GPRS

GPRS (англ. General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) — технология пакетной передачи данных в сетях сотовой связи стандарта GSM, обеспечивающая более высокую скорость и эффективность использования ресурсов сети по сравнению с традиционной коммутацией каналов (CSD). GPRS является надстройкой над существующей инфраструктурой GSM и позволяет передавать данные в виде IP-пакетов, что дало толчок развитию мобильного интернета в конце 1990-х — начале 2000-х годов. Технология относится ко второму поколению (2.5G) сотовой связи, занимая промежуточное положение между сетями 2G и 3G.

История

Предпосылки создания

В середине 1990-х годов сети GSM, ориентированные преимущественно на голосовую связь, столкнулись с растущим спросом на передачу данных. Существовавший метод CSD (Circuit Switched Data) был неэффективен: он занимал целый голосовой канал на всё время сеанса, даже если данные передавались с перерывами, а скорость не превышала 9,6–14,4 кбит/с. Для удовлетворения потребностей пользователей в доступе к электронной почте, веб-страницам и файлам требовалась более гибкая и скоростная технология.

Разработка и стандартизация

Работа над GPRS началась в 1994 году в рамках проекта Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI). Основной задачей было создание системы, которая позволила бы эффективно использовать радиоресурсы за счёт пакетной коммутации, аналогичной принципам работы интернета. В 1997 году были опубликованы первые спецификации (фаза 1), а в 1999 году — окончательный стандарт (GSM 03.60 и последующие). Первая коммерческая сеть GPRS была запущена в 2000 году в Великобритании компанией BT Cellnet.

Развитие и вытеснение

В начале 2000-х годов GPRS стала стандартом де-факто для мобильного интернета в сетях GSM. В России массовое внедрение технологии началось в 2002–2003 годах. Однако с появлением сетей 3G (UMTS) и 4G (LTE) GPRS постепенно утратила значение как основной способ доступа в интернет, сохранившись в качестве резервного канала передачи данных в зонах неуверенного приёма 3G/4G и для устройств с низким энергопотреблением (например, в системах телеметрии). К середине 2010-х годов операторы во многих странах начали отключать сети 2G, включая GPRS, высвобождая частоты для более современных технологий.

Технические основы

Архитектура

GPRS не требует полной замены оборудования базовых станций GSM, но предполагает добавление двух новых ключевых сетевых элементов:

• SGSN (Serving GPRS Support Node) — обслуживающий узел поддержки GPRS. Отвечает за регистрацию абонента, аутентификацию, управление мобильностью и маршрутизацию пакетов в пределах своей зоны обслуживания.
• GGSN (Gateway GPRS Support Node) — шлюзовой узел поддержки GPRS. Служит интерфейсом между сетью GPRS и внешними IP-сетями (Интернет, корпоративные сети). GGSN назначает абоненту IP-адрес и обеспечивает туннелирование трафика.

Между собой SGSN и GGSN обмениваются данными через опорную сеть GPRS, построенную на базе IP-протокола. Радиодоступ осуществляется через существующие базовые станции (BTS) и контроллеры (BSC), которые модифицируются для поддержки пакетной передачи.

Радиоинтерфейс и каналы

Для передачи данных GPRS использует те же частотные диапазоны, что и GSM (например, 900, 1800, 1900 МГц). Однако вместо выделения одного канала на весь сеанс связи применяется принцип разделения времени: один физический канал (таймслот) может использоваться несколькими абонентами поочерёдно. Для GPRS введены новые типы логических каналов:

• PDTCH (Packet Data Traffic Channel) — канал для передачи пользовательских данных.
• PACCH (Packet Associated Control Channel) — канал для передачи сигнальной информации, связанной с конкретным сеансом передачи данных.
• PCCCH (Packet Common Control Channel) — общий канал управления для пакетной передачи.

Кодирование и скорость

Скорость передачи данных в GPRS зависит от используемой схемы кодирования (Coding Scheme — CS). Всего существует четыре схемы, определяющие объём полезной информации, передаваемой за один временной слот:

На практике максимальная скорость GPRS редко превышала 40–50 кбит/с из-за ограничений сети, загрузки и помех. Абонент может использовать от 1 до 8 таймслотов (в зависимости от возможностей телефона и настроек сети), что и определяет итоговую пропускную способность.

Классы устройств

Мобильные устройства классифицируются по способности одновременно работать с голосовой связью и GPRS:

• Класс A (Class A) — устройство может одновременно передавать голос и данные через GPRS.
• Класс B (Class B) — устройство может работать как в голосовом, так и в пакетном режиме, но не одновременно. При поступлении голосового вызова сеанс передачи данных приостанавливается.
• Класс C (Class C) — устройство поддерживает только один режим (только GPRS или только голос). Переключение между режимами требует ручной настройки.

Большинство мобильных телефонов того времени относились к классу B.

Особенности и преимущества

Пакетная коммутация

В отличие от CSD, где канал резервируется на всё время соединения, GPRS использует пакетную коммутацию. Данные разбиваются на небольшие пакеты, которые передаются по сети независимо друг от друга. Это позволяет:

• Эффективно использовать радиоресурсы — один канал может обслуживать множество абонентов, передающих данные с перерывами.
• Оплачивать только переданный трафик — в большинстве сетей GPRS тарификация производилась за объём переданных данных (мегабайты), а не за время соединения. Это было революционным для того времени, так как позволяло пользователю «постоянно быть онлайн».
• Обеспечивать «всегда включённое» соединение — абонент остаётся подключённым к сети GPRS даже в режиме ожидания, не занимая при этом отдельного канала.

Скорость и задержки

Хотя GPRS обеспечивала значительно более высокую скорость, чем CSD (до 171,2 кбит/с теоретически против 9,6 кбит/с), на практике скорость была скромной. Задержки (латентность) также были значительными — от 500 до 1000 мс, что делало технологию малопригодной для голосовой связи по IP (VoIP) и онлайн-игр, но вполне достаточной для веб-сёрфинга, электронной почты и мессенджеров.

Применение

Мобильный интернет

Основным применением GPRS стал доступ к интернету с мобильных телефонов и смартфонов. Технология позволила:

• Просматривать WAP-сайты (Wireless Application Protocol) и первые HTML-страницы.
• Использовать электронную почту (POP3, IMAP).
• Обмениваться сообщениями в ICQ, Jabber и других мессенджерах.
• Загружать мелодии, картинки и Java-приложения.

M2M и телеметрия

Благодаря низкому энергопотреблению и возможности «всегда быть онлайн», GPRS нашла широкое применение в системах Machine-to-Machine (M2M):

• Удалённый мониторинг — сбор данных с датчиков (температура, давление, уровень жидкости) на промышленных объектах, в сельском хозяйстве, на транспорте.
• Трекинг — GPS/ГЛОНАСС-мониторинг транспорта, контроль передвижения грузов.
• Охранные системы — передача сигналов тревоги от сигнализаций.
• Платежные терминалы — передача данных о транзакциях.

Роуминг

GPRS поддерживает роуминг, что позволяло пользователям выходить в интернет в сетях других операторов, заключивших соответствующие соглашения. Это стало важным шагом в глобализации мобильного интернета.

Эволюция: EGPRS (EDGE)

В 2003 году была представлена усовершенствованная версия GPRS — EGPRS (Enhanced GPRS), более известная как EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). EDGE использует более сложные методы модуляции (8-PSK вместо GMSK) и кодирования, что позволило увеличить скорость передачи данных до 384 кбит/с (теоретически) и до 150–200 кбит/с на практике. EDGE часто относят к поколению 2.75G. Технология была обратно совместима с GPRS и стала последним значительным улучшением сетей GSM перед переходом к 3G.

Критика и ограничения

• Низкая скорость — даже теоретический максимум GPRS (171,2 кбит/с) был значительно ниже скоростей, доступных в проводных сетях того времени.
• Высокие задержки — делали технологию непригодной для приложений реального времени.
• Нестабильность — скорость могла сильно варьироваться в зависимости от загрузки сети и качества сигнала.
• Ограниченная ёмкость — при большом количестве активных пользователей скорость падала, так как ресурсы одного таймслота делились между ними.
• Проблемы с безопасностью — протоколы аутентификации и шифрования в GPRS (GEA/1, GEA/2) со временем были признаны уязвимыми для атак.

Интересные факты

• GPRS стала первой технологией, позволившей массово использовать мобильный интернет по принципу «всегда включён».
• В России технология GPRS активно внедрялась операторами «большой тройки» (МТС, «Билайн», «МегаФон») в первой половине 2000-х годов.
• Некоторые операторы в странах с плохо развитой инфраструктурой 3G/4G продолжают использовать GPRS и EDGE в качестве основного канала передачи данных для базовых услуг.
• GPRS-модули до сих пор широко применяются в устройствах M2M благодаря низкой стоимости и энергопотреблению, хотя постепенно заменяются модулями NB-IoT и LTE-M.

Источники

• Спецификация ETSI TS 123 060 (GPRS Service Description).
• «Основы сотовой связи стандарта GSM» — В. И. Громаков, Ю. А. Громаков.
• «Мобильная связь: от GSM до LTE» — М. А. Сиверс, В. О. Шварцман.
• «GSM, GPRS and EDGE Performance» — T. Halonen, J. Romero, J. Melero.
• Материалы сайтов 3GPP (3rd Generation Partnership Project).