2.4.11. Технология gprs

В течение многих лет беспроводные ГС передачи данных обещали пользователям мгновенный доступ к информации из любой точки в мире. Однако на деле в большинстве сетей скорости достигли всего 14,4 Кбит/с, а потоки данных – менее 5 % общего беспроводного трафика (остальное занимает передача голоса).

Ответным шагом телекоммуникационной индустрии стали интеллектуальные телефоны с микро-браузерами, которые принимают данные маленькими порциями. Для этого был разработан протокол беспроводных приложений (Wireless Application Protocol, WAP). Он производит сильное впечатление с технической точки зрения, но требует создания информационного наполнения и приложений, специально ориентированных на беспроводные устройства. Ситуация может измениться с появлением в большинстве мировых сотовых сетей более скоростных служб передачи данных. Первой из них оказалась универсальная служба радиосвязи с пакетной передачей данных (General Packet Radio Service, GPRS) в сетях глобальной системы мобильной связи (Global System for Mobile communications, GSM) [51-60].

Суть этой услуги заключается в организации постоянного подключения к сети Internet через мобильный терминал (GPRS-телефон или GPRS-карту). Для работы в Сети можно использовать компьютер, ноутбук или электронный органайзер (Palm Pilot, Psion, Cassiopea и др.). При этом пользователь может просматривать HTML-страницы, перекачивать файлы, работать с ЭП и любыми другими ресурсами Internet. Таким образом, пользователи GPRS получают доступ в Internet в полном объеме, как при проводном соединении.

Причем GPRS предоставляет немедленный доступ к услугам, без необходимости дозваниваться к Internet-провайдеру.

Можно работать с WAP-сайтами непосредственно с телефонного аппарата GPRS.

Оплачивается только объем посланной/полученной информации, а не эфирное время. До сих пор в сотовых сетях для передачи или приема данных абонентом занимался целый канал на время от установления соединения до его разрыва, которое оплачивалось вне зависимости от его загрузки.

Особенности и скорости передачи данных в сетях GSM-GPRS. В настоящее время абоненту глобальной системы мобильной связи (GSM) выделяется отдельный канал, используемый системой для передачи голоса посредством модема, встроенного в мобильный терминал. При этом в промежутках между передачей данных канал остается занятым.

GPRS реализует и поддерживает протокол пакетной передачи информации в рамках сети сотовой связи GSM. При использовании системы GPRS информация собирается в пакеты и передается в эфир. Пакеты заполняют те «пустоты» (не используемые в данный момент голосовые каналы), которые всегда есть в промежутках между разговорами абонентов GSM, а использование сразу нескольких голосовых каналов обеспечивает высокие скорости передачи данных. При этом этап установления соединения занимает несколько секунд. В этом и заключается принципиальное отличие режима пакетной передачи данных. В результате у пользователя GPRS появляется возможность передавать данные, не занимая каналы в промежутках между передачей голоса другими абонентами GSM, а ресурсы беспроводной сети используются более эффективно.

В стандарте GSM принят множественный доступ с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Периодическая последовательность в структуре TDMA – гиперкадр – делится на 2048 суперкадров. В свою очередь суперкадр состоит из мультикадров, которые состоят собственно из TDMA-кадров. TDMA-кадр делится на восемь временных позиций – тайм-слотов (или окон). Тайм-слот – это время, в течение которого радионесущая частота модулируется цифровым информационным потоком, соответствующим передаваемой информации (речи или данным). В классическом GSM мобильный терминал имеет право занять в TDMA-кадре всего один тайм-слот. Поэтому скорость передачи данных в сетях GSM ограничена.

В технологии GPRS емкость канала предоставляется по требованию, когда физические каналы соты назначаются динамически для использования в режиме коммутации каналов и коммутации пакетов.

Здесь, в зависимости от ситуации, для передачи данных базовая станция выделяет мобильному терминалу в кадре произвольное число тайм-слотов: от 0 до 8. Причем допустимо асимметричное назначение ресурсов, когда ресурсы линии связи от базовой станции к мобильному терминалу (прием) и от мобильного терминала к базовой станции (передача) задаются независимо.

Естественно, любой канал связи работает в неидеальных условиях, поэтому в GSM используют избыточное кодирование. Более того, в технологии GPRS возможны 4 схемы кодирования данных:

• CS-1 (для работы в условиях сильных помех) – скорость в одном тайм-слоте 9,05 Кбит/c;

• CS-2 – 13,4 Кбит/c;

• CS-3 – 15,6 Кбит/c;

• CS-4 (для работы при минимальных помехах) – 21,4 Кбит/c.

Отсюда максимальное, теоретически возможное значение скорости передачи информации в режиме GPRS составляет 21,4 Кбит/с × 8 = 171,2 Кбит/с, что более чем в 3 раза быстрее режима работы проводных линий и почти в 12 раз быстрее передачи данных в обычных сетях GSM (9,6 Кбит/с). Уже сегодня доступна скорость до 33 Кбит/с.

На практике работа по схемам CS-4/CS-3 требует модернизации аппаратуры и ПО базовой станции, в то время как для CS-2/CS-1 достаточно модернизировать только ПО базовой станции. Например, в России операторы используют схему CS-2. Поэтому реальная максимальная скорость передачи информации в нашей стране составляет 13,4 Кбит/с × 8 = 107,2 Кбит/с.

Но выделение оператором всех 8 тайм-слотов для трафика данных маловероятно. В зависимости от интенсивности голосового трафика и пропускной способности базовой станции операторы выделяют под передачу данных 1-2 тайм-слота в «часы пик», и 2-4 тайм-слота в остальное время. Поэтому сегодня скорость 52 Кбит/с считается предельной для GPRS-технологии. Иначе операторы вынуждены увеличивать пропускную способность базовых станции и инфраструктуры, резервируя часть тайм-слотов под передачу данных.

Кроме того, оператор может закрепить за голосовым соединением параметр «все возможное» (best effort), обеспечивая автоматическое высвобождение временных интервалов, зарезервированных за GPRS, как только эти ресурсы потребуются абонентам для голосового соединения. Очевидно, что при этом произойдет задержка в передаче данных.

Мобильные терминалы, выпускаемые сегодня, в основном поддерживают режимы CS-2/CS-1. Но компания Motorola в спецификации своего телефона модели Т-720 подчеркивает CS-4-совместимость.

При использовании системы пакетной передачи абонент получает и отправляет данные с переменной скоростью, которая определяется условиями распространения сигнала и наличием свободных каналов в пределах заданной соты. При этом динамическое выделение каналов производится, исходя из приоритета голосовых каналов, т. е. система автоматически выделяет под пакетную передачу все каналы, не занятые передачей голоса. Таким образом, реальная скорость приема и передачи будет во многом зависеть от загруженности голосовых каналов в пределах каждой конкретной соты.

Организация системы GPRS. На структурном уровне систему GPRS можно разделить на 2 части:

• подсистема базовых станций, включающая все контроллеры и базовые станции системы GSM, которые поддерживают пакетную передачу данных на программном и аппаратном уровне;

• ядро сети GPRS (GPRS Core Network), которое включает в себя 5 совершенно новых сетевых элементов, предназначенных для обработки пакетов данных и обеспечения связи с Internet:

• пакетный коммутатор (Serving GPRS Support Node, SGSN) – берет на себя все функции обработки пакетной информации и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP в Internet; отслеживает местоположение мобильных терминалов и осуществляет взаимодействие с ними; призван разгрузить GSM-коммутатор, оставляя ему лишь голосовой трафик;

• GPRS-шлюз (Gateway GPRS Support Node, GGSN) – обеспечивает связь системы GPRS с внешними сетями пакетной передачи данных (Internet, intranet, X.25 и др.). GPRS-шлюз содержит всю необходимую информацию о сетях, куда абоненты GPRS могут получать доступ, а также параметры соединения;

• сервер доменных имен (Domain Name Server, DNS);

• шлюз для связи с системой тарификации (Charging Gateway);

• пограничный шлюз (Border Gateway).

Следует отметить широкие возможности масштабирования системы GPRS. При быстром увеличении числа абонентов, пользующихся услугой пакетной передачи данных, возможно увеличение емкости системы GPRS за счет расширения или установки дополнительных пакетных коммутаторов (SGSN). При увеличении суммарного объема данных, передаваемых абонентами (при несущественном увеличении числа абонентов), возможна установка дополнительных GPRS-шлюзов, которые обеспечат большую суммарную пропускную способность всей системы, а также расширение системы базовых станций. Таким образом, наращивая систему GPRS, оператор сможет обеспечивать высокое качество услуг, основанных на пакетной передаче данных.

При подключении GPRS-терминала к GPRS-сети, терминалу выделяется индивидуальный адрес. После этого становятся возможными:

• прием и передача сообщений службы простых сообщений (Simple Messages Service, SMS);

• SMS через GPRS;

• уведомление о входящих голосовых звонках через GPRS.

Классы мобильных терминалов. По режиму работы (порядку работы с данными и голосом) все мобильные терминалы подразделяются на три класса (GPRS Class):

• класс А – терминал позволяет осуществлять одновременно голосовое соединение GSM и работу в режиме GPRS;

• класс В (сотовые телефоны) – терминал поддерживает и голосовое соединения и передачу данных в пакетном режиме (GPRS), но эти режимы используются не одновременно (во время передачи данных через GPRS абонент не может совершать и принимать голосовые звонки и наоборот). Если во время загрузки информации из Сети (режим GPRS) терминал принимает вызов для голосовой связи (GSM), передача данных прерывается. Как только голосовое соединение завершается, загрузка данных возобновляется, поскольку логическая связь между сетью GPRS и терминалом сохраняется. Выбор режима GPRS/GSM осуществляется автоматически, с приоритетом GSM;

• класс С (PCMCIA-карты, CF и USB-адаптеры) – терминал может обрабатывать только один тип соединения. Выбор типа (GPRS/GSM) выполняется вручную. Например, если терминал обслуживает передачу данных, голосовое соединение невозможно. Наиболее вероятное исполнение – PCMCIA-карта, устанавливаемая в компьютер-ноутбук.

Отметим, что мобильные терминалы для сетей GPRS должны обеспечить обмен SMS-сообщениями в режиме коммутации пакетов. Это позволяет снять ограничение на длину короткого сообщения в 160 символов.

По скорости работы (число одновременно занимаемых тайм-слотов для приема и передачи) все мобильные терминалы подразделяются на 29 классов (Multislot Class). Например, класс 6 означает 3 тайм-слота для приема и 2 – для передачи, что обозначается 3/2. Классы охватывают сочетания от 1/1 до 8/8.

Стоит обратить внимание еще на одну закономерность. Максимальное число выделяемых тайм-слотов не всегда соответствует арифметической сумме (прием + передача). Например, класс 6 – это максимум 4 тайм-слота под пакетную передачу данных. Второе – реально есть только 8 тайм-слотов, и если сумма (прием + передача) превышает значение 8, конкретное распределение выбирает оператор, программируя базовую станцию.

Перспективы беспроводной пакетной передачи данных. Появление технологии GPRS должно значительно ускорить развитие мобильной передачи данных во всех областях человеческой деятельности. Во многом это связано с появлением новых услуг, развитие которых было затруднено из-за низкой скорости и высокой стоимости передачи данных через голосовые каналы GSM. Технология GPRS позволит абонентам получать доступ в ГС из любой точки, где существует покрытие сети. При этом цена такой передачи будет чрезвычайно привлекательной, а при введении повременной оплаты на фиксированных телефонных линиях, тарифы на доступ в Internet с мобильного GPRS-телефона будут еще более конкурентоспособны. В дальнейшем телефон и компьютер будут сами обнаруживать друг друга и автоматически соединяться.

Для корпоративных пользователей система GPRS может послужить отличным инструментом для обеспечения быстрого доступа сотрудников к корпоративным сетям предприятий, к почтовым, информационным серверам, удаленным базам данных с гарантией безопасного соединения. При этом появится возможность получать доступ к корпоративным сетям, даже если абонент находится в сети другого GSM оператора, с которым организован GPRS-роуминг.

Технологии GPRS может применяться в системах телеметрии: устройство может быть все время подключено, не занимая при этом отдельный канал. Такая услуга может быть востребована службами охраны, банками для подключения банкоматов, для подвижного мониторинга и контроля состояния объектов, а также в других областях, в том числе и промышленных.

Система GPRS является первым шагом на пути развития сетей беспроводной пакетной передачи данных. Первоначально услуги на основе GPRS будут предоставляться на ограниченной территории действия сотовой связи. В дальнейшем зона, где возможно использование технологии GPRS будет расти и, в результате, в ближайшем будущем услуги на основе GPRS будут предоставляться на всей территории действия сети сотовой связи. Также планируется увеличение скоростей приема и передачи информации за счет улучшения характеристик мобильных терминалов и инфраструктуры GPRS.

Следующим шагом на пути развития сетей пакетной передачи данных будет внедрение технологии EDGE, которая позволит достичь скорости передачи информации до 385 Кбит/с. При этом базой для развертывания технологии EDGE частично будет служить система GPRS. Таким образом, будет плавно осуществлен переход от систем с коммутацией каналов к системам пакетной передачи данных, которые найдут свою конечную реализацию в системах передачи информации третьего поколения. При этом для абонента станет возможной скорость передачи до 2 Мбит/с [51-60].