GPRS: jak to vlastně přesně funguje ?

Článek byl inspirován pěkným povídáním, uveřejněného na serveru ppcw.net. Není míněn jako technický výklad technologie GPRS, poměrně pěkný a podrobný byl uveřejněn například v referátu Petra Chloupka nebo na na Mobil serveru. Rovněž si neklade za cíl vysvětlit do detailu použité termíny: účelem by mělo být seznámení se základními pojmy a principy používanými v oblasti GPRS z hlediska uživatele GPRS mobilu nebo PDA.


GPRS přenosy vycházejí ze 2 základních komponent: z kódovacích schémat (Coding Schemes, CS1 až CS4) a časových rámců (Time Slots - max. 8; při využití všech 8 časových rámců je GSM/GPRS základnová stanice (BTS) plně obsazena, nezávisle na tom jedná-li se o hlasové nebo datové přenosy).


Kódovací schámata

GSM telefon i síť musejí implementovat kódovací schémata, definující způsob, jak jsou data fyzicky přenášena GSM prostředím. Ačkoli jsou definována 4 různá kódovací schémata, v současnosti jsou běžně implementována pouze CS1 a CS2 (implementace CS3 a CS4 by znamenala příliš vysoké náklady pro úpravu sítě).

CS1 zajišťuje přenosovou rychlost 9,05 Kb/s na rámec, zatímco CS2 podporuje 13,4 Kb/s na rámec.
 


Časové rámce

Rámce jsou "přenosové kanály", které mohou být slučovány. Zatímco pro přenos hlasu postačí jediný rámec, pro přenos dat se typicky využívá více rámců. Stejný princip se používá i u HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) s tím rozdílem, že zatímco u GPRS je počet sdružených rámců dán tím, jaký je momentálně na BTS provoz (při vyšším provozu dynamicky poklesne počet přidělovaných rámců a naopak), u HSCSD si při navázání spojení vyžádáte počet rámců, který je vám rezervován po celou dobu připojení.

Co to znamená:

V závislosti na aktuálních podmínkách a zatížení sítě a BTS vám síť při GPRS přidělí dynamicky více nebo méně rámců a vy tento počet nemůžete žádným běžným způsobem ovlivnit. Pokud v průběhu připojení provoz v rámci BTS vzroste, počet přidělených rámců a tím i přenosová rychlost se okamžitě odpovídajícím způsobem změní.

Přinejlepším tak můžete dostat přiděleno 8 rámců, což znamená, že přes BTS v tom okamžiku nemůže přenášet data ani hlas nikdo kromě vás (využíváte všechny dostupné rámce). V praxi operátoři určili jako využitelné pro GPRS max. 4 rámce , což se označuje jako 4 * CS1/CS2. Při vyšším zatížení sítě tato hodnota může poklesnout až na 1 * CS1/CS2.

Zatímco tak teoreticky s 8 * CS2 můžete dosáhnout přenosové rychlosti 107,20 Kb/s = 8 * 13,4 Kb/s, v reálu vás operátoři omezí na max. 4 rámce což představuje přenosovou rychlost 53,6 Kbit/s. S CS1 je maximální rychlost GPRS přenosu s využitím 4 rámců 36,2 Kb/s.

Jak už bylo řečeno, rámce jsou přidělovány dynamicky. Z toho důvodu přenosová rychlost GPRS v noci bývá výrazně vyšší než ve dne nebo - řekněme - v dopravních zácpách. Typické zatížení sítě je znázorněno na následujícím příkladu:

Zeleně jsou znázorněny rámce obsazené hlasovými přenosy, červené jsou volné rámce využitelné pro GPRS datové přenosy.

GPRS je postaveno na TCP/IP protokolu. V praxi to znamená, že volné rámce jsou využívány opět dynamicky. Příklad ?

Představte si, že v daném okamžiku jsou na BTS 4 rámce volné pro GPRS přenosy, s CS2 to představuje přenosovou kapacitu 53,6 Kb/s. Pokud by v tom okamžiku stahovalo přes GPRS data současně 10 uživatelů, připadá na každého z nich přenosová kapacita cca 5,3 Kb/s (vyžádané pakety se posílají střídavě jednotlivým uživatelům). To vypadá špatně - praxe je však podstatně lepší, protože situace, když všichni připojení uživatelé současně plnou rychlostí stahují data je spíše výjimečná.

Podstatně častější je stav, kdy většina uživatelů je připojena (tj. mají přidělenou IP adresu z DHCP serveru operátora) a spojení je udržováno přes servisní kanál s nulovými přenosy v tarifovaných datových kanálech. V tomto okamžiku vidíte na okolní "internetový svět" a ten naopak vidí vás, BTS to však nestojí žádnou kapacitu přenosových kanálů, tj. neobsazujete žádný rámec.

Tento způsob provozu je typický např. pro mailovou komunikaci: celý den jste připojeni k Internetu a neplatíte zato ani korunu. Až v okamžiku, kdy Váš Palm / PocketPC přijímá mail obsadí daný počet rámců a Vy platíte dohodnutou částku za objem přenesených dat.


Třídy mobilů

Kromě sítě musí být GPRS přenosy implementovány i ve vašem mobilu. Předně - naprostá většina přístrojů podporuje CS1 i CS2, ale ne všechny přístroje podporují využití 4 rámců současně. A i když jsou 4 současné rámce podporovány, je třeba rozlišovat jedná li se o příchozí (downloady) nebo odchozí (uploady) směr.

GPRS standard definuje 29 tříd (Class) z nichž je nejdůležitějších prvních 12. Tyto třídy definují, použití kolika rámců zařízení podporuje v příchozím a kolika v odchozím směru současně:
 
Dnešní mobily typicky podporují třídy 4 a 10. To znamená, že :

Zařízení třídy 4 je schopné využít současně 3 rámců pro download a 1 rámec po upload (jedná se oduplexní provoz, tzn. jsou využity všechny 4 rámce které jsou max. k dispozici).

Zařízení třídy 10 podporuje 4 rámce pro download a 2 pro upload ale podporuje maximálně 5 slotů současně, tj. 4 + 1 nebo 3 + 2 GPRS spojení. Rozdělení rámců mezi "uploadovací" a "downloadovací" řídí mobil podle momentálních požadavků. Toto dynamické řízení je zvláště výhodné tehdy, když odesíláte větší počet mailů, uploadujete přes ftp na server atd.


Spotřeba

To je velmi zajímavá věc: nedá se generalizovat. Z principu vyplývá, že - pokud neproíhají datové přenosy - nemělo by se prakticky - kromě občasného ověření existence GPRS spojení po servisním kanále - prakticky nic dít, tzn. situace by měla být prakticky stejná jako když je telefon v pohotovostním stavu. U velké části telefonů toto skutečně je splněno, odběr s navázaným GPRS spojením (v okamžiku když neprobíhá přenos) je jen o cca 5 až 15% vyšší oproti pohotovostnímu stavu. Na jedno nabití baterií tak jste "na příjmu" nějakých 200 až 300 hodin, podle typu telefonu.

U některých telefonů však je implementace GPRS problematičtější - z častěji používaných lze uvést např. Motorolu V66 - u nichž je spotřeba při aktivních spojení bez přenosu dat až o 100% vyšší proti pohotovostnímu stavu.

Při vlastním přenosu je spotřeba závislá hlavně na počtu využitých rámců v odchozím (uploadovacím) směru - pokud je využit 1 rámec (třída 4), je spotřeba telefonu při "plné rychlosti" zhruba stejná jako u hlasového volání, při využití 2 rámců (třída 10) je typicky o cca 40% vyšší (opět záleží silně na typu telefonu).


Závěrem

Rychlost GPRS spojení závisí na mnoha faktorech. Předně - síť sama definuje, které kódovací schéma bude použito. Podle momentálního provozu je stanoven počet volných rámců, které mohou být využity pro GPRS přenosy. A konečně koncové zařízení (mobil, bezdrátové PDA) určí kolik volných rámců je reálně schopné využít a zda v odchozím nebo příchozím směru.

Z výše uvedeného rovněž vyplývá, že GPRS přenosy v pásmu 1800MHz jsou typicky rychlejší, než v pásmu 900MHz. BTS v pásmu 1800MHz jsou blíž u sebe (dosah v tomto pásmu je nižší) a o volné časové rámce se tak dělí menší počet uživatelů než v pásmu 900MHz.