VLR - Visitor Location Register - регистр временных идентификаторов TMSI - визитеров (при передаче речевых сообщений - TMSI) , а также MSRN - номер роуминга MS
PDN - сеть передачи данных.
ISDN - цифровая сеть с интеграцией услуг (служб).
Um - интерфейс радиодосупа MS к GPRS.
G - интерфейсы системы GPRS.
PCU - Packet Control Unit - устройство контроля пакетной передачи.
IGSN - узел поддержки Интернет соединений.
BG - граничный шлюз для исключения атак извне.
У каждой мобильной станции MS естьокружение GPRS, которое сохраняется в мобильной станции MS и обслуживающем ее узле поддержки GPRS - SGSN.
В окружение GPRS входит:
Состояние готовности мобильной станции MS (свободна, готова к работе, режим ожидания), порядковый номер ключа шифрования - CKSN и метка индикации сжатия, данные маршрутизации (врéменная идентификация логического канала - TLLI, Recciver Addres - адрес получателя (RA), идентификаторы ячейки и канала передачи пакетов данных сети PDN .
Управление мобильностью MM, кроме закрепления и отделения, отвечает за аутентификацию, контроль местонахождения и шифрование (границы шифрования находятся между мобильной станцией MS и обслуживающим узлом поддержки - SGSN, что значительно расширяет возможности обычной системы GSM).
Любые данные до передачи через сеть GPRS должны быть закреплены за определенной мобильной станцией MS. Это делается с помощью процедуры управления мобильностью, которая включает в себя присвоение временной идентификации логического канала -TLLI и порядкового номера ключа шифрования - CKSN.
Технология GPRS - General Packet Radio Service – общая пакетная радиослужба
Для достижения высокой скорости передачи данных, а также изменения идеологии системы оплаты была разработана технология GPRS - General Packet Radio Service.
Принцип ее работы заключен в названии. Весь объем информации, передаваемый пользователем, разбивается на пакеты, каждый из которых "становится в очередь на передачу". При освобождении каналов базовой трансиверной станции BTS мобильная станция MS начинает осуществлять передачу этих пакетов. Мобильная станция может одновременно отслеживаться и, соответственно, обслуживаться несколькими базовыми станциями. Маршрут любого из пакетов данных может быть различным.
Каждый пакет имеет адрес, где записан конечный пункт передачи пакета данных, поэтому на приеме вся информация собирается воедино. В результате увеличивается скорость за счет одновременной передачи нескольких пакетов по разным маршрутам.
Благодаря тому, что "пакеты" данных предполагается передавать одновременно по многим каналам (именно в одновременном использовании нескольких каналов и заключается выигрыш в скорости) в паузах между передачей речи, введение GPRS будет способствовать более рациональному распределению радиочастотного ресурса.
Речевой трафик имеет безусловный приоритет перед передачей данных, поэтому скорость передачи информации (пакетов данных) определяется не только возможностями сетевого и абонентского оборудования, но и нагрузкой сети (трафиком).
Еще раз об изменениях в структуре сети GSM для функционирования GPRS.
Для использования GPRS необходима модернизация сети GSM.
Предоставления услуг высокоскоростной передачи данных GPRS можно условно разделить на две формы - программную и аппаратную.
Программное обеспечение нуждается в замене или обновлении практически во всех устройствах, начиная с регистров HLR-VLR и заканчивая базовыми трансиверными станциями BTS.
Новые узлы для пакетной передачи данных:
Для работы приложений GPRS в сети стандарта GSM требуется установить два новых типа логических узлов:
-Узел обеспечения GPRS - Serving Support Node - SGSN;
-Узел поддержки шлюза GPRS - Gateway GPRS Support Node - GGSN.
Узел обеспечения SGSN обеспечивает прием и отправку пакетов данных, их маршрутизацию, посылает запросы основным регистрам, обеспечивает аутентификациюпользователей, отслеживает их перемещения, являясь, практически "коммутатором GPRS".
Шлюз GGSN служит интерфейсом к внешним сетям с протоколом IP - Интернет, корпоративным сетям и др. GGSN собирает данные для начисления платы, которые пересылаются в биллинговую систему. Для обслуживания нескольких узлов SGSN может быть выделен один или несколько шлюзов GGSN.
Каждый контроллер (базовых трансиверных станциий BTS) BSCдолжен быть укомплектован одним или несколькими блоками управления пакетами PCU - Packet Control Unit. Трафик с мобильного телефона передается так же, как и в случае стандартного GSM-соединения. Однако на выходе BSC трафик разделяется: речевой сигнал отправляется в центр коммутации мобильной связи (коммутатор) MSC, а пакеты данных - через соответствующий интерфейс и блок управления пакетами PCU передаются в узел обеспечения SGSN.
Составляющие скорости в GPRS.
Результирующая скорость в сети GPRS зависит от двух основных параметров:
- количества используемых временных интервалов (тайм-слот - временнóй интервал);
- используемой схемы кодирования.
Временнóй интервал - тайм-слот, или просто: слот
Количество временных интервалов (тайм-слотов), которое абонент системы GPRS может использовать для передачи данных ограничивается:
- Абонентским оборудованием.
- Программным обеспечением сети GPRS.
-Свободными ресурсами сети.
Ограничение абонентского оборудования.
В характеристиках мобильной станции MS с поддержкой стандарта GPRS указывается максимальное количество временных интервалов (тайм-слотов), которое может использовать мобильная станция MS на прием и передачу данных.
Например, мобильная станция MS работает по схеме 4 + 2. Это означает, что данные к MS могут передаваться в четырех временных интервалах, а от MS - в двух.
В стандарте GPRS определены три класса мобильных станций MS (терминалов), которые предназначены для работы в разных режимах:
- Терминалы класса"А" предоставляют самый полный спектр услуг.
Они поддерживают одновременно два режима работы - в сети GSM (коммутация каналов) и в сети GPRS (коммутация пакетов).
- Терминалы класса "B" также могут работать в режимах GSM/GPRS, но поочередно, т.е. в каждый момент будет осуществляться передача лишь одного вида трафика - с коммутацией каналов или с коммутацией пакетов.
- Терминалы класса "C" могут функционировать только в режиме коммутации пакетов.
Числовременных интервалов (слотов), выделяемых для передачи информации, в схемах множественного доступа с временным разделением (каналов) TDMA может быть организовано от 1 до 8. Значение имеет число
тайм-слотов как для передачи по исходящим каналам связи (от MS к BTS), так и для передачи по нисходящим каналам связи (от BTS к MS). Эти данные отражаются в GPRS-спецификациях, касающихся абонентского оборудования. В технических характеристиках мобильных телефонов производители указывают либо класс мобильных станций (телефонов), либо конкретные значения, например: 4 + 2 (конкретные значения тайм-слотов), класс: 6.
Максимальное число выделяемых тайм-слотов не всегда соответствует арифметической сумме исходящих и нисходящих каналов.
Например, класс 6 - это максимум 4 тайм-слота под пакетную передачу данных.
При распределении ресурса между речевой информацией и пакетной GPRS. Передача речевых сигналов всегда имеет приоритет.
На практике это означает, что временные интервалы могут отниматься у GPRS для передачи речевого сообщения, но не наоборот.
Схемы кодирования GPRS.
Технология GPRS предусматривает использование четырех схем кодирования - Coding Schemes - CS - схемы кодирования: CS1, CS2, CS3, CS4. Также как и тайм-слоты (временные интервалы), используемые схемы кодирования могут ограничиваться как оборудованием абонента (т.е. мобильная станция может не поддерживать все схемы кодирования), так и программное обеспечение сети GPRS. Схема кодирования определяет путь, по которому информация будет декодироваться при плохом качестве соединения и позволяет ускорить процесс передачи данных при хорошем качестве соединения.
-CS1 - 9,05кбит/с
-CS2 - 13,4кбит/с
-CS3 - 15,6кбит/с
-CS4 - 21,4кбит/с.
Каждая схема обеспечивает разную скорость передачи информации в расчете на один временной интервал (тайм-слот).
При увеличении номера схемы кодирования, возрастает обеспечиваемая ею скорость, но вместе с этим кодирование становится менее помехоустойчивым.
Скорость передачи данных в сети GPRS
Скорость передачи в сети GPRS обеспечивается за счет двух основных моментов:
- использования различных схем кодирования;
- временнóго уплотнения.
Для управления работой радиоканала в режиме передачи пакетов разработан специальный протокол RLC - Radio Link Control - радиоканал контроля (управления), который обеспечивает адаптивную настройку, программную перестройку частоты и управление мощностью.
Адаптация радиоканала включает выбор схемы кодирования CS1 - CS4 в зависимости от вида передаваемой информации, характеристик радиоканала и уровня помех. Конкретную схему кодирования для каждого соединения определяет базовая трансиверная станция BTS.
Первая схема кодирования CS1, гарантирует соединение в любых условиях и наиболее удобна для передачи сигнализации и коротких сообщений.
Вторая схема CS2, предназначена для передачи информационного трафика и позволяет существенно увеличить пропускную способность сети.
Два других варианта кодирования обеспечивают наивысшую скорость передачи при высоком значении отношения сигнал/помеха, однако уступают схемам CS1 и CS2 при значении сигнал/помеха менее 9,0дБ.
Кроме того, их реализация потребует модернизации Abis -интерфейса сетевого уровня эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ЭМ ВОС).
Технология GPRS использует и временнóе уплотнение, т.к. в режиме GPRS каждой мобильной станции MS может предоставлено от 1 до 8 временных интервалов (слотов).
Схемы кодирования определяют скорость передачи пакетов данных:
- при использовании CS1 - скорость почти не отличается от скорости передачи
GSM 900 - 9,6кбит/с - в одном временном интервале (тайм-слоте), но при использовании всех 8 тайм-слотов -скорость достигнуть 72,4кбит/с;
- при использовании CS2 - соответственно: 13,4кбит/с и 107,2кбит/с;
- при использовании CS3 - соответственно: 15,6кбит/с и 124,8кбит/с;
- при использовании CS4 - соответственно: 21,4кбит/с и 171,2кбит/с;
Во время передачи пакетов данных ресурсы каналов связи могут выделяться независимо друг от друга, т.е. в системе допускается реализация симметричного и асимметричного режимов передачи данных. Теоретически скорость передачи данных в GPRS-системе может достигать 171,2 (8х21,4)кбит/с - если применить схему кодирования CS4. Однако, существует несколько препятствий для достижения максимальной скорости: распределение тайм-слотов, доступность схем кодирования и ограниченные возможности мобильных станций (терминалов).
Из-за использования одного и того же частотного ресурса GSM и GPRS, маловероятно, что Оператор сотовой связи будет использовать все 8 тайм-слотов для системы GPRS, так как передача речи является приоритетной услугой.
С другой стороны все пользователи, находящиеся в одной и той же ячейке, совместно используют частотный ресурс соты и, в зависимости от объема пакетов данных, скорость передачи динамически изменяется.
Это означает что, если число передаваемых пакетов увеличивается, автоматически каждый пользователь получает меньшую скорость передачи, и соответственно, если число пакетов уменьшается - скорость передачи данных увеличивается.
| Как отмечалось выше, одним из недостатков сетей сотовой связи стандарта GSM является низкая скорость передачи данных (максимум 9,6кбит/с). Для передачи данных пользователю выделяется только один канал, а биллинг (расчеты) осуществляется, исходя из времени соединения, причем по тарифам, мало отличающимся от тарифов на речевые услуги. Для высокоскоростной передачи данных (максимум 171,2кбит/с) посредством существующих сетей GSM и была разработана система GPRS - General Packet Radio Service - услуга пакетной передачи данных по радиоканалу. При использовании сетей GPRS расчеты за полученные пользователями услуги производятся пропорционально объему переданной информации, а не периоду времени нахождения пользователя в сети (!), как это делается в сетях GSM . Введение GPRS способствует более рациональному использованию частотного ресурса последней мили (абонентского беспроводного доступа: между MS и BTS). Пакеты данных передаются одновременно по нескольким каналам в паузах между передачей речи, которой отдается преоритет. Именно в одновременном использовании нескольких каналов и заключается выигрыш в скорости. Речевой трафик имеет безусловный преоритет перед трафиком передачи данных, поэтому скорость передачи информации определяется не только возможностями сетевого и абонентского оборудования, но и загрузкой сети - прежде всего речевой информацией. В системе GPRS ни одна линия связи не занимается под передачу данных целиком и это основное качественное отличие новой технологии от используемых до ее внедрения. Оплачивается услуга пропорционально объему полученных и отправленных сообщений. Разработчики системы GPRS приложили все усилия для того, чтобы установка новой системы "поверх" существующих GSM-сетей оказалась как можно менее обременительной для Операторов связи сетей GSM. Доработку GSM-сети для предоставления услуг высокоскоростной передачи данных GPRS можно условно разделить на две составляющие: программную и аппаратную. Программное обеспечение нуждается в замене или обновлении практическиво всех устройствах сети сотовой связи: начиная с регистров HLR и VLR и заканчивая базовыми трансиверными станциями BTS. В частности, введен режим многопользовательского (множественного) доступа к временным кадрам каналов GSM, а в HLR, например, появляется новый параметр: Mobile Station Multislot Capability - MSMC - количество каналов, с которыми одновременно может работать мобильная станция MS. Ядро системы GPRS - GPRS Core Network - два основных блока: - SGSN - Serving GPRS Support Node - узел поддержки GPRS; -GGPRS -Gateway GPRS Support Node - шлюзовой узел GPRS; - SGSN является мозгом системы GPRS, является аналогом MSC - центра мобильной коммутации сети GSM. Обслуживающий узел поддержки - SGSN - контролирует доставку пакетов данных пользователям, взаимодействуя с регистром собственных абонентов HLR, проверяет, разрешены ли запрашиваемые пользователями услуги, ведет мониторинг находящихся в режиме On-line мобильных станций MS абонентов "домашней" сети. Так же как и мобильный центр коммутации MSC, узел SGSN, в системе может быть не один - в этом случае каждый узел отвечает за свой участок сети. Шлюзовый узел поддержки GPRS - GGSN - это шлюз между сотовой сетью связи (участком сети, передающим данные GPRS) и внешними сетями пакетной передачи данных (ISDN, Х.25 и другими). Основной задачей шлюзового узла GGSN, является: роуминг (маршрутизация) данных, передаваемых через обслуживающий узел поддержки - SGSN. Вторичными функциями GGSN является: адресация данных, динамическая выдача IP-адресов, а также отслеживание информации о состоянии внешних сетей и собственных абонентах, а также тарификация услуг. В GPRS - системе GPRS заложена хорошая масштабируемость: при появлении новых абонентов Оператор связи может увеличивать число узлов поддержки SGSN, а при резком увеличении суммарного трафика добавлять в систему новые шлюзы GGSN и IGSN. Внутри системы GPRS (между узлом поддержки SGSN и шлюзовым узлом поддержки GGSN) данные передаются с помощью специального туннельного протокола: GTP - GPRS Tunneling Protocol. Важным элементом системы GPRS является PCU - Packet Control Unit - устройство контроля пакетной передачи. PCU стыкуется с контроллером базовых трансиверных станций BSC и отвечает за направление трафика данных непосредственно от BSC к узлу поддержки SGSN. При ориентации системы GPRS на мобильный Интернет возможно добавление специального узла - IGSN - Internet GPRS Support Node - узел поддержки Интернет. За управление и контроль системы GPRS отвечает OMC-R/G - Operation and Maintenance Center - Radio / GSN - центр управления и обслуживания радиоузла GPRS. Это - "интерфейс" между системой GPRS и обслуживающим ее персоналом. Перед началом работы с GPRS, мобильная станция MS, так же как и в случае передачи речевого сигнала, должна зарегистрироваться в системе. Регистрацию ("прикрепление" - attachment - к сети) пользователей обеспечивает узел поддержки SGSN. В случае успешного прохождения всех процедур: проверки доступности запрашиваемой услуги, копирования необходимых данных о пользователе из регистра HLR в узел поддержки SGSN, пользователю выдается P-TMSI - Packet Temporary Mobile Subscriber Identity - временный идентификатор мобильного телефона для пакетной передачи данных, аналогичный TMSI. TMSI назначается мобильной станции MS для передачи речи (если MS относится к классу "А", то ей при регистрации выделяются временные идентификаторы TMSI и P-TMSI). Для быстрой маршрутизации данных к мобильной станции системе GPRS нужны данные о местонахождении MS с большей точностью, чем в случае передачи речевого трафика (HLR и VLR данные LA - Location Area - зоны местонахождения, в которой находится мобильная станция MS пользователя. Если возрастает служебный трафик в сети сотовой связи и расход электроэнергии мобильной станцией, телефон обязан информировать систему каждый раз при переходе из одной зоны местонахождения в другую. Принято деление состояния мобильных станций на три типа: - IDLE (неработающий режим). MS отключена или находится вне зоны действия сети. В этом случае система не отслеживает ее перемещение. - STANDBY (режим ожидания). MS зарегистрирована (прикреплена) в системе GPRS, но уже долгое время (определяемое специальным таймером) не работает с передачей данных. Местоположение STANDBY-пользователей (MS в режиме ожидания) известно с точностью до RA (Routing Area - область маршрутизации). RA мельче, чем LA (каждая LA разбивается на несколько RA, но RA крупнее, чем ячейка (сота) в локальной зоне - LA и состоит из нескольких элементарных ячеек, или сот). -READY (готовность). MS зарегистрирована в системе и находится в активной работе. Координаты MS, находящихся в режиме готовности READY, известны узлу поддержки GPRS - SGSN с точностью до ячейки. MS, находящиеся в режиме ожидания STANDBY, при переходе из одной области RA в другую посылают SGSN специальный сигнал о смене области маршрутизации (routing area update request). Если новая и предыдущая область маршрутизации RA контролируется одним и тем же узлом поддержки SGSN, то смена области маршрутизации RA приводит лишь к корректировке записи в узле поддержки SGSN. Если мобильная станция MS переходит в зону действия нового узла поддержки SGSN, новый узел SGSN запрашивает у прежнего SGSN информацию о пользователе, а центр коммутации MSC и регистры VLR, HLR, а также шлюзы GGSN ставятся в известность о смене узла поддержки - SGSN. Если MS, взаимодействующая с системой GPRS, перемещается в другую зону LA, узел поддержки SGSN отправляет соответствующему регистру VLR сообщение о необходимости смены записи о местонахождении мобильной станции MS. В случае роуминга в сетях GPRS возможны два варианта: - узел поддержки SGSN в обоих случаях используется гостевой (VSGSN - Visited SGSN); - шлюзовый узел GGSN может использоваться: - либо гостевой (VGGSN - Visited GGSN), - либо домашний (HGGSN - Home GGSN). Во-втором случае между домашним и гостевым шлюзами должна быть организована GPRS-магистраль (Inter PLMN GPRS BackBone - GPRS-линия связи) для передачи трафика между HGGSN шлюзами и мобильной станцией MS. Кроме того, необходим BG (Border Gateway - граничный шлюз) с обеих сторон с целью обеспечения защиты сетей от "атак" извне. QoS (Quality of Service) - качество сервиса. Видеоконференция в режиме реального времени и отправка сообщения электронной почтой предъявляют разные требования, например, к задержкам на пути пакетов данных. В системах GPRS существует несколько классов качества сервисаQoS, подразделяющихся по следующим признакам: -необходимому приоритету (существует высокий, средний и низкий приоритет данных); -надежности (разделение на три класса по количеству возможных ошибок, потерянных пакетов и т.д.); -задержкам (задержки информации вне GPRS-сети в расчет не принимаются); -количественным характеристикам (пиковое и среднее значение скорости). Класс качества QoS выбирается индивидуально для каждой новой сессии передачи данных. Кроме QoS, в характеристику сессии передачи данных входит: -тип протокола PDP type - Packet Data Protocol type; -PDP-адрес, выданный мобильной станции MS (выдача адресов бывает как статической, так и динамической); -адрес шлюза GGSN, с которым идет работа. Пакетная передача данных предусматривает два режима "соединений": -PTP - Point-To-Point - точка-точка; -PTM - Point-To-Multipoint - точка-многоточие - широковещательный режим. Широковещательный режим РТМ в свою очередь подразделяется на два класса: - PTM-M (PTM-Multicast) - передача необходимой информации всем пользователям, находящимся в определенной географической зоне; - PTM-G (PTM-Group Call) - данные направляются определенной группе пользователей. Поддержка режима "многоточечной" передачи информации PTM реализуется во всех спецификациях GPRS. GPRS - абонентские устройства Для работы с системой пакетной передачи данных необходимо иметь специальный мобильный телефон, совместимый с системой GPRS. GPRS-терминалы подразделяются на три класса: -устройствакласса "А" способны одновременно работать как с передачей речи, так и с передачей данных (они обладают возможностью функционировать как в режиме коммутации каналов (circuit switched), так и в режиме коммутации пакетов (packet switched), т.е. одновременная работа в разных режимах; -устройства класса "В" могут осуществлять либо передачу речи, либо передачу данных, но не одновременно; -устройствакласса "С"поддерживают только передачу данных и не могут быть использованы для голосовой связи. Как правило, это разного рода компьютерные платы для обеспечения беспроводного доступа к данным. Максимальная скорость передачи данных определяется, в первую очередь, количеством каналов, с которыми одновременно может работать абонентский терминал. Один канал обеспечивает передачу данных со скоростью до 13.4кбит/с. Следующим шагом от сетей GSM второго поколения 2G к сетям третьего поколения 3GUMTS - Universal Mobile Telephone System - является технология EDGE - Enhanced Data Rates for GSM Evolution - передача данных на повышенной скорости, позволяющая осуществлять передачу информации со скоростью до 384,0кбит/с в восьми GSM-каналах (48,0кбит/с - каждый канал). Для внедрения EDGE "поверх GPRS" Операторам связи необходимо заменить аппаратуру базовых трансиверных станций BTS, а пользователям - приобрести поддерживающие EDGE мобильные станции MS. В настоящее время скорость передачи данных ~171,2кбит/с, которую обеспечивает система GPRS, вполне достаточна. |
| Система GPRS - не является в полной мере системой третьего поколения 3G, а скорее - второго поколения - 2,5G, так как скорость передачи данных в ней не достигает 2,048мбит/с. |
Интеграция с Интернет
GPRS по принципу работы аналогична Интернет: 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 превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернет 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 Интернет (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, Jabber и др.). При использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический).
Применение
-Мобильный доступ в Интернет с приемлемой скоростью передачи данных, быстрым соединением и тарификацией по количеству переданных/полученных данных.
-Мобильный и безопасный доступ сотрудников к корпоративным сетям, удалённым базам данных, почтовым и информационным серверам предприятий.
Телеметрия. Устройство может оставаться в подключённом состоянии, не занимая при этом отдельный канал. Такая услуга востребована службами охраны (сигнализация), банками и платёжными системами (установка банкоматов, терминалов оплаты услуг), в промышленности (датчики и счётчики различного рода, например по ходу нефте- и газопроводов).
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Системы сетей сотовой связи третьего поколения - 2,5G: