Оскільки служба передачі даних GPRS надбудовується над існуючою мережею GSM, то не потрібно кардинальної модернізації існуючої мережевої інфраструктури. Що ж стосується нових функціональних можливостей і зміни принципу сполучення з зовнішніми мережами, то по суті вони є розширенням існуючої мережі GSM. Коротко охарактеризуємо узагальнену структуру та функціональне призначення базових елементів мережі GPRS.
На структурному рівні систему GPRS можна розділити на 2 частини (рис. 10.5): підсистему базових станцій і опорну мережу GPRS (GPRS Core Network). У підсистему базових станцій входять всі контролери та базові станції мережі GSM, які підтримують пакетну передачу даних на програмному та апаратному рівні. Ядро мережі GPRS включає в себе абсолютно нові мережеві елементи, призначені для обробки пакетів даних і забезпечення зв'язку з мережами передачі даних, в першу чергу, з мережею Інтернет.
Мал. 10.5. Узагальнена структура системи GPRS
Основним мережевим елементом є пакетний комутатор SGSN (Serving GPRS Support Node) - сервісний вузол підтримки GPRS. Даний мережевий елемент бере на себе всі функції обробки пакетної інформації і перетворення кадрів GSM у формати, які використовуються протоколами TCP / IP глобальної мережі Internet.
Другим важливим мережевим елементом GPRS є шлюзовий вузол підтримки GPRS -GGSN (Gateway GPRS Support Node). Він забезпечує зв'язок системи GPRS з пакетними мережами передачі даних: Internet, Intranet, X.25 та ін. GGSN містить всю необхідну інформацію про мережі, куди абоненти GPRS можуть отримувати доступ, а також параметри з'єднання.
Крім згаданих елементів, в GPRS Core входять інші елементи: DNS (сервер доменних імен), Charging Gateway (шлюз для зв'язку з системою тарифікації), Border Gatewaj (прикордонний шлюз) та інші допоміжні елементи.
Як уже згадувалося раніше, при створенні мережі GPRS ускладнюються функції BSC \ BTS. BSC містить додатковий блок PCU (Packet Control Unit), а до складу BTS входить нове кодує пристрій CCU (Channel Codec Unit). При цьому BSC:
- надає канали абонентам пакетної мережі відповідно до необхідного QoS;
- забезпечує фрагментацію і збірку кадрів для їх передачі по радіоканалах;
- забезпечує контроль якості передачі по радіоканалах.
Контролер пакетів PCU забезпечує розподіл надходять пакетів на BTS PCU стикується з контролером базових станцій BSC і відповідає за напрямок трафіку даних безпосередньо від BSC до SGSN. HLR містить додаткові дані про абонентів, яким надають послуги GPRS (базисний PDP-контекст).
В GPRS-систему закладена хороша масштабованість - при появі нових абонентів оператор може збільшувати число SGSN, а при зростанні сумарного трафіку - додавати в систему нові GGSN. Усередині опорної мережі GPRS (між SGSN і GGSN) дані прозоро передаються за допомогою спеціального так званого тунельного протоколу у GTP (GPRS Tunneling Protocol). Протокол тунелювання GTP працює над стандартним IP-протоколом в прозорому режимі, тобто користувачі і прикладні завдання «не знають» про існування даного протоколу.
У перспективі (при орієнтації системи на мобільний Інтернет) можливе додавання спеціального вузла підтримки Інтернет - IGSN (Internet GPRS Support Node).
Технологія GPRS, накладається поверх мережі GSM, дозволяє динамічно і індивідуально розподіляти радіоресурс GSM в міру необхідності. Якщо до соте GSM одночасно підключається відразу багато користувачів GPRS, і вона не здатна підтримувати такий обсяг трафіку, базова станція GPRS скористається радиоресурсами сусідніх сот GSM. Таким чином, користувачі GPRS обслуговуються багатьма сотами GSM одночасно, коли в цьому виникає необхідність.
За керування і контроль GPRS-системи відповідає OMC-R / G (Operation and Maintenance Center - Radio / GSN - центр управління та обслуговування радіо / вузла GPRS, на рис. 10.5 не показаний), який є інтерфейсом між системою і обслуговуючим її персоналом.
Як вже було сказано, реєстрацією, а точніше, «прикріпленням» до мережі (attach GPRS) користувачів займається вузол SGSN. Коли користувач GPRS робить дзвінок, мобільна станція надсилає запит (Attach Request) на отримання доступу до мережі, який містить ряд параметрів. Цей запит надсилається на вузол SGSN, взаємодіє з іншими вузлами SGSN або вузлами GGSN, якщо необхідно отримати доступ до зовнішньої мережі іншого роду (IP або Х.25).
У процесі сеансу зв'язку MS може перебувати в різних станах. Відносяться до GPRS дані абонента зберігаються в HLR, SGSN, GGSN, MSC / VLR, а також в MS (час тично в SIM карті). Всі дані, що відносяться до абонента, можна розділити на дві групи даних: пов'язані з мобільністю абонента; що визначають можливості передачі пакетованій інформації.
Першу групу даних прийнято називати контекстом управління мобільністю (Mobile Management (MM-Context)). ММ-контекст зберігається в MS і SGSN і, як буде показано нижче, може перебувати в одному з трьох станів: IDLE, STANDBY, або READY [3,26,78,80,97,100].
Друга група даних називається контекстом протоколів пакетної передачі даних або PDP-контекстом (PDP-context). У розд. 10.4 в рамках профілю сесії розглядалося вміст PDP-контексту. Як буде показано нижче, кожен PDP-контекст абонента може перебувати в одному з двох станів: INACTIVE або ACTIVE.
Абонент може мати декілька різних підписок на послуги GPRS і відповідно дані про це будуть зберігатися в декількох PDP-контекстах. PDP мають той же ієрархічний рівень, що і основні послуги (Basic Services - BS) при комутації каналів. Додаткові послуги (Supplementary services - SS) можуть бути активізовані як на рівні основних послуг (SS1), так і на рівні PDP підписки (SS2).
IDLE - непрацюючий, вільний режим. У стані IDLE абонент не підключений до GPRS і ММ-процедури виконані бути не можуть. Мережа не має достовірної інформації про місцезнаходження MS і не може забезпечити доставку пакетів. З точки зору мережі MS недоступна. Якоїсь ММ-контекст даного абонента в SGSN відсутня. Єдина інформація про абонента, яка є у розпорядженні мережу, - це дані про підписку в HLR. Пейджинг MS, а також обмін даними з MS неможливі.
У IDLE стані MS контролює мовний канал РВССН (або ВССН, якщо РВССН відсутня) для отримання системної інформації, виконує селекції мережі і GPRS стільники, але про свої дії мережа не інформує.
Для того щоб встановити ММ-контексти в MS і в SGSN, MS повинна виконати процедуру GPRS Attach. При успішному виконанні цієї процедури відбувається перехід в стан READY на сторонах MS і SGSN.
STANDBY-режим очікування. Апарат зареєстрований (прикріплений) в GPRS-системі, але вже довгий час (визначається спеціальним таймером) не працює з передачею даних. Місцезнаходження STANDBY-абонентів відомо з точністю до RA (Routing Area - область маршрутизації). RA дрібніше, ніж LA в GSM (кожна LA розбивається на кілька RA, але, тим не менш, RA крупніше, ніж типова стільника, і складається з декількох елементарних стільникових осередків). Область RA необхідна для пошуку абонента в мережі системою GPRS, причому пошук здійснює SGSN. У стані STANDBY абонент підключений до GPRS. В MS і SGSN встановлені ММ-контексти, що за своєю суттю можна порівняти з встановленням з'єднання в мережах з комутацією каналів.
MS приймає мовний канал РВССН (або ВССН) для отримання системної інформації, а також канал пейджінга РРСН (або РСН). Пейджинг для передачі даних або сигнальної інформації може бути прийнятий. Можливий також прийом пейджінга для послуг з комутацією каналів через SGSN. Однак прийом і передача пакетів даних в стані STANDBY неможливі.
MS контролює RA, проводить селекцію і реселекцію GPRS сот. При вході в нову RA MS виконує ММ процедуру RA Update для інформування SGSN про зміну місця розташування. Про зміну стільники в межах однієї і тієї ж RA мобільна станція SGSN не інформує. Тому в стані STANDBY інформація про місцезнаходження MS в ММ- контексті SGSN складається тільки з RAI. SGSN зберігає цю інформацію і використовує її для пейджинга MS.
MS в стані STANDBY має можливість активізувати чи деактивувати PDP-контекст. PDP-контекст повинен бути активізований перед передачею або прийомом цього PDP-контексту.
Якщо SGSN має дані або сигнальну інформацію для MS, що знаходиться в стані STANDBY, то він посилає пейджинг (Paging Request) в ту RA, де MS знаходиться. При відповіді MS на пейджинг, ММ- стан в MS змінюється на READY, а в SGSN - після отримання цієї відповіді. При відсутності даних про місцезнаходження MS Пейджинговий клопотання не надсилається. Крім того, ММ стан в MS змінюється на READY і в тому випадку, коли MS посилає дані або сигнальну інформацію. Відповідно стан в SGSN змінюється на READY, коли ці дані будуть прийняті SGSN.
Для переходу в стан IDLE MS ініціює процедуру GPRS Detach. Co свого боку SGSN може виконати процедуру неявного (implicit) GPRS detach по спрацьовуванню таймера доступності абонента (Mobile Reachable Timer), коли протягом встановленого таймером часу немає пакетів і викликів, що передаються в обох напрямках. При цьому ММ-контекст перетворюється на стан IDLE, а потім віддаляється (див. Додаток 1).
READY - режим готовності. Абонентський термінал зареєстрований в системі, йому виділено канальний ресурс і він і знаходиться в активній роботі.
Коли абонент знаходиться в режимі READY, вузол SGSN знає про його положення з точністю до стільники. При цьому пошук абонента проводиться в конкретній соте, а не в області маршрутизації RA.
Розглянемо процедуру підключення мобільного станції до мережі GPRS. На рис. 10.6 і рис. 10.7 представлені ілюстрації процедур GPRS-attach і GPRS-detach [101].
Мал. 10.6. Процедура переходу в режим підключення GPRS
Мал. 10.7. Процедура переходу в режим відкріплення GPRS
1. Отримавши запит на з'єднання, SGSN запитує інформацію про профіль користувача з вузла HLR і перевіряє у своїй базі наявність аутентифицирующей даного абонента інформації. У разі відсутності цієї інформації SGSN надсилає запит до реєстру HLR, який повертає відповідь, що містить:
- випадкове число (authentication RAND) довжиною 128 біт, що використовується в алгоритмах A3 і А8 для вироблення ключа шифрування і аутентифікації абонента;
- 32-розрядний ключ аутентифікації абонента, який виробляється на основі індивідуального ключа, що зберігається як на мобільної станції, так і в HLR;
- ключ шифрування даних, що отримується також на базі індивідуального ключа абонента.
2. Отримане випадкове число передається на мобільну станцію, яка на його основі виробляє ключ шифрування і ключ аутентифікації. Так як індивідуальні ключі, що зберігаються в HLR і на мобільної станції збігаються, то і ключі шифрування і аутентифікації також повинні збігатися, що і є фактом правочинності запиту даними абонентом оплачених GPRS-послуг.
3. Після ідентифікації абонента здійснюється ідентифікація обладнання, яке посилає на SGSN ідентифікатор IMEI. Вузол SGSN проводить перевірку даного обладнання за реєстром EIR.
4. Після аутентифікації абонента і устаткування відбувається процедура визначення місця розташування абонента в RA / LA (з використанням регістрів HLR і VLR), після чого відбувається завершення процедури підключення мобільного станції до мережі GPRS.
Якщо мобільна станція не змогла пройти аутентифікацію, то SGSN посилає на неї повідомлення Attach Reject ( «прикріплення відхилено»).
Коли мобільний пристрій знаходиться поза зоною покриття GPRS, erо контекст дезактивируется і пристрій від'єднується від мережі.
- INACTIVE state (неактивний стан).
- ACTIVE state (активний стан).
Процедура активізації PDP-контексту виглядає наступним чином [79, 80, 91,101].
1. Мобільний термінал формує запит на активізацію PDP-контексту до SGSN.
5. GGSN формує відповідь на створення PDP-контексту.
6. Між вузлами SGSN і GGSN створюється віртуальне з'єднання (GTP-тунель).
9. Активізація контексту завершується підтвердженням MS з боку мережі. Після активізації контексту MS може обмінюватися повідомленнями з відповідною мережею.
Перехід зі стану ACTIVE в стан INACTIVE може статися в двох випадках. У першому випадку це відбувається, коли MS деактивує відповідний PDP-контекст, Другий випадок має місце при виконанні процедури GPRS detach або після закінчення таймера стану STANDBY. При цьому в стан INACTIVE переходять всі активні PDP-контексти.
У разі роумінгу GPRS-абонента виконується наступна процедура, пов'язана з маршрутизацією даних. При цьому можливі два сценарії. SGSN в обох випадках використовується гостьовий (VSGSN - Visited SGSN), a GGSN може ісполіользоваться або гостьовий (VGGSN - Visited GGSN), або домашній (HGGSN - Home GGSN). В останньому випадку між домашнім і гостьовим операторами повинна існувати GPRS-магістраль (InterPLMN GPRS BackBone - GPRS-лінія між різними мобільними мережами) для передачі трафіку між HGGSN і мобільним абонентом. Крім того, з'являється необхідність в BG (Border Gateway - граничний шлюз) з обох сторін з метою забезпечення захисту мереж від атак ззовні.