GPRS

Mała efektywność transmisji danych sieci komórkowej GSM w trybie HSCSD stała się bezpośrednim powodem opracowania przez ETSI (począwszy od 1992 r.) standardu uniwersalnej bezprzewodowej łączności pakietowej GPRS (General Packet Radio Service), promowanej w ramach standardu komórkowego GSM faza 2+. Bezprzewodowy przekaz danych w trybie komutacji pakietów pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie dostępnego pasma radiowego, poprzez statystyczne multipleksowanie jednego fizycznego kanału radiowego.

Pakietowa transmisja GPRS - Komunikacja w standardzie GPRS jest pierwszym etapem wdrażania pakietowej transmisji danych przez sieci komórkowe GSM, opartej na protokole internetowym IP. Transmisja pakietowa GPRS używa sieci komórkowej wyłącznie podczas fizycznego przesyłania pakietów z danymi; inaczej niż w tradycyjnych łączach GSM/HSCSD z komutacją kanałów, gdzie strumień danych jest transportowany sposób ciągły przez stałe (trwałe) połączenie między abonentami w czasie trwania rozmowy.

Dzięki temu użytkownicy komórkowi mogą uzyskiwać większą przepływność, korzystając z tych samych połączeń i zasobów radiowych. Pakietowy sposób przesyłania informacji oznacza, że użytkownicy mogą być połączeni z Internetem przez cały dzień (nie blokując łącza), a wysyłać i odbierać dane tylko wtedy, kiedy zachodzi potrzeba. Taki sposób łączenia ma dwie konsekwencje: pomija krytyczny pod względem czasu i zawodny proces łączenia się z Internetem oraz wykorzystuje sieć GSM wyłącznie podczas transmisji. W rezultacie użytkownik nie ponosi kosztów transmitowania ciszy ani przerw.

Przekaz informacji w standardzie GPRS, sterowany za pomocą protokołów warstwy 2 (łącza danych) oraz warstwy 3 (sieciowej) modelu OSI, obsługuje protokoły X.25 lub IP - głównie w celu zmniejszenia opóźnień przełączania i podniesienia szybkości transmisji radiowych w sieciach GSM. Standard GPRS jest zbliżony w swoim działaniu do specyfikacji HSCSD, z tą zasadniczą różnicą, że w systemie GPRS kilku użytkowników może równocześnie korzystać nawet z jednego fizycznego kanału radiowego, co nie jest możliwe w transmisji HSCSD. Dane są przesyłane w postaci pakietów, zatem zarówno liczba szczelin, jak i liczba kanałów może być adaptowana dynamicznie w zależności od możliwości stacji i konkretnych potrzeb użytkowych. Tak zestawione połączenie traci więc charakter transmisji z komutacją kanałów (łączy, obwodów) i staje się typowym przekazem o cechach z komutacją pakietów, co ma istotne znaczenie podczas świadczenia niektórych usług.

Przykłady aplikacji połączeń radiowych w GSM - Transmisja radiowa w standardzie GPRS angażuje do przesyłania pakietów więcej niż jeden fizyczny kanał radiowy (od 2 do 8), udostepniając w ten sposób jednoczesny transport danuch wielu użytkownikom systemu GSM, działającym z podwyższoną szybkością. Cecha ta stanowi podstawową zaletę przesyłania danych pakietowych, korzystając z uprzednio zestawionych kanałów radiowych. Przyporządkowanie odpowiedniej liczby tych kanałów dokonuje się dynamicznie i asymetrycznie (wyłącznie w GPRS), w miarę potrzeb użytkownika. W transmisji HSCSD zawsze stosuje się symetryczne przyporządkowanie kanałów, chociaż sama łączność użytkowa może być asymetryczna (wolne szczeliny są niewykorzystane).

W standardzie GPRS stosuje się cztery różne schematy kodowania kanałowego, oznaczane od CS1 do CS4, o przepływnościach odpowiednio: 9,05 kb/s, 13,4 kb/s, 15,6 kb/s oraz 21,4 kb/s. Uzyskiwane w ten sposób maksymalne szybkości transmisji, chociaż jednoznacznie definiowane, są różne w zależności od liczby łączonych kanałów i przyjętego schematu kodowania oraz jakości łącza radiowego. Zwykle ograniczają się one do przepływności maksymalnej ok… 100 kb/s, typowo z szybkością 4x13,4 kb/s = 56,3 kb/s, a w sytuacjach szczególnych (teoretycznie) nawet do 171,2 kb/s (8x21,4=171,2), uzyskiwanej jednokierunkowo. Do pracy dupleksowej w sieci GSM potrzebna jest para kanałów radiowych (jeden kanał rozmówny), zwykle z asymetrią kierunków przenoszenia. We wszystkich tych przypadkach uzyskanie tak wysokich parametrów przepływu przez łącza sieci GSM wymaga korzystania z „czystych” kanałów radiowych (pozbawionych zakłóceń i przesłuchów międzykanałowych), co niestety zdarza się raczej rzadko.

Istotną zaletą pakietowych połączeń wg standardu GPRS są odmienne skutki przeciążeń sieci transmisyjnej: od strony użytkowej dochodzi tylko do zmniejszenia poszczególnych przepływności połączeń, a nie blokowania dostępu lub wręcz zerwania połączenia – tak jak dzieje się to w tradycyjnych sieciach GSM z komutacją kanałów (HSCSD). Do podstawowych zalet definiowanych w standardzie GPRS należą:

• wprowadzenie przez sieci GSM przełączanej transmisji pakietowej na całej trasie komunikacji (end-to-end) między abonentami sieci komórkowej;
• uzyskanie większej szybkości transmisji i elastyczności skalowania, dzięki technologii przełączania pakietów z danymi, większej niż w tradycyjnych sieciach cyfrowych GSM;
• wdrożenie przełączania pakietowego end-to-end opartego na zasadzie tunelowania przez sieć, co zwiększa bezpieczeństwo transakcji.

Pierwsza wersja standardu została rozszerzona (1999 r.) o pozycje obejmujące fazę 2 sieci GSM, w których uwzględniono dodatkowe funkcje związane z poprawą jakości usług (QoS), przesyłaniem grupowym (multicasting), a zwłaszcza komunikację międzysieciową (Internet) za pośrednictwem sieci inteligentnych IN (Inteligent Network) - implementowanych w sieciach stacjonarnych. W tym znaczeniu standard GPRS jest pierwszą (lecz nie ostatnią) technologią efektywnie operującą przekazami pakietowymi z terminali ruchomych, działających w sieciach komórkowych GSM. Zakres zastosowań GPRS poza zwykłą transmisją wiadomości obejmuje: bezprzewodowe przekazy plików o większej pojemności, zróżnicowaną ofertę usług bankowych i finansowych oraz obsługę telekonferencji z obiektami znajdującymi się w ruchu. Realizacja wielopunktowych przekazów wideokonferencyjnych przebiegających w czasie rzeczywistym klasy P-MP wymaga innych, bardziej sprawnych mechanizmów przekazu między wieloma użytkownikami ruchomymi, stosowanych w sieciach trzeciej generacji 3G (standard IMT-2000, czyli UMTS w Europie).

Zmodyfikowana architektura

Architektura systemu GPRS korzysta z podobnej bazy technicznej jak klasyczna sieć komórkowa GSM, a mianowicie: z tego samego sposobu modulacji radiowej, identycznych pasm częstotliwości, takiej samej zasady przeskakiwania częstotliwości (FH – Frequency Hopping) i struktury ramki transportowej TDMA (Time Division Multiple Access). Istotnym wyróżnieniem są jedynie nowe kanały transmisji pakietowej PDCH (Packet Data Channels). W konsekwencji stosowane do tej pory stacje bazowe BTS (Base Transceiver Station) i sterowniki stacji bazowych BSC (Base Station Controllers) mogą być, po niewielkiej adaptacji programowo-technicznej, nadal użytkowane.

Nowym elementem w architekturze sieci GPRS, o zasadniczym znaczeniu dla funkcjonowania szybkich przekazów pakietowych, jest podsieć transmisji danych NSS (Network Subsystem) Składa się ona z dwóch oddzielnych węzłów komutacji: wspomagającego usługi SGSN (Serving GPRS Support Node) oraz bramkującego usługi międzysieciowe GGSN (Gateway GPRS Support Node) – z przeznaczeniem do współpracy z innymi sieciami pakietowymi, głównie z siecią Internet. Nakładkowa struktura podsieci NSS działa współbieżnie z podstawową siecią głosowej telefonii komórkowej GSM.

Węzeł pomocniczy SGSN (Serving GPRS Support Node), który w hierarchii sterowania znajduje się na takim samym poziomie jak węzły MSC (Mobile Switching Center) klasycznej telefonii GSM (łącznie z rejestrami identyfikacyjnymi VLR/HLR), odpowiada za:

• włączanie procedur autoryzacji i szyfrowania przekazów pakietowych;
• zarządzanie zasobami GPRS dla przywołań (paging);
• zarządzanie sesjami do stabilnego działania połączeń tunelowych z protokołem PDP (Packet Data Protocol) między stacją ruchomą a siecią pakietową;
• zbieranie informacji o taryfikacji obciążenia (przeciążenia poszczególnych PDP);
• właściwe przełączanie (trasowanie) pakietów danych z uwzględnieniem funkcji utajniania, kompresji, wzajemnych potwierdzeń i kapsułkowania komunikatów.

Dodatkowa obsługa danych w GSM/GPRS (podsieć NSS)

Funkcje węzła międzysieciowego GGSN (Gateway GPRS Support Node), również o dużej analogii do funkcji tradycyjnego węzła MSC, sprowadzają się do współpracy z sieciami posiłkującymi się protokołem IP. Zakres tych działań, oprócz odpowiedniego formatowania i kierowania (routing) pakietów danych, obejmuje szereg dodatkowych czynności, charakterystycznych dla współczesnego stanu technologii internetowych.

Należą do nich: tunelowanie, alokacja adresów, tworzenie zapór ogniowych (firewalls) oraz funkcje trasowania intra-domen i inter-domen przez różnorodne sieci klasy IP (Internetu, intranetu i ekstranetu). Bramka międzysieciowa GGSN funkcjonująca jako interfejs logiczny dla zewnętrznych sieci pakietowych, przechowuje informacje o doborze trasy dla pakietów kierowanych do sieci pakietowych, obsługiwanych przez konkretne stacje bazowe BTS. Standardowo obydwa węzły (SGSN i GGSN) są instalowane na ruterach z implementowanymi funkcjami VLR (Visitor Location Register) i HLR (Home Location Register) – identycznymi jak w zwykłej sieci GSM.

Statystyczne multipleksowanie pakietów pozwala na wykorzystywanie jednego kanału fizycznego przez kilku użytkowników równocześnie. Adaptacja transmisji pakietowej GPRS w sieciach GSM (faza 2+) wymaga rozszerzenia funkcji programowych w interfejsach współpracy, jak też dostosowania stacji abonenckich MS (telefonów komórkowych) do transmisji pakietowych, a docelowo – instalacji nowych telefonów komórkowych w sieci. Wprowadzenie transmisji GPRS jest więc jednym z etapów ewolucyjnych przemian systemu GSM w kierunku sieci trzeciej generacji.

GPRS dla Internetu

Z punktu widzenia usług IP dla bezprzewodowych aplikacji internetowych z transmisją niesymetryczną: jedno połączenie logiczne może zajmować od 1 do 7 szczelin czasowych (teoretycznie do ośmiu) – w różnych schematach kodowania. Wybór przez użytkownika odpowiedniej liczby szczelin (szybkości transmisji) oraz ich przydział w ramkach TDMA wymagają dodatkowych uzgodnień między abonentem a operatorem, gdyż wiąże się to z ponoszeniem wyższych opłat za ich użytkowanie wedle ogólnej zasady: im szersze pasmo, tym wyższe opłaty.

Wadą transmisji HSCSD – wynikającą z samej zasady komutowania kanałów – jest nieefektywne i mało elastyczne wykorzystanie łączy. Skutkuje to niewłaściwym wykorzystaniem tak zestawionego łącza radiowego między użytkownikami end-to-end, zajętego przez cały czas sesji długodystansowej jedynie przez dwóch abonentów sieci. Zwłaszcza jeśli paczki przesyłanej informacji są niewielkie, transmitowane z przerwami bądź charakteryzują się zmienną dynamiką generowanego trafiku – tak jak dzieje się w połączeniach internetowych. Nie jest to więc najlepsze rozwiązanie dla bezprzewodowych połączeń z sieciami o wysoce zmiennym i nieprzewidywalnym trafiku.

right\Stos protokołów GPRS

Zwiększenie szybkości przesyłania informacji przez sieci komórkowe za pomocą transmisji pakietowej GPRS jest ekonomicznym rozwiązaniem dla transportu danych. Z zasady transmisji pakietowej wynika bowiem, że informacja podzielona umownie na mniejsze jednostki transportowe (pakiety) nie korzysta z komutowanych zasobów w sieci, a pakiety z informacją mogą być przekazywane niezależnie, nawet z opóźnieniem. Każdy pakiet danych musi zawierać adres przeznaczenia, co umożliwia ich transportowanie przez sieć różnymi trasami.

Pakietowa transmisja danych GSM/GPRS nadaje się nie tylko do transportu ruchu o niejednorodnym (burst) i nieprzewidywalnym trafiku, ale także do obsługi strumieni o dużej asymetrii kierunków transportu oraz wymagających wysokich przepływności (podstawowe atrybuty internetowego środowiska transportowego). Ponadto protokoły transmisji bezprzewodowej GPRS, oparte na protokołach internetowych IP, łatwo dają się komponować z istniejącymi protokołami IP sieci stacjonarnej – stosowanymi zarówno do transportu głosu pakietowego (VoIP), jak i do transmisji danych.

Zakres zastosowań transmisji GPRS

Inaczej niż w tradycyjnych rozwiązaniach łączności GSM (także HSCSD), gdzie do przeprowadzenia rozmowy lub transmisji danych trzeba zestawiać łącze radiowe przez cały czas trwania połączenia, w technologii pakietowej GPRS z łącza radiowego korzysta się wyłącznie w trakcie przesyłania konkretnego pakietu danych, nie angażując przepływności kanału radiowego poza jego transmisją. Dzięki temu systemy komórkowe z przekazem pakietowym dobrze radzą sobie z dużym nasileniem ruchu w sieci Internet, a użytkownicy mogą korzystać z szybkich i ciągłych (nieprzerwanie aktywnych) połączeń internetowych, płacąc wyłącznie za rzeczywisty czas transmisji. Stałe łącze sygnalizacyjne z siecią internetową w istotny sposób skraca czas nawiązywania konkretnych połączeń, a implementowane w systemie bardziej wydajne sposoby kodowania zwiększają upakowanie informacji w kanale radiowym.

Technologia bezprzewodowej transmisji GPRS posiłkuje się standardowymi mechanizmami trasowania (routing) – podobnie do sieci IP – dzięki czemu staje się bezprzewodowym rozszerzeniem istniejących sieci pakietowych. Umożliwia to łatwiejsze korzystanie z usług stron WWW, szybszą komunikację za pomocą poczty elektronicznej, efektywne faksowanie przez IP, wprowadzanie komunikacji alarmowej czy automatycznych ostrzeżeń drogowych oraz dalsze rozszerzanie się usług wideofonicznych, docelowo działających z przepływnością kanałową do 384 kb/s. W tym systemie przekazu, oprócz dwustronnej transmisji typu punkt–punkt, jest możliwa również komunikacja punkt–wielopunkt (P-MP) - niezbędna do rozwijania usług telekonferencyjnych. Realizacja wielopunktowych i bezprzewodowych przekazów wideokonferencyjnych klasy P-MP, przebiegających w czasie rzeczywistym wymaga innych, bardziej sprawnych mechanizmów przekazu między wieloma użytkownikami ruchomymi, dzisiaj już stosowanych w sieciach trzeciej generacji 3G (standard IMT-2000, czyli UMTS w Europie).

Korzystanie z transmisji pakietowej GPRS oznacza zmianę w użytkowaniu sieci internetowych. Użytkownicy płacą wyłącznie za rzeczywisty czas przekazywanych informacji pakietowych, a nie za pełny czas zajmowania łącza, tak jak to było taryfikowane w tradycyjnych systemach GSM. Aby to było efektywnie spożytkowane, niezbędne są terminale działające zgodnie z protokołem WAP oraz operatorzy dostarczający specjalne bramy i serwery internetowe, łączące lokalne systemy komórkowe z siecią Internetu bądź intranetu.