APRS al collasso

Davide – mi scrive Tino IK2EXH – sabato prossimo eseguiremo un’esercitazione ARI-RE che prevede la dimostrazione dell’impiego dell’APRS e della relativa connettività tramite aprs.fi per coordinare pattuglie appiedate in operazioni di ricerca a terra. Utilizzeremo il tuo digipeater in UHF perché sulla frequenza VHF, con i portatili, non si riesce a transitare.

APRS

L’APRS è un sistema asincrono per la trasmissione di informazioni da lungo tempo impiegato dai radioamatori. Le varie stazioni, che possono essere fisse, su veicoli o appiedate, trasmettono beacon digitali contenenti informazioni come la propria posizione, dati meteo, annunci o brevi messaggi di testo.

Altre stazioni, presenti nel raggio di copertura, le ricevono e le visualizzano. Ulteriori stazioni, dette digipeater, ricevono i beacon e li ritrasmettano in modo che possano essere ricevuti anche da successive stazioni fuori copertura. Infine sistemi detti I-gate trasmettono i beacon ricevuti su internet, consentendo a chiunque di visualizzarli su una mappa, come si può vedere sul sito aprs.fi.

In applicazioni legate alla Protezione Civile, come nell’esempio in apertura, il sistema è molto apprezzato perché consente di monitorare la posizione di ciascun operatore anche in mancanza della connessione cellulare. Grazie ai digipeater, è possibile facilmente coprire aree molto vaste dove la sola copertura diretta sarebbe insufficiente.

APRS in Lombardia

Molti OM si avvicinano per la prima volta all’APRS in seguito all’acquisto di un portatile dotato di GPS. Quelli della zona di Milano, però, scoprono presto come, benché ci sia un traffico notevole, ogni tentativo di trasmissione da parte loro risulti quasi sempre vano. Ad ogni beacon, invece della agognata risposta di conferma, arriva invece l’informazione che a Parma è nuvoloso o che la tensione di alimentazione di una ignota apparecchiatura è di 12.8V. Così, nell’impossibilità di interagire, l’apparato torna nel cassetto.

Un problema di traffico

Le radio operanti in APRS condividono la stessa frequenza. Questo significa che sul canale APRS può trasmettere un solo apparato alla volta, altrimenti i segnali si sovrammodulano e chi riceve non decodifica più niente. Gli dispositivi APRS contengono una logica per cui, prima di trasmettere, attendono che il canale sia libero per almeno un tempo t scelto casualmente. Questo semplice stratagemma evita che vadano tutti in trasmissione contemporaneamente non appena il canale si libera: se in le radio si sentono tutte tra di loro, le probabilità che vi siano sovrammodulazioni sono molto basse.

Naturalmente è previsto che le radio non si sentano tra di loro ma tutte “vedano” un digipeater. In tal caso, le radio presumono che non vi siano emissioni attive e trasmettono il loro pacchetto. Può capitare che un pacchetto, una volta raggiunto il digipeater, venga disturbato da altri ma, trasmettendo vari beacon nel tempo, per un mero calcolo delle probabilità una certa quantità di essi sarà correttamente decodificata.

Come è ovvio, la probabilità di trovare uno slot libero dipende da quanti altri stanno trasmettendo e in che condizioni. Ad esempio, se il “concorrente” è una stazione fissa, con tanta potenza e una antenna elevata, le probabilità che possa tranquillamente sovrammodulare e coprire la debole stazione portatile sono molto elevate. L’effetto è che la stazione fissa passa sempre e quella portatile non passa mai.

La situazione a Milano e provincia

A differenza di altre zone, dove l’APRS è deserto sia come utenti che come infrastruttura, la Lombardia occidentale soffre di una situazione diametralmente opposta.

La sezione ARI di Milano dispone di una postazione APRS denominata IR2AL, gestita dal sottoscritto, posizionata in maniera radiantisticamente privilegiata sul grattacielo Pirelli. Essa condivide il luogo con le antenne di tutti i servizi di pubblicà utilità (forze dell’ordine, protezione civile, ecc.) proprio per l’eccezionale copertura urbana e suburbana garantita da quella posizione. Operativo in VHF e a breve anche in UHF, IR2AL offre i sevizi di digipeater e I-gate.

Grazie alle informazioni raccolte da quella postazione, abbiamo ottenuto una serie di dati che illustrano molto bene la ragione per cui la rete APRS della zona è di fatto al collasso, risultando quasi inutilizzabile da apparati portatili di debole potenza.

Nella zona, infatti, vi sono diverse stazioni digipeater tutte in ottica tra di loro e un certo numero di stazioni fisse che, ventiquattr’ore su ventiquattro, trasmettono automaticamente numerosi beacon. Tali beacon vengono ricevuti da tutti i digipeater che provvedono a ritrasmetterli. Si tenga presente che ogni volta che un digipeater ritrasmette un beacon, la banda disponibile si dimezza; due digipeater e la banda diventa un quarto; tre digipeater e diventa un ottavo e così via in progressione geometrica: il caos è assicurato.

I numeri

Per meglio capire la situazione, consideriamo alcuni dati raccolti dai log di IR2AL: il traffico causato da stazioni fisse che trasmettono in continuazione è l’86.42% del totale, mentre quelle mobili occupano solo il 13.58%. La situazione descritta gode già dei miglioramenti introdotti da quando il digipeater di IR2AL è stato configurato per ignorare le stazioni fisse: prima, infatti, le stazioni fisse superavano tranquillamente il 90% del traffico diretto e indotto (cioè tramite digipeater) anche grazie all’opera di IR2AL stesso. Si noti altresì che questi numeri si riferiscono solo ai pacchetti correttamente decodificati ed identificati e non considerano tutto il traffico che è stato tentato senza successo a causa di interferenze.

Attualmente, le stazioni fisse automatiche, o per azione diretta o per effetto dei digipeater, trasmettono un beacon dalla lunghezza media di 1.03s ogni 3.10s.

Usando un software di simulazione da me realizzato, possiamo vedere che probabilità ha una stazione portatile di operare in condizioni simili.

In questa configurazione il simulatore considera IR2AL solo ricevente e prevede una serie di stazioni fisse che si sentono tra di loro e trasmettono beacon dalla lunghezza di 1.03″ mediamente ogni 3.1″. Infine una stazione portatile, ricevuta dal solo IR2AL sul Pirelli e con segnale più debole di tutti gli altri, trasmette un beacon mediamente ogni minuto.

Il risultato teorico, frutto della simulazione, dice che IR2AL è in grado di ricevere solo il 34% dei beacon del portatile. Naturalmente questa simulazione non prevede altri disturbi come il QSB, il passaggio in zone coperte ed altre perturbazioni dei segnali: è un best case, una situazione ideale.

Una prova (quasi) reale

Per valutare quanto effettivamente fosse la componente variabile di disturbi esterni, ho eseguito la seguente prova. Ho calcolato con Google Earth una posizione nei pressi di casa mia che fosse totalmente aperta verso il Pirelli in modo da avere un segnale ottimo.

Ad una distanza di 10.4km e con circa un chilometro di parchi e giardini aperti nella direzione del grattacielo, si impegnano con il gommino tutti i ripetitori sul Pirelli con segnale fondoscala e potenza al minimo.

Mantenendo la radio ferma e ben elevata, monitorando il traffico per cercare di trovare i varchi migliori tra un beacon e l’altro, ho trasmesso manualmente una sequenza di 30 beacon. Verificato il log di IR2AL, ne sono stati realmente ricevuti solo 7, cioè il 23% di quelli spediti. I risultati sono in linea con la simulazione teorica, considerando che la stessa non dispone dei dati relativi ai disturbi reali.

La prova è definita “quasi reale” perché l’apparato è stato mantenuto in condizioni ideali: fisso in un punto in ottica aperta, tenuto elevato lontano dal corpo e con trasmissioni eseguite a mano scegliendo accuratamente il momento. Nel caso reale, cioè in movimento, con l’apparato vicino al corpo e ed inserita la trasmissione automatica del beacon, non ne viene ricevuto praticamente nessuno.

Uomini contro macchine

La situazione è paradossale: gli operatori umani non riescono ad utilizzare l’APRS perché delle macchine automatiche, ventiquattr’ore su ventiquattro, trecentosessantacinque giorni all’anno continuano sistematicamente ad intasare la frequenza. Da qui l’immagine di apertura.

L’intasamento dei canali APRS è da attribuirsi in primis alle stazioni fisse automatiche che continuano a spedire beacon non solo occupando la frequenza con la loro emissione, ma pure chiedendo a tutti i digipeater di ripetere i loro messaggi. Questa richiesta, infatti, è insita nella dichiarazione WIDEn-n contenuta nel beacon. Ad esempio WIDE3-3 significa “chiedo a tutti i digipeater che ascoltano direttamente il mio beacon di ripeterlo; inoltre chiedo ai digipeater che non avessero ascoltato direttamente il mio ma lo avessero ricevuto dai primi digipeater, di ripeterlo di nuovo; non solo, ma se vi fossero ulteriori digipeater che non l’avessero ricevuto nemmeno dai primi ma solo dai secondi, di ripeterlo ancora“. In sostanza, con questa richiesta, in una zona densa di digipeater, ogni beacon si ripete numerose volte fino alla completa saturazione.

Non possono però esimersi dal partecipare al concorso di colpa i digipeater: è vero che le richieste di ripetizione sono a carico dei mittenti originali, ma il tipo di azione svolta da un digipeater deve essere attentamente calibrata alla situazione locale e al tipo di traffico presente nella zona. Se l’intezione degli installatori dei digipeater della Lombardia occidentale era quella, virtuosa, di rendere capillare la copertura, l’intasamento da loro provocato ha di fatto sancito la morte per soffocamento di APRS in tutta la zona. Non è assolutamente accettabile che si installino apparecchiature automatiche lasciate poi all’abbandono senza monitorarne l’effetto che hanno nel tempo sulla realtà del momento.

Le spam station

Vediamo quindi la “top 5” delle principali spam station, cioè quelle stazioni automatiche che producono traffico ventiquattr’ore su ventiquattro, in rigoroso ordine di banda impegnata secondo quanto ricevuto dalla privilegiata postazione sul grattacielo Pirelli. Su 266 stazioni ricevute, le prime cinque qui elencate generano da sole un terzo di tutto il traffico presente (dati dal 13 al 16 febbraio 2016).

1: IQ4AX-5

Traffico generato: 8.35% (2346 beacon al giorno)

La sezione ARI di Modena arriva poco in diretta al Pirelli, probabilmente ostacolata dal “muro” di altri segnali APRS più forti presenti in zona. In compenso l’azione congiunta dei digipeater fa sì che nell’area di Milano le emissioni della sola IQ4AX, con un bombardamento di 2346 beacon al giorno, coprano l’8.35% dell’intero traffico! Considerando che le stazioni ricevute giornalmente sono mediamente oltre 250, che una occupi da sola l’8.35% del traffico totale appare decisamente sproporzionato.

Dall’analisi tecnica dei log, il quadro è chiaro. Con una cadenza di cinque minuti, IQ4AX-5 manda dei dati di telemetria formati da ben quattro beacon in rapida successione:

:PARM.Vin,Rx1h,Dg1h,Eff1h,A5,O1,O2,O3,O4,I1,I2,I3,I4
:UNIT.Volt,Pkt,Pkt,Pcnt,None,On,On,On,On,Hi,Hi,Hi,Hi
:EQNS.0,0.079,0,0,10,0,0,10,0,0,1,0,0,0,0
:BITS.11111111,Telemetry test

Il primo beacon indica il nome dei parametri, il secondo indica l’unità di misura, il terzo i valori e il quarto contiene un commento, “telemetry test”. Così ogni cinque minuti veniamo informati che a Parma misurano la tensione in Volt e che il valore da loro letto è “zero”.

Ogni dieci minuti poi IQ4AX ci fornisce la telemetria in un’altra forma:

T#140,148,156,000,062,000,00000000

E per finire spedisce altri beacon con informazioni varie:

4438.10N\01048.44EhMercatino Marzaglia 14 Magg
4437.43NC01053.54E-ARI-MO www.arimodena.it
4425.03N/01048.71E#WX3in1Plus2.0 U=nn.nnV,T=nn.nnC

Il tutto, condito da indicazioni WIDE che ne richiedono la massima divulgazione, fa conquistare a IQ4AX la palma di top spammer.

Aggiornamento del 3 marzo 2016: la sezione ARI di Modena ha confermato la collaborazione con il manager APRS del Comitato Regionale Lombardo Tullio IZ2FTR affinché la situazione venga messa sotto controllo. Anche in questo caso i più sentiti ringraziamenti da parte di tutta la comunità radiantistica alla sezione e al suo presidente Alessio IZ4EFN.

2: IR2UBX/IQ2LZ

Traffico generato: 6.82% (1720 beacon al giorno)

Il nodo della sezione di ARI Lomazzo è, in ordine di traffico generato ed indotto, la seconda spam station presente sul territorio. Questi dati comprendono solo i beacon generati da IR2UBX e non quelli prodotti ripetendo quelli altrui come digipeater. La stazione IR2UBX genera infatti numerosi beacon, mediamente 683 al giorno, che diventano, con le ripetizioni da parte di altri digipeater, 1720. Essi sono:

APRS Network Analysis (www.arilomazzo.it/networka.htm)
Flexnet Node - 144.875 MHz. (1200 baud)
WX3in1Plus2.0 v1.05 - U=nn.nnV,T=nn.nnC (indoor)
BBS - http://87.238.5.219:8080/ - (OpenBCM v1.07b5)
Echolink - 432.525 MHz. T.Sql. 71.9 - (EL-504610)
WW-Loc. JN45MQ - Porta VHF 144.800 Mhz.
Digi IR2UBX-11 by ARI Lomazzo (Co)

Si noti che alcuni dati sono obsoleti, come il link alla pagina “www.arilomazzo.it/networka.htm” che si riferisce ad una pagina inesistente.

Aggiornamento del 3 marzo 2016: grazie all’intervento di IK2XDE, sysop del nodo, il numero di beacon di questo importante nodo si è drasticamente ridotto. Al momento IR2UBX-11 occupa la 23a posizione della classifica con un traffico totale (diretto e indotto) di soli 217 beacon al giorno contro i 1720 dell’analisi precedente. Grazie ad Andrea IK2XDE e alla sezione ARI Lomazzo per la pronta e totale disponibilità offerta al fine di risolvere questo problema.

3: IK2CHZ

Traffico generato: 6.45% (1674 beacon al giorno)

La stazione IK2CHZ si guadagna facilmente la terza posizione nella classifica dei top spammer generando numerossimi beacon, tutti trasmessi con indicazione WIDE3-3, cioè con la richiesta che siano ripetuti quanto più possibile da tutti i digipeater. Ecco alcuni beacon trasmessi da questo nodo:

javAPRSIgate TCP<=>RF ik2chz.no-ip.biz:10152 www.qrz.com/db/ik2chz 
IGATE,MSG_CNT=n,LOC_CNT=n 
javAPRSIgate - info: ik2chz@ik2chz.it 
;IK2CHZ-T *HHMMSSz4521.86N\00941.08E?nn In 10 Minutes 
DX: HB9CH-11 46.07.00N 8.53.61E 103,8km 324<0xfffffff8> HH:MM 
DX: IK2YDM 45.24.18N 9.37.22E 6,6km 310<0xfffffff8> HH:MM 
DX: IR1BB 44.36.22N 8.22.95E 133,0km 231<0xfffffff8> HH:MM 
DX: IR2UGL-11 46.01.35N 9.14.36E 81,0km 335<0xfffffff8> HH:MM 
DX: IR4AN 44.26.12N 10.29.06E 121,0km 148<0xfffffff8> HH:MM 
DX: IW2HUZ-2 46.02.72N 9.21.39E 79,9km 341<0xfffffff8> HH:MM 
No stations have been heard except via a digipeater. 
Informazioni meteo

Le emissioni di questa stazione, con in media un beacon ogni 3′ circa, coadiuvate dai digipeater che rispondono alle richieste WIDE della stessa, coprono il 6.45% dell’intero traffico correttamente decodificato.

4: IZ1UQG

Traffico generato: 5.67% (1648 beacon al giorno)

La stazione IZ1UQG-10 occupano una posizione importante nella classifica delle spam station. Anche in questo caso i beacon trasmessi sono numerosi per quantità e per tipo:

PARM.Isys,Rx10m,Dg10m,Vbatt,Temp,,,,,,,,
UNIT.mA,Pkt1,Pkt,Volt,C,,,,,,,,
EQNS.0,10,0,0,10,0,0,10,0,0,0.075,0,0,0.1272,0
BITS.11111111,VCO Radio Team VERBANIA
@ECHOLINK 145.225 t94.8 JN45GW VCO RADIO TEAM VERBANIA
@HHMMSSz4556.07N/000834.20En - Digipeater VCO Radio Team
@Yaesu ft-212rh 5W- diamond x30- SOLAR PANEL Vbatt nn.nnV
T# telemetry data
145.612MHz T094 -060 V.C.O.Radio Team OP.ALESSANDRO C4FM AU_%

Anche in questo caso siamo di fronte alla micidiale telemetria in quattro beacon di tipo “PARM/UNIT/EQNS/BITS”, come nel caso di IQ4AX. In più questa stazione informa via radio la comunità 98 volte al giorno (422 volte al giorno con le ripetizioni) che utilizza un apparato FT-212RH, mentre ogni 3 minuti ricorda, con un altro beacon, la posizione (fissa) del digipeater.

Aggiornamento del 17 febbraio 2016, ore 23:30. A poche ore dalla pubblicazione di questo articolo, Alessandro IZ1UQG è immediatamente intervenuto per risolvere il problema. Il suo digipeater, a causa di un malfunzionamento, trasmetteva i propri beacon con una frequenza molto elevata. Inoltre ha tolto dai propri beacon l’indicazione di path (WIDE): in questo modo i suoi beacon non vengono più ripetuti dagli spam digipeater. Ad Alessandro va il ringraziamento ed il riconoscimento di tutta la comunità radiantistica lombarda ed in particolare di tutti gli utenti del sistema APRS.

5:IK2XDE

Traffico generato: 4.92% (1283 beacon al giorno)

L’ultima spam station della top five è IK2XDE-6, sempre del gruppo di ARI Lomazzo.

IK2XDE Op. Andrea - ARI-RE Lomazzo (Co)
?WX3in1Plus2.0 v1.05 - U=nn.nnV,T=nn.nnC (indoor)
BIK2XDE-8 BBS - http://80.67.113.160:8088/
WW-Loc. JN45MQ - (Via IR2UBX Flexnet Node)
DX Cluster 144.875/430.700 Mhz. - 1200baud

Anche in questo caso abbiamo diversi tipi di beacon trasmessi in media ogni 3’24”.

Aggiornamento del 3 marzo 2016: grazie all’intervento di IK2XDE, sysop del nodo, il numero di beacon di questo importante nodo si è drasticamente ridotto. Al momento IK2XDE-6 occupa la 33a posizione della classifica con un traffico totale (diretto e indotto) di soli 208 beacon al giorno contro i 1283 dell’analisi precedente.

Gli spam digipeater

Gli spam digipeater sono apparecchi automatici che forniscono una impressionante cassa di risonanza alle spam station. Dopo la riconfigurazione del nostro IR2AL, che prima occupava la posizione n.1 nella classifica degli spam digipeater, la top five si presenta così:

1: IW2HUZ-11 15.82% (nota 2)
2: IR2UBX-11 14.98%
3: IK2XDE-6  11.58% (nota 3)
4: IR4AN      7.52% (nota 1)
5: IQ4SC-11   3.12% (nota 1)

Su 77 diverse stazioni con funzione di digipeater ricevute da IR2AL, le prime cinque sopra elencate generano da sole il 53% del traffico totale ripetendo beacon altrui.

NOTA 1 – Aggiornamento del 18 febbraio 2016, 18:00 – Maurizio IZ4FTD, che si occupa di IR4AN e IQ4SC-11, da vero OM ha subito fornito la sua più completa collaborazione per affrontare al più presto il problema. Un sentito ringraziamento da parte di tutta la comunità radiantistica è doveroso!

NOTA 2 – Aggiornamento del 24 febbraio 2016, 19:30 – Mario IW2HUZ ha consentito al coordinatore regionale APRS Tullio IZ2FTR di prendere in carico la gestione dei suoi digipeater APRS. Dalle 19:30 del 24 febbraio, Tullio ha riconfigurato il digipeater IW2HUZ-11 per una più corretta operatività limitata al traffico locale. Dopo questa modifica, il digipeater IW2HUZ-11 è passato dal primo posto al fondo della classifica, liberando una notevole quantità di banda. Un enomre ringraziamento a Mario IW2HUZ per la disponibilità dimostrata!

NOTA 3 – Aggiornamento del 3 marzo 2016, 09:30 – Andrea IK2XDE, avendo valutato la sovrapposizione con IR2UBX-11, ha praticamente spento la funzione di digpeating del suo nodo IK2XDE-6 alleggerendo la zona di Milano di una enorme quantità di traffico. Ora IK2XDE-6 è passato alla 42a posizione con soli 16 beacon ripetuti al giorno contro gli oltre 2620 beacon che prima ripeteva ogni giorno. Anche in questo caso un grandissimo ringraziamento da parte di tutta la comunità radiantistica.

Fare pulizia

Per curiosità ho provato a rieseguire le simulazioni provando ad eliminare le prime 5 spam station oppure i primi 5 spam digipeater.

Senza le prime 5 spam station, la fruibilità da parte delle stazioni portatili è salita dal 34% al 54%. Ancora più impressionante sarebbe l’effetto eliminando i primi 5 spam digipeater: passerebbe addirittura al 68%!

In virtù dell’esperienza fatta e dei dati raccolti, i digipeater della sezione ARI di Milano sono stati configurati con le seguenti semplici regole:

• un solo beacon di annuncio trasmesso ogni 20′ senza indicazioni WIDE: cioè, viene richiesto che non sia ripetuto da altri digipeater ed è pertanto visibile solo a chi riceve il digipeater direttamente;
• eventuali informazioni aggiuntive sono incluse nell’unico beacon di annuncio e non trasmesse tramite altri beacon;
• tutte le stazioni ricevute vengono comunque instradate su internet tramite I-gate;
• viene eseguito il digipeating via radio delle sole stazioni mobili in modo che ricevano il feedback di conferma;
• non vengono assolutamente trasmesse via radio informazioni telemetriche: queste sono inviate via internet tramite I-gate e sono accessibili a tutti gli interessati;
• informazioni superflue facilmente repereibili in internet non vengono trasmesse via radio.

In questo modo il traffico generato dal digipeater IR2AL, nonostante la posizione gli consenta coperture geografiche straordinarie, si è ridotto ad un valore trascurabile.

La copertura per area geografica

Si è dicusso anche dell’opportunità di limitare il digipeating alle stazioni entro un determinato raggio dal digipeater. Abbiamo scartato questa opzione in seguito a queste considerazioni:

• nell’area intorno alla postazione di IR2AL si concentrano la maggior parte delle spam station e degli spam digi: limitando l’area ad un raggio ragionevole finiremmo per includerli tutti.
• la copertura APRS della regione è molto sbilanciata: ci sono zone piene di digipeater ed altre, come per esempio il pavese, completamente prive; non vogliamo togliere l’opportunità alle stazioni mobili in zone scoperte di impegnare IR2AL anche da posizioni lontane.

Conclusioni

E’ con un certo rammarico che devo constatare che l’analisi di un problema, partita da una segnalazione di ARI-RE di cui anch’io faccio parte, abbia portato ad individuare una parte consistente delle cause in ARI-RE stessa o comunque in importanti promotori di APRS e non, come ci si poteva aspettare, in sprovveduti operatori “della domenica”. Invece tra le principali spam station che ogni giorno soffocano la rete lombarda si leggono tra gli altri nominativi come IR2UBX o IK2XDE, che annunciano con giusto orgoglio la loro appartenenza ad ARI-RE, o IK2CHZ, ex APRS manager ed autore di importanti manuali sulla buona pratica di APRS. La rete oggi è fondamentalmente costituita da macchine (86.42% del traffico totale) che giorno e notte si scambiano dati sempre uguali estromettendo gli operatori umani che volessero intervenire.

Io auspico che al più presto, anche grazie alle nuove strategie del CRL lombardo, questa situazione sia drasticamente rivista in un’ottica al passo coi tempi e più attenta alle esigenze degli operatori umani, specialmente quelli che si trovano nelle condizioni più disagiate come appunto i portatili. ARI Milano si è mossa, ora tocca agli altri protagonisti intervenire.

Davide Achilli – IZ2UUF – Resp. APRS ARI Milano