2.5. Высокоскоростная передача данных по коммутируемым каналам. Технология hscsd

При передаче изображений, файлов Интернета, не говоря уже о потоковом видео, объемы информации существенно превосходят объемы сообщений при телефонии. Так, например, файл с качественной фотографией имеет размер не менее 100 кбайт. Классические сети GSM позволяют передавать данные со скоростями не выше 9,6 или 14,4 кбит/с, так что передача одной фотографии по такому каналу займет более минуты. Для повышения скорости передачи данных предложена технология HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). HSCSD основана на выделении абоненту не одного, а нескольких ВИ в кадре. На рис. 2.19 приведен пример, когда MS предоставлены в кадре 2 ВИ. Следует обратить внимание на то, в соответствии со спецификациями GSM начала кадров приема сигнала MS (строка MS RX) и передачи сигнала (строка MS TX) сдвинуты на 3 ВИ. Кроме того, при передаче начало передаваемых пакетов должно быть сдвинуто на время упреждения (см. п. 2.1). В строке Monitor показан интервал времени, в течение которого MS оценивает уровень сигнала BTS одной из соседних сот.

Рис. 2.19. Задачи приема и передачи сигналов MS при HSCSD

Теоретически при занятии всех 8 ВИ можно достичь скорости 8·14,4 = 115,2 кбит/с. Однако, из-за ограничений в работе действующих MSC и линий связи, соединяющих BTS, BSC и MSC, скорость обычно не превышает 4·14,4 = 57,6 кбит/с.

Кроме того, ограничены и возможности MS. Так при занятии для приема и передачи в сумме более 5 ВИ, MS должна иметь возможность принимать и передавать одновременно, что существенно усложняет MS. Исходя из возможностей мультислотовой работы, MS разделены на 29 классов. Класс присутствующих на рынке аппаратов, как правило, не превышает 10. Для класса 10 общее число временных интервалов, используемых для передачи и приема, не может быть выше 5, при этом возможны режимы 4/1 или 3/2. Имеются также модели класса 8 (только 4/1) и 6 (3/1 или 2/2). Если производитель явно не указывает класс мультислотовой работы, то скорее всего модель относится к классу 1 и поддерживает только режим 1/1.

HSCSD обеспечивает скорость, достаточную для передачи видеотеле-фонии, видеоконференций или Интернета. Однако, при передаче Интернет-приложений информационные пакеты разделены большими, неопределенными по времени промежутками. Использование HSCSD в этом случае крайне расточительно. Дело в том, что сети HSCSD, как и классические сети GSM, основаны на технологии коммутации каналов: за абонентом закрепляют дуплексный канал на все время сеанса связи. Из-за пауз при передаче канальный ресурс расходуют нерационально, что сокращает число обслуживаемых абонентов. Сеанс связи получается длинным, дорогим и может неожиданно прерываться. Поэтому основную нагрузку по передаче данных принимают на себя сети GSM с коммутацией пакетов, использующие технологию GPRS.

2.6. Пакетная передача данных. Технология gprs

Целью технологии GPRS является эффективное использование канального ресурса, создание комфортной среды для абонента при работе с Интернетом, при передаче и получении мультимедийных сообщений MMS – Multimedia Messages Service.

Основные свойства GPRS можно описать следующим образом.

• GPRS поддерживает протоколы пакетной передачи данных, прежде всего IP (Internet Protocol) и Х.25.

• Физический канальный ресурс выделяют группе абонентов; занятие канала производят по мере поступления пакетов в соответствии с качеством услуг QoS (Quality of Service), предоставляемых абоненту; каждый пакет содержит идентификатор абонента и предназначен для конкретного пользователя.

• Абонент передает и получает информацию пакетами; во время пауз канал связи занимают другие абоненты.

• Скорость передачи данных в пакете может изменяться, достигая 160 кбит/с (абоненту могут выделять до 8 ВИ на одной частоте).

• Скорости передачи в направлениях “вверх” и “вниз”, как правило, разные, например, 36,2 кбит/с в направлении BSSMS и 3 кбит/с в направлении MSBSS, причем асимметричные каналы обычно выделяют при доступе в Интернет.

• Оплата услуги зависит от объема переданной информации, QoS сеанса связи и общего времени подсоединения к сети.

• Мобильная станция виртуально подключена к сети Интернет. Абонент на время сеанса связи получает интернет-адрес.

Подсистема GPRS (рис. 2.20) представляет структуру "параллельную" подсистеме коммутации классической GSM. Роль MSC/VLR в пакетной сети подвижной связи выполняет SGSN - Serving GPRS Support Node (обслуживающий узел GPRS). Шлюзы с пакетными сетями передачи данных строят в виде GGSN - Gateway GPRS Support Node (шлюзовых узлов GPRS). При сетевом подходе к организации обмена информацией структура GPRS (SGSN, GGSN и другие элементы) является подсетью внешних пакетных сетей, где GGSN выполняют роль маршрутизаторов. Со стороны SGSN подсеть GPRS связана с подсистемой базовых станций.

Рис. 2.20. Укрупненная структура сети GSM с поддержкой GPRS

Абонент и соответственно MS в GPRS выступают как пользователи внешней сети передачи данных. В этой сети абоненту присваивают статический (постоянный) или динамический (временный) адрес, по которому идет обмен информационными пакетами. Абонент постоянно подключен к пакетной сети, где ему предоставлен виртуальный канал, который становится реальным (физическим) радиоканалом на время передачи пакета. В остальное время этот физический канал используют для передачи пакетов других пользователей. MS содержит дополнительное программное обеспечение для подключения к мобильной сети и обслуживания в ней.

GPRS обеспечивает высокую пропускную способность сети за счет предоставления высокоскоростных каналов передачи данных. Прямой выход на сети передачи данных (Интернет, Х-25) с проключением вызова занимает 0,5  1с).

Так как один и тот же канальный ресурс используют несколько абонентов, а во время сеанса связи могут одновременно поступать пакеты разных пользователей, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, что вызовет задержку в связи. Допустимая величина задержки  одна из характеристик, определяющих качество обслуживания абонента.

Для GPRS характерно гибкое управление предоставляемыми услугами. Абоненты могут получать различное качество услуг (QoS) с соответствующей градацией оплаты. Если в обычных сетях с коммутацией каналов качество услуг QoS определяют 2 параметра: вероятность отказа в предоставлении канала р_отк и коэффициент ошибок при приеме информации BER (bit error rate), в GPRS качество обслуживания описывают 5 характеристик (рис. 2.21). При заключении договора абонент и оператор сети оговаривают все характеристики, в связи с чем меняются тарифы на предоставляемые услуги. QoS включает в себя:

- приоритет абонента,

- надежность в передаче информации,

- допустимые задержки,

- пиковую и среднюю пропускную способность канала.

Рис. 2.21. Качество обслуживания абонентов при GPRS

Рассмотрим функции основных элементов подсети.

SGSN

• маршрутизирует (коммутирует) потоки пакетов данных между MS и GGSN (пакетными сетями);

• преобразует протоколы передачи информации по магистрали Интернета в протоколы, используемые в BSS;

• обеспечивает аутентификацию абонентов, шифрацию сообщений, закрытие абонентов временными номерами при работе в пакетной сети (P-TMSI);

• ведет базу данных обслуживаемых пакетной сетью абонентов, обеспечивая их локализацию (процедуры Mobility Management) и требуемый QoS;

• обеспечивает взаимодействие с MSC/VLR и HLR сети подвижной связи с коммутируемыми каналами;

• предоставляет информацию об оказанных услугах для биллинга абонентов.

Шлюз GGSN

• маршрутизирует пакеты в направлении MS  внешняя пакетная сеть;

• организует интерфейс с пакетной сетью передачи данных;

• совместно с другими элементами сети участвует в назначении динамических адресов абонентам;

• предоставляет информацию для биллинга.

При создании сети GPRS усложняются функции BSC и BTS. BSC содержит дополнительный блок PCU  Packet Control Unit.

BSC

• распределяет канальный ресурс между абонентами, обслуживаемыми по коммутируемым каналам, и MS, работающими в пакетном режиме;

• предоставляет каналы абонентам пакетной сети в соответствии с требуемым QoS;

• обеспечивает фрагментацию и сборку кадров для их передачи по радиоканалам;

• обеспечивает контроль качества передачи по радиоканалам.

В состав BTS входит новое кодирующее устройство CCU (Channel Codec Unit).

HLR содержит дополнительные данные об абонентах, которым предоставляют услуги GPRS (базисный PDP  Packet Data Protocol контекст).

Выделяемый абоненту канальный ресурс позволяет гибко менять скорость передачи данных в широких пределах. Физический канал в GPRS определяют 3 параметра в 52-кадровом мультикадре (рис. 2.23): частота f, временной интервал ВИ, номера выделенных абоненту блоков (В0…В11).

Рис. 2.23. 52-кадровый мультикадр, используемый в GPRS

Кадровая структура GSM (рис. 2.3) при этом полностью сохранена. Один блок состоит из 4 пакетов следующих друг за другом 4 кадров, размещенных в одном ВИ. Используя различные схемы избыточного кодирования при максимальном числе выделенных блоков равном 12, можно менять скорость передачи данных от 9 до 21 кбит/с. Если нужны бơльшие скорости, то абоненту выделяют несколько физических каналов в нескольких ВИ на одной частоте (максимально 8 с увеличением скорости передачи в 8 раз).

В 13 и 39 кадрах мультикадра (рис. 2.23) размещают сообщения, предназначенные для управления временем упреждения MS. 26 и 52 кадры мультикадра свободны и MS используют их для приема синхронизирующей информации от соседних BTS.

В результате абонент получает возможность интерактивного взаимодействия с сетями передачи данных. Хотя его терминал виртуально подключен к сети в течение длительного времени (до нескольких часов), время физического соединения определяется, главным образом, временем передачи пакетов. При GPRS абонент оплачивает услуги пропорционально объему переданной информации и качеству предоставляемых услуг.