Bezdrátové komunikace v automatizační praxi IV: Datové přenosy v GSM – GPRS

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi IV:
Datové přenosy v GSM – GPRS

1. Úvod do standardu GSM/GPRS

GPRS – General Packet Radio Service – je možné chápat jako metodu pro paketový přenos dat v síti GSM a také jako službu, kterou operátoři GSM nabízejí svým zákazníkům.

GPRS je zatím nejmodernější používaná metoda přenosu dat prostřednictvím veřejných mobilních telekomunikačních sítí. Nejčastěji je provozována v sítích standardu GSM. Proto je nutné v článku vysvětlit i některé aspekty sítí GSM.

Princip přenosu dat touto metodou spočívá v přepojování paketů, na rozdíl od staršího principu přepojování okruhů, a přináší tak do mobilní komunikace množství novinek. (Metoda přepojování okruhů se však stále používá a má některé výhody, které mohou být v průmyslových aplikacích významné. Podrobněji o ní pojedná následující díl seriálu – pozn. red.). Převratnou novinkou je, že uživatel neplatí za celkovou dobu připojení, ale za skutečně přenesená data. Mobilní sítě s technologií GPRS jsou často označovány jako sítě 2,5. generace. Ty jsou přirozeným krokem k sítím 3. generace UMTS, jež budou poskytovat konvergované hlasové a datové služby.

2. Historie a vývoj GSM a GPRS

S vývojem systému GSM se začalo v roce 1982, kdy sdružení Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) vytvořilo výzkumnou skupinu Groupe Spécial Mobile (GSM). Skupina GSM dostala za úkol teoreticky navrhnout filozofii panevropského komunikačního systému na buňkové – celulární bázi v kmitočtovém pásmu 900 MHz. Roku 1989 přešel vývoj systému GSM na European Telecommunication Standard Institute (ETSI) a roku 1990 byl zveřejněn dokument GSM Phase 1 – první specifikace služeb a prostředí GSM. O dva roky později přišla specifikace GSM Phase 2, která již definovala rozšířené služby, jako jsou např. tarifikace hovorů podle impulsů sítě, identifikace volajícího, konferenční hovory a další. Vývoj GPRS byl podmíněn rostoucími potřebami mobilních účastníků a snahou operátorů o efektivnější využití rádiových zdrojů ve srovnání s klasickými datovými přenosy v síti GSM. Garantem standardizace GPRS byl rovněž ETSI, na vývoji se od roku 1996 podíleli všichni přední výrobci zařízení pro GSM.

V roce 1992 se prvním operátorem GSM stala finská společnost Oy Radiolinia Ab. Od té doby bylo v celém světě zprovozněno takřka 700 sítí. Vývoj pokračoval a roku 1999 začaly fungovat první sítě s podporou GPRS. Během roku 2000 byly spuštěny sítě s podporou GPRS i v Česku.

Služby založené na GPRS jsou velmi příznivě přijímány, operátoři se v současnosti snaží co nejvíce je zrychlit a zefektivnit. Trendem jsou paketové konvergované sítě 3. generace označované zkratkou UMTS.

3. Topologie sítě

Není možné popsat GPRS samostatně, bez alespoň krátké zmínky o principu mobilní telekomunikační sítě standardu GSM. GPRS je rozšířením GSM, a využívá tedy základní komponenty sítě GSM a má množství sdílených vlastností.

3.1 Síť GSM
Obecně řečeno, síť GSM je digitální buňková radiokomunikační síť umožňující přenos hlasu a dat. Skládá se z několika subsystémů:

• Mobilní stanice (terminál) je transceiver (vysílač a přijímač), který komunikuje se základnovou stanicí sítě (BTS) a je vybavena uživatelským rozhraním a identifikačním modulem, kartou SIM.

• Subsystém základnových stanic (BSS) je subsystém, se kterým komunikují jednotlivé mobilní stanice. Přímá komunikace dvou mobilních stanic není možná.

• Síťový spojovací subsystém (NSS) plní mnoho základních funkcí sítě, především spojovací funkce uvnitř sítě a s externími sítěmi, funkce pro autentizaci a autorizaci účastníků, funkce související s mobilitou účastníků aj.

• Operační a podpůrný subsystém (OSS) zajišťuje zejména správu, sledování a konfiguraci sítě.

Není účelem tohoto článku podrobně popsat fungování sítě GSM, pro další výklad je však vhodné objasnit jeden z aspektů rádiového rozhraní sítě. V Evropě systém GSM využívá dvě rádiová pásma – 900 MHz a 1 800 MHz. Ta jsou rozdělena na sestupné a vzestupné rádiové kanály. V pásmu 900 MHz je jich celkem 124 a jsou rozděleny mezi jednotlivé operátory GSM. Na každém kanálu je metodou časového multiplexu (TDMA) vytvořeno osm časových úseků – timeslotů, z nichž první se využívá pro přenos služebních informací a ostatních sedm pro přenos hlasu a dat.

Pro přenos hlasu je nutné převést původní analogový signál do digitální formy vhodné pro přenos v síti GSM. K tomu byly vyvinuty speciální kodeky. Kodek je algoritmus určený ke kódování původního signálu na digitální signál přenášený telekomunikační sítí a k jeho zpětnému dekódování na straně příjemce. Termínem kodek se ale také označuje specializovaný integrovaný obvod, popř. počítačový program, který tyto činnosti provádí.

3.2. Síť GPRS
Zavedení GPRS vyžaduje poměrně velký zásah do existující mobilní sítě standardu GSM, protože ten je navržen pro přenos dat na bázi přepojování okruhů. Je možné představit si tento komplikovaný proces jako „přeložení“ komplementární sítě pracující na bázi přepojování paketů přes existující části původní sítě GSM a provázání těchto dvou sítí s řídicími prvky. Některé prvky sítě musí být doplněny, jiné musí být softwarově povýšeny na společnou funkci.

Modifikována je rádiová část sítě, kde jsou základnové stanice rozšířeny o blok PCU (Packet Control Unit), i páteřní část sítě, kde jsou doplněny velmi důležité stavební prvky GSN (GPRS Support Node).

Jsou to SGSN (Serving GPRS Support Node), které plní zejména funkce:

• směrování datových paketů,
• bezpečnostní funkce (autentizace, šifrování),
• tzv. mobility management (lokalizace, routing area update),
• řízení logických kanálů k mobilnímu terminálu,
• spojení s ústřednovou částí sítě (HLR, VLR, MSC, SMSC),

a GGSN (Gateway GPRS Support Node), jehož úkolem je zajištění:

• rozhraní s vnějšími paketovými sítěmi (IP, X.25),
• některých bezpečnostních funkcí (překlad adres, firewall),
• komunikace s příslušnými SGSN pro správné směrování paketů,
• doplňkové funkce pro mobility management.

Mezi další prvky sítě GPRS patří BG (Border Gateway), která umožňuje propojení s jinými operátory (GPRS roaming), nebo CG (Charging Gateway), která zaznamenává a vyhodnocuje zúčtovací data a předává je do fakturačního systému operátora.

Síť poskytující obě služby se označuje GSM/GPRS.

4. Technické řešení

4.1 Síť
Připomeňme, že v síti GSM je možné realizovat datové přenosy s přepínáním okruhů (CSD, Circuit Switched Data), v nichž jsou data přenášena jako souvislý řetězec bitů vkládaný do jednotlivých timeslotů, putující do BSS, NSS a následně k příjemci, kterým může být např. terminál v mobilní nebo fixní telekomunikační síti. Pro datový přenos je tedy vyhrazen okruh. Okruh je vyhrazen po celou dobu spojení bez ohledu na to, zda se přenášejí data trvale či ne.

V GPRS jsou přenosy realizovány jiným způsobem. Zjednodušeně řečeno, data jsou naformátována na malé části (pakety), které jsou následně rozesílány nejvýhodnějšími směry tak, aby se na požadovaném místě setkaly, ve správném pořadí za sebou poskládaly a nakonec byly koncovým zařízením přijaty a zpracovány. Nevytváří se žádný vyhrazený okruh a využití síťových zdrojů je mnohem efektivnější. Ostatně, podobným způsobem komunikují účastnící v sítích Intranet nebo Internet.

Pro uživatele je důležité, jakou rychlostí mu taková síťová technologie umožní komunikovat. V síti GPRS není rychlost přenosu konstantní, okamžitá rychlost je přímo závislá na kvalitě rádiového signálu a na počtu timeslotů, které jsou pro daný okamžik k dispozici. Pod pojmem kvalita rádiového signálu se rozumí zejména přijímací úroveň signálu, úroveň odrazů a odstup přijímaného signálu od rušivých signálů. Podle kvality signálu si infrastruktura sítě s terminálem „dohodne„ způsob kódování přenášených dat, tzv. kódovací schéma.

Obecně je možné říci, že čím lepší je rádiový signál, tím větší část přenosové kapacity je využita k přenosu dat a menší část kapacity k zabezpečení proti chybám. Čím více timeslotů je k dispozici, tím větší je přenosová rychlost. Ve všech mobilních sítích v ČR jsou využívána kódovací schémata CS1 a CS2, vyšší kódovací schémata CS3 a CS4 jsou implementována pouze v síti T-Mobile CZ. V tab. 1 jsou shrnuty přenosové rychlosti podle kódovacích schémat.

Tab. 1. Kódovací schémata GPRS a dosahované přenosové rychlosti

GPRS pracuje v asymetrickém režimu, kdy terminál umí sdružit více timeslotů při příjmu a méně timeslotů při vysílání. Výsledkem tedy je asymetričnost výsledné přenosové rychlosti, která se uvádí ve tvaru download + upload (směrem k terminálu + směrem od terminálu).

4.2 Terminály
Terminály je možné rozdělit podle dvou hledisek do tzv. tříd.

První dělení určuje, jakou maximální rychlostí může terminál komunikovat. Příkladem je třeba telefon Siemens S55 s označením třídy Multislot Class 10 (4 + 2, 5). Toto označení říká, že telefon může použít až čtyři timesloty pro download, až dva timesloty pro upload a až pět timeslotů při současné komunikaci oběma směry.

Druhé dělení určuje schopnosti terminálu vzhledem k současnému použití sítí GPRS a GSM. Nejčastěji jsou k dispozici terminály Class B, které umožňují současné připojení k oběma sítím, ale aktivní používání pouze jedné. Znamená to tedy, že např. během datového spojení pomocí GPRS mohu přijmout nebo odeslat hovor nebo SMS, ale po dobu hovoru je datový přenos dočasně pozastaven a je obnoven až po skončení hovoru. Datové spojení se sítí je však stále udrženo.

Terminál se může nacházet v jednom ze tří stavů: idle, stand-by a active. Ve stavu idle (nečinný) není vytvořena logická vazba se sítí GPRS, tzv. PDP kontext, a terminál nemá přidělenu IP adresu. Stav stand-by (v pohotovosti) je mezistav, kdy je terminál přihlášen k síti GPRS, je vytvořena logická vazba, avšak terminál nemá přiděleny timesloty pro komunikaci. Data jsou přenášena mezi sítí GPRS a terminálem pouze tehdy, je-li ve stavu active (činný). Ve stavu active má terminál přiděleny timesloty a aktivně komunikuje přes rádiové rozhraní sítě.

5. Protokoly

Přestože je vnitřní protokolová struktura sítě GPRS poměrně komplikovaná, pro uživatele je naopak použití této technologie velmi jednoduché. Síť GPRS na svém rozhraní totiž implementuje nejrozšířenější síťový komunikační protokol, IP. Uživatelé a vývojáři tak mohou velmi snadno užívat a vyvíjet aplikace pracující na vyšších vrstvách síťového modelu TCP/IP.

Existují určitá omezení vyplývající z bezpečnostních požadavků. Pro ochranu uživatelů a efektivní používání veřejných IP adres je často na rozhraní s veřejnou sítí (internetem) použit mechanismus překladu síťových adres a portů (NAPT, Network Address and Port Translation). Proto musí být spojení obvykle inicializováno ze strany mobilního terminálu, nikoliv ze strany internetu.

Stejně jako v jiných sítích pracujících s protokolem IP je koncové stanici přidělena IP adresa, která může být dynamická nebo statická, veřejná nebo neveřejná. Nejčastěji je IP adresa přidělována z rozsahu adres provozovatele sítě, ve zvláštních případech může být přidělena privátní IP adresa z rozsahu firemní sítě uživatele.

Pro zvýšení efektivity přenosů, a tedy zvýšení uživatelské přenosové rychlosti může být v síti GPRS implementována optimalizační služba. V síti T-Mobile jsou to služby GPRSpeed Plus a Mobile Office Optimizer, které jsou založeny na principu optimalizace síťových protokolů (TCP, UDP), real-time kompresi přenášených dat a vylepšení některých vyšších protokolů (HTTP, HTTPS, POP3, IMAP4, NNTP, RPC, MAPI). Díky takové protokolové optimalizaci je možné zvýšit efektivní přenosovou rychlost na dvojnásobek až desetinásobek standardní rychlosti.

6. Bezpečnost

Bezpečnost v sítích GSM/GPRS má stejně jako v ostatních telekomunikačních sítích zabránit nejen neautorizovanému odposlechu hovorů a datových přenosů, ale také neoprávněnému užití prostředků sítě.

Prvním aspektem je ověření totožnosti účastníka, mobilního terminálu a karty SIM, druhým aspektem je proces zabezpečení přenášených dat a třetím aspektem je bezpečnost aplikačních datových služeb.

Přenos dat mezi mobilním terminálem a základnovou stanicí přes rádiové rozhraní znamená na jednu stranu úžasnou mobilitu účastníků, na druhou stranu je to místo potenciálního nebezpečí. Sítě GSM/GPRS proto používají množství bezpečnostních mechanismů. Jde zejména o použité protokoly a formáty dat, digitální modulaci GMSK, neustálé přelaďování terminálů na různé frekvence (frequency hopping) a kanálové kódování.

Autentizace uživatele probíhá pomocí autentizačního algoritmu A3, šifrování dat pomocí šifrovacího algoritmu A8 a přístup k datovým aplikacím je řízen na základě přístupových seznamů (access lists), použití serveru RADIUS apod.

Pro citlivé aplikace provozované s využitím sítí GSM/GPRS by měly být použity další zabezpečovací metody. Pro bezpečný přístup k webovým serverům lze využít např. zapouzdření protokolu HTTP do protokolu SSL (Secure Socket Layer), známé pod zkratkou HTTPS (HTTP Secured). Pro zabezpečený přístup do soukromých sítí se používají technologie virtuálních privátních sítí VPN, např. IP SEC (bezpečnostní rozšíření protokolu IP), nebo pro bezpečný přístup k WAP serveru protokol WTSL (Wireless Transaction Security Layer) apod. Zabezpečení mobilních datových přenosů by mělo být v souladu s bezpečnostní politikou organizace a je silně provázáno s vlastní informační infrastrukturou uživatelů.

7. Oblasti použití

Oblast využití sítě GSM/GPRS je velmi široká, od automatizace až po zábavu. Je uživatelům k dispozici jako univerzální a transparentní datová služba. Její použití je tedy určeno spíše invencí uživatelů. Pro představu se pokusme naznačit několik oblastí, ve kterých tato technologie našla největší rozšíření.

• Automatizované řídicí systémy – dnes již není neobvyklé použít GPRS jako přenosovou technologii pro propojení prvků řídicích systémů, např. v systému SCADA řízení rozvodné sítě.

• Přístup k počítačové síti – mnoho mobilních uživatelů používá GPRS pro přístup k informačním systémům, souborům, e-mailům, kalendáři a kontaktům.

• Internet – snadnost připojení, přenosová rychlost a optimalizační služby dělají z GPRS výtečnou službu pro přístup mobilních uživatelů k internetu.

• Logistika – globální pokrytí předurčuje zavedení GSM/GPRS např. pro přenos logistických a lokalizačních dat z vozidel, práci on-line prodejních a marketingových týmů.

• Telemetrie, telematika – vhodné vlastnosti a zejména způsob účtování jsou ideální pro telemetrické a telematické aplikace, např. odečty průtokoměrů, stavy prodejních automatů, připojení on-line platebních terminálů aj.

• Zábava – pomocí GPRS mohou uživatelé používat službu Instant Messaging (ICQ, Microsoft Messenger), mohou si posílat multimediální zprávy nebo využívat velmi efektivní přístup k informačním službám WAP.

Je zřejmé, že rozvoj mobilních sítí povede k mnohem masivnějšímu použití tzv. služeb s přidanou hodnotou, které budou používat prostředky GSM/GPRS k přenosu specifických „hodnotných„ dat.

Tab. 3. Internetové odkazy (shlédnuto 10/2003)

8. Možnosti použití v průmyslu

Provozovatelé mobilních sítí, výrobci terminálů i vývojáři z nejrůznějších oblastí techniky společně pracují na řešeních použitelných i v průmyslové sféře.

Provozovatelé sítí připravují speciální služby umožňující bezpečné propojení firemní datové sítě a mobilní datové sítě GPRS tak, aby byly zajištěny potřebné bezpečnostní, kapacitní i funkční vlastnosti mobilních datových řešení.

Výrobci terminálů GPRS produkují celou škálu výrobků určených pro průmyslové aplikace, terminálů GPRS integrovaných s přijímači GPS a specializovaných terminálů se zvýšenou odolností proti mechanickému poškození.

9. Závěr

Rozvoj mobilních datových technologií je velmi intenzivní i extenzivní a GPRS nachází hojné uplatnění v mnoha průmyslových řešeních. Je to zejména oblast telemetrie a telematiky, kde má tato technologie obrovskou výhodu díky pokrytí velkých území rádiovým signálem a díky efektivnímu způsobu zpoplatnění datových přenosů.

Pro aplikace v rozsahu podnikového areálu, v prostředí se zvýšeným rušením nebo v aplikacích požadujících komunikaci v reálném čase však zatím nebude nejvhodnější přenosovou službou. Je třeba ještě chvíli počkat, než operátoři sítí implementují pokročilejší mechanismy pro zajištění požadovaných přenosových parametrů (třídy Quality of Service, QoS).

Lze však říci, že zkušenosti s implementací paketově orientované technologie GPRS se jistě významně zhodnotí s nástupem sítí 3. generace. Ten je možné v Česku – podle licenčních podmínek Českého telekomunikačního úřadu – očekávat na začátku roku 2005.

Ing. Zdenek Bradáč,
Ing. Petr Fiedler,
Vysoké učení technické v Brně, UAMT FEKT,
a Ing. Milan Kačmář,
T-Mobile Czech Republic, a. s.

Lektoroval: Ing. Josef Čapek, Ph.D., FEL ČVUT Praha