Курсовая работа: Пакетна передача даних GPRS в автомобільній галузі
GPRS використовує радіосмугу шириною в 200 кГц, і вона ділиться на вісім каналів. Загальна ємкість каналів складає 271 кбіт/с, але кожен з цих каналів здатний передавати потоки даних в 14,4 кбіт/с. Теоретично можлива швидкість в 115 кбіт/с, але в реальних умовах вона використовується украй рідко або взагалі не використовується.Середня швидкість в 48 кбіт/с є найбільш вірогідною оцінкою, оскільки точки доступу поділені між багатьма користувачами, причому діапазон або розташування приймача також залежатимуть від ширини смуги, що є в наявності. Цей результат набагато кращий, ніж можуть запропонувати існуючі пристрої мобільних комунікацій, що дають всього 9.6 кбіт/с.Іншим важливим аспектом Інтернет зв'язку через GPRS є те, що з'єднання з Інтернет безперервно (завжди «онлайн»), і в той же час йому не доводиться підтягувати ресурси з точок доступу в той час, коли воно не використовується, тому що дані передаються лише тоді, коли в цьому є необхідність.Приймач запитує інформацію, пристрій підтягує у цей момент радіоресурси, а потім знову знаходиться в неробочому стані, поки не починає приймати запитану інформацію. Радіосмуги розподіляються динамічним чином, залежно від типу контенту – одночасно декілька або навіть більше, залежно від того, чи передається текстове повідомлення або відео.Коли користувач включає пристрій підтримуючий GPRS, зазвичай він автоматично шукає канал GPRS в даній місцевості. Якщо відповідний канал знайдений, пристрій намагатиметься з'єднатися з мережею [2].
2. Склад GSM /GPRS мережі
Мережа GPRS - накладена мережа, розташована поверх інфраструктур GSM. Ключові компоненти мережі GPRS включають:
- Serving GPRS Support Node (SGSN) - частина інфраструктури GSM, відповідальна за відсилання та отримання пакетів від абонентів у своєму районі обслуговування. Цей блок також виробляє авторизацію, контактуючи з сервером і перевіряючи інформацію про користувача. Крім того, він відстежує маршрут переміщень абонента, щоб мати можливість належним чином розподіляти ресурси, а також збирає надходить білінгову інформацію, пересилаючи її до головного офісу;
- GPRS Gateway Service Node (GGSN) - компонент мережі GSM, відповідальний за взаємодію з інтернет і іншими громадськими мережами, які передають дані і голос. Компонент зберігає маршрутизуючу базу даних, базу даних з адресами і фільтрує базу даних [2];
- Network Switching Subsystem (NSS) – підсистема комутації;
- Mobile Switching Centre (MSC) – центр комутації контролює певну географічну зону з розташованими на ній BTS і BSC. Здійснює установку з'єднання до абонента і від нього всередині мережі GSM, забезпечує інтерфейс між GSM та іншими мережами радіозв'язку, мережами передачі даних;
- Home Location Registry (HLR) – домашній реєстр місцезнаходження містить базу даних абонентів, приписаних до нього. Тут міститься інформація про послуги, що надаються абонентові, інформація про стан кожного абонента, необхідна у разі його виклику, а також Міжнародний Ідентифікатор Мобільного Абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identity);
- Visitor Location Registry (VLR) – гостьовий реєстр місцезнаходження забезпечує моніторинг пересування MS з однієї зони в іншу і містить базу даних про абонентів яку переміщуються, що знаходяться в даний момент в цій зоні, у тому числі абонентах інших систем GSM - так званих роумерам. Дані про абонента видаляються з VLR в тому випадку, якщо абонент перемістився в іншу зону. Така схема дозволяє скоротити кількість запитів на HLR даного абонента і, отже, час обслуговування виклику;
- GPRS Tunneling Protocol (GTP) - тунельний протокол GPRS, заснований на протоколах TCP / IP, інкапсулює пакети IP та X.25, що приходять з вузлів SGSN в GGSN;
- Base Station Subsystem (BSS) - один з основних елементів системи радіотелефонного зв'язку, відповідальний за передачу голосового та сигнального трафіку між мобільним терміналом абонента та підсистемою мережі і комутації.
- Base Transceiver Station (BTS) – базова станція (БС) включає в себе приймально-передавальні антенні пристрої, обладнання для ретрансляції сигналу (Трансивер), блоки шифрування даних. БС обслуговує окрему ділянку мережі за допомогою декількох націлених у різні ділянки сектора трансіверів, що здійснюють мовлення на різних частотах;
- Packet Controller Unit (PCU) - блок управління пакетами, що дає можливість станціям GSM пересилати та отримувати пакети при GPRS комунікаціях;
- Base Station Controller (BSC) – контролер БС служить для управління та обміну даними групи базових станцій, при цьому число елементів групи може варіюватися від 10 до 100. Цей блок керує процесом призначення радіоканалів, приймає контрольну інформацію від телефонних терміналів, контролює процес передачі даних від однієї БС до іншої (у разі, якщо обидві БС підпорядковуються даному контролеру, з'єднання з БС інших контролерів здійснює підсистема мережі і комутації MSC. Ключовою функцією контролера є концентрація перетворення різних потоків низької ємності (і відносно низьким стиском) з базових станцій в набагато менші за обсягом схожі цифрові потоки шляхом більшого стиснення даних, і направлення їх у підсистему мережі і комутації MSC [3].
На рисунку 2.1 представлена взаємодія елементів GSM /GPRS мережі [4].
Рисунок 2.1 – Принцип роботи системи GSM /GPRS
Коли користувач GPRS робить дзвінок, пристрій GPRS контактує зі станцією GSM, яка в свою чергу звертається до станції SGSN, яка взаємодіє з іншими станціями SGSN чи станціями GGSN, якщо їй потрібно отримати доступ до мережі іншого роду (IP або X.25). Для користувача GPRS з’єднання виходить «безшовним», немає процедури «встановлення дзвінка»
(Рисунок 2.1). Технологія GPRS, що накладається поверх мережі GSM, спочатку була призначена для того, щоб динамічно та індивідуально розподіляти радіо-ресурси GSM попакетно, в міру необхідності. Якщо до соти GSM одночасно підключається відразу багато користувачів GPRS, і сота GSM не здатна підтримувати такий обсяг голосового трафіку, станція GPRS скористається лассресурсом сусідніх сот GSM. Таким чином, в реальності користувачі GPRS обслуговуються багатьма стільниками GSM одночасно, коли в цьому виникає необхідність. Отже, SGSN отримує запит на з’єднання, запитує інформацію про профіль користувача з вузла HLR і виробляє аутентифікацію користувача. У цій точці може здійснюватися шифрування. SGSN використовує інформацію про профіль (включаючи назву точки доступу, яка ідентифікує мережу і оператора) для визначення, до якого вузлу GGSN виробляти маршрутизацію. Вибрані ворота можуть надавати сервіс віддаленої аутентифікації користувача (Remote Authentication Dial-In User Service, RADIUS) і призначати динамічний адреса інтернет-протоколу (IP) користувачеві перед налаштуванням сполук в зовнішні мережі. Цей процес називається контекстна активація пакетного профілю даних і установки можуть варіюватися від оператора до оператора. Він може включати додаткові функції, такі як менеджмент QoS (Quality of Service – якість сервісу) і менеджмент віртуальних приватних мереж (virtual private network, VPN). Коли мобільний пристрій вимкнений чи знаходиться поза зоною покриття GPRS, його контекст дезактивуется і пристрій від’єднується від мережі.
Коли мобільний користувач посилає дані, вузол SGSN направляє пакети на відповідний вузол GGSN. GGSN потім направляє дані у відповідності з поточним контекстом, що встановлюються для даної сесії. У зворотному напрямку, пакети, призначені для користувача, направляються в GGSN, асоційований з IP адресою користувача. Вузол GGSN перевіряє отримані пакети згідно з поточним контекстом, ідентифікує SGSN, обслуговуючий даного користувача і направляє рух у відповідному напрямку. Вузол SGSN потім пересилає пакети на базову станцію, де перебуває користувач [2].
3. Використання пакетної передачі для систем моніторингу
Широко яка на сьогоднішній день технологія передачі даних стандарту GSM (GSM Data), здатна контролювати рух транспортного засобу (ТЗ) і працездатність всіх його датчиків, передавати певні обсяги даних з досить високим ступенем захисту і багато інших функцій в комплексі з GPS / GPRS трекером. Однак, вона володіє багатьма суттєвими недоліками – низькою швидкістю передачі даних (9600 біт/с) і високою вартістю експлуатації подібних систем за рахунок погодинних тарифів операторів мобільного зв'язку.
Технологія GPRS забезпечує пакетну комутацію на всьому протязі каналу зв'язку від мобільного терміналу абонента і вище. При цьому істотно оптимізуються послуги передачі даних в мережах стандарту GSM, особливо з урахуванням переривчастого характеру трафіку в мережах інтернет/інтранет. З'єднання встановлюється практично миттєво. Користувачі оплачують фактичні обсяги переданих даних, а не час з'єднання, оскільки використовують мережеві ресурси і займають тимчасові інтервали радіоканалів тільки в моменти обміну даними. Це забезпечує надзвичайно ефективне використання доступної смуги частот і дозволяє ділити один радіоканал між декількома користувачами.
GPRS володіє наступними суттєвими перевагами стосовно побудови автоматизованих систем моніторинга та управління транспортними засобами:
- Система тарифікації з оплатою трафіку ідеально підходить для обміну інформацією з невеликими обсягами даних;
- Надання абоненту кількох тимчасових інтервалів радіоканалу (так званих тайм-слотів) з числа вільних, значно підвищує швидкість передачі даних у мережі. На відміну від доступної раніше пропускної здатності каналу зв'язку, яка обмежувалася використанням одного тайм-слота GSM Data і становила 9600 біт/с, GPRS дозволяє організувати сесії обміну даними на швидкості до 171300 біт/с. Практично – ця швидкість обмежена можливостями оператора і конструктивним виконанням абонентського пристрою зв'язку.
Модеми GPRS, використовувані в якості кінцевих пристроїв класифікуються по максимально можливій кількості одночасно займаних тайм-слотів, кожний з яких забезпечує швидкість передачі даних від 9600 до 21400 біт/с в залежності від способу кодування інформації. В України провідними операторами мобільного зв'язку підтримується схема кодування
CS-2, при якій пропускна здатність тайм-слота складає 13400 біт/с. На сьогоднішній день на вітчизняному ринку в основному представлені моделі, які підтримують до чотирьох слотів для прийому даних і до двох слотів для передачі даних [5]. Кількість одночасно використовуваних вхідних і вихідних каналів (тайм-слотів) визначають класів GPRS (Таблиця 3.1). Також, в залежності від якості каналу, може вибиратися одна з чотирьох схем кодування (Таблиця 3.2). При гарному відношенні сигнал/шум вибирається схема кодування з більшою швидкістю передачі, але з меншою стійкістю до перешкод [6].
| Клас GPRS | Каналів прийому | Каналів передачі | Всього |
| 1 | 1 | 1 | 2 |
| 2 | 2 | 1 | 3 |
| 3 | 2 | 2 | 4 |
| 4 | 3 | 1 | 4 |
| 5 | 2 | 2 | 4 |
| 6 | 3 | 2 | 4 |
| 7 | 3 | 3 | 4 |
| 8 | 4 | 1 | 5 |
| 9 | 3 | 2 | 5 |
| 10 | 4 | 2 | 5 |
| 11 | 4 | 3 | 5 |
| 12 | 4 | 4 | 5 |
Таблиця 3.1 - Класи GPRS
| Схема кодування | Максимальна швидкість (Кбіт/с) |
| CS1 | 9.05 |
| CS2 | 13.4 |
| CS3 | 15.6 |
| CS4 | 21.4 |