GPRS изнутри

Доработка GSM-сети для предоставления услуг высокоскоростной передачи данных GPRS можно условно разделить на две формы — программную и аппаратную. Если говорить о программном обеспечении, то оно требует либо замены или обновления практически везде — начиная с реестров HLR-VLR и заканчивая базовыми станциями BTS. В частности, вводится режим многопользовательского доступа к временным кадрам каналов GSM, а в HLR, например, появляется новый параметр Mobile Station Multislot Capability (количество каналов, с которыми одновременно может работать мобильный телефон абонента, но об этом ниже).

Рис. 1 Структурная схема сети GPRS.

Ядро системы GPRS (GPRS Core Network) состоит (рис. 3.1) из двух основных блоков — SGSN (Serving GPRS Support Node — узел поддержки GPRS) и GGPRS (Gateway GPRS Support Node — шлюзовой узел GPRS). Остановимся на их функциях более подробно.

SGSN является, грубо говоря, мозгом рассматриваемой системы. В некотором роде SGSN можно назвать аналогом MSC — коммутатора сети GSM. Появились так же как и MSC, SGSN, в системе может быть и не один — в этом случае каждый узел отвечает за свой участок сети. Например, SGSN производства компании Motorola имеет следующие характеристики: каждый узел поддерживает передачу до 2000 пакетов в секунду, одновременно контролирует до 10000 пользователей находящихся online. Всего же в системе может быть до 18 SGSN Motorola.

Назначение GGSN можно понять из его названия — грубо говоря, это шлюз между сотовой сетью (точнее, ее частью для передачи данных GPRS) и внешними информационными магистралями (Internet, корпоративными интранет-сетями, другими GPRS системами и т.д.). Основной задачей GGSN, таким образом, является роутинг (маршрутизация) данных, идущих от и к абоненту через SGSN. Вторичными функциями GGSN является адресация данных, динамическая выдача IP-адресов, а также отслеживание информации о наружные сети и собственных абонентов (в том числе тарификация услуг).

Отметим, что в GPRS-систему заложена хорошая масштабируемость — при появлении новых абонентов оператор может увеличивать число SGSN, а при эскалации суммарного трафика — добавлять в систему новые GGSN. Внутри ядра GPRS-системы (между SGSN и GGSN) данные передаются с помощью специального туннельного протокола GTP (GPRS Tunneling Protocol).

Еще одной составной частью системы GPRS является PCU (Packet Control Unit — устройство контроля пакетной передачи). PCU стыкуется с контроллером базовых станций BSC и отвечает за направление трафика данных непосредственно от BSC к SGSN.

В перспективе (при ориентации системы на мобильный Интернет) возможно добавление специального узла — IGSN (Internet GPRS Support Node — узел поддержки Интернет).

За управление и контроль GPRS-системы отвечает OMC-R / G (Operation and Maintenance Center — Radio / GSN — центр управления и обслуживания радио / узла GPRS: на рис. Не показан). Это, так называемый, интерфейс между системой и обслуживающим ее персоналом.

Прежде чем приступить к работе с GPRS, мобильная станция, так же как и в обычном случае передачи голоса, должна зарегистрироваться в системе. Как уже было сказано, регистрацией (а, точнее, «прикреплением» (attachment) к сети) пользователей занимается SGSN. В случае успешного прохождения всех процедур (проверки доступности запрашиваемой услуги и копирования необходимых данных о пользователе из HLR в SGSN) абоненту выдается P-TMSI (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity — временный номер мобильного абонента для пакетной передачи данных), аналогичный TMSI, который назначается мобильному телефона для передачи голоса (кстати, если абонентский терминал относится к классу А, то ему при регистрации выделяется как TMSI, так и P-TMSI).

Для быстрой маршрутизации информации к мобильному абоненту GPRS-система нуждается в данных о его местоположении относительно сети, причем с большей точностью, чем в случае передачи голосового трафика (напомню, HLR и VLR хранят номер Location Area (LA), в которой находится абонент). Но представьте себе, как возрастет служебный трафик в сотовой сети и расход энергии мобильным аппаратом, если телефон будет информировать систему каждый раз при переходе от одной соты к другой! Чтобы найти компромисс между объемом сигнального трафика в сети GPRS и необходимостью знать с высокой точностью местонахождение абонента принято деление терминалов на три класса:

· IDLE (неработающий). Телефон отключен или находится вне зоны действия сети. Очевидно, что система не отслеживает перемещение подобных абонентов.

· STANDBY (режим ожидания). Аппарат зарегистрирован (прикреплен) в GPRS-системе, но уже долгое время (определяемое специальным таймером) не работает с передачей данных. Местоположение STANDBY-абонентов известно с точностью до RA (Routing Area — область маршрутизации). RA мельче, чем LA (каждая LA разбивается на несколько RA, но, однако, RA крупнее, чем сота, и состоит из нескольких элементарных ячеек).

· READY (готовность). Абонентский терминал зарегистрирован в системе и находится в активной работе. Координаты телефонов, находящихся в режиме READY, известны системе (а, точнее, SGSN) с точностью до соты. Согласно этой идеологии, терминалы, находящиеся в STANDBY-режиме, при переходе из одного RA в другой посылают SGSN специальный сигнал о смене области маршрутизации (routing area update request). Если новая и старая RA контролируется одним SGSN, то смена RA приводит лишь к корректировке записи в SGSN. Если же абонент переходит в зону действия нового SGSN, то новый SGSN запрашивает у старого информацию о пользователе, а MSC, VLR, HLR и GGSN уведомляются о смене SGSN. Когда телефон, работающий с GPRS-системой, перемещается в другую LA, то SGSN отправляет соответствующему VLR сообщение о необходимости изменения записи о местонахождении абонента.

Интересно обстоят дела с маршрутизацией данных в случае роуминга GPRS-абонента. При этом возможны два варианта, или, целесообразнее сказать, сценарии. SGSN в обоих случаях используется гостевой (VSGSN — Visited SGSN), а вот GGSN может использоваться либо гостевой (VGGSN — Visited GGSN), или домашний (HGGSN — Home GGSN). В последнем случае между домашним и гостевым операторами должна существовать GPRS-магистраль (InterPLMN GPRS BackBone — GPRS-линия между разными мобильными сетями) для передачи трафика между HGGSN и мобильным абонентом. Кроме того, появляется необходимость в BG (Border Gateway — граничный шлюз) с обеих сторон с целью обеспечения защиты сетей от атак извне.

Следует отметить такой важный параметр, как Qo (Quality of Service — качество сервиса). Очевидно, что видеоконференция в режиме реального времени и отправки по электронной почте предъявляют различные требования, например, к задержкам на пути пакетов данных. Поэтому в GPRS существует несколько классов Qo, которые подразделяются по следующим признакам:

· Необходимом приоритета (существует высокий, средний и низкий приоритет данных);

· Надежности (разделение на три класса по количеству возможных ошибок разного рода, потерянных пакетов и т.п.);

· Задержкам (задержки информации вне GPRS-сети в расчет не принимаются);

· Количественным характеристикам (пиковое и среднее значение скорости);

Класс Qo выбирается индивидуально для каждой новой сессии передачи данных.

Кроме Qo, в характеристику сессии передачи данных входит тип протокола (PDP type — Packet Data Protocol type) PDP-адрес, выданный мобильной станции (выдача адресов бывает как статической, так и динамической), а также адрес GGSN, с которым идет работа. «Профиль» сессии (в англоязычной литературе принято обозначение «PDP context») записывается в телефон, а также в обслуживающие его SGSN и GGSN. Одновременно может поддерживаться несколько профилей передачи данных для каждого пользователя.

Вообще говоря, пакетная передача данных предусматривает два режима «соединений»:

1. PTP (Point-To-Point);

2. PTM (Point-To-Multipoint).

Широковещательный режим PTM в свою очередь подразделяется на два класса:

1. PTM-M (PTM-Multicast) — передача необходимой информации всем пользователям, находящимся в определенной географической зоне;

2. PTM-G (PTM-Group Call) — данные направляются определенной группе пользователей.

Поддержка режима «multipoint» передачи информации PTM ожидается в будущих спецификациях GPRS.

Следовательно основными характеристиками протокола GPRS являются эффективное использование радио-и сетевых ресурсов, а также полностью прозрачная поддержка протокола IP. GPRS оптимизирует использование сетевых и радиоресурса. Протокол GPRS использует радиоресурса только в тех случаях, когда реально требуется принять или передать данные. Используя пакетную технологию, этот протокол позволяет приложениям использовать сетевые ресурсы только тогда, когда пользовательские приложения имеют данные для передачи через сеть. Таким образом, протокол адаптирован к неравномерному характеру трафика пользовательских приложений.

Еще одной важной характеристикой GPRS является обеспечение немедленного соединения и высокая пропускная способность. Поддерживаются приложения, базирующиеся на стандартных протоколах передачи данных, таких, как IP и Х.25. Для поддержки приложений передачи данных протокол GPRS использует несколько новых сетевых узлов, в дополнение к сетевым узлам, применяемым в GSM PLMN. Эти узлы отвечают за маршрутизацию трафика и реализацию других функций обмена с внешними сетями коммутации пакетов, поиск абонентов, выбор ячеек, роуминг и многие другие функции, необходимые для обеспечения работы сотовой сети. Кроме того, GPRS использует протоколы GSM SMS и GSM MM (последний в GPRS называется GMM).