Пакетна передача даних GPRS в автомобільній галузі

Міністерство освіти та науки, молоді та спорту України

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

(ХНАДУ)

Факультет мехатроніки транспортних засобів

Кафедра мехатроніки автотранспортних засобів



















Курсова Робота

Пакетна передача даних GPRS в автомобільній галузі























Харків, 2011


Зміст



Вступ

Структура мережі GPRS 

Склад GSM /GPRS мережі

Використання пакетної передачі для систем моніторинга

Цінові показники використання GPRS на автомобільному транспорті

Висновок

Перелік посилань




Вступ



Практично всі компанії мають парк транспортних засобів які намагаються здійснювати контроль за всім, що пов'язано з експлуатацією автомобілів. Перелік того, що може зачіпати подібний контроль, досить великий. Так, наприклад, у нього входить комплексне спостереження, а саме: 

	спостереження за людьми, серед яких присутні як водії, так і механіки; 

	стеження за транспортом; 

	стеження за маршрутом проходження; 

	контроль палива і т.д.

Головним завданням усього цього є оптимізація робіт пов'язаних з перевезеннями і транспортом у цілому. Крім того, важливу роль грає безпека автомобіля, встановлюючи протиугінні сигналізації. Як видно, логістичних завдань, пов'язаних з таким питанням, як стеження за автомобілем, не так вже й мало. 

Щоб уникнути великої кількості виснажливої роботи, транспортні компанії вводять супутникові системи моніторингу. GPS моніторинг транспортного засобу, дозволяє в реальному режимі часу здійснювати GPS спостереження за положенням автомобіля на карті, здійснюючи контроль маршруту, отримувати точну статистику швидкісних режимів і простоїв, бачити реальний пробіг, запобігаючи тим самим нерегламентовані рейси, і крім цього робити контроль витрати палива. GPS-моніторинг здатний в значній мірі спростити облік витрачання палива, а також знизить рівень амортизації, що все разом приведе до більш ефективного використання всіх одиниць транспорту. 

Застосовуючи GPS-моніторинг, є можливість більш наочно здійснювати стеження за автомобілем, де б він не знаходився. Крім схематичних карт, у системі моніторингу присутні фотографії карти зі супутника, що найчастіше більш наочно. 

Введений в транспортному підприємстві GPS-моніторинг окупається в середньому за місяці, завдяки скороченню витрат на автотранспорт, що й дозволяє домогтися GPS-спостереження [1].



	
1. Структура мережі GPRS



GPRS – це радіо-сервіс, заснований на пакетній комутації, який дає можливість постійного з'єднання, витісняючи трудомістке і віднімаюче багато часу з'єднання через dial-up.

Необхідність рішення для доступу із стільникових мереж в інтернет і локальні корпоративні мережі обговорювалася протягом багатьох років. Широке поширення такого роду технологій сповільнювалося через проблеми з покриттям, вартістю, експлуатаційними якостями і безпечним видаленим доступом в корпоративних мережах. Запуск заснованого на GSM-мережах сервісу GPRS (General Packet Radio Service) привів до зміни цієї ситуації і забезпеченню з'єднання "у будь-який час і в будь-якому місці". Даний сервіс забезпечує також реальну пропускну спроможність понад 40 кбіт/с. В цілому, GPRS є черговим рівнем від GSM до мобільних мереж третього покоління – 3G. GPRS пропонує швидшу передачу даних через мережі GSM з швидкостями від 9.6 до 115 кбіт/с. Ця нова технологія надає можливість робити телефонні дзвінки і передавати дані одночасно.

Найпривабливішим аспектом технології GPRS для постачальників послуг, окрім зниження вартості експлуатації, є простота управління при її використанні, а також нові білінгові можливості, що стали доступними після переходу від комутованої до пакетної передачі даних. Клієнти також отримують від впровадження цієї технології свої переваги, оскільки вона дає їм безліч вдосконалених сервісів від провайдера, поряд з абсолютно новими.

Технологія GPRS просунула мобільні системи на крок вперед, зробивши зручнішим і доступнішим використання медіа-контенту в невеликих мобільних пристроях. Серед інших важливих переваг GPRS - ефективніше використання радіо-спектру. Користувачі тепер займають радіо-ресурси лише тоді, коли відбувається реальна передача даних. Це, по суті, означає, що в одній точці доступу можна обслужити більше користувачів, тоді як швидкості передачі даних залишаються високими.

Покращена функціональність і ефективність GPRS веде до зниження вартості комерційного надання сервісів передачі даних. Пропонуючи нові привабливі можливості своїм абонентам завдяки новій технології, провайдери залучають все більше клієнтів. Але найважливішою перевагою GPRS є істотно покращена якість сервісів передачі даних. Функції Quality of Service (QоS) стали повністю доступними, і їх навіть можна виміряти в термінах надійності, часу відгуку і підтримуваних можливостей. Нові застосування, розроблені для користувачів GPRS, стали привабливими для багатьох клієнтів мобільного зв'язку і дозволяють провайдерам полегшити введення нових сервісів і модифікацію старих.

GPRS – це стандарт ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для пакетної комутації в системах GSM. В даний час по всьому світу найширше поширені мережі на основі GSM і їх називають мережами другого покоління (2G). Технологія GSM використовує варіацію TDMA (time division multiple access) і є найширше використовуваною з трьох основних цифрових безпровідних технологій (TDMA, GSM і CDMA).

GSM оцифровує і стискує дані, потім пересилає їх по каналу з двома іншими потоками призначеними для користувача даних, кожен в своєму власному тимчасовому інтервалі (у таймі-слоті). Функціонує на частоті або 900 МГц, або 1800 МГц. 

GPRS є так званою технологією що накладається, поширюваною на мережах GSM, CDMA і TDMA. Ця технологія застосовує новий метод ефективної передачі пакетних даних по радіомережах. Технологія пакетної комутації заснована на методах IP і X.25, обидва з яких дуже популярні і широко використовуються в багатьох мережах. Пакетна комутація GPRS працює в цілому так само, як і пакетна комутація IP, тобто дані розщеплюються на пакети і пересилаються за призначенням різними дорогами по мережі, потім знову збираються на приймаючій стороні. Пакетна комутація GPRS допускає будь-який існуючий трафік IP або X.25 для пересилки даних через радіомережу GPRS.

GPRS використовує радіосмугу шириною в 200 кГц, і вона ділиться на вісім каналів. Загальна ємкість каналів складає 271 кбіт/с, але кожен з цих каналів здатний передавати потоки даних в 14,4 кбіт/с. Теоретично можлива швидкість в 115 кбіт/с, але в реальних умовах вона використовується украй рідко або взагалі не використовується. Середня швидкість в 48 кбіт/с є найбільш вірогідною оцінкою, оскільки точки доступу поділені між багатьма користувачами, причому діапазон або розташування приймача також залежатимуть від ширини смуги, що є в наявності. Цей результат набагато кращий, ніж можуть запропонувати існуючі пристрої мобільних комунікацій, що дають всього 9.6 кбіт/с. Іншим важливим аспектом Інтернет зв'язку через GPRS є те, що з'єднання з Інтернет безперервно (завжди «онлайн»), і в той же час йому не доводиться підтягувати ресурси з точок доступу в той час, коли воно не використовується, тому що дані передаються лише тоді, коли в цьому є необхідність. Приймач запитує інформацію, пристрій підтягує у цей момент радіоресурси, а потім знову знаходиться в неробочому стані, поки не починає приймати запитану інформацію. Радіосмуги розподіляються динамічним чином, залежно від типу контенту – одночасно декілька або навіть більше, залежно від того, чи передається текстове повідомлення або відео. Коли користувач включає пристрій підтримуючий GPRS, зазвичай він автоматично шукає канал GPRS в даній місцевості. Якщо відповідний канал знайдений, пристрій намагатиметься з'єднатися з мережею [2].



	2. Склад GSM /GPRS мережі



Мережа GPRS - накладена мережа, розташована поверх інфраструктур GSM. Ключові компоненти мережі GPRS включають:

	Serving GPRS Support Node (SGSN) - частина інфраструктури GSM, відповідальна за відсилання та отримання пакетів від абонентів у своєму районі обслуговування. Цей блок також виробляє авторизацію, контактуючи з сервером і перевіряючи інформацію про користувача. Крім того, він відстежує маршрут переміщень абонента, щоб мати можливість належним чином розподіляти ресурси, а також збирає надходить білінгову інформацію, пересилаючи її до головного офісу;

	GPRS Gateway Service Node (GGSN) - компонент мережі GSM, відповідальний за взаємодію з інтернет і іншими громадськими мережами, які передають дані і голос. Компонент зберігає маршрутизуючу базу даних, базу даних з адресами і фільтрує базу даних [2];

	Network Switching Subsystem (NSS) – підсистема комутації;

	Mobile Switching Centre (MSC) – центр комутації контролює певну географічну зону з розташованими на ній BTS і BSC. Здійснює установку з'єднання до абонента і від нього всередині мережі GSM, забезпечує інтерфейс між GSM та іншими мережами радіозв'язку, мережами передачі даних;

	Home Location Registry (HLR) – домашній реєстр місцезнаходження містить базу даних абонентів, приписаних до нього. Тут міститься інформація про послуги, що надаються абонентові, інформація про стан кожного абонента, необхідна у разі його виклику, а також Міжнародний Ідентифікатор Мобільного Абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identity);

	Visitor Location Registry (VLR) – гостьовий реєстр місцезнаходження забезпечує моніторинг пересування MS з однієї зони в іншу і містить базу даних про абонентів яку переміщуються, що знаходяться в даний момент в цій зоні, у тому числі абонентах інших систем GSM - так званих роумерам. Дані про абонента видаляються з VLR в тому випадку, якщо абонент перемістився в іншу зону. Така схема дозволяє скоротити кількість запитів на HLR даного абонента і, отже, час обслуговування виклику; 

	GPRS Tunneling Protocol (GTP) - тунельний протокол GPRS, заснований на протоколах TCP / IP, інкапсулює пакети IP та X.25, що приходять з вузлів SGSN в GGSN;

	Base Station Subsystem (BSS) - один з основних елементів системи радіотелефонного зв'язку, відповідальний за передачу голосового та сигнального трафіку між мобільним терміналом абонента та підсистемою мережі і комутації.

	Base Transceiver Station (BTS) – базова станція (БС) включає в себе приймально-передавальні антенні пристрої, обладнання для ретрансляції сигналу (Трансивер), блоки шифрування даних. БС обслуговує окрему ділянку мережі за допомогою декількох націлених у різні ділянки сектора трансіверів, що здійснюють мовлення на різних частотах;

	Packet Controller Unit (PCU) - блок управління пакетами, що дає можливість станціям GSM пересилати та отримувати пакети при GPRS комунікаціях;

	Base Station Controller (BSC) – контролер БС служить для управління та обміну даними групи базових станцій, при цьому число елементів групи може варіюватися від 10 до 100. Цей блок керує процесом призначення радіоканалів, приймає контрольну інформацію від телефонних терміналів, контролює процес передачі даних від однієї БС до іншої (у разі, якщо обидві БС підпорядковуються даному контролеру, з'єднання з БС інших контролерів здійснює підсистема мережі і комутації MSC. Ключовою функцією контролера є концентрація перетворення різних потоків низької ємності (і відносно низьким стиском) з базових станцій в набагато менші за обсягом схожі цифрові потоки шляхом більшого стиснення даних, і направлення їх у підсистему мережі і комутації MSC [3].

	На рисунку 2.1 представлена взаємодія елементів GSM /GPRS мережі [4].

	

	

	Рисунок 2.1 – Принцип роботи системи GSM /GPRS



Коли користувач GPRS робить дзвінок, пристрій GPRS контактує зі станцією GSM, яка в свою чергу звертається до станції SGSN, яка взаємодіє з іншими станціями SGSN чи станціями GGSN, якщо їй потрібно отримати доступ до мережі іншого роду (IP або X.25). Для користувача GPRS з’єднання виходить «безшовним», немає процедури «встановлення дзвінка» 

(Рисунок 2.1). Технологія GPRS, що накладається поверх мережі GSM, спочатку була призначена для того, щоб динамічно та індивідуально розподіляти радіо-ресурси GSM попакетно, в міру необхідності. Якщо до соти GSM одночасно підключається відразу багато користувачів GPRS, і сота GSM не здатна підтримувати такий обсяг голосового трафіку, станція GPRS скористається лассресурсом сусідніх сот GSM. Таким чином, в реальності користувачі GPRS обслуговуються багатьма стільниками GSM одночасно, коли в цьому виникає необхідність. Отже, SGSN отримує запит на з’єднання, запитує інформацію про профіль користувача з вузла HLR і виробляє аутентифікацію користувача. У цій точці може здійснюватися шифрування. SGSN використовує інформацію про профіль (включаючи назву точки доступу, яка ідентифікує мережу і оператора) для визначення, до якого вузлу GGSN виробляти маршрутизацію. Вибрані ворота можуть надавати сервіс віддаленої аутентифікації користувача (Remote Authentication Dial-In User Service, RADIUS) і призначати динамічний адреса інтернет-протоколу (IP) користувачеві перед налаштуванням сполук в зовнішні мережі. Цей процес називається контекстна активація пакетного профілю даних і установки можуть варіюватися від оператора до оператора. Він може включати додаткові функції, такі як менеджмент QoS (Quality of Service – якість сервісу) і менеджмент віртуальних приватних мереж (virtual private network, VPN). Коли мобільний пристрій вимкнений чи знаходиться поза зоною покриття GPRS, його контекст дезактивуется і пристрій від’єднується від мережі.

Коли мобільний користувач посилає дані, вузол SGSN направляє пакети на відповідний вузол GGSN. GGSN потім направляє дані у відповідності з поточним контекстом, що встановлюються для даної сесії. У зворотному напрямку, пакети, призначені для користувача, направляються в GGSN, асоційований з IP адресою користувача. Вузол GGSN перевіряє отримані пакети згідно з поточним контекстом, ідентифікує SGSN, обслуговуючий даного користувача і направляє рух у відповідному напрямку. Вузол SGSN потім пересилає пакети на базову станцію, де перебуває користувач [2].



	3. Використання пакетної передачі для систем моніторингу



Широко яка на сьогоднішній день технологія передачі даних стандарту GSM (GSM Data), здатна контролювати рух транспортного засобу (ТЗ) і працездатність всіх його датчиків, передавати певні обсяги даних з досить високим ступенем захисту і багато інших функцій в комплексі з GPS / GPRS трекером. Однак, вона володіє багатьма суттєвими недоліками – низькою швидкістю передачі даних (9600 біт/с) і високою вартістю експлуатації подібних систем за рахунок погодинних тарифів операторів мобільного зв'язку. 

Технологія GPRS забезпечує пакетну комутацію на всьому протязі каналу зв'язку від мобільного терміналу абонента і вище. При цьому істотно оптимізуються послуги передачі даних в мережах стандарту GSM, особливо з урахуванням переривчастого характеру трафіку в мережах інтернет/інтранет. З'єднання встановлюється практично миттєво. Користувачі оплачують фактичні обсяги переданих даних, а не час з'єднання, оскільки використовують мережеві ресурси і займають тимчасові інтервали радіоканалів тільки в моменти обміну даними. Це забезпечує надзвичайно ефективне використання доступної смуги частот і дозволяє ділити один радіоканал між декількома користувачами. 

	GPRS володіє наступними суттєвими перевагами стосовно побудови автоматизованих систем моніторинга та управління транспортними засобами: 

	Система тарифікації з оплатою трафіку ідеально підходить для обміну інформацією з невеликими обсягами даних; 

	Надання абоненту кількох тимчасових інтервалів радіоканалу (так званих тайм-слотів) з числа вільних, значно підвищує швидкість передачі даних у мережі. На відміну від доступної раніше пропускної здатності каналу зв'язку, яка обмежувалася використанням одного тайм-слота GSM Data і становила 9600 біт/с, GPRS дозволяє організувати сесії обміну даними на швидкості до 171300 біт/с. Практично – ця швидкість обмежена можливостями оператора і конструктивним виконанням абонентського пристрою зв'язку. 

Модеми GPRS, використовувані в якості кінцевих пристроїв класифікуються по максимально можливій кількості одночасно займаних тайм-слотів, кожний з яких забезпечує швидкість передачі даних від 9600 до 21400 біт/с в залежності від способу кодування інформації. В України провідними операторами мобільного зв'язку підтримується схема кодування 

CS-2, при якій пропускна здатність тайм-слота складає 13400 біт/с. На сьогоднішній день на вітчизняному ринку в основному представлені моделі, які підтримують до чотирьох слотів для прийому даних і до двох слотів для передачі даних [5]. Кількість одночасно використовуваних вхідних і вихідних каналів (тайм-слотів) визначають  класів GPRS (Таблиця 3.1). Також, в залежності від якості каналу, може вибиратися одна з чотирьох схем кодування (Таблиця 3.2). При гарному відношенні сигнал/шум вибирається схема кодування з більшою швидкістю передачі, але з меншою стійкістю до перешкод [6].




Клас GPRS

Каналів прийому

Каналів передачі

Всього

1

1

1

2

2

2

1

3

3

2

2

4

4

3

1

4

5

2

2

4

6

3

2

4

7

3

3

4

8

4

1

5

9

3

2

5

10

4

2

5

11

4

3

5

12

4

4

5



Таблиця 3.1 - Класи GPRS

Схема кодування

Максимальна швидкість (Кбіт/с)

CS1

9.05

CS2

13.4

CS3

15.6

CS4

21.4



Таблиця 3.2 - Схеми кодування сигналу GPRS



	4. Цінові показники використання GPRS на автомобільному транспорті



Розглянемо докладніше вищевказані особливості технології, а також ті з їх сторін, які обмежують їх позитивні аспекти. 

Тарифікація з оплатою трафіку економічно вигідна, але тільки в тих випадках, коли канал зв'язку завантажений не повною мірою. Вартість прийнятої/переданої інформації розраховується за наступними формулами:

	При використанні технології GPRS

	

	,					(1)

	де  - вартість прийнятої/переданої інформації

	- тариф оператора мобільного зв’язку на передачу 1 Мб інформації;

	- кількість прийнятої/переданої інформації (Мб);

	число 2 – коефіцієнт, обумовлений використанням двох абонентських пристроїв для виходу в мережу GPRS, трафік кожного з яких тарифікується окремо і незалежно від напрямку передачі інформації. 

		При погодинної тарифікації оплачується час з'єднання абонентських пристроїв. При цьому для визначення вартості прийнятої / переданої інформації, необхідно включити в розрахунок таку величину, як ступінь завантаженості каналу зв'язку, виражену у відсотках від часу існування комутованого з'єднання. Ступінь завантаженості каналу зв'язку 

		( ) визначається, як відношення часу фактичного обміну даними () до часу існування з'єднання ()



				(2)



Тоді формула розрахунку вартості прийнятої / переданої по комутованому каналу інформації, буде мати наступний вигляд



 		(3)



де  - похвилинний тариф на комутоване з'єднання для абонентського пристрою, що здійснює вихідний виклик;

	- кількість переданої інформації (Мб);

Число 1024 – коефіцієнт для перетворення кількості інформації в Кб;

 - кількість біт в одному переданому байті, складається з інформаційних і службових біт;

 - швидкість передачі інформації по комутованому каналу зв'язку (кбіт/с);

Число 60 – коефіцієнт перерахунку похвилинного тарифу в посекундний;

 - ступінь завантаженості каналу зв'язку, що визначається за формулою (2);

Для комутованих каналів зв'язку GSM Data при асинхронної передачі даних



кбіт/с;



=10 (8 інформаційних, 1 стартовий и 1 стоповий біт).

Для прикладу розглянемо графік (Рис. 4.1) залежності вартості 1 Мб 

прийнятої / переданої інформації від ступеня завантаженості каналу зв'язку GSM Data при існуючому погодинному тарифі ( = 0,27 грн. / хв). При цьому, для порівняння, розмістимо на тій же осі координат графік вартості 1 Мб прийнятої / переданої інформації при використанні технології GPRS. 

Графік буде мати вигляд прямої, паралельної осі абсцис, точка проходження якої на осі ординат буде дорівнює існуючим тарифом на передачу 1 Мб інформації (S1Mb = 5,32 грн / Мб).






Рисунок 4.1 – Залежність вартості передачі 1 Мб інформації по каналах GSM Data і GPRS, від ступеня завантаженості каналу зв'язку



Аналіз графіків рисунку 4.1 дає залежність для розрахунку оптимального значення ступеня завантаженості каналу зв'язку.



 					(4)



Приймаючи кбіт/с та =10 отримаємо



 							(5)



Облік існуючих тарифів операторів мобільного зв'язку (= 0,27 грн/хв) і (S1Mb = 5,32 грн / Мб), дає значення .

Отримане значення є важливий критерій ефективності тарифікації трафіку і по суті є граничним значенням, при перевищенні якого похвилинна тарифікація стає економічно більш вигідною. Зміна значення  відбувається по гіперболічному закону.

Також слід відзначити, що граничне значення  не залежить від кількості переданої інформації і при цьому прямо пропорційно погодинному тарифу GSM Data і навпаки пропорційно тарифу 1 Мб інформації для послуги GPRS. 

Особливість технології полягає у відсутності постійно певної швидкості передачі даних, яка змінюється випадковим чином в залежності від завантаження каналів мобільної мережі голосовим трафіком, а також трафіком інших GPRS - з'єднань. При проведенні практичних експериментів швидкість прийому інформації з використанням чотирьох тайм-слотів склала від 10 кбіт / с (у години пікового навантаження з 9.00 до 13.00) та до 51 кбіт/с у нічний час, що фактично наближається до граничного значення 53,6 кбіт/с, обмеженому кількістю тайм-слотів приймача [5]. 




Висновок



Швидкість обміну даними по мережі GPRS в нормальному режимі роботи перевищує швидкість каналів зв'язку GSM Data, що є істотною перевагою. Однак, можливість непередбачуваного зниження швидкості є негативним фактором для застосування GPRS в системах, що вимагають інтенсивного обміну даними з наявністю певних вимог до мінімальної швидкості зв'язку.

Розвиток технологій в системі телекомунікацій дає потужний поштовх до розвитку системи на базі GSM/GPS, що в свою чергу прискорює розвиток та зниження собівартості телекомунікаційних засобів на автомобільному транспорті таких як:

	GPS – трекерів;

	GPRS/ GPS моніторингу автотранспортних засобів;

GPRS в даний час підтримує середні швидкості передачі даних близько 115 кбіт / с, але такі швидкості досягаються тільки при залученні всіх восьми тайм-слотів для GPRS. Наприклад, пристрій GPRS може бути налаштований для роботи максимум з чотирма слотами в прямому напрямку і двома слотами в зворотному напрямку. У хороших радіоусловіях це дає швидкості приблизно в 50 кбіт / с у прямому напрямку і 20 кбіт / с у зворотному напрямку. Це більш ніж у три рази швидше, ніж у нинішніх мережах GSM (14,4 кбіт / с) і того ж порядку, що і при хорошому модемному аналоговому з'єднанні в кабельній лінії. Сукупна ширина смуги вузла мобільного зв'язку ділиться між голосовим трафіком і трафіком даних. Оператори GPRS по-різному використовують цю ширину смуги. Зазвичай вони конфігурують мережі, даючи пріоритет голосового трафіку; деякі з них призначають тайм-слоти для трафіку даних, щоб гарантувати мінімальний рівень цього сервісу в високозагруженние голосовим трафіком проміжки часу. Невикористана ємність, зарезервована під голосовий трафік, може бути динамічно перевизначена під передачу даних. Маючи більш високі швидкості передачі даних, GPRS дає можливість реалізації програм, які потребують більш високої ширини смуги і в даний час не здійсненних на мережах GSM. Отже GPRS на автомобільному транспорті має великі перспективи для обміну даними в майбутньому [2].

мережа пакетна передача моніторинг транспорт




Перелік посилань



Сайт «lookout – супутникові системи спостереження», GPS мониторінг http://lookout.com.ua

Сайт «cxem.net – сайт паяльник», Технология GPRS

http://cxem.net/sotov/sotov13.php

Сайт «wikipedia.org », GSM 

http://ru.wikipedia.org/wiki/GSM 

Сайт «divi.ru», На пути от 2G к 3G: система GPRS

http://www.divi.ru/text/a-phone3.shtml

Сайт «ukreni.com.ua», НВП УкрЕНВ науково - виробниче підприємство

http://www.ukreni.com.ua/pdf/8.pdf

Сайт «habrahabr.ru», GPRS — теория и практика применения

http://habrahabr.ru/blogs/personal/41279/