Pull to refresh

GPRS изнутри. Часть 1

Network technologies *Cellular communication
Этим циклом статей я хотел бы рассказать хабраобществу о технологиях пакетной передачи данных в сетях мобильных операторов. Мы рассмотрим принципиальные схемы Packet Switched (PS) Core Network, заглянем в стек протоколов используемых для коммуникации между различными сетевыми элементами, а также более подробно рассмотрим функции основных элементов, которые позволяют нам использовать пакетную передачу в мобильных сетях. Конкретно в этой статье речь пойдет о самых распространенных на данный момент технологиях GPRS/EDGE.


История

Итак, что же мы имели в плане передачи данных в начале развития мобильных сетей операторов.
Начнем наш «отсчет» с т.н. CSD [Circuit Switched Data]. Данная технология появилась в стандарте GSM и позволяла устанавливать соединения с помощью модема, встроенного или подключенного в аппарат абонента, при этом абоненту на передатчике базовой станции выделялся все лишь один таймслот (TS), скорость передачи не превышает 9,6 кбит/с.
Передача данных с помощью CSD, практически ничем не отличается от обычного голосового вызова, т.к. на время вызова Вы полностью занимаете канал и посему тарификация такого соединения осуществляется поминутно и естественно на заре развития мобильных сетей была отнюдь не малой.
Следующим этапом развития передачи данных в мобильных сетях, стало улучшение технологии CSD — появилась технология HSCSD (en) [High Speed CSD]. Использование этой технологии позволило увеличить скорость передачи данных за счет объединения 4 TS + была увеличена пропускная способность одного канала до 14,4 Кбит/с за счет использования «упрошенных» методов корректировки ошибок. Тем самым максимальная пропускная способность для HSCSD составляла 57,6 Кбит/с.
Несмотря на небольшую скорость передачи и поминутную тарификацию, эта технология продолжает пользоваться популярностью для передачи небольших объемов данных в системах, например, охранных сигнализаций (показания счетчиков, индикаторов), прежде всего из-за простоты использования на современных аппаратах.

Все изменилось с появлением (спецификации Phase 1 появились в 2000/2001 гг.) пакетной технологии передачи данных — GPRS [General Packet Radio Service], которая существенно увеличила пропускную способность канала передачи данных (максимальная скорость передачи, при условии использования 8 TS — 171,2 кбит/с), а также использовала коммутацию пакетов, в отличие от коммутации каналов в CSD/HSCSD, что позволило более эффективно использовать ресурсы на базовых станциях, но в то же время эта технология «потребовала» внесения в структуру сети дополнительных элементов — SGSN, GGSN.
Принципиально технология EDGE [Enhanced Data rates for GSM Evolution] практически ничем не отличается от GPRS, т.к. может быть реализована на уже существующей сети. Изменения при внедрении EDGE касаются изменения схем кодирования на радиоинтерфейсе, а также изменения ПО на сетевых элементах. Максимальная скорость, которую может предоставить EDGE составляет 473,6 кбит/с (8 тайм-слотов x 59,2 кбит).

Таким образом технологии GPRS/EDGE, по сравнению с технологиями с коммутацией каналов (CSD/HSCSD), позволила предоставить конечному пользователю:
  • высокую скорость передачи
  • меньшее время на открытие сессии
  • более выгодные тарифы использования
  • тарификация по объему переданных данных, а не поминутно
  • не занимать весь канал на время передачи данных

Появление нового принципа передачи данных в мобильных сетях, потребовало внесения изменений в архитектуру самой сети GSM, что ж давайте взглянем на архитектуру сети…

Схема сети

Что же из себе представляет т.н. PS Core Network? Давайте взглянем на принципиальную схему GSM архитектуры.
image

Пояснения к схеме:
AuC — Authentification Centre
BSC — Base Station Controller
BTS — Base Transceiver Station
CGF — Charging Gateway Function
EIR — Equipment Identification Register
GGSN — Gateway GPRS Support Node
GMSC — Gateway MSC
HLR — Home Location Register
ISDN — Integrated Services Digital Network
MSC — Mobile Switching Center
PSDN/PDN — Public Switched Data Network/Packet Data Network
PSTN — Public Switched Telephone Network
SGSN — Serving GPRS Support Node
VLR — Visiting Location Register

Основным элементом в сетевой архитектуры GPRS, является SGSN. Как видим из схемы, SGSN связан различными интерфейсами с большинством элементов архитектуры GSM сети. Неотъемлемым «спутником» SGSN'а в пакетной сети оператора является GGSN, который является своеобразным мостом между IP Backbone оператора и другими Packet Data Networks (PDN). Железным исполнением GGSN может выступать «обычный» роутер Cisco, но также есть отдельные решения от вендоров Nokia Siemens Networks (NSN), Huawei, etc. В большинстве случаев на сети оператора присутствует несколько подобных элементов, что в свою очередь определяется емкостью сети и нагрузкой на территории.

Функционально SGSN позволяет:
  • предоставлять абонентам возможность передавать и получать пакетные данные
    (mobile internet/wap/mms/intranet)
  • проводить аутентификацию и авторизацию абонентов
  • предоставлять биллинговые данные оператору
  • передавать SMS_over_IP
  • предоставлять интерфейсы для государственных органов
  • контролировать и обновлять данные об абонентах в HLR/MSC, т.н. Mobility Management
  • осуществлять управление сессиями пользователей

Возможные интерфейсы, связывающие SGSN с различными элементами сети, представлены на рисунке ниже.
image
Сейчас не будем рассматривать все интерфейсы SGSN, а остановимся только на нескольких ключевых моментах.

Все интерфейсы, которые связаны с SGSN'ом обозначают с буквы «G» (прошу не путать с соответствующей точкой), многие из них являются обязательными, другие вносят определенную функциональность и являются вспомогательными. В частности, Gs интерфейс (между MSC и SGSN) позволяет получать и принимать голосовые услуги во время пользования услугами GPRS. Интерфейс Gd (между SMS-GMSC и SGSN) позволяет отправлять SMS сообщения через пакетную сеть*.
* — кстати, услуга отправки SMS, является ярким примером того, как операторы не любят снижать свои доходы, т.к. отправка SMS через пакетную сеть, практически в 2-3 раза дешевле для конечного пользователя, то операторы часто «отказываются» от использования это функциональности, но в тоже время можно отметить, что покрытие GPRS есть не везде. Обычно в аппарате, функция отправки SMS настраивается через: Сообщения -> Настройки сообщений -> Текстовые сообщения -> Использовать пакетные данные.
Два вышеупомянутых интерфейса являются не обязательными, но добавляют определенную функциональность в сеть оператора. В качестве технологий, используемых для передачи данных между различными интерфейсами могут выступать FR/IP/ATM, но в последнее время есть тенденция к переходу на IP Backbone, как наиболее легко реализуемого в техническом плане, так и экономически выгодного транспорта для обмена данными.

Принцип работы

Вкратце, принцип работы пакетной сети можно можно описать так:
1. выделение ресурсов для пакетной передаче на стороне контроллера базовых станций*
* — при этом учитывается приоритет голосовых сервисов.
2. проведение процедуры аутентификации абонента (GPRS Attach), включая идентификацию терминала абонента, т.н. IMEI Check*
* — является опциональным.
3. обновление информации о местоположении абонента в HLR
4. согласование ключей шифрования потока
5. установление коммуникации между оконечным устройством абонента и PS Core Network, что в терминологии архитектуры GPRS/EDGE называется активацией PDP (Packet Data Protocol) Context'а и зависит от типа запрашиваемых данных — Mobile internet/Intranet/Wap/MMS/SMS_over_IP
6. после окончания использования услуг пакетной передачи, производиться отключение абонента — деактивация PDP Context'а
7. в случае, если терминальное устройство абонента настроено не на постоянный коннект с пакетной сетью (проверить это на большинстве аппаратов можно в Меню -> Настройки -> Подключение устройств -> Пакетные данные -> Пакетное подключение -> По требованию/Постоянный доступ), то будет произведенная операция, обратная начальной аутентификации и авторизации абонента, т.н. GPRS Detach.

Более детально этот раздел мы рассмотрим во второй части статьи. Определим, какие данные передаются во время процесса авторизации, а также какие данные хранятся на стороне абонента/SGSN'а, коснемся немного алгоритмов шифрования, используемых в архитектуре GPRS/EDGE.

Перспективы

Перспективными технологиями, которые могут улучшить технологии GPRS/EDGE являются их прямые «наследники» — EGPRS2/Evolved EDGE, которые поддерживают такие вендоры, как Nokia Siemens Networks (NSN) и Nortel (технологии были стандартизированы 3GPP Rel-7).
Для перехода к Evolved EDGE достаточно провести апгрейд ПО на действующей сети EDGE, при этом поставщики обещают, что технология Evolved EDGE может более, чем вдвое повысить эффективность использования спектра, если сравнивать с тем, как это сделано в EDGE.
В частности, после перехода на новый стандарт, пользователям станет доступно скачивание данных из сети со скоростями вплоть до 1.2 Мбит/с (Downlink — направление от базовой станции к абоненту), пересылка данных в направлении к базовой станции (Uplink) со скоростью до 473 кбит/с.
По заявкам производителей, такой путь эволюции технологии GSM обеспечит для операторов эффективный по стоимости переход к технологиям следующих поколений, в частности — LTE и полную совместимость по услугам между GSM и следующими поколениями мобильной передачи данных.

Заключение

В конце статьи хотел написать, что это мой первый топик на хабре, чтобы сильно не пинали и все такое… но потом решил не писать, т.к. как же можно понять понравилась статья или нет, если нет критики со стороны читателей. Посему, вопросы/замечания/уточнения/угрозы приветствуются, если понравиться статья, то все это будет учтено в следующих работах.

Ссылки по теме:
Tags:
Hubs:
Total votes 67: ↑67 and ↓0 +67
Views 25K
Comments Comments 86