ПТСМС / Tema_27

Тема 27. HSCSD, GPRS, EDGE

Стандартная пропускная способность 9,6 Кбит/с (у некоторых операторов 14,4 Кбит/с), доступная при передаче данных в сети GSM, является низкой для предоставления большинства услуг. В этом случае для передачи данных предоставляется коммутируемый канал трафика (Circuit Switching Data). При этом присутствует процедура установления соединения (10–20 сек) и тарификация соединения ведется по времени.

Технология высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов (HSCSD – High Speed Circuit Switching Data) позволяет увеличить скорость передачи данных в сети GSM. Это достигается выделением нескольких каналов трафика для одного соединения. Выделение каналов может быть ассиметричным. В этом случае для нисходящей линии связи выделяется больше временных интервалов, чем для исходящей. Для реализации системы HSCSD необходимо усовершенствовать программное обеспечение MS и MSC.

Теоретическая максимальная скорость при использовании HSCSD достигает 115,2 Кбит/с. При этом для соединения на одной частоте выделяется все 8 каналов трафика со скоростью 14,4 Кбит/с. Для этого MS должна работать в дуплексном режиме. Для полудуплексного режима максимальная скорость достигает 57,6 Кбит/с.

Технология HSCSD имеет ряд недостатков:

−увеличение время установления соединения (в n–раз, где n–число каналов);

−неэффективное использование каналов (пульсирующий трафик);

−увеличение стоимости услуги (в n–раз).

Избавиться от недостатков, перечисленных выше, позволяют технологии, использующие коммутацию пакетов. В сети GSM пакетная передача организуется с помощью пакетной радиослужбы общего пользования (GPRS – General Packet Radio Service). GPRS позволяет получить доступ к сетям с коммутацией пакетов – IP (Internet) и Х.25, а

также передавать MMS-сообщения (Multimedia Messaging Service).

Служба передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM. На структурном уровне систему GPRS можно разделить на две части: подсистему базовых станций (BSS) и опорную сеть GPRS (GPRS Core Network) (рис. 27.1).

В BSS входят все базовые станции и контроллеры, которые поддерживают пакетную передачу данных. Для этого BSC (Base Station Controller) дополняется блоком управления пакетами – PCU (Packet Controller Unit), а BTS (Base Tranceiver Station) – кодирующим устройством CCU (Channel Codec Unit).

Рис.27.1. Логическая архитектура сети GPRS

Основными элементами опорной сети являются узлы поддержки GPRS:

−SGSN – Serving GPRS Support Node;

−GGSN – Gateway GPRS Support Node.

SGSN – узел, обслуживающий MS. В его задачи входит: отслеживание местоположения MS, обеспечение функций безопасности (аутентификация, шифрование), маршрутизация пакетов между MS и внешними сетями.

GGSN – узел, обеспечивающий взаимодействие с внешними сетями передачи данных. Этот узел выполняет преобразование адресов, маршрутизацию и передачу данных.

Взаимодействие SGSN и GGSN осуществляется через внутреннюю транспортную IP-сеть (intra-PLMN). Взаимодействие разных сетей GPRS осуществляется внешнюю транспортную сеть (inter-PLMN backbone network).

Также в состав GPRS Core входят DNS (Domain Name System) сервер и шлюз для связи с системой тарификации (Charging Gateway).

В регистр положения HLR добавляется информация о GPRS абонентах. Также усовершенствуются MSC/VLR для координации GPRS и не GPRSслужб. Например, поиск MS для вызовов с коммутацией каналов через SGSN или обновление информации о нахождении MS между SGSN и MSC/VLR. Для передачи SMS-сообщений через GPRS модернизируется SMS-центр.

Стек протоколов передачи данных GPRS показан на рис. 27.2.

Все данные между узлами GSN передаются с помощью протокола туннелирования GPRS (GTP – GPRS Tunneling Protocol). Он может использовать два транспортных протокола – TCP и UDP. В качестве сетевого протокола применяется протокол IP. Протоколы канального и физического уровней могут быть любыми.

Между MS и центром SGSN используется протокол SNDCP (Subnetwork Dependent Convergence Protocol). Его задача – обеспечить доступ к канальному уровню нескольких сетевых протоколов и независимость

протокола канального уровня от сетевого протокола (рис. 27.3). Для обеспечения высокой надежности передачи данных между MS и узлом SGSN применяется протокол LLC, использующий механизмы ARQ и FEC.

Рис. 27.2. Стек протоколов передачи данных

Протокол BSSGP (Base Station System GPRS Protocol) используется для передачи информации о маршрутизации и качестве обслуживания между подсистемой BSS и узлом SGSN.

Рис. 27.3. Мультиплексирование сетевых протоколов

Наконец, для передачи данных через интерфейс Um нужны протоколы, зависящие от радиоканала. Протокол радиоканала (RLC – Radio Link Control) обеспечивает надежное соединение, а протокол MAC управляет доступом к среде передачи, обеспечивая передачу кадров LLC в определенном физическом канале системы GSM.

Внедрение системы GPRS не требует фундаментальных изменений радиоинтерфейса системы GSM. Но были определены некоторые новые логические каналы и соответствующие им физические ресурсы. К примеру, каналы обмена пакетными данными (PDTCH). Пропускная способность радиоканалов теперь разделяется между каналами с коммутацией каналов и системой GPRS. Такое распределение может производиться динамически или быть фиксированным.

Функция Relay обеспечивает в BSS передачу кадров LLC между интерфейсами Um и Gb, а в SGSN – передачу IP/X.25 пакетов между интерфейсами Gb и Gn.

Для сетевых (IP и Х.25) и вышележащих протоколов наличие сети GSM/GPRS является прозрачным.

Стек протоколов передачи сигнализации между MS и узлом SGSN

показан на рис.27.4. Протокол GMM/SM (GPRS Mobility Management/Session Management) предназначен для выполнения следующих задач:

−подключения/отключения MS к/от сети GPRS (GPRS attach/detach);

−обеспечения безопасности;

−обновления области маршрутизации (Routing Area) при перемещении MS;

−активации/деактивации PDP–контекста (Packet Data Protocol Context). PDP–контекст – описание (набор параметров) протокола пакетной передачи, которое содержит название протокола (IP, X.25, PPP), имя точки доступа (Access Point Name) – имя узла GGSN, который обеспечивает доступ

ксоответствующей сети.

Рис. 27.4. Стек протоколов сигнализации MS – SGSN

Стек протоколов передачи сигнализации между узлами GSN показан на рис.27.5. Передача сигнализации между GSN выполняется с помощью протокола туннелирования GTP. При этом в качестве транспортного протокола используется протокол UDP.

Рис. 27.5. Стек протоколов сигнализации GSN – GSN

Для передачи сигнализации между узлами сети GPRS и сети GSM используется сеть ОКС №7.

Стандартами предусматривается три режима работы MS:

−класс А – одновременная работа с GPRS и другими службами GSM;

−класс В – одновременный контроль управляющих каналов GPRS и GSM, но предоставление в определенный момент времени доступа к услугам

GPRS или GSM;

−класс С – предоставление доступа только к услугам GPRS. Скорость передачи информации в сети GPRS определяется

количеством предоставляемых тайм-слотов и схемой кодирования (табл. 27.1).

Таблица 27.1. Скорость передачи в сети GPRS

Схема кодирования СS-1 обеспечивает максимальную защиту, но минимальную скорость передачи информации. Схема кодирования CS-4, наоборот, минимальную защиту и максимальную скорость передачи.

В зависимости от числа тайм-слотов, используемых для приема и передачи, выделяют 29 классов мультислотовой передачи (табл. 27.2).

Для поддержки GPRS в радиоинтерфейсе организуются каналы для передачи пакетных данных (PDCH – Packet Data Channel). Для организации PDCH выделяется от 1 до 8 тайм-слотов. Выделение тайм-слотов может выполняться статически или динамически, но приоритет отдается передаче речевой информации. На рис. 27.6 показана структура мультикадра канала PDCH. Мультикадр состоит из 52 кадров. Мультикадр состоит из 12 блоков данных (В0–В11) – канал PDTCCH (Packet Data Traffic Channel), двух кадров для канала PTCCH (Packet Timing Control Channel) и двух свободных кадров.

Рис.27.6. Структура мультикадра канала PDCH

Рассмотрим передачу LLC-кадров по радиоинтерфейсу (рис. 27.7). На уровне RLC кадр разбивается на сегменты, которые переносятся в информационном поле RLC-блока. Размер сегмента зависит от схемы кодирования (CS-1 – 22 байта, CS-2 – 32 байта, CS-3 – 38 байт, CS-4 – 52

байта). К сегменту данных добавляется заголовок RLC и заголовок MAC. Общая длина RLC/MAC-блока с избыточной информацией составляет 456 бит. Для передачи RLC/MAC-блока занимается последовательно 4 кадра в мультикадре PDCH (57 бит * 2 * 4).

Рис. 27.7. Формат RLC/MAC-блока

Для передачи данных в направлении MS-сеть MS должна на канале случайного доступа (PRACCH или RACCH) передать пакет с запросом на выделение канала. В ответ сеть передает пакет, в котором содержатся параметры каналов PDTCH и PACCH (частоты и временные интервалы).

Для передачи данных в направлении сеть-MS сеть сообщает MS параметры каналов, на которых будет выполняться передача, и передает по этим каналам блоки данных.

Действия по управлению мобильностью (MM – Mobility Management)

абонента GPRS зависят от состояния процесса управления мобильностью. Каждое состояние характеризуется совокупностью задач и данных. Информация, относящаяся к ММ, хранится в MS и SGSN и называется MM контекст.

В состоянии IDLE MS к сети GPRS не подключена, поэтому никаких действий по управлению мобильностью не выполняется, MS и SGSN не имеют корректных данных о местоположении и маршрутизации. За выбор сети и ячейки отвечает MS.

Для перехода в состояние STANDBY MS должна выполнить подключение к сети GPRS. В состоянии STANDBY MS выполняет выбор области маршрутизации (RA – Routeing Area) и соты. MS информирует узел SGSN только о изменении RA. Таким образом, в состоянии STANDBY данные о местоположении MS в MM контексте содержат только идентификатор RA (RAI). В состоянии STANDBY возможен обмен только сигнальной информацией.

Для передачи данных необходимо активировать PDP контекст. При этом процесс управления мобильностью перейдет в состояние READY, в котором местоположение MS отслеживается с точностью до соты.

Назначение сетевых адресов (IP, X.25) в сети GPRS выполняется динамически. Для согласования сетевого адреса используется протокол PPP (Point-to-Point Protocol). Поэтому в PDP контексте поле тип PDP должно иметь значение PPP. Стек протоколов показан на рис. 27.8.

Рис. 27.8. Стек передачи данных для PDP типа PPP

С каждым PDP контекстом связан профиль качества предоставляемых услуг (QoS profile). Профиль имеет следующие атрибуты:

−класс приоритета (высокий, нормальный, низкий);

−класс средней и максимальной задержки;

−класс надежности передачи;

−класс пиковой и средней пропускной способности.

Дальнейшим эволюционным развитием сети GSM/GPRS является внедрение стандарта EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution).

Стандарт был разработан ESTI и впервые представлен в начале 1997 года. Для увеличения скорости передачи стандарт EDGE предусматривает использование в радиоинтерфейсе модуляции 8PSK. При этом достигается скорость передачи 48 Кбит/с на один временной интервал. Модернизация затронула и протоколы передачи данных – ECSD/EGPRS. Остальные характеристики радиоинтерфейса и структура сети остаются неизменными.

Развертывание системы EDGE является следующим шагом на пути к сотовым сетям третьего поколения (3G) и позволит операторам сетей улучшить характеристики существующих услуг и предоставить новые услуги.