Metody oceny parametrów bezprzewodowego łącza internetowego w transporcie drogowym i kolejowym Evaluation methods of mobile Internet wireless connection quality in transport

Mariusz Rychlicki, Zbigniew Kasprzyk, Tomasz Duniec Politechnika Warszawska, Wydział Transportu

METODY OCENY PARAMETRÓW

BEZPRZEWODOWEGO ŁĄCZA INTERNETOWEGO

W TRANSPORCIE DROGOWYM I KOLEJOWYM

Rękopis dostarczono, 2017

Streszczenie: W artykule zaprezentowano zbiór metod i narzędzi, dotyczących oceny kluczowych pa-rametrów bezprzewodowego połączenia z Internetem. Podkreślono, że szeroka gama dostępnych technologii transmisyjnych staje się kluczowa w aspekcie jakości bezprzewodowego dostępu do In-ternetu. W naturalny sposób wymusza to konieczność oceny wykorzystywanego łącza pod kątem oce-ny jakościowej jego parametrów. Z tego powodu autorzy skoncentrowali się na metodach testowania i oceny jakości usług oraz opisie wykorzystywanych wskaźników. W artykule przedstawiono opraco-waną metodologię pomiarów, która została zilustrowana algorytmami. Przedstawiono opracoopraco-waną na potrzeby testów aplikację mobilną, która umożliwia pomiar parametrów jakościowych łącza bezprze-wodowego dostępu do Internetu. Testuje ona parametry połączeń internetowych, które oczywiście mogą się znacznie różnić w zależności od wykorzystywanego łącza. Jej wykorzystanie pozwala na obiektywną ocenę parametrów łącza i dokonanie niezbędnych porównań jakościowych. Opracowana metodologia i aplikacja testowa pozwoliły na przeprowadzenie testów i zaprezentowanie wyników pomiarów. Dzięki temu wykazano, że użytkownicy bezprzewodowego Internetu mogą samodzielnie oraz obiektywnie sprawdzić i określić jakość swojego połączenia z Internetem, wykorzystywanego w transporcie drogowym i kolejowym. Wyniki pomiarów zostały odpowiednio opisane i zilustrowane. Słowa kluczowe: inteligentne systemy transportowe, transport, Internet, jakość usług

1. WSTĘP

Rozwój bezprzewodowego dostępu do Internetu jest dziedziną, która we współczesnym świecie stale się rozwija. Jest to determinowane głównie przez rosnący odsetek użytkow-ników telefonii komórkowej. Oprócz wykorzystywania standardowych usług telefonii ko-mórkowej wzrosło zapotrzebowanie na usługi pakietowej transmisji danych w urządze-niach mobilnych. Są one wykorzystywane do realizacji wielu usług takich jak: przegląda-nie stron www, oglądaprzegląda-nie filmów, połączenia telefoniczne przez Internet (VoIP) oraz wiele innych. Sprawne funkcjonowanie ww. usług jest zależne, od jakości usługi dostępu do In-ternetu w urządzeniach mobilnych. Usługa ta powinna być świadczona na odpowiednim poziomie jakości. Użytkownik oczekuje świadczenia usług, które oferują mu możliwość swobodnego korzystania ze swojego urządzenia. Dostęp do usług o określonym poziomie jakości wpływa na zadowolenie użytkownika. Ponadto, dostarczenie usług o określonych

parametrach jest bardzo istotne z punktu widzenia działania systemów wykorzystujących łączność bezprzewodową.

Uważne obserwacje technologii wykorzystywanych do pakietowych transmisji danych, które w dzisiejszych czasach charakteryzują się dużym zainteresowaniem, pozwalają na stwierdzenie, że każda z tych technologii oferuje różny poziom parametrów transmisji. Zaobserwowano wiele przypadków, w których wartości przepustowości i prędkości transmisji oferowane przez operatorów telekomunikacyjnych różnią się od tych, które są dostępne podczas rzeczywistego korzystania z usług internetowych po stronie użytkowni-ka. Wynikać to może z wielu czynników wpływających na jakość transmisji. W celu zwe-ryfikowania oferowanych przez operatorów parametrów transmisji należy prowadzić ba-dania, które pozwalają określić jakość usług dostarczanych do użytkownika. Do tego celu, wykorzystuje się odpowiednie programy i obserwacje, pozwalające użytkownikom zwery-fikować dostarczany przez operatora poziom jakości usługi dostępu do Internetu.

2. JAKOŚĆ USŁUG W SIECIACH MOBILNYCH

W przeciągu ostatnich lat można zauważyć gwałtowny rozwój usług internetowych oraz stale rosnące zapotrzebowanie na wykorzystywanie tych usług. Wiąże się to ze wzrostem wymagań nałożonych na połączenia z Internetem. Technologie, które są obecnie używane do prowadzenia swobodnej wymiany informacji, powinny być również odpowiednio za-bezpieczone. Zabezpieczenie to odnosi się do odpowiednich mechanizmów, które zapew-niają transmisje z zachowaniem określonego poziomu najważniejszych parametrów. Wszystko to zamyka się pod jednym pojęciem Quality of Service (QoS). Pojęcie to jest jednym z najważniejszych charakterystyk wykorzystywanych obecnie w Internecie.

Najważniejsze znaczenie dla użytkownika ma jakość oferowanych usług, która może odnosić się do różnych aspektów definiujących system. W tym miejscu należy skupić się na usługach teleinformatycznych ustalonych na podstawie zalecenia ITU-T E.800, z któ-rych wynika uniwersalność wzajemnych powiązań stanu i własności sieci oraz jakości usług w siedmiu obszarach, które wymienione są poniżej [1]:

Dostarczenie usługi – w tym obszarze analizuje się właściwości określające zdolność dostawcy usługi do dostarczenia i utrzymania usługi oraz pomocy w jej utrzymaniu. W obszarze tym analizę prowadzi się na podstawie wielkości takich jak: średni czas do-starczenia usługi, prawdopodobieństwo błędnego rozliczenia usługi, a także prawdopodo-bieństwo integralności rozliczenia (zgodności rozliczenia z rzeczywistym użytkowaniem)

Operatywność usługi – jest to zdolność usługi do wykorzystania jej przez użytkownika pod względem łatwości, skuteczności i zgodności z przeznaczeniem. Miarami operatywno-ści usługi są prawdopodobieństwa: pomyłki użytkownika związanej z korzystaniem z usługi, błędnego wyboru adresu, rezygnację z próby nawiązania połączenia z usługą od strony użytkownika oraz rezygnacji z usługi podczas jej czasu trwania [2].

Zdolność usługowa – jest to możliwość zrealizowania wymaganej przez użytkownika usługi bez zmniejszenia poziomu jakości w wymaganym czasie. Cechy składowe w tym obszarze to: dostępność, ciągłość i integralność usługi.

Dostępność usługi – to zdolność utrzymania usługi w danym czasie w granicach okre-ślonej tolerancji czasowej. Miary te dzielone są na dwa zbiory:

 Prawdopodobieństwa: uzyskania połączenia, bezbłędnego routingu dostępu do usług i dostępności sieci,

 Średniego opóźnienia: dostępu do usługi, dotarcia do odbiorcy.

Ciągłość usługi – jest to zdolność uzyskania dostępu do usługi i jej kontynuowania w wymaganym przedziale czasowym. Ciągłość zależy od poziomu jakości transmisji tj. niezawodności systemu, dostępności elementów oraz wydajności ruchu w systemie. Pod-stawowe miary prawdopodobieństwa to: ciągłości połączenia, ciągłości usługi, przerwania połączenia i ukończenia realizacji usługi.

Integralność usługi – jest miarą dostarczenia usługi bez obniżania jej jakości. Miary in-tegralności to: czas chwilowego przerwania usługi, czas pomiędzy dwoma kolejnymi prze-rwaniami usługi oraz średni czas trwania pojedynczego przerwania i średni czas pomiędzy dwoma kolejnymi przerwaniami.

Bezpieczeństwo usługi – jest to miara odnosząca się do nieautoryzowanego dostępu, celowego zakłócania usługi, wykorzystania i monitoringu, a także narażenia ze względu na oddziaływanie środowiska i czynnik ludzki. Zakłócenia mogą wpływać jednoznacznie na wymienione wcześniej właściwości usługi.

Wymienione powyżej obszary gwarantowanego poziomu zrealizowania usługi zależne są od wydajności systemu o następujących własnościach [3]:

 Wydajność ruchowa systemu – jest to zdolność systemu do przyjęcia wymaganego ruchu w sieci odnoszącego się m.in. do jego natężenia wraz z uwzględnieniem wa-runków niezawodnościowych komponentów systemu. Miary wydajności ruchowej to: średni czas opóźnienia, średnia liczba straconych bitów przy realizacji wybranych zadań w systemie.

 Niezawodność systemu – bezwymiarowa właściwość systemu opisująca gotowość do świadczenia usług, która uwzględnia czynniki wpływające na gotowość: nieusz-kadzalność, podatność na obsługę i zapewnienie środków obsługi.

 Zdolność transmisyjna systemu – jest to możliwość systemu do odtwarzania i łania sygnałów, zależna od zdolności medium transmisyjnego, służącego do przesy-łania różnego rodzaju sygnałów. Miary zdolności transmisyjnej to: bitowa stopa błę-dów (BER) i prawdopodobieństwo jednosekundowej bezbłędnej transmisji pomiędzy dwoma punktami sieci.

Przyczynami wpływającymi na jakość usług realizowanych w sieci są:

 Czynniki zewnętrzne – czynniki, które działają w sposób destrukcyjny na elementy sieci podzielone na dwie klasy:

 żywiołowe, które są następstwem innych niż normalne warunków pogodowych

i środowiskowych mających charakter destrukcyjny, takich jak: wichury, trąby powietrzne, trzęsienia ziemi, powodzie itp.,

 wytworzone przez człowieka, skutki szczególnej działalności człowieka, które jednoznacznie wpływają na elementy topologii sieci.

 Wystąpienie stanu niezdatności elementu sieci wynikające z procesu starzenia się (określonego czasu zdatności urządzenia).

3. ZAPOTRZEBOWANIE NA ŁĄCZA

O DUŻEJ PRZEPUSTOWOŚCI

Rynek telekomunikacyjny jest w stanie ciągłego rozwoju. Rozwój ten nie jest już tak dy-namiczny jak był na przełomie XX i XXI wieku, lecz nadal charakteryzuje się rozwojem. Tak jak Internet stacjonarny jest oferowany w większości obszarów Polski, tak Internet mobilny posiada jeszcze tzw. ”białe plamy”, gdzie ludność odcięta jest od usługi mobilne-go Internetu.

Rozwój i dostępność usług internetowych wpływa jednoznacznie na ich popularność. W dzisiejszych czasach użytkownik sieci Internet oczekuje, zgodnie ze swoimi potrzeba-mi, zapewnienia sprawnego przesyłania dużych ilości danych, co wymaga łącza szeroko-pasmowego. Z dostępnych i przedstawionych na rys. 1 danych łatwo zauważyć, że w per-spektywie czterech lat ilość łączy o przepustowościach powyżej 50 Mb/s wzrosła ( od 1,3 w 2011 r. do 4,1 % w 2014 r.). W roku 2011 największą popularnością cieszyły się łącza o przepustowościach z przedziału 2- 9,99 Mb/s, popularność tych łączy w roku następnym spadła na rzecz łączy o wyższych przepustowościach. W przeciągu ostatniego roku wzro-sła grupa osób korzystających z Internetu o prędkości 10-29,99 Mb/s. W 2014 r. odsetek użytkowników łączy o takiej przepustowości wyniósł 27,4%. W roku ubiegłym było ich o ponad 3 pp. mniej [4].

Analizując lata 2011 i 2014 widzimy wyraźne przemieszczenie liczby łączy w kierunku wyższych przepustowości. Należy też podkreślić duży spadek liczby łącz o małych prze-pustowościach, co wyraźnie wskazuje nam trend, jaki pojawił się u użytkowników Interne-tu na przestrzeni tych czterech lat [5].

Wraz z upływem lat popularność stacjonarnego dostępu do Internetu spada na rzecz In-ternetu mobilnego. Niemniej jednak nie jest to wyraźny spadek. Pomimo malejącej popu-larności, nadal większość użytkowników Internetu łączy się z nim za pośrednictwem łącza stałego. W 2014 r. 72% internautów posiadało ten typ dostępu, o 6 pp. mniej niż w roku poprzednim i o blisko 9 pp. mniej niż w roku 2011 o 5 pp. w stosunku do roku ubiegłego. Zwiększył się natomiast odsetek osób korzystających z Internetu mobilnego. W 2014 r. 27% użytkowników posiadało taką usługę. Analizując wykres na rysunku 1 należy stwier-dzić, że popularność Internetu stacjonarnego maleje. Mobilny dostęp do Internetu, z natury pozbawionego ograniczeń wynikających ze stacjonarności, znalazł zastosowanie w domach większej grupy osób na przestrzeni analizowanych lat.

4. PROJEKT APLIKACJI I POMIARY PARAMETRÓW

ŁĄCZA BEZPRZEWODOWEGO

Celem opracowania prezentowanej aplikacji było zapewnienie możliwości wykonania miaru podstawowych parametrów bezprzewodowego łącza internetowego. Pomiar ten po-winien odbywać się między urządzeniem użytkownika, a serwerem testowym. Przyjęto przedstawione poniżej założenia projektowe [6].

Aplikacja ma za zadanie dokonać pomiarów przepustowości, przepływności i stabilno-ści bezprzewodowego łącza internetowego w czasie rzeczywistym:

 parametrów sieci mobilnych GSM, UMTS, LTE opartych na protokołach GPRS/EDGE, HSPA, HSPA+, LTE.

 parametrów: przepływność, przepustowość oraz opóźnienie sieci mobilnej w transmisji pakietowej.

 przedstawić graficznie otrzymane wyniki.  stworzyć prosty i przejrzysty interfejs graficzny.

 umożliwić zapis wyników testu do pliku o rozszerzeniu „.csv” lub wysłanie wyni-ków na pocztę elektroniczną (e-mail).

 ocenić jakość połączenia z Internetem na podstawie zmierzonych parametrów (ocena w skali pięciostopniowej).

 ocenić jakość połączenia z Internetem na podstawie przetworzonych danych z per-spektywy podstawowych usług internetowych.

Aplikacja została podzielona na 3 części:  część użytkownika (testowa),

 część numerycznej prezentacji wyników,  część graficznej prezentacji wyników.

Podstawowe zadanie aplikacji, pracującej w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 2, to pomiar czasu opóźnienia i przepustowości łącza internetowego wg przyję-tych algorytmów pomiarowych, przedstawionych na rysunkach 3 i 4. Ekran aplikacji, in-terfejs użytkownika i przykładowe wyniki pomiarów zostały przedstawione na rysunku 5 [6]. Aplikacja umożliwia również subiektywną ocenę parametrów i jakości łącza interne-towego, wg kryteriów przedstawionych w tabeli 1.

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego, wykorzystanego podczas pomiarów parametrów łącza in-ternetowego

źródło: opracowanie własne

Rys. 3. Algorytm pomiaru opóźnienia (PING TEST) źródło: opracowanie własne

Rys. 4. Algorytm pomiaru przepustowości w kierunku downlink „w dół” źródło: opracowanie własne

Tab. 1 Przyjęte kryteria subiektywnej oceny parametrów i jakości łącza internetowego [6]

Grupa aplikacji Prędkość transmisji (DOWNLINK) DL [Mb/s] Prędkość transmisji (UPLINK) UL [Mb/s] Opóźnienie [ms] Ocena Przeglądanie stron WWW > 1,0 - < 200 5 0,9 - 0,99 - 201 - 222 4 0,7 - 0,89 - 223 - 285 3 0,5 - 0,69 - 286 - 400 2 < 0,5 - > 400 1 Wideo SD > 2,0 - < 200 5 1,8 - 1,99 - 201 - 222 4 1,4 - 1,79 - 223 - 285 3 1,0 - 1,39 - 286 - 400 2 < 1,0 - > 400 1 Wideo HD > 6,0 - < 200 5 5,4 - 5,99 - 201 - 222 4 4,2 - 5,39 - 223 - 285 3 3,0 - 4,19 - 286 - 400 2 < 3,0 - > 400 1 Rozmowy wideo HD > 1,5 > 1,5 < 150 5 1,35 - 1,49 1,35 - 1,49 151 - 166 4 1,05 - 1,34 1,05 - 1,34 167 - 214 3 0,75 - 1,04 0,75 - 1,04 215 - 300 2 < 0,75 < 0,75 > 300 1 Usługi VoIP > 0,52 > 0,52 < 150 5 0,468 - 0,519 0,468 - 0,519 151 - 166 4 0,364 - 0,467 0,364 - 0,467 167 - 214 3 0,26 - 0,363 0,26 - 0,363 215 - 300 2 < 0,26 < 0,26 > 300 1 Gry sieciowe czasu rzeczywi-stego > 2,0 > 1,5 < 30 5 1,8 - 1,99 1,35 - 1,49 31 - 33 4 1,4 - 1,79 1,05 - 1,34 34 - 42 3 1,0 - 1,39 0,75 - 1,04 42 - 60 2 < 1,0 < 0,75 > 60 1 Pozostałe gry > 1,0 > 1,0 < 200 5 0,9 - 0,99 0,9 - 0,99 201 - 222 4 0,7 - 0,89 0,7 - 0,89 223 - 285 3 0,5 - 0,69 0,5 - 0,69 286 - 400 2 < 0,5 < 0,5 > 400 1

Rys. 5. Ekran aplikacji, interfejs użytkownika i przykładowe wyniki pomiarów źródło: opracowanie własne

4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Zakres badań obejmował projekt własnej aplikacji do pomiaru i subiektywnej oceny para-metrów bezprzewodowego Internetu oraz wykonanie pomiarów tych parapara-metrów, celem oceny jakości bezprzewodowego łącza. W aplikacji wykorzystano protokół FTP do transmisji plików między serwerem testowym i urządzeniem użytkownika. Projekt aplika-cji przedstawia wyniki w sposób prosty i czytelny. Interfejs graficzny jest przyjazny dla użytkownika i łatwy w obsłudze. Opracowanie aplikacji we własnym zakresie pozwala jej autorom na jej swobodną modyfikację i rozbudowę w kierunku wykorzystania w konkret-nych aplikacjach inteligentkonkret-nych systemów transportowych. Potencjalne możliwości wyko-rzystania aplikacji i zastosowania wyników przeprowadzonych badań to przede wszystkim transport kolejowy i drogowy. Dla zastosowań w obszarze transportu kolejowego należy w pierwszej kolejności wskazać na łączność pomiędzy podsystemami typu samoczynna sy-gnalizacja przejazdowa czy blokada liniowa z lokalnym centrum sterowania. W przypadku transportu drogowego główne aplikacje to systemy sterowania ruchem drogowym, ze szczególnym uwzględnieniem rozwiązań bezpośrednio związanych z bezpieczeństwem ruchu, np. awaryjne sterowanie w sytuacjach kryzysowych, czy zapewnienie łączności pojazdom uprzywilejowanym. Przygotowywanie własnej aplikacji pozwala również wery-fikować jakość usług z perspektywy pojedynczego użytkownika, czyli w ocenie subiek-tywnej. Dzięki takim pomiarom, użytkownicy bezprzewodowego Internetu, mogą samo-dzielnie sprawdzić i określić jakość swojego połączenia z Internetem i dokonać jej oceny. Ocena łącza przy użyciu aplikacji daje możliwość zweryfikowania czy użytkownik

otrzy-muje usługę na poziomie jakościowym, za który płaci lub oczekuje. Ponadto, poprzez prowadzenie regularnych pomiarów, aplikacja może dostarczyć pomocy w szukaniu i roz-wiązywaniu problemów z łączem. Zamieszczone w niej wskaźniki oceny poszczególnych usług, pozwalają określić, z jakich usług internetowych użytkownik może bez problemu korzystać. Wzrost popularności tego typu badań może doprowadzić do rozbudowy archi-tektury sieci, ponieważ użytkownicy mają możliwość wyboru dostawcy Internetu w opar-ciu zmierzoną jakość łączy operatora. Może także przyczynić się do oceny aplikacji wdro-żonych w obszarze transportu, np. w transporcie publicznym. Gromadzenie wyników po-miarów może być podstawą do klasyfikacji dostawców usług na danym terenie oraz do rozbudowy innych systemów wykorzystujących łączność bezprzewodową, takich jak inte-ligentne systemy transportowe. Z punktu widzenia transportu istotne jest dążenie do opra-cowania szybkiej i stabilnej transmisji do pojazdu znajdującego się w ruchu, a do tego celu może służyć jedynie radiowa transmisja danych. Ocena parametrów takiego połączenia może mieć przełożenie na podniesienie jakości usług oraz poprawę funkcjonowania sieci w miejscach o obniżonej efektywności transmisji, do czego wydatnie może się przyczynić opracowana i przetestowana w praktyce aplikacja pomiarowa.

Bibliografia

1. Siergiejczyk M., Gago S.: Jakość usług teleinformatycznych w transporcie kolejowym, Problemy Kolej-nictwa, Instytut KolejKolej-nictwa, Warszawa 2011.

2. Michalski W.; Idea badania jakości usługi dostępu do Internetu z udziałem użytkowników, Przegląd Te-lekomunikacyjny, nr 10/2013,SIGMA-NOT, Warszawa 2013.

3. Stankiewicz R., Jajszczyk A,: Sposoby zapewnienia gwarantowanej jakości usług w sieciach IP, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, Nr. 2/2002, SIGMA-NOT, Warszawa 2002. 4. Urząd Komunikacji Elektronicznej, Preferencje konsumentów rynku telekomunikacyjnego w latach 2011

– 2014, Warszawa 2014.

5. Urząd Komunikacji Elektronicznej, Raport z badania klientów indywidualnych, Rynek usług telekomuni-kacyjnych w Polsce w 2014 r., Warszawa 2014 r.

6. Duniec T.: Ocena parametrów bezprzewodowego łącza internetowego, Praca dyplomowa magisterska, WT PW, Warszawa 2015.

EVALUATION METHODS OF MOBILE INTERNET WIRELESS CONNECTION QUALITY IN TRANSPORT

Summary: In the paper the collection of facts concerning evaluation of key parameters of wireless Internet connection were described. The wide range of available transmitting technologies becomes a critical aspect especially when taking into account quality of wireless Internet connection were presented. The main aspects reflecting to mobile networks evaluation, in particular testing of service and description of ratios used for such evolution were presented. The primary goal of the article is presentation of the mobile application that enables measurement of wireless Internet connection qualitative parameters. More precisely the above men-tioned application tests the capacity of Internet connections, which of course may differ significantly deepen-ing on the Internet supplier. The testdeepen-ing methodology and the functional algorithm were presented. Finally the mobile application, is the main of thesis. It’s goal is to describe functional aspects of application that tests wireless Internet connection quality. The measurement results were described and illustrated.