...
...

Мобильный Интернет: между прошлым и будущим

Мобильный Интернет: между прошлым и будущим Сегодня беспроводная связь позволяет людям жить и работать так, как никогда ранее. Условия работы и жизни все большего количества пользователей требуют возможности принимать и передавать данные в офис, где бы они ни находились; возможности эффективного доступа к электронной почте, Интернету и корпоративным сетям, к файлам, факсимильным сообщениям и другим данным там и тогда, где и когда это необходимо. Такие возможности повышают конкурентоспособность пользователей и делают их стиль жизни более гибким. Именно поэтому важным этапом развития сотовой связи является внедрение стандарта GPRS (General Packet Radio Service) — пакетной передачи данных в сетях GSM, которая обеспечивает ранее невиданные возможности.
Внедрение этого стандарта открывает новую эру беспроводного информационного бизнеса на основе GSM-сетей, которые в данный момент ориентированы в основном на передачу голоса. GPRS обеспечивает новую, пакетно-ориентированную архитектуру сети (совместимую с Интернет), которая позволит операторам сотовой связи и другим компаниям предлагать широкий диапазон доходных и ценных услуг. Поскольку мобильная связь становится частью жизни современного человека, у ее подписчиков нарастает потребность доступа к информации в реальном режиме времени. Феномен Интернета, а также возможность одновременной передачи голоса и данных делают внедрение GPRS следующим шагом на пути развития беспроводных коммуникаций.

Эволюция, но не революция
Прежде чем рассказать о структуре и особенностях GPRS-сетей, мы совершим небольшой экскурс в технологию GSM, для того чтобы понять, почему возможность высокоскоростной передачи является ее органичным дополнением.
В начале 80-х годов 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 году в рамках организации Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) была образована рабочая группа под названием Groupe Special 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 года, а со временем одна из разновидностей этого стандарта получила распространение и в Северной Америке. Аббревиатуру GSM с тех пор стали толковать как Glo-bal System for Mobile.
В Европе для соединения с мобильным терминалом используются диапазоны частот 890-915 МГц и 935-960 МГц. Доступ осуществляется по комбинированной методике TDMA/FDMA. В частотном диапазоне шириной 25 МГц размещается 124 несущих частоты, разделенных промежутками в 200 КHz.

Каждая базовая станция привязана к одной или более частотам. В свою очередь передача данных выполняется с разделением по времени. Информация упаковывается во фреймы TDMA, состоящие из 8 элементов длительностью около 0,577 мс каждый — так называемые временные слоты. Структура данных, размещенная в рамках такого слота, называется burst (пакет).
Каналы делятся на присвоенные, доступ к которым может иметь только один конкретный мобильный терминал (т.е. сотовый телефон), и общие, или управляющие, доступные всем устройствам в режиме ожидания. Передача данных осуществляется через Traffic Channel (TCH). Абоненты полосы разделены во времени. Каждому абоненту соответствует один кадр. Восемь кадров объединяются во фрейм. 26 фреймов, в свою очередь, образуют мультифрейм, который повторяется циклически. Длина мультифрейма — 120 миллисекунд. На один кадр приходится 1/200 мультифрейма, т.е. около 0,6 мс. Этот кадр относится к первой группе и используется в качестве минимальной структурной единицы.
Для упрощения электроники терминалов мультифреймы входящих и исходящих потоков передаются последовательно и разделены во времени паузой, равной трем слотам. Это означает невозможность одновременной (дуплексной) передачи данных в обоих направлениях в сетях GSM.
Согласно техническим спецификациям, различают следующие разновидности каналов передачи: голосовые — 14,4 кбит/с, данных — 9,6 кбит/с, 4,8 кбит/с и 2,4 кбит/с. Скорости 14,4 кбит/с для данных удается достичь только за счет удаления части служебной информации при передаче и специальных алгоритмов коррекции ошибок. Так как GSM является цифровой сетью, для передачи неголосовых данных отдельного модема не требуется. Для передачи цифровых данных через аналоговый радиоканал используется метод гауссовой модуляции с минимальным сдвигом (GMSK). Максимально возможная пропускная способность при использовании этого способа составляет около 270 кбит/с. Но из-за того, что необходимо бороться с аномальными "провалами" при передаче, возникающими в результате многопутевого распространения сигналов с появлением отражений, реальная пропускная способность одного канала не превышает 14 кбит/с.
Теперь рассмотрим основные элементы структуры сети GSM (рис. 1). Мобильные терминалы взаимодействуют посредством радиоинтерфейса (Urn) с подсистемой базовой станции (Base Station Sub-system), которая включает в себя два основных элемента: Base Tranceiver Station (BTS) и Base Control Station (BCS). Первый из них — это комплекс передатчиков, определяющий элементарную ячейку сети — соту. 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, который успешно используется уже давно для связи различных электронных компонент различных производителей. Вообще максимальное использование стандартизированных протоколов призвано разрубить "гордиев узел" зависимости операторов от одного поставщика оборудования.
Все BCS-подсистемы базовой станции связаны с Подсистемой Сети, где "распоряжается" Mobile Services Switching Center (MSC) — коммутатор как для соединений в рамках своей зоны обслуживания, так и при взаимодействии с общественными сетями (проводная сеть общего пользования — PSTN, ISDN и т.д.).

MSC в своей работе пользуется услугами четырех других компонентов подсистемы: реестры собственных абонентов и гостей (HLR и VLR), а также реестры авторизации и секретности (EIR и 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 коммутатора (MSC) — гостевых абонентах).
Два других реестра используются для целей авторизации и секретности. Реестр Идентификации Оборудования (EIR) представляет из себя базу данных, содержащую список пригодного в данной сети мобильного оборудования, где каждая мобильная станция идентифицируется Международным Идентификатором Мобильного Оборудования (IMEI — International Mobile Equipment Identity). IMEI маркируется как некорректный, если было получено сообщение о том, что мобильная станция была украдена или данный тип станции не был апробирован. Центр Авторизации Доступа (AuC) представляет из себя базу данных с высокой степенью защиты, хранящую копию секретного ключа, сохраняемого в SIM-карте каждого абонента, служащего для авторизации доступа абонента и определения способа шифрования при передаче информации по радиоканалу.
Таким образом, становится понятно, что ограничение на скорость передачи данных в сетях GSM в виде 14,4 кбит/с — это неотъемлемая часть самой системы. Тем более интересным представляется действительно изящное решение создателей GPRS, которые смогли решить проблему скорости передачи данных без глобального изменения стандарта.
Основная идея GPRS состоит в максимальном использовании пакетной идеологии современных цифровых сетей. Учитывая опыт интернет-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 кбит/с x n, где n — количество каналов. Выделение радиоресурсов для передачи пакета будет происходить достаточно быстро, задержка при передаче не должна превышать 1 секунды. Таким образом, создается иллюзия постоянного подключения к сети.

Для модернизации инфраструктуры оператору потребуется добавить всего два новых элемента: Serving GPRS Support Node (SGSN) и Gateway GPRS Support Node (GGSN) (см. рис. 1). Между собой SGSN и GGSN связаны высокопроизводительной IP-сетью. SGSN выполняет маршрутизацию пакетов, управление логическими каналами, задачи аутентификации, шифрования и проверки мобильных терминалов 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 Х.25, т.е. обеспечивающий выход в Интернет. С точки зрения внешнего узла он выглядит как хост, владеющий всеми IP-адресами мобильных терминалов своей зоны обслуживания.
Существуют мобильные терминалы для GPRS трех классов. Терминалы класса А способны одновременно обрабатывать как пакетные данные, так и голосовые; класса В — работают только в одном из режимов: GSM или GPRS, но переключаются между ними автоматически — именно к этому классу относятся большинство современных трубок с поддержкой GPRS. При использовании аппаратов класса С режим должен определять сам пользователь. При этом для доступа к пакетному сервису GPRS не нужна специальная SIM-карта — абоненту достаточно подписаться на услугу у оператора. Разумеется, GPRS-телефоны обычно используют в тандеме с какими-то другими аппаратами — ноутбуком, карманным компьютером и т.п.
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 и суммировав их пропускную способность.

А что в итоге?
Если отойти от технических терминов и говорить языком, понятным для любого владельца сотового телефона, то GPRS — это постоянное виртуальное соединение с оплатой за фактически полученные данные, а не за время соединения. Ширина частотной полосы определяется потребностями, а быстрая настройка вызова — это дополнительный плюс для наиболее "продвинутых" пользователей и аргумент эффективной конкуренции с наземными линиями связи.
Операторы связи не понесут больших затрат на переоборудование своих сетей для введения сервиса GPRS, хотя емкость системы при передаче данных может увеличиться по сравнению с сетями циклической коммутации от 2 до 10 раз. Неоспоримое достоинство GPRS — полная совместимость с протоколом IP, а значит — простой доступ к Интернету и электронной почте. Кроме того, GPRS — ступенька к архитектуре и функциональным возможностям сетей третьего поколения — UMTS.
Услугу GPRS уже ввели многие европейские GSM-операторы. В Москве сервис GPRS уже достаточно востребован — абоненты крупнейших сотовых операторов МТС и "Билайн" имеют возможность им пользоваться. У МТС сервис GPRS находится в режиме тестовой эксплуатации до 31 августа с.г., после чего будет запущен в основную эксплуатацию. Поэтому пока московские абоненты МТС могут наслаждаться скоростным доступом в Интернет бесплатно. Скорости передачи данных в GPRS пока сравнимы с модемными, однако в перспективе максимальная скорость должна составить около 172 кбит/с. Безусловно, появление МТС на белорусском мобильном рынке свидетельствует о том, что появление услуги GPRS и в РБ тоже не за горами.

Глоссарий терминов
TDMA (Time Division Multiple Access)
Множественный доступ с разделением по времени — способ использования радиочастот, когда в одном частотном слоте находится несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты для передачи. В GSM один частотный слот делится на 8 временных, а, например, в DAMPS используется 3 слота.
FDMA (Frequency Division Multiple Access) Множественный доступ с разделением по частотам — способ использования радиочастот, когда в одном частотном слоте находится только один абонент, разные абоненты используют разные частоты в пределах соты. Используется в основном в аналоговых сетях (NMT-450, AMPS и т.д.).
GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Модуляция Гаусса. Модуляция, основанная на изменении фазы несущей частоты.
UMTS (Universal Mobile Tele-communications System), Универсальная Система Мобильных Телекоммуникаций — это один из стандартов, разрабатываемый Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения сетей 3G в Европе.

Вацлав Антонов, info@mobil.by


© Компьютерная газета

полезные ссылки
Аренда ноутбуков
Ремонт ноутбуков в центре Минска