Šiuolaikiniame pasaulyje, kuriame taip greitai plėtojamos naujos technologijos, bene didžiausias rinkos ir technikos potencialas yra komunikacijų srityje. Sparčiai kintant gyvenimo tempui, reikalavimai komunikacijos priemonėms ženkliai auga. Jei anksčiau per atstumą vienas kitą šaukdavome balsu, vėliau laidiniu telefonu, tai dabartinis bendravimas vyksta mobiliuoju telefonu. Negana to, vis daugiau žmonių pageidauja ne tik balsu bendrauti su vienu ar keliais pašnekovais, bet perduoti ir gauti įvairaus dydžio ir formos reikiamą informaciją visur, kur jie tuo momentu bebūtų: darbe, namie, bare ar automobilyje.
Prie interneto vartotojai dažnai jungiasi laidinėmis sąsajomis, pavyzdžiui, per telefono linijas, kabelinės televizijos tinklus ir pan. Populiarėja ir bevielio vietinio tinklo technologijos. Tačiau šios technologijos turi vieną didelį trūkumą - jos nemobilios ir veikia tik tam tikrose vietose. Neretai vienintelis būdas prisijungti prie interneto lieka mobiliojo ryšio operatoriaus tinklas, kuris Lietuvoje yra ypač gerai išplėtotas.
GSM mobiliojo ryšio sistemoje yra net keletas technologijų, kuriomis galima perduoti duomenis. Pirmosios technologijos, kurios pasirodė netrukus po GSM atsiradimo, buvo duomenų perdavimo perjungiamais kanalais technologija - CSD (angl. Circuit Switched Data) ir didelės spartos duomenų perdavimo perjungiamais kanalais technologija - HSCSD (angl. High Speed Circuit Switched Data). Ilgainiui, šių technologijų suteikiama duomenų perdavimo sparta netenkino nei mobiliojo ryšio operatorių, nei vartotojų. Todėl buvo įdiegta paketinio duomenų perdavimo technologija - GPRS (angl. General Packet Radio Service).
GPRS, EDGE ir UMTS technologijos
Netrukus atsirado GPRS mobilaus duomenų perdavimo technologijos patobulinimas - didesnės spartos paketinio duomenų perdavimo technologija EDGE (angl. Enhanced Data rates for GSM Evolution, arba Enhanced GPRS). Kitas etapas - nauja 3 kartos mobiliojo ryšio UMTS (angl. Universal Mobile Telecommunications System) technologija, kuri vienose šalyse jau sėkmingai veikia, kitose (tarp jų ir Lietuvoje) tik pradedama diegti. Mobiliųju technologijų perdavimo raida buvo aprašyta anksčiau skelbtame straipsnyje. Darbo tikslas - atlikti išsamią GPRS, EDGE ir UMTS duomenų perdavimo technologijų teorinę analizę, palyginti ir išryškinti jų privalumus ir trūkumus. Eksperimentiškai išmatuoti duomenų perdavimo aukštyn ir žemyn spartą idealiomis ir realiomis sąlygomis. Įvertinti labiausiai spartą lemiančius veiksnius. Pasiūlyti galutiniam vartotojui programinę įrangą, skirtą tiksliam duomenų spartos, apimties įvertinimui, patogiam sujungimų valdymui, apskaitai.
Mūsų tiriamose mobiliose duomenų perdavimo sistemose, duomenų sparta paprastai matuojama kilobitais per sekundę (kbps). Duomenų kiekis - kilobaitais (kB) arba megabaitais (MB). Tokiu būdu skaičiuojama sparta visada bus mažesnė už didžiausią teorinę, nes prie siunčiamo failo visada pridedama tarnybinė informacija (užklausos, paketų antraštės ir pan.), kuri padidina failo dydį, taigi ir persiuntimo trukmę. Atlikę matavimą ir skaičiuodami spartą pagal minėtą formulę, mes įvertiname tik padidėjusią trukmę, kuri automatiškai sumažina spartą.
Veiksniai, įtakojantys duomenų perdavimo spartą
Naudojama kodavimo schema. Kaip jau minėta prieš tai esančiuose skyriuose, už kodavimo schemos parinkimą yra atsakingas RLC protokolas, kuris priklausomai nuo perduodamų duomenų tipo, radijo kanalo charakteristikų ir triukšmų lygio dinamiškai parenka kodavimo schemą. Didžiausią įtaką turi C/I (signalo/triukšmo) santykio koeficientas. Kuo šis santykis didesnis, t. y. kuo signalo dedamoji didesnė už triukšmų dedamąją, tuo aukštesnė kodavimo schema pasirenkama.
Iš formulės matome, kad vienam vartotojui skirto duomenų kanalo pralaidumas priklauso ne tik nuo celės konfigūracijos, bet ir nuo balso bei duomenų vartotojų skaičiaus. Duomenų kanalų skaičių įtakoja ir naudojamo mobilaus telefono tipas, tiksliau - jo MS klasė (1 ir 3 lentelės). Kuo aukštesnė MS klasė, tuo daugiau kanalų telefonas gali naudoti informacijai perduoti.
GPRS technologijos tyrimams bus naudojamas mobilusis telefonas „Nokia 6230“, o UMTS ir EDGE tyrimams - „Nokia 6680“. Abu telefonai 10-tos (MS) klasės, kurių didžiausias žemynkrypčių kanalų skaičius - 4, aukštynkrypčių - 2. Idealiu atveju, t. y. naudojant CS-4 kodavimo schemą ir gaunant visus 4 žemynkrypčius kanalus, vidutinė duomenų perdavimo žemyn sparta turėtų siekti 85,6 kbps (21,4x4) , o perdavimo aukštyn - 42,8 kbps (21,4x2). Mūsų eksperimentų metu, reali sparta tikėtina šiek tiek mažesnė dėl skaičiavimo metodikos - neįskaičiuojant tarnybinės informacijos. Panaši sparta tikėtina ir realiose sąlygose, t. y. gero ryšio vietovėse, kur vartotojų skaičius nedidelis. Pavyzdžiui, tai galėtų būti kaimo vietovė su nedideliu vartotojų skaičiumi, miesto miegamasis rajonas darbo valandomis ar pramoninis rajonas nedarbo metu. Trumpais laiko momentais tokią spartą turėtų būti galima gauti ir praktiškai visose kitose gero ryšio vietovėse, kur vartotojų skaičius ir labai didelis. Tačiau daugelį vartotojų domina ne didžiausi momentiniai, o vidutiniai greičiai ar dar tiksliau vidutinis laikas, reikalingas perduoti reikiamą informaciją.
Idealiu atveju tikėtina vidutinė duomenų perdavimo žemyn sparta turėtų siekti 236,8 kbps (59,2x4), o aukštyn - 118,4 kbps (59,2x2). Idealiu atveju tikėtina duomenų perdavimo žemyn sparta turėtų būti 384 kbps, aukštyn - 128 kbps. Kadangi UMTS technologija Lietuvoje tik pradedama diegti, natūralu, kad jos vartotojų kol kas nėra daug. Todėl realiomis sąlygomis gauta sparta neturėtų smarkiai skirtis nuo idealiomis sąlygomis gautos spartos.
Programinė įranga duomenų spartai ir apskaitai
Pirmoje šio skyriaus dalyje pateiksime programinių įrangų, skirtų duomenų spartai ir apskaitai, tyrimą. Antroje dalyje pateiksime duomenų spartos matavimus, kurie buvo atlikti visoms trims technologijoms dviem skirtingomis sąlygomis: idealiomis - operatoriaus laboratorijoje ir realiomis - Vilniaus mieste. Vienos labiau žinomos, kitos mažiau, vienos sudėtingesnės, kitos paprastesnės, vienos mokamos, kitos ne, visos šios programos iš principo skirtos vienai pagrindinei funkcijai atlikti: skaičiuoti per tinklą perduodamos informacijos kiekį ir spartą. Tyrimui buvo panaudotas „Sony Ericsson T68i“ mobilusis telefonas, kompiuteris su „Windows XP“ operacine sistema bei jau minėtos programos. Visos programos buvo pastoviai įjungtos (pasileisdavo kartu su operacine sistema). Programos buvo tiriamos daugiau nei 2 mėnesius.
- DU Meter - patikimai veikianti, nesudėtingai valdoma programa. Patogios ir paprastos išsiųstų ir priimtų duomenų kiekio ataskaitos (už dieną, savaitę, mėnesį), jų eksportavimas į „Excel“ formatą. Įspėjimai apie iš anksto užduotą duomenų kiekio ar laiko viršijimą, automatinis ryšio seanso nutraukimas ir kt. Programos mini lange informacijos nedaug (1 pav.). Čia pasirinktinai gali būti rodomi momentiniai arba vidutiniai duomenų perdavimo greičiai (apatinė eilutė) bei grafiškai laiko ašyje atvaizduojami momentiniai greičiai.
- NetStat Live - nemokama, paprasčiausia iš visų tirtų, nedaug vietos kompiuteryje (296 kB) užimanti programa. Praktiškai neturinti jokių papildomų galimybių (2 pav.). Momentinio greičio skaičiuoklė pakankamai tiksli (parodymai sutampa su likusiomis programomis). Tačiau, bendras apskaičiuotų duomenų kiekis absoliučiai nesutampa su likusių programų skaitiklių parodymais.
- OnlineEye Pro - pakankamai paprasta naudoti, turinti gana daug galimybių: ataskaitų formavimas lentelėse ir grafikuose, eksportavimas į „Excel“ formatą, kelių lygių slaptažodžių apsauga nuo duomenų ištrynimo, programos išjungimo. Įspėjimų generavimas pagal iš anksto užduotus kriterijus: pasiektas mėnesinis ar dieninis duomenų kiekio limitas, laikas ir kt. Laisvai konfigūruojamas duomenų rinkimo žingsnelis (angl. sampling rate) ir duomenų spartos vidutinės reikšmės skaičiavimas. Sujungimų valdymas - į programos meniu įtraukti ryšio sujungimo (angl. Dial) bei atjungimo (angl. Hangup) mygtukai, rodoma sujungimo būsena (atjungta, sujungta, jungiama ir kt.). Kitų kompiuteryje esančių programų pririšimas, kaip pvz. Pagrindiniame lange (3 pav. a) rodoma aktualiausia informacija - momentinis, vidutinis ir didžiausias greičiai gaunamai ir siunčiamai informacijai, dienos gautų ir išsiųstų duomenų kiekis ir kt. Kairėje pusėje nustatymų meniu. Mini lange (3 pav. 3 pav.
- ICC - sudėtingiausia bei daugiausiai galimybių turinti iš visų tirtų programų. Be visų kitose programose minėtų funkcijų, čia galima skaičiuoti savo išlaidas, įvedus tarifą už 1 kB ar 1 min, kurie gali būti skirtingi darbo / nedarbo valandomis, darbo dienomis ar savaitgaliais. Tačiau, funkcijų ir nustatymų galybė daro šią programą pakankamai sudėtinga. Reikia pakankamai daug laiko norint suprasti ką kuri funkcija daro, kaip teisingai sukonfigūruoti pačią programą. Kaip matyti iš 4 pav. (viršutinė juosta), ši programa puiki duomenų kiekio apskaitai, kur rodoma šios dienos, mėnesio gautų ir priimtų duomenų skaitikliai, atitinkamos išlaidos, sesijos laikas ir kt. Tačiau spartai stebėti (apatinė eilutė), ši programa nelabai tinkama. Čia rodomos tik momentinės gaunamų ir siunčiamų duomenų spartos, kurios pastoviai kinta ir šokinėja. Nėra galimybės stebėti vidutinės spartos. Be to, buvo pastebėta, kad laiko skaičiuoklė veikia nekorektiškai.
Kaip matyti, tiksliausiai (operatoriaus skaitiklį laikant atskaitos tašku) apskaičiavo „DU Meter“ programos skaitiklis (viso 36,5 MB). Jis priskaičiavo vos 0,1 MB daugiau nei operatoriaus skaitiklis (36,4 MB). Panašiu tikslumu (0,2 MB daugiau) apskaičiavo ir naudojamo „Sony Ericsson T68i“ telefono skaitiklis (36,6 MB). 0,2 MB mažiau nei operatoriaus apskaičiavo „OnlineEye Pro“ programos skaitiklis (36,2 MB). Likusių programų skaitikliai („ICC“ ir „NetStat Live“) gana smarkiai skyrėsi nuo operatoriaus skaitiklio - buvo priskaičiuota daug mažiau perduotų duomenų.
Kaip matyti iš 2 lentelės, geriausiai buvo įvertinta „DU Meter“ programa (18 pliusiukų), kuri buvo tikrai patogi naudotis, puikiai atliekanti visas pagrindines funkcijas, veikianti stabiliai ir svarbiausia - tiksliausiai skaičiuojanti. Vartotojas, mokantis fiksuotą mokestį už ribotą duomenų kiekį, iš visų tirtų programų gali labiausiai pasitikėti šia programa ir bet kada pasitikrinti kiek duomenų jis išnaudojo ir kiek liko. Taip jis gali nuolat pakankamai tiksliai kontroliuoti savo perduotų duomenų kiekį, neviršijant operatoriaus nustatyto ir nemokant už papildomus (beje, dažniausiai pakankamai brangius) megabaitus. Antroji vieta atiteko „OnlineEye“ programai, kuri taip pat buvo patogi naudotis, turinti daug galimybių, pakankami tiksliai skaičiuojanti. Tačiau pagrindinis jos trūkumas - patikimumas. Tiriamuoju laikotarpiu ji ne kartą buvo sustojusi („pakibusi“), o tai nesuteikia pasitikėjimo. Trečioji vieta - „ICC“ programai, kuri įvertinta kaip daugiausiai galimybių turinti, tačiau visiškai netiksliai skaičiuojanti.
Visos programos, išskyrus „NetStat Live“ yra mokamos. Turbūt net nekeista, tačiau atliktas programų vertinimas beveik sutampa su kainų lygiu.
Duomenų spartos matavimai
Su „Nokia 6680“ mobiliuoju telefonu matavome UMTS ir EDGE technologijomis perduodamų duomenų spartą. GPRS spartai matuoti buvo reikalingas kitas telefonas, kuris nepalaikytų EDGE duomenų perdavimo, nes Vilniaus mieste praktiškai visos bazinės stotys palaiko EDGE, kuris visada turi didesnį prioritetą nei GPRS. Tam buvo pasirinktas 10 klasės „Nokia 6230“ telefonas.
Duomenų, perduodamų žemyn (angl. downlink) spartai įvertinti, iš FTP serverio siuntėmės žinomo dydžio rinkmeną (1,23 MB). Duomenų, perduodamų aukštyn (angl. uplink) spartai įvertinti, iš kompiuterio į tą patį serverį siuntėme 512 kB dydžio rinkmeną. Naudojamas FTP serveris buvo specialiai sukurtas testavimo tikslams: užtikrintas geras ryšys su internetu ir minimalus jo apkrovimas. Norėdami įvertinti naudojamo protokolo įtaką, be FTP, ištyrėme ir HTTP protokolu perduodamų duomenų spartą. Tam buvo pasirinktas populiarus tinklapis (www.delfi.lt) ir išmatuotas jo parsisiuntimo laikas, dydis ir apskaičiuota perduodamų duomenų sparta.
Visiems matavimams buvo panaudotas nesudėtingas scenarijus (angl. script), kuris jungdavosi prie serverio, perduodavo minėtas rinkmenas ir surinkdavo gautus rezultatus txt tipo byloje: išsiųsto/gauto failo dydis, laikas per kurį jis buvo perduotas, apskaičiuota duomenų perdavimo sparta ir kita pagalbinė informacija. Siekiant kuo tiksliau įvertinti perduodamų duomenų spartą, matavimai buvo kartojami ne mažiau kaip po 15 kartų kiekvienam protokolui abejomis kryptimis (FTP), dviem skirtingomis sąlygomis (idealiomis ir realiomis), visoms 3 technologijoms atskirai. Svarbu paminėti, kad duomenų perdavimo sparta buvo skaičiuojama tik perduodamos naudingos informacijos apimties atžvilgiu, t. y. nebuvo atsižvelgiama į tarnybinės informacijos (paketų antraštės ir kt.) dydį ir jiems perduoti reikalingą laiką.
Duomenų spartos matavimai idealiomis sąlygomis
Pirmiausia buvo atlikti GPRS ir EDGE matavimai idealiomis sąlygomis, t. y. specialioje operatoriaus testinėje bazinėje stotyje, kurioje užtikrintas geras signalo lygis (apie 50 dBm), C/I santykis (apie 30 dB) ir svarbiausia - nėra kitų vartotojų, su kuriais reikėtų dalintis tinklo ištekliais.
Priklausomai nuo matavimo, rezultatai išsibarstę minimaliai. Tai tik įrodo, kad matavimo metu sąlygos buvo vienodos, o gautos vertės - kad sąlygos buvo praktiškai idealios. Analogiškai duomenų perdavimo žemyn spartai, buvo išmatuotos ir duomenų perdavimo aukštyn sparta. pavaizduotos idealiose sąlygose gauti rezultatai. Naudojant EDGE, vidutinė duomenų perdavimo žemyn sparta - 102 kbps ir beveik 3 kartus mažesnė - GPRS - 37 kbps. Čia rezultatų išsibarstymas dar mažesnis.
Tirdami HTTP protokolu perduodamų duomenų spartą iškart pastebėjome, kad duomenų sparta čia kur kas mažesnė. Naudojant EDGE technologiją, ji nesiekė 26 kbps, o GPRS - vos 20 kbps. Tokią mažą spartą lemia jau ne sąsaja tarp BTS ir MS, o kiti faktoriai: visų pirma, tai pats HTTP protokolas. Antra, puslapio dydis yra pakankamai mažas (apie 160 kB), ir galima sakyti, kad duomenų perdavimo technologijos nespėja įsibėgėti. Trečia, puslapis susideda iš įvairių skirtingų nedidelių dokumentų (tyrimo metu jų buvo 63), kuriuose daug pridėtinės informacijos (jų tipai, antraštės), o tai prideda daug papildomos informacijos, kuri neįskaičiuojama į puslapio dydį, taigi ir į perdavimo spartą. Įtakos turi ir kompiuterio nustatymai.
Skirtingai nei FTP, čia pastebimas ir gana didelis rezultatų išsibarstymas. Naudojant EDGE technologiją, sparta kito nuo 20 iki 31 kbps, o GPRS - nuo 16 iki 23 kbps. Tam įtakos galėjo turėti serverio, kuriame puslapis patalpintas, apkrovimas, kurio (skirtingai nei FTP) negalėjome kontroliuoti. Tačiau didžiausią įtaką darė puslapio dydis, kuris tyrimo metu kito nuo 121 iki 207 kB. Kuo šis dydis buvo mažesnis, tuo mažesnė buvo ir sparta.