Відмінності між версіями «Архітектура GPRS»

Поточна версія на 00:49, 10 грудня 2014

Після введення GPRS (2002 р.) голос та дані можна передавати за одним і тим же номером. Нижче, на мал. 1, наведено структуру системи GPRS (GPRS Core Network). [1]

     Служба передачі даних GPRS надбудовується над існуючою мережею GSM. На структурному рівні систему GPRS можна розділити на дві частини: підсистему базових станцій (BSS) і ядро мережі GPRS (GPRS Core Network). У BSS входять всі базові станції і контролери, які підтримують пакетну передачу даних. Для цього BSC (Base Station Controller) доповнюється блоком управління пакетами - PCU (Packet Controller Unit), а BTS (Base Tranceiver Station) - кодуючим пристроєм CCU (Channel Codec Unit).       Ядро мережі GPRS включає в себе абсолютно нові мережеві елементи, що призначені для обробки пакетів даних і забезпечення зв'язку з мережею Інтернет.Основним мережевим елементом є сервісний вузол підтримки GPRS - SGSN (Serving GPRS Support Node). Він займається обробкою пакетної інформації і перетворенням кадрів даних GSM у формати, використовувані протоколами TCP/IP. призначення пакетного комутатору - розвантаження GSM-коммутатора, забезпечуючи обробку пакетної інформації, залишаючи звичайному комутатору лише голосовий трафік. Шлюзи із зовнішніми мережами (Internet, intranet, X.25) називають GGSN (Gateway GPRS Support Node). Обмін інформацією між SGSN і GGSN відбувається на основі IP-протоколів.      Також до складу GPRS Core входять DNS (Domain Name System) і Charging Gateway (шлюз для зв'язку з системою тарифікації). [[2]] Архітектура GPRS розширює стандартні компоненти GSM новими або оновленими елементами. В цілому, таких елементів всього 4, з яких тільки 2 не були відомі в технології GSM. Нижче буде докладніше розглянуто структуру системи GPRS. [3]

До складу GPRS-мережі входять 4 основних компоненти:

• мобільна станція (Mobile Station, MS)
• базова станція (Base Station System, BSS)
• вузол обслуговування абонентів (Serving GPRS Support Node, SGSN)
• вузол маршрутизації GPRS (Gateway GPRS Support Node, GGSN).

Також GPRS-мережа містить у своєму складі 3 типи реєстрів:

• реєстр власних абонентів мережі (Home Location Register, HLR)
• реєстр переміщень (Visitor Location Register, VLR)
• реєстр ідентифікаційних даних устаткування (Equipment Identity Register, EIR). [4]

Мобільна станція

     MS (mobile station) - це мобільна станція, в якості якої може виступати переносний або кишеньковий комп'ютер, мобільний телефон або інший пристрій, що підтримує технологію GPRS. Функціонально даний елемент складається з 2-х компонентів, які можуть бути виконані як у вигляді єдиного пристрою (наприклад, мобільний телефон Sony Ericsson T68i), так і у вигляді самостійних пристроїв:

• термінальне устаткування (terminal equipment, TE), наприклад, переносний комп'ютер;
• мобільний термінал (mobile terminal, MT), наприклад, модем.

Залежно від типу устаткування і можливостей мережі дана станція може працювати в одному з 3-х режимів роботи:

• Клас A - дозволяє мобільній станції в один і той же час передавати як дані, так і голос, тобто одночасно працювати в GSM- і GPRS-мережах.
• Клас B - дозволяє мобільній станції передавати і дані і голос, але в різні моменти часу, тобто не одночасно.
• Клас C - дозволяє мобільній станції працювати тільки в режимі GPRS.

При підключенні до мережі GPRS, мобільна станція (а точніше елемент TE) отримує IP-адресу, яка не змінюється до моменту відключення мобільного терміналу (MT); більш того, мобільна станція може навіть і не "підозрювати" про те, що вона є мобільною. Мобільна станція встановлює з'єднання з вузлом обслуговування абонентів GPRS, що описується далі. [[5]]

Базова станція

     BSS (base station system) - це базова станція, яка приймає радіосигнал від мобільної станції і, залежно від того, що передається (голос або дані), транслює трафік:

• на центр комутації (mobile switching center, MSC), що є стандартним елементом мережі GSM, або
• на вузол SGSN, що відповідає за обробку вхідних/вихідннх даних GPRS.

Головні функції BS це:

• прийняти радіосигнал від MS (або навпаки, відправити його на MS),
• розпізнати цей сигнал (дізнатися, що це за сигнал: голос або пакетні дані, оскільки мережі GPRS і GSM використовують однакові частоти, що виключає можливість розпізнавання сигналу за частотою) і залежно від того, що передається, передати трафік на:
  • MSC (mobile switching center) - центр комутації, що є стандартним елементом GSM-мережі;
  • SGSN.

Виходить, що базова станція є загальним елементом GPRS-, і GSM-мереж, що, поза сумнівом, «радує» операторів стільникового зв'язку. Базова станція складається з:

• приймально-передавальної базової станції (BTS, Base Transereceiver Station), яка здійснює прийом і передачу інформації між антеною і BSC (BSC, Base Station Controller),
• контролеру базової станції, основна функція якого - управління розподілом радіоканалів і розподіленні інформації на дані і голосову;
• пристрою контролю пакетної передачі (PCU, Packet Control Unit), який стикується з контролером базових станцій BSC і відповідає за напрям трафіку даних безпосередньо від BSC до SGSN. [6]

Вузол обслуговування абонентів GPRS ( SGSN )

     Обслуговуючий вузол (англ. Serving GPRS Support Node, SGSN - вузол обслуговування абонентів GPRS) є основним компонентом GPRS-системи з реалізації всіх функцій обробки пакетної інформації. Він транслює IP-пакети, відіслані/отримані мобільною станцією. За своєю суттю, це такий же центр комутації, як і MSC в GSM, але на відміну від останнього, він комутує пакети, а не канали. Як правило, такий вузол побудований на базі ОС Unix і має свою IP-адресу. SGSN виконує наступні функції:

• контроль доставки пакетів даних користувачам;
• взаємодія з реєстром власних абонентів мережі HLR або аутентифікація (перевірка дозволу на запит користувачами послуги); механізм співпадає з механізмом аутентифікації в GSM;
• моніторинг тих, що знаходяться в режимі on-line користувачів;
• перетворення кадрів GSM у формати, використовувані протоколами TCP/IP глобальної комп'ютерної мережі Internet;
• реєстрація або «прикріплення» (attachment) абонентів, що знов «з'явилися» в зоні дії мережі;
• шифрування даних; алгоритм шифрування в технології GPRS (GEA1, GEA2, GEA3) відрізняються від алгоритмів шифрування в GSM (A5/1, A5/2, A5/3), але розроблені на їх основі;
• збір білінгової інформації, що надходить, пересилка її до головного офісу і т.п..

Пакетний комутатор покликаний розвантажити GSM комутатор, забезпечуючи обробку пакетної інформації, залишаючи звичайному комутатору лише голосовий трафік. [[7]], [[8]]

Вузол маршрутизації GPRS ( GGSN )

     Вузол маршрутизації (GPRS Gateway Service Node, GGSN; також його ще називають шлюзовим вузлом), також є найважливішим елементом технології GPRS і що забезпечує маршрутизацію даних між GPRS Core network (GTP) і зовнішніми IP мережами. З погляду зовнішньої мережі GGSN - це звичайний маршрутизатор (як і SGSN, побудований на базі Unix) між стільниковою мережею (її частиною для передачі даних GPRS) і зовнішніми інформаційними магістралями пакетної передачі даних PDNs (Packet Data Networks): Internet, корпоративними мережами Intranet, іншими GPRS-системами. GGSN містить всю необхідну інформацію про мережі, куди абоненти GPRS можуть отримувати доступ, а також параметри з'єднання. Також GGSN приймає дані для всіх передплатників послуг GPRS. Крім маршрутизації, GGSN відповідає за видачу IP-адрес і тарифікацію послуг, а саме - може брати участь у процесі активації PDP контексту, забезпечуючи запити на аутентифікацію до RADIUS серверу, а також взаємодія з DNS-серверами для визначення IP-адреси за запитом користувача APN. Отже, підведемо підсумки щодо основних функцій GGSN, головною з яких є маршрутизація даних, що йдуть до абонента (через SGSN). Основними функціями GGSN є:

• адресація даних;
• динамічна видача IP-адрес;
• відстежування інформації про зовнішні мережі і власних абонентів (зокрема тарифікація послуг);
• зберігання маршрутизуючої бази даних, бази даних з адресами та фільтруючої бази даних.

У GPRS-систему закладена добра масштабованість. При збільшенні числа абонентів оператор може збільшувати місткість системи GPRS за рахунок розширення або установки додаткових пакетних комутаторів SGSN. При збільшенні сумарного трафіку (при неістотному збільшенні числа абонентів) - додавати до системи нові GPRS-шлюзи GGSN і системи базових станцій, які забезпечать велику сумарну пропускну спроможність всієї системи. [[9]], [[10]]

Інші елементі GPRS-мережі

Home Location Register (HLR) - це реєстр власних абонентів мережі, яка зберігає інформацію про кожну людину, що сплатила послуги оператора GPRS саме даної мережі. Зокрема, HLR зберігає інформацію про додаткові послуги, параметри аутентифікації, IP-адресу і т.д. Обмін даною інформацією відбувається між HLR і SGSN.

Visitor Location Register (VLR) - це реєстр переміщень, яка зберігає інформацію про кожну мобільну станцію, що знаходиться в даний момент в зоні дії SGSN. У VLR зберігається та ж інформація про абонента, що і в HLR, але тільки до тих пір, поки абонент не покине географічну зону, що обслуговується цим реєстром переміщень.

Equipment Identity Register (EIR) - це реєстр ідентифікаційних даних устаткування, який містить інформацію, що дозволяє блокувати виклики від вкрадених, шахрайських або інших неавторизованих пристроїв. [[11]]

Ще однією складовою частиною системи GPRS є PCU (Packet Control Unit -пристрій контролю пакетної передачі). PCU стикується з контроллером базових станцій BSC і відповідає за напрям трафіку даних безпосередньо від BSC до SGSN. За управління і контроль GPRS-системи відповідає OMC-R/G (Operation and Maintenance Center - Radio/GSN - центр управління і обслуговування радіо/вузла GPRS). Це інтерфейс між системою і обслуговуючим її персоналом. Для передачі даних базова станція BSS виділяє мобільному терміналу в кадрі довільне число тайм-слотів: від 0 до 8. Причому допустиме асиметричне призначення ресурсів. Тобто під час пакетної передачі ресурси лінії зв'язку «вгору» і «вниз» задаються незалежно. Абонентські термінали GPRS, що випускаються в даний час, підтримують від 2 до 4 каналів «вниз» для прийому інформації і до 2 каналів «вгору» для передачі, що дозволяє отримати максимальну швидкість прийому 57,6 кбіт/с і передачі до 28,8 кбіт/с. Очікується поява моделей GPRS терміналів, що підтримують до 7 каналів. Перспектива появи нових апаратів з підтримкою великої кількості каналів, що працюють на максимально можливих швидкостях передачі даних, викликає певний неспокій у фахівців. Пристрої GPRS при роботі на високих швидкостях можуть виходити за рамки максимального допустимого рівня радіовипромінювання. Наприклад, при роботі із швидкістю 30 - 40 кбіт/с стільниковий телефон 4 класу (2 Вт) випромінює потужністю до 0,75 Вт, що перевищує потужність при роботі голосового каналу. Будь-який канал зв'язку працює в неідеальних умовах, тому в GSM використовують надмірне кодування. Більш того, в технології GPRS можливі 4 схеми кодування даних: від CS1 (для роботи в умовах сильних перешкод) до CS4 (для роботи при мінімальних перешкодах). Таким чином, при постійній швидкості в каналі кількість переданої корисної інформації залежить від умов роботи МТ і базової станції. Чим гірше перешкодна обстановка, тим менше корисної інформації можна передати за одиницю часу. [12]

Як відомо, в стандарті GSM використовується багатостанційний доступ з тимчасовим розділенням каналів (TDMA). Структура цифрового інформаційного потоку побудована на основі так званих TDMA кадрів, кожен з яких складається з 8 часових позицій (слотів). У кожному з часових слотів передається інформація свого каналу: мова або дані. У мережі GSM з GPRS для підвищення швидкості передачі проводиться об'єднання часових слотів. Для передачі даних виділяється від 1 до 7 слотів, теоретично - 8. У режимі GPRS слот може формуватися за допомогою чотирьох схем перешкодостійкого кодування (CS-1 ... CS-4), які відрізняються швидкістю передачі і кодування, а також рівнем захисту від помилок. Чим менше швидкість кодування, тим вище рівень захисту від помилок. Таким чином, за залучення всіх 8 часових слотів і використанні найвищої швидкості кодування (без захисту від помилок) швидкість передачі даних в режимі GPRS може скласти 21,4 x 8 = 171,2 кбіт/с. [13]