GPRS выходит на связь

В ближайшем десятилетии GPRS будет, вероятно, играть ведущую роль среди технологий беспроводной связи, постепенно оккупирующих эфир.

Однако на деле все оказалось несколько иначе, что во многом объясняется скоростями соединений, которые иначе как черепашьими назвать нельзя — в большинстве сетей они достигали максимум 14,4 Кбит/с. Хотя беспроводные глобальные сети пришлись весьма кстати для мобильных пользователей и специализированных приложений вертикальных рынков, потоки данных до сих пор составляют менее 5% общего беспроводного трафика: остальное занимает передача голоса.

Ответным шагом телекоммуникационной индустрии стали интеллектуальные телефоны с микробраузерами, которые принимают данные маленькими порциями, а не «залпом». Для этого отрасли потребовалось разработать протокол беспроводных приложений (Wireless Application Protocol, WAP); он производит сильное впечатление с технической точки зрения, однако для него нужно создавать информационное наполнение и приложения, специально ориентированные на беспроводные устройства. Ряд компаний предложили, правда, промежуточное программное обеспечение (middleware) для поддержки приложений беспроводной связи, но оно не пользуется особым успехом.

Ситуация может измениться с появлением в большинстве мировых сотовых сетей более скоростных служб передачи данных. Первой из них оказалась универсальная служба радиосвязи с пакетной передачей данных (General Packet Radio Service, GPRS). В будущем именно она должна лечь в основу глобально доступной, высокоскоростной, беспроводной сети IP. Пользователям не нужно будет набирать специальный номер для подключения к Internet, и эти соединения будут длительными и надежными. Наконец, можно будет работать с ресурсами Internet и одновременно с офисными приложениями, не подвергая риску свою среду.

Технология GPRS разрабатывалась в расчете на сети глобальной системы мобильной связи (Global System for Mobile Communications, GSM), но, как ожидается, она послужит основой для магистрали передачи данных в беспроводных сетях на базе стандарта множественного доступа с разделением по времени (Time Division Multiple Access, TDMA), таких операторов, как AT&T Wireless Services и SBC Communications.

Прежде чем такое благоденствие станет реальностью, пользователи должны получить возможность без труда приобретать беспроводные модемы и сотовые телефоны, поддерживающие передачу данных, а операторы — предлагать соответствующие услуги связи с широким охватом и по разумной цене. В этой статье я постараюсь рассказать, как работает служба GPRS, чего от нее можно реально ожидать и как воспользоваться ее достоинствами. Я также попытаюсь объяснить, почему, на мой взгляд, GPRS будет играть главную роль в сотовых системах третьего поколения (3G).

ВИРТУАЛЬНАЯ СИЛА

Служба GPRS использует протокол IP, имеет высокую скорость, передает данные пакетами, включает средства поддержки качества обслуживания и будет доступна по всему земному шару. Пакетный способ передачи является важным моментом, так как до сих пор сотовые службы передачи данных (за исключением передачи пакетов цифровых данных в сотовой сети — Cellular Digital Packet Data, CDPD) опирались на коммутацию каналов, т. е. для передачи информации пользователям приходилось устанавливать выделенное соединение. Служба с коммутацией каналов прекрасно подходит для случаев, когда вы звоните провайдеру из дома, однако если каналы остаются занятыми в течение периодов простоя, ценные ресурсы радиосвязи тратятся впустую. При использовании пакетной передачи операторы сотовой связи могут обслуживать больше пользователей в одном интервале спектра радиочастот. Пакетные службы дают возможность поддерживать длительные виртуальные соединения, но платить при этом только за фактически переданные данные. Используя постоянное виртуальное соединение, пакетная служба позволяет также осуществлять рассылку данных (push) мобильным пользователям.

GPRS транспортирует пакеты между мобильными устройствами и сетями пакетной передачи. Пакеты могут быть формата IP или X.25, хотя ввиду особой популярности Internet операторы и производители оборудования, скорее всего, будут делать акцент на IP. Мобильным устройствам присваиваются IP-адреса, статические или динамические, так что, попав в сеть, пакеты IP, отправленные мобильными устройствами, могут быть переданы и во внешние сети, такие, как Internet или частные сети Intranet. Пакеты IP из внешних сетей смогут достигать мобильных устройств, даже если те находятся в движении. Для GPRS не имеет значения, какие протоколы работают поверх IP; таким образом, использовать можно любые стандартные протоколы Internet, в том числе TCP, UDP, HTTP, SSL (Secure Sockets Layer) и IPSec.

Значения скорости передачи могут быть самые разные, так как в этом отношении GPRS обладают значительной гибкостью. Теоретический максимум скорости GPRS составляет чуть больше 160 Кбит/с, однако первое время операторы будут поддерживать скорость в диапазоне от 26 до 52 Кбит/с. Эти скорости, конечно, не поражают воображение, однако они вполне сравнимы со значениями, привычными для мобильных пользователей, и будут достаточны для многих приложений. Поддержка качества обслуживания (QoS) позволит приложениям задавать такие параметры, как пропускная способность, задержка и уровень надежности; впрочем, на первых порах от QoS не следует ожидать слишком многого. Лучше рассматривать QoS как ключ к реализации будущих беспроводных мультимедийных приложений, таких, как передача голоса и видео.

Еще один заманчивый аспект GPRS — глобальный охват, хотя в первую очередь эта служба будет доступна в Европе и Азии, где базовые сотовые сети GSM распространены гораздо шире, чем в Америке. Как только операторы заключат между собой соглашения по роумингу GPRS и многочастотные устройства появятся в продаже, все желающие смогут иметь доступ к службам GPRS более чем в ста странах мира.

Операторы TDMA также склоняются в пользу GPRS, принимая на вооружение технологию беспроводной передачи данных под названием EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution). EDGE и GPRS базируются практически на одной и той же инфраструктуре и одинаковых внутренних протоколах, различаясь лишь в том, что EDGE использует более сложный интерфейс радиосвязи. Фактически сеть GPRS может быть модернизирована до EDGE.

А что же насчет устройств с поддержкой GPRS? Можете смело дать волю своему воображению — все, что вам удастся себе представить, с большой долей вероятности воплотится в реальность, включая мобильные телефоны с поддержкой GPRS, модемы PC Card для ноутбуков, компактные флеш-карты для карманных компьютеров, модули для Palm Pilot и Handspring Visor и т. д. Кроме того, GPRS будет совместима с WAP.

Если вы думаете, что GPRS сойдет со сцены под натиском сотовых технологий третьего поколения, то можете не беспокоиться. Службы передачи данных для сетей широкополосного множественного доступа с кодовым разделением (Wideband Code Division Multiple Access, W-CDMA, 3G-версия GPRS) используют набор протоколов и инфраструктуру GPRS с некоторыми усовершенствованиями. На самом деле, организации по стандартизации сотовой связи уже договорились о том, как можно превратить передачу голоса в обычное приложение IP, работающее поверх GPRS в сетях 3G. В сетях CDMA (используемых операторами SprintPCS и Verizon) применяется другая архитектура беспроводной передачи данных, но ее рассмотрение выходит за рамки настоящей статьи. Тем не менее, с учетом мирового господства GSM, можно смело утверждать, что в ближайшее десятилетие GPRS будет ключевой технологией беспроводной передачи данных.

ВГЛУБЬ GPRS

Лучший способ проникнуть в суть GPRS — изучение ее архитектуры и протоколов, разработанных Европейским институтом стандартов в области телекоммуникаций и описанных в спецификации GPRS под номером 03.60. Сегодня все сотовые сети имеют архитектуру, в рамках которой базовые станции подключаются — напрямую или через контроллер базовых станций — к мобильному коммутационному центру, а тот уже подсоединяется к другим телефонным сетям. Такая архитектура разрабатывалась в условиях господства идеологии коммутации каналов, которая до сих пор остается доминирующей в большинстве телефонных сетей по всему миру. Для реализации пакетной передачи данных в GPRS добавлены новые элементы инфраструктуры, обеспечивающие обмен пакетами данных с мобильными станциями, причем существующие функции коммутации сети никак не затрагиваются.

Служба GPRS использует два новых существенных элемента инфраструктуры: обслуживающий исполнительный узел GPRS (Serving GPRS Support Node, SGSN) и шлюзовой исполнительный узел GPRS (Gateway GPRS Support Node, GGSN), как показано на Рисунке 1. Подключаемый к контроллеру базовых станций узел SGSN следит за местоположением мобильной станции и обменивается с ней пакетами данных. С помощью протокола туннелирования он направляет пакеты на узел GGSN, который играет роль шлюза во внешние сети, такие, как Internet или частные сети Intranet. Оператор может иметь несколько узлов SGSN в разных районах обслуживания, но для каждой внешней сети, с которой он связан, оператору понадобится только один узел GGSN. Этот узел присваивает мобильным станциям IP-адреса, и, когда пакеты IP из внешних сетей приходят в узел GGSN, он передает их по туннелю на соответствующий узел SGSN для доставки на мобильную станцию.

GGSN также поддерживает многоадресную рассылку (multicasting) и контролирует использование бюджетов с целью выставления счетов. Другим важным элементом архитектуры является домашний реестр абонентов (Home Location Register, HLR) — известный компонент GSM, предназначенный для хранения информации о бюджетах пользователей. В случае GPRS в HLR включаются дополнительные сведения об используемых услугах передачи данных: например, на какие скорости передачи подписан пользователь, какой у него IP-адрес — фиксированный или динамический, и т. п.

Чтобы передать по сети данные и сигнальную (управляющую) информацию, GPRS использует новые протоколы, показанные на Рисунке 2. Они транспортируют дейтаграммы IP между мобильной станцией и узлом GGSN. Взаимодействие между мобильной станцией и SGSN осуществляется по протоколу SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol), который выполняет сегментацию и сжатие данных. На уровне LLC создается логический канал, который скрывает специфику радиосвязи от верхних уровней и шифрует данные, а уровень MAC управляет доступом к радиоканалу. Сам радиоканал включает подуровень физического канала и подуровень радиочастотной передачи .

Соединение между узлами SGSN и GGSN обслуживает протокол туннелирования GTP (GPRS Tunnel Protocol); он создает туннель для пользовательских IP-данных и управляющей информации (такой, например, как информация о распределении IP-адресов и о маршрутах). Сам протокол GTP функционирует поверх собственной IP-инфраструктуры оператора связи, которая строится по технологии frame relay или ATM.

GPRS позволяет защитить данные несколькими способами. Во-первых, как и в телефонах стандарта GSM, пользователь должен иметь SIM-карту (Subscriber Identity Module — модуль идентификации подписчика), которая вставляется в устройство GPRS. Кроме того, сеть может запросить у пользователя пароль по протоколу CHAP (Challenge Handshake Authen-tication Protocol) или PAP (Password Authentcation Protocol). Из соображений конфиденциальности в GPRS эфирный канал шифруется, а на отрезке между GGSN и внешней сетью оператор может по своему усмотрению использовать протокол IPSec. Более того, поскольку связь осуществляется на основе IP, пользователи с помощью технологии VPN имеют возможность применять средства обеспечения безопасности между конечными точками.

В ДЕЙСТВИИ

Итак, с архитектурой и протоколами все ясно, но все же, как пользователи на практике подключаются к сети и передают данные и как сеть отслеживает перемещение пользователей? При включении устройства GPRS (модема GPRS PC Card) в зоне обслуживания GPRS оно сначала регистрируется в сети, а затем запрашивает контекст протокола PDP (Packet Data Protocol). Контекст PDP активизирует IP-адрес; обычно это динамический адрес, назначаемый узлом GGSN. Теперь данные можно отправлять и принимать.

Чтобы отправить пакет данных, устройство посылает запросы, используя логический канал передачи пакетов с произвольным доступом. Такие логические каналы образуются из заранее определенных временных окон в специально выделенных радиоканалах GPRS; это основной механизм уровня MAC. В ответ сеть выделяет для трафика логический канал на период, достаточный для передачи пакета данных. Сети GPRS используют радиоканалы шириной 200 кГц, причем каждый канал разделяется на восемь временных окон, как показано на Рисунке 3. В современных сетях каждый из этих интервалов способен обеспечить пропускную способность в 13 Кбит/с (хотя известны методы, позволяющие увеличить скорость передачи данных до 20 Кбит/с и даже более), так что фактическая пропускная способность для пользователя будет зависеть от числа временных окон, которое может обработать его устройство, и от конкретных параметров обслуживания, предоставляемого оператором.

Теоретически пользователь может получить в свое распоряжение все восемь временных окон радиоканала, однако операторы, как правило, ограничивают число интервалов при передаче в направлении от сети к устройству до четырех (и менее), при максимальной скорости 52 Кбит/с, а при передаче от устройства к сети — до одного, при максимальной скорости 13 Кбит/с. Такое ограничение вводится в целях сокращения потребления энергии, снижения температуры нагрева и стоимости устройства, а также увеличения количества одновременно обслуживаемых пользователей сети.

Для обеспечения мобильности пользователя устройство GPRS оповещает о себе узел SGSN, как только оно попадает в зону обслуживания новой базовой станции. Если пользователь перемещается из одной зоны SGSN в другую, то старый и новый узлы SGSN должны установить между собой связь и проинформировать GGSN о новом местоположении пользователя. Благодаря поддержке роуминга мобильное устройство может работать и в сетях других операторов GPRS.

Если у пользователя есть мобильный телефон с поддержкой GPRS, то он сможет во время сеанса передачи данных принимать голосовые вызовы. В GPRS определены три класса пользовательских устройств. Класс A допускает одновременную обработку голоса и данных, класс B предполагает последовательную обработку голоса и данных, а устройства класса C могут работать только с данными. При использовании устройств класса B (большинство предложений, которые первыми появятся на рынке, скорее всего, будут относиться именно к этой категории), сеть может уведомить пользователя о поступившем вызове, позволяя ему приостановить сеанс передачи данных и принять голосовой вызов.

ТРИУМВИРАТ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ: GPRS, WAP И BLUETOOTH

Двумя другими весьма перспективными технологиями беспроводной связи являются Bluetooth и WAP. Обе они тесно связаны с GPRS. WAP состоит из протоколов транспортного, презентационного и прикладного уровней, позволяющих создавать эффективные приложения для беспроводной связи. Все эти протоколы действуют выше уровня IP и потому без каких-либо проблем смогут работать в среде GPRS.

Итак, все приложения GPRS смогут использовать WAP? Конечно же нет. Вы можете попробовать применить GPRS для любого приложения на базе IP, если только оно не слишком рьяно потребляет пропускную способность. Тем не менее операторы GSM рассматривают GPRS как главную технологию, стимулирующую развитие WAP, поскольку она предлагает идеальный, постоянно действующий и постоянно доступный транспорт для WAP.

Операторы заинтересованы в протоколе WAP по другой причине. Служба GPRS может легко стать жертвой собственного успеха, если ее начнут повсеместно использовать для загрузки данных большого объема. Поскольку число радиоканалов GPRS, за которые конкурируют пользователи, ограничено, то с ростом численности активных пользователей пропускная способность должна резко упасть. WAP решает эту проблему ориентацией на текст и путем использования экранов малых размеров, тем самым снижая нагрузку на сеть до минимального уровня. Операторы, по-видимому, будут продвигать WAP поверх GPRS, в противовес сетевым средствам общего назначения.

В статье «По зубам ли Bluetooth сетевые технологии?», опубликованной в декабрьском номере LAN за 2000 г., подробно исследовались возможности Bluetooth — технологии беспроводных персональных сетей. Bluetooth весьма удачно дополняет GPRS: благодаря ей, устройствами GPRS станет намного легче пользоваться. Представьте себе мобильный телефон со встроенными технологиями GPRS, WAP и Bluetooth. С помощью браузера WAP пользователь может получить доступ к информации, которую можно разместить на сравнительно небольшом экране телефона. Если же нужно просмотреть обычную страницу Web или написать сообщение электронной почты, вы можете достать свой карманный компьютер или ноутбук, автоматически установить соединение Bluetooth между компьютером и мобильным телефоном, а затем работать на компьютере, используя мобильный телефон в качестве беспроводного модема. При этом телефон даже не обязательно вынимать из кармана.

НАПРАВЛЕНИЯ ЭВОЛЮЦИИ

Технология GPRS не просто взяла удачный старт: ее ожидает и блестящее будущее, вслед за долгим путем эволюционного развития. Первое усовершенствование, которое операторы должны будут внести в GPRS, — это реализация новых схем кодирования для повышения скорости передачи данных до 15 или 21 Кбит/с для одного временного окна (сегодня эта скорость составляет 13 Кбит/с). Новые схемы кодирования предусматривают уменьшение объема передаваемой информации для контроля ошибок, и потому для них требуется более мощный сигнал. Впрочем, еще ни один оператор не изъявил готовности взять на вооружение эти новые схемы, так как следующая стадия модернизации, EDGE, обеспечивает гораздо более высокую производительность. EDGE — это новый интерфейс радиосвязи, где используются новые схемы кодирования, новый алгоритм модуляции, а также функция динамического выбора оптимальной комбинации схемы кодирования и алгоритма модуляции, исходя из функций интенсивности ошибок. Опираясь на такую передовую технологию радиосвязи, EDGE позволяет добиться уровня скорости в 60 Кбит/с в каждом временном окне, в результате теоретический максимум общей пропускной способности составляет 470 Кбит/с (при задействовании всех восьми временных окон) — почти вчетверо больше, чем в GPRS.

Технология GPRS, использующая интерфейс радиосвязи EDGE, называется Enhanced GPRS, или EGPRS. Нынешние операторы TDMA, ориентирующиеся на стандарт ANSI-136 (например, AT&T Wireless Services и SBC), планируют к 2002 г. развернуть службы передачи данных нового поколения на базе разновидности технологии EGPRS под названием EGPRS-136. В настоящее время EGPRS является самой скоростной разновидностью службы передачи данных как для сетей GPRS, так и для сетей ANSI-136 TDMA, где такие службы должны быть интегрированы в существующие голосовые сотовые сети второго поколения. Но что если бы у вас была возможность забыть обо всем, получить новый спектр частот и построить технологию сотовой связи с нуля? Именно так и произошло со службой GPRS нового поколения, широкополосной CDMA (Wideband CDMA); иногда ее также называют универсальной системой мобильной телефонии (Universal Mobile Telephone System, UMTS).

UMTS — один из стандартов, которые Международный союз электросвязи (ITU) утвердил в качестве сотовой технологии 3G. Он удовлетворяет требованиям ITU в отношении обеспечиваемых скоростей передачи данных: 144 Кбит/с в мобильном режиме, 384 Кбит/с при перемещении со скоростью пешехода вне здания и 2 Мбит/с внутри здания. UMTS использует совершенно новую технологию радиосвязи на базе CDMA с каналами шириной 5 МГц, но при этом архитектура передачи данных остается той же, что и у GPRS, включая, в частности, узлы SGSN и GGSN. Необходимый спектр частот уже доступен в крупных европейских странах и Японии, так что к 2002 г. следует ожидать первые предложения услуг в сетях UMTS, хотя широкомасштабное их развертывание может растянуться до конца десятилетия.

Еще интереснее будет следующая стадия развития GPRS. Хотя первоначально GPRS планировалась как служба передачи данных, работающая параллельно со службами голосовой связи, группы разработки стандартов начинают думать над тем, каким образом можно было бы задействовать GPRS для поддержки голосовых служб, используя протоколы VoIP. Инфраструктура GPRS, основанная на протоколе активизации сеансов (Session Initiation Protocol, SIP), может превратиться в фактически базовую сеть для систем 3G, поддерживающую разнообразные мультимедийные службы, включая передачу голоса. Многое еще предстоит уточнить, прежде чем такие сети станут реальностью, и в первую очередь это касается качества обслуживания — QoS. Стандарты и механизмы QoS, как и стандарты передачи голоса через Internet, еще только начинают формироваться. Более того, механизмы QoS, определенные для беспроводных сетей, несколько отличаются от аналогичных механизмов для проводных сетей, что связано с самой сущностью радиоинтерфейса; таким образом, эти два типа механизмов необходимо согласовать. Тем не менее возможности сквозной передачи мультимедиа поверх IP создает предпосылки для появления многих новых видов приложений и обещает снизить стоимость базовых сетей для операторов связи.

Ресурсы Internet

GPRS: памятка для пользователя