MATKAVIESTINTÄJÄRJESTELMÄT HARJOITUSTYÖ: MATKAPUHELINVERKKOJEN MITTAUKSIA Mika Oja 1684904 mioja@mail.student.oulu.fi Jarno Herranen 1767546 jherrane@mail.student.oulu.fi
TYÖN YLEISKUVA JA JOHDANTO Tutkimuksessa mitattiin kahta eri matkapuhelinverkkoa: Oulun yliopiston tietotaloon asennetun tukiaseman ympärille rakennettua testiverkkoa sekä DNA:n verkkoa Kaijonharjun kirjaston ja päiväkodin läheisyydessä. Mittauksia suoritettiin Nemo Handy -ohjelmalla, joka pyöri Nokia N80 -matkapuhelinympäristössä. Mittauksien kohteena olivat erityisesti UMTS-verkot, mutta jälkimmäisessä mittauskohteessa testilaitteemme siirtyi välillä GSM-verkkoon. Asiat joita mitattiin liittyivät verkon tunnistukseen ja erityisesti toimintaan sekä signaalin voimakkuuden kartoitukseen valittujen alueiden sisällä liikuttaessa. Kullakin alueella suoritettujen mittausten kesto oli noin seitsemän minuuttia. Tässä dokumentissa esittelemme mittaustuloksia sekä niiden perusteella tehtyjä päätelmiä verkkojen toiminnasta valituilla alueilla.
LINNANMAAN TESTIVERKKO Verkon tunnistusparametrit Verkosta saatiin mitattua seuraavat solun tunnistuksessa käytettävät parametrit: Mobile Country Code (MCC): 244 Mobile Network Code (MNC): 28 Local Area Code (LAC): 25000 Nämä tunnistekoodit määrittävät terminaalin sijainnin verkossa solun tarkkuudella ja oikeissa verkoissa niitä käytetään sijaintirekistereissä joiden perusteella voidaan välittää kaikki terminaalille tulevat yhteydet oikeaan paikkaan. Koodeissa MCC viittaa sijaintivaltioon (Suomi), MNC on verkon tunniste (yliopiston testiverkko) ja LAC on tunniste joka kertoo millä alueella verkossa ollaan. Oletettavasti testiverkossa on olemassa vain yksi alue. Oikeassa käytössä parametreista pitäisi löytyä myös Cell Identification, mutta testiverkossa tätä ei ollut saatavilla. Mahdollinen syy on se, että verkossa ei ole kuin yksi tukiasema ja siten vain yksi solu. Tukiaseman erottelussa käytettävä sekoituskoodi (scrambling code) on testiverkossa kokonaislukuarvona 201. Yhden tukiaseman sisältävässä testiverkossa tällä koodilla ei ole varsinaisesti mitään merkitystä, mutta oikeissa, useita tukiasemia sisältävissä verkoissa jokaisella tukiasemalla on oma koodinsa, jonka perusteella terminaali kykenee vastaanottamaan signaalia vain siltä tukiasemalta, jonka kanssa sen kuuluu olla yhteydessä. Signaalin voimakkuus Tämän voisi sanoa olevan kiinnostavampi osuus tutkimuksesta. Alue jolla mittaukset tehtiin sijaitsi tietotalon eteläpuolella ja hieman sivuillakin, kuten alla olevasta kuljetusta reitistä voidaan nähdä (kuva 1). Kuva 1: Mittausreitti yliopiston eteläpuolella. Mittaustuloksissa voimakkaina vaikuttajina voidaan nähdä erityisesti tekijää. Ensimmäisenä on antenni, joka sijaitsee tietotalon sisäpuolella ja joka on sijoitettu siten, että sen kantavuus ulos on mahdollisimman heikko [1]. Verkkoon kuuluisi myös kaksi ulkona sijaitsevaa antennia, mutta ne eivät olleet testihetkellä käytössä. Toinen vaikuttava tekijä on tukiaseman rajoittuneisuus tehonsäädön suhteen, sillä sitä ei ole lainkaan. Seuraavista kuvista voidaan nähdä näiden vaikutukset varsin selkeästi. Kuvateksteissä mainitut alueet 1 ja 2 on merkitty ylläolevaan karttaan nuolella.
Kuva 2: Lähetetty ja vastaanotettu teho alueella 1 Kuva 3: Lähetetty ja vastaanotettu teho alueella 2 Tehonsäädön puuttuminen näkyy näissä kuvissa varsin selkeästi varsinkin lähetystehosta, sillä se pysyy jatkuvasti yhtä korkeana riippumatta varsinaisesta sijainnista verkossa. Yhtä lailla tämä on näkyvissä, joskaan ei niin selkeästi, vastaanotetun signaalin kantoaallon voimakkuudesta (RSSI, paksu sininen viiva 1 ) sekä hyödyllisen osan voimakkuudesta (RSCP, punainen viiva). Teho ei siis nouse missään vaiheessa kummassakaan tapauksessa, vaikka alla olevista kuvista voidaan nähdä, että päätelaite haluaisi tehoja nostaa sekä uplink- että downlink-suunnissa. Kuva 4: Tehon nostokomentojen prosentuaalinen osuus alueella 1 1 Jostain syystä ohjelma ei halunnut näyttää viivaa vihreänä, vaikka tunnisterivissä niin väitetään.
Kuva 5: Tehon nostokomentojen prosentuaalinen osuus alueella 2 Uplink-suunnassa tehon nostokomentojen prosentuaalinen osuus on noin sata, mutta koska tukiasemassa ei ole tehonsäätöä, ei näihin pyyntöihin vastata missään vaiheessa ja lähetysteho pysyy jatkuvasti samassa arvossa. Sama pätee downlink-suunnassa, jossa tehoa ei saada ylöspäin pyynnöistä huolimatta, sillä tukiasemasta puuttuu mahdollisuus antaa tähän suuntaan lisää tehoa. Maantieteellinen sijainti puolestaan vaikuttaa tehoihin selkeästi. Nähtävissä on, että vastaanotettu kantoaallon signaalin voimakkuus pysyy heikoimmassa arvossa eteläseinustalla ja alkaa nousta sekä vaihdella enemmän ajan suhteen siirryttäessä länsiseinustalle, mikä on myös odotettavaa ottaen huomioon antennin sijainnin tietotalon aulan katossa, josta eteläseinustalle on selkeästi enemmän seiniä välissä kuin länsiseinustalle. Parhailla alueilla, tietotalon ja yliopiston päärakennuksen välisen yhdyskäytävän lähellä, vastaanotettu hyötyteho (Ec/No) oli luokkaa -3 db kun taas eteläseinustalla arvo oli -10 db. Otimme myös vertailuksi lyhyen mittauksen tietotalon aulasta, jossa tulos oli -3 db luokkaa. Kantoaallon signaalin voimakkuus ja hyötytehon erotus mittauksissa on kuitenkin erityisesti hyvällä alueella varsin pieni, eli signaalissa on suhteellisen vähän häiriötä, mikä on myöskin varsin odotettavaa ruuhkattomassa verkossa.
DNA Kaijonharjun keskustan lähellä Verkon tunnistusparametrit Verkosta saatiin mitattua seuraavat solun tunnistuksessa käytettävät parametrit: Mobile Country Code (MCC): 244 Mobile Network Code (MNC): 12 Local Area Code (LAC): Cell Identification: Useita Liikuttaessa solu vaihtui useita kertoja ja kaiken kaikkiaan mobiilipäätteemme ehti olla peräti kuuden solun alueella, joista vain puolessa käytettiin UMTS-teknologiaa. Alla olevaan karttaan on merkitty tarkemmin millä alueilla solut suurinpiirtein vallitsivat. Kuva 6: Mittausreitti Kaijonharjussa. UMTS-verkon kuuluvuus katosi siirryttäessä korkeiden kerrostalojen taakse, joten tästä voidaan päätellä kyseisen verkkoteknologian tuen olevan tässä verkossa mahdollisesti Kaijonharjun keskustassa tai samassa suunnassa kauempana, kuitenkin siten että UMTS-signaalin voimakkuus putosi liian heikoksi korkean esteen asettuessa tukiaseman ja mobiilipäätteen väliin. Koska päätelaitteemme oli yhteydessä useisiin eri tukiasemiin, käytettiin kommunikaatiossa myös jokaista tukiasemaa varten omaa sekoituskoodia, joiden käyttöön palaamme hieman myöhemmin. Verkosta saatiin tässä tutkimuksessa mitattua vain rajoitetusti parametreja, koska päätelaite oli koko ajan idle-tilassa, jolloin verkko ei ymmärrettävistä syistä kohdista päätteeseen mitään resursseja joita se ei tarvitse, koska nämä rasittaisivat verkkoa turhaan. Ylläolevien parametrien lisäksi oli mahdollista mitata vain lähinnä Random Access Channel (RACH) -parametreja. Tätä kanavaa käytetään, kun mobiilipääte haluaa muodostaa yhteyden ja ilmoittaa siitä tukiasemalle [2]. Lisäksi mittauksista saadaan radioresurssien hallinnan (RRC) tila, joka oli vähemmän yllättäen idle. RRC on nimi protokollalle, jonka kautta päätelaite ja radioverkko-ohjain keskustelevat[3]. Koska kyseessä on oikea verkko, on tehonhallinta käytössä, mutta se ei kuitenkaan näy idle-tilassa millään tavalla. Aktiivinen setti ja signaalin voimakkuus Aktiivisessa setissä oli valitulla alueella parhaillaan kaksi tukiasemaa, mutta pääosan ajasta vain yksi, joka kuitenkin vaihteli alueelta toiselle liikuttaessa niin kauan kuin päätelaite sijaitsi UMTS:n kuuluvuusalueella. Tarkkailun kohteena olleessa setissä sen sijaan oli useampia ja alla olevasta kuvasta nähdään kaikki mittausten aikana havaitut mahdolliset sekoituskoodit l. tukiasemat.
Kuva 7: Kaikkien alueella havaittujen tukiasemien sekoituskoodit Aktiivisessa setissä olivat kuitenkin ainoastaan koodeja 20, 98 ja 194 vastaavat tukiasemat ja näiden välillä vaihdeltiin jonkin verran. Näistä ensimmäisenä käytössä oli 98, mutta allaolevasta kuvasarjasta nähdään tilanne, jossa 194:ää vastaavan tukiaseman signaali muuttuu voimakkaammaksi ja tulee lopulta valituksi aktiiviseen settiin samalla, kun 98 tiputetaan. Teoria [4]
Kuva 8: Ec/No ennen vaihtoa Kuva 9: Ec/No vaihdon jälkeen
Ec/No-arvot liikkuivat pääasiassa -10 ja -12 db välillä. Parametreista alussa mitattu kantoaallon signaalin voimakkuus on hieman korkeampi, noin -9 ja -10 db välillä. Ero on hieman suurempi kuin testiverkossa keskimäärin. GSM-alueelle siirryttäessä vastaanotetut teholukemat muuttuivat tiheämpään tahtiin, mikä on nähtävissä alla olevasta kuvasta, joka on hetkellä jossa UMTS:n kuuluvuus lakkaa ja siirrytään GSM-verkkoon. Vastaavasti palattaessa UMTS-alueelle käyrä tasoittuu jälleen. Kuva 10: Vastaanotetun tehon muutos siirryttäessä GSM-verkkoon Kuva 11: Vastaanotetun tehon muutos siirryttäessä UMTS-verkkoon Syy on tavallaan ilmeinen, sillä verkkoteknologiasta toiseen siirryttäessä idle-tilassa tukiaseman kanssa käytävä keskustelu on sisällöltään sekä siirtotekniikaltaan erilaista. Tutkimuksen aihepiiriin ei kuulunut varsinaisesti selvittää näiden kahden teknologian välisiä eroja tässä suhteessa, joten jätämme asian lukijan kiinnostuksen varaan.
Viitteet [1] University of Oulu, Department of Electrical and Information Engineering, GSM1800/EDGE/WCDMA radio interface test network for educational purposes (2007), Centre for Wireless Communications, Oulu, 14 s. [2] 3G TS 25.214 Physical Layer Procedures [3] 3G TS 25.331 RRC Protocol Specification [4]