Mobiilside juurdepääsuvõrk

Avo Ots, Marika Kulmar, Ivo Müürsepp

Labor 1 juhend õppeaines IEE1100 Arvutivõrgud kevadsemestril 2020

Töö eesmärk

Tutvumine mobiilside juurdepääsuvõrgu (kärgvõrgu) ehitusega, levikvaliteedi mõõtmisega ning olulisemate raadiosignaali tugevust ja mobiilterminali asukohta näitavate parameetritega.

Kasutatavad seadmed ja tarkvararakendused

Network Cell Info Lite rakendusega mobiiltelefon (Android). Võib kasutada ka mõnda muud analoogilist rakendust nagu näiteks G-NetTrack Lite vms.

Tulemuste kuvamine Google Map kaardile, põhimõtteliselt võib ka siin kasutada mõnda muud kaardirakendust või geoinfosüsteemi.

Töö käik

1. Ettevalmistus tööks.

2. Tutvumine rakendusega.

3. Ring ümber valitud tugijaama koos andmebaaside salvestamisega.

4. Valitud tugijaama katsetulemuste järelanalüüs.

1. Ettevalmistus tööks

Installeerida mobiilterminali (sobib ka tahvelarvuti, millel on olemas mobiilside moodul koos SIM kaardiga) mõõtmisrakendus (Network Cell Info Lite, https://m2catalyst.com/apps/network-cell-info). Lülitada terminalis sisse GPS ja käivitada installeeritud rakendus.

Wifit ei ole vaja mõõta. Selleks vajutada hammasratta ikoonile Settings -> WiFi -> WiFi (R) real Show WiFi: Off. Käivitada äpp uuesti.

Mõõtmise käigus on vaja, et terminal saaks vastu võtta GPS signaali, selleks peaks mõõtmine toimuma mitte siseruumis vaid õues. Õues on tugevam GPS signaal ja võib kätte saada signaali erinevatelt mobiilside tugijaamadelt. Tagamaks terminalile mobiilside signaali enam kui ühest tugijaamast, on otstarbekas mõõta tiheasustuse piirkonnas.

Piirangud rakenduse kasutamisel:

Network Cell Info Lite võimaldab salvestada kuni 200 mõõtepunkti.
Mõõtetulemuste kogumine toimub ainult siis, kui on avatud kaardiaken MAP ja terminali ekraan ei ole välja lülitatud.
Mõõtmiste ajaks MAP aknas on vaja GPS signaali (asukoha koordinaatide saamiseks) ja interneti ühendust (kaardi kuvamiseks).
Ühele Google kaardile saab salvestada kuni 10 faili mõõtetulemusi.

Tutvuda rakenduse kasutamisega. Tutvuda informatsiooniga, mida saab kätte akendest . Kaardiaknas tutvuda mõõteandmete kogumise ja salvestamisega.

Valida kaardiaken (MAP) ja veenduda, et kaardi uuendamine on aktiveeritud. (vt joonis 1)

Kaardikuva menüüvalikud

Joonis 1. Kaardikuva menüüvalikud.

Mõõtmise käigus kogutakse andmeid automaatselt, aga need andmed tuleb ise salvestada failideks mõõtmise lõpus. Enne faili salvestamist minna seademenüüsse (Settings) ja valida andmebaasi alammenüüst (Database) salvestatava logifaili tüübiks: OpenCellID.csv. Logifaili salvestamiseks vajutada mõõtmiste lõpus ekraanil olevat linnukest (vt joonis 1). Logifailid asuvad mobiilterminalis kaustas \Network Cell Info, kust saab need hiljem arvutisse kopeerida.

Kasutatavad lühendid on lahti kirjutatud dokumendis Network Cell Info FAQ, K. Acronyms / Terms.

Mobiilsidevõrkude teoreetilise osa kohta võib vaadata eelmise semestri viimase loengu videot, link on moodles.

2. Tutvumine rakendusega

Töö tegijate nimed:

Robert Laursoo, IADB23

Rakendusega tutvumiseks teha mobiilside igast põlvkonnast ühte tehnoloogiat kasutades alapunktides nõutud ekraanipildid ja vastata küsimused. Ekraanipildi tegemiseks Androidi operatsioonisüsteemil töötavates telefonides tuleb üldjuhul hoida mõne sekundi jooksul korraga all home- ja toitenuppu.

Mobiilside tehnoloogiate jagunemine põlvkondadeks:

2G: GSM, GPRS, EDGE
3G: UMTS, HSPA, HSPA+
4G: LTE

2.1. Teie poolt kasutatav riistvara ja tarkvara

Teha ekraanipilt menüüst System info/Feedback, kus oleks kirjas andmed Network Cell Info versiooni ja Android versiooni kohta (erinevad versioonid võimaldavad kätte saada natuke erinevaid andmeid).

2.2 GAUGE

Teha igast põlvkonnast ühe tehnoloogiaga läbi.

Lisada ekraanipildid aknast GAUGE.

Küsimus 1. GAUGE: Mida signaalitugevuse näit näitab, kuidas seda mõõdetakse ja milleks seda tulemust mobiilsides kasutatakse?

Signaali tugevuse näit RSRP näitab vastuvõetud signaali võimsust dBm-ides mõõtepunktis. Referentssignaali vastuvõetud võimsust RSRP (Reference Signal Received Power) mõõdab terminal. RSRP iseloomustabkärje leviala. See saadakse referentssignaalide võimsuste lineaarsest keskmisest.(viide). Tõenäoliselt on see kasutusel kasutatava kärje valikul ühe kriteeriumina.

Küsimus 2. GAUGE: Millist signaalitugevuse väärtuste vahemikku peetakse heaks, millist rahuldavaks ja millest allapoole ei mõõdeta?

Üks võimalik jaotus võiks olla alljärgnev (viide):

Küsimus 3. GAUGE: Millist informatsiooni saab teada sellest mõõteaknast veel (ühe-kahe lausega)?
Info hetkel teenust pakkuva kärje kohta: teenusepakkuja, seadmes sisse lülitatud ja aktiivsed teenused (kõne, data, roaming - SDR), kärje info, ühenduse tehnoloogia (4G) ning signaali kvaliteet (RSRQ). Info ühe naaberjaama kohta.

2.3 RAW

Teha igast põlvkonnast ühe tehnoloogiaga läbi.

Lisada ekraanipildid aknast RAW, et oleks näha kõikide jälgitavate naabertugijaamade andmed.

3G ja 2G naabervõrgud (kliki pildil):

Küsimus 1. RAW: Mitut naabertugijaama mõõdetakse?
LTE puhul näitas kaht naabertugijaama (vahepeal ka ainult üht).
3G puhul näitas 31 naabertugijaama
2G puhul 20.

Küsimus 2. RAW: Millist tehnilist infot kogutakse teenindava tugijaama kohta, millist naabertugijaamade kohta? Leida võimalikud erinevused kasutatud mobiilside tehnoloogiate vahel.

Teenindava tugijaama kohta kogutakse kõik andmed.
Naabertugijaama kohta kogutakse:

Tugijaama raadiovõrgu põlvkond
RSRP (signaali tugevus) ja RSRQ (signaali kvaliteet), võimsus
ASU (Arbitrary Strength Unit)
Tugijaama andmed: PCI (Physical Cell ID ehk kood lähestikku asetsevate samal sagedusel toimivate 4G kärgede eristamiseks), NID (Network ID)

4G võrgule ainuomased näidikud on esile toodud järgmise küsimuse vastuses.

Küsimus 3. RAW: Selgitada välja, mida iga kuvatud arv tähendab, esitada selgitused aruandes.

MCC: Mobile country code
TAC: LTE Tracking Area Code (16-bit) (tracking area 4G võrgu alamosa (grupp tugijaamasid)), ainult 4G
eNB: eNodeB Identifier (20-bit)
RSRP: Reference Signal Received Power
RSRQ: Reference Signal Received Quality, ainult 4G
CQI: Channel Quality Identicator, ainult 4G

MNC: Mobile Network Code
ECI: E-UTRAN Cell Identifier (28-bit), ainult 4G
LCID: Local Cell Identifier (8-bit), ainult 4G
ASU: Arbitrary Strength Unit (võisus) (viide)
RSSNR: Reference Signal Signal to Noise Ratio, ainult 4G
TA: Timing Advance
Band: kärje sagedusala info
PCI: Physical Cell ID (0-503), kood lähestikku asetsevate samal sagedusel toimivate 4G kärgede eristamiseks
NID - osa CDMA tugijaama identifitseerivatest andmetest - Network ID, ainult 4G

2.4 MAP Mõõtepunkt.

Teha igast põlvkonnast ühe tehnoloogiaga läbi.

Valida ekraanilt üks meelevaldne mõõtepunkt (vt joonis 2) ja vajutada sellele. Teha sellest ekraanipilt.

Mida mingid arvud mõõtepunktijuures vastavlt kasutatavale põlvkonnale tähistavad on välja toodud järgnevas tabelis:

Märkida üles kuvatud informatsioon ja esitada see aruandes. Selgitada välja, mida kuvatud informatsioon tähendab ja esitada selgitused aruandes.

mõõtepunkti pildid

Joonis 2. Mõõtepunkti info, kui seade on ühenduses mobiilside erinevate põlvkondade tugijaamaga (vasakult 2G, 3G, 4G)

Küsimus 1. MAP mõõtepunkt: Milliseid andmeid saab teada mõõtepunkti kohta?
Leida võimalikud erinevused kasutatud mobiilside tehnoloogiate vahel.

LTE võrgu puhul saab teada saab järgmised andmed mõõtepunkti kohta:

Mobiilside põlvkond, mida terminal kasutab parasjagu kasutab (LTE)
Mõõtepunkti koordinaadid (29 m täpsusega), mõõtmise teostamise kellaaeg
TAC (2021), PCI (64), ECI (256256278)
Signaali tugevuse (RSRP, dBm) -97
MCC/MNC: 248 / 02 (country code / network code ehk teenusepakkuja id)

Võimalikud erinevused mõõtepunkti puudutavate erinevuste vahel (mis tulenevad tehnoloogiast) on toodud mõõtepunktide juures tabelis.

Küsimus 2. MAP mõõtepunkt: Võrrelda kuvatud arve võimsusmõõturi all välja toodud parameetrite väärtustega.

Minu juhul olid võimsusmõõturi all toodud arvud täpselt samad, mistõttu oli mugav neid tuvastada (luua vastavust arvu ja selle tähenduse vahel).

2.5 MAP tugijaam

Teha igast põlvkonnast ühe tehnoloogiaga läbi.

Leida ekraanilt üks tugijaamale vastav sümbol (vt joonis 3) ja vajutada sellele. Teha ekraanipilt.

LTE+: sidetehnoloogia
2021: LAC (tugijaama asukohapiirkonna identifikaator, GSM Location Area (16-bit))
256256279: cell id
65: PCI (Physical Cell ID (0-503))
Tugijaama koordinaadid 40 m täpsusega.

tugijaama pildid

Joonis 3. Mobiilside erinevate põlvkondade tugijaamade kohta kuvatav info (vasakult 2G, 3G, 4G)

Küsimus 1. MAP tugijaam: Milliseid andmeid saab teada teenindava tugijaama kohta? Leida võimalikud erinevused kasutatud mobiilside tehnoloogiate vahel.
Tähistuses kasutatavate andmete struktuur on toodud eelpool tabelis. Jaama tähistuses on nad järjekorras järgmiselt:

LAC (2G, 3G) või TAC (4G) - Location/Tracking Area Code - kood, millega operaator tähistab oma võrgu alampiirkondi, 4G võrgu alamosa (grupp tugijaamasid)
ECI (4G), UCID (3G), CID (2G) - unikaalne identifikaator kärje tähistamiseks
PCI (4G), PSC (3G) - kood lähestikku asetsevate samal sagedusel toimivate kärgede eristamiseks

Küsimus 2. MAP tugijaam: Selgitada tugijaamade tähistuses kasutatavate andmete struktuuri (riik, mobiilsidevõrgu operaator, asukohapiirkond, ..., tugijaama number).

Riiki ja operaatorit nende tugijaama tähistuste sees ei ole (nendes kolmes arvus). Küll aga leiab need MCC/MNC: 248 / 02 (country code / network code ehk teenusepakkuja id) näiteks mõõtepunkti vaadates.

3. Ring ümber valitud tugijaama koos andmebaaside salvestamisega.

Märkida üles ja esitada aruandes:

Mõõtmiste asukoht: Eesti, Tallinn, Kristiine
Mõõtmiste algus (kuupäev, kellaaeg): 03.05.2020 12:47:18 (timestamp: 1588510038264)
mõõtmiste lõpp (kuupäev, kellaaeg): 03.05.2020 12:52:33 (timestamp: 1588510353000)
Mobiilside võrguteenuse pakkuja (Tele2, Telia, Elisa): Elisa.
Kasutatud võrgutehnoloogia: 4G (LTE ja LTE+)
Millist transpordivahendit kasutades toimus mõõtmine: jalgsi

3.1 Ring ümber valitud tugijaama

Mõõtmisi võib teha liikudes kas jalgsi, jalgrattaga, autoga, ühistranspordiga või mõnel muul meelepärasel viisil. Veenduda, et rakendus on salvestanud teie teekonna koos vähemalt 20 mõõtepunkti ja vähemalt 2 erineva tugijaama asukohaga. Aruande jaoks vajalikke andmebaasi faile on kokku kaks - üks on tugijaamade kohta ja teine on mõõtepunktide kohta.

Ekraanil näidatavad tugijaamade asukohad pole tõelised. Rakendus kasutab Mozilla Location Service andmebaasi. Tugijaamade arvatavad asukohad pannakse paika Androidi rakenduse Mozilla Stumbler kasutajate mõõtetulemustest. [Network Cell Info FAQ, D. Map / Cell locations]

Valida välja üks ekraanil näidatav tugijaam, mille ümber saab liikuda täisringi. Teha sellest tugijaamast ekraanipilt MAP aknas (vt näide joonisel 4).

Salvestada sellest ringist andmebaasid ning sobitada kogu mõõtmiste teekond ekraanile ja teha ekraanipilt teekonnast MAP aknas (vt näide joonisel 5).

Valitud tugijaama indentifikaator: 2021-256319510-325

Valitud tugijaama kasutatav tehnoloogia: LTE+

Lisaks ekraanipildile salvestada ka mõõtmised logifailina. Mõõtmise käigus kogutakse andmeid automaatselt, aga need andmed tuleb ise salvestada failideks mõõtmise lõpus. Enne faili salvestamist minna seademenüüsse (Settings) ja valida andmebaasi alammenüüst (Database) salvestatava logifaili tüübiks: OpenCellID.csv. Logifaili salvestamiseks vajutada mõõtmiste lõpus ekraanil olevat linnukest (vt joonis 1). Logifailid asuvad mobiilterminalis kaustas \Network Cell Info, kust saab need hiljem arvutisse kopeerida.

Vajadusel saab kaardile kantud informatsiooni kustutada ja ebaõnnestunud mõõtmist korrata.

tugijaam

Joonis 4. Näide - valitud tugijaama pilt MAP aknas.

Joonis 5. Näide - ring ümber valitud tugijaama, teekonna pilt MAP aknas.

3.2 Andmebaaside andmed

Lisada aruandesse ekraanipildi salvestised iga saadud andmebaasi 5-10 esimesest reast Excelist või sarnasest programmist.

Küsimus 1. Milliseid andmeid kogutakse tugijaamade andmebaasi?
Koordinaadid, mcc, mnc, lac, cellid, radio (kasutatav tehnoloogia), tac.

Küsimus 2. Milliseid andmeid kogutakse mõõtepunktide andmebaasi?
mcc, mnc, lac, cellid, koordinaadid(lat, lon), signal, measured_at, rating, speed, direction, act, ta, tac, pci. Tähiste tähendused leiab siit ja siit.

Küsimus 3. Mitu erinevat tugijaama kasutati? Tugijaamade arv mobiilside võrgutehnoloogiate kaupa.
Kaht tugijaama. Mõlemad olid LTE.

Küsimus 4. Kuidas mõõtepunktide andmebaasist saab teada, et toimus tugijaama vahetus?
Logis muutub ajahetkel kasutatava tugijaama identifikaator (cellid).

4. Valitud tugijaama katsetulemuste järelanalüüs

4.1 Valitud tugijaama levikaart - link minu kaardile

Kasutada andmeid ainult ümber tugijaama liikumise kohta.

Koostada oma mõõtmiste tulemustega levikaart. Käesolevas juhendis kirjeldatakse levikaardi koostamist Google Maps keskkonnas. (google.com/maps/d)

Uue kaardi loomiseks minna My Maps lehele ja valida sealt +Create A New Map. Kaardi pealkirjas (Title) või kirjelduses (Description) peab sisalduma laboritöö tegija nimi. Aruande kaitsmisel peab kaardile juurde pääsema ka praktikumi juhendaja, siis on tuleb privaatsussätetes (Sharing settings) seadistada juurdepääsu tasemeks „Anyone with the link“.

Mõõtmetulemuste lisamiseks vajutada lehe vasakul serval nuppu EDIT ja luua uus kaardikiht (Add Layer). Valida kaardikihi nimi selliselt, et nimes sisalduks info mobiilside põlvkonnast (2G, 3G või 4G) ja mõõteandmete sisust (kas tugijaamad või mõõtepunktid).

Logifaili kaardile kandmiseks vajutada kaardikihi nime all olevat Import linki. Seejärel saab .csv faili mõõteandmetega lohistada avanenud aknasse või vajutades Select a file from your computer nuppu. Järgnevalt avaneb aken, kust saab valida, milliste andmete alusel punktid kaardile kantakse. Selles aknas on juba vaikimisi märgitud mõõtmise koordinaadid, seega jääb üle ainult vajutada Continue. Järgmises aknas märkida raadionupuga signaalitugevuse veerg (signal) ja vajutada Finish.

Google kaardile kanda kõikidest mobiilsidevõrkudest saadud andmebaaside andmed (kokku 2 faili):

Mõõtepunktide andmebaas (erinev värv erinevale tugijaamale, sildid signaalitugevuse järgi).
Tugijaamade andmebaas (ikoonid teistsugused, erinev värv erinevale tugijaamale, sildid andmeväljast "radio".

Lisada aruandesse koostatud levikaardi link.

Selgitus: Kollase tähekesega on märgitud tugijaama tegelik asukoht (jäi ilusti ringi sisse). Punase noolega on märgitud kaugem tugijaam, millele toimus vahepeal ümberlülitus aga see tõenäoliselt ei ole selle tugijaama täpne asukoht.

Ümberlülitus toimus, kui kasutatava tugijaama signaal muutus nõrgemaks kui uue tugijaama signaal.

4.2 Valitud tugijaama teenindusala esitamine Google kaardil

Joonistada valitud tugijaama oletatav teenindusala mõõtepunktide andmete põhjal.

Iga mõõtepunkti juures on andmed, milline on teenindav tugijaam selles punktis. Selle järgi valida välja mõõtepunktid, mis selle tugijaamaga on ühenduses ja nende paiknemise järgi joonistada teenindusala.

Märkus: Tugijaamade asukohad ei ole tõelised [Network Cell Info FAQ, D. Map / Cell locations].

Esitada saadud pilt aruandes koos põhjendustega teenindusala suuruse ja kuju kohta.

Aruandes esitada

Ülesannete lahendused ja salvestatud ekraanipildid. Levikaardi link. Kokkuvõte ja järeldused. Kasutatud materjalide ja allikate nimekiri.

Viited ja materjalid

[1] Network Cell Info Manual. https://m2catalyst.com/apps/network-cell-info. Vaadatud 23.09.2019.

[2] Martin Sauter. From GSM to LTE: An Introduction to Mobile Networks and Mobile Broadband. Wiley, 2010.

[3] James F. Kurose, Keith W. Ross. Computer Networking. A Top-Down Approach. 6th Edition. Pearson 2013.

[4] William Stallings, Moumita Mitra Manna. Data and Computer Communications, International Edition. Pearson 2014.

[5] The Evolution of Mobile Technologies: 1G to 2G to 3G to 4G LTE. Video 42 min, Qualcomm. https://www.qualcomm.com/videos/evolution-mobile-technologies-1g-2g-3g-4g-lte. Vaadatud 29.08.2018.

RSSI - received signal strenght indicator. Vastuvõetud signaali tugevus dBm, millele vastab power.