Пакетный радиосервис

GPRS как промежуточный этап на пути к сотовым сетям третьего поколения.

С помощью сотового телефона благодаря роумингу пользователь может связаться со своим офисом, где бы он ни находился, но при этом он хотел бы также иметь доступ в Internet, получать электронную почту, загружать файлы, отправлять факсы и т. д. В принципе, уже сегодня все это можно делать при наличии портативного компьютера и обычного сотового телефона GSM с поддержкой услуг Фазы II, однако возможности для этого ограничены, прежде всего, вследствие малых поддерживаемых скоростей передачи данных.

Потребности в новых услугах и необходимых для этого более высоких скоростях и определяют направление развития стандартов сотовой связи. Не имея за плечами такого груза наследства, как традиционные телефонные сети, операторы сотовой связи имеют возможность более оперативно реализовывать передовые идеи и технологии. Одной из таких технологий является общий пакетный радиосервис (General Packet Radio Service, GPRS). Этот сервис позволяет увеличить скорость передачи данных в сетях GSM с 9,6 до (теоретически) 114 Кбит/с. Однако помимо более высокой скорости он имеет и другие преимущества, на которых мы остановимся подробнее чуть ниже.

Помимо GPRS для преодоления некоторых из ограничений GSM Фазы II предлагаются и другие подходы. Так, например, «прямой IP-доступ» позволяет избежать необходимости для доступа в Internet звонить провайдеру услуг Internet. В этом случае при передаче данных звонок переводится на маршрутизатор оператора, т. е., по сути, оператор выступает в качестве провайдера Internet. Высокоскоростная передача данных c коммутацией каналов (High-Speed Circuit-Switched Data, HSCSD) позволяет увеличить скорость передачи данных до 38,4 Кбит/с за счет объединения нескольких каналов в один. Обе названные технологии проще в реализации, чем GPRS, однако они не обеспечивают тех возможностей, что и GPRS, даже когда они применяются совместно. Таким образом, GPRS является следующим шагом эволюционного развития GSM.

ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ GPRS

Работа над GPRS началась еще в 1994 г. Он разрабатывался как дополнение к существующим сервисам GSM, таким, как SMS. Как видно из названия, GPRS — это пакетный сервис. Использование пакетов позволяет более эффективно задействовать доступную пропускную способность в случае нерегулярного трафика при передаче данных и разделять ее между несколькими абонентами.

В случае GPRS соединение может оставаться открытым неограниченно долго, т. е. абонент имеет постоянное соединение, и, один раз зарегистрировавшись, ему больше не надо терять время на установление соединения каждый раз, когда требуется передать файлы, получить электронную почту и т. д. При этом абонент занимает эфир, только когда он действительно передает информацию, а не все время, как в случае телефонного сервиса с коммутацией каналов. Это позволяет нескольким абонентам совместно использовать канал и дает возможность ввести новую систему оплаты — не за время соединения, а за переданный объем информации. Немаловажно, что при открытом соединении GPRS абонент сохраняет возможность принимать и совершать обычные телефонные звонки.

Более высокая скорость передачи данных: типичная — 56 Кбит/с, максимальная, как уже говорилось, — свыше 100 Кбит/с, — достигается за счет возможности использования нескольких соседних временных каналов в одном частотном канале, при этом емкость каждого временного канала повышается с 9,6 до 14,4 Кбит/с. С учетом того, что каждый частотный канал содержит восемь временных каналов, общая теоретическая пропускная способность GPRS достигает 114 Кбит/с.

Высокие скорости GPRS исключают необходимость в промежуточном обеспечении для адаптации медленных радиоканалов к сетям с более высокими скоростями. Кроме того, GPRS позволяет иметь соединение IP на всем протяжении до мобильного ПК (кроме ПК в качестве терминалов могут использоваться интеллектуальные телефоны с полноэкранными возможностями, специальное оборудование с интегрированной поддержкой GPRS, наподобие мобильных считывателей смарт-карт, карманные устройства типа PDA с GPRS-совместимыми модемами в формате PC Card и т. п.).

GPRS предусматривает непосредственную поддержку IP и X.25. Это означает, что традиционные приложения IP и X.25 могут теперь работать по сетям сотовой связи, т. е. сотовую сеть с сервисом GPRS становится возможным рассматривать как беспроводное продолжение пакетных сетей IP или X.25.

АРХИТЕКТУРА GPRS

GPRS разрабатывался так, чтобы в инфраструктуру GSM не требовалось вносить значительных изменений. Однако внедрение GPRS требует тем не менее введения множества дополнительных компонентов, главными из которых являются SGSN и GGSN. Впрочем, все они реализуются как дополнение к имеющейся инфраструктуре, при этом существующие элементы остаются в основном без изменения, в частности в базу данных о пользователях — домашний реестр абонентов (Home Location Register, HLR) — необходимо внести дополнительные сведения о подписчиках GPRS. Кроме того, для поддержки GPRS мобильные станции, т. е. сотовые телефоны, должны поддерживать соответствующую возможность. Общая архитектура сети GSM с поддержкой GPRS представлена на Рисунке 1. Что касается базовой станции, то для поддержки GPRS на BTS никаких изменений в аппаратной части не требуется.

Обслуживающий исполнительный узел GPRS (Serving GPRS Support Node, SGSN) отвечает за доставку и прием пакетов от сотовых телефонов, отслеживание их местонахождения в обслуживаемой им области и взаимодействие с исполнительным узлом шлюза GPRS (Gateway GPRS Support Node, GGSN). Последний выполняет функции шлюза во внешние пакетные сети передачи данных, такие, как Internet, частные сети IP, X.25, и хранит информацию о маршрутизации, т. е. сведения о том, на какой SGSN следует переслать пакеты для их доставки мобильному абоненту.

При получении звонка с GPRS-совместимого телефона базовая станция GSM определяет природу звонка, и, в случае передачи данных, BSS направляет пакеты не в центр коммутации мобильных услуг (Mobile Service Switching Center, MSC), как прежде, а на SGSN. SGSN передает их на шлюз GGSN, где они преобразуются для передачи по соответствующей сети. При поступлении пакетов абоненту из внешней сети они проделывают путь в обратном порядке.

СТЕК ПРОТОКОЛОВ

Протоколы GPRS составляют два стека, так называемые плоскости — сигнальную и транспортную. Первое множество протоколов предназначено для управления и контроля за передачей, а второе — для непосредственного осуществления передачи пользовательской информации, включая такие функции, как обработка ошибок. Ниже мы кратко рассмотрим основные протоколы транспортной плоскости (см. Рисунок 2).

Конкретный состав стека протоколов зависит от того, между какими элементами осуществляется взаимодействие. Так, SGSN и GGSN взаимодействуют между собой с помощью протокола туннелирования (GPRS Tunneling Protocol, GTP). Он определяет передачу протокольных блоков данных (Protocol Data Unit, PDU) через связывающую SGSN и GGSN магистральную сеть GPRS. Заголовок GTP содержит информацию о мобильном абоненте и идентификатор контекста пакетного протокола (Packet Data Protocol, PDP), т. е. используемого пользователем протокола (IP или X.25). GTP функционирует поверх IP, таким образом, магистральной сетью GPRS может быть любая сеть с поддержкой IP, такая, как Ethernet, ATM и т. п.

SGSN и мобильные телефоны взаимодействуют друг с другом по зависимому от подсети протоколу конвергенции (Subnetwork-Dependent Convergence Protocol, SNDCP). Он отображает вышележащий сетевой протокол (например, IP) на нижележащий протокол управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC). SNDCP отвечает за такие функции, как мультиплексирование пакетов в одно виртуальное соединение, а также за их сегментацию. SGSN и BSS общаются по протоколу BSS GRPR (BSSGP). Этот протокол служит для передачи между ними информации о маршрутизации и QoS.

Наконец, взаимодействие сотовых телефонов и BSS описывается протоколами физического и канального уровня. Физический уровень делится на два подуровня — подуровень физического канала (Physical Link Sublayer, PLL) и физический радиочастотный подуровень (Physical RF Sublayer, RFL). RFL описывает модуляцию и демодуляцию радиосигналов, включая несущие частоты, структуру радиоканалов, скорости передачи данных, а также характеристики радиопередатчиков и приемников. PLL предоставляет необходимые сервисы для передачи информации по радиоканалу между телефоном и базовой станцией, в том числе формирование блоков данных, кодирование, а также обнаружение и исправление ошибок при передаче.

Канальный уровень тоже делится на два подуровня — это подуровень контроля за радиоканалом (Radio Link Control, RLC) и подуровень контроля доступа к среде (Media Access Control, MAC). Совместно они обеспечивают арбитраж доступа к разделяемой среде передачи и разрешение конфликтов, контроль за QoS и обработку ошибок. При обнаружении ошибочных кадров задействуется механизм автоматического избирательного повторного запроса (SREJ-ARQ). Для контроля за доступом к среде передачи используется разновидность дискретного алгоритма ALOHA с резервированием.

КАК РАБОТАЕТ GPRS

Чтобы иметь возможность передавать и принимать данные, мобильный телефон должен активировать IP-адрес, а точнее говоря, пользовательский контекст. Контекст включает такую информацию, как тип пакетных данных, адрес, параметры QoS и т. д. В результате активизации контекста GGSN будет знать о существовании и местонахождении абонента и, таким образом, сможет обеспечить его взаимодействие со внешними сетями.

Процедура активизации контекста зависит от его вида — не анонимный или анонимный. Первая разновидность контекста отличается от второй необходимостью наличия подписки на запрашиваемые операции, идентификацией обратившегося абонента и неограниченной мобильностью в рамках сети.

В случае не анонимного контекста процедура активизации выглядит следующим образом. Сотовый телефон, или мобильная станция (Mobile Station, MS), подает запрос на активизацию контекста. SGSN проверяет право MS на активизацию данного контекста и при необходимости вставляет отсутствующие необязательные параметры (к ним относятся адрес и параметры QoS). При недостатке ресурсов запрошенные параметры QoS могут быть изменены в меньшую сторону. Затем SGSN выбирает шлюз, с которым он будет работать. Активизация контекста завершается подтверждением MS со стороны сети.

После активизации контекста(-ов) MS может обмениваться сообщениями с соответствующей сетью(-ями). В зависимости от того, кто является адресатом, передача данных в GPRS делится на три типа: инициированная MS, получаемая MS и инициированная и получаемая MS. В случае, если передача инициируется MS, SGSN инкапсулирует поступающие от MS пакеты и передает их с помощью GTP на шлюз GGSN, а тот уже направляет их в соответствующую сеть передачи данных. В случае, если передача предназначена MS, шлюз находит контекст, относящийся к данному адресу, и определяет из него адрес SGSN. После этого шлюз инкапсулирует пакеты и передает их соответствующему SGSN, а тот уже доставляет их MS.

Для обеспечения мобильности абонента SGSN и GGSN должны знать об изменении местонахождения MS для правильной маршрутизации пакетов. При этом возможны две ситуации: абонент перемещается в другую соту и абонент переходит в другую область маршрутизации (Routing Area, RA). Наиболее интересен второй случай. При изменении области маршрутизации MS отправляет запрос о необходимости изменения маршрутизации с информацией о предыдущей соте и RA. Если данная RA обслуживается тем же SGSN, то обслуживающий узел просто обновляет информацию о местонахождении и посылает подтверждение на запрос. Однако если RA обслуживается другим SGSN, то он запрашивает у предыдущего SGSN адрес GGSN для информирования шлюза о переходе MS под его юрисдикцию. Одновременно новый SGSN запрашивает у предыдущего все недоставленные данные.

НА ПУТИ К 3G

Сервис GPRS активно внедряется европейскими операторами сотовых сетей GSM, однако он является лишь промежуточным этапом на пути к сетям мобильной связи следующего, уже третьего, поколения.

Среда GSM с расширенной поддержкой данных (Enhanced Data GSM Environment, или Enhanced Data rate for GSM Evolution, EDGE) представляет собой версию GSM с поддержкой скоростей до 384 Кбит/с. Она опирается на имеющиеся стандарты GSM и использует тот же метод доступа (TDMA) и инфраструктуру сот. Как ожидается, ее коммерческие реализации появятся уже в следующем году, при этом, как утверждают в Ericsson, на базовых станциях их производства достаточно будет обновить программное обеспечение.

Более кардинальные изменения предусматривает универсальная мобильная телекоммуникационная система (Universal Mobile Telecommunication System, UMTS). Она опирается на принципы пакетной передачи и предусматривает поддержку скоростей до 2 Мбит/с. Кроме того, UMTS предусматривает передачу в другом диапазоне — так называемом базовом диапазоне 1885—2025 МГц, а также применение одного из вариантов кодового разделения вместо TDMA (вообще говоря, TDMA будет поддерживаться как один из возможных методов доступа, но сторонники GSM отдают предпочтение CDMA, точнее говоря, W-CDMA).

UMTS входит в семейство мобильных коммуникационных систем третьего поколения IMT-2000. ITU принял уже Release 99, куда вошла 131 спецификация. Кроме того, ITU работает над Release 2000, главная цель которого — обеспечение подключения мобильных телефонов к Internet. Вообще, UMTS задумывалась как всемирная (универсальная) сотовая сеть для обеспечения глобального роуминга. Однако единый мировой радиостандарт для сотовой связи создать вряд ли удастся. Это связано как с проблемами выделения частотного спектра (для полноценной поддержки всех предусматриваемых сервисов согласованного базового диапазона недостаточно, необходима полоса общей шириной 582 МГц), так и с противоречиями между операторами сетей разных стандартов. Подтверждением этой неутешительной для пользователей перспективы может служить недавнее принятие ITU пяти альтернативных методов доступа — одного на базе TDMA, одного на базе FDMA и трех на базе CDMA.

Как ожидается, коммерческие реализации UMTS должны появиться в 2002 г.