Технология Gprs

[RusEm]

GPRS - это радио-сервис, основанный на пакетной коммутации, который дает возможность постоянного - "always on" - соединения, вытесняя трудоемкое и отнимающее много времени соединение через dial-up.

 

Необходимость решения для доступа из сотовых сетей в интернет и локальные корпоративные сети обсуждалась в течение многих лет. Широкое распространение такого рода технологий замедлялось из-за проблем с покрытием, стоимостью, эксплуатационными качествами и безопасным удаленным доступом в корпоративных сетях. Запуск основанного на GSM-сетях сервиса GPRS (General Packet Radio Service) имеет потенциал для изменения этой ситуации и обеспечения соединения "в любое время и в любом месте".

 

GPRS - это радио-сервис, основанный на пакетной коммутации, который дает возможность постоянного - "always on" - соединения, вытесняя трудоемкое и отнимающее много времени соединение через dial-up. Данный сервис обеспечивает также реальную пропускную способность свыше 40 кбит/с - это примерно те же скорости, что и в случае хороших наземных соединениях через модем. В целом, GPRS (General Packet Radio Service) является очередной ступенью от GSM к сотовым сетям третьего поколения - 3G. GPRS предлагает более быструю передачу данных через сети GSM со скоростями от 9.6 до 115 кбит/с. Эта новая технология создает пользователям возможность производить телефонные звонки и передавать данные одновременно. (Например, если вы имеете мобильный телефон, поддерживающий функцию GPRS, вы имеете возможность одновременно разговаривать по телефону и получать сообщения по электронной почте).

 

Наиболее привлекательным аспектом технологии GPRS для поставщиков услуг, помимо снижения стоимости эксплуатации, является простота управления при ее использовании, а также новые биллинговые возможности, ставшие доступными после перехода от коммутируемой к пакетной передаче данных. Клиенты также получают от внедрения этой технологии свои преимущества, поскольку она дает им множество усовершенствованных сервисов от провайдера, наряду с совершенно новыми.

 

Технология GPRS продвинула мобильные системы на шаг вперед, сделав более удобным и доступным использование медиа-контента в небольших мобильных устройствах. Среди других важных преимуществ GPRS - более эффективное использование радио-спектра. Пользователи теперь занимают радио-ресурсы только тогда, когда происходит реальная передача данных. Это, по сути, означает, что в одной точке доступа можно обслужить большее число пользователей, тогда как скорости передачи данных остаются высокими.

 

Улучшенная функциональность и эффективность GPRS ведет к снижению стоимости коммерческого предоставления сервисов передачи данных. Предлагая новые привлекательные возможности своим абонентам благодаря новой технологии, провайдеры привлекают все большее число клиентов. Но самым важным преимуществом GPRS является существенно улучшенное качество сервисов передачи данных. Функции QoS стали вполне доступными, и их даже можно будет измерить в терминах надежности, времени отклика и поддерживаемых возможностей. Новые приложения, разработанные для пользователей GPRS, окажутся привлекательными для многих клиентов мобильной связи и позволят провайдерам облегчить введение новых сервисов и модификацию старых.

 

Основные вехи

 

После того, как этот еще относительно новый сервис впервые был представлен на рынке и прежде чем он, наконец, устоялся, можно выделить несколько стадий его «становления». Внедрение сервиса GPRS включает стандартизацию, развитие инфраструктуры, испытания сетей, заключение контрактов, развертывание сети, готовность терминалов, разработка приложений и т.п. Вот эти основные вехи внедрения GPRS: Date Milestone

 

1999 - 2000, полностью Операторы сетей заключают контракты на тестирование и коммерческий запуск инфраструктуры GPRS.Встраивание инфраструктуры GPRS в сети GSM

 

Лето 2000 Стало возможным первое тестирование сервисов GPRS. Типовые скорости передачи данных - 28 кбит/с.Например, T-Mobil планирует тестирование GPRS на Expo2000 в Ганновере летом 2000 года

 

Начало 2001 Терминалы GPRS стали доступными в коммерческих количествах

 

Весь 2001 Сетевые операторы запустили сервисы GPRS в коммерческое использование и развернули сеть GPRS. Первые пользователи начинают регулярно использовать сервисы GPRS для неголосовых мобильных коммуникаций

 

2001/2 Типовые скорости - 56 кбит/с. Новые специализированные приложения GPRS, более высокие скорости передачи данных, решения для увеличения емкости сетей

 

2002 Типовые скорости - 112 кбит/с.Фаза 2 GPRS/ EDGE начинает осуществляться на практике

 

2002 Поддержка GPRS в новых моделях мобильных телефонов GSM становиться обычным явлением, а использование этого сервиса достигает критической массы. (Эквивалентной статусу SMS в 1999 году)

 

2002/3 3GSM работает в коммерческих масштабах

 

Как и сам стандарт GSM, сервис GPRS развивался фазами. Во время первой фазы ожидалось, что коммерческое использование сервиса начнется в 2000/2001 гг. Поддерживается решение GPRS по принципу «точка-точка» (пересылка информации отдельному пользователю GPRS), но не «точка-мультиточка» (пересылка одной и той же информации одновременно нескольким пользователям GPRS). Фаза 2 GPRS еще не является полностью определенной, но как ожидается, будут поддерживаться более высокие скорости передачи данных путем внедрения новых уже существующих технологий, таких как EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), в дополнение к поддержке решения «точка-мультиточка».

 

Как работает GPRS?

 

GPRS - это стандарт ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для пакетной коммутации в системах GSM. В настоящее время по всему миру наиболее широко распространены сети на основе GSM и их называют сетями второго поколения (2G). Технология GSM использует вариацию TDMA (time division multiple access) и является наиболее широко используемой из трех основных цифровых беспроводных технологий (TDMA, GSM и CDMA).

GSM оцифровывает и сжимает данные, затем пересылает их по каналу с двумя другими потоками пользовательских данных, каждый в своем собственном временном интервале (в тайм-слоте). Функционирует на частоте либо 900 МГц, либо 1800 МГц. GSM имеет более 120 миллионов пользователей по всему миру и доступен в 120 странах, согласно данным GSM MoU Association. С тех пор, как большинство операторов сетей GSM заключили роуминговые соглашения с иностранными операторами, пользователи продолжают пользоваться своими мобильными телефонами во время путешествий в другие страны.

GPRS является т.н. накладывающейся технологией, распространяемой на сетях GSM, CDMA и TDMA. Эта технология применяет новый метод эффективной передачи пакетных данных по радиосетям. Технология пакетной коммутации основана на методах IP и X.25, оба из которых очень популярны и широко используются во многих сетях. Пакетная коммутация GPRS работает в целом так же, как и пакетная коммутация IP, то есть данные расщепляются на пакеты и пересылаются по назначению разными путями по сети, затем снова собираются на принимающей стороне. Пакетная коммутация GPRS допускает любой существующий трафик IP или X.25 для пересылки данных через радиосеть GPRS.

 

GPRS использует радиополосу шириной в 200 кГц, и она делится на восемь каналов. Общая емкость каналов составляет 271 кбит/с, но каждый из этих каналов способен передавать потоки данных в 14.4 кбит/с. Теоретически возможна скорость в 115 кбит/с, но в реальных условиях она используется крайне редко или вообще не используется. Средняя скорость в 48 кбит/с является наиболее вероятной оценкой, поскольку точки доступа поделены между множественными пользователями, причем диапазон или расположение приемника будут также зависеть от имеющейся в наличии ширины полосы. Этот результат гораздо лучше, чем могут предложить существующие устройства мобильных коммуникаций, дающие всего 9.6 кбит/с. Другим важным аспектом интернет-связи через GPRS - и это первое такого рода внедрение для широкополосной сети - является то, что соединение с интернет непрерывно (всегда «он-лайн»), и в то же время ему не приходится подтягивать ресурсы из точек доступа в то время, когда оно не используется, потому что данные передаются только тогда, когда в этом есть необходимость. Приемник запрашивает информацию, и устройство подтягивает в этот момент радио-ресурсы, а затем снова находится в нерабочем состоянии, пока не начинает принимать запрошенную информацию. Радио-полосы распределяются динамическим образом, в зависимости от типа контента - одновременно несколько или даже больше, в зависимости от того, передается ли текстовое сообщение или «живое» видео. Когда пользователь включает устройство, поддерживающее GPRS, обычно оно автоматически ищет канал GPRS в данной местности. Если соответствующий канал найден, устройство будет пытаться соединиться с сетью.

 

Сеть GPRS:

 

Сеть GPRS - наложенная сеть, располагающаяся поверх инфраструктур GSM. Ключевые компоненты сети GPRS включают:

 

• PCU- Блок управления пакетами, дающий возможность станциям GSM пересылать и получать пакеты при GPRS коммуникациях.

• SGSN - Часть инфраструктуры GSM, ответственная за отсылку и получение пакетов от абонентов в своем районе обслуживания. Этот блок также производит авторизацию, контактируя с сервером и проверяя информацию о пользователе. Кроме того, он отслеживает маршрут перемещений абонента, чтобы иметь возможность надлежащим образом распределять ресурсы, а также собирает поступающую биллинговую информацию, пересылая ее в главный офис.

• GGSN - Компонент сети GSM, ответственный за взаимодействие с интернет и другими общественными сетями, передающими данные и голос. Компонент хранит маршрутизирующую базу данных, базу данных с адресами и фильтрующую базу данных.

• GTP - Туннелирующий протокол GPRS, основанный на протоколах TCP/IP, инкапсулирующий пакеты IP и X.25, приходящие из узлов SGSN в GGSN.

 

Когда пользователь GPRS делает звонок, устройство GPRS контактирует со станцией GSM, которая в свою очередь обращается к станции SGSN, которая взаимодействует с другими станциями SGSN или станциями GGSN, если ей нужно получить доступ к сети другого рода (IP или X.25). Для пользователя GPRS соединение получается «бесшовным», нет процедуры «установления звонка». Технология GPRS, накладываемая поверх сети GSM, изначально была предназначена для того, чтобы динамически и индивидуально распределять радио-ресурсы GSM «попакетно», по мере необходимости. Если к соте GSM одновременно подключается сразу много пользователей GPRS, и сота GSM не способна поддерживать такой объем голосового трафика, станция GPRS воспользуется радиоресурсами соседних сот GSM. Таким образом, в реальности пользователи GPRS обслуживаются многими сотами GSM одновременно, когда в этом возникает необходимость. Итак, SGSN получает запрос на соединение, запрашивает информацию о профиле пользователя из узла HLR и производит аутентификацию пользователя. В этой точке может осуществляться шифрование. SGSN использует информацию о профиле (включая имя точки доступа, которое идентифицирует сеть и оператора) для определения, к которому узлу GGSN производить маршрутизацию. Выбранные ворота могут предоставлять сервис удаленной аутентификации пользователя (Remote Authentication Dial-In User Service, RADIUS) и назначать динамический адрес интернет-протокола (IP) пользователю перед настройкой соединений во внешние сети. Этот процесс называется "контекстная активация пакетного профиля данных" и установки могут варьироваться от оператора к оператору. Он может включать дополнительные функции, такие как менеджмент QoS (Quality of Service - качество сервиса) и менеджмент виртуальных частных сетей (virtual private network, VPN). Когда мобильное устройство выключено или находится вне зоны покрытия GPRS, его контекст дезактивируется и устройство отсоединяется от сети.

Когда мобильный пользователь посылает данные, узел SGSN направляет пакеты на соответствующий узел GGSN. GGSN затем направляет данные в соответствии с текущим "контекстом", устанавливаемым для данной сессии. В обратном направлении, пакеты, предназначенные для пользователя, направляются в GGSN, ассоциированный с IP адресом пользователя. Узел GGSN проверяет полученные пакеты в соответствии с текущим контекстом, идентифицирует SGSN, обслуживающий данного пользователя и направляет движение в соответствующем направлении. Узел SGSN затем пересылает пакеты на базовую станцию, где находится пользователь.

 

Преимущества GPRS

 

GPRS обеспечивает более высокие скорости передачи данных, постоянное соединение - "всегда онлайн", устойчивость соединения, широкую поддержку приложений и сильные механизмы безопасности.

 

Увеличение скорости передачи данных

 

GPRS в настоящее время поддерживает средние скорости передачи данных порядка 115 кбит/с, но такие скорости достигаются только при задействовании всех восьми тайм-слотов (промежутков времени) для GPRS. Вместо этого носители и конечные устройства будут конфигурироваться типовым образом, чтобы работать с определенным количеством тайм-слотов для данных, передаваемых в обоих направлениях. Например, устройство GPRS может быть настроено для работы максимум с четырьмя слотами в прямом направлении и двумя слотами в обратном направлении. В хороших радиоусловиях это дает скорости приблизительно в 50 кбит/с в прямом направлении и 20 кбит/с в обратном направлении. Это более чем в три раза быстрее, чем в нынешних сетях GSM (14.4 кбит/с) и того же порядка, что и при хорошем модемном аналоговом соединении в кабельной линии. Совокупная ширина полосы узла сотовой связи делится между голосовым трафиком и трафиком данных. Операторы GPRS по-разному используют эту ширину полосы. Обычно они конфигурируют сети, давая приоритет голосовому трафику; некоторые из них назначают тайм-слоты для трафика данных, чтобы гарантировать минимальный уровень этого сервиса в высокозагруженные голосовым трафиком промежутки времени. Неиспользованная емкость, зарезервированная под голосовой трафик, может быть динамически переопределена под передачу данных. Имея более высокие скорости передачи данных, GPRS дает возможность реализации приложений, требующих более высокой ширины полосы и в настоящее время не осуществимых на сетях GSM.

 

Постоянное соединение

 

Постоянное соединение - "всегда онлайн" - устраняет задержки по времени, характерные для dial-up соединения, связанные с установлением нового соединения с сетью всякий раз, когда требуется отсылать и получать данные. Информация может передаваться конечному пользователю в режиме реального времени. GPRS позволяет провайдерам осуществлять биллинговый учет попакетно, а не поминутно, давая таким образом возможность предоставлять пользователям более эффективные по стоимости сервисы.

 

Устойчивость соединения

 

GPRS улучшила целостность передачи данных путем применения ряда механизмов. Во-первых, пользовательские данные кодируются с некоторой избыточностью, что улучшает их устойчивость к неблагоприятным радиоусловиям. Уровень избыточности при кодировании можно варьировать, в зависимости от тех же радиоусловий. GPRS определяет четыре кодирующие схемы - с CS1 по CS4. Вначале поддерживаются только CS1 и CS2, которые обеспечивают примерно 9 и 13 кбит/с на каждый тайм-слот. Если в полученном фрейме обнаружена ошибка в BSS, этот фрейм до передачи его на центральную сеть GPRS периодически повторяется, пока не будет получен в приемлемом качестве.

 

Широкая поддержка приложений

 

Подобно сети интернет, GPRS основан на пакетной коммутации данных. Это означает, что все собственные IP приложения могут быть реализованы в рамках GPRS - такие как e-mail, Web-доступ, мгновенная передача сообщений и передача файлов. Кроме того, его более высокие скорости передачи данных дают возможность GPRS осуществлять работу приложений, требующих большей ширины полосы (таких как мультимедийный веб-контент), которые не идут в условиях более медленных GSM dial-up соединений. GPRS более-менее хорошо подходит для приложений, основанных на Wireless Application Protocol (WAP). WAP достиг широкого распространения в новом поколении мобильных телефонов, поддерживающих микробраузеры.

 

Безопасность

 

GPRS строится на проверенной на практике модели аутентификации и авторизации, используемой GSM. При инициации сессии пользователя аутентифицируют, используя секретную информацию, содержащуюся на смарт-карте, называемой «модуль идентификации абонента» (Subscriber Identity Module, SIM). Аутентификационные данные посылаются на узел сети HLR и там подтверждаются. GPRS дает возможность дополнительной аутентификации путем использования таких протоколов как RADIUS - перед тем, как абонентам будет разрешен доступ в интернет или корпоративную сеть данных. GPRS поддерживает шифрование пользовательских данных при передаче через беспроводный интерфейс с мобильного терминала на SGSN. Кроме того, может иметь место высокоуровневое сквозное шифрование VPN (Virtual Private Network), когда пользователь подсоединяется к частной корпоративной сети. Итак, если разделить эти преимущества на те, что касаются пользователей и поставщиков услуг, то получаем следующую картину:

 

Для поставщиков услуг:

 

• Новый рынок и возрастание прибыли при переходе к предложению новых мультимедийных и контент-сервисов для клиентов.

• Многие клиенты с большей вероятностью захотят приобрести мобильный телефон с функцией GPRS, нежели покупать новый персональный компьютер, поскольку моделей телефонов на рынке существует гораздо больше, чем ПК.

• GPRS позволяет снизить себестоимость услуг за счет эффективного использования ресурсов.

• Новые возможности использования ширины полосы позволяют разрабатывать более продвинутые приложения, без вынужденного уменьшения качества контента.

 

Для клиентов:

 

• Сервисы QoS становятся доступными в качестве продаваемого продукта. Теперь, когда технология GPRS представила первое приложение с коммутацией пакетов для абонентов мобильной связи, поставщики услуг могут использовать обычные технологии для внедрения сервисных приложений в условиях традиционных IP сетей.

• Скорость гораздо выше, по сравнению с существующими сейчас скоростями GMS, и будет продолжать расти, что является очевидным преимуществом для пользователей. Скорости увеличатся в пять раз, а в некоторых случаях, и более.

• Низкая стоимость (зависящая от объема передаваемых данных);

• Постоянное соединение;

• Приложения, которые могут работать в многозадачном режиме (одновременно и текст, и голос, и видео).

 

Ограничения GPRS

 

Уже совершенно понятно, что GPRS является важным новым сервисом для мобильных устройств, не просто дающим возможность передачи данных, а существенно улучшающим спектральную эффективность, емкость и функциональность, по сравнению с используемыми до сих пор неголосовыми мобильными сервисами. Однако важно отметить, что GPRS имеет и некоторые ограничения, которые описаны ниже:

 

Ограниченная емкость соты

 

GPRS оказывает существенное влияние на существующую емкость соты сети. Объем имеющихся радиоресурсов, которые могут быть использованы для различных целей, ограничен, причем использование ресурсов для одной цели препятствует одновременному их использованию для других. Например, и голосовые вызовы, и GPRS-сессии используют одни и те же сетевые ресурсы. Ощутимость влияния зависит от количества тайм-слотов, зарезервированных для эксклюзивного использования GPRS, если это имеет место быть. Однако в действительности GPRS динамически управляет назначением каналов и позволяет уменьшать нагрузку канала сигнала в пиковое время путем пересылки коротких сообщений по GPRS каналам. Результат: Потребность в SMS как в дополнительном носителе, использующем другой тип радиоресурсов.

 

Реальные скорости гораздо ниже

 

Достижение теоретически максимальной скорости передачи данных через GPRS - 172.2 кбит/с потребовало бы, чтобы отдельный пользователь использовал все восемь тайм-слотов без какой-либо защиты от ошибок. Ясно, что на практике достаточно маловероятно, чтобы оператор сети позволил использовать все тайм-слоты одному пользователю GPRS. Кроме того, «первое поколение» GPRS-терминалов жестко лимитировано на поддержку всего одного, двух или трех тайм-слотов. Поэтому ширина полосы, доступная пользователю GPRS, так же жестко лимитирована. По этой причине теоретические максимальные скорости GPRS не могут быть достигнуты в реальных сетях и на реальных терминалах. Реальность такова, что мобильные сети, вероятно, всегда будут иметь более низкие скорости передачи данных, по сравнению с фиксированными сетями. Результат: Относительно высокие скорости передачи данных через мобильные устройства могут не быть доступными индивидуальным пользователям мобильных сервисов , пока не появились возможности существенного повышения скоростей на сетях GSM Evolution (EDGE) или Universal Mobile Telephone System (3GSM).

 

Неоптимальная модуляция

 

GPRS основан на технологии модуляции, известной как GMSK (Gaussian minimum-shift keying). Сети EDGE основаны на новой модуляционной схеме, допускающей гораздо более высокие скорости передачи данных через воздушный интерфейс - это называют модуляцией 8 PSK (eight-phase-shift keying). Поскольку 8 PSK также будет использоваться в 3GSM, сетевым операторам потребуется учесть этот момент на некоторой стадии перехода к сетям мобильной связи третьего поколения. Результат: Необходимость EDGE.

 

Задержки передачи

 

Пакеты GPRS посылаются по всем направлениям, чтобы в итоге достичь одного и того же пункта назначения. Это создает опасность того, что один или несколько таких пакетов потеряются или будут повреждены во время передачи данных по радиосвязи. Стандарты GPRS учитывают это неотъемлемое свойство беспроводных пакетных технологий, закладывая в свои стратегии задачи сохранения целостности данных и ретрансмиссии. Однако в результате этой подстраховки могут происходить задержки передачи. Вследствие этого приложения, требующие высокого качества передачи видеоизображений, могут выполняться на должном уровне при использовании HSCSD (High Speed Circuit Switched Data, высокоскоростная коммутация каналов данных). HSCSD - это просто коммутация каналов данных, при которой отдельный пользователь может использовать до четырех разных каналов одновременно. Из-за принципа сквозной связи между отправителем и получателем, задержки передачи менее вероятны. Результат: Необходимость HSCSD.

 

Сети 3G: следующий шаг

 

Прямым следствием эволюции услуг GSM/GPRS является создание UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Это следующий этап от GPRS в направлении реальной мобильной сети третьего поколения (3G). Это широкополосная технология, основанная на пакетной передаче при скоростях передачи данных до 2 Мбит/с в помещениях и 348 кбит/с на открытых пространствах. UMTS предложит совместимый (последовательный) набор сервисов клиентам мобильных сетей, вне зависимости от того, где они находятся. UMTS, основанный на коммуникационном стандарте GSM, поддержан всеми ведущими производителями. Эти планы реализовывались в течение 2002 года. Пользователи услуг мобильной связи будут иметь доступ как к беспроводной, так и к спутниковой передаче сигнала. Спектр EMR для UMTS был предварительно распределен на полосы по 1885 - 2025 МГц для будущих систем IMT-2000, и 1980 - 2010 МГц и 2170 - 2200 МГц для спутникового подразделения систем UMTS. Наиболее удобный пока кандидат для перехода к 3G - это WCDMA (Wide Band Code Division Multi Access). Попросту говоря, WCDMA является основой технологии беспроводной передачи, которая использует уникальный пользовательский код для кодирования каналов. Каналы не используют отдельные полосы каналов, но разделяют полосу в 5 МГц, что дает им невероятную ширину полосы. Технология GPRS представляет собой первый значительный шаг по направлению к новой эре связи - в любое время, в любом месте. Следующим шагом после GPRS для мобильной индустрии станет фокусировка непосредственно на построении сетей 3G на основе сетей 2.5G, что позволит в конечном счете обеспечить более высокую емкость и скорости данных, а также поддерживать новые мультимедийные сервисы. Ключевые технологии 3G включают:

 

Повышенные скорости передачи данных для систем GPRS Evolution (EDGE) - Повышение скоростей передачи данных для сети GPRS примерно до 384 кбит/с на канал.

 

Широкополосный CDMA (WCDMA) - Использует радиоканал CDMA 5 МГц для поддержки теоретических скоростей передачи данных до 2 Мбит/с. WCDMA, как ожидается, станет доминирующим стандартом при переходе к сетям 3G и будет развертываться по всему миру в соединении с сетями GSM/GPRS.

 

Cdma2000 - Поддерживает более высокие скорости передачи данных 3G, представлена версия под названием 1xEV, которая дает возможность достижения скоростей в 2.4 Мбит/с и которая, вероятно, будет внедряться в США и ряде стран Азии. Широкомасштабное внедрение этих сетей, как ожидается, будет происходить в течение нескольких будущих лет. Итак, технология GPRS принесла мобильной индустрии много пользы, сделав доступ в интернет с мобильных устройств более удобным, благодаря высокой скорости передачи данных и тому, что устройства GPRS обеспечивают функции, подобные тем, что обеспечивают персональные компьютеры. Это облегчает поставщикам услуг внедрение этих сервисов и расширяет услуги доступа в интернет с мобильных устройств, оборудованных GPRS модулем, и облегчает интеграцию с более старыми мобильными сотовыми технологиями. GPRS - явно не 3G протокол, но эта технология сама по себе является важной вехой и очередным эволюционным этапом в направлении к 3G. Примерно в то же время, когда станут доступными первые устройства 3G, будет происходить эволюция не только в технологии, но также в представлении людей о технологиях. В самом ближайшем будущем мобильные устройства станут гораздо более полезными для людей и будут существенно улучшать каждый день нашей жизни. Многие мрачно пророчат, что технология покорит нас, но как показывает реальность, на самом деле до сих пор технология освобождала нас.