HSDPA v reálu

Již jsme si zvykli, že citované rychlosti komunikace nemusí zcela (ani vzdáleně) odpovídat tomu, co uživatelé zažijí s danou technologií v reálných podmínkách. Proto je potřeba nejen rozumět jednotlivým kritériím, důležitým pro spokojenost s mobilní službou daným uživatelem, ale také věnovat pozornost výsledkům testování.

Důkladné testování HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) v reálných podmínkách je nezbytné, protože ne všechny testy jsou dostatečně popsány ve specifikacích 3GPP. Minimální požadavky specifikují dokumenty TS34.121 a TS34.123, které definují rádiové a protokolové podklady pro testování. V terénu je ovšem potřeba testovat jednu ze základních vlastností HSDPA: schopnost rychlého přidělení sdíleného přenosového prostředí, takže reálné podmínky musí zajistit jak dynamické rádiové podmínky, tak více uživatelů „bojujících“ o dostupné přenosové kapacity.

Zkušenosti z pilotního provozu

Podle Motoroly, která před nedávnem zveřejnila výsledky svého testování, existují tři zásadní problémy; všechny řešitelné. Při reálném testování HSDPA se v první řadě odhalilo, že výkonnost streaming videa se výrazně zhoršuje v případě většího počtu aktivních uživatelů (přesněji již čtyř uživatelů!). Tento problém by se měl vyřešit vyšší kapacitou infrastruktury (ve stylu známé ale ne vždy platné poučky: „throw bandwidth to the problem“), upřednostněním videa nad jinými aplikacemi a správným nastavením plánovače na základnové stanici. Je také třeba vzít v úvahu, že právě plánovač je značně procesně náročný.

Dalším problémem je zpoždění u aplikací jako web, které lze odstranit tak, že se nebude měnit rychlost připojení (state-switching) uživatelů bez jejich vědomí. Za normálních okolností se totiž při inaktivitě uživatele adaptivně snižuje rychlost jeho komunikace se sítí. Při prohlížení webu by to znamenalo, že uživatel je sítí zjištěn jako neaktivní a jeho rychlost se příslušně sníží, ovšem při dalším kliknutí by čekal nečekaně dlouho. Proto je vhodné vůbec eliminovat přechod na nižší rychlost.

Posledním problémem je potřeba zvýšit přenosovou rychlost pro uživatele využívající službu skutečně v pohybu. HSDPA na rozdíl od UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) nepodporuje předávání uživatele přímo na MAC podvrstvě mezi základnovými stanicemi. Místo toho se mobilita musí řešit na vyšších vrstvách architektury, aby bylo uživatelské spojení zachováno za pohybu.

Vnímaná kvalita služby a zpoždění

Uživatelé služeb v sítích s přepojováním okruhů si užívají ten luxus, že opravdu vědí, jaká je bitová rychlost daného okruhu, protože je zaručená a neměnná. Klasické datové služby typu best effort (jako nejběžnější režim práce paketových sítí, kde prostředky nejsou rezervovány pro daný provoz) ale žádnou pevnou bitovou rychlost negarantují. Rozdíl je také mezi vnímanou kvalitou služby mezi těmito dvěma typy.

Kvalita služby hlasové či video telefonie je definována jako vnímaná kvalita hlasu nebo videa. Kvalitnější služby znamenají menší bitovou chybovost přijímaného signálu. Jiná je situace při stahování dat prostřednictvím paketových služeb, kde se kvalita služby vnímaná uživatelem váže k době od zahájení stahování webové stránky k jejímu zobrazení, jinými slovy zpoždění. V režimu best effort dostanou uživatelé k dispozici takovou rychlost, kterou je síť v daný okamžik za daných podmínek schopna podporovat. Zpoždění ovšem narůstá s objemem stahovaného souboru, takže není dobrým měřítkem kvality služby.

Pro hodnocení různých nabídek přístupu se používá řada kritérií, zejména maximální datová rychlost, které lze dosáhnout za ideálních podmínek v blízkosti základnové stanice, a spektrální výkonnost (poměr bits/sec/Hz). Pro mobilní služby jsou ještě důležité další hodnoty, mezi jiným udržitelná propustnost sektoru, datová rychlost na okraji buňky, která se ve skutečnosti nemusí týkat pouze skutečného okraje buňky, ale např. vnitřních prostor či míst se zeslabeným signálem (zejména v městských oblastech), tedy typicky až 30 % oblasti pokryté buňkou.

V rádiové síti uživatel za ideálních podmínek „získá“ na rádiovém rozhraní maximální bitovou rychlost (peak bit rate), ovšem kromě pochopení ideálních podmínek je potřeba dát pozor na to, zda se jedná o maximální rychlost na uživatele, nebo na celý sektor, který může sdílet více uživatelů. Protože je této maximální rychlosti dosaženo v průměru stejně pouze v 5-10 % plochy buňky a protože nevyjadřuje individuální průměrnou propustnost na uživatele, není toto kritérium příliš vhodné pro porovnávání různých nabídek.

Technologie, která nabízí maximální rychlost 1 Mb/s s využitím 1 MHz pásma má spektrální výkonnost 1 bit/sec/Hz. Tato hodnota ale rovněž pracuje s maximální rychlostí, takže nevyjadřuje realistické podmínky při běžném zatížení sítě. U některých technologií se spektrální výkonnost snižuje kvůli vzájemnému rušení, které vede také k vyššímu zpoždění přenosu. Rovněž nelze porovnávat tuto hodnotu mezi pevnými bezdrátovými a mobilními technologiemi.

V případě horších podmínek, s větší vzdáleností od základnové stanice anebo rušení, se maximální rychlost příslušně sníží. Za této situace může také dojít až ke ztrátě paketů, což zase znamená jejich opakovaný přenos a v souvislosti s tím nižší skutečnou přenosovou rychlost (effective bit rate) z pohledu vyšších vrstev, např. IP.

Zpoždění v mobilních sítích nabírají pakety také na cestě od přístupové rádiové sítě přes páteřní síť až k aplikačnímu serveru, ve všech mezilehlých uzlech. V této souvislosti se místo reálné bitové rychlosti hovoří o objektové bitové rychlosti (object bit rate) měřené na aplikační úrovni. Tato rychlost bere v úvahu všechna zpoždění na cestě a je zprůměrovaná pro všechny objekty přenášené směrem k uživateli a od něj. Jedná se o velikost objektu dělenou celkovým zpožděním v kbit/s. Vzhledem ke kapacitním omezením každého systému existuje rovnováha objektové bitové rychlosti mezi počtem současně aktivních uživatelů a vnímanou kvalitou služby.

Propustnost dat na uživatele ovlivňuje síťové zpoždění (latence). Latence znamená dobu přenosu paketu od klienta k serveru a zpět (RTT, Round Trip Time) a souvisí s činností vyšších protokolů. Pokud se používá spolehlivý transportní protokol TCP (Transmission Control Protocol), který má zabudovaný mechanizmus řízení chyb i řízení toku, zahrnující algoritmus pomalého startu při ztrátě datagramu (resp. nedoručení datagramu do určité nastavené sledované doby), pak výkonnost systému zejména pro malé pakety strádá. Z hlediska minimalizace latence pro mobilní přístup se velice perspektivní technologií jeví OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): Flash-OFDM má podle testů dosahovat latence pod 50 ms v plně zatížené síti.

Cílem vylepšování datových služeb WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) je tedy také snižování síťové latence. Vývoj latence u vylepšení WCDMA naznačuje následující obrázek:

zdroj: Ericsson

Co znamená HSDPA pro provozovatele

Technologie HSDPA je především určena pro výrazně asymetrické datové služby, které vyžadují výrazně vyšší kapacitu pro dopředný směr k uživateli než od něj (zpětný směr). Průměrné náklady na přenos MB dat podle Analysys, citované také UMTS Forem, je 0,09 USD v případě GSM/GPRS, ale pouze 0.01 USD u UMTS/HSDPA (někdy se udává dvoutřetinová úspora na přenesená data ve prospěch HSDPA).

Po nenaplněných očekáváních ohledně UMTS nikdo nečiní přesné odhady, co vlastně HSDPA přinese. Hovoří se o zvýšení ARPU na 3 eura, za předpokladu využití minimálně 1% uživatelů 3G do jednoho roku (a 25 % uživatelů do pěti let).

Nasazení HSDPA nahrává fakt, že nepotřebuje žádné další kmitočtové spektrum a jedná se o překryvné řešení pro stávající UMTS sítě, takže není potřeba sítě rozšiřovat a s pouhým softwarovým upgradem lze plně využít existující přenosové prostředí pro hlas a data (integrovaný hlas používá dedikovaný kanál), a to jak v režimu FDD (Frequency Division Duplex), tak TDD (Time Division Duplex).

Modernizace technologie mobilních sítí ale rozjezdu HSDPA nestačí. S UMTS byl mimo jiné problém s nedostatkem koncových zařízení. U HSDPA by skluz neměl nastat, protože všichni přední výrobci již mají zařízení s příslušnou podporou naplánovány, a to nejpozději na jako příštího roku. Budou o něco dražší než „obyčejné“ UMTS telefony, protože budou mít vysoce kvalitní LED displej, audio a kameru.

6. 12. 2005

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA