GPRS изнутри. Часть 1

20 апреля 2010  |  Рубрики: Theory

Этим циклом статей я хотел бы начать рассказ 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 [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.

SGSN Interfaces



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 GPRS
  • 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.

SGSN Interfaces

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 этой 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 GPRS
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 пост в блоге, 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:

 

If you enjoyed this post, make sure you subscribe to my RSS feed!
Автор:
9 комментариев | 18 326 просмотров

Комментарии (9) к статье: "GPRS изнутри. Часть 1"

  • Привет! Небольшая корректива:

    IMEI Check*
    * – является опциональным.

    Вообще говоря вещь обязательная. Коммутатор в любом случае запрашивает IMEI. Другое дело, что дальше проверяется он только на Украине, в остальных странах он просто хранится в VLR.

    • Неа, у тебя в сети может даже быть такого сетевого элемента как EIR, собственно с базой которого сверяется IMEI, полученный от мобильного терминала, т.к. процедура проверки IMEI как раз является опциональной согласно спецификации… правда на вскидку не готов назвать какой номер спецификации 🙂

      На Украине, у одного крупного оператора… долгое время по IMEI осуществлялась проверка пары значений IMEI/IMSI(MSISDN) для того, чтобы отсылать настройки WAP/MMS/Internet при смене SIM карты в аппарате, а было все это реализовано как раз на базе платформы EIR’а, т.к. не было законодательно закреплена обязательная проверка IMEI. Хотя даже когда она сейчас закреплена, система в целом не работает опять…

      А вот с чего вдруго IMEI храниться в VLR’е??? Не совсем понял…

      • Подозреваю, что у нас на сети так и сделана проверка высылаемых настроек 🙂 Клёвая идея, не знал!

        По повод хранения IMEI в VLR:

        Почему это так, к сожалению, ответить не могу, скорее всего в спецификациях прописана как обязательная процедура.

        Просто я сужу по 2 фактам:
        1. Когда провожу драйв-тесты, постоянно запрашивается IMEI моей трубки, хотя реально у нас EIR’а нету
        2. Часто работаю со статистикой, которую как раз собирают по IMEI’ам, например, процент трубок, поддерживающих 3G, процент USB модемов и т.п..

        Видимо процедура запроса IMEI VLR’ом у трубки обязательна, а процедура его проверки опциональна, вывод такой напрашивается 🙂

        • Смотри… IMEI (или как чаще бывает IMIESV) используется в сборе биллинг данных, вот собственно поэтому он постоянно запрашивается при твоих тестах.

          К тому же я могу судить лишь со стороны пакетной сети, там для SGSN’а процедура проверки IMEI является опциональной, а вот для MSC/VLR она может быть и обязательно, но опять же как ты уже удачно подметил – сама процедура обязательна, а вот его проверка не обязательна…

      • Вот скриншот-пример запроса из трейсов радиоинтерфейса. Снято на нашей сети.

  • отличные статьи..


Поля отмеченные * нужно в любом случае заполнить. Пожалуйста, не оставляйте ссылки на интернет-магазины, коммерческие сайты и аналогичные им сообщения - они будут расценены как спам и будут удаленны. Кстати, это dofollow блог.

 

?Раньше искали

CombiSGSN GGSN SGSN GPRS Attach PDP Context SMS over GPRS SMSC GTP-C GTP-U IMSI 

!На хостинг

#Счетчики

Rambler's Top100