GPRS - Pakietowa transmisja danych

GPRS jest najnowszą techniką przesyłania danych opracowaną na potrzeby sieci GSM. Jest to technologia transmisji danych metodą pakietową. Zwiększenie szybkości przesyłania informacji za pomocą tego rodzaju transmisji jest znacznie bardziej ekonomicznym rozwiązaniem dla transportu danych. Technika ta uznawana jest za kolejną fazę rozwoju GSM w kierunku trzeciej generacji (UMTS).

Parametry i istota działania

Transmisja pakietowa umożliwia przesłanie danych wielu użytkowników w postaci pakietów poprzez współdzielone kanały - analogicznie jak w sieciach komputerowych, gdy wiele komputerów wykorzystuje zasoby sieci. Dzięki GPRS abonentom nie rezerwuje się dedykowanego kanału na czas trwania połączenia, lecz umożliwia się transmisję danych w chwili wysyłania i odbierania danych.

Pakiety z informacją mogą być przekazywane niezależnie, zwykle z pewnym opóźnieniem. Każdy pakiet danych musi zawierać adres przeznaczenia, co umożliwia ich transportowanie przez sieć nawet różnymi trasami. Oznacza to również, że pakietowa transmisja danych sprawdza się nie tylko przy transporcie niejednorodnym i nieprzewidywalnym, ale nadaje się także do obsługi strumieni o dużej asymetrii kierunków transportu oraz wymagających wysokich przepływności. Ponadto protokoły transmisji bezprzewodowej GPRS oparte są na protokołach internetowych IP, łatwo więc mogą współpracować z istniejącymi protokołami IP w sieci stacjonarnej. Możliwe będzie umieszczenie sieci GPRS jako podsieć Internetu a więc też sytuacja, w której każdy terminal GPRS będzie miał swoje odrębne IP (będzie hostem).

Z łącza radiowego korzysta się wyłącznie w trakcie przesyłania konkretnego pakietu danych, nie angażując przepływności kanału radiowego poza jego transmisją. Dzięki temu systemy komórkowe z przekazem pakietowym dobrze radzą sobie z dużym nasileniem ruchu w sieci, a użytkownicy mogą korzystać z szybkich i nieprzerwanych połączeń z Internetem. Ponadto stałe łącze sygnalizacyjne z siecią internetową w istotny sposób skraca czas nawiązywania konkretnych połączeń (co daje dużą przewagę GPRS w takich obszarach jak np. autoryzacja kart kredytowych), a implementowane w systemie bardziej wydajne sposoby kodowania zwiększają upakowanie informacji w kanale radiowym. Ponieważ GPRS nie posiada ograniczeń standardowej transmisji (9.6 kbps) i SMS (160 znaków), może więc spowodować, ze operatorzy sieci komórkowych staną się pełnoprawnymi dostarczycielami Internetu.

GPRS teoretycznie oferuje prędkości transmisji zaczynając od 9,05 kb/s, a kończąc na 171,2 kbit/s. Maksymalną, lecz niestety jedynie teoretyczną, prędkością jaką pozwala uzyskać jest 171,2 kb/s przy równoczesnym użyciu 8 szczelin czasowych. To około trzy razy szybciej od dotychczas najszybszej, możliwej transmisji i niemal dziesięć razy szybciej od transmisji standardowo dostępnej w sieci GSM.

Dostępne prędkości transmisji danych zależą również od sposobu kodowania nadawanych informacji. Zdecydowano, że do celów transmisji pakietowej wykorzystane będą cztery typy zapisywania danych (Coding Schemes), różniące się od siebie liczbą kontrolnych bitów parzystości przypadających na każdą porcję informacji.

Schematy kodowania mogą zmieniać się dynamicznie podczas transmisji. Obecnie stosuje się tylko kodowanie CS1 i CS2, gdyż nie ma obecnie możliwości technicznych zaimplementowania schematów CS3 i CS4 w istniejących sieciach GSM.

Rzeczywiste prędkości uzależnione są od typu posiadanego aparatu (a więc możliwości obsługi określonej liczby kanałów) oraz od warunków propagacyjnych panujących w danej lokalizacji. Obecne telefony umożliwiają transmisję GPRS wykorzystując od 2 do 3 kanałów, co daje maksymalne prędkości transmisji odpowiednio 26,8 kbit/s i 40,2 kbit/s.

Kanały GPRS

GPRS wykorzystuje częściowo kanały logiczne standardowego GSM, jednak podstawą jego funkcjonowania są wydzielone kanały logiczne do obsługi ruchu pakietowego. Zależnie od konfiguracji i obciążenia komórki ruchem, kanały pakietowe mogą występować w różnych kombinacjach.

Szczelina czasowa TDMA, którą wykorzystuje GPRS nazywana jest PDCH (Packet Data Channel).

W zależności od przeznaczenia kanału PDCH, może on zawierać różne kanały logiczne:

Pakiety informacji w sieci GPRS zorganizowane są w bloki TBF (Temporary Block Flow), które są tworzone na potrzeby przesłania informacji pakietowych zarówno do terminala, jak i do stacji bazowej. Charakterystyczną cechą bloków TBF jest brak korelacji pomiędzy blokami TBF wysyłanymi w łączu uplink i downlink dla tego samego terminala. Każdy blok TBF wyposażony jest w unikalny w skali komórki numer identyfikacyjny TFI (Temporary Flow Identity). Blokami TBF steruje i zarządza kontroler PCU. Ilość wysyłanych bloków TBF jest podstawową miarą ruchu w sieci GPRS.

W sieci GSM o wyborze komórki pracy decyduje sterownik BSC, podobnie sytuacja wygląda w przypadku przełączenia komórek (Handover). Natomiast w sieci GPRS, to terminal decyduje o wyborze komórki pracy (Cell selection) i ewentualnych ponownych selekcjach komórek w przypadku zmieniających się warunków propagacji sygnału. Proces ten w systemie GPRS nosi nazwę Cell re-selection i jest niezależny od parametrów odpowiedzialnych za Handover w komórce. Kryteria wyborów komórek GPRS (C31 i C32) są analogiczne do znanych z systemu GSM kryteriów C1 i C2, jednak zawierają dodatkowe funkcjonalności do sterowania ruchem pakietowym w sieci i obowiązują wyłącznie dla ruchu pakietowego. W szczególnym przypadku, procedura Cell re-selection może być poprzedzona całkowitym zanikiem sygnału z komórki aktualnie obsługującej terminal, nie powinno nastąpić w takim przypadku zjawisko zerwania połączenia (kontekstu PDP). Po procedurze Cell-reselection i wyborze innej komórki, następuje wznowienie transmisji.

Podczas procedury Cell re-selection, terminal sprawdza czy nie zmienił się jego obszar przywołań dla ruchu pakietowego RA (Routing Area), jeżeli taka zmiana nastąpiła terminal wykonuje procedurę aktualizacji położenia (RA update). W przypadku gdy zmienia się również obszar przywołań dla komutacji łączy, terminal jednocześnie wykonuje procedurę aktualizacji położenia dla komutacji łączy (Location Update).

Obszary przywołań LA (Location Area) i obszary przywołań RA (Routing Area) w sieciach, w których ruch pakietowy jest stosunkowo niski, mogą się pokrywać. Jednak dla zwiększającego się ruchu GPRS, zaleca się zmniejszać obszary przywołań RA, ze względu na znacznie zwiększający się ruch na kanałach sygnalizacyjnych GPRS.

Zastosowanie

Taryfikacja

Transmisja danych wykorzystująca najnowszą transmisję GPRS po raz pierwszy uzależniła opłatę za połączenie od liczby przesłanych lub odebranych danych, a nie jak dotychczas - od czasu trwania sesji. Abonent może więc korzystać z wybranych aplikacji w ciągu wielu godzin, płacąc tylko za wymienione dane. Ponieważ nie płacimy za czas połączenia, możemy znacznie obniżyć rachunki za korzystanie z usług WAP. Dodatkowo nie musimy czekać aż nasz modem uzgodni protokół i warunki transmisji z drugim modemem, GPRS umożliwia nam prawie natychmiastowe podłączenie.

Infrastruktura

Zanim można było skorzystać z GPRS-a, należało przystosować samą sieć telefoniczną do obsługi transmisji pakietowej. Wymóg ten był oczywisty, ponieważ sieć była budowana na potrzeby komunikacji przeprowadzanej z wykorzystaniem komutacji łączy. Ingerencja w strukturę istniejących sieci GSM była jednak niewielka i obyło się bez zmian w wykorzystywanym już sprzęcie.

Zainstalowano nowe typy urządzeń dedykowanych do obsługi nowej techniki transmisji danych:

Wady

Mimo wielu zalet ten sposób transmisji pakietowej ma również swoje wady. Przede wszystkim osiągana przepustowość nie pozwala na dostarczanie wideo w czasie rzeczywistym - wymagającego przepływności nie mniejszych niż 384 kb/s.

Poza tym GPRS wpływa na obniżenie możliwości przeprowadzania rozmów telefonicznych. Może się zdarzyć, że gdy w zasięgu stacji bazowych znajdzie się zbyt wiele osób przesyłających dane (np. odbierających naraz pocztę elektroniczną) pojawią się kłopoty podczas próby zarejestrowania w sieci "zwykłych" użytkowników. (Aby rozwiązać problemy z pojemnością sieci i jej ograniczoną przepływnością można zastosować technologię EDGE, która wykorzystuje bardziej wydajny niż w sieciach GSM sposób modulacji fali elektromagnetycznej.)

Dodatkowo dane przesłane w postaci pakietów mogą napotkać ograniczenia w konstrukcji samych aparatów. Problemem jest niemożliwość jednoczesnego nadawania i odbioru we wszystkich ośmiu szczelinach terminalu przenośnego z powodu zakłócania toru odbiorczego przez aktywne kanały nadawcze. Do czasu rozwiązania tego problemu większość terminali GPRS będzie przystosowana do integracji trzech, czterech lub pięciu szczelin przyporządkowanych do jednego połączenia użytkownika.

Innym zagadnieniem jest sposób zasilania telefonów przenośnych działających w standardzie GSM/GPRS. Ponieważ w trakcie nadawania moc pobierana ze źródła zasilającego wzrasta pięciokrotnie w stosunku do mocy pobieranej podczas odbioru komunikatów, przedłużanie czasu pracy nadajnika w czasie wywiera destrukcyjny wpływ na ogólną żywotność akumulatora telefonu komórkowego. W przypadku wykorzystywania jednej szczeliny czasowej nie ma to większego znaczenia dla czasu pracy telefonu, ale przy rozszerzaniu pasma o kolejne szczeliny czasowe wpływa znacząco również na żywotność zasilania bateryjnego.

Problem ten jest istotny w sytuacjach, gdy użytkownik chce przekazywać muzykę, transmitować pliki graficzne i rozsyłać ogromne zasoby danych. Należy wtedy stosować specjalne akumulatory o podwyższonej żywotności i zwiększonej pojemności energii.

Urządzenia obsługujące GPRS

Aby korzystać z transmisji pakietowej należy zaopatrzyć się w specjalny aparat. Podstawowe parametry jakimi cechują się telefony pracujące w technice GPRS to klasa telefonu , liczba obsługiwanych kanałów transmisji i sposób kodowania w kanale (obecnie CS-1 i CS-2).

Nowe urządzenia dostępne są w trzech odmianach:

Terminal GPRS posiada wszystkie właściwości zwykłego telefonu komórkowego GSM i umożliwia przyjmowanie rozmów w czasie korzystania np. z serwisów WAP. Po odebraniu połączenia sesja WAP jest zawieszana na czas trwania rozmowy i po jej zakończeniu można powrócić do stron WAP.

Wykorzystując technologię GPRS możemy sufrować po sieci posługując się przeglądarką WAP lub używać go jako zwykłego modemu do komputera czy notebooka.