Ocena efektywno ci transmisji IP z wykorzystaniem w skopasmowej ...

Janusz Romanik, Robert Urban, Edward Golan, Adam Kra niewski, Paweł Skar y ski
Zakład Radiokomunikacji i Walki Elektronicznej
Wojskowy Instytut Ł czno ci
Ocena efektywno ci transmisji IP
z wykorzystaniem w skopasmowej
radiostacji VHF
W referacie przedstawiono ocen efektywno ci transmisji IP w w skopasmowych sieciach pola walki
bazuj cych na radiostacjach RRC 9210. Na podstawie pomiarów wykonanych w warunkach laboratoryjnych
odzwierciedlaj cych kanał AWGN została oszacowana przepływno dost pna dla u ytkownika podczas
transmisji datagramów UDP. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczono charakterystyk BER w funkcji
tłumienia w kanale radiowym. Okre lono warto ci graniczne BER, dla których nast puje automatyczna zmiana
pr dko ci transmisji w wyniku zwi kszania tłumienia w kanale radiowym. Zmierzone warto ci BER zostały
odniesione do pr dko ci transmisji. Na podstawie wyników bada okre lono maksymaln przepływno
dost pn dla u ytkownika w najbardziej korzystnych warunkach, która wynosi 9,1 kbit/s. Ponadto
stwierdzono, e optymalna wielko datagramu UDP wynosi 512 bajtów. Bazuj c na uzyskanych wynikach
dokonano oceny efektywno ci transmisji z wykorzystaniem radiostacji pola walki RRC 9210.
1. Wprowadzenie
Post puj ca od kilku lat ewolucja w zakresie rosn cych potrzeb systemów dowodzenia
przekłada si na konkretne wymagania, jakim musz sprosta systemy ł czno ci. Nale y podkre li ,
e obserwowany obecnie rozwój wojskowych systemów telekomunikacyjnych ukierunkowany jest
na technologie szerokopasmowe, najcz ciej bazuj ce na protokole IP (ang. Internet Protocol).
Obecnie trend ten obejmuje równie sieci bezprzewodowe, maj ce zasadnicze znaczenie
na dynamicznie zmieniaj cym si polu walki. Warto w tym miejscu doda , e od kilku lat wi e si
du e nadzieje z wprowadzeniem radiostacji IP na szczeblu taktycznym (ang. Tactical Internet)
[1,2,3]. Urz dzenia radiowe działaj ce w oparciu o protokół IP pozwalaj na realizacj nowych
usług, m.in. dostarczanie dowódcom aktualnych informacji o poło eniu sił przeciwnika (ang. RFT
Red Force Tracking) i własnych (ang. BFT Blue Force Tracking) oraz o ich stanie, wyposa eniu,
stratach i bie cym potencjale bojowym.
Pierwszym krokiem w stron zastosowania protokołu IP w sieciach wojskowych jest
wykorzystanie obecnie eksploatowanych urz dze , w których zaimplementowano stos protokołów
TCP/IP i zł cze Ethernet 100BaseTX. Przykładem takiego urz dzenia jest radiostacja RRC 9210
firmy Radmor, która znajduje si na wyposa eniu Wojsk L dowych. Radiostacja ta pracuje
w kanale w skopasmowym, który ogranicza mo liwo ci transmisyjne, ale w porównaniu do
systemów szerokopasmowych oferuje znacznie wi kszy zasi g oraz wi ksz odporno na
zakłócenia. Zgodnie z deklaracj producenta radiostacja zapewnia pr dko transmisji danych do
19,2 kbit/s w korzystnych warunkach propagacyjnych [4,5,6,8]. Zastosowanie najnowszego
oprogramowania umo liwia skonfigurowanie radiostacji do pracy w sieci IP.
Powstaje jednak uzasadnione pytanie, jaka jest efektywno transmisji pakietów IP
w w skopasmowych kanałach simpleksowych. Dotychczas ten problem nie był w literaturze
szeroko poruszany. Bardzo cz sto zdarza si , e producenci sprz tu radiowego nie udost pniaj
szczegółowych informacji w zakresie zaimplementowanych mechanizmów i wydajno ci sieci,
ograniczaj c si do ogólnego stwierdzenia, e urz dzenia zapewniaj realizacj usług bazuj cych na
protokole IP.

Z punktu widzenia eksploatatorów systemu istotna jest wiedza na temat praktycznych
mo liwo ci transmisyjnych i zasad konfiguracji urz dze , uwzgl dniaj cych wpływ kanału
w skopasmowego [7]. W literaturze wiele miejsca po wi cono szerokopasmowym sieciom
bezprzewodowym, dostrzegaj c wiele czynników warunkuj cych efektywn prac , które mog
mie istotniejsze znaczenie w sytuacji w skopasmowych kanałów transmisyjnych [9,10,11]. Nale y
w ród nich wymieni narzut informacyjny wynikaj cy z przesyłania danych z warstwy aplikacji
poprzez kompletny stos protokołów IP. W konsekwencji, podczas transportowania pakietu przez
poszczególne warstwy s dodawane kolejne nagłówki i w rezultacie znacz co wzrasta rozmiar
przesyłanych danych.
W warstwie fizycznej, oprócz danych u ytkowych, przesyłane s dodatkowe dane -
synchronizacyjne, steruj ce i inne - co powoduje, e kanał transmisyjny musi by współdzielony.
Dodatkowo, w warstwie fizycznej stosowane s ramki zarz dzaj ce i steruj ce, np. RTS
(ang. Request to Send), CTS (ang. Clear to Send) lub ACK (ang. Acknowledgement), które równie
ograniczaj mo liwo ci kanału transmisyjnego [8]. St d te oszacowanie efektywno ci transmisji IP
w sieci w skopasmowej jest zagadnieniem istotnym i aktualnym.
Kolejne zagadnienie dotyczy dostosowania rozmiaru pakietów do wielko ci ramek
transmitowanych w warstwie fizycznej. Je li rozwa ana jest transmisja TCP (ang. Transmission
Control Protocol), wówczas pakiety IP maj rozmiar kilkuset bajtów. W warstwie fizycznej dane
o takim rozmiarze musz by poddane procesowi defragmentacji i przesyłania w kilku ramkach
warstwy fizycznej. Ma to zasadniczy wpływ na opó nienia transmisji, szczególnie w sytuacji
powstawania bł dów i konieczno ci retransmisji poszczególnych ramek. Ponadto, jednym
z krytycznych parametrów protokołu TCP jest okres Timeout, po którym powinny nast pi
potwierdzenia w warstwie transportowej. Warto tego parametru powinna by dostosowana do
specyfiki w skopasmowego kanału transmisyjnego, co nie zostało dotychczas zbadane z u yciem
radiostacji w skopasmowej RRC 9210.
Bior c pod uwag zasygnalizowane wy ej problemy celowe staje si przeprowadzenie
szczegółowych testów radiostacji VHF pod k tem jej mo liwo ci transmisyjnych. Wyniki testów
powinny stanowi podstaw do oceny efektywno ci transmisji IP w niesprzyjaj cych warunkach.
Uzyskane wyniki dostarcz niezb dne informacje do opracowania zasad konfiguracji radiostacji
i całej sieci, oszacowania typowych przepływno ci dla zadanych odległo ci oraz zakresu usług
mo liwych do realizacji. W efekcie mo liwe b dzie oszacowanie typowych pr dko ci transmisji
dost pnych dla u ytkownika.
W dalszej cz ci referat jest zorganizowany w nast puj cy sposób. W rozdziale 2.
scharakteryzowano ł czno w skopasmow VHF. W rozdziale 3. opisano tryby transmisji IP
charakterystyczne dla radiostacji RRC 9210. Rozdział 4. zawiera scenariusze i zało enia badawcze.
Wyniki bada zawarto w rozdziale 5., natomiast podsumowanie w rozdziale 6.. W rozdziale 7.
przedstawiono kierunki dalszych prac.
2. Ł czno w skopasmowa VHF
Kanał radiowy, w przeciwie stwie do kanałów przewodowych, podlega gwałtownym
zmianom, które zachodz w sposób losowy. Sygnał z nadajnika mo e dotrze do odbiornika po
wielu cie kach na skutek odbi od przeszkód terenowych czy ugi cia sygnału. Efektem tego s
fluktuacje amplitudy i fazy odbieranego sygnału nazywane krótko zanikami wielodrogowymi
(ang. Multipath Fading). Wyst puj ce w kanałach radiowych zaniki s przyczyn grupowania si
bł dów w tzw. paczki (ang. Burst Errors), których rozmiar i cz sto pojawiania si ma istotny
wpływ na prac systemu ł czno ci bezprzewodowej [9]. Zjawisko to wyst puje z ró n sił
w ró nych punktach, zatem zmiana poło enia urz dze nadawczo-odbiorczych mo e równie
wpływa negatywnie na odbiór sygnału. Kanał transmisji w systemie telekomunikacyjnym opartym
na radiostacjach pracuj cych w zakresie UKF jest w skopasmowy i wyst puj w nim zaniki
nieselektywne cz stotliwo ciowo (tzw. zaniki płaskie). Zaniki tego typu pojawiaj si , gdy

wszystkie wielodrogowe składniki transmitowanego sygnału przychodz przed ko cem czasu
trwania symbolu danych, a pasmo koherencji jest wi ksze od pasma transmitowanego sygnału [10].
Wymagania, jakim musz sprosta współczesne systemy ł czno ci wskazuj , e rozwój
wojskowych systemów telekomunikacyjnych ukierunkowany jest na technologie szerokopasmowe,
najcz ciej bazuj ce na protokole IP [12]. Dotychczasowe sieci radiowe szczebla taktycznego CNR
(ang. Combat Net Radio) były budowane w oparciu o radiostacje w skopasmowe pracuj ce
w zakresie cz stotliwo ci UKF i KF. Klasyczna ł czno radiowa opiera si na sieciach
i kierunkach radiowych. Sieci radiowe z natury zapewniaj ł czno pomi dzy wieloma
korespondentami radiowymi w trybie okólnikowym („wszyscy słysz wszystkich”). W celu
realizacji wybranych usług opartych na protokole TCP/IP, opracowano ró nego rodzaju punkty
dost powe, czy bramy (gateway’e), których głównym zadaniem była integracja systemów
radiowego i przewodowego.
Implementacja w urz dzeniach radiowych protokołu IP spowodowała jako ciowe zmiany
w zakresie funkcjonowania sieci radiowych i pozwoliła na rezygnacj ze stosowania urz dze
integruj cych. Aktualnie radiostacje wojskowe IP mo na wykorzystywa do budowy sieci
radiowych tworzonych dora nie (ad-hoc), które zapewniaj wi ksz niezawodno transmisji
i redundancj poł cze [12].
3. Tryby pracy IP radiostacji RRC 9210
Siły Zbrojne RP wyposa one s od kilku lat w radiostacje z rodziny PR4G nazwane F@stnet,
umo liwiaj ce transmisj danych zgodnie z protokołem TCP/IP. S to radiostacje plecakowe
RRC 9210 o mocy do 10 W oraz radiostacje pokładowe RRC 9310AP ze wzmacniaczem
zapewniaj ce moc wyj ciow 50 W.
Radiostacje te wyposa one s w karty IP umo liwiaj ce transmisje pakietowe w kanale
w skopasmowym 25 kHz z pr dko ci do 19,2 kbit/s, oferuj w trybie CNR (ang. Combat Net
Radio) transmisj danych do 43 kbit/s. Sterowanie i monitorowanie pracy radiostacji odbywa si
z wykorzystaniem protokołu SNMP (ang. Simple Network Management Protocol). Implementacja
najnowszej wersji oprogramowania radiostacji wprowadza szereg nowych rozwi za zwi zanych
z wykorzystaniem urz dze do pracy z protokołem IP.
Radiostacja RRC 9210 zapewnia dwa tryby pracy IP [12]:
- IP-MUX (jednoczesna transmisja mowy i danych);
- IP PAS (wył cznie transmisja danych).
Tryb IP-MUX jest przewidziany do jednoczesnej transmisji mowy i danych IP w tym samym
kanale radiowym, Rys.1.
Rys. 1. Radiostacje RRC 9210 w trybie IP MUX

W tym trybie oferowana jest transmisja danych z pr dko ci do 4,8 kbit/s, która odbywa si
w sposób simpleksowy lub w trybie wyzwalanego TDMA (ang. Time Division Multiple Access).
Synchronizacja pracy „hopingowej” odbywa si z wykorzystaniem radiostacji pełni cej w sieci
funkcj NCS (stacja nadrz dna). Podstawowa metoda synchronizacji zakłada jednak wykorzystanie
odbiornika GPS. Przej cie radiostacji do pracy w trybie IP-MUX inicjowane jest przez radiostacj
główn . W dowolnym momencie mo liwe jest dodanie i usuwanie radiostacji z sieci, co odbywa si
poprzez odpowiedni komend z radiostacji NCS. Liczba radiostacji w sieci mo e pozosta nie
zmieniona w porównaniu z trybem CNR, ale tylko maksymalnie do 32 mo e pracowa w trybie
mowa/dane, pozostałe tylko w trybie mowy. W najnowszej wersji oprogramowania firmowego
radiostacji zapewniona jest automatyczna zmiana (rozesłanie) tras routingu po rekonfiguracji sieci
radiowej.
Tryb IP PAS jest przewidziany wył cznie do transmisji danych z pr dko ciami do 19,2 kbit/s.
Synchronizacja pracy hopingowej odbywa si w sposób rozproszony, nie wymaga sygnału
z radiostacji NCS (w sieci nie istnieje stacja nadrz dna). Mo liwa jest retransmisja danych
z u yciem maksymalnie 5 prz seł. Pojedyncza radiostacja pracuje wówczas jako retransmiter
(Rys. 2). Dzi ki takim mo liwo ciom uzyskuje si znaczne powi kszenie zasi gu sieci, aczkolwiek
nale y liczy si z istotnym wzrostem opó nie przesyłanych danych – tryb dedykowany do
transmisji danych czasu nierzeczywistego. Maksymalna liczba radiostacji w sieci radiowej
pracuj cej w trybie IP PAS jest ograniczona. Ka da radiostacja w sieci w sposób automatyczny
aktualizuje dane dotycz ce topologii sieci, do której nale y („zna” swoje otoczenie). W przypadku
braku ł czno ci bezpo redniej, automatycznie nawi zywana jest ł czno z inn radiostacj w sieci.
Rys. 2. Radiostacje RRC 9210 w trybie IP PAS
4. Scenariusz badawczy
Celem przeprowadzonych testów było okre lenie pr dko ci transmisji zapewnianej
u ytkownikowi podczas transmisji pakietów IP z wykorzystaniem radiostacji RRC 9210. Na
podstawie wst pnych testów został wybrany tryb IP-PAS, który charakteryzuje si tym, e nie
umo liwia transmisji głosu ale przeznacza całe dost pne pasmo na transmisj danych. Pozwala to
na pomiar maksymalnej dost pnej przepływno ci dla u ytkownika. Do testów u yto dwóch
radiostacji w konfiguracji punkt-punkt z doł czonymi terminalami u ytkownika (Rys. 3).
Radiostacje pracowały w trybie IP-PAS z adaptacyjn pr dko ci transmisji i doborem kodowania
korekcyjnego.

Rys. 3. Układ badawczy
Pierwszy etap testów polegał na pomiarze charakterystyki BER w funkcji tłumienia w kanale
radiowym. Jako medium transmisyjne wykorzystano symulator kanału AWGN (Rys. 3), który
gwarantuje du powtarzalno wyników pomiarów i stabilno pracy badanego układu. Cech
kanału AWGN, jest równomierny rozkład bł dów transmisji, a nie jak w przypadku rzeczywistych
kanałów radiowych grupowanie w paczki bł dów. Warto SNR była zmieniana poprzez dobór
warto ci tłumienia w kanale w zakresie od 130 dB do 140 dB z krokiem 1 dB. Przy poziomie
sygnału równym +27 dBm po stronie nadawczej uzyskiwano sygnał na wej ciu odbiornika
radiostacji w zakresie:
-103 dBm, poziom maksymalny sygnału;
-113 dBm, granica czuło ci radiostacji.
Zmiana warto ci BER w funkcji tłumienia w kanale została przedstawiona na Rys. 4.
Znajomo warto ci BER była wykorzystana w dalszej cz ci bada .
1,00E-01
1,00E-02
1,00E-03
BER
1,00E-04
1,00E-05
1,00E-06
1,00E-07
130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140
Tłumienie [dB]
Rys. 4. Bitowa stopa bł du

Kolejny etap testów polegał na pomiarze przepływno ci dost pnej dla u ytkownika
w zale no ci od jako ci kanału radiowego. W tym celu mi dzy z terminalami przesyłano ruch UDP
(Rys. 3). Dzi ki zastosowaniu protokołu UDP nie było wymagane przesyłanie potwierdze
w warstwie transportowej i ewentualnych retransmisji bł dnie odebranych datagramów [11].
Terminale ko cowe wyposa one były w oprogramowanie pozwalaj ce na generacj i analiz ruchu
IP o parametrach zdefiniowanych przez operatora, np. wielko datagramu UDP i cz sto
generacji datagramów.
Podsumowuj c scenariusz badawczy, jako kanału radiowego była zmieniana przez dobór
warto ci tłumienia. Po stronie nadawczej były generowane pakiety UDP o rozmiarze 512 bajtów
z tak cz stotliwo ci , aby uzyska strumie 12 kbit/s. Po stronie odbiorczej za pomoc
dedykowanej aplikacji mierzona była przepływno dost pna dla u ytkownika.
5. Wyniki bada
Na Rys. 5 przedstawiono warto przepływno ci zmierzon dla ró nych warto ci BER,
podczas przesyłania ruchu UDP. Warto rednia przepływno ci została obliczona na postawie
wyników pomiarów uzyskanych w okresie 20 s. Po ka dych 10 minutach pomiarów dokonywano
zmiany warto ci BER poprzez zwi kszanie tłumienia w kanale radiowym. Na Rys. 4 na osi
odci tych liter n oznaczono liczb kolejnych 20 sekundowych okresów pomiarowych. Na osi
rz dnych naniesiono u rednion warto przepływno ci.
12
11
10
Przepływno [kbit/s]
9
8
7
6
5
4
3
2
1
BER
4,02E-07
BER
8,45E-07
BER
8,45E-06
BER
8,18E-05
BER
1,49E-04
BER
6,47E-04
BER
2,45E-03
BER
6,95E-03
BER
1,16E-02
BER
1,88E-02
0
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
n
Rys. 5. Przepływno w układzie punkt-punkt
Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów mo na stwierdzi , e maksymalna warto
przepływno ci wynosi około 9,1 kbit/s. Ze wzgl du na fakt, e kanał transmisyjny jest wysokiej
jako ci (BER od 4,02*10 -7 do 8,45*10 -6 ) nadmiar kodowy jest niewielki. W momencie gdy warto
BER osi ga warto 8,18*10 -5 , efektywna przepływno transmisji spada do warto ci 3,59 kbit/s.
Spowodowane jest to zastosowaniem przez radiostacj kodu korekcyjnego o wi kszej
nadmiarowo ci. Zwi kszanie warto ci BER w kanale do 1,88 *10 -2 powoduje, e pr dko
transmisji spada do około 1,49 kbit/s. W tej sytuacji radiostacja wykrywa du e ilo ci bł dów
wyst puj cych w kanale i zaczyna stosowa silniejsze kody korekcyjne. Dalsze zwi kszanie

warto ci BER w kanale prowadzi do sytuacji, w której transmisja IP pomi dzy radiostacjami staje
si niemo liwa, a poł czenie pomi dzy nimi zostaje zerwane.
6. Podsumowanie
W referacie dokonano oceny mo liwo ci transmisji pakietów IP w w skopasmowych sieciach
radiowych opartych o radiostacje RRC 9210. Bazuj c na wynikach pomiarów wykonanych
w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem symulatora kanału AWGN oszacowano
przepływno dost pn dla u ytkownika w relacji punkt-punkt dla ruchu UDP. Maksymalna
pr dko transmisji dost pna dla u ytkownika wyniosła 9,1 kbit/s, natomiast minimalna
ok. 1,5 kbit/s. Wyznaczono graniczne poziomy BER, przy których nast puje spadek pr dko ci
transmisji zwi zany z zastosowaniem kodów nadmiarowych o wi kszych mo liwo ciach
korekcyjnych. Poziomy te pozwalaj na oszacowanie pr dko ci transmisji w zadanych warunkach
propagacyjnych.
Uzyskane wyniki mog wst pnie posłu y do oceny jako ci kanału radiowego w warunkach
rzeczywistych oraz pozwalaj oszacowa przepływno dost pn dla u ytkownika. W rezultacie
umo liwi to okre lenie zestawu usług jakie mog by realizowane w sieci. Dotychczas uzyskane
wyniki pozwalaj przypuszcza , e sie nie b dzie w stanie efektywnie przenosi usług czasu
rzeczywistego, a jedynie usługi transmisji danych, np. czat, poczta elektroniczna, przesyłanie
dokumentów, map i plików o ograniczonych rozmiarach. Jednak e cało ciowa ocena mo liwo ci
realizacji pełnego zestawu usług wymaga przeprowadzenia dodatkowych bada , wykonywanych
m.in. w warunkach rzeczywistych.
7. Kierunki dalszych prac
Jednym z kierunków dalszych prac b dzie zbadanie efektywno ci sieci podczas przenoszenia
ruchu TCP. Umo liwi to optymalny dobór warto ci parametrów, np. rozmiaru pola danych i okresu
Timeout.
Kolejnym zagadnieniem b dzie zbadanie mo liwo ci transmisji pakietów IP w warunkach
rzeczywistych przy typowych odległo ciach mi dzy radiostacjami. Bazuj c na tych wynikach
mo liwe stanie si okre lenie zestawu oferowanych usług oraz zasad konfiguracji urz dze
pracuj cych w trybie IP. W rezultacie umo liwi to okre lenie, w jakich systemach wojskowych
mo na zastosowa radiostacj w pracuj c trybie IP.
Przewiduje si równie wykonanie bada wydajno ci mechanizmu retransmisji przy
rozmieszczeniu radiostacji na odległo ciach bliskim zasi gom ł czno ci. Badania te umo liwi
oszacowanie efektywno ci protokołu routingowego zaimplementowanego w radiostacji.
Literatura
1. Praca zbiorowa pod redakcj M. Amanowicza, „Zaawansowane metody i techniki tworzenia
wiadomo ci sytuacyjnej w działaniach sieciocentrycznych”.
2. B. Marczuk, „Radiostacje szerokopasmowe”, Przegl d Wojsk L dowych 03/2006.
3. L. Stypik, „Cyfrowe wsparcie pola walki - przyszło czy rzeczywisto ”, Przegl d Wojsk
L dowych 10/2010.
4. M. Gruszka, „Taktyczny Internet w praktyce”, Przegl d Wojsk L dowych 01/2011.
5. E. Golan, A. Kra niewski, J. Romanik, P. Skar y ski, „Assessment of needs and possibilities
of using the broadband on-board and personal radio stations at the tactical level”, Journal of
KONBIN, Safety and reliability systems, Warsaw 2011.
6. D. Pawłocki, „W stron transmisji danych z protokołem IP”, Nowa Technika Wojskowa
09/2011.
7. J. Dudczyk, „Optymalny dobór parametrów radiostacji szerokopasmowej ołnierza”, Nowa
Technika Wojskowa 09/2011.
8. J. Romanik, P. Gajewski and J. Jarmakiewicz, „A Resource Management Strategy to Support
VoIP across Ad hoc IEEE 802.11 Networks”, ThinkMind Digital Library, Proceedings of The

Fourth International Conference on Communication Theory, Reliability and Quality of Service,
April 17-22, 2011, Budapest, Hungary.
9. R. Urban, „Metoda okre lania redniej długo ci paczek bł dów w kanale UKF w oparciu
o analiz zmian warto ci BER”, Biuletyn WAT, Warszawa 2007.
10. B. Sklar, „Digital Communications: Fundamentals and Applications” (2nd Edition), Prentice-
Hall, Upper Saddle River, New Jersey 2004.
11. W. Wysota, J. Wytr bowicz, „End to End QoS Measurements of TCP Connections”, PPAM'07
Proceedings of the 7th international conference on Parallel processing and applied
mathematics, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 2008.
12. B. Grochowina, J. Milewski, P. Skar y ski, R. Urban, K. Wilgucki, „Mo liwo ci zastosowania
transmisji radiowej IP w sieciach radiowych szczebla taktycznego”, Journal of KONBIN,
Warszawa 2011.