Datanopeuden pitäisi olla yksinkertainen parametri. Jos mobiilikäyttäjä haluaa ladata musiikkia kännykkäänsä 192 kilobitin sekuntivauhtia, miniminopeuden linkille tukiasemasta kännykkään pitäisi olla 192 kilobittiä sekunnissa. Mitä monimutkaista tässä voisi olla? 

Kirjoittaja Eduardo Gonzalez Reyes on Anritsun sovellusinsinööri Ruotsissa. Hänellä on fysiikan tutkinto Zaragozan yliopistosta. Aiemmin hän on työskennellyt Ericssonilla tietoliikenneinsinöörinä. Nykyään hän työskentelee Anritsulla Kistassa, lähellä Tukholmaa.

Itse asiassa musiikinkuuntelijan verkkopalvelun laatuun vaikuttaa kolme tärkeää parametria. Tämän päivän LTE-verkoissa on kolme keskeistä tekniikkaa yhteysongelmien ratkaisemiseen.

Tässä artikkelissa kuvaillaan maksimidatanopeuden eli läpäisyn (throughput) mittauksia, joita voidaan tehdä päätelaitteessa (kännykässä tai mokkulassa) sekä niitä vaikutuksia, joita datanopeuden muuttumisella voi olla päätelaitteen suorituskykyyn. Artikkeli osoittaa myös, kuinka mahdollisuus mallintaa kännykän käyttäytymistä kaikissa mahdollisissa olosuhteissa - mikä voidaan tehdä sofistikoidussa tukiasemasimulaattorissa - on tehokkaan verkkosuunnittelun kannalta erittäin tärkeää.

Maksimidatanopeus markkinoinnin aseena

Verkon läpäisykykyä eli maksimidatanopeutta käytetään usein verkon ja päätelaitteen suorituskyvyn tärkeimpänä indikaattorina. Radioprotokollan kompleksisuus aiheuttaa kuitenkin sen, että operaattorien ja kännykkävalmistajien rohkeista kaistalupauksista on lähes mahdotonta päätellä mitään. Siksi on tärkeää tietää, mitä mitataan ja missä olosuhteissa, kun datanopeuden mittaustuloksia arvioidaan.

Itse asiassa kolme parametria kuvaa datansiirron pääpiirteitä: Keskimääräinen datanopeus, datanopeuden vaihtelu ajan mukaan ja pakettiviive (jitter).

Vaihtelut näiden parametrien arvoissa vaikuttavat eri sovelluksiin eri tavoin. Siksi on tärkeää ymmärtää parametrit hyvin.

Keskimääräinen datanopeus on se, mitä datanopeudella yleensä tarkoitetaan (ks.kuva 1). Datanopeuden vaihtelu tarkoittaa nopeimman ja hitaimman datayhteyden eroa tietyn ajanjakson aikana.

Kuva 1: Keskimääräisen datanopeuden ja datanopeuden vaihtelun vertailu.

Kuva 2 antaa toisenlaisen kuvan näyttäessään datanopeuden vaihtelun määrän tietyssä mittausajassa. Selvästi datanopeuden vaihtelu on vuossa 1 selvästi suurempaa kuin vuossa 2 (flow 1 ja flow 2).

Kuva 2: Datanopeuden vaihtelun vertailu kahdessa eri vuossa.

Nämä kaksi eri bittivuota muodostavat erilaisia haasteita verkko-operaattorille esimerkiksi puskuroinnin ja datanopeuden maksimivaatimusten suhteen. Esimerkiksi datanopeuden vaihtelu vaikuttaa VoIP-videopuheluihin - kun bittivirta hidastuu, ääni ja kuva uhkaavat katketa, häiriintyä tai kadota kokonaan. Sen sijaan suuria dokumentteja lataava bisneskäyttäjä voi sietää suuriakin vaihteluita yhteyden laadussa, kunhan keskimääräinen datanopeus riittää siihen, että lataus valmistuu siedettävässä ajassa.

Kolmas parametri pakettiviive (jitter) tarkoittaa aikaa, joka datapaketilta kuluu matkata lähtöpisteestä määränpäähänsä. Tätä parametria on vielä vaikeampi hallita kuin verkonläpäisyä, koska siihen vaikuttavat vahvasti myös käyttöjärjestelmät sekä palvelimessa että päätelaitteessa.

Verkko-operaattorien kannalta ongelmallista on se, että monet näihin kolmeen parametriin vaikuttavista tekijöistä eivät ole heidän hallittavissaan. Datanopeus päätelaitteessa on seurausta datansiirrosta ilmateitse, ja toisin kuin kiinteässä yhteydessä, operaattori ei voi vaikuttaa suoraan linkin olosuhteisiin. Ilmatie ja ympäristö vaikuttavat datanopeuteen: tällaisia ovat esimerkiksi kosteus ja muiden RF-signaalien aiheuttamat häiriöt. Lisäksi käyttäjä - ei operaattori - määrää, mitä bittivirtoja verkon yli siirretään ja milloin.

Operaattorin tehtävä on siksi hyvin vaikea. Pitää tarjota riittävä palvelunlaatu erilaisille datatyypeille, jotka toimivat eri tavoin erilaisissa datanopeuksissa, datanopeuden vaihtelussa ja pakettiviiveissä.

LTE:n työkalut datanopeuteen

LTE-verkkoprotokolla tarjoaa kolme keskeistä tapaa varmistaa, että datanopeus vastaa käyttäjien vaatimuksia. Näiden syvällisempää ymmärtämistä tässä artikkelissa tuetaan datalla ja graafisilla mittaustuloksilla, jotka perustuvat todellisiin mittauksiin. Mittauksia varten datanopeus oli lähteessä (palvelimessa, josta data lähetettiin) aina 70 megabittiä sekunnissa, ja päätelaitteena käytettiin ZTE:n MF820E-mokkulaa. Grafiikat ja taulukot näyttävät, miten hyvin dataa vastaanotettiin erilaisissa radio-olosuhteissa.

RF-lähetystehon hallinta on ensimmäinen operaattorin käytössä oleva tekniikka. Vastaanotetun tehon vaihtelun vaikutukset on helppo ymmärtää, jos päätelaitetta vertaa ihmiskorvaan. Mitä hiljaisemmalla äänellä meille puhutaan, sen vaikeampaa puhetta on ymmärtää. Samalla tavalla mobiilipäätelaitteen vastaanotto on vaikeampaa matalatehoisella signaalilla.

Kuva 3: Datanopeuden hidastuminen vastaanotetun signaalin tehon pienentyessä.

Kuva 3 näyttää, että vastaanotetulla tasolla -68 dBm (tai sitä suuremmalla vastaanotetulla tehotasolla) datanopeus on sama kuin alkuperäisessä lähetyksessä (70 Mbit/s). Kun teho pienenee, paketteja alkaa kadota ja päätelaitteen datayhteys hidastuu. Käytännössä tämä koetaan älypuhelimen käytössä selaimen jumiutumisena, tai sivun hitaana latautumisena.

Vastaanotettu teho vaikuttaa datanopeuden vaihteluun ja keskimääräiseen datanopeuteen. LTE-verkon ominaisuuksiin kuuluu, että datanopeuden hidastuessa dataa menetetään ryppäinä sen sijaan, että yhteys hidastuisi tasaisesti ja pikku hiljaa. Tyypillisesti yhteydessä menetetään joukko peräkkäisiä paketteja ennen kuin normaali yhteys palautuu ja datayhteys kasvaa hyväksyttävälle tasolle.

Kuva 4: Muutokset datanopeudessa suhteessa vastaanotettuun radiotehoon.

Kuva 4 osoittaa, miten arvokasta operaattorille on testata datanopeuden vaihteluita (mainituilla parametreilla) eri päätelaitteilla. Tällainen testaaminen onnistuu helpoimmin siihen suunnitellulla LTE-tukiasemasimulaattorilla, kuten Anritsun MD8475A-testerillä. Tämä osoittaa, että juuri ja juuri havaittavissa oleva yhteyden tason vaihtelu -68 dBm lähetysteholla muuttuu selvästi havaittavaksi -70 dBm:ssä. Kun tämä on tiedossa, verkon suunnittelijat voivat määritellä mastojen sijainnin ja tukiasemien konfiguroinnin niin, että käyttäjät pääsevät nauttimaan yli -70 dBm:n yhteyksistä mahdollisimman paljon.

Pakettien uudelleenlähetys

Kun ilmarajapinnan laatu tukiaseman ja päätelaitteen välillä heikkenee, paketteja saattaa kadota, mikä vaikuttaa yhteyden laatuun. Tätä varten LTE-protokolla sallii pakettien uudelleenlähetyksen tietyn määrän kertoja. Mikäli tällöinkään paketit eivät mene perille, tukiasemaverkko luovuttaa ja datapaketti menetetään kokonaan.

Kuva 5: Pakettien uudelleenlähetyksen vaikutus datanopeuteen eri radiotehoilla.

Kuva 5 osoittaa, että mitä useampia uudelleenlähetyksiä on, sitä parempi datayhteys on. Näin tapahtuu, vaikka radioteho pienenisi ja linkin laatu heikkenisi. Kuva 6 näyttää mielenkiintoisen tuloksen: datayhteyden vaihtelu vähenee myös, kun sallitaan enemmän pakettien uudelleenlähetyksiä.

Kuva 6: Datayhteyden vaihtelun vertailu yhden uudelleenlähetyksen (vasemmalla) ja neljän uudelleenlähetyksen (oikealla) jälkeen.

Pakettien uudelleenlähetystä ei ole rajattu vain LTE-verkkoihin. Sitä käytetään yleisesti dataverkoissa, esimerkiksi TCP-protokollaa käytettäessä lähes kaikessa internetliikenteessä.

Uudelleenlähetyksen suurin haitta on se, että pakettiviive (jitter) kasvaa: uudelleenlähetetyn paketin pääseminen määränpäähänsä kestää pidemmän aikaa. Tämä voi häiritä joitakin sovelluksia - esimerkiksi webbiselailussa sivut eivät ehkä lataudu tasaisesti.

LTE-protokolla yrittää ratkaista tämän ongelman monimutkaisella ohjelmistorakenteella, joka varmistaa että datapaketit (uudelleen) lähetetään kerran millisekunnissa. Tämä minimoi vaikutuksen pakettiviiveeseen.

Selvästi tämä on alue, jolla operaattorit hyötyvät tukiasemasimulaattorilla testaamisesta. Sen avulla he voivat kokeilla erilaisia uudelleenlähetyksen strategioita löytääkseen optimaalisen tasapainon keskimääräisen datanopeuden, datanopeuden vaihtelun ja pakettiviiveen välillä.

Adaptiivinen linkki

Erittäin huonoissa radio-olosuhteissa edes useat uudelleenlähetykset eivät johda hyväksyttävään datanopeuteen. Operaattorin viimeinen keino on tällöin adaptiivinen linkki: radiolähetyksen ominaisuuksia sovitetaan dynaamisesti (reaaliajassa) koettuihin muutoksiin ilmarajapinnassa.

Tämä tapahtuu valitsemalla maksimidatanopeus, jota voidaan menestyksekkäästi pitää yllä pakettihäviöitä aiheuttavien verkkohäiriöiden ilmaantuessa. Tämä mahdollistaa erilaisten radiotekniikoiden hyödyntämisen, jotta lähetyksestä tulee kestävämpi (robust).

Tukiasema voidaan konfiguroida tekemään linkin adaptointipäätöksiä pakettihäviöiden jatkuvan monitoroinnin ja ilmarajapinnan olosuhteiden perusteella. Nämä päätökset määrittelevät kuinka paljon tai vähän käytössä olevista radioresursseista annetaan yhdelle matkapuhelimelle. Nämäkin konfiguroinnit voidaan optimoida tukiasemasimulaattorilla tehtyjen simulointien perusteella.

Vaikka datanopeuksien tahallinen rajoittaminen voi teoriassa kuulostaa epätoivottavalta, käytännössä täyden datayhteyden antaminen paketteja hukkaavalle päätelaitteelle johtaisi arvokkaiden radioresurssien tuhlaamiseen, kun niitä voitaisiin antaa toisen päätelaitteen käyttöön. Lisäksi verkko menettäisi datalähetysten laadun kontrollin. Sen takia on parempi johdonmukaisesti ja jatkuvasti tarjota alhaisempaa datayhteyttä kuin antaa käyttöön nopeampi yhteys, joka johtaa pakettien katoamiseen ja yhteyden katkeamiseen.

Johtopäätös

Verkonläpäisy tai datanopeus on yllättävän monimutkainen mittaus. Mittaustulos ilman mittausolosuhteiden tuntemista kertoo käyttäjälle hyvin vähän testattavan päätelaitteen suorituskyvystä.

Simulointien hyöty operaattoreille tulee siitä, että he voivat kokeilla erilaisia ilma- ja verkko-olosuhteita, ja tutkia niiden vaikutuksia matkapuhelimen datanopeuteen. Tämän ansiosta operaattorit voivat hyödyntää erilaisia strategioita kuten RF-tehon konfigurointia, pakettien uudelleenlähetystä ja linkin adaptointia tuodakseen käyttäjille parhaan mahdollisen palvelun laadun tukemissaan verkon käyttötavoissa.

MD8475A-testerin kaltainen hyväksi havaittu tukiasemasimulaattori, joka tukee kaikkia mobiiliprotokollia LTE:een saakka, sisältää sisäänrakennettuna erilaisia optioita vaihtelevien toimintaolosuhteiden simuloimiseen ja testaamiseen.