2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА GPRS

2.1. GPRS — новая технология поколения 2+

Сети GSM позволяют передавать не только речь, но и данные (рис. 2.1). Для передачи абонентских данных могут быть использованы как каналы трафика, так и сигнализации. В последнем случае речь идет об услуге передачи коротких сообщений (Shot Message Service - SMS). Длина короткого сообщения не может превышать 180 буквенно-цифровых символов.

Передачу данных по каналам трафика в классических сетях GSM производят с использованием технологии коммутации каналов. Скорость передачи данных составляет 9,6 или 14,4 кбит/с. Ее можно увеличить, используя технологию HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) - высокоскоростную передачу данных по коммутируемым каналам. Одному абоненту выделяют на одной частоте одновременно несколько TS. При этом скорость передачи возрастает в несколько раз; до 56,7 кбит/с при выделении 4 TS и до 115,2 кбит/с при выделении 8 TS. Достоинством HSCSD являются высокая постоянная скорость передачи данных и малая задержка, что гарантирует передачу информации в реальном времени.

Рис. 2.1. Организация передачи данных в классической сети GSM

И в обычном режиме, и при использовании HSCSD на время всего сеанса связи между мобильной станцией и другим абонентом организуют дуплексный канал. Он находится в исключительном пользовании данной пары абонентов в течение всего сеанса связи, независимо от реальной загруженности канала.

Однако работа в сети Интернет, передача факсимильных сообщений, электронная почта и другие приложения характеризуются асимметричным трафиком и неравномерной передачей пакетов информации. Поэтому передача данных на основе технологии коммутации каналов может оказаться крайне неэффективной с точки зрения использования ресурсов. Неэффективное использование ресурсов, в свою очередь, приводит к высокой стоимости сеанса связи.

Из сказанного не следует, что технология коммутации каналов лишена достоинств и не будет использоваться в будущем. Главная положительная черта технологии коммутации каналов - малое время задержки передаваемой информации. Основная сфера использования этой технологии - передача телефонных сообщений. Для передачи данных коммутация каналов найдет применение при необходимости передачи однородного симметричного трафика с малой задержкой. Примером может служить передача данных в процессе видеоконференций.
Для повышения эффективности передачи данных в сетях GSM Европейским институтом стандартов в области телекоммуникаций (ETSI) была проведена принципиальная модернизация стандарта GSM,позволившая организовать новую базовую услугу передачи данных в пакетном режиме -GPRS. В общей классификации услуг GSM GPRS имеет обозначение BS70.

Основными документами, определяющими построение сетей GSM с поддержкой GPRS (GSM/GPRS), являются спецификации GSM. Базовый документ - спецификация GSM 03.60 [6]. Реализация GPRS интерфейсов и другие вопросы рассмотрены в спецификациях 02.60, 03.64, 04.60, 04.64, 04.65, 07.60, 08.14, 08.16, 08.18, 09.16, 09.18, 09.60, 09.61, 01.61, 12.15 [7 ~ 21]. Важная информация, относящаяся к GPRS, содержится в других спецификациях GSM, в частности в [22 - 27].

В сетях с коммутацией пакетов передаваемую информацию разбивают на отдельные пакеты, которые доставляют от отправителя к получателю. При обнаружении ошибок неверно принятые пакеты могут быть переданы еще раз. На приемной стороне из полученных пакетов конструируют исходное сообщение. Принципиальное отличие передачи данных в сетях с коммутацией пакетов от передачи данных в сетях с коммутацией каналов заключается в том, что необходимый канальный ресурс выделяется лишь на время передачи соответствующих информационных пакетов. Остальное время он находится в распоряжении сети. Это позволяет в сетях GSM/GPRS один физический канал использовать для передачи пакетов нескольких абонентов, а для передачи пакетов одного абонента выделять одновременно несколько физических каналов. Пакеты в различных направлениях передают независимо.

Для реализация услуги GPRS действующая сеть GSM должна быть подвергнута существенной модернизации: развернуты принципиально новые узлы, модернизировано действующее оборудование, модернизировано программное обеспечение действующих узлов. Эти изменения очень существенны. Фактически параллельно действующей сети будет сознана новая сеть, тесно связанная со старой и использующая общие ресурсы.

Структура GSM/GPRS сети показана на рис. 2.2. Более подробно взаимосвязь элементов сети GPRS иллюстрирует рис.2.3, где приведены принятые обозначения интерфейсов.

Подсистема GPRS представляет структуру ''параллельную" подсистеме коммутации классической GSM. Роль MSC/VLR в пакетной сети подвижной связи выполняет SGSN - Serving GPRS Support Node (обслуживающий узел GPRS). Шлюзы с пакетными сетями передачи данных строят в виде GGSN -Gateway GPRS Support Node (шлюзовых узлов GPRS). При сетевом подходе к организации обмена информацией структура GPRS (SGSN, GGSN и другие элементы) является подсетью внешних пакетных сетей, где GGSN выполняют роль маршрутизаторов. Со стороны SGSN подсеть GPRS связана с подсистемой базовых станций.

Рис. 2.2 Структура сети GSM, поддерживающей GPRS

Абонент и соответственно MS в GPRS выступают как пользователи внешней сети передачи данных. В этой сети абоненту присваивают статический (постоянный) или динамический (временный) адрес, по которому идет обмен информационными пакетами. MS содержит дополнительное программное обеспечение для подключения к мобильной сети и обслуживания в ней.

GPRS характеризует эффективное использование канального ресурса. Один и тот же физический канал в направлении BTS=>MS предоставляют группе абонентов и пакеты передают по мере их поступления в зависимости от объема информации и приоритета абонентов. Каждый пакет содержит идентификатор или адрес, который используют при его доставке. Абонент постоянно подключен к пакетной сети, где ему предоставлен виртуальный канал, который становится реальным (физическим) радиоканалом на время передачи пакета. В остальное время этот физический канал используют для передачи пакетов других пользователей.

Так как один и тот же канальный ресурс используют несколько абонентов, а во время сеанса связи могут одновременно поступать пакеты разных пользователей, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, что вызовет задержку в связи. Допустимая величина задержки - одна из характеристик, определяющих качество обслуживания абонента.

Для GPRS характерно гибкое управление предоставляемыми услугами. Абоненты могут получать различное качество услуг (Quality of Service - QoS) с соответствующей градацией оплаты. QoS отражает:

1. приоритет абонента;
2. надежность передачи информации;
3. допустимые задержки;
4. пиковую и среднюю пропускную способность канала.

Можно отметить следующие преимущества GPRS, позволяющие считать, что в ближайшее время именно этот метод передачи данных будет использоваться очень широко:

1. Значительно большая эффективность использования канального ресурса при передаче асимметричного неоднородного трафика в виде относительно коротких пакетов. Выигрыш в эффективности использования ресурса при GPRS зависит от того, какая часть времени сеанса связи фактически использована для передачи информации. Чем меньше доля активной работы, тем выше выигрыш от использования GPRS.
2. GPRS позволяет организовать передачу данных в широком диапазоне скоростей. При выделении одного физического канала (одного TS) данные можно передавать со скоростью 9,05, 13,4, 15,6, 21,4 кбит/с. Аналогично HSCSD можно использовать до восьми TS. В этом случае теоретический предел скорости составляет 171,2 кбит/с. При использовании нового метода модуляции (технология EDGE) теоретическое верхнее значение скорости передачи возрастает еще приблизительно в 3 раза. Таким образом, реализуемые GPRS скорости передачи данных приближаются к требованиям, предъявляемым к сетям подвижной связи 3-го поколения.
3. GPRS использует новый метод учета стоимости, основанный на объеме переданной информации. Предполагается, что при переходе к GPRS средняя стоимость передачи данных в сетях GPRS снизится в несколько раз.
4. Абонент сети GSM/GPRS получает непосредственный доступ к сетям пакетной передачи данных (IP, X.25), минуя сети PSTN/ISDN. Это, в частности, позволяет снизить время доступа до 0,5 - 1 с.
5. При GPRS снимаются ограничения на длину SMS-сообщения, которое в классических сетях GSM ограничено 160 символами.
6. Базовая структура сети GSM после установления оборудования и программного обеспечения, поддерживающих GPRS, представляет основу для развертывания в будущем (2002 - 2005) сетей подвижной связи 3-го поколения стандарта UMTS. Сети UMTS будут развиваться на основе действующих сетей GSM/GPRS и операторам, вложившим средства вмодернизацию ныне действующих сетей GSM, обеспечены доходы в течение длительного срока эксплуатации.

Функции основных элементов подсети

SGSN относится к тому же иерархическому уровню, что и MSC/VLR классической сети. Он:

1. маршрутизирует (коммутирует) потоки пакетов данных между MS и GGSN (пакетными сетями);
2. преобразует протоколы передачи информации по магистрали Интернет в протоколы, используемые в BSS;
3. обеспечивает аутентификацию абонентов, шифрацию сообщений, закрытие абонентов временными номерами при работе в пакетной сети (P-TMSI);
4. ведет базу данных обслуживаемых пакетной сетью абонентов, обеспечивая их локализацию (процедуры Mobility Management) и требуемый QoS;
5. обеспечивает взаимодействие с MSC/VLR и HLR сети подвижной связи с коммутируемыми каналами;
6. предоставляет информацию об оказанных услугах для биллинга абонентов.

SGSN поддерживает обмен информацией на интерфейсах к GGSN (Gn интерфейс), BSS (Gb интерфейс), другим PLMN(Gp интерфейс), а также интерфейсов к HLR, MSC/VLR, EIR, (Gr, Gs, Gf интерфейсы).
GGSN по своим задачам близок к GMSC. Он:

1. маршрутизирует пакеты в направлении МSóвнешняя пакетная сеть;
2. осуществляет межсетевое взаимодействие сети GSM и сетей пакетной передачи данных, поддерживающих протоколы IP и Х.25, через Gi интерфейс;
3. назначает динамические адреса абоненту (совместно с другими элементами сети);
4. предоставляет информацию для биллинга.

Обмен информацией между SGSN и GGSN происходит на основе IР протоколов по Gn интерфейсу. С GGSN связан сервер имен доменов DNS (Domain Name System), обеспечивающий замену символических адресов пакетных сетей (Интернет, Интранет) на соответствующие им числовые адреса (см. далее п. 2.2).

Рис. 2.3. Логическая структура сети GSM/GPRS

При создании сети GPRS усложняются функции BSC и BTS. BSC содержит дополнительный блок PCU (Packet Control Unit), а в состав BTS входит новое кодирующее устройство CCU (Channel Codec Unit).

BSC:

1. предоставляет каналы абонентам пакетной сети в соответствии с требуемым QoS;
2. обеспечивает фрагментацию и сборку кадров для их передачи по радиоканалам;
3. обеспечивает контроль качества передачи по радиоканалам.

HLR содержит дополнительные данные об абонентах, которым предо­ставляют услуги GPRS (базисный PDP - Packet Data Protocol контекст).

Для того чтобы абонент мог воспользоваться услугами GPRS, необходимо специальное программное обеспечение в мобильной станции MS. В ряде случаев к MS может быть присоединен внешний терминал, как показано на рис. 2.2, где MS представлена в виде мобильного терминала (Mobile Terminal - МТ) и терминального оборудования (Terminal Equipment - ТЕ).

Спецификации GSM предусматривают возможность использования 3 классов MS в зависимости от их способности поддерживать GPRS и другие услуги GSM:

- MS класса А способна одновременно и независимо поддерживать GPRS и другие GSM услуги;
- MS класса В также способна поддерживать как GPRS, так и другие GSM услуги, но не одновременно;
- MS класса С способна поддерживать только GPRS, услуги с коммутацией каналов не поддерживает.

Можно предположить, что в будущем большинство MS будут относиться к классу А или В.

GPRS может быть использована для более эффективной доставки коротких сообщений (SMS). С этой целью организуют Gd интерфейс между SGSN и шлюзовым MSC, выполняющим функции межсетевого взаимодействия сети GSM и сервис-центра коротких сообщений (Short Message Service Center SM-SC) при передаче входящих (SMS-GMSC) и исходящих (SMS-IWMSC) сообщений.

Учетные записи для начисления платы абонентам за использованные услуги генерируют SGSN и GGSN и передают их в шлюз сбора учетных записей (Charging Gateway Functionality - CGF). CGP собирает информацию и отправляет ее в биллинговуе систему (Billing System).

Таким образом, для поддержания услуги GPRS необходима реализация новых интерфейсов, которые отсутствуют в классической GSM:

Ga — между SGSN и GGSN с одной стороны и шлюзом CGF с другой;
Gb — между SGSN и BSS;
Gc — между GGSN и HLR;
Gd — между SMS-GMSC / SMS-IWMSC и SGSN;
Gf — между SGSN и EIR;
Gi — интерфейс между GPRS и внешними сетями пакетной передачи данных;
Gn — между двумя GSN одной сети;
Gp — между двумя GSN различных сетей. Gp-интерфейс обеспечивает поддержку GPRS при перемещении MS из одной сети в другую. Gp интерфейс функционирует подобно интерфейсу Gn. Однако на него дополнительно возложены функции поддержания процедур безопасности при межсетевом взаимодействии в соответствии с соглашением о роуминге;
Gs — между SGSN и MSC/VLR; этот интерфейс используют, если MS поддерживает как GPRS, так и услуги на основе коммутации каналов (например, SGSN может получить запрос на пейджинг MS с поддержкой GPRS от MSC/VLR при поступлении входящего телефонного вызова).

Интерфейсы Gi, Gn, Gp, Gb, Gdпредназначены для передачи как сигнализации, так и абонентских данных. Интерфейсы Ga, Gf, Gc, Gs, Gr служат для передачи исключительно сигнальной информации. Абонентские данные через эти интерфейсы не передают. Для передачи сигнальной информации GPRS используют также интерфейсы А, С, Е, D классической сети GSM.

Обслуживание абонентов в сети GPRS требует ввода новых дополнительных процедур. При подключении абонента к сети GPRS происходит его регистрация вSGSN, активизация программного обеспечения GPRS в MS и в базах данных по обслуживанию абонента в SGSN и GGSN (активизация PDP). При этом абонент либо получает временный адрес в соответствующей пакетной сети, либо активизируют его постоянный адрес. В процессе сеанса связи MS может находиться в разных состояниях. В состоянии READY ей выделен канальный ресурс; в состоянии STANDBY станция находится в режиме ожидания вызова.

При движении абонента в состоянии STANDBY происходит процедура Routing Area Updating, аналогичная процедуре Location Updating в обычной GSM. Когда MS находится в состоянии READY, то при ее перемещении из соты в соту происходит переключение каналов для приема и передачи следующих пакетов, т.е. процедура аналогичная по назначению хэндоверу в обычной сети.