Zařízení k navyšování přenosové rychlosti datové komunikace

Operátoři dnes na pevných přípojkách (typicky ADSL/VDSL) i v mobilních sítích (typicky GPRS, UMTS a jejich vylepšené verze) inzerují značně vysoké přenosové rychlosti. Nicméně realita je zcela jiná, zejména u mobilních sítí, které nabízejí značně proměnné pokrytí, ztrátovost paketů a přenosovou rychlost závislou na momentálním využití. Značně omezující je zejména směr upstream, který se obvykle pohybuje na zlomku rychlosti směru downstream. Vedle fyzické vrstvy je značným omezením i páteřní datová síť a zejména prováděná koncentrace (agregace) datových toků. Navýšení přenosové rychlosti je možné sdružováním více kanálů pomocí paketového inverzního multiplexoru, který lze implementovat do podoby mobilního embedded zařízení, jehož koncepce je představena v tomto článku. Představená koncepce vznikla za finanční podpory TA ČR v rámci projektu číslo TA02011015 „Výzkum a vývoj nového komunikačního systému s vícekanálovým přístupem a mezivrstvovou spoluprací pro průmyslové aplikace“ řešeného ve spolupráci s firmou CertiCon.

V případě potřeby přenosů dat mezi pohyblivými objekty, např. vozidly nebo krátkodobě zřízenými pracovišti, nezbývá než se spoléhat výhradně na služby mobilních datových sítí. Mobilní sítě však v rámci jednoho datového spojení nabízejí jen omezenou přenosovou kapacitu, často nedostatečnou pro současné aplikace. To, co provoz aplikací, které nejsou optimalizované pro sítě GSM/GPRS/UMTS, nejvíce limituje, navíc není rychlost přenosu, ale výrazné kolísání rychlosti a zpoždění komunikace přenášené těmito sítěmi. Videokonferenční hovory či živý obraz ve vysokém rozlišení z bezpečnostních kamer v podstatě běžnými mobilními technologiemi nelze v reálných podmínkách prakticky přenést. Pokud se prostřednictvím mobilních sítí zajišťuje řízení technologických procesů, vyvstávají další rizika při výpadku služeb konkrétního mobilního operátora.

Parametry komunikace na síťové vrstvě

Účastníky nezajímají obvykle parametry na fyzické vrstvě přípojek, ale parametry datového připojení na síťové vrstvě (přenos IP paketů). Hlavními parametry jsou propustnost, ztrátovost paketů, zpoždění a jeho kolísání. Ztrátovost paketů jako taková nebývá ve většině případů kritická. Ztrátovost ovšem podstatně naroste, pokud požadujeme přenos v reálném čase s vyrovnávací pamětí (jitter buffer) určité délky. Překročení zpoždění nad délku vyrovnávací paměti přináší další ztráty paketů. Pro kritické aplikace, jako je telemetrie v průmyslových a energetických systémech, vzdálené sledování objektů kamerovými systémy, je možno pro řešení tohoto problému použít redundantní přenos souběžnou přípojkou pomocí inverzního paketového multiplexoru popsaného dále.

Obr. 1 Navýšení přenosové rychlosti pomocí inverzního paketového multiplexoru

Navýšení rychlosti pomocí paketového inverzního multiplexoru

Inverzní paketový multiplexor (iMUX) je zařízení specificky navržené pro navýšení přenosové rychlosti, stability a spolehlivosti datového přenosu prostřednictvím paketové sítě. Zmíněného efektu se dosahuje současným využitím několika přenosových cest, a to například i v kombinaci pevného a mobilního připojení. Zařízení se skládá ze dvou hlavních částí. Klientské jednotky v podobě embedded zařízení a čistě softwarově řešeného serveru.

Datový přenos je pro aplikace zcela transparentní, tj. není třeba žádná úprava koncových aplikací. Těm se datová komunikace jeví jako standardní internetová komunikace. Klientská embedded jednotka rozdělí datový tok, který se má přenést, až do čtyř nezávislých datových kanálů, serverová strana pak realizuje sdružení dat do původního toku. Stejný postup je aplikován i pro komunikaci opačným směrem. U mobilních sítí i přípojek ADSL/VDSL je tento problém aktuální zejména pro směr upstream, který dosahuje oproti směru downstream zlomku hodnoty. S výhodou je možno využít uvedené řešení i pro zálohování konektivity a posílení přenosu v rámci mobilních sítí, typicky přes dva různé operátory. Řešení vyvíjené v rámci projektu TA ČR číslo TA02011015 ve spolupráci se společností CertiCon je v současné době dostupné v podobě prototypu pro nasazení v mobilních prostředcích.

Embedded klientská jednotka o rozměrech 105 × 30 × 165 mm v kovovém provedení může být napájená přímo ze stejnosměrného rozvodu palubní sítě, a to v rozsahu napětí 12 až 36 V. Kromě GSM modemů obsahuje GPS přijímač, který lze využít pro sběr údajů o poloze a ty v reálném čase zasílat na iMUX server. Uživatelská síť se ke klientské jednotce připojuje pomocí technologie Ethernet 10/100 Mbit/s.

Další vývoj systému

Nevýhodou dosavadních řešení pro inverzní multiplex je, že rozřazování paketů do jednotlivých přenosových cest je prováděno nekoordinovaně, v důsledku toho může docházet k nekontrolovanému nárůstu zpoždění při přenosu a dočasnému navýšení ztrátovosti paketů a vzniku nestability komunikace pomocí protokolů vyšších vrstev včetně zahlcení síťových prvků a rozpadu spojení. Tento problém řeší adaptabilní systém pro zvýšení rychlosti a spolehlivosti přenosu dat v paketové síti s optimalizací zpoždění za pomoci paketového regulátoru.

Komunikační systém je navržen tak, aby umožnil sdružení více přenosových cest, typicky 2 až 4, s navzájem různými přenosovými rychlostmi, a to i realizovaných zcela odlišnými fyzickými kanály. Systém má schopnost inteligentního zacházení s přenášenými daty, kdy podle vlastností přenosových cest a schopnosti samočinného vyřazení jedné či více přenosových cest v případě výpadku nebo zvýšení ztrátovosti paketů nad přípustnou mez řídí rozřazování paketů do přenosových cest pomocí regulátoru zpoždění při přenosu. Za pomoci injektování a detekce řídicí informace v přenosové cestě je zjišťováno zpoždění paketů a na základě toho řídicí jednotka reguluje intenzitu vysílání paketů do síťových rozhraní. S ohledem na změřené hodnoty zpoždění regulátor stanoví množství přenášených dat, aby odcházel do příslušného kanálu jen takový objem dat, který je schopen daný kanál přenést. Regulátor zároveň alokuje odpovídací obsah vstupního paketového zásobníku. Množství paketů ve vstupním paketovém zásobníku se nastavuje tak, aby obsahoval v součtu jen takové množství dat, které jsou aktuálně schopná přenést všechna síťová rozhraní. Pakety převyšující kapacitu vstupního paketového zásobníku se neukládají a nepřenášejí, a tak se chrání rozhraní, přenosový kanál a paketová síť před přetížením, čímž je ve výsledku optimalizováno zpoždění při přenosu. Navržený systém je v současné době testován v mobilní síti pomocí dvou nezávislých kanálů přes různé operátory. Zjištěné výsledky ověřily správnou funkci navržených algoritmů a daly základ další optimalizaci regulátoru pro různé síťové scénáře.

Závěr

Vedle fyzické vrstvy je značným omezením i páteřní datová síť a zejména prováděná koncentrace (agregace) datových toků. Navýšení přenosové rychlosti je možné sdružováním více kanálů pomocí paketového inverzního multiplexoru, který je na katedře telekomunikační techniky vyvíjen ve spolupráci se společností CertiCon v rámci projektu TA ČR číslo TA02011015 „Výzkum a vývoj nového komunikačního systému s vícekanálovým přístupem a mezivrstvovou spoluprací pro průmyslové aplikace“ řešeného ve spolupráci se společností CertiCon.