové systémy v přístupové síti. 2. přepracované vydání. Praha: ČVUT, 2006. ISBN 80-01-03386-4.
[2]
RAIDA, Zbyněk. Šíření vln v reálném terénu [online]. [cit. 11.11.2012]. Dostupné z: http://www.urel.feec.vutbr.cz/~raida/beva/lecture/lect_10.pdf
[3]
Česká republika. Vyhláška o plánu přidělení kmitočtových pásem (národní kmitočtová tabulka). In: 038. 2010, č. 105, Částka 38. Dostupné z: http://www.ctu.cz/cs/download/kmitoctova_tabulka/vyhlaska_105-2010_sb03810.pdf
[4]
ČESKÝ TELEKOMUNIKAČNÍ ÚŘAD. Rozdělení kmitočtového spektra [online]. Praha [cit. 10.11.2012]. Dostupné z: http://www.lss.fd.cvut.cz/vyuka/tkms/soubor2
[5]
MIKULÁŠTÍK, Karel. Specifické charakteristiky šíření rádiových vln v pozemních kanálech [online]. [cit. 10.11.2012].. Dostupné z: http://radio.feld.cvut.cz/personal/mikulak/MK/MK05_semestralky/19Specifika_sire ni.pdf
[6]
ČESKÝ TELEKOMUNIKAČNÍ ÚŘAD. Informace o využívání rádiových kmitočtů: Přehled radiokomunikačních služeb [online]. [cit. 11.11.2012]. Dostupné z: http://www.ctu.cz/ctu-informuje/jak-postupovat/radiove-kmitocty/informace-ovyuzivani-radiovych-kmitoctu.html
[7]
ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY VUTBR. SMĚROVÉ A DRUŽICOVÉ SPOJE: PŘENOS DAT PROSTŘEDNICTVÍM SYSTÉMU VSAT [online]. Brno [cit. 12.11.2012]. Dostupné z: http://www.urel.feec.vutbr.cz/MSDS/downloads/SDS_lab_3.pdf
[8]
Tiskové zprávy: GiTy a.s. poskytuje satelitní pásmo pro Českou televizi. GITY A.S. GiTy, a.s. - www.gity.cz [online]. Praha, 12. prosince 2011 [cit. 2012-11-12]. Dostupné z: http://www.gity.cz/cs/art/888-tiskove-zpravy
[9]
ČESKÝ TELEKOMUNIKAČNÍ ÚŘAD. Podání žádosti o individuální oprávnění [online]. [cit. 23.11.2012]. Dostupné z: http://www.ctu.cz/ctu-informuje/jakpostupovat/radiove-kmitocty/podani-zadosti-o-individualni-opravneni.html
65
[10]
ČESKÝ TELEKOMUNIKAČNÍ ÚŘAD. Využívání vymezených rádiových kmitočtů [online]. [cit. 23.11.2012]. Dostupné z: http://www.ctu.cz/ctuinformuje/jak-postupovat/radiove-kmitocty/vyuzivani-vymezenych-radiovychkmitoctu.html
[11]
FD ČVUT. TELEKOMUNIKACE: Přístupové sítě. Praha, 2009. Dostupné z: http://e-ident.telematix.cz/vyuka/10_Telekomunikace_prednaska.pdf
[12]
ZELINKA, Tomáš a Miroslav SVÍTEK. Telekomunikační řešení pro informační systémy síťových odvětví. 1. vyd. Praha: Grada, 2009, 218 s. ISBN 978-80-2473232-9.
[13]
IEEE 802.11n Standard. In: Radio-Electronics.com [online]. [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wi-fi/ieee-802-11n.php
[14]
HRÁČEK, Jiří. IEEE 802.11n: Zrychlete a rozšiřte svou bezdrátovou síť. In: Intelek [online]. 2009 [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://www.intelek.cz/art_doc5C56A0147621A13AC12575510053AE3E.html
[15]
MARTIN, Šrotýř. NOVÉ STANDARDY ŘADY WIFI (IEEE 802.11E, P, R …) A JEJICH INTEGRACE DO SYSTÉMŮ NA BÁZI CALM. Praha, 2009. Dostupné z: http://zefram.klfree.net/cvut/diplomka_028..pdf. Diplomová práce. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta dopravní.
[16]
TRČÁLEK, Antonín a Dušan KOS. Nový standard Wi-Fi: Gigabit vzduchem. In: Živě.cz [online]. 2012 [cit. 2013-05-19]. Dostupné z: http://www.zive.cz/clanky/novy-standard-wi-fi-gigabit-vzduchem/sc-3-a165687/default.aspx
[17]
PŘIDALOVÁ, Markéta. WiMAX pro ČRa dodává a technicky zabezpečuje INTELEK. In: Intelek [online]. 2009 [cit. 2013-05-19]. Dostupné z: http://www.intelek.cz/art_doc3EA25DF0ACE763E9C12576460036AA76.html?lotus=1&highlight=wimax
[18]
IEEE 802.16 WiMAX standards. In: Radio-Electronics.com [online]. [cit. 2013-0519]. Dostupné z: http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wimax/ieee-80216-standards.php
66
[19]
WiMAX Frequencies and Spectrum Allocations. In: Radio-Electronics.com [online]. [cit. 2013-05-19]. Dostupné z: http://www.radioelectronics.com/info/wireless/wimax/frequencies-spectrum.php
[20]
PUŽMANOVÁ, Rita. Připravované zrychlení WiMAX: IEEE 802.16m. In: Intelek [online]. 2008 [cit. 2013-05-19]. Dostupné z: http://www.intelek.cz/art_doc0E713928A3772042C125740F006219D0.html?lotus=1&highlight=802.16m
[21]
Elektronické mýto. DOPRAVNÍINFO.CZ [online]. [cit. 2013-05-20]. Dostupné z: http://www.dopravniinfo.cz/elektronicke-myto
[22]
ČERNÝ, Karel. Elektronický mýtný systém v ČR [online]. 2007[cit. 2013-05-20]. Dostupné z: http://si.vse.cz/archive/presentations/2007/elektronicky-mytny-systemv-cr.pdf
[23]
Informace k vydání palubních jednotek pro požární automobily nad 3,5 t. In: Hasičský záchranný sbor Středočeského kraje [online]. 2008 [cit. 2013-05-20]. Dostupné z: http://www.hzskladno.cz/archiv.php?det=452
[24]
PŘIBYL, Pavel a Radim MACH. Řídicí systémy silniční dopravy. Vyd. 1. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003, 212 s. ISBN 80-010-2811-9.
[25]
Elektronický výběr poplatků. Automa: časopis pro automatizační techniku [online]. Praha: FCC Public, 2003, č. 12 [cit. 2013-05-20]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=29025
[26]
GOOGLE INC. Mapy Google. Dostupné z: https://maps.google.cz/maps?q=leti%C5%A1t%C4%9B&hl=cs&ie=UTF8&ll=49.4 3272,13.798056&spn=0.015155,0.042272&fb=1&gl=cz&hq=leti%C5%A1t%C4% 9B&hnear=Plze%C5%88&t=h&z=15&brcurrent=5,0,0
[27]
Ubiquiti: NanoStation M5 Loco AirMAX MIMO. I4WIFI A.S. [online]. [cit. 201211-25]. Dostupné z: http://www.i4wifi.cz/nanostation-m5-loco-airmax-mimooutdoor-5-ghz-vc-2x-13-dbi-anteny_d1550.html
[28]
AirOS V. UBiQUiTi NETWORKS [online]. [cit. 2013-05-24]. Dostupné z: http://www.ubnt.com/airos
[29]
Magneto Software: Megaping. Magneto Software [online]. [cit. 2013-05-24]. Dostupné z: http://www.magnetosoft.com/product/megaping/features
67
[30]
Internet Download Accelerator 5.15.2. WestByte: software development [online]. [cit. 2013-05-24]. Dostupné z: http://westbyte.com/ida/
[31]
The Apache HTTP Server Project [online]. [cit. 2013-05-24]. Dostupné z: http://httpd.apache.org/
68
Přílohy Příloha A - nastavení NanoStation v režimu „Access Point“
69
Příloha B - nastavení NanoStation v režimu „Station“
70
Příloha C – obsah přiloženého CD K této práci je přiloženo CD, na kterém je umístěna bakalářská práce ve formátu PDF.
BP_Cech_Lukas.pdf
Text bakalářské práce v elektronické podobě
71
