На шляху від 2G до 3G: система GPRS
Що таке GPRS.
Одним із суттєвих недоліків мереж стільникового зв'язку стандарту GSM на сьогоднішній день є низька швидкість передачі даних (максимум 9.6 кбіт / с). Та й сама організація цього процесу далека від досконалості - для передачі даних абоненту виділяється один голосовий канал, а білінг здійснюється виходячи з часу з'єднання (причому за тарифами, мало відрізняється від мовних).
Для високошвидкісної передачі даних за допомогою існуючих GSM-мереж і була розроблена GPRS (General Packet Radio Service - послуга пакетної передачі даних по радіоканалу). Необхідно відзначити, що крім підвищення швидкості (максимум становить 171,2 кбіт / с, але про це трохи нижче), нова система передбачає іншу схему оплати послуги передачі даних - при використанні GPRS розрахунки будуть проводитися пропорційно обсягу переданої інформації, а не часу, проведеного online. До того ж, введення GPRS сприятиме більш ощадливого і раціонального розподілу радіочастотного ресурсу: особливо не вдаючись в технічні тонкощі можна сказати, що "пакети" даних передбачається передавати одночасно по багатьох каналах (саме в одночасному використанні декількох каналів і полягає виграш в швидкості) в паузах між передачею мови. І тільки в паузах - голосовий трафік має безумовний пріоритет перед даними, так що швидкість передачі інформації визначається не тільки можливостями мережевого та абонентського обладнання, але і завантаженням мережі. Підкреслю, що в GPRS жоден канал не займається під передачу даних цілком - і це основне якісну відмінність нової технології від використовуваних нині. Ви тільки уявіть - можна постійно мати на своєму ноутбуці зелену ромашку ICQ, не навантажуючи цим мережу, і платити пропорційно обсягу отриманих і відправлених повідомлень
Зрозуміло, розробники GPRS доклали всіх зусиль для того, щоб установка нової системи "поверх" існуючих GSM-мереж виявилася якомога менше обтяжливою (і руйнівної, що важливо) для операторів. Давайте розглянемо докладніше, які нові блоки і зв'язку з'являються в загальній архітектурі системи стільникового зв'язку стандарту GSM з впровадженням GPRS, а потім обговоримо користувача устаткування, здатне працювати з високошвидкісної пакетної передачі даних.
GPRS зсередини.
Доопрацювання GSM-мережі для надання послуг високошвидкісної передачі даних GPRS можна умовно розділити на дві форми - програмну і апаратну. Якщо говорити про програмне забезпечення, то воно потребує заміни або оновленні практично всюди - починаючи з реєстрів HLR-VLR і закінчуючи базовими станціями BTS (розшифровку згаданих абревіатур і пояснення основних принципів роботи GSM-мережі можна знайти тут ). Зокрема, вводиться режим багатокористувацького доступу до тимчасових кадрам каналів GSM, а в HLR, наприклад, з'являється новий параметр Mobile Station Multislot Capability (кількість каналів, з якими одночасно може працювати мобільний телефон абонента, але про це нижче).
Ядро системи GPRS (GPRS Core Network) складається (рис.1) з двох основних блоків - SGSN (Serving GPRS Support Node - вузол підтримки GPRS) і GGPRS (Gateway GPRS Support Node - шлюзовий вузол GPRS). Зупинимося на їх функціях більш докладно.
SGSN є, грубо кажучи, мозком розглянутої системи. У деякому роді SGSN можна назвати аналогом MSC - комутатора мережі GSM. SGSN контролює доставку пакетів даних користувачам, взаємодіє з реєстром власних абонентів мережі HLR, перевіряючи, чи дозволені запитувані користувачами послуги, веде моніторинг знаходяться online користувачів, організовує реєстрацію абонентів знову "проявилися" в зоні дії мережі і т.п. Так само як і MSC, SGSN, в системі може бути і не один - в цьому випадку кожен вузол відповідає за свою ділянку мережі. Наприклад, SGSN виробництва компанії Motorola має наступні характеристики: кожен вузол підтримує передачу до 2000 пакетів в секунду, одночасно контролює до 10000 знаходяться online користувачів. Всього ж в системі може бути до 18 SGSN Motorola.
Призначення GGSN можна зрозуміти з його назви - грубо кажучи, це шлюз між мережею (вірніше, її частиною для передачі даних GPRS) і зовнішніми інформаційними магістралями (Internet, корпоративними інтранет-мережами, іншими GPRS системами і так далі). Основним завданням GGSN, таким чином, є роутинг (маршрутизація) даних, що йдуть від і до абонента через SGSN. Вторинними функціями GGSN є адресація даних, динамічна видача IP-адрес, а також відстеження інформації про зовнішні мережах і власних абонентів (в тому числі тарифікація послуг).
Зауважу, що в GPRS-систему закладена хороша масштабованість - при появі нових абонентів оператор може збільшувати число SGSN, а при ескалації сумарного трафіку - додавати в систему нові GGSN. Всередині ядра GPRS-системи (між SGSN і GGSN) дані передаються за допомогою спеціального тунельного протоколу GTP (GPRS Tunneling Protocol).
Ще однією складовою частиною системи GPRS є PCU (Packet Control Unit - пристрій контролю пакетної передачі). PCU стикується з контролером базових станцій BSC і відповідає за напрямок трафіку даних безпосередньо від BSC до SGSN.
У перспективі (при орієнтації системи на мобільний Інтернет) можливе додавання спеціального вузла - IGSN (Internet GPRS Support Node - вузол підтримки Інтернет).
За керування і контроль GPRS-системи відповідає OMC-R / G (Operation and Maintenance Center - Radio / GSN - центр управління та обслуговування радіо / вузла GPRS: на рис.1 не показаний). Це, так би мовити, інтерфейс між системою і обслуговуючим її персоналом.
Перш ніж приступити до роботи з GPRS, мобільна станція, так само як і в звичайному випадку передачі голосу, повинна зареєструватися в системі. Як вже було сказано, реєстрацією (а, точніше, "прикріпленням" (attachment) до мережі) користувачів займається SGSN. У разі успішного проходження всіх процедур (перевірки доступності запитуваної послуги і копіювання необхідних даних про користувача з HLR в SGSN) абоненту видається P-TMSI (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity - тимчасовий номер мобільного абонента для пакетної передачі даних), аналогічний TMSI, який призначається мобільному телефону для передачі голосу (до речі, якщо абонентський термінал відноситься до класу А (див. нижче), то йому при реєстрації виділяється як TMSI, так і P-TMSI).
Для швидкої маршрутизації інформації до мобільного абонента GPRS-система потребує даних про його місцезнаходження щодо мережі, причому з більшою точністю, ніж в разі передачі голосового трафіку (нагадаю, HLR і VLR зберігають номер Location Area (LA), в якій знаходиться абонент: детальніше про це можна прочитати тут ). Але уявіть собі, як зросте службовий трафік в мережі і витрата енергії мобільним апаратом, якщо телефон буде інформувати систему кожен раз при переході від однієї стільники до іншої! Щоб знайти розумний компроміс між обсягом сигнального трафіку в мережі GPRS і необхідністю знати з високою точністю місцезнаходження абонента прийнятий розподіл терміналів на три класи:
- IDLE (непрацюючий). Телефон відключений або знаходиться поза зоною дії мережі. Очевидно, що система не відслідковує переміщення подібних абонентів.
- STANDBY (режим очікування). Апарат зареєстрований (прикріплений) в GPRS-системі, але вже довгий час (визначається спеціальним таймером) не працює з передачею даних. Місцезнаходження STANDBY-абонентів відомо з точністю до RA (Routing Area - область маршрутизації). RA дрібніше, ніж LA (кожна LA розбивається на кілька RA, але, тим не менш, RA крупніше, ніж сота, і складається з декількох елементарних осередків).
- READY (готовність). Абонентський термінал зареєстрований в системі і знаходиться в активній роботі. Координати телефонів, що знаходяться в режимі READY, відомі системі (а, точніше, SGSN) з точністю до стільники.
Відповідно до цієї ідеології, термінали, що знаходяться в STANDBY-режимі, при переході з одного RA в інший посилають SGSN спеціальний сигнал про зміну області маршрутизації (routing area update request). Якщо нова і стара RA контролюється одним SGSN, то зміна RA призводить лише до коректування записи в SGSN. Якщо ж абонент переходить в зону дії нового SGSN, то новий SGSN запитує в старого інформацію про користувача, а MSC, VLR, HLR і залучені в роботу GGSN ставляться до відома про зміну SGSN. Коли телефон, що працює з GPRS-системою, переміщується в іншу LA, то SGSN відправляє відповідному VLR повідомлення про необхідність зміни запису про місцезнаходження абонента.
Цікаво йдуть справи з маршрутизацією даних в разі роумінгу GPRS-абонента. При цьому можливі два варіанти, або, правильніше сказати, сценарію. SGSN в обох випадках використовується гостьовий (VSGSN - Visited SGSN), а ось GGSN може використовуватися або гостьовий (VGGSN - Visited GGSN), або домашній (HGGSN - Home GGSN). В останньому випадку між домашнім і гостьовим операторами повинна існувати GPRS-магістраль (InterPLMN GPRS BackBone - GPRS-лінія між різними мобільними мережами) для передачі трафіку між HGGSN і мобільним абонентом. Крім того, з'являється необхідність в BG (Border Gateway - граничний шлюз) з обох сторін з метою забезпечення захисту мереж від атак ззовні.
Слід відзначити такий важливий параметр, як QoS (Quality of Service - якість сервісу). Очевидно, що відеоконференція в режимі реального часу та надіслати повідомлення електронної пошти висувають різні вимоги, наприклад, до затримок на шляху пакетів даних. Тому в GPRS існує кілька класів QoS, що підрозділяються за такими ознаками:
- необхідного пріоритету (існує високий, середній і низький пріоритет даних);
- надійності (поділ на три класи за кількістю можливих помилок різного роду, втрачених пакетів і т.п.);
- затримок (затримки інформації поза GPRS-мережі в розрахунок не приймаються);
- кількісним характеристикам (пікове і середнє значення швидкості);
Клас QoS вибирається індивідуально для кожної нової сесії передачі даних.
Крім QoS, в характеристику сесії передачі даних входить тип протоколу (PDP type - Packet Data Protocol type); PDP-адреса, виданий мобільної станції (видача адрес буває як статичної, так і динамічної); а також адреса GGSN, з яким йде робота. "Профіль" сесії (в англомовній літературі прийнято позначення "PDP context") записується в телефон, а також в обслуговуючі його SGSN і GGSN. Одночасно можливі кілька профілів передачі даних для кожного користувача.
Взагалі кажучи, пакетна передача даних передбачає два режими "з'єднань":
- PTP (Point-To-Point - точка-точка);
- PTM (Point-To-Multipoint - точка-три крапки).
- Широкомовний режим РТМ в свою чергу підрозділяється на два класи:
- PTM-M (PTM-Multicast) - передача необхідної інформації всім користувачам, які перебувають в певній географічній зоні;
- PTM-G (PTM-Group Call) - дані направляються певної групи користувачів.
Підтримка режиму "многоточечной" передачі інформації PTM очікується в майбутніх специфікаціях GPRS.
GPRS зовні - абонентські пристрої.
Поговоримо тепер про клієнтському обладнанні GPRS. На жаль чи на щастя, але для роботи з системою пакетної передачі даних необхідно мати спеціальний телефон, сумісний з GPRS. Говорячи більш строго, GPRS-термінали підрозділяються на три класи:
- пристрою класу А здатні одночасно працювати як з передачею голосу, так і з передачею даних (вони, говорячи технічною мовою, мають можливість функціонувати як в режимі комутації каналів (circuit switched), так і в режимі комутації пакетів (packet switched). Підкреслю - мова йде про одночасну роботу в різних режимах);
- пристрою класу В можуть здійснювати або передачу голосу, або передачу даних, але не одночасно;
- пристрою класу С підтримують тільки передачу даних і не можуть бути використані для голосового зв'язку. Як правило, це різного роду комп'ютерні плати для забезпечення бездротового доступу до даних.
Слід зауважити, що максимальна швидкість передачі даних визначається, в першу чергу, кількістю каналів, з якими одночасно може працювати абонентський термінал. Один канал забезпечує передачу даних зі швидкістю до 13.4 кбіт / с.
Французька фірма SAGEM стала одним з перших виробників, що представили GPRS-сумісні телефони. Модель Sagem MC-850 , Презентація якої пройшла на Женевській виставці TELECOM-99, відноситься до класу В і має один канал для передачі даних і три - для прийому, а трохи більш сучасний Sagem MW-959 , Винесений на суд громадськості на CEBIT-2000, включає в себе вже чотири канали для вхідного трафіку (на передачу залишився як і раніше один канал, також не змінився клас пристрою). Таким чином, максимальна швидкість прийому даних за допомогою телефону Sagem MW-959 складає 53.6 кбіт / с, а передачі - 13.4 кбіт / с.
Висновок.
У цьому 2001 році очікується лавиноподібне, якщо так можна висловитися, впровадження GPRS по всьому світу. На момент підготовки цього матеріалу система пакетної передачі даних була введена в комерційну експлуатацію лише в кількох мережах (наприклад, англійської BT Cellnet, німецької T-D1, турецької TelSim), однак впровадження та випробування нової системи проводять практично всі оператори GSM. Не стали винятком і учасники московського стільникового ринку - Білайн нарощує свою мережу за допомогою компанії Nokia (в Сокольниках організована дослідна GPRS-зона під керуванням одного контролера BSC), а МТС будує GPRS разом з американським гігантом Motorola. До речі, Motorola є єдиним виробником, що пропонує все необхідне для GPRS обладнання, починаючи з абонентських терміналів (за попередньою інформацією, першим GPRS-телефоном Motorola стане модель Timeport P7389i) і кінчаючи мережевими пристроями. За планом, дослідно-комерційна експлуатація системи пакетної передачі даних в мережі МТС повинна була початися в грудні 2000 року, але 15 грудня сталася невеликий конфуз - як заявила сама компанія: "у зв'язку з запуском в дослідну експлуатацію мережі GPRS на кількох контролерів МТС <... > 15 грудня 2000 року в 16.25 стався збій програмного забезпечення на контролерах, які перебувають на ділянці дослідної мережі GPRS. в результаті, в цей час виникло обмеження доступу до мережі у частині абонентів МТС "(повний текст прес-релізу, присвяченого збою, можна знайти тут ). Будемо сподіватися, що трапилася неприємність не змінить планів Мобільних Телесистем по введенню в дію нової системи.
Наступним кроком від GSM до мереж третього покоління UMTS (Universal Mobile Telephone System) є технологія EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution - у вільному перекладі "передача даних на підвищеній швидкості"), що дозволяє здійснювати перекачування інформації на швидкостях до 384 кбіт / с в восьми GSM-каналах (48Кбит / с на канал). Для впровадження EDGE "поверх GPRS" операторам необхідно буде замінити апаратуру базових станцій BTS, а користувачам - придбати підтримують EDGE телефонні апарати. Хоча на даний момент мені особисто важко уявити, що повинен робити абонент мережі GSM, щоб йому не вистачило швидкості в 170 кбіт / с, пропонованої GPRS. Але в наш час бурхливо розвиваються цифрових технологій прогнози - справа невдячна ...
