Доклад по дисциплине "Компьютерные сети"

на тему: "Технологии беспроводной связи GPRS, EDGE, EV-DO

1. Технология GPRS

GPRS - это радио-сервис, основанный на пакетной коммутации, который дает возможность постоянного - "always on" - соединения, вытесняя трудоемкое и отнимающее много времени соединение через dial-up.

GPRS (пакетная радиосвязь общего пользования) - это стандарт ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для пакетной коммутации в системах GSM (глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи, с разделением каналов по времени (TDMA) и частоте (FDMA).

GSM оцифровывает и сжимает данные, затем пересылает их по каналу с двумя другими потоками пользовательских данных, каждый в своем собственном временном интервале (в тайм-слоте). Функционирует на частоте либо 900 МГц, либо 1800 МГц.

GPRS является т.н. накрадывающейся технологией, распространяемой на сетях GSM, CDMA и TDMA. Эта технология применяет новый метод эффективной передачи пакетных данных по радиосетям. Технология пакетной коммутации основана на методах IP и X.25, оба из которых очень популярны и широко используются во многих сетях. Пакетная коммутация GPRS работает в целом так же, как и пакетная коммутация IP, то есть данные расщепляются на пакеты и пересылаются по назначению разными путями по сети, затем снова собираются на принимающей стороне. Пакетная коммутация GPRS допускает любой существующий трафик IP или X.25 для пересылки данных через радиосеть GPRS.

Сеть GPRS - наложенная сеть, располагающаяся поверх инфраструктур GSM. Ключевые компоненты сети GPRS включают:

* PCU- Блок управления пакетами, дающий возможность станциям GSM пересылать и получать пакеты при GPRS коммуникациях.

* SGSN - Часть инфраструктуры GSM, ответственная за отсылку и получение пакетов от абонентов в своем районе обслуживания. Этот блок также производит авторизацию, контактируя с сервером и проверяя информацию о пользователе. Кроме того, он отслеживает маршрут перемещений абонента, чтобы иметь возможность надлежащим образом распределять ресурсы, а также собирает поступающую биллинговую информацию (сбор информации об использовании: трафик, скорость и т. д), пересылая ее в главный офис.

* GGSN - Компонент сети GSM, ответственный за взаимодействие с интернет и другими общественными сетями, передающими данные и голос. Компонент хранит маршрутизирующую базу данных, базу данных с адресами и фильтрующую базу данных.

* GTP - Туннелирующий протокол GPRS, основанный на протоколах TCP/IP, инкапсулирующий пакеты IP и X.25, приходящие из узлов SGSN в GGSN.

Когда пользователь GPRS делает звонок, устройство GPRS контактирует со станцией GSM, которая в свою очередь обращается к станции SGSN (Часть инфраструктуры GSM, ответственная за отсылку и получение пакетов от абонентов в своем районе обслуживания), которая взаимодействует с другими станциями SGSN или станциями GGSN (Компонент сети GSM, ответственный за взаимодействие с интернет и другими общественными сетями, передающими данные и голос), если ей нужно получить доступ к сети другого рода (IP или X.25). Для пользователя GPRS соединение получается "бесшовным", нет процедуры "установления звонка". Технология GPRS, накладываемая поверх сети GSM, изначально была предназначена для того, чтобы динамически и индивидуально распределять радио-ресурсы GSM "попакетно", по мере необходимости. Если к соте GSM одновременно подключается сразу много пользователей GPRS, и сота GSM не способна поддерживать такой объем голосового трафика, станция GPRS воспользуется радио ресурсами соседних сот GSM. Таким образом, в реальности пользователи GPRS обслуживаются многими сотами GSM одновременно, когда в этом возникает необходимость. Итак, SGSN получает запрос на соединение, запрашивает информацию о профиле пользователя из узла HLR и производит аутентификацию пользователя. В этой точке может осуществляться шифрование. SGSN использует информацию о профиле (включая имя точки доступа, которое идентифицирует сеть и оператора) для определения, к которому узлу GGSN производить маршрутизацию. Выбранные ворота могут предоставлять сервис удаленной аутентификации пользователя (Remote Authentication Dial-In User Service, RADIUS) и назначать динамический адрес интернет протокола (IP) пользователю перед настройкой соединений во внешние сети. Этот процесс называется "контекстная активация пакетного профиля данных" и установки могут варьироваться от оператора к оператору. Он может включать дополнительные функции, такие как менеджмент QoS (Quality of Service - качество сервиса) и менеджмент виртуальных частных сетей (virtual private network, VPN). Когда мобильное устройство выключено или находится вне зоны покрытия GPRS, его контекст дезактивируется и устройство отсоединяется от сети.

Когда мобильный пользователь посылает данные, узел SGSN направляет пакеты на соответствующий узел GGSN. GGSN затем направляет данные в соответствии с текущим "контекстом", устанавливаемым для данной сессии. В обратном направлении, пакеты, предназначенные для пользователя, направляются в GGSN, ассоциированный с IP адресом пользователя. Узел GGSN проверяет полученные пакеты в соответствии с текущим контекстом, идентифицирует SGSN, обслуживающий данного пользователя и направляет движение в соответствующем направлении. Узел SGSN затем пересылает пакеты на базовую станцию, где находится пользователь.

2. Преимущества и недостатки GPRS

Преимущества:

1) Всегда он-лайн

2) Большая ширина покрытия

3) Устойчивость соединения: пользовательские данные кодируются с некоторой избыточностью, что улучшает их устойчивость к неблагоприятным радио условиям.

Недостатки:

1) Низкая скорость передачи данных: около 50кбит/с при хорошем приеме сигнала

2) Ограниченная емкость соты: Потребность в SMS как в дополнительном носителе, использующем другой тип радиоресурсов.

3) Неоптимальная модуляция: GPRS основан на технологии модуляции, известной как GMSK (Gaussian minimum-shift keying). Сети EDGE основаны на новой модуляционной схеме, допускающей гораздо более высокие скорости передачи данных через воздушный интерфейс - это называют модуляцией 8 PSK (eight-phase-shift keying).

3. Технология EDGE

Технология EDGE, как нетрудно догадаться из ее названия (которое можно перевести как "улучшенные скорости передачи данных для эволюции GSM-стандарта") обеспечивает более высокую пропускную способность для передачи и приема данных

1. EDGE не является новым стандартом сотовой связи.

Однако, EDGE подразумевает дополнительный физический уровень, который может быть использован для увеличения пропускной способности сервисов GPRS. При этом, сами сервисы предоставляются точно так же, как и раньше. Теоретически, сервис GPRS способен обеспечивать пропускную способность до 160 Кбит/с (на физическом уровне, на практике же поддерживающие GPRS Class 10 или 4+1/3+2 аппараты обеспечивают лишь до 38-42 Кбит/с и то, если позволяет загруженность сети сотовой связи), а EGPRS - до 384-473,6 Кбит/с. Для этого необходимо использование новой модуляционной схемы, новых методов кодирования каналов и коррекции ошибок.

2. EDGE, по сути, является "надстройкой" (вернее, подстройкой, если считать, что физический уровень находится ниже остальных) к GPRS и не может существовать отдельно от GPRS. EDGE, как уже было сказано выше, подразумевает использование иных модуляционных и кодовых схем, сохраняя совместимость с CSD-сервисом голосовой связи.

Таким образом, с точки зрения клиентского терминала, с внедрением EDGE не должно измениться ничего. Однако, инфраструктура базовой станции претерпит некоторые изменения, хотя и не такие уж серьезные. Помимо увеличения пропускной способности для передачи данных, внедрение EDGE увеличивает емкость сети сотовой связи: в один и тот же тайм-слот (Таймслот - в системах связи, где применяется множественный доступ с разделением по времени или временное уплотнение - единица разделения канала) можно теперь "упаковать" большее количество пользователей, соответственно, можно надеяться не получать сообщение "сеть занята" в самые неподходящие моменты.

Хотя и в EDGE, и в GPRS в единицу времени отправляется одинаковой число символов, благодаря использованию другой модуляционной схемы, число бит данных в EDGE втрое больше. Сразу оговоримся здесь, что приведенные в таблице значения пропускной способности и скорости передачи данных отличаются друг от друга из-за того, что в первой также учитываются заголовки пакетов, пользователю ненужные. Ну, а максимальная скорость передачи данных в 384 Кбит/с (требуемая для соответствия спецификациям IMT-2000) получается в том случае, если используется восемь тайм-слотов, то есть, на каждый тайм-слот приходится по 48 Кбит/с.

4. Модуляционная схема EDGE

В стандарте GSM применяется модуляционная схема GMSK (Gaussian minimum shift keying, кодирование по сдвигу Гауссового минимума), являющейся разновидностью фазовой модуляции сигнала.

Для пояснения принципа схемы GMSK рассмотрим фазовую диаграмму, на которой изображена действительная (I) и мнимая (Q) часть комплексного сигнала. Фаза передаваемых логических "0" и "1" отличаются друг от друга фазой p. Каждый передаваемый в единицу времени символ соответствует одному биту.

В технологии EDGE применяется модуляционная схема 8PSK (8-phase shift keying, сдвиг фазы, как видно из рисунка, равен p/4), используя все те же спецификации структуры частотных каналов, кодирования и ширины полос, как в GSM/GPRS. Соответственно, соседние частотные каналы создают ровно те же взаимные помехи, как и в GSM/GPRS. Меньший сдвиг фазы между символами, в которые теперь кодируется не один бит, а три (символы соответствует комбинациям 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111), делает задачу детектирования сложнее, особенно если уровень сигнала невысок. Впрочем, в условиях хорошего уровня сигнала и стабильного приема, дискриминировать каждый символ не составляет большого труда.

5. Кодирование

В GPRS возможно применение четырех разных схем кодирования: CS1, CS2, CS3 и CS4, в каждой из которых используется свой алгоритм коррекции ошибок. Для EGPRS разработано девять схем кодирования, MCS1..MCS9, соответственно, назначение которых также в обеспечении коррекции ошибок. Причем в "младших" MSC1..MSC4 используется модуляционная схема GMSK, в "старших" MSC5..MSC9 - модуляционная схема 8PSK. На рисунке представлена зависимость скорости передачи данных от использования разных модуляционных схем вкупе с разными схемами кодирования (скорость передачи данных меняется в зависимости от того, как много требуемой для работы алгоритмов коррекции ошибок избыточной информации закладывается в каждый кодируемый пакет). Нетрудно догадаться, что чем хуже условия приема (отношение сигнал/шум), тем больше приходится закладывать избыточной информации в каждый пакет, а значит, тем меньше скорость передачи данных. Небольшое отличие в скорости передачи данных, наблюдаемое между CS1 и MCS1, CS2 и MCS2, и т. д., связано с разницей в величине заголовков пакетов.

Впрочем, если соотношение сигнал/шум невелико, не все потеряно: в старших модуляционно-кодовых схемах EGPRS MCS7, MCS8, MCS9 предусмотрена процедура "наложения": так как стандарт способен отправлять группы пакетов на разных несущих (внутри частотного диапазона), для каждой из которых условия (и прежде всего - "зашумленность") могут быть разными, в этом случае повторной передачи всего блока можно избежать, если знать, в какой группе произошел сбой и повторно транслировать именно эту группу. В отличие от старшей кодовой схемы GPRS CS4, где не используется аналогичный алгоритм коррекции ошибок, в EGPRS MCS7, MCS8, MCS9 разные блоки данных "накладываются" друг на друга, поэтому при сбое в одной из групп (как показано на рисунке), повторной пересылке подлежит лишь половина пакетов.

Если по каким-то причинам пакет, отправленный с использованием "старших" схем кодирования, не был корректно принят, EGPRS позволяет его ретранслировать заново с использованием "пониженной" кодировочной схемы. В GPRS такой возможности, названной "ресегментацией" (resegmentation), предусмотрено не было: некорректно принятый пакет отправляется вновь по той же модуляционно-кодировочной схеме, что и в предыдущий раз.

6. Окно адресации (addressing window)

Прежде чем последовательность кодированных (то есть, в которые закодированы "слова", состоящие из нескольких бит) пакетов (фрейм) может быть передана по радиочастотному интерфейсу, передатчик присваивает пакетам идентификационный номер, включенный в заголовок каждого пакета. Номера пакетов в GPRS составляют от 1 до 128. После того, как последовательность пакетов (например, 10 штук) отправлена адресату, передатчик ждет от приемника подтверждения того, что они были приняты. В отчете, который приемник отправляет обратно передатчику, содержатся номера пакетов, которые были успешно декодированы, и которые получатель декодировать не смог. Важный нюанс: номера пакетов принимают значения от 1 до 128, а ширина адресного окна - всего 64, вследствие чего вновь передаваемый пакет может получить такой же номер, как в предыдущем фрейме. В этом случае протокол вынужден повторно отправлять весь текущий фрейм, что отрицательно сказывается на скорости передачи данных в целом. Для снижения риска возникновения такой ситуации в EGPRS номер пакета может принимать значения от 1 до 2048, а адресное окно увеличено до 1024.

7. Точность измерения

Для обеспечения корректного функционирования технологии GPRS в среде GSM приходится постоянно измерять радио условия: уровень сигнал/шум в канале, частоту появления ошибок и т. п. Эти измерения никак не сказываются на качестве голосовой связи, где достаточно постоянно использовать одну и ту же кодировочную схему. При передаче данных в GPRS измерение радио условий возможно лишь в "паузах" - дважды за период 240 мс. Для того, чтобы не ждать каждые 120 мс, EGPRS определяет такой параметр, как вероятность возникновения ошибки на бит (BEP, bit error probability), в каждом фрейме. На величину BEP влияет как отношение сигнал/шум, так и временная дисперсия сигнала и скорость перемещения терминала. Изменение BEP от фрейма к фрейму позволяет оценить скорость терминала и "дрожание" частоты, но для более точной оценки используется среднее значение вероятности ошибки на бит на каждые четыре фрейма и его выборочное стандартное отклонение. Благодаря этому, EGPRS быстрее реагирует на изменения условий: увеличивает скорость передачи данных при снижении BEP и наоборот.

8. Подводя итог об EDGE

Внедрение EGPRS позволяет достичь пропускной способности, примерно втрое больше, чем в технологии GPRS. При этом используется в точности такие же профили QoS (quality of service, качество сервиса), как в GPRS, но с учетом увеличившейся пропускной способности. Помимо необходимости установки трансивера на базовой станции, для поддержки EGPRS требуется обновление программного обеспечения, которое должно будет обрабатывать измененный протокол передачи пакетов.

9. Технология EV-DO

EV-DO - это технология сетей мобильной связи третьего поколения (3G), стандартизированная 3GPP2 в рамках развития CDMA2000 и обеспечивающая высокоскоростную передачу данных со скоростью до 2,4 МБс. кодирование сигнал мобильный связь

На сегодняшний день технология EV-DO используется в самых различных сферах: в банках и страховых компаниях, в дистрибьюторских организациях и предпринимателями, имеющими торговые сети, органами государственной власти и пользователями домашнего Интернета как альтернатива выделенным линиям или dial-up.

10. EV-DO Общие сведения

Технология EV-DO (Evolution Data Only) представляет собой своеобразную надстройку над уже существующими сетями CDMA2000 1x (таковыми на территории СНГ являются Diallog, SkyLink и UMC), которая позволяет существенно повысить скорость передачи в них данных. Если по поводу сетей CDMA2000 1x еще можно поспорить, является ли сеть такого стандарта сетью третьего поколения (3G), то по поводу CDMA2000 1x EV-DO такие споры неуместны в принципе: максимальная пропускная способность в 2,4 Мбит/с с солидным запасом вписывается в требования, предъявляемые к сетям третьего поколения. По сравнению с максимальной скоростью, обеспечиваемой технологией QNC (Quick Net Connection), применяющейся для передачи данных в сетях CDMA2000 1x в настоящее время, EV-DO обеспечивает более чем пятнадцатикратное преимущество в скорости при передаче данных от оператора к абоненту. При этом себестоимость внедрения этой технологии намного меньше затрат на построение сети третьего поколения стандарта UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Ведь при переходе в стандарт UMTS сотовому оператору придется практически полностью менять все свое оборудование (базовые станции, коммутационное оборудование и т.п.), а при переходе в EV-DO достаточно лишь обновить программное обеспечение коммутатора и установить на каждой базовой станции несколько дополнительных модулей расширения. А ведь чем меньше внедрение новой технологии ударит по бюджету сотового оператора, тем дешевле обойдется использование прогрессивных технологий для нас, простых абонентов. Немаловажно и то, что в сети стандарта EV-DO смогут нормально функционировать телефоны, разработанные для обычной CDMA2000 1x, хотя, конечно, использовать преимущества нового стандарта они не смогут.

11. Принцип работы EV-DO

При проектировании стандарта EV-DO был учтен тот фактор, что объем информации, передаваемой от оператора к абоненту, как правило, значительно превышает объем информации, идущей в обратном направлении. В среднем абонент принимает в 4 раза больше данных, чем передает. Поэтому в случае с EV-DO имеет смысл отдельно рассматривать канал передачи данных оператор -> абонент и канал абонент -> оператор. В канале оператор -> абонент передача данных осуществляется в виде набора пакетов длительностью 26,67 мc, разделенного на 16 слотов. Передача одного пакета может занимать от 1 до 16 слотов в зависимости от скорости передачи данных. После того, как абонентский терминал получает пакет и проводится проверка целостности данных, осуществляется передача уведомления о том, что пакет успешно получен. Передача данных в канале оператор -> абонент может осуществляться на скорости от 38,4 Кбит/с до 2457,6 Кбит/с. В реальных условиях чаще всего используются 1228,8 Кбит/с и 1843,2 Кбит/с. Такие высокие скорости в канале оператор -> абонент обеспечиваются за счет использования метода коллективного доступа с временным разделением каналов. Упрощенная суть этого метода заключается в том, что базовая станция передает всем абонентам идентичную информацию, но расшифровать терминал может только те пакеты, которые предназначены для него. При этом скорость передачи данных сильно зависит от расстояния между базовой станцией и абонентским терминалом, а также от уровня помех. Абонентский терминал постоянно замеряет соотношение между уровнем сигнала и помех, после чего сообщает этот уровень базовой станции. Это позволяет достигать максимальной скорости передачи данных к каждому из абонентов. Отсюда можно сделать простой вывод: хочешь максимальной скорости передачи данных - находись как можно ближе к базовой станции, и тогда она будет обслуживать тебя в первую очередь. В канале абонент -> оператор данные передаются в виде набора пакетов длительностью 26,67 мс на скоростях от 9,6 Кбит/с до 153,6 Кбит/с. При этом используется доступ с множественным разделением каналов, при котором одна несущая частота делится между всеми обслуживаемыми абонентами, максимальное число которых - 59.

12. EV-DO и пользователь

По сравнению с технологией QNC, применяемой в сетях CDMA 1x, и EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution), которую в скором времени обеспечат сети GSM, EV-DO дает значительно более высокую скорость передачи данных, что означает более комфортный серфинг по web-страницам, которые будут открываться практически мгновенно, быструю загрузку объемных файлов и т.п. И все это без привязки к наземным коммуникационным каналам! Немаловажную роль в улучшении настроения пользователей сыграет и так называемый мягкий хэндовер. Мягкий хэндовер, применяемый в сети стандарта EV-DO, позволит пользователю не только не беспокоиться о возможности разрыва соединения при переключении с одной базовой станции на другую, но даже не замечать значительного падения скорости передачи данных. Этот эффект достигается за счет того, что уже на границе зоны обслуживания одной базовой станции вас начинает обслуживать еще одна. Благодаря специальному программному обеспечению обрыва связи не происходит как такового - просто одна станция передает вам все меньше и меньше данных по мере того, как вы от нее отдаляетесь, а другая, наоборот, передает все больше и больше по мере вашего приближения. Конечно, при движении на больших скоростях порядка 100 км/ч скорость передачи данных будет значительно ниже максимальной, но обрывы вам точно не грозят.

Вторая категория абонентов, которым будет полезна технология EV-DO - это пользователи VPN (Virtual Private Network).

Благодаря EV-DO к виртуальной частной сети можно будет подключить практически любой компьютер независимо от его местоположения - главное - чтобы компьютер находился в зоне обслуживания сети EV-DO, что обеспечивается встроенной поддержкой протокола L2TP, обеспечивающего туннелирование данных. Это также позволит мобильным компьютерам (ноутбукам, КПК) иметь постоянную связь с родной VPN на высокой скорости. К примеру, менеджер по продажам компании А, находящийся в командировке, сможет быстро обратиться к серверу VPN своей компании и быстро предоставить клиенту информацию о товарах, имеющихся на складе компании А. Также никто не мешает сделать мобильным не только клиента, но и сервер VPN, благо технология EV-DO предусматривает возможность присвоения терминалу статического IP-адреса и удобную работу в рамках доменов. Мощная система защиты от несанкционированного доступа позволит без опаски доверять сети EV-DO конфиденциальные данные.

Список использованной литературы

1) Книга "Мобильные телекоммуникации"

2) Книга "Сети мобильных сетей"

3) Конспект лекций "Основы сетей"

Размещено на Allbest.ru