Segédanyag az UMTS technológiájú átvitel méréséhez 1. Áttekintés az UMTS rendszerről 1.1. Bevezetés Jelen áttekintés célja, hogy átfogó képet adjon az UMTS rendszerekről, azok felépítéséről, működéséről és az általuk nyújtott szolgáltatásokról. A Magyarországon működő 3G hálózatok egyike a BME Mobil Innovációs Központjának (MIK) hálózata, amely kísérleti céllal üzemel. Mind céljában, mind méretében eltér a mobilszolgáltató által üzemeltetett hálózatoktól, azonban alkalmas a rendszer működésének, alapvető funkcióinak vizsgálatára, illetve különböző alkalmazások mobil környezetben történő fejlesztésére, tesztelésére. Az összefoglaló tartalmazza a MIK hálózatának bemutatását is. 1.2. Az UMTS rendszer felépítés és működése Az UMTS rendszer a ma uralkodó távközlési technológiák koncepciójának megfelelően alapvetően két részre bontható. Az egyik alkotórésze a maghálózat (Core Network), melyen belül különféle központi vezérlési, útvonal választási, azonosítási, stb. funkciókat valósítanak meg. A hálózat másik része a hozzáférési hálózat, amely az előfizetők kapcsolódását teszi lehetővé a rádiós átviteli közegen keresztül, figyelembe véve az adott forgalmi feltételeket, az előfizetők helyzetét, képességeit, stb. Az alábbiakban az említett két rendszeregység részeit és működését mutatjuk be. 1.2.1. Az UMTS maghálózat és hozzáférési hálózat A harmadik generációs rendszerek fejlesztésekor a megelőző generációk bevezetése során szerzett tapasztalatokat tartották szem előtt, valamint próbálták a már meglevő elemeket a lehető legoptimálisabban újrahasznosítani. A második generációs cellás mobil rendszerek sikerességének az egyik fő oka a világméretű szabványosítás: a terminálok és hálózati berendezések a világ valamennyi GSM hálózatában használhatóak. Az előfizető a megszokott szolgáltatásokat más országokban is igénybe veheti, és folyamatosan elérhető marad. Az UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) a GSM lehetőségeit kiterjesztő, a mobil adatkommunikáció globális kompatibilitását célzó technológia, amely egy hálózatban egységesíti a mikro- és makrocellás, valamint műholdas rendszereket.
1. ábra Az UMTS architektúra A GSM hálózatot áramkörkapcsolás alapú beszédátvitelre tervezték, így a rádiós hozzáférési hálózat kódolását is ennek megfelelően alakítottak ki. Csomagkapcsolt adatátvitelhez azonban ez nem optimális. Az UMTS hálózatok a beszéd és adat átvitelére egyaránt alkalmasak, ezért a rádiós hozzáférési hálózat a GSM-hez képest sokban módosult, de 2G és 3G hálózatok párhuzamos működését szem előtt tartva a már meglévő hálózatot egészítették ki (1. ábra). A CN-ben (Core Network) a már meglévő elemek megmaradtak, de néhány elemet módosítottak a 3G követelményeinek megfelelően. Új hozzáférési hálózatot (UTRAN) hoztak létre a már meglévő GERAN mellé. Az UMTS hálózat a GSM GPRS-el bővített architektúrájára épül. Architekturális szempontból három fő alapelemből áll: Maghálózat (Core Network, CN) UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) Felhasználói készülék A maghálózat alapját a GSM architektúra GPRS-el bővített változata alkotja, de minden hálózati eszközt, és elemet az UMTS szolgáltatások, és funkciók szerint módosítani kell. A maghálózat fő funkciója a kapcsolás, az útvonalválasztás, valamint a felhasználók adatforgalmának biztosítása. A maghálózat tartalmaz adatbázisokat és hálózati menedzsment feladatokat is képes ellátni. A maghálózat két részre van osztva: az áramkörkapcsolt és a csomagkapcsolt szerkezeti egységre. Az áramkörkapcsolt egység részei: Mobile Services Switching Centre (MSC)
Visitor Location Register (VLR) Gateway MSC (GMSC) A csomagkapcsolt egység részei: Serving GPRS Support Node (SGSN) Gateway GPRS Support Node (GGSN) Néhány szerkezeti egység mindkét fő egység fennhatósága alá tartozik, ilyen például az EIR, az AUC és a HLR. Az áramkörkapcsolt rész legfontosabb eleme a mobil kapcsoló központ (Mobile Services Switching Center MSC), amit gyakran jelölnek GMSC-ként is, mivel gateway funkciókat is ellát a vezetékes áramkörkapcsolt hálózatok felé. Az MSC másik fő feladta a mobil előfizetők kezeléséhez szükséges feladatok ellátása. A GPRS architektúra elemeként definiált SGSN (Serving GPRS Support Node), a hozzáférés vezérlésével, a biztonsági funkciók menedzselésével és a mobilitással foglakozik. A másik ilyen szükséges elem a GGSN (Gateway GPRS Support Node), ennek fő feladata a külső csomagkapcsolt hálózatokkal való együttműködés biztosítása. HLR (Home Location Register): adatbázis adminisztratív információkkal a saját hálózatban regisztrált előfizetőkről. Ilyen információk a jogosultságok, login alapú helyzetnyilvántartás, IMSI (International Mobile Subscriber Identity) nemzetközi mobil előfizetői azonosító ez a SIM kártyán is megtalálható, TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) mely időnként és területenként változó. VLR (Visitor Location Register): hívás vezérléséhez, és az előfizetői szolgáltatásokhoz szükséges információk a bolyongó előfizetőkről (az idegen szolgáltató HLR-jének egy része) AUC (Authentication Center): a SIM kártyák titkos kulcsait tartalmazza, a felhasználó azonosításához, és az átvitel titkosításához szükséges adatokat, és titkosítási kulcsokat (Kc és Ki), valamint a PIN (Personal Identity Number) és a PUK (PIN Unlock Key) kódokat. EIR (Equipment Identity Register) ez tartalmazza az érvényes készülékek (International Mobile Equipment Identity, IMEI) nemzetközi mobil azonosító számát. Emellett tartalmaz szürke, és feketelistát a lopott, vagy letiltott készülékek azonosítóiról. Az UTRAN a vezetéknélküli interfészt szolgáltatja a felhasználói készülékek számára. Az UTRAN szélessávú CDMA-t (Wideband Code Division Multiplexing) alkalmaz. A BSS feladatait a NodeB látja el, ilyen funkciók a továbbítás/vétel, moduláció/demoduláció, CDMA fizikai csatornakódolás, hibakezelés. A NodeB állomások vezérlését az RNC (Radio Network Controller) látja el. Főbb funkciói a rádiós erőforrás kezelése, hívásengedélyezés, csatornafoglalás, handover vezérlés, ciphering, és broadcast jelzés. Az UMTS (Universal Mobile Telecommunicaton System) rendszer specifikációit már a harmadik generációs rendszerek alapkövetelményeinek megfelelően rögzítették. A követelmények közé tartozik a megfelelően nagy adatátviteli sebesség biztosítása (144kb/s nagysebességű utazásnál; 384kb/s lassú mozgás közben, míg 2Mb/s épületben), valamint a szolgáltatások sokfélesége (audió/videó átvitel; adatátvitel; telefonálás; helymeghatározás
stb.). Természetesen az idő és az igények előrehaladtával ezek a sebességek növekedtek (pl. HSDPA, HSUPA). 1.2.2. Adatátvitel az UMTS rendszerben (GPRS Tunneling Protocol) Az előző alfejezetben bemutatott architektúrában az adatok egy összetett alagutazási technika segítségével kerülnek átvitelre. GPRS hálózat esetén, egy nem teljesen all-ip hálózatról beszélünk, hiszen a GPRS csak a gerinchálózatban használ IP-t. Azonban a GPRS ennek ellenére csomagalapú szolgáltatást nyújt a mobil eszközök számára, lehetővé téve ezzel a GPRS hálózaton kívüli IP hálózatokkal való kommunikációt. A GGSN a Gi interfészen keresztül kapja meg a külső hálózat csomagjait, amiket egy alagúton (tunnel) továbbít a mobil készülék aktuális SGSN-jének. Ez az SGSN újrakeretezi a tunnelen keresztül érkezett csomagokat, és elküldi őket a felhasználói készüléknek az éppen érdekelt BSC-n keresztül. Ugyanezt a csatornát használjuk, amikor a mobil eszköz küld egy csomagot a szolgáltatónak. Ez a tunnel-alapú továbbítás kényszeríti a GGSN-t, hogy fenntartson egy IP címekből álló táblát az aktuális SGSN kiszolgálásokról minden egyes mobil készülékre, amire engedélyezve van az adatcsomagok fogadása a hálózaton belül. Ezt a táblát frissíteni kell minden egyes alkalommal, amikor a mobil eszköz egy másik SGSN-re tér át. A kommunikáció az SGSN és a BSS között nem IP fölött történik, hanem erre dedikált protokollal. A BSS-eket csoportokba fogják össze a mobilitás kezelés hatékonyságának növelése érdekében. Az azonos csoportba (RA routing area) tartozó BSC-k ugyanahhoz az SGSN-hez csatlakoznak. Minden BTS periodikusan küld információkat egy arra kijelölt csatornán keresztül. A mobil eszközök ennek segítségével tudják felderíteni, hogy melyik cellában, vagy RA-ban vannak, illetve azt felismerni, hogy új RA-ba mozogtak. A GGSN az a csomópont, ami a külső adathálózattal kommunikál. A GGSN az IP gerinchálózat része. Ez a gerinchálózat tartalmazza az összes SGSN-t, és GGSN-t, valamint az összes őket összekötő IP routert. A HLR tartalmazza a GPRS feliratkozási adatokat, és az útvonalirányítási információkat. Ez a regiszter egyaránt elérhető a GGSN-ből és az SGSN-ből is. 2. ábra A GTP a mobil hálózatban
UMTS hálózat esetén a fentiekben bemutatottakhoz képest a különbség annyi, hogy a csomagkapcsolt hálózat még inkább IP alapú. Az UMTS központi csomagkapcsolt domainje a GPRS-ével azonos módon használja az IP-t. Azonban UMTS esetén a maghálózat és a rádiós hozzáférési hálózat (UTRAN) is IP alapon van összekapcsolva (2. ábra). 1.2.3. A hozzáférési technológia A 3G hálózatok hozzáférési technológiaként az úgynevezett kódosztásos hozzáférést használják, melyet az alábbiakban csak a legfontosabb jellemzőkre hagyatkozva ismertetünk. Ennek a lényege, hogy a felhasználók által továbbított bitfolyamokon előre meghatározott hosszúságú és típusú kódsorozatok segítségével úgynevezett spektrumszórást (spreading) hajtanak végre. A szórókódok ortogonális tulajdonsággal bírnak, ennek következtében az egymással vett korrelációjuk nulla (illetőleg gyakorlatilag nulla). Ez lehetőséget biztosít arra, hogy több felhasználó egymással párhuzamosan ugyanabban a csatornában ugyanolyan vivőfrekvencián bonyolítsa le a kívánt kommunikációját anélkül, hogy a többi felhasználót jelentős mértékben zavarná, ehhez azonban szükség van megfelelő teljesítményszabályozásra is. Végeredményben minden esetben 3,84 Mcps sebességű folyam jön létre. Egy chip a változó hosszúságú kódok egy-egy bitjét jelenti. A kódolás következtében bármekkora sebességű beérkező adatfolyam ugyanolyan chipsebességűvé válik, azonban a többi felhasználóval és az egyéb zavarásokkal szemben más-más védettségűvé válik. Egy eredetileg alacsonyabb sebességű adatfolyam arányaiban jobban kiterjesztetté válik, azonban a zavarvédettsége is nagyobb lesz. A spektrumszóró faktorok (spreading factor, SF) értéke 4-256 között változik (uplinken létezik 521-es faktor is). Fontos megjegyezni, hogy egy felhasználóhoz több szórókód is rendelhető, ezáltal az egyes kódokon átvitt adatok sebessége összeadódik. Ezt a megoldást használják a HSDPA esetében is, ahol fixen SF=16 értékű kódokkal bonyolítják az átvitelt, viszont ilyen kódokból akár 15- öt is össze lehet fogni a sebesség növelésének érdekében. Ez természetesen készülékfüggő is, és tekintettel kell lenni a hálózatban jelen levő többi felhasználóra is. A létrejövő chipfolyamot a modulátorba vezetik, ahol különböző digitális fázismodulációkat hajthatnak végre. Az UMTS rendszerben a QPSK és a 16-QAM (illetve a későbbiekben a 64- QAM) modulációk használatosak. Ezek lényege, hogy a rádiós vivőre olyan módon tudják modulálni az adatbiteket, hogy egy átvitt szimbólumba 2 és 4 (a 64-QAM esetén 6) chipet illesztenek, ezáltal azonos szimbólumsebességnél 2-szeres, 4-szeres (illetve 6-szoros) sebesség érhető el. Az előzőek alapján kiszámítható, hogy adott paraméterek mellett milyen maximális bruttó adatsebesség érhető el egy adott hálózatban. Szemléltető példaként a jelenleg is kereskedelmi szolgáltatásban levő 7,2 Mbit/s sebességű HSDPA átvitelt vizsgáljuk. Az UMTS rendszerben adott a fix 3,84 Mcps sebesség, és a HSDPA-nál a SF=16. Berendezésünk QPSK (2bit/szimbólum) modulációt és az egy felhasználóhoz rendelhető maximális 15 kódot biztosítja. Ennek alapján számítható az elvi maximális adatsebesség: 3,84/16*2*15= 7,2 Mbit/s. 1.3. Az UMTS rendszer szolgáltatásai
Az UMTS rendszer szolgáltatásai egyrészt magukban foglalják a már a GSM, illetőleg a GPRS rendszer által nyújtott szolgáltatásokat, másrészt újabb funkciók is megjelennek, amelyek az előbb említetteken túl mutatnak (pl. adatátviteli sebességben). Az alapszolgáltatások az hordozó- vagy vivőszolgáltatásokra (bearer services) épülnek. Ezek egy átlagos előfizető számára tulajdonképpen nem érzékelhetők, feladatuk a különböző szolgáltatások hátterének biztosítása. Ez alatt azt értjük, hogy ha például beszédhívást valósítunk meg, akkor szükség van valamilyen konkrét fizikai paraméterekkel rendelkező átviteli megoldásra, erőforrásra, melynek segítségével ez lebonyolítható. Az említett paraméterek közé tartozik például az átvitelhez rendelt időrés(ek), szórókód (amely meghatározza az adatátviteli sebességet is), hibajavító kódolás, stb. A beszédhívás átviteléhez megfelel például egy 64 kbit/s átviteli képességű vonalkapcsolt vivő (a hozzá tartozó hibajavítással megengedett maximális késleltetéssel, stb.-vel). A hordozószolgáltatások több lépcsőben épülnek fel, hiszen ahhoz, hogy két előfizető közötti kapcsolat létrejöhessen, az UMTS rendszer különböző elemei között, így például az MSC és az RNC vagy az RNC és a NodeB között, is biztosítani kell a megfelelő kapcsolatot. Megfelelő működés esetén végeredményként természetesen ezek a részeltek a felhasználó elől rejtve maradnak, és számukra csak a jól kiépített végpont-végpont hordozószolgáltatások eredményei láthatók, például hibamentesen átküldött sms, nem akadozó hanghívás, stb. Az átvitel szempontjából nagyon fontos megemlíteni két alapvető szolgáltatástípust, a vonalkapcsolt és a csomagkapcsolt szolgáltatást. A vonalkapcsolásnál két felhasználó között egy jól meghatározott útvonal épül ki, a rendszer által a kapcsolat felépítésekor lefoglalt megfelelő erőforrásokkal, és az a kapcsolat bontásáig fenn is marad. Ilyen jellegű összeköttetésre például egy beszédhívás lebonyolításánál van szükség. Fontos, hogy az átvitel késleltetése és annak ingadozása (jitter) alacsony, milliszekundumos nagyságrendű legyen, ugyanakkor a továbbított adategységek meghibásodása bizonyos szintig megengedett (például beszédhívásnál időnként előforduló hanghiba, recsegés). Az eredeti GSM rendszer csak ilyen típusú kapcsolatokat volt képes kiépíteni. Adatjellegű információ továbbítása esetén a csomagkapcsolt átvitel részesül előnyben. Az átviendő adatcsomagok szempontjából csak a forrás és a célállomás számít, a köztes csomópontok, illetve az útvonal nem. Megengedett a nagyobb késleltetés, viszont az adatok meghibásodása nem. Példaként egy e-mail küldése említhető meg, ahol nyilván előfordulhatnak másodperces, akár perces nagyságrendű késések, az üzenetünket viszont hibátlanul szeretnénk továbbítani. A csomagkapcsolt szolgáltatások a GPRS (General Packet Radio Service) megalkotása, és a szükséges új hálózati elemek beépítése után kerültek a rendszerbe. A hordozószolgáltatásokra épülnek a felhasználók által közvetlenül használható és legfontosabb, úgynevezett távszolgáltatások (teleservices). Ezek a hétköznapi életből jól ismert szolgáltatások: hanghívás, vészhívás, sms, e-mail, fax, stb. A 3G rendszerek a GSM- GPRS hálózatokhoz képest számos új szolgáltatást képesek megvalósítani. Ezek többek között például az elérhető nagyobb átviteli sebességeknek köszönhetők. A 3G rendszerek által nyújtott szolgáltatások a számukra szükséges erőforrások alapján négy csoportba (QoS osztályok) sorolhatók, melyek az alábbiak: conversational: ide tartoznak a késleltetés érzékeny alkalmazások, például a beszédátvitel, videotelefonálás, videokonferencia (ez utóbbiaknál jelentős a sávszélesség igény is)
streaming: egyirányú forgalom a jellemző, fontos az átvitt hang és kép szinkronizálása, ilyen alkalmazás pl. az IPTV interaktív: fontos az átküldött adatok épsége, jellemző képviselői az interaktív játékok, illetve az internet böngészés background: késleltetésre nem érzékeny, alacsonyabb adatátviteli sebesség sem jelent feltétlenül hátrányt, jellemző példa az e-mail forgalom Az UMTS hálózatokkal párhuzamosan, illetve annak részeként egy másik rendszer fejlesztése is folyamatosan zajlik. Ez az UMTS maghálózatáshoz köthető IMS (IP Multimedia Subsystem) rendszer. Mint a nevéből is kitűnik, alapvető célja a csomagkapcsolt, IP-alapú különféle multimédiás célú forgalom lebonyolításának elősegítése, menedzselése. Szerepe elsősorban a szolgáltatás hozzáférés biztosításában, illetve a szolgáltatások nyújtásához szükséges erőforrások lefoglalásában van. Az IMS rendszer működésének részletes bemutatása kívül esik ezen összefoglaló keretein. 1.4. UMTS szolgáltatás Magyarországon A harmadik generációs mobilszolgáltatás Magyarországon immár jó néhány éve bevezetésre került. A hálózatfejlesztéseknek köszönhetően már elérhetőek a 3G továbbfejlesztett csomagkapcsolt adatforgalmi szolgáltatásai, a HSDPA és a HSUPA is. A 3G számára kijelölt frekvenciatartományt négy darab 2 15 MHz-es blokkra osztották, melyeken belül három 5 MHz sávszélességű vivő helyezhető el. Jelenleg az A, B és C blokkokban nyújtanak szolgáltatást (rendre a Magyar Telekom, a Vodafone és a Telenor), míg a D blokkot ezen belül az első két vivőt csak a BME Mobil Innovációs Központja használja kísérleti célokra (3.ábra). A kereskedelmi szolgáltatók egy adott területen egy-egy vivőt használnak, így az előfizetők számára a soft handover biztosítható. 3. ábra UMTS frekvencia kiosztás Magyarországon Az UMTS rendszerek Magyarországon jelenleg HSDPA és HSUPA kiegészítéssel működnek. Az elérhető maximális letöltési sebesség 7,2 Mbit/s (egyes helyeken már 14,4 Mbit/s), a
Storage feltöltési sebesség pedig 5,8 Mbit/s. Ezen adatsebességekkel és a megfelelően kicsi késletetésekkel számos új szolgáltatás érhető el jó minőségben. A különböző, a korábbiakban említett szolgáltatás osztályok mindegyike elérhető, melyek biztosítják a jelentős átviteli igénnyel bíró alkalmazások használatát is. Így például lehetőség nyílik videotelefonálásra, IPTV adások megtekintésére, stb. A szolgáltatások igénybevételéhez természetesen a megfelelő mobilkészülékekre (telefonok, adatkártyák) is szükség van, amelyek széles palettája található meg a szolgáltatók kínálatában. A különféle multimédiás szolgáltatások nyújtásához hazai viszonylatban is használják a korábban említett IMS rendszereket. Az eddigiek mellett fontos megemlíteni, hogy a mobil hálózatok fejlesztése folyamatos, és az előzőekben leírt adatsebességeknél a kereskedelmi mobilhálózatokban már lényegesen nagyobb adatsebességű kapcsolatok is elérhetőek. Ezek részben a 3G különböző kiegészítő technológiákat (több antennás rendszerek, MIMO technológia stb.) alkalmazó rendszereinek köszönhetők, másrészt pedig a már üzemelő negyedik generációs LTE rendszerek is nagyobb adatsebességet biztosítanak. 1.5. A Mobil Innovációs Központ hálózata A Mobil Innovációs Központ tesztrendszerének szerves részét képezi a 3G teszthálózat. A teljes hálózat a 4. ábrán látható. IMS Wmware Media Gateway Huawei 4.0 ESX Cisco 7200 Szerverhálózat ESX ESX GGSN Huawei 6.0 Cisco ASA Autoinstall Monitoring Camera handler VCenter SGSN IMS Backup xanax.mik.bme.hu OpensourceGGSN HLR Network Management RNC OpensourceIMS MIK Iroda Node B Szerverterem WLAN: MIK Staff UEs 1 Gbps NAT WLAN: MIK Guest MEs BME NET NAT MIK labor USIMs RF műszerek RFID 4. ábra A MIK teszthálózata
A 3G hálózat elemei az ábra jobb felső sarkában helyezkednek el. A berendezések nagy része Huawei gyártmányú, ami ugyancsak elmondható a MIK IMS rendszeréről. A 3G maghálózat részei: Huawei HLR 9820 Huawei SGSN 9810 Cisco 7200 VXR GGSN Open GGSN A 3G hozzáférési hálózat részei: Huawei RNC BSC6800 Huawei NodeB BTS3812E Mint látható a hálózatban két GGSN található, melyek jelenleg felváltva használhatóak, a Cisco gyártmányú eszköz biztosítja az IPv4 alapú forgalmak bonyolítását, míg a nyílt forráskódú Open GGSN az IPv6-os kapcsolatokért felel. A MIK az UMTS hálózatának segítségével a BME I épületének 5. emeletén beltéri rádiós lefedettséget biztosít. A NodeB két cellát szolgál ki beltéri körsugárzó Kathrein antennák segítségével. A cellák jelenleg különböző frekvenciákon üzemelnek, de átkonfigurálhatók azonos frekvenciára is. Az 1. cella downlink vivőfrekvenciája 2157,5 MHz, a 2. celláé 2162,5 MHz. Ennek megfelelően az 1. cellához kapcsolódó mobil berendezések uplink frekvenciája 1967,5 MHz, a 2. cellához kapcsolódóké 1972,5 MHz (190 MHz duplex frekvenciatávolság). A rendszer ábráját megfigyelve megállapítható, hogy azok a részegységek találhatók meg benne, amelyek csomagkapcsolt átvitel megvalósításához szükségesek. Ennek megfelelően a MIK hálózatában csak csomagkapcsolt szolgáltatás érhető el, vonalkapcsolás jelenleg nincs. A csomagkapcsolt forgalmak lebonyolítása lehetséges a MIK belső hálózatában, illetve kifelé is, mivel az internetes kapcsolat a megfelelő hálózati berendezések (gateway, stb.) segítségével biztosított. A 3G hálózat megfelelő működéséhez szükség van a menedzsment eszközökre is. A különböző hálózati berendezések menedzselése a MIK laboratóriumában elhelyezett számítógépeken futó menedzsment szoftverek segítségével történik. Külön menedzsment szoftverrel változtathatók a GGSN, az SGSN, a HLR, a RNC és a NodeB különböző paraméterei. Lehetőség van a hálózat fontos jellemzőinek beállítására, melyek például a kisugárzott maximális teljesítmény, a vivőfrekvencia, az egy felhasználóra osztható kódok száma, stb. Ugyanígy meghatározhatók az egyes felhasználók paraméterei, például hogy milyen azonosítókkal rendelkező előfizetők (SIM-kártyák) jogosultak a szolgáltatás igénybevételére, milyen hordozó- és távszolgáltatásokat használhatnak, milyen QoS-t (adatsebességek, késletetések) kell biztosítani számukra, stb. Az említett részegységek, illetve részrendszerek segítségével a MIK 3G hálózata alkalmas arra, hogy a valóshoz közeli helyzetekben vizsgálhatók legyenek a különféle adatátvitelek, és azok jellemzői, illetve hogy alapot nyújtson a 3G alkalmazások fejlesztésének és tesztelésének. 1.6. Adatforgalmazás a 3G hálózatok felett A mobil hálózatok vezetékes társaikhoz hasonlóan alkalmasak arra, hogy felettük különböző adatforgalmakat bonyolítsunk, azonban figyelembe kell venni, hogy néhány korlátozás hatását
nem lehet figyelmen kívül hagyni. A korábbiakban már említettük, hogy az alkalmazásoknak különféle igényük lehet az adatátviteli sebességgel, az átviteli késleltetéssel és jitterrel, valamint a csomagok meghibásodásának arányával kapcsolatosan. A teljesség igénye nélkül alapvetően két csoportot hozhatunk létre az egyik csoportba azok az alkalmazások sorolhatók, amelyeknél a késleltetést szigorú korlátok között kell tartanuk, hogy a szolgáltatás ne szenvedjen el jelentős romlást, míg a csomagok meghibásodása egy bizonyos szintig engedélyezett. Ilyen alkalmazások, például a hang- vagy video hívások. A másik csoportba a hibára érzékeny alkalmazások tartoznak, ezek esetében viszont a késleltetésre lehet laza határokat szabni. Erre példa bármelyik file átvitelt megvalósító alkalmazás. A fizikai említett késleltetés és csomag meghibásodás problémát a fizikai és az alkalmazási réteg között a szállítási rétegben (transport layer) kezelik. A különféle szolgáltatásokhoz eltérő transzport protokollok a legmegfelelőebbek. Ezek közül ebben az összefoglalóban csak két, a legelterjedtebben használt protokollt emeljük ki, amelyek közül egy-egy a két különböző alkalmazás típus számára használható. Természetesen számos egyéb protokoll is létezik, melyek között hibrid megoldások is találhatók, de ezek ismertetését most mellőzzük. Az egyik, a legelterjedtebben használt szállítási protokoll a TCP (Transmission Control Protocol). Ezen protokoll esetében az átvitel nyugtázott módon zajlik, az adó visszajelzést kap a vevő által hibátlanul megkapott adatokról, ezáltal biztosítható, hogy az elküldött adatok maradéktalanul és hibátlanul megérkezzenek. A TCP működéséből kifolyólag a file átvitelekhez, és az egyéb csomaghibák érzékeny alkalmazásokhoz megfelelő. Azon csomagok összes mérete, amelyeket már elküldtek, de a nyugta még nem érkezett vissza, az ún. TCP ablakméret (window size) határozza meg, ami általában néhányszor 10 kb méretű. Ennek a paraméternek szoros összefüggése van a TCP alatt működő átviteli hálózat késleltetésével. Nem megfelelően megválasztott ablakméret esetén előfordulhat, hogy jelentős torlódás lép fel a hálózatban vagy épp ellenkezőleg, a csatorna kihasználatlanul marad. Az ablakméret automatikus állítása esetén fontos, hogy megfelelő algoritmust használjunk. A 3G hálózatok esetében viszonylag nagy késleltetéssel és átviteli sebességgel (az ilyen hálózatokra gyakran long fat network-ként hivatkoznak) állunk szemben. Ilyen esetben egy nem megfelelő algoritmussal arra a következtetésre juthatunk, hogy a megnövekedett késleltetést a torlódás okozza, amire az ablakméret csökkentésével válaszolunk. Ezzel a kívánt hatás ellentétét érjük el, hiszen a csatornánk kihasználatlanságát növeljük. Egy másik fontos és elterjedten használt protokoll az UDP (User Datagram Protocol). Az UDP a továbbított adatkereteket nem nyugtázza. Ez a késleltetés szempontjából előnyös, mivel így nem kell várakozni a visszaérkező nyugtákra, viszont az adatok hibátlanságát semmi nem garantálja. Az ilyen protokollok jól használható olyan alkalmazásoknál, ahol a kis késletetés és a jitter alacsony értéken tartása fontos, az adatok hibátlansága viszont nem jelentős kritérium. Tehát például 3G feletti streaming esetén hatékonyan alkalmazható. A korábban említetteknek megfelelően a TCP és az UDP protokollokon kívül számos más transzport protokoll létezik (pl. SCTP, UDP-lite, stb.), ezeknek a tárgyalása azonban ezen összefoglaló keretein túl mutat. 2. Ellenőrző kérdések
1. Rajzolja fel az UMTS rendszer blokkvázlatát, és a rendszerelemek közül jellemezze röviden a. az RNC-t! b. az SGSN-t! c. a GGSN-t! d. a NodeB-t! e. a HLR-t! 2. Soroljon fel a HLR-ben állítható paraméterek közül legalább hármat! 3. Adja meg az európai UMTS szolgáltatásra használt frekvenciasávokat! 4. Adja meg BME MIK hálózatában használt UMTS vivőfrekvenciát! 5. Milyen hozzáférési technológiát használnak az UMTS rendszerekben? Adja meg, hogyan számíthatók a bruttó adatátviteli sebességek a különböző rendszerparaméterek alapján! 6. Jellemezze röviden a csomagkapcsolt és a vonalkapcsolt rendszereket? 7. Mi az oka annak, hogy jelenleg csomagkapcsolt rendszerek fejlesztését részesítik előnyben? (all-ip rendszerek, stb.) 8. Mi GTP, mire használják az UMTS-ben? 9. Milyen QoS osztályokat definiálnak az UMTS szabványok? 10. Milyen főbb transzport protokollokat (OSI 4. réteg) ismer, mik ezek főbb jellemzői (mire használhatók, késleltetés hatása, stb.)? 3. Mérési feladatok 1. Prezentáció a 3G rendszerekről és a MIK hálózatáról 2. A MIK eszközparkjának bemutatása (szervertermek, IMS, antennák, telefonok) 3. Mérési feladatok: 3.1 Állítsa össze a mérési elrendezést (telefon USB-n, tárcsázás), ellenőrizze le internet kapcsolatát (UTP-t kihúzni)! 3.2 Töltse le az iperf forgalomgenerátor szoftvert és készítsen scriptet a következő mérésekhez (man iperf): UL mérése TCP-n (kliens) DL mérése TCP-n (szerver) UL mérése UDP-n (kliens) DL mérése UDP-n (szerver) Az egyes forgalmi méréseket a mérésvezető vezényli le. A mért értékeket jegyezze le a jegyzőkönyvbe a létrehozott scriptekkel együtt! 3.3 Az előző feladatban megadott módon hozzon létre UL irányú forgalmat és ennek segítségével olvassa le a spektrum-analizátorról (ezt a mérésvezető állítja be), hogy melyik antennához csatlakozik a MIK hálózatán! Az eredményt vezesse be a jegyzőkönyvbe! 3.4 Üljenek egy géphez és vizsgálják meg mit tapasztalnak DL irányú streaming esetén a következő szituációkban: HTTP (TCP) streaming megfelelő sávszélességgel HTTP (TCP) streaming csökkentett sávszélességgel RTP (UDP) streaming megfelelő sávszélességgel RTP (UDP) streaming csökkentett sávszélességgel
A streaminget a mérésvezető indítja és mérés közben a HLR-ben állítja az adott USIM-hez engedélyezhető maximális sávszélességet. A tapasztalatokat jegyezze fel a jegyzőkönyvbe! 3.5 Kérdések?