ПАКЕ́ТНАЯ СВЯЗЬ
В книжной версии
Том 25. Москва, 2014, стр. 66-67
Скопировать библиографическую ссылку:
ПАКЕ́ТНАЯ СВЯЗЬ, система связи, в которой передаваемые (напр., посредством электрич. сигналов) сообщения разбиваются на пакеты (небольшие блоки определённого формата), каждый из которых снабжается заголовком, содержащим адрес доставки и др. служебную информацию. Система связи при этом представляет собой не традиционные, коммутируемые между двумя абонентами каналы связи (обеспечивающие прямое физич. соединение между двумя узлами только в течение сеанса связи), а т. н. облако из каналов связи между всеми абонентами. Пути передачи пакета могут быть различны (обычно выбирается наиболее оптимальный маршрут на данный момент времени). В приёмнике из полученных пакетов (исключая заголовок) формируется выходной сигнал, соответствующий передаваемому. О приёме каждого пакета по обратному каналу связи посылается подтверждение (при необходимости передача пакета повторяется до получения подтверждения). Поскольку время распространения сигнала по каналам связи разной протяжённости различно, в приёмнике применяют буферную память для врем. хранения пакетов.
Источник
Передача данных: от каналов к пакетам
С. Пасичник, В.Бабич, А.Яриловец
«Сети и телекоммуникации», № 1-2, 2006 г.
Сегодня GSM-сети характеризуются достаточно высокой скоростью передачи данных, повышением эффективности использования сетевых ресурсов и переходом на более выгодную тарификацию. Как же развивался GSM-стандарт?
При разработке стандарта GSM (начало 90-х) в первую очередь учитывались следующие аспекты: качество связи и передачи сообщений, проектирование интерфейсов для взаимодействия с различными видами внешних сетей, реализация межсетевого и международного роуминга, а также обеспечение конфиденциальности. Высокая скорость передачи данных в то время не было принципиальным фактором: для приложений казалось вполне достаточно 9,6 кбит/с. После доработки базового стандарта GSM скорость передачи данных была увеличена до 14,4 кбит/с. Сейчас для мобильного доступа к интернету и даже для передачи мультимедийных сообщений таких скоростей явно не хватает.
К концу 90-х годов были найдены возможности совершенствования систем GSM благодаря внедрению новых, более скоростных технологий передачи данных.
К ним относятся высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов (High Speed Circuit Switched Date — HSCSD) и пакетные сервисы передачи данных, такие как обобщенная служба пакетной радиопередачи (General Packet Radio Service — GPRS), а также усовершенствованная технология передачи данных для развития GSM (Enhanced Data Rates for GSM Evolution — EDGE).
Для увеличения пропускной способности использовался метод объединения нескольких GSM-каналов передачи данных в одном с более высокой скоростью (HSCSD, GPRS, EDGE).
Внедрение пакетных методов информационного обмена (технологии GPRS, EDGE) стало новым этапом в эволюции систем GSM. Кроме того, в технологии EDGE используется особый метод модуляции с более высокой частотной эффективностью, благодаря чему достигается существенное повышение скорости передачи данных.
Какой же метод передачи данных изначально закладывался в базовый стандарт GSM?
Основные принципы передачи данных
Для доставки данных базовый стандарт GSM предусматривает использование каналов передачи трафика (Traffic Channel — ТСН). Реализуются каналы TCH/F 2,4 TCH/F 4,8 и TCH/F 9,6 на 2,4, 4,8 и 9,6 кбит/с соответственно. При этом применяются различные схемы помехоустойчивого избыточного кодирования.
В стандарте GSM используется комбинированный множественный доступ с частотным (FDMA) и временным (TDMA) разделением каналов. Таким образом, все каналы трафика формируются на основе физического канала со скоростью передачи 22,8 кбит/с, который использует один из восьми канальных интервалов (слотов) в кадре TDM. Стандарт GSM предусматривает манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK-модуляции) и метод доступа FDMA. Формируются радиоканалы с полосой пропускания 200 кГц.
Все режимы, которые поддерживаются в базовом стандарте GSM, используют технологию передачи данных в сети с коммутацией каналов (Circuit Switched Data — CSD). Выделенный канал закрепляется за абонентом на все время сеанса связи, и обмен данными осуществляется в реальном времени.
Процесс CSD-соединения и осуществление телефонного вызова идентичны, поэтому технология CSD позволяет обеспечить зону покрытия, которая полностью совпадает с зоной покрытия всей сети GSM.
Тарификация услуг передачи данных CSD не зависит от объема переданных и полученных данных и определяется продолжительностью сеанса связи.
Скорости 9,6 кбит/с достаточно только для организации факсимильной связи с использованием аппаратов третьей группы, передачи SMS-coобщений длиной до 160 символов и работы электронной почты (правда, с определенными ограничениями). Кроме того, базовый стандарт GSM, а, значит, и технология CSD, основанная на коммутации каналов, характеризуется достаточно длительным временем установления соединения — около 20 с. Таким образом, учитывая современные требования, базовый стандарт GSM имеет весьма скромные возможности передачи данных.
В радиоканале с использованием TDMA может быть образовано восемь физических каналов, по одному на каждый слот
Скоростная передача данных с коммутацией каналов
Технология высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов HSCD реализуется на базе уже действующих сетей GSM. Увеличение скорости передачи данных достигается за счет того, что в кадре TDM одному пользователю выделяется несколько временных канальных интервалов. При этом в технологии HSCSD в качестве основы используются три схемы кодирования (CS1, CS2 и CS3) для каналов трафика базового стандарта TCH/F 4,8, TCH/F 9,6/ и TCH/F 14,4. Схема кодирования CS1 обеспечивает более высокую степень помехозащиты. Использование двух канальных интервалов и схемы кодирования CS2 гарантирует скорость передачи 19,2 кбит/с (9,6X2), а при использовании CS3 достигается скорость 28,8 кбит/с (14,4Х2).
Для внедрения HSCSD со скоростями до 28,8 кбит/с необходима модификация программных средств мобильных станций MS и центра коммутации MSC, а также протоколов обмена данными. Усовершенствованное программное обеспечение должно гарантировать разделение (объединение) информационного потока на несколько субпотоков, которые затем будут переданы (приняты) по нескольким каналам TCH.
В базовом стандарте GSM сдвиг между приемом сигналов базовой станции и последующей их передачей мобильной станцией в одном кадре составляет 2 слота. При режиме работы с двумя занятыми слотами этот сдвиг будет равен 4 интервалам.
Следует отметить, что технология HSCSD со скоростью передачи до 28,8 кбит/с уже расширяет возможности пользователей сетей GSM.
Для обеспечения более скоростных режимов работы возможно объединение четырех канальных интервалов. При этом достигаются скорости передачи 38,4 кбит/с (9,6Х4), схема кодирования CS2, и 57,6 кбит/с (14,4X4), схема CS3. Вместе с тем скоростные режимы работы требуют наличия соответствующих абонентских терминалов GSM.
Теоретически технология HSCSD позволяет использовать все восемь слотов. В этом случае пользовательская скорость передачи равна 76,8 (CS2) или 115,2 (CS3) кбит/с. Однако для реализации этих возможностей необходима доработка некоторых элементов инфраструктуры, так как скорость обмена данными между базовыми станциями и центром коммутации MSC в большинстве случаев ограничивается 64 кбит/с (интерфейс А).
Технология HSCSD допускает асимметричный режим работы, когда для линии связи «вниз» (от базовой станции к абоненту) выделяется большее количество интервалов, чем для линии «вверх» (от абонента к базовой станции).Такой механизм отражает типичный режим роботы мобильных пользователей, которые в основном принимают данные, а отправляют короткие сообщения в виде запроса.
Внедрение технологий HSCSD в сетях GSM (начиная с 2000 года) обеспечило реализацию таких услуг, как мобильный доступ к интернету, электронная почта, передача факсимильных сообщений. Однако использование технологии HSCSD не очень выгодно, поскольку она основана на концепции коммутации каналов. Это означает, что тарифицируется не переданное количество информации, а длительность соединения, включая время установления канала HSCSD и время его использования. Для организации высокоскоростного канала сеть GSM выделяет определенное число TCH. Следовательно, для переключения, установки соединения и освобождения каналов требуется большее количество времени, чем при использовании только одного TCH.
Особенно экономически неоправданна технология HSCSD при осуществлении передачи небольших по объему потоков данных. В этом случае для выполнения процедур установления канала требуется достаточно много времени.
Передача данных с коммутацией пакетов
Технология GPRS
Технология GPRS обеспечивает сквозную (от абонента к абоненту) пакетную передачу данных на основе IP-протокола. Наличие такой службы особенно необходимо для интернет-приложений, работа которых основана именно на пакетном обмене информацией.
Технология GPRS реализует гибкий и эффективный механизм использования сетевых ресурсов GSM, когда возникает необходимость в частой передаче небольших объемов информации (запросы пользователей) и в менее частой передаче больших объемов информации (ответы вэб-сервера) при наличии продолжительных пауз.
Класс надежности | Вероятность потери SDU | Вероятность дублирования SDU | Вероятность неправильного порядка SDU | Вероятность искажения SDU |
1 | 10-9 | 10-9 | 10-9 | 10-9 |
2 | 10-4 | 10-5 | 10-5 | 10-5 |
3 | 10-2 | 10-5 | 10-5 | 10-2 |
Внедрение GPRS не требует кардинальной модернизации инфраструктуры GSM, поскольку служба передачи GPRS надстраивается над существующей сетью. Передача пакетов системы GPRS происходит по уже функционирующим каналам базовой сети GSM, в которой развертывается соответствующее оборудование.
В сети GSM-GPRS изменяется статус мобильного абонента, который теперь может работать одновременно в двух режимах — телефонного разговора и пакетной передачи (приема) данных, то есть все службы GPRS используются параллельно с традиционными службами GSM. Так что развертывание GPRS не влияет на обслуживание абонентов, которые пользуются только телефонными услугами обычной сети, работающей на основе базового стандарта GSM.
Технология GPRS позволяет предлагать дополнительные услуги — подключение к интернету и радиодоступ к локальным вычислительным сетям по протоколам X.25 и IP.
Системы GPRS первого поколения обеспечивали предоставление пакетных услуг в соединении «точка-точка» (Point-to-Point — РТР). Есть две версии РТР: PTP-CONS (CONS — Connection Oriented Network Service) — сетевая служба РТР, ориентированная на установление логического соединения, и сетевая служба РТР-CLNS без установления логического соединения (CLNS — Connection Less Network Service).
Служба РТР-CONS поддерживает приложения, основанные на протоколе Х.25 и TCP/IP. Служба PTP-CLNS ориентирована на протокол UDP.
В системах GPRS второго поколения реализована многоадресная или многоточечная пакетная передача PTM (Point-to-Multipoint).
Количество канальных интервалов | 1 | 2 | 3 | 4 |
Скорость, кбит/с | 4,8 | 9,6 | 14,4 | 19,2 |
CS1 | 4,8 | 9,6 | 14,4 | |
CS2 | 9,6 | 19,2 | 28,8 |
В технологии GPRS, как и в HSCSD, повышение скорости передачи данных достигается за счет использования многослотового режима. Для образования канала передачи данных может выделяться от 1 до 8 канальных интервалов в кадре TDM. Таким образом, скорость передачи данных увеличивается пропорционально количеству задействованных слотов.
Канальные интервалы распределяются не фиксировано, а управляются запросами пользователей системы GPRS, то есть распределение канальных интервалов зависит от текущей загрузки. Оно производится отдельно для исходящих и нисходящих радиолиний. При этом до 32 абонентов могут по очереди использовать один и тот же высокоскоростной канал в режиме передачи (приема) с соответствующей задержкой ожидания.
Профиль качества обслуживания
Стандарт GPRS предусматривает профиль качества обслуживания пользователей, который определяет следующие четыре показателя качества: уровень приоритетного обслуживания, класс надежности, класс задержки передачи и пропускную способность пользовательских каналов.
В системах GPRS используется три уровня приоритетного обслуживания: высокий, средний и низкий.
В процессе передачи модули данных GPRS (Service Data Unit — SDU) могут дублироваться или следовать в неправильном порядке. Также может произойти потеря модулей SDU или передача их в искаженном виде. В стандарте GPRS задаются значения вероятности возникновения подобных сбоев, в соответствии с которыми различаются классы надежности. Первый класс надежности целесообразно использовать в том случае, когда информационная система является весьма чувствительной к ошибкам и неспособна их исправить собственными силами. Второй класс подходит системам, более устойчивым к ошибкам. Третий класс можно использовать, когда в системе задействованы протоколы, нечувствительные к ошибкам или обеспечивающие их коррекцию.
Процесс пакетного обмена данными характеризуется задержкой передачи. Нормы значений задержек передачи для разных классов качества обслуживания в стандарте GPRS предусмотрены для пакетов длиной 128 и 1024 байт. При этом оговаривается среднее и 95-процентное значения задержек.
Класс задержки | Среднее значение (для SDU размером 128 байт), с | 95-процентное значение (для SDU размером 128 байт), с | Среднее значение (для SDU размером 1024 байт), с | 95-процентное значение (для SDU размером 1024 байт), с | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 | > Функционирование элементов сети
Основным элементом, обеспечивающим предварительную обработку тарификационной информации для услуг GPRS, является биллинговый шлюз (Billing Gateway — BG). Механизм тарификации, используемый в GPRS, существенно отличается от того, который применяется для базовых сетей GSM и технологии высокоскоростной передачи HSCSD. Терминалы GPRS Переход на пакетные решения стал важнейшим этапом эволюции технологий передачи данных в GSM > > Усовершенствованная передача данных
На основе технологии EDGE могут быть организованы две усовершенствованные службы передачи данных: служба пакетной передачи EGPRS (Enhanced GPRS) и служба передачи с коммутацией каналов ECSD(Enhanced CSD). По сравнению с базовым GSM максимальная скорость передачи на один физический канал увеличивается до 38,4 кбит/с для ECSD и до 69,2 кбит/с для EGPRS. Особенности применения технологий Пакетные технологии передачи данных в GSM позволяют обеспечить полноценную интеграцию интернета и мобильных сетей. В дополнение к традиционным интернет-приложениям эти технологии позволяют разворачивать полнофункциональные специализированные решения, требующие удаленного доступа. При этом подобные решения сочетаются с преимуществами радиоинтерфейса. Источник |