Развитие технологии услуг GPRS

1. На пути к 3G технологиям. Система GPRS

2. Принципы построения системы GPRS

3. Терминальное оборудование GPRS

4. Развитие технологии услуг GPRS

Заключение

Список использованных источников

Цифровые беспроводные и сотовые технологии берут свое начало в 1940;х, когда началось коммерческое использование мобильной телефонной связи.

В начале 80-х годов в Европе существовало несколько конкурирующих стандартов аналоговой сотовой связи. В Европе к тому времени уже двадцать лет как существовал вполне подходящий инструмент для решения подобных вопросов — CEPT. Конференция CEPT (Conference Europeans des Administration des postes et des telecommunications, The European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) была основана в 1959. Её деятельность в основном сводилась к урегулированию международных коммерческих и операционных вопросов и стандартизации в области связи.

В 1982 этом году CEPT создала Groupe Speciale Mobile для изучения будущей европейской системы сотовой связи. Встречаются упоминания о том, что эта группа была создана по предложению Nordic Telecom и Netherlands PTT. Позже аббревиатура GSM стала читаться как Global System for Mobile Communications.

Сегодня GSM-сети охватывают практически все густонаселённые районы земного шара. Стандарт успешно развивается, однако можно смело говорить о том, что эволюционный процесс в сети ещё не закончен. Разработчики заложили слишком много лазеек для роста GSM при его развитии. На данный момент сеть имеет определённый потенциал развития по абонентской базе, конкурентоспособности и предоставлению новых услуг.

Сети стандарта GSM умеют передавать данные. Изначально эта возможность закладывалась в них разработчиками в далеких 80-х годах прошлого века. Тогда никто и подумать не мог о развитии коммуникаций в ближайшие десятки лет. Сейчас GSM может предоставить вполне конкурентоспособные сервисы, которые выведут абонентов во Всемирную Паутину и позволят переслать факсимильное или е-mail сообщение. Сеть GSM даёт пользователю возможность вывести свой компьютер в Интернет, используя сотовый телефон как устройство передачи данных. Кроме этого, современный мобильный телефон сам является web-браузером, ICQ-клиентом и даже файл-сервером.

Современный сотовый мир развивается очень быстро, и уследить за всеми нововведениями порой просто невозможно. С другой стороны, только грамотные пользователи могут использовать сотовую связь с максимальной выгодой для себя. Предупреждён — значит вооружён.

1. На пути к 3G технологиям. Система GPRS

Хотя GSM технология и позволяет осуществлять передачу данных, однако скорость передачи 9,6 Кбит/с — слишком низкая для многих применений. При замене некоторых модулей можно обеспечить скорость 14,4 Кбит/с, но это не решает проблемы. Другим недостатком существующей системы является высокая стоимость передачи данных, т.к. оплата ведется за время занятия канала связи, а не за количество переданных бит. Поэтому число пользователей услугами передачи данных весьма невелико.

Успехи в области технологии пакетной передачи привели к совершенствованию систем и в области радиосвязи. Особенно удачной оказалась IP-технология. Ее и заложили в систему GSM для обеспечения высокоскоростной передачи данных. Системы GSM с возможностью пакетной передачи данных по радиоканалу (General Packet Radio Service — GPRS) представляют поколение 2G+. Этот этап является как бы переходным к системам 3G поколения с весьма развитыми возможностями.

GPRS (англ. General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) — надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объёму переданной/полученной информации, а не по времени, проведённому он-лайн.

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).

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 Transceiver Station) — кодирующим устройством GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP.

Шлюзы с внешними сетями (Internet, intranet, X.25) называют GGSN (Gateway GPRS Support Node). Обмен информацией между SGSN и GGSN происходит на основе IP-протоколов.

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

GPRS по принципу работы аналогична Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (необязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернетом незаметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернете (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP и др.). Также при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический).

Существующие системы GSM с модуляцией GQPSK теоретически могут обеспечивать суммарную пропускную способность физических каналов на одной несущей частоте до 270 Кбит/с. На практике из-за значительных потерь времени на обработку реальная скорость значительно ниже. Например, по информации фирмы Motorola ее оборудование позволяет обеспечить 172 Кбит/с на одной несущей. Причем, базовая станция в стандартной конфигурации поддерживает до 6-ти несущих, а в принципе может поддерживать до 24-х. Тогда одна базовая станция могла бы обеспечивать суммарную скорость от 172×6 ~ 1−4 Мбит/с. Разумеется, это общая скорость передачи, включая трафик и все необходимые логические каналы.

Внедрение услуги GPRS уже должна позволить увеличить скорость передачи данных до 114 Кбит/с. Кроме того, разработаны или разрабатываются несколько направлений, которые позволяют наращивать скорость передачи данных.

За счет чего же удается повысить скорость передачи?

Для понимания этого рассмотрим как организована передача данных в системах 2G:

абоненту на время сеанса связи выделяется отдельный физический канал, который самой системой используется как речевой!

передача данных по этому каналу осуществляется с помощью модема, подключаемого к абонентскому терминалу. Так как в GSM принята система коммутации каналов (это принципиальное свойство систем 2G), то канал остается занятым в течении всего сеанса независимо передается ли по нему в данный момент что-либо или нет. Отсюда и высокая стоимость связи.

Система GPRS реализует протокол пакетной передачи внутри сети сотовой связи и с помощью дополнительного оборудования, выполняющего роль шлюза, обеспечивает передачу пакетов во внешние сети. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и может передаваться в эфир одновременно с передачей голоса в паузах речевого сигнала, т. е как бы не занимая дополнительного эфирного времени.

Также сохраняется способ увеличения скорости передачи за счет выделения на время сеанса одному абоненту до 4-х физических каналов при полноскоростной передаче и в перспективе до 8-ми каналов (скорее всего будет не более 7-ми).

Процедура установления соединения для передачи пакетов занимает время не более нескольких секунд, поэтому ресурсы сети с слугами GPRS будут использоваться весьма эффективно. Коммутация на уровне пакетов позволяет гибко регулировать доступную пользователю пропускную способность в зависимости от текущей нагрузки на сеть.

2. Принципы построения системы GPRS

Введение

услуг GPRS не потребовало существенной переделки существующих и уже развернутых сетей GSM. Необходимо лишь модернизировать их. Для этого оператору сети необходимо добавить 2 новых элемента:

пакетный коммутатор (Serving GPRS Support Node — SGSN);

GPRS шлюз (Gateway GPRS Support Node — GGSN).

Поскольку при пакетной передаче нужны адреса отправителя и получателя, то организуются так называемые доменные области, для обслуживания которых используется сервер доменных имен (Domen Name Server — DNS).

Кроме того, при пакетной передаче вводится другой принцип тарификации — за количество переданных (принятых) бит, а не за время занятия канала. Поэтому потребуется еще устройство тарификации и для связи с ним нужен шлюз Charging Gateway — CG. Могут использоваться и другие блоки, например, пограничный шлюз — Border Gateway — BG. Перечисленные блоки образуют подсистему сети GPRS, называемую ядром сети GPRS (GPRS Core Network). SGSN и GGSN связаны между собой высокопроизводительной IP — сетью. SGSN выполняет маршрутизацию пакетов, управление логическими каналами, задачи аутентификации, шифрования и проверки IMEI. Коммутатор мобильной связи MSC обеспечивает коммутацию речевых сообщений, а SGSN — пакетных данных. Именно в SGSN реализованы функции обработки пакетной информации и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP глобальной сети Интернет. Тем самым SGSN как бы разгружает MSC. SGSN взаимодействует со всеми архитектурными элементами сети GSM: базами данных в HLR (куда будут записаны и пользователи GPRS) и VLR, A&C, MSC. С контроллерами базовых станций SGSN взаимодействует посредством протокола Frame Relay.

GGSN — это шлюз, связывающий сеть GPRS с внешними сетями IP и Х.25. Он владеет всеми IP — адресами мобильных терминалов своей зоны обслуживания.

Контроллеры БС изначально предназначались для обслуживания речевых сигналов. Поэтому для обработки пакетных сообщений к базовому контроллеру необходимо добавить модуль Packet Control Unit (PCU), а сам трансивер БС модернизации не потребует. Между трансивером БС и контроллером БС по-прежнему остается стандартный A-bis интерфейс.

3. Терминальное оборудование GPRS

радиосвязь пакетный данные сотовый Для того, чтобы использовать возможности передачи данных посредством GPRS нужны новые терминалы пользователей. Стандартами GPRS предусмотрены три класса таких терминалов:

класс А — терминал позволяет работать в двух режимах одновременно — голосовое соединение и работа в режиме пакетной передачи GPRS;

класс В — терминал поддерживает и голосовое соединение и передачу данных в пакетном режиме, но не одновременно. При передаче/приеме данных GPRS абонент не может осуществлять голосовую связь и наоборот;

класс С — терминал обеспечивает только передачу данных в пакетном режиме. Для этого скорее всего будет использоваться комплект типа Notebook с PCMCIA — картой.

Наиболее вероятно, что на первом этапе будут превалировать терминалы класса В, которые будут поддерживать различные скорости передачи и приема и их можно использовать в качестве радиомодема для передачи данных и доступа к Интернет при подключении терминала к компьютеру через порт RS-232 или через инфракрасный порт. При приеме/передаче коротких сообщений SMS ограничения на 160 символов будут сняты. С помощью такого терминала будет обеспечиваться также высокоскоростной доступ к WAP — серверам.

Переключение терминала класса В на режим пакетной передачи или голоса может осуществляться автоматически, например, из режима пакетной передачи переключение будет вызвано поступлением голосового вызова.

Абонентские терминалы GPRS могут поддерживать от 2-х до 4-х каналов для приема информации и до 2-х каналов на передачу (асимметричная система передачи). В этом случае можно получить максимальную скорость приема 13,9×4 = 53,6 Кбит/с и передачи 26,9 Кбит/с. В последующем можно ожидать появления моделей терминалов, поддерживающих до 7-ми каналов на прим и до 4-х на передачу.

Динамическое выделение пользователю необходимого числа голосовых каналов под пакетную передачу будет происходить только в случае наличия свободных каналов, т. е. голосовые сообщения будут иметь приоритет. Следовательно, реальная скорость приема и передача будет зависеть от загруженности каналов голосовыми сообщениями в пределах каждой соты. В случае взаимодействия между абонентами в разных сотах наибольшая скорость будет определяться наиболее загруженной сотой.

В принципе GPRS терминалами могут стать и многие модели уже используемых типов. Для этого необходимо обновить их встроенное программное обеспечение (firmware).

При доступе к услугам GPRS терминал должен выполнить процедуру регистрации — Attach. После чего терминал получает возможность пользования SMS и пейджинг поверх GPRS.

Чтобы начать обмениваться данными, терминал должен активизировать сетевой адрес. Пакеты, полученные из внешней сети или сформированные пользовательским приложением, инкапсулируются внутри передаваемого пакета совместно с адресами маршрутизации.

Стек протоколов радиоинтерфейса U_m между мобильным терминалом и БС выглядит следующим образом.

4. Развитие технологии услуг GPRS

Процесс разработки стандарта GPRS изначально был разбит на 3 фазы. В фазе 1 реализовано соединение типа точка-точка, реализованы функции обеспечивающие безопасность разговоров и, главное, реализованы функции биллинга. На этапе фазы 2 реализованы функции точка-многоточие (широковещательный режим). Сообщение может передаваться как для всех пользователей, так и для определенной группы пользователей. На этапе 2+ (как промежуточный этап) реализованы функции передачи SMS сообщений и пакетная передача. На этапе фазы 3 приоритет будет за технологией пакетной передачи осуществляется переход к скоростям передачи до 200−300 Кбит/с, вводится новая биллинговая система — за количество переданных/принятых бит информации, а не за время занятия канала.

В Европе внедрение GPRS происходит в соответствии с планами ETSI. Уже в 2000 году были проведены практические тесты работы в реальных условиях GPRS систем с максимальной скоростью 28 Кбит/с, а в течение 2001;2002 годов происходит внедрение скоростей от 56 до 114 Кбит/с. Вместе с тем, начиная с 2002;2003 г. могут начаться работы по практическому внедрению разработок поколения 3G (со скоростями до 2048 Кбит/с).

Одной из первых технологий с услугами GPRS была предложена технология HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). В ней заложен тот же принцип, что и в стандартной GSM — коммутация каналов. Скорость повышается лишь за счет объединения нескольких каналов. Однако принцип коммутации каналов уже предопределил бесперспективность этого направления.

Гораздо более «продвинутой» является технология EDGE (Enhanced Date Rates for the GSM Evolution), которая обещает скорость передачи до 384 Кбит/с. Эта технология вводится уже на этапе 2+ (или 2,5 G). В основе технологии EDGE лежит более совершенная 8-ми позиционная фазовая манипуляция. Вдобавок, в нормальном пакете GSM кадра защитные биты, (трафик — 1 бит — обучающая последовательность — 1 бит — трафик), отданы под трафик. Это добавило 2 бита в каждом пакете передачи трафика. После усовершенствования GPRS предложена технология EDPRS имеющая также 8-ми позиционную фазовую манипуляцию. Эффективность усовершенствования можно видеть из сравнительной таблицы 1.

Таблица 1

При передаче пакетов в случае наличия искажений в канале связи во всех видах GPRS технологий используется режим адаптации канала (Link Adaptation — LA) с переходом на более низкую скорость передачи, но с большим уровнем защиты от ошибок при более низким номером вида кодирования (от CS-4 до CS-1). Искаженные пакеты передаются повторно (Automatic Repeat Request — ARQ).

В EGPRS внедрена усовершенствованная технология контроля качества QoS основанная на запоминании искаженных блоков и последующем их сравнении с повторно принимаемыми блоками. (Для сравнения, в режиме LA-искаженные блоки просто сбрасываются). Такой подход обеспечения качества называют Incremental Redundancy — IR. IR обеспечивает более высокие скорости передачи при более низком отношении С/Ш по сравнению с режимом LA.

В EDPRS используется 9 типов кодирования (в обычной GPRSтолько 4). Эти типы кодирования за время одного тайм слота могут обеспечить скорость передачи от 8,8 до 59,2 Кбит/с.

Качество канала связи определяется не частотой битовых ошибок BER, а частотой появления блоков с ошибками — BLER. Благодаря повторным передачам искаженных блоков, варьировании скорости передачи одинаковое качество связи в GPRS и EDPRS может обеспечиваться при разной частоте появления блочных ошибок:

GPRS — BLER = 10%

EDPRS — BLER = 30%.

В реальности введение услуг GPRS в системы сотовой связи не столь успешно. Проблем и недостатков весьма много. О многих недостатках порой просто умалчивается. Например, увеличение скорости передачи обеспечивается, в основном, за счет выделения одному пользователю на время передачи данных сразу несколько физических каналов. Т.к. количество частотных и временных каналов на каждой БС ограничено, то буквально несколько пользователей GPRS могут исчерпать ресурс БС, а остальные пользователи на это время будут лишены доступа. Качество связи также будет ухудшаться по мере удаления от БС, будут возникать ошибки за счет уменьшения отношения С/Ш, а значит потребуется снижение скорости передачи или увеличение С/Ш за счет увеличения мощности передатчиков.

И еще, заявляемые скорости передачи могут означать предельную скорость передачи бит, а не полезной информации.

Предполагается, что EDPRS и EDGE обеспечат передачу в реальном времени видео и речевых сообщений через Интернет (VoIP — Video over IP). Для передачи VoIP будет использоваться многоскоростной речевой кодек Adaptive Multi-Rate Codec — AMRC. Примером может служить GSM/GPRS телефон модели 7650 фирмы Nokia со встроенной цифровой камерой и цветным дисплеем. Отснятые фотоснимки можно пересылать через сервис мультимедийных сообщений — MMS.

Заключение

С момента появления сотовой связи идея мобильной передачи данных не давала покоя многим пользователям мобильных телефонов. С началом бурного развития сети Интернет проблема передачи данных при помощи мобильного телефона стала еще более актуальной, но до последнего времени существовало два основных препятствия на пути ее решения. Первой проблемой является чрезвычайно строгие ограничения скорости передачи, накладываемые системой GSM, которая в настоящее время обеспечивает максимальную скорость передачи 9,6 кбит/с, а при замене отдельных модулей базовых станций — 14,4 кбит/с. Второй проблемой является высокая стоимость передачи данных, поскольку при передаче информации на столь низких скоростях абоненту требуется большое количество времени, которое он должен оплачивать по тарифам, близким к тарифам за услуги голосовой связи. Именно по этим причинам количество абонентов сотовой связи, пользующихся услугой передачи данных, остается небольшим. Появление системы пакетной передачи данных GPRS призвано кардинально изменить сложившуюся ситуацию.

GPRS (General Packet Radio Service) — это система, которая 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, они заполняют те «пустоты» (не используемые в данный момент голосовые каналы), которые всегда есть в промежутках между разговорами абонентов, 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.

GPRS позволит ввести принципиально новые услуги, которые раньше не были доступны. Прежде всего, это мобильный доступ к ресурсам Интернета с удовлетворяющей потребителя скоростью, мгновенным соединением и с очень выгодной системой тарификации. Технология GPRS позволит быстро передавать и получать большие объемы данных, видеоизображения, музыкальные файлы стандарта MP-3 и другую мультимедийную информацию.

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

Появление технология 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.

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.

Список использованных источников

1. Розенштейн, И. Н. Проектирование станционных сооружений ГТС [Текст] / И. Н. Розенштейн. — М.: Связь, 1978. — 168 с.

2. Баклашов, И. Н. Охрана труда на предприятиях связи и охрана окружающей среды [Текст] / И. Н. Баклашов. — М.: Радио и связь, 1989. — 288 с.

3. Белов, С. В. Охрана окружающей среды [Текст] / С. В. Белов. — М.: Высшая школа, 1983. — 264 с.

4. Инструкция по расчету нагрузок Мин. связи СССР [Текст] - М.: Радио и связь, 1983. — 88 с.

5. Инструкция по проектированию линейно-кабельных сооружений связи. ВСН-116−87 [Текст] - М.: Радио и связь, 1988. — 250 с

6. Иванова, О.И. и др. Автоматическая коммутация [Текст] / О. И. Иванова и др. — М: Радио и связь, 1988. — 240 с.

7. Лившиц, Б. С. Теория телетрафика [Текст] / Б. С. Лившиц. — М.: Связь, 1979. — 224 с.

8. Губин, Н. М. Основы экономики связи [Текст] / Н. М. Губин. — М.: Связь, 1977. — 170 с.

9. Долин, П. А. Справочник по технике безопасности [Текст] / П. А. Долин. — М.: Энергоиздат, 1982 — 600 с.

10. Основы проектирования электронных АТС типа АТСЭ 200 [Текст]: учебное пособие. — М.: Московский институт связи, 2001 — 240 с.