Univerzita Hradec Králové Přírodovědecká fakulta Katedra fyziky
Určování kvality signálu mobilního operátora
Bakalářská práce
Autor:
Ondřej Repiský
Studijní program:
B1701, Fyzika
Studijní obor:
Fyzikálně-technická měření a výpočetní technika
Vedoucí práce:
doc. RNDr. Jan Kříž, Ph.D.
Hradec Králové
srpen 2016
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Určování kvality signálu mobilního operátora“ vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce doc. RNDr. Jana Kříže, Ph.D. a uvedl jsem všechny použité zdroje a literaturu.
V Hradci Králové dne 10. srpna 2016
Ondřej Repiský
Poděkování Touto cestou chci poděkovat vedoucímu práce doc. RNDr. Janu Křížovi, Ph.D. za připomínky a cenné rady, které mi při zpracování bakalářské práce poskytl. Dále pak děkuji své rodině za podporu, kterou mi během studia projevovala a kolegovi Ing. Martinu Kráčalovi ze společnosti T-Mobile Czech Republic a.s. za poskytnutou pomoc.
Anotace REPISKÝ, Ondřej. Určování kvality signálu mobilního operátora. Hradec Králové: Přírodovědecká fakulta Univerzity Hradec Králové, 2016. Bakalářská práce. Předmětem této bakalářské práce je popis technologií, které se používaly a používají v mobilních sítích. Je zde popsán dohled nad kvalitou signálu ze strany poskytovatele mobilního signálu a způsoby měření veličin souvisejících s kvalitou signálu mobilního operátora uvnitř budov i na volném prostranství. Jsou zde také uvedeny návrhy opatření pro krátkodobé i dlouhodobé posílení kvality signálu. Experimentální část práce obsahuje konkrétní naměřená data, která jsou zpracována a okomentována.
Klíčová slova: GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA, LTE, mobilní technologie, struktura sítě, měření kvality mobilního signálu, měřící metody, dohledové centrum
Annotation REPISKÝ, Ondřej. Assessment of Signal Quality of Mobile Phone Operator. Hradec Králové: Faculty of Science, University of Hradec Králové, 2016. Bachelor Thesis This Bachelor Thesis deals with the description of the technologies which used to be and are used in mobile telephone networks. The supervision over the signal quality done by its provider is depicted here. It is also mentioned how to measure quantities connected with the mobile operator´s signal strength both inside edifices and in the open space. Last but not the least, some proposals how to improve the short-term as well as long-term strengthening of mobile signal quality is included. In the experimental part of the thesis the concrete measured data are analysed and discussed.
Keywords GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA, LTE, mobile technology, network structure, mobile signal quality measurement, measurement methods, Service Monitoring Centres
OBSAH Úvod…………………………………………………………………………………………..………..…………… 8 1. Technologie v mobilních sítích ……..……………………………………………….…….………... 9 1.1 GSM systém…………………………………………………………….…………................... 9 1.1.1 Princip GSM sítě………………………………………………..………. 9 1.1.2 Struktura GSM sítě…………………………………………………... 10 1.2 GPRS služba………………………………………………………………………………..... 13 1.2.1 Struktura GPRS sítě……………………………………..…………... 13 1.2.2 Třídy GPRS………………………………………………….………….. 15 1.2.3 Přenosové rychlosti…………..…………………………..……….... 15 1.3 EDGE technologie………………………………………………………..…….................. 17 1.3.1. Technologie EDGE sítě……………………………..……………... 17 1.3.2. EGPRS……………………………………………….……..…………….. 18 1.4 UMTS systém………………………………………………………..……..……………….. 18 1.4.1 Struktura UMTS sítě……………………………….……………….. 19 1.5 HSDPA technologie……………………………………………..……………………….... 20 1.5.1 Struktura HSDPA sítě……………………………….……………… 20 1.6 LTE technologie……………………………………………………….………………….... 21 1.6.1 VoLTE…………………………………………………………..……….... 22 2. Měření kvality signálu sítě…………………………………………………………………………... 23 2.1. Způsoby měření kvality mobilní sítě……………………………………………... 23 2.1.1 Trasování hovorů……………………………………………………. 24 2.1.2 Dohledové centrum - rádiová část sítě…………………….... 24 2.1.3 Dohledové centrum – přenosové technologie…………… 25 2.1.4 Měření v terénu – měřicí vozidla…………………………….... 25 2.1.5 Měření v terénu - měření v mobilním telefonu………….. 26 2.1.6 Měření v terénu - měření v notebooku……………………... 26 3. Metody pro zlepšení kvality sítě………………………………………………………………….. 27 3.1 Dlouhodobé posílení kvality signálu…………………………………………….... 27 3.2 Krátkodobé posílení kvality signálu………………………………………….……. 28 4. Vlastní měření ……….……………………………………………………………………………….….. 30 4.1 Průběh měření………………………………………………………………….………...... 30 4.2 Naměřené hodnoty……………………………………………………………………...... 32 4.3 Vyhodnocení naměřených hodnot ……………………………………………….... 48
Závěr…………………………………………………………………...……………………………….…........... 50 Seznam použité literatury……………………………………………………………………………….. 51 Seznam ilustrací……………….…………………………………………………………………………...... 52 Seznam tabulek a grafů…..……………………………………………………………………………..… 53
ÚVOD S rozvojem mobilních telefonů a všeobecně služeb, které současné mobilní sítě a technologie přinášejí svým uživatelům, roste i nárok na kvalitu vlastní mobilní sítě. Komunikace v mobilní síti neznamená jen samotné telefonování a zasílání krátkých textových (SMS) či multimediálních (MMS) zpráv, ale také využívání datových přenosů. Dnes je již zcela běžné, že uživatelé tzv. chytrých telefonů používají svůj telefon k přístupu na internetové stránky, posílání e-mailů a využívají různé aplikace (jízdní řády, internet banking, zprávy o počasí apod.). Z tohoto důvodu je potřeba, aby mobilní síť byla pro uživatele (zákazníky) vždy dostupná a pokud možno použitelná na jakémkoliv místě. To si uvědomují i samotní poskytovatelé mobilních sítí (mobilní operátoři), a proto se o dostupnost a funkčnost své mobilní sítě náležitě starají. Starají se nejenom o to, aby byla síť dostupná a v případě technologického výpadku co nejdříve znovu provozuschopná, ale přinášejí také zákazníkům nové technologie, které znamenají např. zlepšení přenosu hlasového signálu nebo zrychlení datových přenosů. Cílem této bakalářské práce je popsat technologie, které se v mobilních sítích používaly a aktuálně používají. Dále pak uvést, jak probíhá kontrola kvality mobilního signálu u jednoho z českých mobilních operátorů. Součástí práce je také provedení vlastního měření vybraných parametrů mobilní sítě.
8
1. TECHNOLOGIE V MOBILNÍCH SÍTÍCH V této části své práce krátce popíši technologie, které se používaly a používají v současných mobilních sítích. Vynechám tedy tzv. první mobilní sítě, které byly analogové. Těmto sítím se říkalo mobilní sítě první generace. Současné digitální sítě se označují jako druhé, třetí a čtvrté generace mobilních sítí.
1.1 GSM systém GSM je zkratka pro Global System for Mobile Communication a jedná se vlastně o jakýsi základ mobilních sítí druhé generace. V současné době se pomocí této sítě uskutečňují již jen hlasové služby, ale v minulosti pomocí této sítě docházelo také k datovým přenosům. Vzhledem k rychlosti, kterou tato síť pro datové přenosy nabízela, tj. 9,6 kbit/s pro stahování i pro odesílání dat, se jednalo o velice pomalé datové připojení. [1][2]
1.1.1 Princip GSM sítě GSM síť funguje na základě rozdělení oblasti, kterou mobilní signál pokrývá, do jednotlivých buněk. Každá buňka má přidělený určitý kanál z vysílaného frekvenčního pásma. Buňky jsou sloučeny do svazku, ve kterém je nutnou podmínkou potlačení interference ve svazku, což znamená, že se v rámci jednoho svazku nesmí opakovat frekvence jednotlivých buněk, aby nedocházelo k rušení vysílaného signálu. Frekvence je však možné opakovat v dalším svazku. Jednotlivým skládáním svazků pak dochází k pokrytí dané oblasti. [3]
Obrázek 1: Složení buněk v GSM svazku
9
Zdroj:[3]
U frekvenčního GSM pásma 900 MHz je pro jednosměrnou komunikaci směrem od mobilního telefonu k základové stanici BTS (tzv. Uplink) použit rozsah 890 MHz – 915 MHz a pro komunikaci od základové stanice směrem k mobilnímu telefonu (tzv. Downlink) pak rozsah 935 MHz – 960 MHz. V obou případech, kdy je rozsah pouze 25 MHz mezi okrajovými frekvencemi, je možné vytvořit pouze 125 kanálů, které od sebe mají rozestup po frekvenci 200 kHz. Z toho je ještě tzv. nultý oddělovací kanál (nepoužívá se pro přenos hovorů), k dispozici je tedy pouze 124 obousměrných kanálů. Pro GSM pásmo 1 800 MHz jsou pak použity frekvenční rozsahy 1 710 MHz – 1 785 MHz pro Uplink a 1 805 MHz – 1 880 MHz pro Downlink. V tomto rozsahu se pak jedná o celkem 374 možných kanálů. Pomocí metody TDMA (Time Division Multiple Access) je na každém kanálu vytvořeno 8 časových slotů, kdy každý slot představuje jeden uživatelský kanál. Pro systém GSM 900 MHz je pak tedy k dispozici dohromady 992 komunikačních kanálů (124 kanálů x 8 slotů) a pro GSM 1 800 MHz pak 2 992 komunikačních kanálů (374 kanálů x 8 slotů). Použití buňkového systému umožňuje znovupoužití stejných frekvenčních kanálů v různých buňkách, aniž by docházelo k vzájemným interferencím. [2][3]
1.1.2 Struktura GSM sítě Struktura GSM sítě je složena ze tří hlavních subsystémů, kterými jsou:
Subsystém základových stanic (BSS – Base Station Susbsystem), Síťový a spínací subsystém (NSS – Network and Switching Subsystem), Operační a podpůrný subsystém (OSS – Operation and Support Subsystem).
Schematicky znázorňuje složení systémů obrázek 2.
10
Obrázek 2: Struktura GSM sítě
Zdroj:[3]
Subsystém základových stanic (BSS) se skládá z určitého počtu základových stanic (BTS – Base Transceiver Station) a základových řídících jednotek (BSC – Base Station Controller). S tímto subsystémem přímo komunikují mobilní stanice (telefony) a to prostřednictvím rádiového rozhraní Um, které se také nazývá Air interface. BTS umožňuje vlastní propojení mobilní stanice (telefonu) se subsystémem NSS ve formě rádiového spoje přes rozhraní Abis. BSC je „nadřazená“ jednotka BTS a řídí dynamické přidělování kanálů a také částečně plní funkci přepojovací. Jedna jednotka BSC může obsluhovat svazek, ve kterém je až 9 buněk. V každé buňce je umístěna minimálně jedna základová stanice (BTS), ale může jich být i více. Síťový a spínací subsystém (NSS) je systém, který lze přirovnat k ústředně. Hlavním úkolem tohoto subsystému je řízení komunikace mezi uživateli mobilních zařízení a ostatními účastníky, resp. ostatními součástí sítě. Systém NSS je na jedné straně připojen k subsystému BSS a na straně druhé k dalším dostupným součástem mobilní i externí sítě. Ačkoliv hlavní funkcí systému NSS je funkce spojovací, jeho součásti obsahují databáze všech účastníků přihlášených do mobilní sítě a sleduje tak i jejich pohyb.
11
NSS se skládá z těchto částí:
mobilní spínací ústředna (MSC – Mobile Switching Centre), domovský lokalizační registr (HLR – Home Location Register), návštěvnický lokalizační registr (VLR – Visitor Location Register), registr mobilních stanic (EIR – Equipment Identity Register), centrum autentičnosti (AuC – Authentication Centre).
MSC lze popsat jako jednoduchou ústřednu, která sestavuje spojení z mobilní sítě do mobilní sítě, ale také do ostatních sítí. Kontroluje také přidělování kanálů, vede evidenci uživatelů a provádí účtování hovorů. V HLR jsou uchovány informace o všech registrovaných účastnících sítě, plní tak funkci hlavní databáze sítě. Jsou zde uložena všechna důležitá identifikační čísla, jako např. telefonní čísla účastníků (MSISDN), identifikační čísla SIM (IMSI) a také informace o lokalitě účastníka, tedy v jakém VLR se aktuálně uživatel nachází. HLR má každý mobilní operátor většinou několik, ale každý uživatel je vždy registrován jen v jednom HLR. VLR dočasně uchovává aktuální informace o všech účastnících, kteří jsou přihlášeni v mobilní síti v oblasti dané MSC. Může se jednat jak o uživatele domácí sítě, tak o účastníky z cizích sítí (cizince), využívající službu roaming. Jedná se o podobný registr, jako je HLR. Po přihlášení účastníka do daného VLR si ten k danému účastníkovi stáhne všechny potřebné podrobné informace z HLR, ale jakmile daný účastník opustí lokalitu, kterou VLR obsluhuje, data se z VLR smažou. To je rozdíl oproti HLR, kde jsou data uživatelů uložena nastálo. Registr mobilních stanic EIR obsahuje identifikační čísla mobilních telefonů, tzv. IMEI. Jedná se o jedinečná čísla, kdy každý mobilní telefon má své vlastní IMEI. EIR monitoruje čísla přihlášených mobilních telefonů. Pomocí tohoto registru je možné, pokud je IMEI mobilního telefonu nahlášené jako kradené, tento telefon zablokovat. Telefon se poté nepřihlásí do mobilní sítě a není možné ho používat pro komunikaci v síti. Centrum autentičnosti (AuC) má na starost ověřování účastníků. Tato chráněná databáze obsahuje klíče pro ověřování totožnosti účastníků v mobilní síti a dále se stará pomocí šifrovacího klíče o šifrování signálu každého přihlášeného účastníka. Operační a podpůrný systém (OSS) je část systému GSM, která se stará o provoz a údržbu celého GSM systému a také zajišťuje aktivity spojené s tarifikací účastníků, evidenci plateb apod. Skládá se ze tří hlavních částí:
12
provozní a servisní centrum (OMC – Operations and Maintenace Centre) – řídí chod ostatních subsystémů, jako jsou NSS, BSS a také je odpovědné za údržbu a ovládání BTS, BSC a MSC, centrum řízení sítě (NMC – Network Management centre) – monitoruje mobilní stanice a podílí se na jejich správě. Zajišťuje celkové řízení informací v síti, administrativní centrum (ADC – Administrative Centre) – má na starost správu účastníků GSM sítě, tedy jejich tarifikaci, aktivaci, evidenci plateb apod.
1.2 GPRS služba V případě GPRS můžeme mluvit o rozšíření GSM standardu o rychlejší datové přenosy. Zkratka GPRS značí General Packet Radio Service a jedná se o čistě datovou část sítě. Do standardu GSM přináší rychlejší datové přenosy, které byly na začátku této technologie teoreticky 85,2 kbit/s pro stahování dat a 42,6 kbit/s pro odesílání dat. Oproti rychlosti datových přenosů v GSM síti se jedná o výrazné navýšení rychlosti datových přenosů, nicméně vzhledem k velikostem souborů a dat, které se v aktuálních mobilních sítích přenášejí, jsou již tyto rychlosti velice pomalé a nedostatečné. V dnešní době již mobilní operátoři technologii GPRS pomalu opouštění a nahrazují tuto starou technologii novějšími, které jsou výrazně rychlejší. Tato technologie je označována jako sít 2,5 generace. [1][2]
1.2.1 Struktura GPRS sítě Aby mohlo dojít k integraci GPRS technologie do GSM sítě, muselo dojít k úpravě stávající GSM sítě. Ta totiž nebyla na podobný zásah z technologického hlediska připravena. Standardní GSM síť používala pro datové přenosy technologii založenou na tzv. spínání okruhů. Této technologii se také říkalo CSD (Circuit Switch Data), nebo také vytáčené připojení. Princip byl takový, že se před samotným datovým přenosem vytvářelo spojení podobně, jako když se spojoval klasický telefonní hovor v GSM síti, docházelo tedy k vytáčení speciálního telefonního čísla pro datové přenosy. Tento způsob datového přenosu se již aktuálně několik let nepoužívá. Integrace GPRS do sítě GSM přinesla další důležité součásti. Jedná se o SGSN (Serving GPRS Support Node), GGSN (Gateway GPRS Support Node), BG (Border Gateway), CG (Charging Gateway) a LIG (Legal Interception Gateway).
13
SGSN má podobnou funkci jako MSC v GSM síti. Místo hlasu však přepíná datové pakety, dále pak provádí směrování paketů a obsluhuje všechny přihlášené uživatele v síti, kteří jsou v jejím dosahu. Provádí pak také šifrování, autentizaci a kontrolu čísla IMEI přihlášených mobilních zařízení, řídí logické kanály směrem k mobilním zařízením uživatelů a spojuje HLR a MSC. GGSN vytváří rozhraní mezi sítí GPRS a ostatními sítěmi pomocí protokolů IP a X.25. Má také za úkol směrovat pakety na správné místo v SGSN, funkce mobility managementu, firewall a konverze protokolů mezi GPRS a vnějšími sítěmi. GGSN a SGSN navzájem komunikují přes GTP rozhraní (GPRS Tunelling Protocol), které využívá transportní protokoly UDP a TCP. BG jednotka tvoří bránu pro GPRS a jiné operátory, kteří umožňují funkci roamingu. Jednotka CG uchovává a vyhodnocuje zúčtovací data od SGSN a GGSN jednotek. Po celkovém zpracování následně přeposílá data do účtovacího systému GSM sítě. Jednotka LIG (Legal Interception Gateway) je odposlechovou jednotkou (její přítomnost v GPRS síti je v některých státech povinná!). Struktura sítě GPRS integrované do GSM sítě je na obrázku 3. Obrázek neobsahuje části GPRS sítě BG, CG a LIG.
Obrázek 3: Struktura GSM sítě s integrovanou GPRS sítí
14
Zdroj:[4]
1.2.2 Třídy GPRS Mobilní zařízení, které technologie GPRS podporují, se rozdělují do tří tříd podle toho, jak jsou schopné tuto technologii používat. To je důležité pro pochopení toho, jak mobilní telefon s touto technologií pracuje a využívá ji.
Class A – tato třída umožňuje v jednu chvíli použít funkci hlasového provozu i datového provozu přes GPRS. Aby bylo možné tuto třídu použít, musí ji podporovat nejenom mobilní zařízení, ale také síť operátora. Class B – umožňuje v jednu chvíli používat buď jen hovorový provoz, nebo datový provoz. Při zapnutém GPRS je umožněno přijmout hlasový hovor, ale dojde k přerušení datového provozu. Ten se opět naváže po ukončení hovoru. Class C – tato třída umožňuje pouze datový přenos, ze zařízení, které podporuje tuto GPRS třídu, není možné uskutečňovat hovory. Nejčastější použití této třídy u GPRS zařízení bylo u datových karet do PCMCIA slotu v noteboocích (dnes již víceméně nepoužívané).
Obrázek 4: GPRS/EDGE datová karta Sony Ericsson GC85 do PCMCIA slotu
1.2.3 Přenosové rychlosti Rychlost přenosu dat v GPRS síti je závislá na možnostech mobilních zařízení a na kódovacích schématech. Mobilní zařízení se rozdělují dle toho, kolika tzv. timesloty (TS) jsou vybaveny a kolik jich umí použít pro stahování dat (downlink), kolik pro odesílání dat (uplink) a kolik timeslotů umí použít současně. Možnosti použití timeslotů pak mají vliv na
15
rychlost stahování a odesílání dat. Dle možnosti použití timeslotů (TS) se mobilní zařízení dělí do několika tříd. Tyto třídy jsou uvedeny v tabulce 1. třída 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 32
downlink TS uplink TS současně TS 1 1 2 2 1 3 2 2 3 3 1 4 2 2 4 3 2 4 3 3 4 4 1 5 3 2 5 4 2 5 4 3 5 4 4 5 5 3 6
Tabulka 1: Přehled tříd mobilních zařízení dle využití timeslotů
Další vlastností, která má vliv na rychlost stahování a odesílání dat v GPRS síti, je kódovací schéma. Ta jsou v GPRS síti celkem čtyři. Výběr kódovacího schématu pro přenos dat závisí na poměru kvality signálu a šumu tak, aby byl přenos dat co nejkvalitnější. Mobilní zařízení musí vždy podporovat všechna čtyři kódovací schémata, kdežto síť mobilního operátora nikoliv. Přehled kódovacích schémat a jejich rychlostí je uveden v tabulce 2.
kódovací schéma CS - 1 CS - 2 CS - 3 CS - 4
rychlost přenosu dat [kbit/s] 9,05 13,4 15,6 21,4
Tabulka 2: Kódovací schémata GPRS a jejich rychlosti
I při použití nejvyšší třídy 32 mobilního zařízení a nejvyššího kódovacího schématu CS – 4 jsou dosahované rychlosti přenosu dat v síti GPRS zlomkem toho, jakých rychlostí se v dnešní době při přenosu dat v mobilních sítích dosahuje. 16
V porovnání s přenosem dat v GSM síti za použití vytáčeného spojení se však jednalo o výrazné navýšení přenosové rychlosti.
1.3 EDGE technologie Jednoduše se dá říci, že technologie EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution je jen nástavbou GSM/GPRS technologie, která opět nabízí vyšší přenosové rychlosti. Ty jsou teoreticky až 384 kbit/s pro stahování dat a 119,3 kbit/s pro odesílání dat. V praxi jsou však dosahované rychlosti nižší, cca 50% 75% maximální rychlosti. EDGE je označována jako síť 2,75 generace, což má označovat skutečnost, že je rychlejší než GPRS. Také EDGE je již v dnešní době, společně s technologií GPRS, na ústupu. Pokud mluvíme o technologii EDGE, mluvíme o významném předchůdci technologie UMTS (viz kapitola 1.4). Výhodou EDGE oproti UMTS je však daleko lepší pokrytí, kterého je dosaženo tím, že využívá frekvencí pro GSM sítě. Na druhou stranu, EDGE je opravdu jen nadstavbou GSM/GPRS sítě pro přenos dat, kdežto UMTS je i platforma pro mobilní telefony. [2][5] Na rozdíl od GPRS není technologie EDGE nainstalována na každé BTS.
1.3.1 Technologie EDGE sítě Technologie EDGE používá modulaci GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), se kterou mimo jiné pracuje i systém GSM/GPRS, ale zavádí i výrazně pokročilejší modulaci 8PSK. To je jedním z aspektů, který zvyšuje přenosovou rychlost přenášených dat v síti EDGE. Zvýšení rychlosti se obecně připisuje kombinaci nových režimů kódování a modulace. Důležité jsou však také daleko lepší vlastnosti přizpůsobení kódování k proměnlivé kvalitě signálu. Rozšíření sítě o EDGE zahrnuje dvě části, které navazují na předchozí technologie a jsou označeny jako ECSD (Enhanced CSD) a (EGPRS (Enhanced GPRS). Ve většině případů, pokud se hovoří o EDGE technologii, jedná se o EGPRS, které je zastoupeno ve většině mobilních sítí. ECSD je naproti tomu bráno jako okrajová záležitost a zájem ze strany mobilních operátorů byl o tuto technologii nízký, z tohoto důvodu zde není ECSD podrobněji rozpracováno.
17
1.3.2 EGPRS Jedná se o zdokonalení přenosu paketových dat, jenž vychází ze systému GPRS. Vyšší kódovací schémata zajišťují přenos takového množství dat, které pomocí modulace GMSK není možné. Devět rozdílných modulačních a kódových schémat umožňuje vyšší přenosové rychlosti na jeden timeslot. Při porovnání GPRS a EGPRS vychází přenosové rychlosti lépe u technologie EGPRS. Při stejné konfiguraci mobilního telefonu 4 + 1 timeslot přenáší GPRS data rychlostí 85,6 kbit/s při použití kódovacího schéma CS-4 pro stahování dat a EGPRS rychlostí 236,8 kbit/s pro stahování dat při použití kódového schématu MCS-9. Přehled rychlostí EGPRS dle použitého kódového schématu je uveden v tabulce 3. [2] Kódové schéma MCS - 1 MCS - 2 MCS - 3 MCS - 4 MCS - 5 MCS - 6 MCS - 7 MCS - 8 MCS - 9
rychlost kbit/s 8,8 11,2 14,8 17,6 22,4 29,6 44,8 54,4 59,2
Modulace GMSK GMSK GMSK GMSK 8PSK 8PSK 8PSK 8PSK 8PSK
Tabulka 3: Kódovací schémata EGPRS a jejich rychlosti
1.4 UMTS systém Technologie UMTS (Univerzal Mobile Telecommunication System) je telekomunikační systém třetí generace (3G) pro mobilní sítě a mluvíme o něm jako o nástupci starších GSM sítí druhé generace. Síť UMTS používá pro komunikaci dvě různé metody, a to TDD a FDD. Rozdíl v uvedených metodách je ten, že metoda FDD používá při komunikaci mezi základnovou stanicí (BTS) a mobilním telefonem při stahování a odesílání dat různé frekvence. Naopak TDD metoda používá pro stahování i odesílání dat jednu frekvenci, ale přenos se střídá na základě různých time slotů. [1][2][6]
18
1.4.1 Struktura UMTS sítě Síť UMTS je oproti starší GSM síti tvořena jádrem sítě (CN – Core Network), které má na starost ústřednovou část sítě a dále pak rádiovou částí (UTRAN – Universal Terrestian Radio Access Network). Komunikaci mezi mobilním zařízením uživatele a jádrem sítě zajišťuje GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network). Pro systém UMTS jsou vytvořeny dva koncepty GERANu, kterými jsou UTRAN a USRAN. Koncept USRAN (UMTS Satelite EAN), kde přenos probíhá skrz komunikační satelit, však není příliš využíván. Koncept UTRAN zajišťuje přístup k jádru sítě pomocí rádiové pozemní sítě. UTRAN je tvořen ze základových stanic označovaných jako Node B (v GSM síti toto zajišťuje BTS) a ovladače rádiové sítě RNC (Radio Network Controller), což v GSM síti zajišťují BSC. Jak již bylo výše uvedeno, součástí UMTS je jádro sítě. To se dá nazvat jako určitý soubor služeb, které jsou sítí UMTS a jejím rozhraním poskytovány přihlášeným uživatelům. Jedná se o např. telefonování do jiných sítí nebo připojení k síti Internet. Jádro sítě se dělí na domény, které závisí na způsobu, jakým budou zákazníkům služby poskytovány. Patří do nich tři základní domény, kterými jsou přepojování okruhů (CS), přepojování paketů a IP multimédia systém (IMS doména). Mimo těchto tří základních domén patří k jádru sítě i komponenty, které umožňující přepojování do jiných sítí, službu roaming, autorizaci účastníků, účtování poplatků apod. Stejně jako u sítí GSM najdeme u UMTS sítí také různá rozhraní, která propojují jednotlivé části sítě. Rozhraní mezi uživatelskou stanicí (UE, MS) a UTRAN je Uu (v GSM je to Um) a rozhraní mezi UTRAN a jádrem sítě je Iu. Rozhraní Iu závisí na rozdělení jádra, které může být buď paketově spínané, nebo okruhově spínané. Pokud je jádro sítě paketově spínané, jedná se o rozhraní IuPS (Packet Switched), pokud je jádro sítě spínané okruhově, jedná se o IuCS (Circuit Switched).
19
Obrázek 5: Struktura UMTS sítě
Zdroj:[2]
1.5 HSDPA technologie HSDPA - High-Speed Downlink Packet Access je protokol mobilní telefonie označovaný také jako technologie 3,5G – tří a půltá generace a do technologie UMTS přináší vyšší přenosové rychlosti. Jedná se v podstatě o vylepšení dosavadních možností UMTS technologie. HSDPA je dostupné jak pro UMTS FDD tak pro UMTS TDD. Tato technologie podstatně zvyšuje přenosovou rychlost pro stahování dat, tedy downlink. Zatím co standardní rychlost v UMTS síti pro stahování dat je 384 kbit/s, u HSDPA je teoretická rychlost pro uživatele v závislosti na jeho mobilním zařízení pro stahování dat 1,4 až 3,6 Mbit/s. [1][7]
1.5.1 Struktura HSDPA sítě HSDPA je založeno na několika inovacích v architektuře UMTS sítě, díky nimž se dosahuje nižšího zpoždění, rychlejších reakcí na změnu kvality kanálu a zpracování H-ARQ, tedy Hybrid Automatic Repeat Request, hybridního automatického požadavku na opakování přenosu. Další změny jsou provedeny přímo na radiové části sítě a základnových částech stanic (Node B). Největší změnou, která přispívá ke zrychlení v přenosu dat a odstranění zpoždění a rozptylu, je přesunutí některých úkolů ze samotného RNC (ovladače rádiové sítě - Radio Network Controller) na Node B. Jednoduše to v praxi 20
znamená, že data urazí kratší trasu před tím, než se dekódují a dojde ke zjištění, že s nimi není něco v pořádku a že je potřeba odeslat je znovu. Snižují se tím nároky na dobu jejich přenosu, ale i na RNC, naopak je potřeba výkonnější hardware Node B.
1.6 LTE technologie Technologie LTE (Long Term Evolution) je technologii mobilního internetu, která přináší výrazně vyšší rychlost a kapacitu. Tato technologie navazuje na 3G síť (dříve zmíněná UMTS) a přináší vylepšení hned v několika oblastech. V dnešní době se jedná o nejrychlejší mobilní síť pro přenos dat. Uvádět maximální přenosové rychlosti u této technologie není zcela jednoduché z důvodu, že LTE může fungovat na několika frekvenčních pásmech (2 100 MHz, 1 800 MHz a 800 MHz a v budoucnu také 2 600 MHz). Teoreticky při spojení všech frekvenčních pásem se lze dostat až na hranici 375 Mbit/s pro stahování dat a 50 Mbit/s pro odesílání dat. [8] Výhodou LTE sítě je také několikanásobně nižší latence (zpoždění), které je v rozsahu 20 – 30 ms (např. EDGE má latenci 800 ms, UMTS síť má pak latenci 50 – 80 ms). Tato technologie přináší také lepší pokrytí venkovských oblastí a budov na frekvenčním pásmu 800 MHz. Přehled možných rychlostí v LTE síti dle použitého frekvenčního pásma pro stahování a odesílání dat je uveden v tabulce 4. [9]
frekvence šířka pásma rychlost 800 MHz 10 MHz až 75/25 Mbit/s 1 800 MHz 2 600 MHz až 20 MHz až 150/50 Mbit/s 2 100 MHz 10 MHz až 75/25 Mbit/s 800 + 1 800 MHz 10 + 20 MHz až 225/50 Mbit/s 800 + 1 800 + 2 100 MHz 10 + 20 + 20 MHz až 375/50 Mbit/s Tabulka 4: Přehled teoretických rychlostí v LTE síti
Formálně technologie LTE patří do standardu sítí 3G, její nástupce, kterým je LTE – Advanced, však je již zařazeno do sítí čtvrté generace (4G). 21
1.6.1 VoLTE VoLTE (Voice over LTE) je nová technologie, kterou síť LTE přináší svým uživatelům. Tato technologie se využívá pro přenos hlasových služeb. Pro uživatele má VoLTE řadu výhod – rychlejší spojení hovoru oproti GSM síti, vysokou kvalitu přenosu hlasu s potlačením ruchů z okolního prostředí, možnost současně využívat hlasové i datové služby a v neposlední řadě i nižší spotřebu energie. Pro využití této technologie je potřeba mít mobilní zařízení, které tuto technologii umožňuje, což jsou aktuálně pouze některé modely telefonů určitých výrobců. V blízké budoucnosti bude možné přes LTE síť uskutečňovat také videohovory. To znamená, že se budou moci oba účastníci hovoru mít možnost nejenom slyšet, ale pomocí kamer v mobilních telefonech při hovoru také vidět. Nutnou podmínkou je to, že musejí být oba účastníci hovoru registrováni v mobilní síti, která tuto technologii podporuje a mít také mobilní telefon s tuto funkcí. [9]
22
2. MĚŘENÍ KVALITY SIGNÁLU SÍTĚ Aby bylo zajištěné správné fungování všech součástí mobilní sítě, je potřeba síť nepřetržitě kontrolovat a vyhodnocovat získaná data. Kvalitu signálu mobilní sítě značně ovlivňuje okolní prostředí. Aby bylo možné dosáhnout co nejlepších výsledků kvality mobilní sítě, provádí se nepřetržité monitorování kvality sítě, které je označováno jako Quality of Service (QoS). Monitorování sítě, měření a získávání dat se provádí buď automaticky za použití různých měřicích přístrojů a automatických scriptů, nebo přímo v konkrétních lokalitách, a to buď za pomocí měřicích vozů, nebo měřicích zařízení (mobilní telefony či notebooky). Měřicí vozy se používají pro měření signálu na volném prostranství, měření pomocí mobilních zařízení se děje většinou uvnitř budov. [2] Mezi nejdůležitější měření, která se v mobilních sítích provádějí, patří:
dostupnost sítě - Network Availability (NA), procento úspěšně dokončených hovorů – Call-Sucess Rate (CSR), procento úspěšně spojených hovorů – Call-Setup Sucess Rate (CSSR), úspěšnost předaných hovorů – Handover Sucess rate (HSR), měření kvality řeči – Speech quality, průměrný čas sestavení hovoru – Set-up Time, čas odezvy IP sítě pro PING – Round Trip Delay (RTD), průměrná hodnota propustnosti sítě pro packet data (PD).
Nedílnou součástí kontroly funkčnosti sítě je také dohledové centrum, které nepřetržitě dohlíží na rádiovou i přenosovou část mobilní sítě.
2.1 Způsoby měření kvality mobilní sítě Kvalitu sítě ovlivňuje nejenom její technická část, tedy jak je síť technologicky navržena a postavena, ale také okolní vlivy prostředí. Vliv na kvalitu sítě a šíření mobilního signálu má roční období (listnaté stromy ve vegetačním období a stejné stromy v zimním období), ale také změny v infrastruktuře (např. neohlášená výstavba výškové budovy může mít dopad na šíření signálu v blízkosti stavby po jejím dokončení). Z těchto důvodů je potřeba stále sledovat kvalitu parametrů sítě (QoS). To se děje několika možnými způsoby. [2][9]
23
2.1.1 Trasování hovorů Jedná se o způsob měření, které umožňuje zpětně analyzovat události, které v mobilní síti proběhli. Veškeré činnosti v síti jsou ukládány do registrů, z nichž je možné potřebná data stáhnout a využít při pozdější analýze. To se využívá např. při řešení poruch u zákazníků, pro kontrolu po odstranění poruchy či náhodně pro ověřování stavu sítě v konkrétní lokalitě.
2.1.2 Dohledové centrum - rádiová část sítě Toto dohledové centrum hlídá 365 dní v roce, 24 hodin denně celou rádiovou síť operátora, aby bylo možné všude a bez omezení využívat služeb, které mobilní operátor svým zákazníkům nabízí. Kontroluje všechny rádiové sítě, které společnost T-Mobile Czech Republic a.s. provozuje (GSM/GPRS/EDGE sítě druhé generace, UMTS síť třetí generace ve standardu TDD a nejnovější LTE). Rádiová síť druhé generace se skládá z počtu cca. 5 000 vysílačů (tzv. BTS – Base Transceiver Station), jejich nadřazených „kontrolerů“ (BSC – Base Stations Controller, společnost T-Mobile Czech Republic a.s. jich má v síti 110) a transkodérů (TRAU). Transkodéry zajišťují, aby rádiová část sítě komunikovala s ústřednami (MGW a MSS – Media Gateway a Mobile Switching Centre Server). Rádiová UMTS TDD síť se skládá ze 700 vysílačů (Node B) a jejich kontrolerů (INC). Tato síť podporuje pouze datové přenosy, není tedy přes ni možné využívat hlasové služby. UMTS FDD síť má aktuálně více jak 1 000 vysílačů (Node B) a 8 kontrolerů (RNC). Tato síť oproti UMTS TDD podporuje nejenom rychlé datové přenosy HSDPA, ale je možné přes ni využívat také hlasové služby sítě. Každá technologie, která je připojena a zajišťuje provoz mobilní sítě, má svůj vlastní dohledový systém a je možné ji na dálku diagnostikovat a případně konfigurovat. Tím lze odstranit případné poruchy či změnit okamžitě nastavení tak, aby vyhovovalo místním podmínkám. V případě, že není možné vzniklý problém opravit na dálku, vyšle pracovník tohoto dohledového centra na místo poruchy servisního pracovníka. [9]
24
2.1.3 Dohledové centrum – přenosové technologie Tato část dohledového centra dohlíží a konfiguruje rádiovou síť operátora na celém území České republiky. Zároveň také dohlíží na mezinárodní část přenosové sítě společnosti T-Mobile Czech Republic a.s., přes kterou se přenášejí hovory z a do zahraničí a zároveň slouží jako základ datové sítě, přes kterou se přenášejí datové služby zákazníků. [9]
2.1.4 Měření v terénu - měřicí vozidla Získávání dat o kvalitě sítě se provádí pomocí měřicích vozů, které jsou vybaveny technologií, jež umožňuje provádět měření kvality sítě a dále pak provádět hovory a datové přenosy. Tyto vozy disponují nejenom potřebnou technologií na měření parametrů sítě a jejich zaznamenávání, ale také GPS pro přesný záznam polohy vozidla. Měření pomocí těchto vozů tak probíhá v reálném čase a na konkrétním místě. Je však časově náročné a vlastní měření obsáhne jen malou oblast, kterou daný měřicí vůz projede. Nedá se tedy v tomto případě mluvit o získání přehledu o kvalitě sítě na větším území. Výhodou tohoto typu měření je skutečnost, že měřicí vůz neměří jen údaje o stavu vlastní mobilní sítě operátora, ale většinou také zjistí hodnoty sítí konkurenčních operátorů. Operátor tak získává srovnání o kvalitě sítě v daném místě vůči své konkurenci. Pro vlastní monitorování sítě v konkrétních lokalitách využívá společnost T-Mobile Czech Republic a.s. celkem tři osobní automobily. Dva tyto vozy vyjíždění k měření z Prahy, jeden vůz z Brna. Vozy provádějí kontrolní měření převážně v krajských a okresních městech a na hlavních silničních tazích. Jednou za rok pak dohromady tyto měřící vozy provedou měření po celé České republice. V případě, že operátor zaznamená či je mu nahlášen ze strany zákazníků problém s kvalitou sítě v konkrétní lokalitě, vyjíždějí pak tyto měřící vozy přímo na konkrétní místo a zde provedou kontrolní měření. Dále pak společnost T-Mobile Czech Republic a.s. provádí měření své mobilní sítě na základě dohody s provozovateli autoškol v krajských a okresních městech. Toto měření se provádí tak, že ve vozidlech autoškol je zabudováno potřebné zařízení pro měření, ke kterému mají technici mobilního operátora vzdálený přístup a pomocí skriptů, jež do vozidel mohou instalovat vzdáleně, mohou nastavit potřebné sledované parametry. Tímto způsobem mohou měřit kvalitu sítě např. pro hlasové hovory, datovou propustnost sítě, streamování videa atd. Naměřená data jsou pak odesílána na server operátora a následně zpracovávána. Tento způsob měření zajišťuje téměř nepřetržité měření v lokalitě, kde daný provozovatel autoškoly operuje. [9] 25
2.1.5 Měření v terénu - měření v mobilním telefonu Nejjednodušším a nejlevnějším způsobem, jak měřit a následně vyhodnocovat stav mobilního signálu, je instalace měřicího software do mobilního telefonu, který tuto instalaci umožňuje. V současné době existuje větší počet dodavatelů dodávajících software pro měření kvality signálu. Společnost T-Mobile Czech Republic a.s. využívá při svém měření software TEMS Pocket od společnosti Ascom. Měření, které se provádí pomocí mobilního telefonu, má tu výhodu, že zobrazuje výsledky okamžitě na displeji mobilního telefonu. Měření pomocí tohoto software je velmi vhodné a používá se převážně pro měření uvnitř budov a okamžité vyhodnocení naměřených dat. Pokud však existuje potřeba mobilní síť měřit dlouhodoběji nebo existuje důvod podrobněji vyhodnocovat naměřené údaje, je vhodné měřící zařízení připojit k systému TEMS Discovery, který umožňuje naměřené výsledky dle zadaných kritérií porovnávat a třídit. [9] [10]
2.1.6 Měření v terénu - měření v notebooku Pro komplexnější měření sítě je určeno řešení TEMS Investigation. Tento software umožňuje k jednomu notebooku připojit až čtyři měřicí terminály najednou. To dává možnost měřit např. 4 služby na jedné síti, nebo naopak třeba 1 službu na 4 sítích. Získá se tak podrobné srovnání měřených parametrů. Jako měřicí zařízení může sloužit jak kompatibilní mobilní telefon s měřícím software, tak také datová karta vložená do notebooku (za předpokladu, že je notebook sloužící pro měření vybaven odpovídajícím slotem pro tuto datovou kartu). Navíc je také možné připojit skener pro skenování mobilního pásma v daném místě. Toto měření z notebooku je určené zejména k drive testu, kdy se během jízdy autem měří data a ta se následně ukládají včetně záznamu o poloze. Naměřené hodnoty je tedy možné následně přehledně vizualizovat do mapy. Ideální je naměřená data vyhodnocovat pomocí analytického nástroje TEMS Discovery. [9][10]
26
3. METODY PRO ZLEPŠENÍ KVALITY SIGNÁLU Po vyhodnocení získaných dat z měření je úkolem zodpovědných techniků navrhnout optimální řešení problému. To se liší samozřejmě případ od případu, někdy pomůže optimalizace natočení/sklopení antén, někdy je problém v síti operátora a řeší se úpravou nastavení na ústředně nebo také přepojením na jinou ústřednu apod. U významných zákazníků bývá častým řešením instalace až několika tzv. nanoBTS (jedná se o malý GSM vysílač připojený přes ADSL), který v daném místě šíří mobilní signál. Většinou se tak děje v případě nějakých plechových skladů s velkým útlumem signálu a je to často jediná možnost, jak problém s kvalitou signálu v daném místě vyřešit. Takových zařízení (nanoBTS) mají mobilní operátoři v provozu spousty, nicméně v současné době již nová prakticky nedělají. Důvodem je to, že se již jedná o poměrně zastaralou technologii, která je navíc značně problematická. Samozřejmě jsou ale taková řešení stále potřeba, a tak se hledá podobné řešení, které by umělo kromě šíření signálu GSM také nejnovější technologie včetně LTE. Občas se zároveň při měření signálu v konkrétním místě přijde na to, že problém není v síti, ale je třeba způsoben mobilním telefonem zákazníka (může jednat o výrobní vadu mobilního telefonu, špatný firmware, poškozený telefon po pádu atd.). [9]
3.1 Dlouhodobé posílení kvality signálu Nejlepším způsobem, jak dlouhodobě vyřešit problém s nedostatečným signálem v konkrétní lokalitě, je často výstavba nového vysílače, který danou lokalitu pokryje novým signálem. Tento způsob řešení je pro mobilního operátora však velmi nákladný a provozovatel sítě přistupuje k tomuto řešení pouze v případech, kdy je zaručena návratnost jeho investice do vybudování nového vysílače. Ta se může pohybovat až v řádu několika milionů korun v závislosti na místě, kde by byl vysílač vybudován. Další možností, jak zlepšit kvalitu signálu, je přenastavení stávajícího vysílače, který danou oblast pokrývá, případně výměna stávajícího technického osazení vysílače za nové. V případě přenastavení stávajících parametrů vysílače je však potřeba velice důkladně sledovat, co takové přenastavení způsobí se signálem v dalších místech dané lokality a to proto, aby nedošlo ke zhoršení kvality signálu v jiném místě lokality, kterou vysílač svým signálem pokrývá. Pak by pouze došlo k tomu, že se vyřeší signál v jednom místě oblasti, ale dojde ke zhoršení kvality signálu v jiném místě. Výměnu stávajícího technického osazení vysílače ve většině 27
případů provádí mobilní operátor zpravidla ve chvíli, kdy má v plánu pro danou lokalitu technologickou úpravu. To znamená, že v místě, kde je doposud např. pouze signál UMTS, se operátor rozhodne udělat technologický upgrade a danou lokalitu pokryje novější technologií, aktuálně tedy LTE. Pokud došlo ke ztrátě mobilního signálu v místě, kde v minulosti s kvalitou signálu nebyl problém, má zajištění obnovení tohoto signálu větší prioritu, než případné rozšiřování stávajícího GSM pokrytí na nová místa. [9]
3.2 Krátkodobé posílení kvality signálu Jiným případem, kdy se řeší posílení kvality signálu v určitém místě, jsou krátkodobé požadavky na zlepšení kvality signálu, hlavně z pohledu kapacity. To se většinou děje v situacích, jako jsou velké sportovní a kulturní akce. Toto posílení signálu je řešené tzv. mobilními vysílači. Jedná se o zařízení, které v převozním stavu vypadá jako buňka na kolech, jež se jako vozík připojí za vozidlo a odveze na požadované místo. Po umístění na požadované místo se mobilní vysílač rozloží do pracovního stavu. Z buňky se vztyčí vysílací stožár, který může dosahovat výšky až 15 metrů. Na stožáru jsou umístěny směrové vysílače, které mají dosah několik desítek metrů, nebo také až několik kilometrů. Záleží samozřejmě na osazené technologii a nastavení sklonu vysílačů. Vysílače se vždy nastavují tak, aby pokryly požadovanou oblast. Náklon vysílačů je možné měnit na dálku, v průběhu použití mobilního vysílače může tedy docházet dle aktuálního stavu pokrytí k jejich přenastavení. [9]
Obrázek 6: Mobilní GSM vysílač 28
Zdroj:[11]
Celá mobilní jednotka je pak připojena k elektrické síti. Pro případ výpadku elektrické energie je zařízení vybaveno náhradními bateriemi, které jsou schopny zařízení napájet po dobu 2 až 4 hodin. Pokud je výpadek elektrické energie delší a nepokryjí ho náhradní baterie, spustí se automaticky diesel agregát, jenž je také součásti celého zařízení. Ten je pak dle velikosti nádrží na naftu schopen stanici napájet až několik dní. Uvnitř mobilního vysílače je obsažena technologie, umějící kódovat signál z ústředny a následně ho převézt do signálu, který vyřazují antény umístěné na stožáru do okolního prostředí.
29
4. VLASTNÍ MĚŘENÍ V této části práce jsou uvedeny konkrétní údaje, získané při vlastním měření. Vzhledem k tomu, že se jedná o detailní a citlivé informace o mobilních sítích, není zde možné uvádět přesné informace o konkrétní mobilní síti, zejména pak název poskytovatele služby (mobilního operátora). Proto jsou jednotlivá naměřená data z mobilních sítí označena jen jako „operátor 1“, „operátor 2“ a „operátor 3“.
4.1 Průběh měření Měření bylo provedeno za pomocí měřicího vozu, o kterém se zmiňuji výše ve své práci. Měření probíhá tak, že mobilní telefony, které byly k měření použity, jsou umístěny v měřicím systému (velká krabice) v kufru, ze které byly z jednotlivých telefonů vyvedeny anténní konektory k anténám umístěným na střeše vozidla. Tento způsob měření se používá proto, že jednotlivé telefony nejsou ovlivněny částečně náhodným útlumem intenzity mobilního signálu uvnitř automobilu v závislosti např. na vzájemné orientaci automobilu a antén mobilního telefonu. Výsledky z jednotlivých telefonů jsou tak vzájemně porovnatelné.
Obrázek 7: Umístění mobilních telefonů v měřicím zařízení automobilu 30
Pro simulaci útlumu intenzity signálu, např. právě při použití mobilního telefonu v automobilu nebo uvnitř budovy, se pak mezi anténami a telefony používají útlumové články – hodnota „attenuator“ uvedená v tabulce 5. Lokalita měření byla již předem stanovena na základě konkrétního plánu měření pro letošní rok. Při měření se měřila data všech třech českých mobilních operátorů, aby bylo možné získané výsledky porovnat. Protože nové mobilní telefony již dnes mají minimálně 4 antény přímo na svém čipu, je technicky téměř nemožné z nich anténní vývody vyvést tak, jak je uvedeno výše, a proto se od tohoto způsobu měření v současné době upouští. Navíc, při použití cca 10 měřicích telefonů by to znamenalo až 40 anténních vývodů na střechu automobilu, což je technicky náročné. Aktuálně se tedy měření provádí tak, že se měří přímo takový signál, který mobilní telefony zaznamenají v kufru automobilu, bez použití útlumových článků.
Obrázek 8: Měřicí vůz mobilního operátora
31
4.2 Naměřené hodnoty Naměřená data se zpracovávají do předem připravených šablon v programu Microsoft Excel, ze kterého jsou i zde uvedené výstupy (grafy). Tyto šablony obsahují identifikaci, o data kterého mobilního operátora se jedná (z výše zmíněných důvodů zde však není uvedena konkrétní identifikace mobilní sítě) a naměřené hodnoty, včetně porovnání jednotlivých získaných hodnot navzájem. Tabulka 5 obsahuje přesné informace o měření, rozdělené do částí dle informací, které se vztahují k měření. Základní informace o měření:
oblast, kde měření proběhlo (Location) typ provedeného měření (Measurement type) datum měření (Date of measurement)
Informace o způsobu měření:
doba, po kterou měření probíhalo (Call duration) adresy FTP serverů (Server), ze kterých se v rámci měření přenášela data velikost přenášených souborů (File/Size)
Technické informace:
měřící kanál (Channel) – jedná se o označení jednotky, na které měření probíhá identifikace použitých SIM jednotlivých operátorů (SIM) značka a typ mobilních telefonů použitých při měření (Mobile phone) jednotlivé mobilní technologie, které se měřili (System) hodnota útlumového článku (Attenuator)
32
V4 - Jihlava
1. Location 2. Measurement type 3. Date of measurement
Drive, speech, data, indoor measurement 24. 2. 2016 24. 2. 2016
Call type
Call duration
Pause
MOC+MTC
90s
30s
Algorithm
Speech sample Custom
Task
Server
File/Size
Notice
FTP DL
80.250.24.26
209MB
E-KPI = 30s
FTP UL
80.250.24.26
209MB
E-KPI = 30s
Ping
80.250.24.26
32B
Count = 10
HTTP IE
Threshold
Static Kepler web page + 6 live web pages
Throughput method
ETSI B - Transaction Throughput
Channel
SIM
Mobile phone
System
Attenuator
MS121
operator 1
Samsung Galaxy S4 (i9505)
LTE/WCDMA/GSM/DCS
16dB
MS141
operator 2
Samsung Galaxy S4 (i9505)
LTE/WCDMA/GSM/DCS
16dB
MS131
operator 3
Samsung Galaxy S4 (i9505)
LTE/WCDMA/GSM/DCS
16dB
MS221
operator 1
Samsung Note4 (N910F)
LTE/WCDMA/GSM/DCS
16dB
MS241
operator 2
Samsung Note4 (N910F)
LTE/WCDMA/GSM/DCS
16dB
MS231
operator 3
Samsung Note4 (N910F)
LTE/WCDMA/GSM/DCS
16dB
Tabulka 5: Informace o měření
Při měření, kdy se měří a porovnávají údaje všech dostupných mobilních sítí, se vždy používají stejné mobilní telefony (výrobce a typ). Děje se tak z toho důvodu, že rozdílné typy mobilních telefonů mají různou citlivost na příjem mobilního signálu a při použití různých telefonů by byl celkový výsledek zkreslený.
33
V měření, jehož výsledek je uveden v grafu 1, se sledovalo:
v jaké konkrétní mobilní technologii byl mobilní telefon vykonávající automatické telefonní hovory s konkrétní SIM každého mobilního operátora po dobu měření přihlášen, kolik % z celkového času měření byl telefon přihlášen ke konkrétní technologii.
Ve všech případech byla délka jednotlivých testů stejná (90 vteřin) a sledovala se mobilní technologie pro hlasový přenos. Z naměřených výsledků vychází, že v měřené lokalitě v průběhu měření převládala pro přenos hlasového provozu pokrytí staršími mobilními technologiemi (GSM a WCDMA), kdežto nejnovější mobilní technologií (LTE) není tato lokalita aktuálně pokryta. Tato interpretace výsledků však není zcela správná, o čemž se můžeme přesvědčit u výsledků měření datových sítí, kde je naopak pokrytí mobilní technologií LTE výrazné. Důvodem, proč je využití sítě LTE menší než 1% je, že telefony, použité při měření, nemají podporu technologie VoLTE, takže jsou všechny příchozí hovory na mobilní telefony registrované v LTE síti automaticky směrovány do 2G/3G sítí. Z výsledků je znát rozdíl v pokrytí technologiemi GSM a WCDMA všech měřených operátorů v měřené lokalitě.
70%
RAT usage - voice services [%]
60% 50%
Usage
40% 30% 20% 10% 0% operator 1 operator 2 operator 3
GSM 35,72% 48,42% 64,94%
WCDMA 63,20% 50,57% 33,64%
LTE 1,08% 1,02% 1,42%
Graf 1: Výsledky měření využití mobilních technologií - hlas 34
Jak již bylo napsáno dříve, každá z mobilních technologií má různé frekvenční pásma, ve kterých je vysílána. V grafu 2 je uvedeno, ke kterému frekvenčnímu pásmu jednotlivé mobilní technologie se mobilní telefony v rámci daného měření připojily. Z grafu je zcela zřejmé, že každou technologii má v dané lokalitě každý z mobilních operátorů pokrytou na stejném frekvenčním rozsahu.
Band usage - voice services [%] 70%
60%
50%
Usage
40%
30%
20%
10%
0%
GSM 900MHz
GSM 1800MHz
WCDMA 2100 MHz
LTE 800MHz
LTE 900MHz
LTE 1800MHz
LTE 2100MHz
LTE 2600MHz
operator 1
35,72%
0,00%
63,20%
1,08%
0,00%
0,00%
0,00%
0,00%
operator 2
47,90%
0,50%
50,57%
0,97%
0,00%
0,00%
0,00%
0,00%
operator 3
64,90%
0,00%
33,64%
1,42%
0,00%
0,00%
0,00%
0,00%
Graf 2: Rozpad dle frekvenčního pásma - hlas
35
Při dalším měření se měřilo připojení mobilních telefonů na datovou síť, při kterém telefony sekvenčně stahovaly přes FTP připravené soubory a sledovaly se následující hodnoty:
v jaké konkrétní mobilní technologii byl mobilní telefon po dobu měření přihlášen (grafy 3 a 4), kolik % z celkového času měření byl telefon přihlášen ke konkrétní technologii (grafy 3 a 4), jakých přenosových rychlostí bylo dosaženo (grafy 5 až 12).
Jednotlivé testy opět probíhaly po přesně stanovený čas, který byl pro všechny použité mobilní telefony stejně dlouhý (90 vteřin). Z grafu je jednoznačně vidět, že přenos dat na všech zařízeních probíhal převážně v síti LTE. U operátora označeného jako „operátor 1“ pak byl i oproti ostatním dvěma operátorům větší podíl v síti WCDMA, signalizující neúplné pokrytí měřené oblasti technologií LTE.
RAT usage - data services [%] 100% 90% 80% 70%
Usage
60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% operator 1 operator 2 operator 3
GSM 0,27% 0,00% 2,46%
WCDMA 17,50% 0,00% 5,46%
LTE 82,23% 100,00% 92,08%
Graf 3: Výsledky měření využití mobilních technologií - data
36
Graf 4 zobrazuje konkrétní frekvenční pásmo mobilní technologie, ve kterém probíhal přenos dat při tomto měření. Výsledek měření v této lokalitě ukázal, že na technologii LTE používají v měřené lokalitě všichni operátoři pouze frekvenční pásmo 800 MHz. To je spíše překvapující zjištění, protože v dnešní době je tomu zejména u technologie LTE spíše naopak, tedy že frekvenční pásma v jedné lokalitě jsou rozdílná.
Band usage - data services [%] 100% 90% 80% 70%
Usage
60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
GSM 900MHz
GSM 1800MHz
WCDMA 2100 MHz
LTE 800MHz
LTE 900MHz
LTE 1800MHz
LTE 2100MHz
LTE 2600MHz
operator 1
0,20%
0,00%
operator 2
0,00%
0,00%
17,50%
82,23%
0,00%
0,00%
0,00%
0,00%
0,00%
100,00%
0,00%
0,00%
0,00%
operator 3
2,46%
0,00%
0,00%
5,46%
91,92%
0,16%
0,00%
0,00%
0,00%
Graf 4: Rozpad dle frekvenčního pásma – data
Při tomto měření se sledovaly také přenosové rychlosti při stahování a odesílání souborů přes FTP protokol. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v grafech 5 až 12 a jsou zde vždy uvedeny průměrné a maximální dosažené hodnoty pro každého z mobilních operátorů.
37
Graf 5 zobrazuje průměrnou dosaženou rychlost přenosu při stahování dat přes FTP za celou dobu měření – celkovou průměrnou hodnotu (Overall) a průměrné hodnoty pro jednotlivé technologie.
FTP DL - mean data rate [kbps] 16000 14000
Data rate [kbps]
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 operátor 1 operátor 2 operátor 3
Overall 12160,89 13404,06 13290,01
GSM
WCDMA 12729,11
45,94
7618,91
Graf 5: Informace o průměrné rychlosti stahování dat
38
LTE 12266,99 13404,06 13723,49
Graf 6 zobrazuje maximální dosaženou rychlost přenosu při stahování dat přes FTP za celou dobu měření – maximální přenosovou rychlost (Overall) a maximální rychlosti pro jednotlivé technologie.
FTP DL - maximal data rate [kbps] 40000 35000
Data rate [kbps]
30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 operátor 1 operátor 2 operátor 3
Overall 28913,27 36775,71 34929,88
GSM
WCDMA 16886,62
45,94
9220,54
Graf 6: Informace o maximální rychlosti stahování dat
39
LTE 28913,27 36775,71 34929,88
Graf 7 zobrazuje průměrnou dosaženou rychlost přenosu při stahování dat přes FTP za celou dobu měření - maximální přenosovou rychlost (Overall) a průměrné rychlosti pro jednotlivé technologie. Počítá se rychlost přenosu vzorkovaná po 1 s intervalech, tj. každou sekundu se počítá nová hodnota.
FTP DL - average current throughput [kbps] 16000 14000
Throughput [kbps]
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 operátor 1 operátor 2 operátor 3
Overall 12407,7 13366,51 13411,44
GSM 0,31
WCDMA 12801,34
57,2
7810,22
LTE 12374,7 13366,51 13752,44
Graf 7: Informace o průměrné rychlosti stahování dat – interval 1s.
40
Graf 8 zobrazuje maximální dosaženou rychlost přenosu při stahování dat přes FTP za celou dobu měření - maximální přenosovou rychlost (Overall) a průměrné rychlosti pro jednotlivé technologie. Počítá se rychlost přenosu vzorkovaná po 1 s intervalech, tj. každou sekundu se počítá nová hodnota.
FTP DL - maximal current throughput [kbps] 80000 70000
Throughput [kbps]
60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 operátor 1 operátor 2 operátor 3
Overall 67701,39 59217,28 54159,51
GSM 1,24
WCDMA 25679,36
101,74
13137,15
LTE 67701,39 59217,28 54159,51
Graf 8: Informace o maximální rychlosti stahování dat – interval 1s.
41
Graf 9 zobrazuje průměrnou dosaženou rychlost přenosu při odesílání dat přes FTP za celou dobu měření – celkovou průměrnou hodnotu (Overall) a průměrné hodnoty pro jednotlivé technologie.
FTP UL - mean data rate [kbps] 16000 14000
Data rate [kbps]
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 operátor 1 operátor 2 operátor 3
Overall 9018,83 10519,15 13866,38
GSM
WCDMA 1934,75
54,65
2467,2
Graf 9: Informace o průměrné rychlosti odesílání dat
42
LTE 10185,53 10519,15 14599,34
Graf 10 zobrazuje maximální dosaženou rychlost přenosu při odesílání dat přes FTP za celou dobu měření – maximální přenosovou rychlost (Overall) a maximální rychlosti pro jednotlivé technologie.
FTP UL - maximal data rate [kbps] 25000
Data rate [kbps]
20000
15000
10000
5000
0 operátor 1 operátor 2 operátor 3
Overall 19478,62 19737,71 22087,29
GSM
WCDMA 3399,08
81,53
3678,25
Graf 10: Informace o maximální rychlosti odesílání dat
43
LTE 19478,62 19737,71 22087,29
Graf 11 zobrazuje průměrnou dosaženou rychlost přenosu při odesílání dat přes FTP za celou dobu měření - průměrnou přenosovou rychlost (Overall) a průměrné rychlosti pro jednotlivé technologie. Počítá se rychlost přenosu vzorkovaná po 1 s intervalech, tj. každou sekundu se počítá nová hodnota.
FTP UL - average current throughput [kbps] 16000 14000
Throughput [kbps]
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 operátor 1 operátor 2 operátor 3
Overall 9207,23 10542,04 13899,71
GSM
WCDMA 2084,9
49,58
2433,85
LTE 10264,14 10542,04 14598,87
Graf 11: Informace o průměrné rychlosti odesílání dat – interval 1s.
44
Graf 12 zobrazuje maximální dosaženou rychlost přenosu při odesílání dat přes FTP za celou dobu měření - maximální přenosovou rychlost (Overall) a průměrné rychlosti pro jednotlivé technologie. Počítá se rychlost přenosu vzorkovaná po 1 s intervalech, tj. každou sekundu se počítá nová hodnota.
FTP UL - maximal current throughput [kbps] 25000
Throughput [kbps]
20000
15000
10000
5000
0 operátor 1 operátor 2 operátor 3
Overall 19791,76 20992,73 23107,31
GSM
WCDMA 4240,29
239,44
5066,34
LTE 19791,76 20992,73 23107,31
Graf 12: Informace o maximální rychlosti odesílání dat – interval 1s.
45
Další z měření, které jsem pomocí měřícího zařízení provedl, spočívalo v monitorování mobilní technologie, ke které se mobilní telefony připojovaly. Výsledky tohoto měření obsahuje graf 13. V tomto případě se měřili mobilní telefony v klidu, tedy tak, že telefony neprováděli žádnou činnost - nebylo z nich voláno, nepřenášela se žádná data, ani nedocházelo k odesílání textových zpráv. Telefony se pouze přihlásili k mobilní síti. Měření bylo opět nastaveno na sledování:
v jaké konkrétní mobilní technologii byl mobilní telefon po dobu měření přihlášen, kolik % z celkové času měření byl telefon přihlášen ke konkrétní technologii.
RAT usage - idle [%] 120%
100%
Usage
80%
60%
40%
20%
0% operator 1 operator 2 operator 3
GSM 10,69% 0,28% 6,23%
WCDMA 17,63% 0,59% 5,10%
Graf 13: Informace o využití mobilní technologie
46
LTE 71,69% 99,13% 88,67%
Graf 14 pak zobrazuje opět frekvenční pásmo konkrétní mobilní technologie, ke kterému se mobilní telefony připojily.
Band usage - idle services [%] 120%
100%
Usage
80%
60%
40%
20%
0%
GSM 900MHz
GSM 1800MHz
WCDMA 2100 MHz
LTE 800MHz
LTE 900MHz
LTE 1800MHz
LTE 2100MHz
LTE 2600MHz
operator 1
10,69%
0,00%
17,63%
71,68%
0,00%
0,00%
0,00%
0,00%
operator 2
0,27%
0,01%
0,59%
99,13%
0,00%
0,00%
0,00%
0,00%
operator 3
6,23%
0,00%
5,10%
88,53%
0,14%
0,00%
0,00%
0,00%
Graf 14: Rozpad mobilní technologie dle frekvenčního pásma
47
4.3 Vyhodnocení naměřených hodnot Výsledky terénních měření umožňují srovnání jednotlivých operátorů. Mohou také poukázat na potenciálně problematické lokality, na které může operátor zaměřit svoji pozornost. Kromě toho mobilní operátoři využívají pro analýzu pokrývaných oblastí výpočetních modelů, pracujících na základě mapových pokladů a dat mobilní síti. Tyto modely však nejsou dokonale přesné, a proto jsou data z terénních měření jejich cenným doplňkem. U provedeného měření využití mobilní technologie pro hlasový přenos naměřené výsledky ukazují následující:
vzhledem k použití mobilních telefonů, které pro hlasové služby neumožňují využít technologii LTE, proběhl test využití hlasových služeb ve starších technologiích GSM a WCDNA, pokrytí těchto technologií mají mobilní operátoři v místě provedeného měření rozdílné, operátor označený jako „operátor 3“ má v místě měření nejlepší pokrytí technologií GSM, operátor označený jako „operátor 1“ má v místě měření nejlepší pokrytí technologií WCDMA, operátor označený jako „operátor 2“ má v místě měření rovnoměrné pokrytí technologiemi GSM a WCDMA, na základě zjištěných výsledků není potřeba na pokrytí mobilním signálem v místě měření provádět žádné změny, obě použité technologie (GSM i WCDMA) zajišťují dostatečné pokrytí pro přenos hlasových služeb, pro zjištění, zda mají mobilní operátoři danou lokalitu pokrytou pro přenos hlasových služeb pomocí technologie VoLTE, se musí měření uskutečnit pomocí mobilních telefonů, které tuto technologii umožňují.
U měření využití mobilní technologie pro datový přenos naměřené výsledky ukazují následující:
přenos dat probíhal převážně v síti LTE, všichni mobilní operátoři používají pro technologii LTE v měřené lokalitě frekvenční pásmo 800 MHz, u operátorů, označených jako „operátor 1“ a „operátor 3“, probíhal přenos dat částečně v síti WCDMA, což značí to, že v místě měření mají tito operátoři horší pokrytí technologií LTE oproti poslednímu z mobilních operátorů („operátor 2“),
48
operátor označený jako „operátor 1“ by měl na základě naměřených výsledků pokrytí technologií LTE v měřené lokalitě vylepšit, naměřené maximální a průměrné přenosové rychlostí pro stahování dat ukazují, že žádný z mobilních operátorů nemá přenosové rychlosti pro stahování dat v měřené lokalitě výrazně lepší oproti ostatním, dosažené přenosové rychlosti pro stahování dat lze vyhodnotit z hlediska rychlosti jako vyhovující a není třeba provádět změny v nastavení sítě, naměřené maximální a průměrné přenosové rychlostí pro odesílání dat jsou u všech měření nejvyšší u operátora označeného jako „operátor 3“, dosažené přenosové rychlosti pro odesílání dat lze vyhodnotit z hlediska rychlosti jako vyhovující a není třeba provádět změny v nastavení sítě.
Analýza reálně dosahovaných datových přenosových rychlostí důležitým ukazatelem výkonnosti jednotlivých sítí a pro jednotlivé operátory má spolu s velikostí pokrytých oblastí i podstatný marketingový význam.
49
Závěr Rozvoj technologií v mobilní komunikaci zaznamenal za posledních několik let velký pokrok. Vidět je to zejména ve stále se zvyšující rychlosti přenosu dat v zařízeních, které pomocí mobilní sítě komunikují. Nejenom s rozvojem samotné rychlosti přenosu dat pomocí mobilních sítí, ale také se zlepšujícím se pokrytím dochází k rozšiřování mobilní komunikace do zařízení, kde to dříve nebylo možné. V dnešní době je již zcela standardní, pro ušetření nákladů i lidských zdrojů, že zařízení jako např. vodoměry, plynoměry, domácí zabezpečovací systémy či autoalarmy fungují na bázi přenosu dat pomocí mobilní sítě. Provozovatelé tak mají okamžité informace o spotřebě (vodoměry, plynoměry) či stavu hlídaného objektu. To ještě před několika lety nebylo možné. Vlastní měření, které jsem v rámci této práce provedl, mi ukázalo možnosti, které mají provozovatelé mobilních sítí k dispozici pro sledování kvality mobilního signálu v jejich sítích. Dozvěděl jsem se také pro mě nové informace, jak probíhá plánování kontroly kvality sítě, jaké hodnoty se sledují, jaké podmínky pro měření se nastavují atd.
50
Seznam použité literatury [1] SAUTER, Martin. Communication Systems for the Mobile Information Society. John Wiley & Sons, 2006. ISBN 0470033207 [2] VONDRA, Marek. Měření kvality a dostupnosti GSM sítě [online]. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2011 [citováno 2016-05-20]. Dostupné z: http://hdl.handle.net/11012/7135 [3] Princip fungování GSM sítě [online]. [citováno 2016-05-20] Dostupné z: http://www.zesilovac-signalu.cz/cs/princip-fungovani-gsm-site/ [4] Architektura GPRS [online]. [citováno 2016-05-20] http://www.technictest.com/gprs_architektura.php
Dostupné
z:
[5] EDGE – Ještě nedávno propadák, nyní hit [online]. [citováno 2016-05-20] Dostupné z: http://mobil.idnes.cz/edge-8211-jeste-nedavno-propadak-nynihit-dyn-/mob_tech.aspx?c=A040415_5256186_mob_tech [6] PIBYLOVÁ, Marie. Struktura UMTS sítě [online]. [citováno 2016-05-20] Dostupné z: http://radio.feld.cvut.cz/personal/mikulak/MK/MK05_semestralky/UMTS_str uktura_Pibylova.pdf [7] High-Speed Downlink Packet Access [online]. [citováno 2016-05-20] Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/High-Speed_Downlink_Packet_Access [8] LTE – vše, co potřebujete vědět o nejrychlejším mobilním internetu [online]. [citováno 2016-05-20] Dostupné z: https://www.svetandroida.cz/lte-internet201412 [9] Interní informace společnosti T-Mobile Czech Republic a.s. [10] Testování stavu mobilní sítě [online]. [citováno 2016-05-20] Dostupné z: http://www.cofi.cz/testovani-stavu-mobilni-site-tems.html [11] Podívejte se, jak za tři hodiny operátor pokryje signálem každý zapadákov [online]. [citováno 2016-05-20] Dostupné z: http://mobil.idnes.cz/podivejtese-jak-za-tri-hodiny-operator-pokryje-signalem-kazdy-zapadakov-1lc/mobilni-operatori.aspx?c=A090728_111958_mob_operatori_apo
51
Seznam ilustrací Obrázek 1: Složení buněk v GSM svazku…………………………………………………………….. 9 Obrázek 2: Struktura GSM sítě……………………………………………………………………….... 11 Obrázek 3: Struktura GSM sítě s integrovanou GPRS sítí…………………………………… 14 Obrázek 4: GPRS/EDGE datová karta Sony Ericsson GC85 do PCMCIA slotu…….... 15 Obrázek 5: Struktura UMTS sítě………………………………………………………………………. 20 Obrázek 6: Mobilní GSM vysílač………………………………………………………………………. 28 Obrázek 7: Umístění mobilních telefonů v měřicím zařízení automobilu…………… 30 Obrázek 8: Měřicí vůz mobilního operátora……………………………………………………... 31
52
Seznam tabulek a grafů Tabulka 1: Přehled tříd mobilních zařízení dle využití timeslotů………………………. 16 Tabulka 2: Kódovací schémata GPRS a jejich rychlosti……………………………………… 16 Tabulka 3: Kódovací schémata EGPRS a jejich rychlosti……………………………………. 18 Tabulka 4: Přehled teoretických rychlostí v LTE síti…………………………………………. 21 Tabulka 5: Informace o měření………………………………………………………………………... 33 Graf 1: Výsledky měření využití mobilních technologií - hlas ………………………………….. 34 Graf 2: Rozpad dle frekvenčního pásma – hlas………………………………………………….. 35 Graf 3: Výsledky měření využití mobilních technologií – data…..……………………………... 36 Graf 4: Rozpad dle frekvenčního pásma – data…………………………………………………. 37 Graf 5: Informace o průměrné rychlosti stahování dat……………………………………… 38 Graf 6: Informace o maximální rychlosti stahování dat……………………………………... 39 Graf 7: Informace o průměrné rychlosti stahování dat – interval 1s. …………………. 40 Graf 8: Informace o maximální rychlosti stahování dat – interval 1s. ………………… 41 Graf 9: Informace o průměrné rychlosti odesílání dat……………………………………….. 42 Graf 10: Informace o maximální rychlosti odesílání dat…………………………………….. 43 Graf 11: Informace o průměrné rychlosti odesílání dat – interval 1s.………………… 44 Graf 12: Informace o maximální rychlosti odesílání dat – interval 1s...………………. 45 Graf 13: Informace o využití mobilní technologie……………………………………………... 46 Graf 14: Rozpad mobilní technologie dle frekvenčního pásma…………………………... 47
53
