Meteorologisten havaintoasemien tietoliikenneratkaisut Lasse Latva Ilmatieteen laitos / Havaintotekniikka Valvoja: Prof. Sven-Gustav Häggman Ohjaaja: FT Johan Silén
Sisältö 1. Tutkimusongelma 2. Tutkimusmenetelmät 3. Mahdollisia tekniikoita 4. Suoritetut mittaukset ja saadut mittaustulokset 5. Muut vertailussa olleet tekniikat 6. Yhteenveto 2
Tutkimusongelma Työn tavoitteena on selvittää mitkä nykyiset ja lähitulevaisuuden tietoliikennetekniikat soveltuvat meteorologisten havaintojen luotettavaan siirtoon havaintoasemilta Ilmatieteen laitoksen toimipaikan lähiverkkoon. 3
IL:n havaintoasemaverkko noin 500 havaintoasemaa ympäri Suomea ja sen merialueita valtaosa asemista automaattisia säähavaintoasemia (AWS, Automatic Weather Station) AWS-asemilla mitattavia suureita ovat muun muassa: lämpötila, kosteus, näkyvyys, tuulen suunta ja nopeus, sademäärä, pilvet, lumensyvyys ja maanpinnan laatu havaintoja kerätään tiheimmillään minuutin välein 8 tutka-asemaa 4
Havaintoasemien tietoliikenne eri asematyyppejä, datan määrä vaihtelee asemakohtaisesti AWS-aseman tapauksessa lyhyt sääsanoma, alle 1 kt huoltotoimia varten asemille on muodostettavissa pääteyhteys valtaosa nykyasemista välittää havaintonsa valintaisen yhteyden (puhelinmodeemi/gsm-data) kautta, mutta soittoyhteydet ovat kalliita ja hankalia, erityisesti keruun tihentyessä halutaan kustannustehokkaita mutta luotettavia vaihtoehtoja yhteyksien saatavuus (engl. availability) keskeisessä asemassa pyrittäessä katkeamattomaan reaaliaikaiseen havaintovirtaan 5
kirjallisuusselvitys Tutkimusmenetelmät soveltuvat tekniikat mittaukset soveltuvien tekniikoiden testaaminen pääasiassa saatavuus- ja siirtonopeusmittauksia 6
GSM/GPRS WCDMA (UMTS) UTRA-TDD satelliittitekniikat (LEO, GEO) ISM-alueiden radiotekniikat WiMAX FlashOFDM HF-radioyhteydet kiinteän linjan tekniikat Mahdollisia tekniikoita 7
Järjestelmät: Suoritetut mittaukset GPRS GSM-verkossa (GPRS-)pakettidatayhteys VIRVE-viranomaisverkossa GEO-radan VSAT-järjestelmä (DVB-RCS, 14-15 GHz) Mittaukset: saatavuus viive tyypillinen siirtonopeus tiedonsiirron virheettömyys 8
GEO-radan VSAT-ja rjestelma Skylogic/Eutelsat, DVB-RCS GEO-radan broadcast-satelliitit 14-15 GHz VSAT-aseman la hetysteho 2 W antennin halkaisija 96 cm siirtonopeus 1 Mb/s, 500 kb/s mahdollista muodostaa oma verkko satelliittimaa-asemien va lille (VSATVSAT) Kuva: VSAT-testiaseman ulkoyksikko antenneineen IL:n Dynamicum-talon katolla Helsingin Kumpulassa VSAT = Very Small Aperture Terminal 9
VSAT-testiyhteyden rakenne VSAT-mittauksen testiverkko. Nopeusmittaus suoritettiin lisäksi ilman VPN-yhteyttä. 10
VIRVE ETSI:n TETRA-standardiin perustuva maanlaajuinen viranomaisverkko taajuudet 380-386 MHz ja 390-396 MHz π/4 -DQPSK -modulaatio, 25 khz kanava TDMA, neljä aikaväliä taajuusjakoinen dupleksointi (FDD) pakettidatalla max. 4,7 kb/s GSM/GPRS GSM 900, GSM 1800 (MHz) määritelty ETSI:n standardeissa GMSK-modulaatio, 200 khz kanava TDMA, kahdeksan aikaväliä taajuusjakoinen dupleksointi (FDD) pakettidatalla max. 9-21 kb/s per käytettävä aikaväli 11
30 vuorokauden tarkastelujakso Saatavuusmittaus minuutin välein ICMP-protokollalla (TCP/IP) yhteyden kautta kolme kaiutuspyyntöä (ECHO REQUEST), jos yhteenkin kolmesta pyynnöstä saadaan vastaus 10 sekunnin kuluessa, yhteys käytettävissä tarkasteluhetkellä sama komentojono ja samat parametrit kaikille testatuille yhteyksille ja yhteystekniikoille saadaan tietoa myös pakettidatayhteyden kokemasta RTT-viiveestä (Round Trip Time) Esimerkiksi GPRS:n tapauksessa käytettäessä IL:n APN:ää (Access Point Name): 12
(GSM-)GPRS-yhteyksien saatavuus kahdeksan mittauksen kannalta identtistä testiasemaa ympäri maata 30 vrk:n mittauksen aikana havaittiin asemien välillä huomattavia eroja saatavuudessa GPRS yhteyden (testiyhteys 2) mitattu saatavuus GPRS yhteyden (testiyhteys 3) mitattu saatavuus 1 1 Saatavuus Saatavuus 0 0 06.04. 16:00 10.04. 00:00 13.04. 08:00 16.04. 16:00 20.04. 00:00 23.04. 08:00 mittaushetki 26.04. 16:00 30.04. 00:00 03.05. 08:00 06.05. 16:00 10.05. 00:00 06.04. 16:00 10.04. 00:00 13.04. 08:00 16.04. 16:00 20.04. 00:00 23.04. 08:00 mittaushetki 26.04. 16:00 30.04. 00:00 03.05. 08:00 06.05. 16:00 10.05. 00:00 radioyhteyden laadun lisäksi verkon kuormitus näyttäisi vaikuttavan saatavuuteen vertailumittauksen avulla pyrittiin mittaamaan operaattorikohtaisia eroja ja yleisötilaisuuden aikaan järjestetyllä mittauksella selvittämään alttiutta verkon kuormitukselle havaintojenkeruun kannalta oleellista: kuinka pitkiä katkot ovat? 13
30 28 26 24 22 GPRS yhteyksien katkoaikojen prosenttiosuudet eri keruuväleillä GPRS testiyhteys 1 (Sotkamo) GPRS testiyhteys 2 (Utö) GPRS testiyhteys 3 (Kumpula) GPRS testiyhteys 4 (Kuusamo) GPRS testiyhteys 5 (Inari 1) GPRS testiyhteys 6 (Ilomantsi) GPRS testiyhteys 7 (Lammi) GPRS testiyhteys 8 (Inari 2) Katkojen osuus ajasta [%] 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 5 10 30 60 180 Keruuväli [min] (asemalla 4 oli pitkä sähkökatko) Jos sähkökatkosta kärsinyt asema jätetään huomiotta 5 min max-viiveellä keskiarvo: 5,2 %, 2 kk tilastot operatiivisesta GPRS-AWS-keruusta: n. 5,7 % GPRS-keruun havainnoista estyy. 14
Estyneiden havaintojen osuus operat. GPRS-AWS-keruussa Estyneiden havaintojen prosenttiosuus [%] 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 GPRS keruun jälkeen puuttuvien havaintojen osuus (10 AWS asemaa, 2kk tarkastelujakso) AWS, Kuopio AWS, Helsinki AWS, Hanko II AWS, Kiikala AWS, Lammi AWS, Hanko AWS, Lahti AWS, Oulu AWS, Sodankylä AWS, Kirkkonummi 15
Saatavuuden vertailumittaus 16
Saatavuuden vertailumittaus - operaattorikohtaiset erot / verkon kuormituksen vaikutus mikäli operaattori ei varaa aikavälejä GPRS-käyttöön, estyy pakettidatayhteys hetkittäin sellaisilla alueilla, joilla on paljon piirikytkentäistä liikennettä operaattorit voivat priorisoida liikennettä eri tavoin operaattorikohtaiset erot: vertailumittaus Helsingin Kumpulassa, tulos: ei lyhyellä ajanjaksolla havaittavaa eroa kahden vertailussa olleen operaattorin GPRS-yhteyksissä verkon kuormituksen vaikutus: viitteitä jo aiempien saatavuusmittausten aikaan, tehtiin vertailumittaus Helsingin Kaisaniemessä YleX:n POP-konsertin aikana. Tulos: konserttipäivä sateinen, vähän yleisöä, ei havaittu estoa eikä siten myöskään operaattorikohtaisia eroja erityisesti kuormituksen vaikutusta olisi hyvä tutkia lisää 17
VSAT- ja VIRVE-yhteyksien saatavuus VSAT: mitattiin koko yhteysväliltä VPN-yhteyden yli IL:n lähiverkosta VSAT-aseman lähiverkkoon 30 vrk tarkastelujakso mitattu saatavuus 99,6 %. VSAT satelliittiyhteyden mitattu saatavuus 1 Saatavuus 0 14.03. 08:00 17.03. 16:00 21.03. 00:00 24.03. 08:00 27.03. 16:00 31.03. 00:00 03.04. 08:00 06.04. 16:00 10.04. 00:00 13.04. 08:00 16.04. 16:00 mittaushetki 18
0.8 Yhteyskatkojen kestojen normalisoitu jakauma VSAT yhteydellä 0.7 0.6 Osuus katkoista 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Katkon kesto [min] VIRVE: mitattiin (noin 2 kk, tarkastelujakso 30 vrk) kahden TETRA-päätelaitteen väliltä mitattu saatavuus oli heikko, tarkastelujaksolla n. 75 % runsaiden katkojen syyksi vahvistui vika verkossa 19
Siirtonopeusmittaus mitattiin nettosiirtonopeutta FTP-siirrossa TCP/IP-yhteyden yli testitiedosto oli gzip-pakattua tekstiä ja se on koko oli GSM- ja VIRVE-mittauksissa noin 873 kt, satelliittiyhteydellä noin 49 megatavua. mittauskomentojono lähetti testitiedostoa toistuvasti yhteyden yli ja kirjasi kullakin siirtokerralla siirtoajan sekä laski tiedostosta SHA1-tiivisteen (tiedonsiirron virheettömyys) Tulokset: GPRS:n (tavallisessa GSM-verkossa, ei EDGE-laajennusta) siirtonopeus on noin 40 kb/s VIRVE-verkossa siirtonopeus oli keskimäärin noin 2,7 kb/s siirtonopeuden pysyessä erittäin hyvin vakiona VSAT-satelliittiyhteydellä nopeusvaihtelut olivat suurempia, mikä voi osittain selittyä sillä, että yhteys kulki Internetin kautta. Nopeudeksi laskevassa siirtosuunnassa (downlink) mitattiin VPN-yhteyden kautta 273 kb/s ja 916 kb/s ilman VPN-yhteyttä. Vastaavat arvot nousevaan siirtosuuntaan (uplink) olivat 225 kb/s ja 171 kb/s. 20
Muut vertailussa olleet tekniikat WCDMA (UMTS) tällä hetkellä lähinnä nopeuspäivitys GSM:n GPRS:ään UTRA-TDD verkko rakenteilla, ei mahdollista arvioida vielä LEO-satelliittitekniikat yhteyskustannukset rajoittavat käyttöä jatkuvaan siirtoon ISM-alueiden radiotekniikat rajoitetun kantaman vuoksi eivät sovellu WiMAX verkkojen alueellisuus rajoittaa ja hankaloittaa käyttöä sovelluksessa FlashOFDM Digitan @450-verkko vaikuttaa lupaavalta, muttei vielä toiminnassa HF-radioyhteydet itsenäinen, riippumaton havainnonsiirtoverkko teoriassa mahdollinen, mutta vaatii lisäselvityksiä kiinteän linjan tekniikat soveltuvat jos asemapaikka ja yhteysetäisyys sallivat (kustannukset) 21
Yhteenveto GSM-verkossa toimivan GPRS-pakettidatayhteyden kautta mahdollista siirtää huomattava osuus havainnoista edullisesti reaaliajassa, mutta yhteyksissä huomattavia laatueroja edullinen, mutta altis ruuhkalle verkossa VIRVE tarjoaa viranomaiskäyttöön GPRS-tekniikaa hyödyntävän, mutta julkisesta televerkosta riippumattoman pakettidatayhteyden palveluverkon kustannushyödyt, erillisen rajoitetun käyttäjäryhmän viranomaisverkon edut GEO-radan VSAT-tekniikka soveltuu tietoliikenneteknisten ominaisuuksiensa puolesta sovellukseen mahdollisuus yhdistää VSAT-asemia keskenään verkkoon VSAT-VSAT -yhteyksillä n. 1,5 sekunnin viive muut yhteystekniikat kiinnostavimmat vaihtoehdot rakenteilla oleva valtakunnallinen FlashOFDM-verkko sekä omat radioyhteydet HF-taajuusalueella jatkotutkimuksena voisi selvittää näiden soveltuvuutta tarkemmin 22
Kysymyksiä, kommentteja? Kiitos! 23
Liite: VSAT-yhteyden nopeusmittaus keskimääräinen siirtonopeus [kb/s] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 VSAT yhteyden mitattu siirtonopeus (FTP siirto TCP/IP yhteyden yli, VPN käytössä) 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 siirretty kumulatiivinen datamäärä [Mt] downlink uplink keskimääräinen siirtonopeus [kb/s] 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 VSAT yhteyden mitattu siirtonopeus (FTP siirto TCP/IP yhteyden yli, ilman VPN yhteyttä) 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 siirretty kumulatiivinen datamäärä [Mt] downlink uplink 24
Liite: siirtonopeusmittaus GSM/GPRS- ja VIRVE-verkossa GSM/GPRS verkossa mitattu siirtonopeus pakettidatalla (FTP siirto TCP/IP yhteyden yli) 50 operaattori 1 operaattori 2 5 TETRA verkossa (VIRVE, pakettidata) mitattu siirtonopeus (FTP siirto TCP/IP yhteyden yli) 40 keskimääräinen siirtonopeus [kb/s] 30 20 10 keskimääräinen siirtonopeus [kb/s] 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 siirretty kumulatiivinen datamäärä [Mt] oper. 1, ka = 41,3 kb/s, oper. 2, ka = 40,2 kb/s. 0 0 10 20 30 40 50 60 siirretty kumulatiivinen datamäärä [Mt] ka = 2,74 kb/s. 25