GPRS, avagy internet (szinte) vezeték nélkül A hordozható számítógépek, mint például a notebookok, PDA-k a (personal digital assistants) és a mobiltelefonok, a számítástechnikai iparág leggyorsabban fejlődő területéhez tartoznak. Általános az igény, hogy ezek a hordozható eszközök a mobiltelefónia eszközeivel, vagy más módon, de kábeles csatlakoztatás nélkül is alkalmasak legyenek hálózati szolgáltatások igénybevételére. Azt az adatátviteli módszert, melynek során az adatok átvitelét fizikailag szilárd hálózat helyett légnemű átviteli közegen keresztül hajtjuk végre vezeték nélküli adatátvitelnek más néven wireless módszernek nevezzük. Az idők folyamán számos változáson ment keresztül a vezeték nélküli technológiai megoldások csoportja, de az utóbbi években ez még nagyobb mértékben megfigyelhető. Vezetékes összeköttetést nem lehet minden esetben megvalósítani. Gyakran adódik olyan helyzet, amikor kábelek fektetése, közterületen utcák felásása, a költségek tekintetében nem áll arányban a létesítendő hálózati kapcsolat előnyeivel. Hordozható, kisméretű eszközeink egymáshoz kábelekkel történő csatlakoztatása is problémát jelenthet. Ilyen esetekben segítenek a vezeték nélküli átviteli megoldások, amikor átviteli közegként fényt (infravörös, lézer) vagy rádióhullámot használunk. A közeli jövőben valószínűleg sokkal nagyobb mértékben elterjednek a vezeték nélküli technológiák alkalmazásai. Utol kell érni a vezetékes módszer tudását és képességeit a vezeték nélküli megoldásoknak és ekkor jelentős változások következhetnek be a technológia váltás területén. Ma már számos helyen alkalmazzák a vezeték nélküli technológiákat. Gondolhatunk itt mindjárt a szinte már mindenki által jól ismert és használt vezeték nélküli megoldásra: a mobil telefon hálózatra. Emellett ki ne használna nap mint nap távirányítókat és vezeték nélküli számítástechnikai berendezéseket, vagy hallgatna rádiót illetve nézne televízió műsorokat. A nem túl távoli jövőben egyre többet használjuk a vezeték nélküli megoldásokat, melyekkel megszűnik a helyhez kötöttség, egyfajta szabadságérzetet kelt az emberben.
Fejlődési irányok A hagyományos GSM technológia korlátját a gyártók is felismerték, ezért egy hatékonyabb és gyorsabb technológia kidolgozásának kezdtek neki. Jó néhány megoldást fejlesztettek ki azonban ezek közül nem mind állja meg a helyét a használatban. Ennek oka lehet a támogatottság hiánya, a költség vagy akár az ésszerűség. Néhány megoldási lehetőség: HSCSD Kézenfekvő megoldás a korlát tágítására az időrések összevonása. A bázisállomás kezelheti rugalmasan a kiosztást, ha van üres időrés - kevesebb a bejelentkezett készülékek száma, mint amennyi lehetne -, azt odaadhatja annak, amelyik adatot küld vagy fogad. Ezt valósítja meg a HSCSD, avagy High Speed Circuit Switched Data (Nagy Sebességű Áramkörkapcsolt Adatok). Nyilvánvaló előnye jelentkezik akkor, ha például viszonylag nagy adatot akarunk letölteni, hiszen ekkor folyamatosan van szükségünk nagy sávszélességre. Továbbá nem szükséges hozzá a jelenlegi hardverkonfiguráció megváltoztatása a hálózati oldalon, a változtatás csak a szoftvereket érinti. Hátrányként említhető a nagy sávszélesség igény, a vándorlás lehetőségének korlátozása. GPRS Egy másik lehetőség az adatátvitel hatékonyságának növelésére a GPRS. Lényege, hogy a kapcsolat a felhasználó és a hálózat között csak a hasznos adatátvitel idejére épül ki, az adatok pedig csomagokban továbbítódnak. Előnye, hogy a GPRS készülék folyamatos on-line
üzemmódban működik, mégis csak a tényleges adatátvitelért kell fizetnie a felhasználónak. Hátránya, hogy teljesen új felhasználói készülékek szükségesek. EDGE Egy speciális modulációs eljárással a GSM rendszer sebessége lényegesen emelhető. A rendszer áthidaló megoldás ahhoz, hogy az operátorok, akik nem jutnak UMTS frekvenciákhoz, ne essenek el az adatszolgáltatás lehetőségétől. Enhanced Data Rates for Global Evolution (a globális evolúció érdekében megnövelt adatátviteli sebesség), a rádiós átviteli idõszeleteket 48 Kbit/s-ra növelõ új GSM és TDMA (ANSI-136) rádiómodulációs technika. Lényege hogy 8 állapotú fázisbillenyűzést használ. A GPRS-sel kombinálva 384 Kbit/s-ra tágítható vele a felhasználói sávszélesség UMTS A mobil adatkommunikáció globális kompatibilitását célozza ez a technológia, amely egy hálózatban egységesíti a mikro- és a makrocellás rendszereket. A globális rendszer átlagosan 384Kbit/s, legfeljebb 2Mbit/s-ot biztosit. Várhatóan az UTMS lesz a jövő technológiája megfelelvén minden lényeges elvárásnak a mobil adatátviteli rendszerekkel szemben. GPRS a megoldás Az UMTS valószínűleg nem az egyik napról a másikra fogja kiváltani a meglévő mobil rádiós rendszereket. Szükség van tehát egy olyan megoldásra, amely megfelelő átmenetet képez a hagyományos GSM és az UMTS között. E feladatra a GPRS a legalkalmasabb megoldás. Érvek a GPRS mellett A GSM-ben már megtalálható kódolási eljárások mellé újabbak fejlesztésével illetve több erőforrás (timeslot) egyidejű felhasználásával a GPRS-en jóval nagyobb adatátviteli sebesség érhető el. Elméleti határérték a 171. 2 kb/s, de a gyakorlatban ennél lényegesen alacsonyabb maximális sebesség ajánlható az előfizető számára látható alkalmazás szinteknek (64 - 100 kb/s). Gyors hozzáférés az Internethez (Rövid bejelentkezési idő, az Internet bármikor hozzáférhető) A GPRS rendszeren keresztül az adathálózatokra (pl. Internetre) való felkapcsolódási idő lényegesen rövidebb (<1 s), mint a hagyományos vonalkapcsolt rendszeren keresztül. A GPRS készülék gyakorlatilag állandóan a világhálóra lehet kapcsolódva. A GPRS hálózatok a csomagkapcsolt átvitel elvét alkalmazzák, tehát az adatok nem egy folytonos bitfolyamként mennek át a hálózaton, hanem kisebbnagyobb csomagokban, amely csomagok ráadásul felhasználóhoz rendeltek. Ezzel a megoldással elérhető, hogy az előfizető csak akkor használja a hálózatot, ha éppen adatot küld illetve fogad, másrészt ugyanazon erőforrás illetve átviteli csatorna megosztható több felhasználó között. Ez azt is jelenti, hogy az eddig használt idő alapú számlázási metódus helyét átveszi az átvitt adatmennyiség alapú, illetve tartalom alapú számlázási módszer A GPRS segítségével a GSM hálózaton az adatátvitel IP alapúvá válik, amely lehetőséget ad az előfizetők által használt alkalmazások (wap, web, email) költséghatékony kapcsolódását a nyilvános (Internet) illetve privát, vállalati (Intranet) adathálózatokhoz különböző hálózati protokollok használatával (pl. TCP). Emellett rendkívüli lehetőségek nyílnak meg az új szolgáltatások bevezetésére: helyfüggő alkalmazások, elektronikus kereskedelem mobilon keresztül, mobil iroda, stb..
A meglévő GSM infrastruktúra GPRS képessé tétele nem igényel nagy beruházást, és ezen invesztíció is időtálló az operátor számára, hiszen a GPRS-hez kapcsolt fejlesztések és "filozófia" alapja a harmadik generációs mobil rendszereknek (EDGE, UMTS). A csomagkapcsolt elv használata illetve az asszimetrikus átvitel (a kétirányú kommunikáció független egymástól, ami azt jelenti, hogy pl. egy weboldal letöltése közben a visszairányú csatornát más használhatja) lehetősége az operátor számára a hálózat és erőforrások optimálisabb kihasználását teszi lehetővé.
A GPRS hálózat logikai felépítése A GPRS hálózat sok ponton épül a már meglévő GSM rendszerre, és jó néhány eszközzel kiegészíti, mint azt az alábbi ábra is mutatja. Hálózati elemek A GPRS hálózat a következő alapvető összetevőkből áll: SGSN (Serving GPRS Support node), GGSN (Gateway GPRS Support Node), PCU (Packet Control Unit). A GSN-ek (GPRS Support Node) feladata a mobil állomások között és a külső adathálózat közti adatcsomagok irányítása és kézbesítése. Az SGSN feladat a szolgáltatási területén található mobil készülékektől illetve mobil készülékekhez az adatcsomagok kézbesítése. Ez a feladat magában foglalja a csomagok irányítását az és továbbítását, mobilitás-kezelést (attach, detach, helyzetfrissitést), logikai útvonal kezelését, valamint hitelesítési és számlázási funkciókat. Minden regisztrált felhasználóról, aki az adott SGSN-hez tartozik egy helyi tárolón információkat, tárol. Ezek az alábbiak: az aktuális cella, amiben a mobil készülék tartózkodik, az aktuális VLR, ahová a felhasználó kapcsolódik, és felhasználói profilok (IMSI, PDP address…). A GGSN mint egy interfészként működik a GPRS gerinchálózat és a külső adathálózat között. Az SGSN-től jövő adatcsomagokat megfelelő formátumra alakítja (PDP) és kiküldi őket a megfelelő adathálózat felé. Másfelől pedig a bejövő adatcsomagok (PDP) címzését alakítja át a célállomás GSM címévé. Az újracímzett csomagot a megfelelő SGSN-nek küldi, ami majd kézbesíti a felhasználóhoz. Emiatt a GGSN tárolja annak az SGSN-nek a címét ahol a felhasználó adatai aktuálisan tárolva vannak. Ezenkívül számlázási és hitelesítési feladatokat is ellát. Az adatátviteli síkon a SGSN a különböző protokollok között végez átalakítást. Míg a GGSN inkább egy adathálózati router-hez hasonlítható (tulajdonképpenen a GPRS konkrét fizikai megvalósításánál a GGSN egy valódi router. Pl. Cisco 7200 széria tölti be a GGSN szerepét a Motorola GPRS-ében), addig az SGSN a protokollok szempontjából egy határnak nevezhető a GSM és az adathálózatok között. A PCU az eszköz, amely logikailag a GPRS-hez tartozik, de fizikailag az BSC mellet foglal helyet. A PCU vezérlése, és felügyelete úgy van megvalósítva, hogy a meglévő mobil
felügyeleti rendszer látja el. A PCU úgy tekinthetjük, mint a BSC részét, mely a Gb interfészen tartja a kapcsolatot az SGSN-nel. A PCU feladata szétválasztani a csomagkapcsolt adatokat a hagyományos vonalkapcsolt adattól és hangtól. A csomagkapcsolt adatot a GSN-en keresztül az Internetre irányítja, a vonalkapcsolt adatot az MSC-re. Feladata a Gb interfész kezelése a Frame Relay hálózaton keresztül, és a rádiós interfészen a mobil készülékkel való kapcsolattartás, valamint a felhasználói adatok továbbítása. Interfészek A Gb interfész a PCU-t kapcsolja össze az SGSN-el. A Gn és Gp interfészen keresztül a felhasználói adatok és jelzésinformációk haladnak a GSN-ek között. A Gn interfész abban az esetben használatos, ha az SGSN és a GGSN ugyanazon szolgáltató tulajdonában vannak, a Gp interfész pedig akkor, ha két különböző szolgáltató rendszerét kell összekapcsolni. Minden GSN egy IP alapú gerinchálózatra van felfűzve. Ezen a hálózaton belül a GSN-ek között az un. GTP protokoll segítségével továbbítódnak az adatok. A GPRS gerinchálózatnak két típusa van:
Intra-PLMN gerinchálózat : a GSN-ek ugyanazon szolgáltatóhoz tartoznak, tehát annak saját IP-alapú hálózatán vannak.
Inter-PLMN gerinchálózat: a GSN-ek különböző szolgáltató GSN-jeivel kapcsolódnak. Ilyen esetben a két szolgáltatónak un. roaming szerződést kell kötnie, hogy használhassák egymás hálózatát.
Két SGSN között a Gn illetve Gp interfészek használatosak. A Gn interfész két azonos szolgáltatónál levő node-ok közti összeköttetést határozza meg, míg a Gp interfész két különböző szolgáltató node-jait köti össze. Ezáltal lehetséges, hogy az SGSN-ek ki tudják cserélni a felhasználói információkat egymás között, amikor a felhasználó az egyik SGSN területéről a másikéra megy. Adatátviteli sík Az alábbi ábra mutatja a GPRS protokoll-felépítését, mely biztosítja a felhasználói adatok és hozzá tartozó jelzések (forgalomvezérlés, hibaérzékelés és hibajavítás) átvitelét.
GPRS gerinchálózat (SGSN,GGSN) A felhasználói adatcsomagok a GPRS gerinchálózaton az un. GTP-be (GPRS Tunnelling Protocol) vannak beágyazva. A GTP átviszi a felhasználói adatokat és a hozzá tartozó jelzésinformációkat a GPRS csomópontok (node) között. Ez a protokoll ugyanazon szolgáltatóhoz (PLMN) tartozó GSN-ek közötti (Gn interfész) és a különböző szolgáltatóhoz tartozó GSN-ek között (Gp interfész) működik. Az adatátvitel szintjén a GTP egy un. "alagút" működési elvet valósit meg a felhasználók adatainak továbbítására. A jelzések létrehozzák, módosítják, ill. törölhetik ezeket az "alagutakat". A GTP csomagok hordozzák a felhasználók IP vagy X.25 csomagjait. A GTP alatt szabványos TCP vagy UDP protokollok működnek melyek szállítják a GTP csomagokat a gerinchálózaton belül. A csomagok megfelelő helyre juttatása a gerinchálózaton belül az IP protokollal valósul meg, mely alatt Ethernet, ISDN, vagy ATM bázisú protokollok vannak. Tehát a GPRS gerinchálózat egy IP over GTP over UDP over IP felépítésű. Tulajdonképpen a GTP protokoll legfőbb feladata, hogy "elrejtse" egymás elöl a két IP-t. SNDCP: Feladata az adatcsomagok továbbítása az SGSN és a mobil készülék között. Az alábbi funkciókat tartalmazza: Összefogása a különböző hálózati szintű kapcsolatoknak egy virtuális logikai kapcsolattá. Tömörítése és kicsomagolása a falhasználói adatoknak, és a szükségtelen fejrész információknak. BSSGP: A BSS GPRS Application Protokoll: szállítja az útvonallal és a QoS-el kapcsolatos információkat a bázisállomás (BSS) és a SGSN között. Az alatta levő Network Service (NS) réteg frame-relay protokollt használja. Adatkapcsolati réteg Data Link Layer: Az adatkapcsolati réteg a mobil és a hálózat között két alrétegre bontható. az LLC szintre (MS és SGSN között) és a RLC/MAC rétegre (MS és BSS között). Az LLC (logical link controll) réteg nagy megbízhatóságú logikai kapcsolatot biztosit a mobil készülék és a SGSN között. Működésének alapja a már jól ismert HDLC protokoll sorrend vezérléssel, sorrend szerinti kézbesítéssel, forgalom szabályozással, hibaérzékeléssel, és a hibás keretek újraadásával (ARQ). Az adatbiztonság biztosítása a titkosítás feladata. Támogatja a változó hosszúságú kereteket. Nyugtázott és nyugtázatlan átviteli módokat támogatja. Az RLC/MAC réteg az air interfészen két funkciót foglal magába. Az RLC fő feladata egy megbízható kapcsolat létrehozása a mobil készülék és a BSS között. Szétdarabolja, ill. újraegyesíti az LLC csomagokat, és ARQ mechanizmust használ a helyreállíthatatlan kerethibák újraadására. A MAC réteg (medium access controll) vezérli a mobil állomások hozzáférését a rádiós csatornához. Egy speciális algoritmust használ a versenyhelyzet feloldására, a PDTCH csatorna többfelhasználós használatára, és elsőbbségi jogokat határoz meg QoS alapján. A GPRS MAC protokoll alapja a réselt Aloha. Az RLC/MAC rétegben a nyugtázatlan és nyugtázott adatátviteli mód támogatott. Fizikai réteg: A fizikai réteg a mobil állomás (MS) és a bázisállomás alrendszer (BSS) között két alrétegre osztható: fizikai kapcsolati réteg (PLL - Phisical Link Layer) és a rádiós (RFL - Radio
Frequency Layer) részre. A PLL biztosítja a fizikai csatornát a mobil készülék és a bázisállomás között. Feladatai közé tartozik a csatorna kódolás (átviteli hibák érzékelése, FEC használata, helyreállíthatatlan keretek jelzése), interleaving, és a fizikai kapcsolat zsúfoltságának érzékelése. Az RFL a PLL alatt működik, feladatai pl. a moduláció ill. demoduláció.
EDGE Az EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) a jelenlegi elterjedt GPRS (General Packet Radio Service) technológiát kiegészítő, annak átviteli képességeinél gyakorlatban akár háromszor gyorsabb letöltési sebességet kínáló megoldás. Az EDGE-szolgáltatás az első lépés a következő mobilgeneráció felé vezető úton. A 3. generációs mobilszolgáltatás magába foglalja a jelenlegi GSM-szolgáltatásokat, a csomagkapcsolt adatátvitelt és annak sebességét fokozó EDGE-technológiát, továbbá az UMTS-technológiát is. Technikai információk Az EDGE-rendszer lényege, hogy - megőrizve a GSM rádiócsatornák alapvető tulajdonságait - olyan modulációt használ, amely a bázisállomás és a végfelhasználó készüléke közöt azonos időtartam alatt akár háromszor annyi információt képes átvinni. Ennek segítségével GPRS-hálózat átviteli kapacitását növeli átlagosan kb. a 3-szorosára, (ez függ a hálózattól, valamint a készülék képességeitől) ami az előfizető szemszögéből két dolgot jelent: Azonos területen több WAP, internet, stb. felhasználó kiszolgálása válik lehetővé, vagy az egyéni felhasználó magasabb átviteli sebességgel csatlakozhat a hálózathoz. Milyen alkalmazások használata válik elérhetővé? Az eddigiek mellett ez a letöltési irányú adatátviteli teljesítmény már kielégítheti az on-line zenehallgatás, gyengébb minőségben akár video streaming követelményeit is. Az EDGE technológia alkalmazása a vezetékes területen megismert alap ISDN-hálózat által nyújtott adatátviteli szolgáltatáshoz hasonló sebességgel rendelkezik de teljes mobilitást nyújtva az ügyfeleknek.
