Microsoft Word - UNI_Markusic_Mladen_1982_

Transkripcija

1 Mladen Markušić RAZVOJ APLIKACIJE SPEEDTEST ZA MERJENJE HITROSTI V OMREŽJU 3,5G Diplomska naloga Maribor, september 2009

2 I Diplomska naloga univerzitetnega študijskega programa RAZVOJ APLIKACIJE SPEEDTEST ZA MERJENJE HITROSTI V OMREŽJU 3,5G Študent: Mladen MARKUŠIĆ Študijski program: UN ŠP Telekomunikacije Mentor: red. prof. dr. Zdravko KAČIČ Maribor, september 2009

3 II

4 III ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju dr. Zdravku Kačič za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij in me vsa ta leta vzpodbujali ter mi stali ob strani.

5 IV RAZVOJ APLIKACIJE SPEEDTEST ZA MERJENJE HITROSTI V OMREŽJU 3,5G Ključne besede: 3,5G omrežje, UMTS, HSDPA/HSUPA, Netbeans programsko razvojno okolje, aplikacija za merjenje hitrosti v omrežjih 3,5G UDK: 004.9:004.94(043.2) Povzetek V diplomskem delu opišemo aplikacijo za testiranje hitrosti prenosa podatkov v smeri k uporabniku na tehnologiji 3,5G, to je HSDPA. V uvodu je podan kronološki pregled razvoja mobilnih tehnologij in na kratko opisano delovanje le teh. V nadaljevanju je opisano delovanje aplikacije testiranja hitrosti podatkov, ki je bila izdelana v programskem orodju Netbeans, s pomočjo simulatorja v programskem orodju. Nato s pomočjo testiranja z različnimi mobilnimi telefoni in brezžičnima HSDPA modemoma komentiramo, ugotavljamo in navajamo razloge, zakaj dejansko dosežena hitrost prenosa podatkov v večini testnih primerov odstopa od teoretično obljubljene. Na koncu so dodane smernice za nadaljnjo nadgradnjo aplikacije.

6 V RAZVOJ APLIKACIJE SPEEDTEST ZA MERJENJE HITROSTI V OMREŽJU 3,5G Key words: 3.5G network, UMTS, HSDPA/HSUPA, Netbeans software develop environment, speed-measuring application on the networks 3.5G UDK: 004.9:004.94(043.2) Abstract The final thesis describes the application for testing the speed of data transfer in the direction of the user on the technology 3,5G, which is HSDPA. To start with we introduce the reader with the chronological explanation of the development of mobile technologies and their functioning, respectively. Firstly, we describe the functioning of the application itself, which was made in the programming tool Netbeans, with the help of the simulator in the programming tool. Then with the help of tests on different mobile phones and wireless HSDPA modems, we comment, find out and present the reasons why the actual speed of data transfer in most of the test cases deviates from the theoretically promised one. Finally, we add the directions for further upgrade of the application.

7 VI VSEBINA 1. Uvod Brezžične tehnologije Zgodovina brezžičnih omrežij GSM in razvoj proti tretji generaciji HSCSD GPRS EDGE UMTS Uvod v UMTS Arhitektura sistema UMTS Nosilne storitve v UMTS UMTS FDD in TDD HSDPA/HSUPA Primerjava z drugimi vrstami brezžičnih komunikacij Prednosti in slabosti brezžičnih lokalnih omrežij Varnostni mehanizmi Programsko okolje in opis delovanja aplikacije Netbeans Predstavitev delovanja aplikacije SpeedTest Testni primeri izvedeni z aplikacijo speedtest... 47

8 VII 6. Sklep Literatura... 54

9 VIII KAZALO SLIK Slika 2.1 : Princip dodeljevanja več kanalov istemu uporabniku v HSCSD... 7 Slika 2.2 : Princip modulacije EDGE Slika 2.3 : Evolucija 2G proti 3G Slika 2.4 : Shema mrežnih elementov v podomrežju sistema UMTS Slika 2.5 : Sestava UTRAN segmenta UMTS omrežja Slika 2.6 : Struktura UMTS omrežja Slika 2.7 : UMTS frekvenčna razporeditev Slika 2.8 : Prilagodljivo tri slojno UMTS omrežje Slika 3.1 : Primer WiMAX omrežja Slika 4.1 : Tokovni diagram aplikacije prikazan v Netbeans Slika 4.2 : Levo prikaz uvodne strani, desno prikaz pomoči v aplikaciji Slika 4.3 : Levo potrebna potrditev da lahko aplikacija uporablja radijski čas; desno pogled na zaslon za trajanje merjenja povezave Slika 4.4 : Del vsebine funkcije download() za odprtje povezave Slika 4.5 : Del vsebine funkcije download(), branje bitov iz datoteke in preračun v kilobite Slika 4.6 : Vsebina funkcije round() Slika 4.7 : Vsebina funkcije izracun() Slika 4.8 : Levo prikaz končnega rezultata izražene hitrosti v kilobit-ih, desno prikaz rezultata izražene hitrosti v kilobyte-ih Slika 5.1 : Levo PCI-Express brezžični modem, desno USB modem HSDPA/HSUPA Slika 5.2 : Prikazuje graf skupne hitrosti na bazno postajo za 24 ur od operaterja T

10 IX KAZALO TABEL Tabela 2.1 : Uporabne prenosne hitrosti v HSCSD... 7 Tabela 2.2 : Osnovne značilnosti kodirnih shem v GPRS... 9 Tabela 2.3 : Značilnosti kodirnih shem EDGE Tabela 2.4 : Primerjava rešitev proti 3G Tabela 5.1 : Meritve z različnimi mobilnimi telefoni pri obeh ponudnikih HSDPA tehnologije Tabela 5.2 : Meritve hitrosti v urbanem in neurbanem okolju... 47

11 X UPORABLJENE KRATICE BIS - Bluetooth Information Server BSC - Base Station Control, kontrola baznih postaj BTS - bazna oddajno - sprejemna enota DSL - Digital Subscriber Line, digitalni naročniški priključek EDGE - Enhanced Data fot (GSM) Evolution, tehnika povečanja podatkovne hitrosti v sistemu GSM FDD - Frequency Division Duplex, frekvenčno multipleksiranje FTP - File Transfer Protocol, protokol za prenos datotek GGSN - gateway GPRS support node, vozlišče s podporo GPRS GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying, modulacija z minimalnim frekvenčnim pomikom z Gaussovim filtriranjem GPRS - General Packet Radio Service, radijska storitev paketnega prenosa GSM - Global System for Mobile Communications, globalni sistem mobilne komunikacije HSCSD - High Speed Circuit Switched Data, visoko komutirano omrežje z visoko podatkovno hitrostjo HSDPA - High Speed Downlink Packet Acces, hitri paketni prenos na navzdolnji povezavi HSUPA - High Speed Uplink Packet Acces, hitri paketni prenos od uporabnika HTTP - hypertext transfer protocol, protokol za prenos hiperteksta IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inštitut inženirjev elektrotehnike in elektronike IP - Internet Protocol, medmrežni protokol

12 XI IPTV - Internet Protocol Television, televizija na osnovi internetnega protokola IR - InfraRed, infrardeči prenos ISM - Industrial, Scientific and Medical unlicensed frequency band, frekvenčno področje od 2400 do MHz, ki je namenjeno industriji, znanosti in medicinskim napravam. MIDP - Mobile Information Device Profile, mobilni informacijski profil naprave PLMN - Public Land Mobile Network, javno zemeljsko mobilno omrežje PSK - Phase Shift Keying, modulacija s faznim pomikom RAN - Radio Acces Network, radijsko dostopovno omrežje SGSN - Serving GPRS Support Node, strežno podporno vozlišče GPRS SMS - Short Message Service, storitev kratkih sporočil TCP/IP - Transfer Control Protocol / Internet Protocol, protokol za krmiljenje prenosa / internetni protokol TDD - Time Division Duplex, časovno multipleksiranje TDMA - Time Division Multiple Acces, časovno porazdeljeni sodostop UMTS - Universal Mobile Telecommunication System, univerzalni mobilni telekomunikacijski sistem tretje generacije UTRAN - UMTS Terrestial Radio Access Network, zemeljsko radijsko dostopovno omrežje UMTS WAP - Wireless Application Protocol, brezžični aplikacijski protokol WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access, širokopasovni dostop WiFi - Wireless Fidelity, brezžična vernost WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access, svetovno združljivo delovanje pri mikrovalovnem dostopu WLAN - Wireless Local Area Network, brezžično lokalno omrežje

13 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 1 1. UVOD Dogajanje na področju telekomunikacij dandanes vstopa v ospredje in je predmet izrazitih sprememb, ki zadevajo tako operaterje, kot tudi končne uporabnike. Nekdaj izrazito tehnološko naravnano razmišljanje je danes v prvi vrsti usmerjeno k uporabniku, storitvam in vsebinam. Priprava ponudbe je v prvi vrsti osredotočena na uporabnika. V današnjih časih zaznavamo razcvet internetne komunikacije. To je predvsem posledica vse večjega razvoja internetnih ter posledično telefonskih storitev, kakor tudi vse večjih potreb in zahtev posameznih uporabnikov in podjetij. V zgodnjih osemdesetih letih se je pričel hiter razvoj analognih celičnih sistemov, ki predstavljajo prvo generacijo mobilnih telekomunikacij (1G). Pomanjkljivost te generacije je bila v omejeni uporabnosti, saj je marsikatera država razvijala lasten sistem. Zato je bil leta 1995, pod okriljem skupine Global System Mobile Telecommunications, definiran standard druge generacije mobilnih telekomunikacij (2G), na osnovi katerega je bil kasneje implementiran sistem GSM. Kljub hitremu razvoju tehnologije GSM in velike uporabnosti le-te, je kmalu postalo jasno, da bo potrebno za sodobne aplikacije obstoječo tehnologijo nadgraditi. Ker je omrežje GSM v osnovi tokovno komutirano, se omejitev odraža v okrnjenem naboru razpoložljivih aplikacij med katere spadajo prenos zvoka, SMS sporočil, elektronskih sporočil in WAP. Hiter razvoj IP tehnologije je prisilil snovalce k nadgradnji omrežja v smeri paketne komutacije, saj IP omrežja temeljijo zgolj na paketnih tehnologijah. Nadaljnji razvoj je potekal v smeri paketno komutiranega omrežja, ki ga definira izdaja 5-6 (ang. Release 5-6), ki predstavlja današnje UMTS omrežje tretje generacije (3G). Prehod iz generacije 2G v 3G ni bil direkten, temveč so se vmes pojavile alternative, kot so: HSCSD, GPRS in EDGE, ki so, predvsem operaterjem, omogočile lažji prehod. Dandanes so se komaj dodobra uveljavila mobilna omrežja generacije 3G, pa vendarle že na vrata trka generacija 3,5G s HSPDA, ki prinaša znatno večjo pasovno širino (do 14 Mbps).

14 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 2 Diplomsko delo je razdeljeno na 6 poglavij in od tega predstavimo v prvem uvodnem poglavju splošen opis razvoja mobilnih komunikacij in vse večjo uporabo internetne komunikacije preko brezžičnih mobilnih omrežij. V drugem poglavju podrobneje opišemo brezžične mobilne tehnologije po vrstnem redu, kot je potekal tudi razvoj le-teh. V tretjem poglavju na kratko predstavimo brezžično lokalno omrežje, le kot primerjavo z mobilnimi brezžičnimi tehnologijami. V četrtem poglavju na začetku na kratko predstavimo programsko orodje Netbeans ter nato pregled in razlago izvedene aplikacije za merjenje hitrosti. V petem poglavju na podlagi dobljenih rezultatov testiranja komentiramo zastavljene cilje diplomske naloge in podamo primerjavo med teoretično določenimi najvišjimi hitrostmi ter hitrostmi doseženimi v praksi. V šestem sklepnem poglavju na kratko povzamemo naše delo in predstavimo smernice za nadgradnjo aplikacije SpeedTest.

15 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 3 2. BREZŽIČNE TEHNOLOGIJE Brezžična tehnologija omogoča povezovanje naprav "brez žic", torej kablov. Z brezžičnimi povezavami med delavci na terenu ali drugih oddaljenih mest z omrežjem podjetja, bo poslovanje prilagodljivejše in uspešnejše. Danes je mobilno omrežje razširjeno po celem svetu in je zlasti v zadnjih letih postalo popularno za uporabnike prav zaradi razpoložljive velike pasovne širine. V Sloveniji imamo več UMTS ponudnikov, to so: Mobitel, Simobil, T-2 in Tušmobil. Nudijo uporabo več standardnih aplikacij, kot so: spletno brskanje, VoIP, elektronska sporočila, FTP, video aplikacije in vse bolj priljubljeno IPTV v mobilnih omrežjih UMTS/HSDPA. V nadaljevanju bomo na kratko predstavili, kako na zgoraj navedene aplikacije vpliva karakteristika pasovne širine v omrežju UMTS, kako prioritetni razredi vplivajo na zakasnitve, kako so odzivni časi korelirani z aplikacijo v omrežju in v primeru uporabe več aplikacij hkrati. 2.1 Zgodovina brezžičnih omrežij Brezžično omrežje omogoča pošiljanje signalov po zraku z uporabo elektromagnetnega valovanja in brez uporabe žic. Zgodovina brezžičnih omrežij sega 200 let nazaj, ko je Benjamin Franklin leta 1747 dokazal, da se elektrika lahko širi po zraku. Naslednji korak je bil oscilator, ki ga je leta 1887 iznašel Heinrich Rudolf Hertz in tako odkril radijske valove. Nato je leta 1895 Guglielmo Marconi iznašel prvi radijski oddajnik in leta 1901 poslal telegram preko Atlantskega ocena [3]. Zatem se začne uporaba brezžičnih omrežij v vojski in kasneje pri poletih v vesolje (Sputnik).

16 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 4 Leta 1971 so raziskovalci na Havajski univerzi razvili prvo brezžično računalniško omrežje na svetu, imenovano ALOHAnet. Sistem je vključeval sedem računalnikov na štirih otokih, ki so z glavnim računalnikom na otoku Oahu komunicirali brez uporabe telefonskih žic in z lastnimi protokoli. Prvotno je bila strojna oprema za brezžično omrežje zelo draga, zato so jo uporabljali le tam, kjer je bila uporaba žičnega omrežja nemogoča. Protokole za brezžično povezovanje so ob koncu devetdesetih let nadomestili s standardi, največ z različicami IEEE Brezžičnih omrežij je več vrst: GSM ( Global System for Mobile communications globalni sistem za mobilne komunikacije), IR ( InfraRed infrardeči prenos), WLAN, Bluetooth itd. V poglavju o WLAN se bomo osredotočili na brezžična lokalna omrežja WLAN s standardi IEEE a, b in g, ki omogočajo hitrosti povezovanja do 54 Mbps [4]. V zgodnjih osemdesetih letih se je pričel hiter razvoj analognih celičnih sistemov, ki predstavljajo prvo generacijo mobilnih telekomunikacij (1G). Pomanjkljivost te generacije je bila v omejeni uporabnosti, saj je marsikatera država razvijala lasten sistem. Zato je bil leta 1995, pod okriljem skupine 'Global System Mobile Telecommunications' definiran standard druge generacije mobilnih telekomunikacij (2G), na osnovi katerega je bil kasneje implementiran GSM. Kljub hitremu razvoju tehnologije GSM in velike uporabnosti le-te, je kmalu postalo jasno, da bo potrebno za sodobne aplikacije obstoječo tehnologijo nadgraditi. GSM omrežje je v osnovi vodovno komutirano, zato se omejitev odraža v okrnjenem naboru razpoložljivih aplikacij, med katere spadajo prenos zvoka, SMS sporočil, elektronskih sporočil in WAP-a. Hiter razvoj IP tehnologije je prisilil snovalce k nadgradnji omrežja v smeri paketne komutacije, saj IP omrežja temeljijo zgolj na paketnih tehnologijah. Nadaljnji razvoj je potekal v smeri paketno komutiranega omrežja, ki ga definira izdaja 5-6, ki ga predstavlja današnje omrežje UMTS tretje generacije (3G). Prehod iz generacije 2G v 3G ni bil direkten, temveč so se vmes pojavile alternative kot so HSCSD, GPRS in EDGE, ki so operaterjem omogočile lažji prehod. Dandanes so se komaj dodobra uveljavila mobilna omrežja generacije 3G, pa vendarle že na vrata trka generacija 4G z HSPDA, ki prinaša znatno večjo pasovno širino (teoretično do 14 Mbps).

17 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran GSM in razvoj proti tretji generaciji Sistem GSM v osnovni izvedbi omogoča prenos govornega signala in prenos podatkovnega signala do hitrosti 9,6 kb/s, v vodovnem načinu delovanja. Zato je razumljivo, da so se pojavile potrebe po določenih spremembah oz. nadgradnji sistema GSM. Potrebe po nadgradnji izhajajo iz treh dejstev: Hitrost podatkovnega prenosa 9,6 kb/s je prenizka, saj smo se z uporabo žičnega dostopa do Interneta navadili mnogo višjih hitrosti. Vodovna komutacija je za določene storitve rafalnega značaja postala neučinkovita in draga, zato so se pojavile potrebe po paketnem prenosu. Vse večja stopnja zgrajenosti mobilnih omrežij, to so vse bolj ugodna razmerja med močjo koristnega in interferenčnega signala, omogoča uporabo šibkejšega kanalskega kodiranja in manj odpornih načinov modulacije. To sicer povzroči slabšo odpornost signala na motnje, a omogoča večjo hitrost prenašanja koristne informacije. Evolucijska pot proti UMTS za GSM omrežja se kaže v treh tehnologijah: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) : hitri vodovno komutiran prenos podatkov GPRS (General Packet Radio Service) : splošna paketna radijska storitev in EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) : GSM za hitrejše podatkovne komutacije

18 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran HSCSD Možnosti za povečanje hitrosti v standardu GSM je več. HSCSD je izbral najosnovnejšo, ki uporablja pravilo, da lahko prenašamo večjo vsebino s povečanjem časovnega pasu. Standard GSM v svojem radijskem delu uporablja tehniko TDMA. Širina frekvenčnega nosilca je konstantna in znaša 200 khz. Frekvenčni nosilec je razdeljen na osem časovnih oken oz. prometnih kanalov. Pri govoru vsak uporabnik zaseda eno osmino frekvenčnega nosilca, kar mu omogoča v radijskem delu hitrost do 12 kb/s (celotnega okvirja RLC) oziroma 14,5 kb/s z uporabo spremenjenega kanalskega kodiranja (TCH/F14,4). V 12 kb/s je 9,6 kb/s uporabne vsebine, preostalo pa so podatki, potrebni za prenosni protokol (kontrolni in signalni biti), in nekaj prostih bitov. Pri 14,5 kb/s je uporabne vsebine 14,4 kb/s preostalo je enako kot pri 12 kb/s, vendar bolj optimizirano. Torej ne povečujemo širine frekvenčnega pasu ampak omogočamo asimetrično dodeljevanje več časovnih oken (prometnih kanalov) sočasno istemu uporabniku. Teoretično največje število uporabljenih časovnih oken je osem, kar bi pomenilo, da bi uporabili ves 200 khz frekvenčni kanal in ga združili v niz osmih časovnih oken. To bi pomenilo, da bi imeli na voljo hitrost prenosa 76,8 kb/s oz. celo 115,2 kb/s z uporabo spremenjenega kanalskega kodiranja. Takšne hitrosti pa je relativno težko pričakovati in lahko rečemo, da lahko trenutno združujemo do štiri časovna okna. Kakovost storitev je izrazito odvisna od razpoložljivih zmogljivosti. To pomeni, da se uporabnik ne more naročiti na določeno kakovost storitev (zajamčeno bitno hitrost) oz. na razpoložljivost določenega števila kanalov. Prometni kanali se dodeljujejo dinamično. Če so posamezni kanali prosti, jih lahko uporabnik HSCSD uporabi in si tako zagotovi večji prenos podatkov. V najslabšem primeru ima tako na razpolago samo en prometni kanal, ki mu omogoča hitrost 9,6 kb/s. Komutacija je še vedno vodovna, princip pa je prikazan na sliki 2.1.

19 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 7 Slika 2.1 : Princip dodeljevanja več kanalov istemu uporabniku v HSCSD V primeru slike 2.1 smo istemu uporabniku dodelili 4 časovna okna za zvezo k uporabniku, kar omogoča hitrost 4*9,6 kb/s = 38,4 kb/s, in eno samo okno za zvezo od uporabnika [5], kar omogoča hitrost 9,6 kb/s. Sistem omogoča različne hitrosti (tabela 2.1) vse do 57,6 kb/s (4*14,4 kb/s), za kar pa je potrebna nadgradnja omrežja s kanalom TCH/F14.4, ki na račun spremenjenega kanalskega kodiranja omogoča hitrost 14,4 kb/s na kanal (tabela 2.1). Uporabna hitrost (kb/s) TCH/F4.8 TCH/F9.6 TCH/F14.4 4,8 1 N/A N/A 9,6 2 1 N/A 14,4 3 N/A 1 19,2 4 2 N/A 28,8 N/A ,4 N/A 4 N/A 43,2 N/A N/A 3 57,6 N/A N/A 4 Tabela 2.1 : Uporabne prenosne hitrosti v HSCSD [5] Uvajanje HSCSD je na strani mobilnega omrežja relativno enostavno, saj zadostuje programska nadgradnja obstoječega omrežja in ne zahteva dodatnih sprememb v obstoječi

20 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 8 infrastrukturi omrežja. Na strani uporabnika je potrebna nova elektronika, kar pomeni, da mora uporabnik kupiti nov mobilni terminal, ki je sposoben združevati in razdruževati podatke v več vzporednih podatkovnih tokih. Rešitev je primerna za aplikacije, kot so prenos podatkov v realnem času, elektronske pošte, dostop do lokalnih mrež in za zahtevnejše prenose z zagotovljeno kakovostjo zveze. 2.4 GPRS GPRS je okrajšava za General Packet Radio Services. To storitev pogosto imenujejo tudi 2,5G, ker je tehnologija med drugo (2G) in tretjo (3G) generacijo digitalne mobilne tehnologije. Uporablja mobilna telefonska omrežja in omogoča prenos podatkov s hitrostmi do 114 kb/s. Omogoča, da z mobilnim telefonom ali dlančnikom uporabljamo splet, pošiljamo in sprejemamo e-pošto ter prenašamo podatke in večpredstavnost. GRPS je celo dovolj hiter za videokonference s sodelavci in klepetanje s sorodniki z izmenjavo neposrednih sporočil, ne glede na to, kje smo. Prav tako omogoča povezovanje prenosnega računalnika in drugih mobilnih naprav v internet. Nadgradnja GPRS uvaja v sistem GSM paketni prenos podatkov s spremenjenim kanalnim kodiranjem, kar pomeni, da omrežje uporabniku ne dodeli kanala za ves čas komunikacije, temveč mu ga dodeljuje po potrebi za prenos posameznih paketov, dinamično v skladu s prostimi kapacitetami. Povedano drugače, možna je uporaba enega kanala za več uporabnikov, ker se podatki prenašajo v paketih, kanal pa je zaseden tako dolgo, dokler poteka prenos paketa, preostali čas pa ga lahko uporablja drug naročnik. Opisani način je zelo primeren za kratkotrajne rafalne prenose podatkov, kar v praksi poteka pri brskanju po internetu. Druga sprememba, ki jo uvaja GPRS, je sprememba kanalnega kodiranja. Predvidene so štiri različne kodne sheme CS-1, CS-2, CS-3, CS-4 [4]. Osnovne značilnosti so podane v tabeli 2.2.

21 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 9 Kodirna shema Kodirno razmerje Uporabna hitrost (kb) Končno število bitov (kb) Končna hitrost (kb) Število podatkovnih bitov/20ms CS-1 0,4 9, ,8 181 CS-2 0,59 13, ,8 268 CS-3 0,68 15, ,8 321 CS-4 0,94 21, ,8 428 Tabela 2.2 : Osnovne značilnosti kodirnih shem v GPRS [5] Glavna razlika med kodnimi shemami je v moči kodiranja. Vidimo, da shema CS-1 predvideva močnejše kodiranje, kot se uporablja v GSM. To se odraža v močnejši zaščiti podatkov proti napakam na prenosnem kanalu, po drugi strani pa zmanjšamo količino koristnih podatkov (9,085 kb/s pri uporabi enega radijskega kanala). Pri ostalih shemah je kodiranje šibkejše, ker pomeni, da sicer dosežemo višje uporabne hitrosti, vendar je signal manj zaščiten proti pojavom v mobilnem prenosnem kanalu. Uporaba teh treh kodirnih shem (CS-2, CS-3 in CS-4) v primerjavi s sistemom GSM pomeni, da zahteva boljše razmere na prenosnem kanalu. Ali rečeno drugače, šibkejše kodiranje bo moč upravljati le v delu celice z boljšimi razmerami. Boljše razmere pomenijo višje razmere med močjo koristnega signala (C) in močjo interferenčnega signala (I). Razmerje je odvisno od kvalitete planiranja in izgradnje celičnega mobilnega omrežja. Hitrost prenosa podatkov, katero bi naj omogočil sistem GPRS, bi naj znašala do 115 kb/s (8*14,4 kb/s), z največjo pričakovano hitrostjo okoli 171,2 kb/s (8*21,4 kb/s), vendar analiza pokaže, da je ta številka precej optimistična, saj predstavlja 8 časovnih oken za istega uporabnika in kodirno shemo CS-4. Postavlja se vprašanje, kako bodo mobilni operaterji ovrednotili oz. zaračunali prenos govora ali prenašanje podatkov mobilnega uporabnika. Možna sta sicer dva scenarija: Prvi je enak, kot v vodovnem načinu (npr. GSM), pri katerem plača uporabnik čas, ki ga je prebil v zvezi.

22 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 10 Drugi možni scenarij je, da obstaja stalna povezava med terminalom in omrežjem, zaračunava pa se le količina prenesenih podatkov in ne čas, ki je potreben za prenos. Nekateri evropski operaterji so že napovedali zaračunavanje na podlagi dolžine trajanja zveze (torej enako kot pri GSM), drugi pa kombinirano tarifiranje. Sistem GPRS zahteva kar precejšnjo nadgradnjo sistema GSM. Potrebno je zgraditi nov paketni del omrežja (SGSN, GGSN, IP omrežje). Z novo elektronsko in programsko opremo nadgraditi obstoječe elemente omrežja (bazne postaje BTS, kontroler baznih postaj BSC, centralo ter registre uporabnikov). 2.5 EDGE Nadgradnja EDGE pomeni spremembo modulacije. V omrežju GSM uporabljamo modulacijo z minimalnim frekvenčnim pomikom z Gaussovim potekom GMSK. To je zelo robustna modulacija, kjer vsak posamezni bit opišemo s spremembo faze, z vsakim posameznim bitom pa opišemo 1 simbol. Sistem EDGE bo dosedanji modulaciji GMSK dodal še 8-PSK modulacijo, kjer s 3 biti opišemo en simbol. Principa obeh modulacij sta prikazana na sliki 2.2.

23 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 11 Slika 2.2 : Princip modulacije v EDGE s konstantno amplitudo [5] Uvedba modulacije 8-PSK omogoča za trikrat višje prenosne hitrosti, vendar je manj robustna in odporna na pojave v mobilnem prenosnem kanalu. Za sistem EDGE je predvidenih 12 novih načinov kanalnega kodiranja, ki zagotavljajo prenosne hitrosti od 8,8 kb/s do 59,2 kb/s na časovno okno (tabela 2.3). Vodovni del (ECSD) Paketni del (EGPRS) Način modulacije Največja hitrost (kb/s) Shema kanalskega kodiranja 8-PSK 28,8 E-TCH / F PSK 32 E-TCH / F PSK 43,2 E-TCH / F 43.2 GMSK 8,8 MSC - 1 GMSK 11,2 MSC - 2 GMSK 14,8 MSC - 3 GMSK 17,6 MSC PSK 22,4 MSC PSK 29,6 MSC PSK 44,8 MSC PSK 54,4 MSC PSK 59,2 MSC - 9 Tabela 2.3 : Značilnosti kodirnih shem EDGE [17]

24 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 12 Poleg tega sta predvidena oba načina komutacije, tako vodovno, ki se sedaj še uporablja v GSM, kot tudi paketno, ki ga uporablja GPRS. EDGE naj bi omogočil prenosne hitrosti podatkov do 384 kb/s v TDMA okvirju. Za uvedbo nadgradnje EDGE bodo v sistemu GSM potrebni zelo obsežni posegi v elektroniko in programsko opremo celotnega omrežja in tudi večje število baznih postaj (tabela 2.4) [5]. Vrsta komutacija Aplikacije Hitrost (komercialna) Hitrost (pričakovana) GSM HSCSD GPRS EDGE UMTS vodovna vodovna paketna oboje oboje aplikacije v realnem času aplikacije v realnem času rafalni prenosi oboje oboje 9,6 (14,4) kb/s 57,6 kb/s 115 kb/s 384 kb/s 2 Mb/s 9,6 (14,4) kb/s 43,2 kb/s 50 kb/s 150 kb/s 384 kb/s Cena zmerna nizka zmerna visoka zelo visoka Tabela 2.4 : Primerjava rešitev proti 3G [5]

25 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 13 Slika 2.3 : Evolucija 2G proti 3G [17] Nedavno smo zasledili, da operater Si.mobil zagotavlja 99,6% pokritost slovenskega prebivalstva s signaloma GPRS, 90% pokritost s signalom EDGE, 30% pokritost s signalom UMTS in 30% pokritost s signalom HSDPA.

26 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran UMTS Uvod v UMTS Glavna storitev, ki nam jo prinese sistem UMTS, je visoka prenosna hitrost, ki znaša pri visoki mobilnosti 144kbit/s, v urbanem okolju do 384kbit/s ter lokalno do 2Mbit/s. Z višjimi bitnimi hitrostmi seveda pospešimo rast ter razvoj nekaterih novih storitev, kot so različne multimedijske storitve ter lokacijske storitve. Te nove storitve in visoke bitne hitrosti nam omogočajo hiter dostop do želenih informacij. V omrežju UMTS lahko realno pričakujemo novo»killer«aplikacijo, kot je bil recimo SMS v omrežju GSM, kar pomeni, da bo prenos podatkov v omrežju strmo naraščal. Toliko bolj pomembno je, da nam zagotavlja hiter dostop do informacij, saj tako pri velikem številu sočasnih uporabnikov povezanih na določeno bazno postajo zmanjšujemo obremenitev le-te. Na začetku razvoja mobilnih sistemov tretje generacije smo imeli skoraj ves promet govorni, danes pa opazimo, da delež podatkovnega prometa narašča eksponentno. Temu botruje razvoj novih tehnologij in vedno večja ponudba različnih storitev. Torej se je promet v mobilnih omrežjih pomaknil iz vodovno komutiranih povezav v paketno komutirane povezave, kar zahteva učinkovito medsebojno delovanje protokolov TCP/UDP/IP za hiter podatkovni promet v omrežju UMTS. Za pravilno razumevanje kakovosti storitev ter različnih nosilnih storitev v omrežju UMTS, moramo najprej spoznati arhitekturo sistema UMTS. Arhitektura sistema in različni deli omrežja nam bodo dali pregled, kam lahko uvrstimo nosilne storitve Arhitektura sistema UMTS V tem poglavju bomo predstavili zgradbo sistema UMTS, vključno z logičnimi elementi omrežja in vmesniki. Osnova sistema je prevzeta iz mobilnih omrežij druge generacije. Sistem UMTS je sestavljen iz številnih logičnih mrežnih elementov, od katerih ima vsak specifično funkcijo. V izdanih standardih so mrežni elementi definirani na logičnem nivoju, vendar imamo pogosto fizične izvedbe le-teh. Še posebej, kjer uporabljamo številne odprte vmesnike. Mrežne elemente v osnovi delimo glede na funkcionalnost ali glede na to, v katero podomrežje spadajo.

27 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 15 Funkcionalnost mrežnih elementov delimo v tri skupine: UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) omrežje, katero zajema vse radijske funkcije. CN (Core Network) ali povezovalno omrežje, se uporablja za preklapljanje in usmerjanje klicev podatkovnih povezav k zunanjim omrežjem. UE (User Equipment) ali uporabniška oprema, pa predstavlja uporabniški vmesnik. Specifikacija in standardizacija elementov UTRAN in UE določa popolnoma nove protokole, ki so razviti za potrebe novega radijskega vmesnika sistema WCDMA. V nasprotju s tema elementoma pa je element CN prevzet iz omrežja GSM. Tako imamo novo radijsko tehnologijo ter že uveljavljen sistem CN, kar nam zagotavlja pospešen hiter razvoj in omogoča konkurenčne prednosti globalnega razvoja [6]. Glavna elementa paketne domene sta SGSN (ang. Serving GPRS Support Node) podporno vozlišče za strežni GPRS, in GGSN (ang. Gateway GPRS Support Node) podporno vozlišče za prehod GPRS. SGSN hrani naročniški profil, skrbi za informacijo o njegovi lokaciji in usmerja paketni promet po jedrnem omrežju, medtem ko GGSN povezuje jedrno omrežje z zunanjimi paketnimi omrežji. Osnovna oddajno/sprejemna postaja BTS (ang. Base Transceiver Station) je namenjena oddajanju UMTS signala v posamezne sektorje, kar pomeni, da je omrežje UMTS grajeno celično. Vsaka od baznih postaj pa predstavlja eno celico, ki pokriva določeno področje terena. Iz tega vidika predstavlja BTS oddajno točko med WCDMA vmesnikom načina prenosa po zraku in prenosnim omrežjem RAN (ang. Radio Area Network). Podsistem bazne postaje BSS je sestavljen je iz dveh delov: BTS postaje in nadzornika bazne postaje BSC. Naloga BTS-a je zagotavljanje potrebnih frekvenčnih kanalov oziroma nosilcev za vzpostavitev dvosmernih radijskih zvez do mobilne postaje, ki se nahaja v njenem dosegu. Hkrati še izvaja funkcije šifriranja podatkov, pretvarjanje radijskega prenosa v digitalno obliko, merjenje signala med prenosom, opravlja časovno izravnavo med oddanimi in sprejetimi signali itd. Vsebuje tudi modulatorje, demodulatorje, kodirnike kanalov, dekoderje

28 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 16 BSC (ang. Base Station Controller) skrbi za predajo zveze med celicami (mobilni uporabnik), dodeljuje frekvenčne nosilce radijskim zvezam in zagotavlja potrebno kvaliteto na osnovi izvedenih meritev (npr. prilagaja oddajno moč). Omrežni podsistem NSS vsebuje centralo mobilnih uslug MSC, komutira zveze in išče proste zveze med mobilnimi postajami. Register domače lokacije HLR vsebuje podatke o naročnikih v danem MSC področju. Register gostujoče lokacije VLR vsebuje podatke gostujočih uporabnikov. Avtentikacijski center AuC vsebuje metode za preprečevanje prisluškovanja med radijskem prenosom in register identitete naprav EIR, ki v navezi s seznamom številk mobilnih postaj ugotavlja, v kateri enoti je dovoljen dostop do omrežja. Operacijski in vzdrževalni podsistem OSS podpira enega ali več operacijskih vzdrževalnih centrov, s katerimi nadzira elemente omrežja, kot so: MSC, BTS in MSC. Vključuje podatke o fizični strukturi omrežja, podatke o opremi, ki poganjajo sistem in podatke o trenutnem stanju omrežja. Naslednji način, kako delimo mrežne elemente sistema UMTS, je delitev teh na podomrežja. V sistemu lahko imamo več različnih elementov omrežja istega tipa, zato pravimo, da je sistem moduliran, vendar potrebujemo vsaj en omrežni element vsakega tipa, da omrežje funkcionira pravilno z minimalnimi zahtevami. Če se izrazimo drugače, uporabljamo lahko več enot istega tipa, kar nam omogoča delitev sistema UMTS v podomrežja. Ta podomrežja lahko delujejo neodvisno vsaka zase ali pa v povezavi z ostalimi podomrežji. Razlikujemo jih med seboj z edinstveno identiteto. Takšno podomrežje imenujemo UMTS PLMN (Public Land Mobile Network). Eno takšno omrežje ponavadi upravlja en operater v povezavi z ostalimi takšnimi tipi podomrežij, kot so ISDN, PSTN, Internet ipd. Na sliki 2.4 so prikazani mrežni elementi nekega podomrežja PLMN. Razvidne so povezave med elementi ter povezave med zunanjimi omrežji.

29 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 17 Slika 2.4 : Shema mrežnih elementov v podomrežju sistema UMTS [18] Na kratko bomo predstavili vse notranje elemente podomrežja, ki so prikazani na sliki 2.5. UE ME (Mobile Equipment) ali mobilna oprema - je radijski terminal, s katerim komuniciramo preko Uu vmesnika. USIM (USIM Subscriber Identity Module) - je tako imenovana pametna kartica, ki vsebuje identiteto naročnika, predstavlja legalni algoritem za uporabo storitev, dokazuje prisotnost naročnika, vsebuje šifrirne ključe ter še nekatere informacije o naročniku. UTRAN Vozlišče B - z njim preoblikujemo tok podatkov med vmesnikoma Iub in Uu. Termin vozlišče B uporabljamo glede na specifikacijo 3GPP. V splošnem pa uporabljamo vsem dobro poznan termin bazna postaja. RNC (Radio Network Controler) - že samo ime pove, da z njim kontroliramo radijske vire. Nanj je priključeno vozlišče B, preko RNC-ja pa dostopamo do vseh storitev UTRAN, katere sprejme CN. Z njim torej upravljamo povezave k UE.

30 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 18 Dostopovno omrežje UTRAN vsebuje več podsistemov, ki so preko vmesnika Iu povezani z nosilnim omrežjem. Posamičen podsistem RNS sestavlja ena kontrolna enota RNC (ang. Radio Network Controller) in eno ali več vozlišč B. Med vozliščema B in RNC se nahaja vmesnik Iub. Preko vmesnika Iur pa je mogoča komunikacija med dvema podsistemoma RNS, kar je novost v primerjavi z omrežjem GSM. Vsak podsistem upravlja z radijskimi kapacitetami celic, ki jih pokriva. Slika 2.5 : Sestava UTRAN segmenta omrežja UMTS [20] Elementa dostopovnega omrežja sta torej vozlišče B in omrežni radijski kontroler RNC. Prvi izmed naštetih zagotavlja podporo UMTS radijskemu vmesniku, medtem ko RNC predstavlja takoimenovano srce dostopovnega omrežja. Vsi sklepi in odločitve o obratovanju omrežja se določajo v tem segmentu, prav tako pa se tukaj nahaja visokohitrostno paketno stikalo, ki zagotavlja zadostno podatkovno prepustnost. RNC tako upravlja vse enote BTS, ki so nanj priključene, skrbi za kontrolo nad radijskim prenosom, kvaliteto prenosa, oddajno močjo, vzpostavlja in prekinja povezave itd.

31 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 19 Povezovalno omrežje CN HLR (Home Location Register) ali lokacijski register naročnika - je podatkovna baza nameščena v sistemu uporabnika, v kateri se shranjuje profil storitev, ki jih uporablja naročnik. Torej se shranjujejo podatki, kot so informacije o dostopnih storitvah, poizkusih nelegalnih dostopov, ter seznam klicev in številk, ki jih uporabnik kliče. Bazo ustvarimo takoj, ko se prijavimo v sistem in obstaja tako dolgo, dokler je naročnik aktiven. Prav tako se v bazi shranjujejo podatki, ko prejemamo vhodne transakcije (klici, SMS), kot so lokacijske informacije ipd. MSC/VLR (Mobile Service Switching Centre/Visitor Location Register) - imamo torej dva dela: preklopni center mobilnih storitev ter lokacijski register gosta, skupaj tvorita centralo v UMTS. S pomočjo njiju lahko ugotovimo trenutno lokacijo uporabniške opreme. MSC se uporablja za preklop transakcij domene CS, VLR pa za shranjevanje podatkov uporabnikov, ki so obiskali storitev. GMSC (Gateway MSC) ali vozlišče MSC - je stikalo, s katerim povezujemo podomrežje PLMN z zunanjim tokokrogovno komutiranim omrežjem. Vsi odhodni in dohodni klici gredo skozi GMSC. SGSN (Serving GPRS Support Node) - ima podobno nalogo kot MSC/VLR le z razliko, da ga običajno uporabljamo za paketno komutirane (PS) storitve. GGSN (Gateway GPRS Support Node) - je podoben elementu GMSC, vendar ga prav tako uporabljamo za storitve PS. Hrbtenično omrežje, ki temelji na paketnih tehnologijah, povezuje dostopovno omrežje z jedrnim omrežjem, ki ga sestavlja skupina medsebojno povezanih IP usmerjevalnikov.

32 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 20 Slika 2.6 : Struktura omrežja UMTS [20] Zunanja omrežja: Vodovno komutirano (CS) omrežje - so obstoječa omrežja, kot na primer ISDN in PSTN. Paketno komutirana (PS) omrežja - primer te vrste omrežja je Internet. V sistemu UMTS imamo strukturirane standarde, kar pomeni, da ni natančno določena interna funkcionalnost mrežnih elementov. Namesto tega imamo definirane vmesnike, ki povezujejo mrežne elemente. To so takoimenovani odprti vmesniki: Cu vmesnik - električni vmesnik, s katerim povezujemo ME in USIM. Uu vmesnik - radijski vmesnik sistema WCDMA in je najbolj pomemben odprti vmesnik v sistemu UMTS. S pomočjo Uu vmesnika imamo z uporabniško opremo omogočen dostop v fiksni del sistema. Iu vmesnik - z njim povezujemo UTRAN in CN. Podobno kot vmesnika A in Gb v omrežju GSM, omogoča, da lahko operaterji UMTS dostopajo do UTRAN in CN preko naprav različnih proizvajalcev. Iur vmesnik - z njim lahko izvedemo mehko predajo zveze med RNC-ji različnih proizvajalcev in je kot nekakšno dopolnilo vmesnika Iu.

33 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 21 Iub vmesnik - povezuje vozlišče B in RNC. Omrežje UMTS je prvo komercialno mobilno telefonsko omrežje, kjer je vmesnik med bazno postajo in kontrolorjem standardiziran, kot popolnoma odprti vmesnik. V praksi pogosto imenujemo omrežje UTRAN tudi radijski vmesnik. Vendar, če želimo biti natančni, smo lahko videli, da omrežje UTRAN vsebuje številne elemente, zato seveda takšne posplošitve ne moremo uporabljati Nosilne storitve v UMTS Po predstavitvi arhitekturnega modela sistema UMTS lahko sedaj preidemo na nosilne storitve sistema. Opisali bomo nosilne storitve posameznega dela omrežja in za vsak logični mrežni element opisali nosilno storitev. Termin nosilna storitev uporabljamo za osnovno storitev določenega dela omrežja. Poznamo nosilne storitve posameznih elementov omrežja in nosilno storitev celotnega omrežja. Bistvena novost v omrežju UMTS, v primerjavi s sistemom GSM in drugimi obstoječimi mobilnimi omrežji, je nova arhitektura kakovosti storitve, imenovana QoS (Quality of Service). Sistem arhitekture QoS omogoča takoimenovano pogajanje radijskega nosilca pri posamezni povezavi. Izraženo z drugimi besedami to pomeni, da lahko v različnih okoliščinah, kot so obremenjenost, zakasnitve, ipd., pri posamezni vzpostavitvi zveze določimo lastnosti nosilca, ki so najbolj primerne za trenutno povezavo. Z njimi definiramo karakteristike prenosa podatkov posamezne povezave, ki vključujejo prepustnost, prenosno zakasnitev in podatkovno razmerje napak. Kakovost storitev v omrežju se z določitvijo teh parametrov bistveno izboljša. V omrežju UMTS lahko uporabljamo širok niz aplikacij, ki pa imajo med seboj različne zahteve glede kakovosti storitve. Bistvena prednost v omrežju UMTS glede na ostala omrežja je, da delimo različne zahteve kakovosti storitve na posamezne razrede. S temi razredi določamo različne zahteve za posamezne povezave. Nosilci sistema UMTS so po naravi splošni, kar pomeni, da omogočajo dobro podporo obstoječim ter pospešujejo razvoj novih aplikacij. To pomeni, da omrežje UMTS omogoča uporabniku oz. njegovi aplikaciji pogajanje z osnovnimi karakteristikami, ki so najbolj primerne za trenutni prenos podatkov. Pri tem pa je zelo pomembno, da lahko med samim

34 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 22 potekom aktivne povezave te karakteristike spreminjamo. Tak postopek imenujemo obratna pogajalska procedura. Torej lastnosti nosilca lahko spremenimo glede na trenutne razmere v aktivni povezavi. Pogajanja radijskega nosilca, ki jim pravimo tudi nosilna pogajanja, izvajamo z aplikacijo, medtem ko lahko postopek obratne pogajalske procedure izvajamo z aplikacijo ali pa s strani omrežja. Slednjo možnost poznamo pod imenom predaja zveze ali»handover«. Lastnosti nosilcev seveda neposredno vplivajo na ceno storitve. Razred kakovosti storitve ter vrednosti parametrov nosilne storitve morajo biti med sabo enaki tako v aplikaciji, kot v omrežju, ki leži med pošiljateljem in prejemnikom. Nastavitev parametrov moramo nastaviti tako, da je pogajanje čimbolj preprosto in nedvoumno. Koncept kakovosti storitve moramo prav tako dovolj prilagoditi za pogajanje nosilcev z aplikacijami, ki se šele razvijajo UMTS FDD in TDD Sistem UMTS potrebuje širok frekvenčni pas po katerem lahko učinkovito širi signal ter deluje z bitno hitrostjo (chip rate) [1] 3,84 Mchips/s in to pretvarja v zahtevano spektralno širino 5 MHz. Če je spekter širši od 1,25 MHz pravimo temu širokopasovni CDMA. Število čipov (bitov) pri širjenju signala je bistveno večja od podatkovnih bitov. Stopnja čipov (chip rate) se meri v milijonih čipov na sekundo,»megachips na sekundo«(mcp). Dostop do potrebnega frekvenčnega spektra bo ključnega pomena za razvoj sistema UMTS. Frekvenčni spekter je omejen in izredno dragocen vir, zaradi česar ga je treba izkoriščati na čim bolj učinkovit način, če se hoče zadovoljiti potreba po novih storitvah, ki vse bolj narašča. Potreba pa je različna od dežele do dežele, kar je najbolj odvisno od faktorjev gostote prebivalstva in razvoja ekonomije. UMTS pozna dve vrsti dupleksiranja, in sicer: FDD pomeni frekvenčno dupleksiranje, kot v GSM-ju ločuje prenos prometa navzgor in navzdol z ločevanjem prometa v različne frekvenčne kanale. Seveda mora imeti operater najprej dodeljen frekvenčni par za katera ima dovoljenje, da lahko z njima vodi omrežje, omejenega s terminom spektralni par. Za FDD se porabljajo frekvence od 1920 do 1980 MHz za promet navzgor in za promet

35 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 23 navzdol od 2110 do 2170 MHz. Operater potrebuje dodeljena najmanj dva para frekvenčnih kanalov po 5 MHz, enega za prenos navzgor in enega za navzdol ločena za 190 MHz. TDD ali časovno dupleksiranje zahteva samo en frekvenčni kanal za promet navzgor in navzdol, ki je ločen s pošiljanjem ob različnih časih. Uporaba spektra po ITU-T je izvedena kot je prikazana na sliki 2.7. Sistem TDD potrebuje samo en 5 MHz pas v katerem deluje in ki nastopa pogosto kot brezparni spekter. Razlika med UMTS FDD in TDD je edino opazna pri nižjih slojih, posebno na radijskem vmesniku. V višjih slojih je večina operacij obeh sistemov enaka. Kot že samo ime nakazuje, sistem TDD ločuje prenos navzgor in navzdol z vstavljanjem prometa v različne časovne reže. V UMTS-ju se uporablja 10 ms veliko okno, ki je razdeljeno na 15 enakih rež. TDD lahko določi za prenos prometa navzgor ali navzdol z enim ali več prelomi med dvema režama v oknu (slika 2.7). Slika 2.7 : UMTS frekvenčna razporeditev TDD sistem ne bi smel veljati za neodvisno omrežje, ampak raje kot dodatek za FDD sistem, ki pri višjih prenosnih hitrostih pokriva dostopne točke. FDD ni primeren za zelo obsežen razvoj zaradi vmesnika med stranema, medtem ko je TDD idealen za pokrivanje znotraj malih področij. Makrocelica, kjer je v uporabi način FDD, bo zagotavljala pokritost širokega področja in se uporablja tudi za premikajoče se uporabnike z velikimi hitrostmi. Mikrocelice se uporabljajo na uličnem nivoju za zunanjo pokritost in tam, kjer ni možna pokritost z makrocelicami. Oblika celic je zasnovana šesterokotno, lahko pa bi jih oblikovali tudi drugače, na primer v obliki ulic z dolžino okoli 200 do 400 metrov, kar bi predvsem ustrezalo mestnemu načinu. Pikocelica se uporablja predvsem v notranjosti stavb in tudi v

36 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 24 primerih, ko je potreba po podatkovnih pretokih večja (prenosni računalniki, multimedijske konference, itd.). Na kakšen način so pikocelice razvrščene, je odvisno od njihovega največjega dosega v podanem okolju (znotraj ali zunaj), njihova največja velikost pa je omejena na približno 75 metrov (slika2.8). Slika 2.8 : Prilagodljivo tri slojno UMTS omrežje [17] Pomembno je torej vedeti, koliko slojev bo potrebnih oziroma zadostnih za pravilno delovanje sistema. Seveda je tudi pomembno, ali uporabljamo parne ali neparne frekvence oziroma oboje hkrati. Če pojma povežemo, se lahko vprašamo, kakšen frekvenčni pas za posameznega operaterja je potreben, da zagotavlja zahtevano število slojev. Za popolno delovanje sistema so potrebni prav vsi trije sloji (piko, mikro in makro) s podporo parnih, kot tudi neparnih frekvenc. Za mrežnega operaterja je torej kot osnova pomembna določitev parnih frekvenc za FDD delovanje:

37 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 25 2 x 5 MHz bo dovolj samo za en sloj; hierarhična struktura v tem primeru ne bo izvedljiva; 2 x l0 MHz bo dalo prostor za dva sloja, na primer makro in mikrocelični sloj ali makro in pikocelični sloj; 2 x 15 MHz bo zadostovalo za razvoj popolne hierarhične celične strukture, kjer je prometna potreba velika; možnih bo več slojev, na primer ena makro in dve mikrocelici; 2 x 20 MHz bo dovoljevalo povečano prilagodljivost in dodatno kapaciteto. 2.7 HSDPA/HSUPA Maja 2006 je izšel članek [12] z novico, da je japonsko telekomunikacijsko podjetje izkoristilo neko lepo in sončno dopoldne ter odpeljalo svoje poslovne partnerje na majhen izlet z avtobusom po Tokiju. Vodje podjetja so nato pokazali, da je mogoče pri hitrosti 60km na uro brezžično po etru prenašati podatke s hitrostjo 100Mbit/s. Zamislite si mobilni širokopasovni dostop do interneta kjerkoli in kadarkoli. HSPDA bo na začetku ponujalo uporabnikom hitrosti do 1,8Mb/s v smeri k uporabniku in 384 kb/s v smeri k omrežju, v prihodnje pa napovedujejo mobilni prenos podatkov s hitrostjo do 3,6 Mb/s. To je seveda malo v primerjavi za vrtoglavimi 100Mb/s, vendar je v primerjavi z dosedanjim 384kb/s, ki jih ponuja UMTS, kar 6 kratno povečanje hitrosti. HSDPA z višjo hitrostjo prenosa podatkov omogoča bolj zmogljiv mobilni širokopasovni dostop do interneta, elektronske pošte in informacijskih sistemov ter uporabo najzahtevnejših multimedijskih storitev. Proces nadgradnje UMTS postaj poteka postopno. Razlog je v tem, da je HSPDA le programska nadgradnja že obstoječe infrastrukture UMTS, medtem pa WIMAX zahteva izgradnjo popolnoma nove infrastrukture. Z UMTS signalom pa je že danes pokrito preko 70% slovenskega prebivalstva. Tehnologija HSDPA predstavlja naslednjo evolucijsko fazo WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) tehnologije, kjer se večje podatkovne hitrosti dosegajo na račun novo definiranega deljenega kanala med uporabniki, kar pomeni, da več uporabnikov

38 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 26 hkrati deli skupen širokopasovni kanal. Za kodiranje in prilagajanje kanala se uporablja algoritem AMC (Adaptive modulation and coding). Takšni algoritmi prilagajanja kanala zahtevajo veliko računske moči, kar je še do pred kratkim predstavljalo zelo veliko tehnično omejitev. Začetna modulacija se imenuje QPSK (Phase-shift keying). To je digitalna modulacija, pri kateri se spreminja faza nosilnega signala. Če pa so razmere kanala dobre, se modulacija spremeni na 16 QAM (Quadrature amplitude modulation), ki omogoči podvojitev hitrost glede na QPSK. Pri tej modulaciji sta potrebna dva sinusoidna nosilna signala, ki sta med sabo fazno zamaknjena za 90 stopinj, modulira pa se njuna amplituda. Pri QPSK s 5- timi kodnimi porazdelitvami dosežemo hitrosti do 1,8Mb/s. Pri 16 QAM s 5-timi kodnimi porazdelitvami dosežemo 3,6Mbit/s. Dodatne kodne porazdelitve (10 in 15) pa omogočijo, da se prepustnost omrežja poveča na teoretičnih 14,4Mb/s. Takšne principe spreminjanja modulacije imenujemo tudi modulacije s povečevanjem redundance oddanega signala, ob slabih pogojih kanala pa je dodano veliko redundance. Ob optimalnih pogojih pa se redundanca precej zmanjša in se zaradi tega poveča hitrost. Ta mehanizem je podoben tudi v WLAN omrežjih. Uporabniki WLAN omrežij lahko ta pojav opazijo vedno, ko je signal slab in se zaradi tega hitrost povezave zmanjša. Za omogočanje takšne prilagodljivosti in učinkovitosti kodiranja kanala, pa je bilo potrebno prestaviti vse te mehanizme v samo bazno postajo. Ti mehanizmi so bili prej nameščeni v radijskem krmilniku, ki je nadzoroval več baznih postaj, sedaj pa deluje vsaka bazna postaja kot manjša centralna točka in je zaradi tega odzivnost celičnega omrežja precej večja. Tudi odpravljanje napak, ki nastajajo pri radijskem prenosu je precej večje, saj zahteva po ponovnem pošiljanju paketov ne potuje do radijskega krmilnika, temveč le do bazne postaje, kar zelo skrajša poti in s tem odzivne čase omrežja. HSPDA je torej naslednji korak do širokopasovne mobilnosti in drzen korak naprej do takšnih hitrosti, ki bodo lahko konkurirale bakreni tehnologiji. Bakreni zato, ker optična tehnologija omogoča teoretično hitrost prenosa preko 20Tb/s preko enega (!) optičnega kabla. V članku objavljenem v [12] avtor razlaga, da je operater Mobitel 25. aprila 2008 uspešno uvedel tretjo in pol generacijo mobilnih telekomunikacij v Sloveniji. Svoje omrežje UMTS je v celoti nadgradil s tehnologijama HSDPA 7,2 Mb/s in HSUPA. Skoraj 73 odstotkov

39 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 27 prebivalstva Slovenije lahko odslej brska po internetu z megabitnimi hitrostmi. Mobitel je uspešno uvedel omrežje 3,5 G, ki temelji na omrežju Mobitel UMTS. S tem je celotno omrežje Mobitel UMTS nadgrajeno z najsodobnejšima tehnologijama HSDPA 7,2 Mb/s in HSUPA. Slednja omogoča prenosne hitrosti do 1,4 Mb/s v smeri od uporabnika k omrežju. V prihodnje bodo sledile še nadaljnje širitve omrežja, s tem pa se bo še povečevala pokritost, obenem pa tudi zmogljivost Mobitelovega omrežja.

40 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran PRIMERJAVA Z DRUGIMI VRSTAMI BREZŽIČNIH KOMUNIKACIJ Kot alternativa UMTS-u se pojavljata brezžični omrežji WiFi in WiMAX. Če WiMAX primerjamo s širokopasovno brezžično tehnologijo WiFi, je WiMAX namenjen večjim uporabnikom, pri višjih hitrostih in na daljših razdaljah. WiFi je namenjen predvsem vzpostavitvi manjšega domačega ali poslovnega omrežja, med tem ko bo WiMAX lahko nadomestil sedanje DSL ali kabelske povezave. Omrežje WiMAX je sestavljeno iz več delov. Glavna dva dela sta WiMAX stolp, ki bo lahko pokril približno do, kvadratnih kilometrov površine in WiMAX sprejemnik, ki bo lahko nameščen na hiši, na voljo bo tudi kot PCMCIA kartica, ali pa bo vgrajen v prenosni računalnik. Hrbtenico omrežja sestavljajo WiMAX stolpi, ki so žično povezani s ponudnikom storitev, lahko pa so tudi vpeti med seboj, če bodo v vidni črti (slika 3.1). V razmerah, ko med oddajnikom in sprejemnikom ni vidne črte, uporablja WiMAX nižje frekvence (od 2 do 11 GHz), ki so manj občutljive na motnje, podobno kot pri brezžični tehnologiji WiFi. Druga možnost pa je antena, ki je usmerjena točno v WiMAX stolp (vidna črta). Takšna povezava uporablja višje frekvence (tudi do 66 GHz), ki so zanesljivejše in omogočajo pošiljanje večjih količin podatkov z manj napakami pri prenosu. Tako povezavo imenujemo točkovna povezava. WiFi brezžično omrežje lahko doseže hitrosti do 54 megabitov na sekundo, medtem ko WiMAX doseže hitrosti do 70 megabitov na sekundo, a najpomembnejša prednost je doseg. WiFi dosega razdalje do 30 metrov, WiMAX pa kar do 50 kilometrov! Takšno povečanje dosega je mogoče zaradi višjih frekvenc in zmogljivejših oddajnikov. Seveda pa se doseg zmanjša z motečimi dejavniki, kot je npr. slabo vreme ali hriboviti teren. Za varnost skrbita dva kvalitetna enkripcijska standarda, DES3 (Triple Data Encryption Standard) in AES (Advanced Encryption Standard). Ves promet skozi omrežje WiMAX mora biti zaščiten s CCMP enkripcijo. Če povzamemo, brezžično omrežje še ni bilo varnejše, kot bo pri WiMAX-u [17].

41 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 29 WIMAX sistem se sestoji iz: WIMAX stolp oddajnik - ki je podoben oddajnikom za mobilne telefone. Enojni WIMAX stolp lahko pokriva zelo veliko področje, v velikosti kvadratnih kilometrov. WIMAX sprejemnik - sprejemnik in antena sta lahko mali škatlici ali PCMCIA kartica, ali sta že vgrajeni v prenosnem računalniku za WiFi dostop. WIMAX oddajnik se lahko priključi direktno na Internet preko žične povezave z visoko pasovno širino (kot je npr. XDSL). Lahko je tudi povezan brezžično po mikrovalovnih frekvencah na drugi WIMAX stolp oz. oddajnik, a le pod pogojem, da se stolpa vidita. Ta povezava na drugi oddajnik omogoča pokritost v oddaljenih podeželskih področjih. Slika 3.9 : Primer WiMAX omrežja [19]

42 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 30 Obstajata dve vrsti storitev WiMAX-a: Povezava pri kateri se oddajnik in sprejemnik ne vidita, kjer se antena na računalniku poveže s stolpom. V tem tipu WiMAX deluje v nižjem frekvenčnem nivoju od 2 GHz do 11 GHz. Nižje valovno dolžinsko oddajanje težje prekinejo fizične motnje (boljše se ukrivljajo okoli ovir). Povezava pri kateri se oddajnik in sprejemnik vidita - fiksna krožnik antena je usmerjena proti WiMAX stolpu. Ta povezava je močnejša in stabilnejša, zato je možno poslati veliko podatkov z zelo malo napak pri prenosu. Pri višjih frekvencah je manjša interferenca in je pasovna širina veliko večja, zato se za ta tip povezave uporablja višje frekvenčno področje, tudi do 66 GHz. WiMAX dostop je omejen v krogu od 6,44 km do 9,66 km (mogoče se bo pozneje pokritost povečala od 40 do 100 kvadratnih kilometrov, kar je primerljivo z mobilno telefonijo). Kljub močnejši povezavi pri kateri se anteni»vidita«, lahko WiMAX oddajna postaja pošiljala podatke do sprejemnikov v krogu do 48.3 km, kar je maksimalni teoretični doseg. 3.1 Prednosti in slabosti brezžičnih lokalnih omrežij Pri odločitvi, ali naj uporabimo brezžično ali žično lokalno omrežje, je potrebno poznati slabosti in prednosti obeh vrst omrežij. Prednosti brezžičnih lokalnih omrežij so mobilnost, enostavna in hitra implementacija, fleksibilnost ter cena [3]. Mobilnost: Uporabnik se lahko giblje, medtem ko so vsi podatki shranjeni na enem mestu. Tako uporabniku omogočimo dostop do podatkov, medtem ko se premika, kar lahko vodi v povečanje produktivnosti. Enostavnost in hitra implementacija: Velikokrat so težave pri napeljavi žičnega omrežja. Za primer vzemimo starejše objekte, ki

43 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 31 imajo še kamnite stene ali pa so zgodovinsko zavarovani in jih tako zakonsko ne smemo preurejati. Tudi v najnovejših stavbah je lahko napeljava žičnega omrežja draga in časovno zamudna. Teh problemov pri brezžičnih lokalnih omrežjih ni, saj lahko s t. i. dostopovnimi točkami pokrijemo s signalom WiFi večji del prostora. Fleksibilnost: Strojna in programska oprema za brezžična lokalna omrežja je že razvita, da je mogoča hitra in enostavna namestitev, kar je še posebej uporabno ob posebnih priložnostih. Cena: Brezžično lokalno omrežje je lahko cenejše od žičnega, na primer ko želimo vzpostaviti povezavo med dvema objektoma. Začetna investicija za nakup brezžične opreme bo morda večja, a je vzdrževanje take povezave kasneje cenejše. Čeprav imajo brezžična lokalna omrežja veliko prednosti, ne smemo pozabiti na njihove slabosti. Največji problem so slabljenje signala, ki je lahko posledica izgube jakosti signala, odmeva, sipanja, Dopplerjevega pojava, medsebojne interference, šuma, vremenskih razmer, fizičnih ovir, doseg signala in poraba energije [2]. Jakost signala: Jakost signala radijskih valov se manjša s kvadratnim korenom glede na razdaljo od oddajnika. Jakost signala, podana v db (decibel), je razmerje med oddano in prejeto močjo signala, na katero vplivajo različni materiali, kot so voda, kovine, prah, itd. Odmev: Pri odmevu odjemalec dobi enake podatke z različnim časovnim zamikom. Do tega pride, ker se del signala odbija na primer od okoliških zgradb, drugi del signala pa pride do uporabnika neposredno, po najbližji poti. Uporabnik mora tako odstraniti odvečni signal. Sipanje: Vsaka radijska frekvenca ima določene karakteristike. Sipanje se pojavi, ko radijska povezava naleti na oviro, ki je podobne velikosti, kot valovna dolžina uporabljene frekvence. Tako ovira prevzame del energije signala in s tem oslabi signal.

44 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 32 Dopplerjev pojav: Dostopovna točka oddaja signal pri določeni frekvenci. Kadar uporabnik miruje, sprejema signal pri frekvenci, ki je enaka oddajni frekvenci dostopovne točke. V primeru, ko se uporabnik giblje k dostopovni točki, mora sprejemati signal pri višji frekvenci, oziroma pri nižji, kadar se od dostopovne točke oddaljuje. Interferenca: Interferenca je pojav, do katerega pride ko se pojavita dva oddajnika z enako frekvenco in se frekvenci med seboj mešata, seštejeta ali pa izničita. Da bi se izognili interferenci, imamo pri brezžičnih lokalnih omrežjih na voljo več frekvenčnih kanalov. Šum: Šum pomeni nepravilnost oziroma izgubo signala. Do šuma ponavadi pride zaradi napak v prenosnem sredstvu in vpliva okolice. Manjši kot je šum, večja je kakovost signala in obratno. Vremenske razmere: Vremenske razmere lahko povzročijo sipanje in interferenco v radijskih valovih. Posebno problematičen je dež, kadar je valovna dolžina signala manjša od kapljic dežja. Fizične ovire: Radijski valovi se ne morejo ali pa se težko širijo skozi številne fizične ovire, kot so zidovi, hribi, vozila, stavbe, ipd. Doseg signala in poraba energije: Ko želimo povečati pokritost nekega prostora s signalom, moramo oddajniku dovesti veliko energije, da se pokritost nekoliko izboljša. 3.2 Varnostni mehanizmi Pri brezžičnih lokalnih omrežjih lahko okvirje zajema vsak, tudi tisti, na katerega niso naslovljeni.

45 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 33 Uporabnik se lahko poveže s tujim brezžičnim lokalnim omrežjem že s tem, ko prižge svoj računalnik. Tako lahko pri uporabi tujega brezžičnega lokalnega omrežja vsaj deloma zakrije svojo identiteto. Napadalec lahko prestreza podatke, kot so: gesla, računi kreditnih kartic in drugi zaupni podatki. V večini primerov dobi oseba, ki se uspešno prijavi v brezžično lokalno omrežje, dostop do žičnega dela omrežja, ki je običajno skrito za glavnim požarnim zidom podjetja. Pomembna je motivacija, zakaj se neka oseba želi povezati v tuje brezžično lokalno omrežje. Včasih je razlog zgolj zabava, tehnični izziv, kraja pasovne širine, lahko pa tudi želja škodovati lastniku brezžičnega lokalnega omrežja. Za učinkovito zaščito brezžičnega lokalnega omrežja morajo biti zavarovane vse brezžične naprave v omrežju, prav tako morajo biti uporabniki omrežja seznanjeni z varnostnimi pravili. Nobeno brezžično lokalno omrežje ni stoodstotno varno, vendar lahko nivo varnosti dvignemo z uporabo varnostnih mehanizmov. Danes najpogosteje uporabljeni varnostni mehanizmi brezžičnih lokalnih omrežij so [10, 11, 12]: filtriranje naslovov MAC, uporaba statičnih naslovov IP ( Internet Protocol medmrežni protokol), skrivanje imen SSID ( System Set IDentification identifikator postavitve storitev), šifriranje WEP ( Wired Equivalent Privacy žični enakovredna zasebnost), šifriranje WPA ( Wi-Fi Protected Access zaščiten dostop Wi-Fi) in šifriranje WPA2 ( Wi-Fi Protected Access 2 zaščiten dostop Wi-Fi 2). Filtriranje naslovov MAC Vsaka naprava, ki je priključena v omrežje, ima edinstven, nase vezan naslov MAC. Pri uporabi filtriranja naslova MAC na dostopovni točki se določi, katerim naslovom MAC in s tem napravam naj dostopovna točka omogoči dostop do brezžičnega lokalnega omrežja. Uporaba statičnih naslovov IP Naslov IP se dodeli vsaki omrežni napravi, ki je edinstven, vendar ni vezan na posamezno napravo. Varnostni mehanizem uporabe statičnih naslovov IP določa, katerim naslovom IP bo omogočen dostop do brezžičnega lokalnega omrežja.

46 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 34 Skrivanje imen SSID Vsako brezžično lokalno omrežje ima svoje ime SSID, katerega mora naprava, ki se želi povezati v brezžično lokalno omrežje, poznati. Na dostopovni točki lahko izklopimo možnost pošiljanja imena SSID. Tako brezžično lokalno omrežje za naprave ne obstaja, razen, če v napravo vpišemo SSID dostopovne točke, s katero se želimo povezati. Možnost zlorabe brezžičnega lokalnega omrežja s skrivanjem imena SSID nekoliko zmanjšamo. Šifriranje WEP Brezžično lokalno omrežje omogoča šifriranje podatkov. Prvi izmed standardov, ki se je pojavil, je bil WEP. WEP omogoča šifriranje podatkov s ključi do dolžine 256 bitov. WPA in WPA2 sta dinamični različici šifriranja WEP [7]. Šifriranje WPA Kot nadomestilo za šifriranje WEP se je pojavilo šifriranje WPA. Za razliko od šifriranja WEP šifriranje WPA menjava ključ dinamično ter dodatno ponuja omejeno različico algoritma AES ( Advanced Encryption Standard - napredni standard za šifriranje). Omogoča povezave VPN ( Virtual Private Network - navidezno zasebno omrežje) in dinamično dodeljevanje ključev [8]. Šifriranje WPA2 Trenutno ena najboljših izbir je zaščita s šifriranjem WPA2, ki v celoti podpira algoritem AES. Algoritem AES omogoča uporabo šifrirnih ključev dolžine 128, 196 in 256 bitov. Tako WPA kot WPA2 podpirata overitvene metode EAP ( Extensible Authentication Protocol - razširljiv overitveni protokol), kar omogoča uporabo strežnikov RADIUS ( Remote Authentication Dial In User Service - komutirana uporabniška storitev z oddaljeno overitvijo) [9, 10, 11].

47 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran PROGRAMSKO OKOLJE IN OPIS DELOVANJA APLIKACIJE 4.1 Netbeans Netbeans [16] je odprtokodno integrirano razvojno okolje (IDE) za razvoj aplikacij Java. Obstaja tudi paket C/C++, ki omogoča uporabo Netbeans za razvoj C/C++ projektov. Kot Java IDE Netbeans ponuja odlično podporo za izgradnjo J2EE aplikacije, ki jo podpirajo številni veliki prodajalci J2EE. Druge funkcije vključujejo GUI vmesnik, podporo CVS, s polnim delovnim profilom in še veliko več. Netbeans Mobility Pack pa nam omogoča razvoj aplikacij Java J2ME (Java Micro Edition). Kaj je mobilna aplikacija? Večina mobilnih aplikacij deluje na platformi Java Micro Edition (Java ME), ki je razvita za majhne naprave, kot sta na primer mobilni telefoni in TV vmesniki (set-top boxes). Java ME uporablja pomanjšane dele komponent Java SE, virtualnih strojev in API-jev. Prav tako določa API-je, ki so posebej namenjeni uporabnikom mobilnih in vgrajenih naprav. Netbeans Java ME podpira dva tipa konfiguracij platforme Java ME, to sta: CLDC in CDC. CLDC (Connected Limited Device Configuration) je za naprave z manj spomina in procesorske moči, kot je potrebna pri platformi CDC. CDC (Connected Device Configuration) se izvaja na napravah z več spomina, procesorske moči in možnostjo povezave na medmrežje, to so takoimenovani pametni mobilni telefoni, set-top škatle, S pomočjo zgoraj na kratko opisanega odprtokodnega programskega orodja Netbeans verzija 5.5.1, smo izdelali aplikacijo meritve trenutne povprečne hitrosti povezave za mobilne telefone, ki podpirajo java aplikacije.

48 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 36 Veliko programske kode generira že samo razvojno orodje. Princip programiranja temelji na metodi»drag & drop«, s čimer lahko zelo hitro zasnujemo potek aplikacije. Na ta način lahko dodajamo zaslone, kot so: seznami, okvirji za vnos teksta, forme, Nanje lahko pripnemo razne komande in še mnogo drugih predmetov in elementov za katere je v klasičnem programskem jeziku java potrebno ročno programiranje. Netbeans generira za vse to samo programsko kodo, kar precej olajša in pohitri delo, vendar v določenih primerih ročno tega dela generirane programske kode ni možno odstraniti ali urejati ter so za to potrebni drugačni prijemi. 4.2 Predstavitev delovanja aplikacije SpeedTest V okviru diplomske naloge smo želeli preveriti, kaj vse lahko vpliva na hitrost brezžičnega prenosa podatkov v omrežju UMTS in kakšne so najvišje hitrosti pri različnih operaterjih, seveda na isti tehnologiji. Podatkovni prenos podatkov na mobilnih telefonih je namenjen predvsem za brskanje po internetu, pošiljanju MMS sporočil, video klicu, Za vse te storitve je pomembnejši prenos podatkov k uporabniku, v žargonu ga označujemo s kratico DL (ang. Download). Ponudniki storitev so tudi tako usmerjeni in ponujajo uporabnikom asimetrične pakete hitrosti, to pomeni da nudijo večje hitrosti v prenosu podatkov k uporabniku, kot od uporabnika. Zaradi večje zahteve po prenosu podatkov k uporabniku, smo izdelali aplikacijo za merjenje hitrosti k uporabniku. Osredotočili smo se na zadnjo uveljavljeno tehnologijo HDSPA/HSUPA, ki jo uporabljata slovenska operaterja Mobitel in T-2, medtem ko SiMobil pokriva le 30 odstotkov slovenskega področja s to tehnologijo, zato ga nismo vključili v test. Gre za tretjo generacijo telekomunikacijskega protokola, ki omogoča mreži UMTS hitrejši in večji prenos podatkov. Trenutna komunikacija HSDPA [13] omogoča naslednje hitrosti prenosa podatkov: 1.8, 3.6, 7.2 in 14.4 Mb/s. Za prihodnost se načrtuje prenos podatkov do 42 Mb/s. Zaradi večjega in hitrejšega prenosa podatkov je tako mobilnim telefonskim aparatom omogočen brezžični dostop do interneta, kar je bilo pred nekaj leti še nepredstavljivo. Omrežje je tudi zelo primerno za prenos velikih datotek, videa ali spremljanja televizije v živo.

49 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 37 HSUPA [14] omogoča teoretične hitrosti prenosa podatkov do 5.76 Mb/s v smeri od uporabnika v omrežje. Podobno kot HSDPA, HSUPA uporablja razporejevalnik paketov vendar deluje na principu zahteva odobritev, kjer uporabniška oprema zahteva dovoljenje za pošiljanje podatkov, razporejevalnik odloča kdaj in kolikemu številu enot uporabniške opreme bo dovoljeno izvesti pošiljanje podatkov. Zahteva za prenos vsebuje podatke o stanju prenosa, medpomnilnika in čakalne vrste na strani uporabniške opreme. Za razliko od HSDPA, povezave navzgor niso medsebojno ortogonalne. Poleg načrtovanega načina prenosa standardi dovoljujejo tudi sprožanje prenosa s strani uporabniške opreme označene kot nerazporejanje, ki se uporablja za storitve VoIP-a, za katere niti zmanjšani TTI (prenosni časovni interval) in drugo vozlišče z razporejanjem ni zmožno ponuditi tako kratkih zakasnitvenih časovnih intervalov ter konstantne pasovne širine. Potreba po dosegljivosti oz. pošiljanju podatkov je iz dneva v dan višja in tudi količinsko vse večja, čemur sledijo tudi ponudniki storitev. Želeli smo preveriti ali je obljubljena oz. teoretično zastavljena hitrost vsaj blizu tudi dejanski. Delovanje aplikacije bomo razložili kar s simulatorjem v programskem orodju Netbeans. Spodnja slika 4.1 kaže tokovno zasnovo aplikacije.

50 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 38 Slika 4.10 : Tokovni diagram aplikacije prikazan v Netbeans Ob zagonu preide aplikacija v stanje, kjer lahko uporabnik potrdi zahtevo s pričetkom testa, pogleda v pomoč, kjer je podrobneje opisano kaj s tem testom preverimo ter opozorilo, da se prenos podatkov zaračuna po ceniku operaterja - slika 4.2. Uporabnik lahko tudi enostavno zapre program s potrditvijo izbire Izhod. Pri nadaljnji uporabi aplikacije ni posebne potrebe po dodatni sprotni pomoči o samem delovanju programa. Oblika vmesnika je privzeta, kot jo ponuja programsko okolje, ker smo to aplikacijo vzeli kot za prikaz funkcionalnosti, zato nismo posvetili toliko pozornosti izgledu in obliki.

51 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 39 Slika 4.11 : Levo prikaz uvodne strani, desno prikaz pomoči v aplikaciji S potrditvijo izbire Zacetek_testa in odobritvijo, da lahko aplikacija uporablja radijski čas za povezavo do strani: kjer se nahaja datoteka za test hitrosti povezave, se izvede glavni namen aplikacije, ki ga kaže slika 4.3 levo. Na desni sliki je prikazano stanje toliko časa, dokler se test ne izvede do konca. Nadaljnji potek testiranja povezave bomo razložili ob programski kodi.

52 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 40 Slika 4.12 : Levo - potrebna potrditev, da lahko aplikacija uporablja radijski čas; desno - pogled na zaslon za trajanje merjenja povezave Funkcija download(), ki jo kličemo v koraku Zacetek_testa, najprej odpre HTTP povezavo do naslova To je povezava do brezplačnega spletnega strežniškega prostora, kjer imamo naloženo datoteko, konkretno je to v našem primeru slika, velikosti B. Preizkusili smo tudi Arnes-ov strežniški prostor in z ugotovitvijo, da deluje in se odziva približno enako hitro kot T-2-jev strežniški prostor, le da je pri večjih hitrostih, ki jih ne moremo doseči tudi s tehnologijo HDSPA, je hitrost pri Arnesu omejena do 10 Mb/s, medtem ko je pri T-2 možna hitrost krepko nad 10 Mb/s, kar

53 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 41 smo preizkušali še s fiksno povezavo, kot je DSL. Torej nam povezava do strežnika ne more preprečiti, da ne bi dosegli hitrosti 7,2 Mb/s. Po odprtju HTTP povezave do zgoraj omenjene strani se ustvari še izhodna podatkovna povezava - slika in pošlje HTTP zahteva, da bi radi videli stran. Ta ukaz je definiran v samem protokolu http, kar tu uporabimo za preverjanje ali je stran dosegljiva ali ne, in če ne dobimo odgovora, se ne odpre še povezava vhodnega toka. Ker pa ni preverjanja ali se zahteva vrne, se to pozna na rezultatu, iz katerega je razbrati, da bi se naj test izvedel v manj kot sekundi, kar seveda ni možno. Skratka, če ne dobimo odgovora od strežnika na zahtevo HTTP, to je v primeru da stran več ne obstaja ali bi bila napačno vpisana, se izvajanje programske kode nadaljuje, zato se nepričakovano hitro konča in takoj izpiše rezultat, kot da bi trajal kakšno milisekundo. Kako bi to lahko drugače rešili problem smo navedli podrobneje pri opisu funkcije izracun().

54 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 42 public void download() { try { HttpConnection cn = (HttpConnection) Connector.open(url); streamconnection = (StreamConnection) cn; } catch (IOException ex) { ex.printstacktrace(); } try { outputstream = streamconnection.openoutputstream(); } catch (IOException ex) { ex.printstacktrace(); } dataoutputstream = new DataOutputStream(outputStream); try { dataoutputstream.writechars("get / HTTP/1.0 \n"); } catch (IOException ex) { ex.printstacktrace(); } try { dataoutputstream.flush(); } catch (IOException ex) { ex.printstacktrace(); } try { inputstream = streamconnection.openinputstream(); } catch (IOException ex) { ex.printstacktrace(); } datainputstream = new DataInputStream(inputStream); Slika 4.13 : Del vsebine funkcije download() za odprtje povezave Če vse zgoraj opisano steče brez prekinitve, imamo torej vzpostavljeno povezavo do spletnega strežnika, kjer se nahaja datoteka, uporabimo za izračun časa, razred Date, ki ga

55 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 43 omogoča orodje J2ME. Tik preden se začne zanka za branje byte-ov datoteke, zabeležimo čas v formatu UNIX in prav tako zabeležimo čas takoj ob koncu branja byte-ov iz datoteke na strežniku. Končni čas odštejemo od začetnega in delimo s 1000 da dobimo sekunde, nato velikost datoteke v bit-ih delimo še z dobljenim časom trajanja branja bitov v sekundah slika Date now = new Date(); start = now.gettime(); int bytevalue = 0; try { while (bytevalue!= -1){ bytevalue = datainputstream.read(); } Date potem = new Date(); end = potem.gettime(); koncni_rezultat = end - start; koncni_rezultat =koncni_rezultat/1000; koncni_rezultat_kbitov = /koncni_rezultat; koncni_rezultat = round(koncni_rezultat,2); koncni_rezultat_kbitov = round(koncni_rezultat_kbitov,2); } catch (IOException ex) { ex.printstacktrace(); } Slika 4.14 : Del vsebine funkcije download(), branje bitov iz datoteke in preračun v kilobite Končni rezultat ki ga dobimo ni zaokrožen in je daljši od dveh mest za decimalno vejico, kar je nesmiselno uporabljati v našem primeru. Zato smo ustvarili funkcijo round(), ki jo

56 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 44 kličemo še v zgoraj opisani funkciji download(), za zaokrožanje rezultata pri končnem izpisu slika 4.6. Zaradi možne kasnejše nadgradnje aplikacije, je mogoče v funkciji round() poljubno spreminjati število mest za decimalno vejico, torej bomo v bodočnosti deležni vse hitrejših povezav z možnostjo vse hitrejšega prenosa podatkov, kjer bojo že pomembne milisekunde, da se bo lahko natančneje izračunala povprečna hitrost prenosa podatkov. private double round(double source, int decimals) { int dec = 1; for (int i=0; i<decimals; i++) dec *=10; double a=integer.parseint("1")*source; long b=(long)((a)*dec); a=(double)b/dec; return a; } Slika 4.15 : Vsebina funkcije round() Za končni izpis v kilobyte-ih smo napisal še eno funkcijo izracun(), samo za pretvorbo v kilobyte in tudi z namenom za možne kasnejše nadgradnje in dodatne izračune slika 4.7. Princip je enak, kot pri računanju v kilobit-e, le da tu uporabimo takoj velikost datoteke v kilobyte-ih, kar je že zaokrožen približek na dve decimalni mesti. Ta približek vpliva zanemarljivo minimalno na končni rezultat, zato operiramo z njim zaradi lažjega računanja.

57 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 45 public void izracun() { double razlika = (double)(end - start); razlika = razlika /1000; double hitrost = / razlika; //hitrost izrazena v kbytes/s razlika = round(razlika,2); tempbuff1 = Double.toString(razlika); hitrost = round(hitrost,2); tempbuff2 = Double.toString(hitrost); } Slika 4.16 : Vsebina funkcije izracun() V bistvu bi lahko zadnji izpis tudi skrajšali in ga izvedli že kar v prvi glavni funkciji download(), vendar smo namerno pustili daljšo možnost prav zaradi kot smo prej omenili, zaradi možne nadgradnje aplikacije ter naknadnih vključevanj operacij in tudi sami smo se hoteli preizkusiti, kot začetniki v uporabi programskega okolja Netbeans, različnih vključevanj ukazov v že generirano programsko kodo. Še kot tretjo možnost s katero smo se spopadli ob samem programiranju, pa nam je posebna funkcija omogočila bolj uporaben pričakovani rezultat, ker v primeru, da se na HTTP zahtevo ni vrnil odgovor, se je v funkciji download() izvajanje programske kode nadaljevalo in je zato bil rezultat nepričakovan ter izračunan glede na čas parih milisekund, za kar je bil potreben čas da se izvede programska koda med zagonom in ustavitvijo ure. To je koda v kateri bi morali prebrati bite datoteke, ki se nahaja na strežniku. Tako smo se lahko prepričali s funkcijo izracun(), da je dejansko komunikacija stekla ter izpis rezultata se zahteva z dodatnim ukazom v meniju. Končni izgled rezultata prikazanega na mobilnem aparatu je enak, kot v simulatorju in zgleda, kot na sliki 4.8.

58 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 46 Do sedaj še nismo omenili stanja waitscreen1 po tokovnem diagramu slika 4.1. To prikazno okno je namenjeno za zagon niti v programu in za čas dokler se ne izvedejo do konca, bo v konkretnem primeru na zaslonu mobilnega telefona pisalo Povezujem, kot kaže slika 4.3 desno. Lahko bi ta čas se pognala kakšna animacija, glasba ali kaj podobnega, da uporabniku nakaže, da v ozadju teče drug pomembnejši proces. To okno se nam zdi zelo uporabno saj tako enostavno poženemo več niti hkrati ali zaporedoma, kar ne povzroči da bi aplikacija zamrznila niti ne obremenjuje tako procesorske moči ter še najpomembnejše je da ima nastavljen časovni iztek, s čimer prekine nit v primeru, da se je nekje ustavila. Slika 4.17 : Levo prikaz končnega rezultata izražene hitrosti v kilobit-ih, desno prikaz rezultata izražene hitrosti v kilobyte-ih

59 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran TESTNI PRIMERI IZVEDENI Z APLIKACIJO SPEEDTEST Postavili smo si nalogo, da ugotovimo, ali je hitrost odvisna od samega mobilnega aparata, premikanja s približno 60 km/h, operaterja, ter za primerjavo z mobilni telefoni kako deluje USB mobilni modem in HSDPA/HSUPA PCI-Express brezžični modem. Spodnja tabela 5.1 prikazuje rezultate meritev z več mobilnimi telefoni, in brezžičnima modemoma pri katerem posameznem operaterju ter maksimalno in povprečno doseženo hitrost. Testirali sem skozi cel dan in tudi ponoči, ter ugotovili, da je res ob manjši obremenjenosti torej v nočnih urah možno doseči nekoliko večjo hitrost kot čez dan. najvišje dosežena hitrost operater Mobitel povprečna dosežena hitrost operater Mobitel najvišje dosežena hitrost operater T-2 povprečna dosežena hitrost operater T-2 nokia 6210 classic nokia N71 samsung SGH-L760 USB modem PCI-Express brezžični modem 1,99Mb/s 2,18 Mb/s 1,84 Mb/s / / 1,36 Mb/s 1,34 Mb/s 1,25Mb/s / / 3,12 Mb/s 3,05 Mb/s 2,88 Mb/s 2,32 Mb/s 2,44 Mb/s 2,29 Mb/s 2,97 Mb/s 2,41 Mb/s 5,95 Mb/s 3,48 Mb/s Tabela 5.1 : Meritve z različnimi mobilnimi telefoni pri obeh ponudnikih HSDPA tehnologije Doseči je možno hitrost do 7,2 Mb/s v smeri k uporabniku, vendar to velja za celotno bazno postajo. V primeru, da je povezanih več uporabnikov, ki zahtevajo prenos podatkov, se maksimalna skupna hitrost ustrezno deli. Pri tem je pomembno, kako daleč od bazne

60 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 48 postaje se nahaja uporabniški terminal in seveda kako močen signal sprejema. Poskusili smo izvesti tudi meritev v času gibanja, z okvirno hitrostjo 60 km/h. Izkazalo se je, da ni bilo pri takšni hitrosti bistvene razlike v povprečno doseženi hitrosti, vse dokler ni bil uporabniški terminal oddaljen približno več kot 500 m od bazne postaje. Na kar se, kljub temu, da mobilni telefon zaznava signal še vedno kot poln 3,5G signal, prične hitrost zmanjševati. V radiju 1 km od bazne postaje je bila izmerjena hitrost še 1,23 Mb/s, v radiu od približno 2 km pa le še 450 kb/s. Pri tem je pri slednji izmerjeni hitrosti mobilni telefon zaznaval le še 2/3 signala 3,5G. Pomembno je tudi omeniti, da so pri tej razdalji že pomembne različne ovire, kot so stolpnice in drevje. Teoretični radij pokrivanja ene bazne postaje v urbanem okolju je okoli 6 km, vendar se to v realnosti zmanjša skoraj za tretjino in je pri načrtovanju postavljanja baznih postaj potrebno tudi paziti, da naslednja bazna postaja s svojim signalom prekriva območje od sosednje za tretjino, če želimo, da uporabnikom ne prekine storitev, ki jo trenutno uporablja. Zgoraj omenjene meritve smo izvajali v omrežju operaterja T-2. V idelanih pogojih bi naj bazna postaja pokrivala tudi do 20km radija pri oddajni moči 40W. Pod idelane pogoje štejemo, da ni nikakršnih ne naravnih (hribi, drevje) niti umetnih ovir (stabve). Testirali smo na področju Prekmurja, in sicer je antena postavljena v Murski Soboti, mi smo pa bili na gričih nad Gornjo Radgono. Vmes je zračna razdalja okoli 15 km. Mobilni aparat je zaznal poln signal UMTS/HSDPA. Z našo aplikacijo nameščeno na mobilnem telefonu smo izvedli testiranje in dobili skoraj nepričakovan rezultat. Izmerili smo hitrost prenosa podatkovnega prometa, ki je bila skoraj takšna, kot na oddaljenosti od antene do 100m, kar je znašalo največ 2,1 Mb. oddaljenost od antene mestno okolje (Maribor) nemestno (brez ovir; Prekmurje) 50 m 2,97 Mb/s 3,12 Mb/s 1 km 1,23 Mb/s 2,3 Mb/s 2 km 450 kb/s nismo testirali 5 km ni bilo signala nismo testirali od km ni bilo signala 2,1 Mb/s Tabela 5.2 : Meritve hitrosti v urbanem in neurbanem okolju

61 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 49 V zgornji tabeli 5.2 so prikazane izvedene testne meritve v okviru primerjave meritev v urbanem in neurbanem okolju, konkretno med mestom Maribor in pokrajino Prekmurje, kjer je antena v Murski Soboti, mobilni terminal pa na bližnjih gričih nad Gornjo Radgono, oddaljeni od Murske Sobote približno km. Vmes ni nikakršnih naravnih niti umetnih ovir, zato je bil na tej razdalji signal še dovolj močan. Preden smo izvajali testiranje, smo preverili trenutni promet, ki je bil minimalen, približno 100 kbit/s, kar pomeni, da praktično ni bilo omejitve glede zasedenosti antene. Od umetnih ovir najbolj oslabijo signal drevesa, zlasti vrste iglavcev, ki signal precej oslabijo, medtem ko se skozi listavce signal ne oslabi toliko. Bitna hitrost z velikim povečanjem razdalje med oddajnikom in sprejemnikom seveda začne padati, ker se poslabša razmerje signal šum, koliko pa pove Shanonova enačba: L = 10 n log 10 (d) + C. L je pot izgube, izražena v db, n je eksponent izgube poti, d je razdalja med oddajnikom in sprejemnikom, ki se meri v metrih, C je konstanta, ki predstavlja sistem izgube. V našem primeru je bilo možno doseči tako dober rezultat tudi zato, ker je bilo vreme jasno, vlažnost pa je bila v normalnem področju. Omenjene meritve smo izvajali v omrežju operaterja T-2. Pri testiranju smo naleteli na zanimive rezultate brezžičnih modemov, v konkretnem primeru med USB modemom znamke Compass 888, proizvajalca Sierra Wireless slika 5.1, desno, ter PCI-Express znamke Merlin X950D proizvajalca Novatel Wireless slika 5.1 levo, in sicer je z USB modemom bila dosežena največja hitrost prenosa k uporabniku zelo podobna hitrosti doseženi z mobilnimi telefoni, medtem ko je s PCI kartico hitrost celo do 5,95 Mb/s. Prvo, kar smo posumili je bilo vodilo, vendar je USB 2.0 vodilo sposobno prenašati podatke s hitrostjo do 480 Mb/s. Princip delovanja obeh modemov se ne more razlikovati, ker se oba prijavita na bazno postajo z istim postopkom in podatki se prenašajo po istih glavnih protokolih. Česar nismo uspeli raziskati, in me zanima še vedno zakaj tolikšna razlika in predvidevam, da je glede na skoraj enkratno manjšo ceno USB modema, najverjetneje vgrajen kakšen čip, kateri mogoče ne zmore procesirati toliko podatkov ali mogoče kakšni gonilniki ne delujejo pravilno. Poskusil sem z dvema znamkama prenosnih

62 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 50 računalnikov IBM in HP, oba modela sta starejša od 2 let in bi mogoče bilo potrebno druge gonilnike, ki jih še niso tovarniško priložili oz. se ti ne nadgradijo avtomatsko. Verodostojnost meritev z aplikacijo smo primerjali tudi z aplikacijami na medmrežju, kot je ki jo uporablja tudi T-2 za uradno testiranje povezave. Pokazalo se je, da so odstopanja zelo majhna, mogoče do 5% in to že pri večjih hitrostih, tu mislimo nad 2 Mb/s. Z izdelano aplikacijo SpeedTest se je večinoma pokazalo več kot meritev na medmrežju. Poskusili smo tudi z direktno povezavo na FTP strežnik in prenašati datoteke na računalnik, z mobilnim telefonom kot modemom, ter ugotovili, da je izmerjena hitrost s Speedtest aplikacijo verodostojna! Slika 5.18 : Levo - PCI-Express brezžični modem, desno - USB modem HSDPA/HSUPA [15] Spodnja slika 5.2 prikazuje graf skupnega prenosa v Mb/s za celotno bazno postajo. Z modro črto je označen promet k uporabniku, torej v žargonu»dowload«za uporabnika, z zeleno pa promet k omrežju, za uporabnika»upload«.

63 Razvoj aplikacije SpeedTest za merjenje hitrosti v omrežju 3,5G Stran 51 Slika 5.19 : Prikazuje graf skupne hitrosti na bazno postajo za 24 ur od operaterja T-2