GPRS – эволюция, но не революция

Работать там, где вы бы того хотели, — эта мечта становится навязчивой идеей в теплые летние деньки. Желание покинуть сумрачный офис и переместиться на зеленую лужайку у реки возникает все чаще. Если задуматься, идея не так уж беспочвенна. Ведь многие важные вещи можно было бы сделать в машине по пути на деловую встречу, ожидая в автомобильной пробке или разместившись в тенистом сквере во время обеденного перерыва. А как насчет беспроводного серфинга в Internet, уведомлений о появлении заказанного товара в ближайшем супермаркете или изменениях в расписании вылета самолетов? Проблема не в отсутствии портативных PDA или ПК и не в недоступности систем мобильной связи — она заключается в их малой производительности и непомерных тарифах. Ну кто может позволить себе тратить драгоценные минуты связи на "ползание" по Сети со скоростью 9,6 или 14,4 Kbps? Большие выгоды сулит внедрение третьего поколения мобильных систем связи 3G ("Компьютерное Обозрение", # 45, 1999), но сейчас они, как никогда, туманны и далеки от действительности. Относительно недавно стали появляться сообщения о совершенно новой, экономной форме цифровой связи под названием General Packet Radio Service (GPRS), которая якобы позволяет в слегка модернизированных сетях GSM добиваться невиданной скорости передачи данных — 114 Kbps.

Теория: от GSM к GPRS

Прежде чем приступить к изучению структуры и особенностей GPRS-сети, мы совершим небольшой экскурс в технологию GSM, поскольку возможности высокоскоростной передачи данных являются ее органичным дополнением.

Коснемся некоторых организационных и исторических аспектов. В начале 80-х гг. в Европе функционировало множество несовместимых национальных систем сотовой связи, что крайне негативно отражалось на стоимости оборудования, делая невозможным ее снижение за счет массовости производства. В 1982 г. в рамках организации Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) была образована рабочая группа под названием Groupe Spe2cial Mobile (GSM), главными задачами которой стали удешевление оборудования, повышение качества связи, поддержка международного роуминга и достижение совместимости с ISDN. К началу 90-х GSM была передана под юрисдикцию European Telecommunication Standards Institute (ETSI). Коммерческое внедрение разработанной технологии началось с середины 1991 г., со временем одна из разновидностей этого стандарта получила распространение и в Северной Америке, а аббревиатуру GSM стали толковать, как Global System for Mobile.

В Европе для восходящего и нисходящего потоков соединения с мобильным терминалом используются диапазоны частот 890—915 MHz и 935—960 MHz. Доступ осуществляется по комбинированной методике TDMA/FDMA. В частотном диапазоне шириной 25 MHz размещается 124 несущих, разделенных промежутками в 200 kHz. Каждая базовая станция привязана к одной или более частотам. В свою очередь передача данных выполняется с разделением по времени. Информация упаковывается в фреймы TDMA, состоящие из 8 элементов длительностью около 0,577 мс, так называемые "временные слоты". Структура данных, размещенная в рамках такого слота, называется "burst" (пакет). Таким образом, одна несущая обслуживает сразу несколько логических каналов, каждому из них отводится определенное количество слотов. Каналы делятся на присвоенные, доступ к которым может иметь только один конкретный мобильный терминал, и общие, или управляющие, доступные всем устройствам в режиме ожидания.

Передача данных осуществляется через Traffic Channel (TCH). Он относится к первой группе и использует в качестве минимальной структурной единицы мультифрейм длительностью 120 мс, состоящий из 26 фреймов (рис. 1). Для упрощения электроники терминалов мультифреймы восходящего и нисходящего потоков передаются последовательно и разделены во времени паузой, равной трем слотам. Это означает невозможность полнодуплексного соединения в сетях GSM. Согласно техническим спецификациям, различают следующие разновидности каналов TCH: голосовые — 14,4 Kbps, данных — 9,6 Kbps, 4,8 Kbps и 2,4 Kbps, а также CBCH — Cell Broadcast Channel. Скорости 14,4 Kbps для данных удается достичь только за счет удаления заголовочной структуры блоков TCH и специальных алгоритмов коррекции ошибок. Так как GSM является цифровой сетью, для передачи не голосовых данных не требуется отдельного модема.

Для инициирования вызовов и прочей служебной информации предназначены управляющие каналы (Control Channels), оперирующие мультифреймами из 51 фрейма. Мобильный терминал может использовать общий канал не только в режиме ожидания, но и во время передачи данных по TCH. Есть несколько типов таких каналов, в том числе:

  • Broadcast Control Channel (BCCH) — однонаправленный канал, по которому постоянно передается информация о параметрах и конфигурации базовой станции;
  • Frequency Correction Channel (FCCH) и Synchronisation Channel (SCH) — используются при синхронизации терминалов с временными параметрами логических каналов;
  • Random Access Channel (RACH), Paging Channel (PCH) — отвечают за инициализацию исходящих и входящих вызовов;
  • Access Grant Channel (AGCH) — обслуживает процедуры присваивания канала.

Разнообразие назначений каналов вызвало появление четырех разновидностей элементарной структуры данных (burst):

  • Normal (нормальная) — общей длиной 156 бит, содержит 114 бит полезных данных;
  • F-burst и S-burst — с иной структурой, но той же длины, используются в каналах FCCH и SCH;
  • Access burst — более короткая, предназначена для канала RACH.

Для передачи цифровых данных через аналоговый радиоканал используется метод гауссовой модуляции с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK). Теоретически полная пропускная способность физического канала составляет около 270 Kbps. По информации Motorola, ее оборудование реально обеспечивает 172 Kbps на одной несущей, базовая станция поддерживает в стандартной конфигурации 6 несущих, хотя в принципе их количество можно увеличить до 24. Это дает нам соты (0,1—70 км) от 1 Mbps до 4 Mbps (если методы увеличения числа несущих не приводят к уменьшению удельной пропускной способности). Частично нейтрализовать влияние аномальных "провалов", возникающих на отдельных участках спектра в результате многопутевого распространения сигналов с появлением отражений, удается периодической сменой частоты (frequency hopping). Каждый следующий фрейм передается на другой частоте, при этом в секунду выполняется 217 "скачков". Схема, по которой осуществляются скачки, постоянно транслируется базовой станцией по каналу BCCH. Несмотря на заявленную совместимость с ISDN, пропускная способность одного присвоенного логического канала не превышает 14 Kbps.

Теперь рассмотрим основные элементы структуры сети GSM (рис. 2). Мобильные терминалы взаимодействуют посредством радиоинтерфейса (Um) с подсистемой базовой станции (Base Station Subsystem), которая включает в себя два основных элемента: Base Tranceiver Station (BTS) и Base Control Station (BCS). Первый из них — это комплекс передатчиков, определяющий элементарную соту сети. Второй — управляющее оборудование, заведующее инициализацией каналов и алгоритмом частотных скачков. Одна BCS может обслуживать сразу несколько BTS, что позволяет разбивать зону обслуживания на более мелкие соты, обмен данными между которыми происходит по стандартному интерфейсу Abis. Вообще максимальное использование стандартизированных протоколов призвано разрубить "гордиев узел" зависимости операторов от одного поставщика оборудования. Все BCS-подсистемы базовой станции связаны с Network Subsystem, где "распоряжается" Mobile services Switching Center (MSC), выполняющий функции коммутатора как для соединений в рамках своей зоны обслуживания, так и при взаимодействии с общественными сетями (PSTN, ISDN и т. д.). MSC в своей работе пользуется услугами четырех других компонентов подсистемы: Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR), Equipment Identity Register (EIR) и Authentication Center (AuC). Первые два отвечают за функции учета и контроля: HLR содержит информацию обо всех подписчиках, зарегистрированных в сети оператора, а VLR оперирует подмножеством данных из HLR (сведения о пользователях, в настоящий момент находящихся в зоне ответственности определенного MSC). Другая "пара" обеспечивает хранение различных идентификационных данных: EIR — описывает все зарегистрированные в сети мобильные терминалы согласно регистру International Mobile Equipment Identity (IMEI), AuC — содержит базу секретных ключей SIM-карт подписчиков.

Обмен данными между всеми компонентами сетевой подсистемы регламентируется стандартом Signalling System 7. Необходимо отметить, что большинство производителей интегрирует VLR с MSC.

Ознакомившись со всем вышеизложенным, читатель, без сомнения, задаст себе резонный вопрос: как же удалось создателям GPRS достичь столь высокой производительности без внесения кардинальных изменений в структуру и технологии GSM? Основная идея General Packet Radio Service состоит в максимальном использовании пакетной идеологии современных цифровых сетей. Учитывая опыт Internet-коммуникаций, легко понять, что передача данных в подобной среде обычно носит неравномерный, "взрывной" характер. Коммутация на уровне пакетов позволяет гибко регулировать доступную пользователю пропускную способность в зависимости от текущей нагрузки на сеть, а значит, более эффективно использовать радиочастотные ресурсы. Согласно методике GPRS, каждый мобильный терминал может занять под свои данные более одного логического канала, соответственно наращивая пропускную способность соединения по формуле: 14,4 Kbps x x кол-во каналов. Выделение радиоресурсов для передачи пакета будет происходить достаточно быстро, задержка не должна превышать 1 секунды. Таким образом, создается иллюзия постоянного подключения к сети.

Для модернизации инфраструктуры оператору потребуется добавить два новых элемента: Serving GPRS Support Node (SGSN) и Gateway GPRS Support Node (GGSN) (см. рис. 2). Между собой SGSN и GGSN связаны высокопроизводительной IP-сетью. SGSN выполняет маршрутизацию пакетов, управление логическими каналами, задачи аутентификации, шифрования и проверки по регистру IMEI. Support Node взаимодействует со всеми архитектурными элементами GSM: базами данных HLR (содержит информацию о подписчиках на услуги GPRS) и VLR, AuC, MSC, а также с BCS посредством Frame Relay. GGSN — это шлюз, связывающий сеть GPRS с внешними сетями IP и X.25. С точки зрения внешнего узла он выглядит как хост, владеющий всеми IP-адресами мобильных терминалов своей зоны обслуживания. Помимо всего вышеперечисленного, чтобы "научить" стандартную BCS обращаться с пакетами, к ней необходимо добавить модуль Packet Сontrol Unit (PCU), в то время как BTS не потребует модернизации вовсе. Традиционный интерфейс Abis по-прежнему может использоваться для подсоединения расширенной BCS с BTS.

Рис. 3

Мобильные терминалы для GPRS будут выпускаться трех классов. Терминалы класса A способны одновременно обрабатывать как пакетные данные, так и голосовые, класса B — работают только в одном из режимов: GSM или GPRS, но переключаются между ними автоматически (например, в случае поступления голосового вызова). При использовании аппаратов класса C режим должен определять пользователь. Наличие специальной SIM-карты для GPRS не является обязательным условием доступа к пакетному сервису.

Прежде чем реализовать функции GPRS, терминал обязан выполнить процедуру регистрации, называемую Attach, после чего становятся возможными функционирование SMS и пейджинг поверх GPRS. Чтобы начать обмениваться данными, терминал должен активировать сетевой адрес, который будет им использоваться. Пакеты, полученные из внешней сети или сгенерированные пользовательским приложением, подвергаются инкапсуляции. Стек протоколов интерфейса Um между мобильным терминалом и BTS выглядит следующим образом (рис. 3):

  • GSM RF реализует протокол физического уровня;
  • Radio Link Control обеспечивает соединение поверх конкретного физического протокола;
  • Medium Access Control осуществляет управление доступом к радиоресурсам;
  • Logical Link Control обеспечивает надежное универсальное соединение, не зависящее от особенностей физического протокола;
  • Subnetwork Dependent Convergence Protocol проецирует характеристики сетевого уровня на нижележащие уровни;
  • IP/X.25 — уже знакомые стандартные сетевые протоколы, с которыми работают программы прикладного уровня.

Процесс разработки стандарта GPRS был изначально разбит на три фазы. Фаза 1 требует реализации соединений типа точка-точка, функций безопасности (в том числе шифрования), поддержки SMS поверх GPRS и механизмов учета, необходимых для вычисления оплаты за объем переданной информации. Документы фазы 2 оговаривают использование специфических сервисов точка-точка и точка-многоточка (широковещательной передачи), вводят понятие "качества сервиса" (QoS). Внедрив GPRS, операторы подготовят инфраструктуру своих сетей к приходу третьего поколения мобильной связи. Использование новых методов модуляции EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) расширяет пределы максимальной пропускной способности, доступной терминалу, до 300—350 Kbps. Полученный гибрид E-GPRS достигает столь высоких скоростей за счет фазовой модуляции по схеме 8PSK.

ETSI был разработан четкий план развития мобильных технологий. Согласно ему, нынешним летом должны быть проведены первые практические тесты GPRS в реальных сетях с максимальной производительностью 28 Kbps, в то время как повсеместное внедрение повышенных скоростей (56—114 Kbps) будет происходить на протяжении двух последующих лет. Предполагается, что модернизированные терминалы в коммерческих объемах станут доступны в начале 2001 г. Фактически, чтобы использовать преимущества GPRS-сервиса, не требуется новых мобильных телефонов, необходимо будет только обновить их встроенное программное обеспечение. А на 2002—2003 гг. намечено начало коммерческой эксплуатации первых сетей UMTS.

Ближайший конкурент GPRS — технология HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) — для получения большей пропускной способности использует тот же принцип объединения нескольких логических каналов. Но основной ее недостаток ясен уже из полного названия. "Circuit Swithed" — коммутация каналов, крайне неудачный подход, особенно в условиях динамического изменения нагрузки на сети GSM. Это все равно, что предложить одному пользователю многоквартирного дома сервис DSL, просто сведя в его квартиру все доступные телефонные линии.

Несмотря на большие потенциальные возможности и всеобщий энтузиазм, не перевелись еще скептики, готовые указать нам на слабые места GPRS. Один из них, Паоло Борелли (Paolo Bourelly) из компании Ericsson, предупреждает о проблемах, поджидающих пользователей Internet, которые захотят осуществить доступ к сети с помощью мобильных терминалов. Существующие Web-приложения, рассчитанные на стабильную проводную сеть, могут не справиться с характерной для сотовой связи прерывистостью соединения, вызванной отражениями и временными ослаблениями сигнала. Обещанные высокие скорости, скорее всего, будут недостижимы в перегруженных городских сетях. Уже сегодня некоторые пользователи попадают в ситуацию, когда выйти на связь невозможно по причине исчерпания свободных каналов в соте. Ведь пакетная технология не предлагает ничего нового, а только позволяет более эффективно использовать существующие ресурсы. Это означает, что если один абонент подключится к сети со скоростью 114 Kbps, то 10 других не смогут даже просто поговорить по телефону. Реальная средняя скорость не будет превышать 30 Kbps, как полагает Борелли. Еще один скептик, Брюс Джексон (Bruce Jackson), глава технического отдела компании Concept Technologies, обращает наше внимание на многочисленные нерешенные технические проблемы: роуминг, межсетевая аутентификация, доступ к защищенным корпоративным сетям — вот лишь основные из них.

Практика: контракты и тесты

Задача внедрения любой технологии связи предполагает вовлечение двух "противоборствующих" сторон: пользователей и провайдеров. Первая желает получить дешевое, мощное, удобное клиентское оборудование и максимально низкие тарифы, другая — первоклассные и выгодные в эксплуатации сетевые подсистемы. Поэтому и мы рассмотрим внедрение GPRS в повседневную практику с двух точек зрения.

Контракты на инсталляцию оборудования между основными производителями и провайдерами заключаются один за другим. Их список вы можете изучить самостоятельно по адресу http://www.gsmworld.com/technology/gprs_10.html. По количеству контрактов пока уверенно лидируют Nokia и Ericsson. Кстати, на том же сайте можно разыскать любопытную таблицу, в которой даны оценки различным аспектам решений, предлагаемых поставщиками. Например, наивысшие баллы за дизайн (гибкость и масштабируемость) получили Alcatel, Ericsson, Lucent, Siemens; за полноту реализации интерфейсов между GSM и GPRS-подсистемами — только Ericsson и Nokia; а за интеграцию различных цифровых сервисов данных (SMS, Circuit Switched Data) — Nokia. От общих слов перейдем к конкретным достижениям производителей оборудования GPRS.

Корпорация Motorola, которая в последнее время очень активно внедряет пакетную технологию, участвует в строительстве национальных GPRS-сетей в Турции (Telsim), Германии (T-Mobil), Франции (Itineris), Чехии (RadioMobil) и Великобритании (BT Cellnet), а также проводит тесты вместе с 20 другими операторами. Например, в этом полугодии были выполнены демонстрационные инсталляции для китайской компании Beijing Mobile Communication, в Австрии — для mobilkom austria и в России — для корпорации МТС. Motorola объявила об организации технологического центра в Берлине, в котором 40 специалистов займутся разработкой оборудования для GPRS-сетей. В настоящий момент корпорация предлагает решения на базе модернизированной серии комплексов Aspire, соответствующей требованиям спецификаций первой фазы. В мае в ходе конференции Expanding Horizons, которая проходила в Барселоне, Motorola продемонстрировала передачу видеопотока в формате MPEG-4 из Internet на мобильный терминал — видеотелефоны из фантастических произведений становятся все более реальными. Кроме этого, всем участникам была предоставлена возможность заказывать билеты в местные кинозалы, театры и на любые текущие общественные мероприятия с помощью мобильных телефонов с поддержкой GPRS. Была применена технология интеллектуальных программ-агентов, которые, получив заказ, самостоятельно подыскивали предложения, наилучшим образом удовлетворяющие заданным критериям, а пользователь своевременно получал отчеты о проделанной работе по сотовой связи.

Шведский концерн Ericsson при заключении контрактов выступает, в основном, в роли поставщика и в роли производителя оборудования, хотя, согласно соглашению с финским оператором Sonera, сеть будет основываться на мобильных терминалах и сетевой инфраструктуре Nokia. Из последних его достижений необходимо отметить эксклюзивные контракты со Swisscom, владельцем немалой (2,5 млн. подписчиков, или одна треть населения) пользовательской базы в Швейцарии, и австралийским оператором Greater Sydney.

К маю абсолютный рекордсмен внедрения GPRS-технологии — корпорация Nokia — объявила о завершении 40 инсталляций своего нового базового оборудования для мобильных сетей во всем мире. Столь бурная деятельность позволила финнам заявить о доступности комплекта из компонентов Nokia SGSN, Nokia GGSN и Nokia Charging Gateway для поставок в коммерческих объемах. Корпорация уже подписала контракты со многими европейскими (в том числе с польским Polkomtel и российским "Вымпелком") и азиатскими операторами.

Каждого человека, и в особенности сотрудников телекоммуникационных компаний, не может не беспокоить качество оборудования, установленного в базовой сети, а также уровень интеграции различных цифровых и аналоговых сервисов. Но прежде всего его будет волновать функциональность небольшого устройства, лежащего в кармане пиджака. Многие крупные поставщики мобильных терминалов уже объявили о планах производства или даже показали первые опытные модели сотовых телефонов с поддержкой GPRS. Дальше всех, пожалуй, зашла компания Ericsson — 5 июня она представила первый в мире мобильный телефон R520, совместимый не только с GPRS и HSCSD, но и с Bluetooth. Этот уникальный комбайн, оснащенный WAP-броузером, будет тестироваться в течение третьего и четвертого кварталов 2000 г., а в следующем — начнутся коммерческие поставки. Планируется, что время его работы от батарей составит 7,5 часов в режиме разговора и более 200 часов в режиме ожидания, а вес не превысит 105 г. Motorola также не отстает и для всех своих GSM-серий мобильных телефонов, за исключением семейных, готовит "апгрейды" — новые модели с поддержкой GPRS и Bluetooth. Так, анонсированы модели Timeport P7389i и P7489. Первая — трехдиапазонный мобильный терминал классов B и C c WAP-броузером, поставки должны начаться в текущем квартале. Вторая, призванная объединить технологии GPRS и Bluetooth в "одном корпусе", работает в трех диапазонах, вес заявлен на уровне 100—110 г. Ее выпуск намечен на первый квартал следующего года. К сожалению, другие компании пока не разглашают информацию о своих GPRS-совместимых моделях мобильных телефонов. Но даже из имеющихся сведений становится ясно — когда первые коммерческие пакетные сотовые сети начнут функционировать, пользователи без терминалов не останутся. Особенно, если учесть тот факт, что любой мобильный телефон можно превратить в мощный беспроводной модем, обновив лишь так называемые firmware, или встроенные микропрограммы. А время неумолимо движется вперед, и совсем недавно британский оператор BT Cellnet, крупнейший партнер Motorola, наметил открытие первой в мире коммерческой сети GPRS на 26 июня. Вначале услуги пакетной связи будут доступны только в южных районах Англии за исключением Лондона. Столицу и оставшуюся часть Великобритании планируется охватить сервисом только через два месяца после начала эксплуатации. Сперва будет установлен щадящий тариф — 15 фунтов в месяц и лимит на загрузку данных в пределах 50 MB, при превышении которого пользователь будет вынужден платить по полтора фунта за каждый дополнительный мегабайт.

Что ж, GPRS взяла "высокий старт", и внедрение технологии происходит с темпами, достойными следующего тысячелетия. Остается только надеяться на благополучный исход первых крупномасштабных экспериментов и ожидать появления в Украине провайдеров, заинтересованных в этой высокопроизводительной и экономной технологии беспроводной связи.