Konference ČK CIRED 2003
ZKUŠENOSTI Z PROVOZU DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ PO GSM SÍTI POMOCÍ SLUŽBY GPRS Ing. Vladimír Šnejd, Ing. Milan Švec, EGÚ ČB, a. s. –
Principy socketových spojů GPRS
–
Technické řešení
–
Zkušenosti a realizace
–
Hodnocení spolehlivosti provozu
1. ÚVOD Je to něco málo přes deset let, co se u nás objevil první operátor mobilní sítě NMT. Od té doby se počet operátorů rozrostl na tři a počet uživatelů denně narůstá geometrickou řadou. Operátoři se snaží nalákat uživatele nejenom vymýšlením nových tarifů ale především nabídkou nových služeb na zlepšujících se technologií mobilní sítě. K druhé variantě patří i zavedení služby 2,5 generace pro přenos dat pomocí přepínání packetů (GPRS).
2. POROVNÁNÍ TECHNOLOGIÍ PŘENOSU DAT NA GSM Digitální mobilní sítě (v Evropě GSM) byly na trh uvedeny primárně pro přenos hlasu. Proto z hlediska uživatele pracují na principu přepínání okruhů s kapacitou pro přenos komprimovaného hlasu (13 kb/s). Pokud chceme mobilní síť využívat pro přenos dat v módu přepínaných okruhů (technologie CSD), pak operátor pro nás blokuje celou šíři kanálu jako při přenosu zkomprimovaného hlasu (celý timeslot) a to i v době, kdy posíláme dat málo a nebo neposíláme data žádná. Proto je tato služba operátorem zpoplatněna za čas po který máme kanál otevřený a ne za množství dat, které za tento čas skutečně přeneseme. Technologie HSCSD je pak pouze znásobením technologie na více komunikačních kanálů (timeslotů). Pokud to nyní shrneme, pro častý přenos malého množství dat (např. telemetrie) je technologie (HS)CSD nevhodná, neboť i když nám sice poskytuje zaručenou přenosovou kapacitu 9,6 kb/s (na 900MHz síti) na jeden kanál, my tuto kapacitu nevyužíváme, leč operátorovi platíme. Komunikační kanály, které síť GSM v té dané chvíli nevyužívá, nabídli operátoři na přenos dat s nezaručenou přenosovou kapacitou technologií přepínání paketů GPRS (General Packet Radio Service). Operátor tak nabízí zákazníkům dělit se při přenosu dat o v tom okamžiku nevyužitou kapacitu sítě, a proto GPRS nabízí přenos dat za „nízké“ ceny. Síť nám nemusí v jedné relaci přidělit žádný prostor, nebo naopak nám může přidělit prostor i přes několik timeslotů. To se rozhoduje dynamicky podle volných kapacit sítě a počet požadavků na GPRS přenos dat. Pokud ale u vámi používané buňky přibývá zájemců o hovorové služby, dynamicky ubývá kapacity na přenos dat službou GPRS. Dalším faktorem, který ovlivní kolik dat službou GPRS přenesete je přidělená kvalita přenosu (QoS). QoS se dělí do tříd (čím nižší číslo třídy, tím je kvalita lepší) a je definována pro čtyři okruhy : priorita, spolehlivost, zpoždění a propustnost. Pakety uživatele s vyšší prioritou, mají přednost před pakety uživatele s nižší prioritou atd. Přenosová kapacita je dána v první řadě volnou kapacitou v GSM síti. Kolik dat můžete přenést ale ovlivní i vybraný modem. Parametr modemu GPRS 3+1 znamená, kolik timeslotů najednou můžete modemem spojit. V tomto případě tři směrem do sítě GPRS a jeden ze sítě GPRS. Teoretické maximum je 8+8. Každý timeslot má pak kapacitu podle použitého kódování (CS1=9,1, CS2=13,4, CS3=15,6 a CS4=21,4 kb/s). Na většině základových stanicích je nyní instalováno kódování CS2 a probíhá implementace kódování CS3 a 4. Vyšší rychlosti jsou však dostupné jen v místě dobrého signálu.
© ČK CIRED 2003
1
Konference ČK CIRED 2003
Přenos dat pomocí služby GPRS je tedy „negarantovaný“ způsob přenosu dat s poměrně širokým prostorem pro operátora, jak nastavit a „garantovat“ podmínky na konkrétní aplikace. Někteří operátoři již dnes vyhradili minimálně jeden timeslot pro službu GPRS, dávají přednost paketům telemetrie před pakety internetu atd. Jedná se tedy o službu, která poměrně levně umožňují časté přenosy středních množství dat (tj. např. telemetrie) s „okamžitým“ doručením, čímž je umožněné i ovládání. Další možností přenosu dat po GSM síti je posílání dat technologií SMS. Zde můžeme posílat data do 190 B (dle operátora) s nezaručenou dobou doručení. Tato technologie se dá použít pro sběr malých množství dat, ale vzhledem dobám odezvy není vhodná pro povelování vzdálených zařízení.
3. PRINCIP PŘENOSU POMOCÍ TECHNOLOGIE GPRS Přenos dat v telemetrii je principiálně z(do) mnoha měřicích(řídicích) terminálů, do(z) jednoho komunikačního serveru s napojením do technologické sítě pro další zpracování (vizualizace, řízení, úložiště dat, prezentace na webu, atd.). GPRS technologie nám v této struktuře spojuje terminál s komunikačním serverem. Jsou dva základní modely spojení terminálů ze serverem. První, nyní podporovaný všemi našimi operátory, napojuje GPRS síť s terminály na internetovou/intranetovou síť, na kterou je pak připojen komunikační server. Druhý model počítá s vynecháním napojení na internetovou/intranetovou síť a komunikační server je připojen stejně jako terminály přímo do GPRS sítě. Zařízení u operátora jsou vždy nastavena tak, že vaše terminály spolu s komunikačním serverem jsou ve své TCP/IP síti. Podíváme se nyní na první, častější, případ. Schéma sítě s GPRS technologií vidíme na obrázku 1.
© ČK CIRED 2003
2
Konference ČK CIRED 2003
Aby bylo možné zahájit komunikaci pomocí IP protokolu mezi terminálem a komunikačním serverem musí terminál vyslat požadavek přes BTS do centra operátora na GSN (GPRS Support Node). Ten pomocí přiděleného přístupového bodu APN (Access Point Name) ověří právo na GPRS službu, příslušnost k patřičné skupině a IP tunelu. Následně je provedeno ověření terminálu na Radius serveru, přidělení statické nebo dynamické a privátní nebo veřejné IP adresy. Nyní je terminál připojen do privátní(veřejné) IP sítě uživatele, je otevřen komunikační kanál na bázi IP protokolu a umožněná komunikace mezi terminálem a serverem přes GPRS a internetovou/intranetovou síť. Terminál se pak může nacházet ve dvou stavech. Stav Standby, kdy je terminál zaregistrován v GPRS síti, má přidělenou IP adresu ale nepřímá ani neodesílá žádná data. Ve chvíli, kdy je potřeba přenést data, přechází terminál automaticky do stavu Ready, kdy navíc alokuje timesloty a sdílí poskytovanou přenosovou kapacitu v GPRS síti.
4. ZABEZPEČENÍ GPRS Zabezpečení cesty přenosu mezi terminálem a serverem rozdělíme na dvě části, GSM síť a internetovou/intranetovou síť. Již vstup do GSM sítě je zabezpečen autentizací uživatelů pomocí algoritmu A3. Šifrování dat přenášených pomocí GPRS služby je pomocí algoritmu A5 s tajným klíčem generovaným algoritmem A8). Přenos dat v IP tunelu je pak zabezpečen.
5. KOMUNIKACE GPRS PRO DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ PRVKŮ V DISTRIBUČNÍCH SÍTÍCH VN Při dálkovém ovládání distribučních sítí VN vyžadujeme mezi jednotlivými ovládacími prvky a dispečinkem on-line komunikaci, která je vcelku nenáročná na objem dat, ale vzdálenosti mezi jednotlivými DOÚ, DOR, spínacími stanicemi a dispečinkem jsou velké. Mobilní operátoři mají dnes již tak široké pokrytí signálem, že mohou pomocí směrových antén obsloužit jakýkoli prvek v distribuční síti VN. Příchodem služby GPRS (případně následujících obdobných služeb) se dostávají v telemetrických aplikacích na tak zajímavou cenu, že se bude ve stávajících technologiích jen těžce hledat výhodnější řešení. Pro využití služby GPRS jednoznačně mluví také technické řešení sítě, ať se jedná o zabezpečení přenášených dat, hardwarové zabezpečení základnových stanic nebo o zabezpečení centra operátora proti výpadku. Prvotní nevýhoda, nutnost podporovat IP protokol (v energetice máme mnoho zařízení s komunikací po sériové lince a firemním protokolem) se dnes snadno vyřeší vhodnou hardwarovou komponentou. Zavedení nové technologie GPRS nemusí být tedy nijak zdlouhavé ani finančně náročné. Stačí u stávajících zařízení (v horším případě) předřadit hardwarovou komponentu, nebo (v lepším případě) softwarově upravit vstupní modul terminálu a komunikačního serveru, přidat GSM modemy a máme přechod na komunikaci po GPRS síti. Komunikace pomocí GPRS sítě přináší následující výhody: -
cena je výhodná (nulové pořizovací investice do přenosové sítě a žádný servis, neboť to vše zabezpečuje operátor)
-
možnost tarifikace ceny dle množství přenášených dat
-
datové kanály o relativně vysoké propustnosti, dostupné okamžitě
-
nedochází k přerušení z důvodů vstupu hlasové komunikace
-
doba odezvy od terminálu není závislá na množství terminálů v síti
-
možnost on-line ovládání a monitorování terminálů
-
použití standardních protokolů na bázi TCP/IP (DNP3, 870-5-104, 870-5-103, OPC)
-
zabezpečení rozvoje mobilních sítí operátory
© ČK CIRED 2003
3
Konference ČK CIRED 2003
6. DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ POMOCÍ GPRS FIRMOU EGÚ ČB, a.s. Naše firma včas rozpoznala výhody služby GPRS pro dálkové ovládání v energetice a proto dnes máme vyvinuto a otestováno řešení dálkového ovládání po GPRS síti. Na obrázku 2 vidíme blokové schéma tohoto dálkového ovládání.
Celý systém je navržen modulárně a proto obecně přechod na jiný způsob komunikace znamená jen výměnu modulů (hardwarových i softwarových) zodpovědných za komunikaci a všechny ostatní části zůstávají nezměněny. To s sebou samozřejmě nese nejen úsporu nákladů za fyzickou výměnu, ale i úsporu za testy nového systému. Stačí ověřit pouze vyměněné části, tj. komunikační cestu a celá aplikace je otestována. Pokud tedy chceme přejít z komunikace po analogové fónické síti (dnes nejpoužívanější přenos v energetikách) na síť GSM se službou GPRS, musíme nejdříve na obou stranách spojení odebrat rádia, na straně terminálu jej vyměníme za patřičný modem spolu s částí softwaru zodpovědnou za komunikaci. Na straně komunikačního serveru pak přidáme síťovou kartu s napojením na síť operátora a změníme softwarovou knihovnu zodpovědnou za komunikaci s rádiem, modulem pro socketovou komunikaci po TCP/IP síti. Po spuštění se terminál přihlásí standardním způsobem do GPRS sítě, otevře TCP socket a nahlásí se komunikačnímu serveru. Nyní je terminál připraven přijmout povel od komunikačního serveru, nebo odeslat změnu sledovaných veličin.
7. VÝSLEDKY Z PROVOZU DOÚ Náš zkušební provoz komunikace po GPRS síti probíhal na síti firmy Český Mobil a.s. První dálkově ovládané úsečníky, dodané zákazníkovi s technologií GPRS, pracují v síti firmy Eurotel. Dlouhodobé zkoušky na síti OSKAR dopadly příznivě. Za čtyři měsíce provozu došlo ke třem rozpadům spojení ze strany operátora. Toto spojení se podařilo automaticky znovu navázat vždy do dvou minut. Nedošlo ani k jediné ztrátě manipulace, přičemž povel k manipulaci byl vydáván opakovaně po 6 minutách. Opakování vysílání z jakékoli příčiny je pod 5% hranicí.
© ČK CIRED 2003
4
Konference ČK CIRED 2003
Nastavení parametrů spojení : -
max. doba detekce výpadku spojení na straně kom. serveru ............................ 5 min
-
max. doba detekce výpadku spojení na straně terminálu .................................. 4 min
-
max. doba přenosu povelu .................................................................................10 sec
-
max. doba obdržení odpovědi ............................................................................40 sec
Naměřená data : -
přenesená data pro jednu manipulaci ................................................................0,5 kB
-
přenesená servisní data za 24 hod. ...................................................................77 kB
-
průměrná doba jedné tříkolové manipulace ........................................................24 sec
-
orientační cena měsíčního provozu (0,0025 Kč/kB) ..........................................70,- Kč/bod
8. ZÁVĚR Technologie GPRS je svou funkčností, spolehlivostí i zabezpečením vhodná pro dálkové ovládání rozvodných sítí. Zákazník si může v České Republice vybírat z nabídky tří operátorů a vyjednat si pro něj nejvhodnější a nejvýhodnější podmínky. Cenově se technologie GPRS hodí právě pro aplikace s velikým územním rozsahem, nízkou hustotou terminálů na tomto území a potřebou přenášet malé až střední množství dat. Tím že dokáže sdílet komunikační kanály (timesloty) a využít tak jinak nevyužívanou kapacitu sítě, můžou operátoři nabídnout ceny pro zákazníka velice zajímavé. Operátoři dál budou zlepšovat technologie mobilních sítí, ceny za kB přenesených dat se bude spíše zmenšovat a kvalita služeb poroste. To vše naznačuje, že GPRS sítě a jejich nástupci rychle proniknou do dálkového ovládání spínacích stanic a úsečníků.
© ČK CIRED 2003
5
