Abbildung 1.: GPRS Transmission Layer [GSM 03.60, 5.6.1]
GPRS - unter anderem als Markttest für UMTS gedacht - ist eine Mobilfunktechnik, welche zwischen Netzwerken der zweiten Generation wie z.B. GSM und denen der dritten wie UMTS einzuordnen ist. Sie nutzt die Infrastruktur bereits existierender GSM Netzwerke, so dass keine neuen Basisstationen oder Frequenzen benötigt werden.
Im Gegensatz zu GSM ist GPRS allerdings paketvermittelt, d.h. Funk-Ressourcen werden nur reserviert, wenn wirklich Daten übertragen werden. Dies hat zum einen zur Folge, dass mit GPRS mehr Nutzer „gleichzeitig“ möglich sind. Zum anderen ergeben sich neue Berechnungsmodelle, in denen die derzeit zeitabhängige Berechnung durch eine volumen- oder inhaltsbasierende abgelöst wird. Auch ist QoS möglich, bei dem Garantien bzgl. Übertragungsraten gekauft werden können.
Neu bei GPRS ist ein anonymer Operationsmodus, bei dem der Nutzer dem GPRS-Netzwerk unbekannt ist. Die Authentifikation erfolgt in diesem Falle über einen externen Host. Verbunden mit dem oben angesprochenen Fallenlassen zeitbasierender Berechnung, kann GPRS Basistechnologie in neuen Anwendungen, wie z.B. Autobahn-Maut und dem Update vom Maschinenfirmware, werden.
GPRS bietet Unterstützung für die gängigen Datagramm-Protokolle IP und PPP, sowie für den Internet Hosted Octet Stream Service (IHOSS). Für den Nutzer dürfte interessant sein, dass mit GPRS Zellwechsel/Handover zuverlässiger, als mit GSM möglich sind. Ebenfalls sind höhere Datenübertragungsraten möglich. Durch die nicht mehr zeitbasierende Abrechnung ist es kostengünstig möglich, ständig online zu sein. Nebenbei sind mit GPRS natürlich noch die von GSM gewohnten Dienste wie Sprachtelefonie oder SMS vorhanden.
Nachfolgender Artikel wird das GPRS-Netzwerk vorstellen und einen kleinen Überblick über den auf GPRS-Handys implementierten Protokollstack liefern.
Abbildung 1.: GPRS Transmission Layer [GSM 03.60, 5.6.1]
GPRS Mobilstationen (z.B. Handys) werden in die drei Klassen A, B und C eingeteilt. Klasse A Stationen können GSM und GPRS Dienste simultan betreiben; es kann mit ihnen also z.B. gleichzeitig eine Datenübertragung via GPRS und ein Telefongespräch über GSM durchgeführt werden.
Mit Klasse B Geräten werden zwar GSM und GPRS Kanäle überwacht, und die entsprechenden Dienste können benutzt werden, jedoch ist GSM und GPRS zur gleichen Zeit nicht möglich. Die meisten handelsüblichen GPRS-Mobiltelefone gehören dieser Klasse an.
Bei Klasse C Geräten ist entweder keine GSM Funktionalität vorhanden, oder der Nutzer muß manuell zwischen GPRS und GSM umschalten.
Wie oben schon erwähnt, war eines der Designziele von GPRS, vorhandene GSM Infrastruktur soweit wie möglich wiederzuverwenden. Aus diesem Grund werden die Base Transceiver Stations (BTS) (Sendemasten) inklusive zugehöriger Base Station Controller (BSC) von GSM übernommen. Neu hinzukommt eine Paket Control Unit (PCU), welche die Daten entweder ins GSM-Network Switching Subsystem (NSS) oder ins GPRS Netzwerk leitet.
Da GSM keine paketvermittelte Datenübertragung erlaubt, hat GPRS zwei neue Komponenten -- die Serving GPRS Support Nodes (SGSN) und die Gateway GPRS Support Nodes (GGSN).
SGSNs übernehmen die Rolle eines Packet-Switches, indem sie Pakete an die entsprechenden Mobilstationen übermitteln. Im Falle von Handovers/Zellwechsel werden durch die SGSNs die Pakete in die neue Zelle geroutet. Das Sammeln von Abrechnungsinformationen bezüglich Nutzung des Airinterfaces (Um), IP-Header Kompression nach RFC1144, sowie V.42bis Datenkompression sind weitere Aufgaben des SGSN. Außerdem findet hier das Ciphering statt, welches bei GSM durch die BSS erledigt wird.
Über ein IP-basierendes Backbone Netzwerk, wo die Packet Transfer Units (PDU) (z.B. IP-Pakete) getunnelt werden, sind die SGSNs mit den GGSNs verbunden. Die GGSNs wiederum stellen eine Verbindung in ein datagramm-basierendes externes Netzwerk (z.B. Internet) her. Im Falle eines Zellwechsels der Mobilstation übernimmt die GGSN die Rolle eines Ankerpunktes, d.h. Pakete aus dem externen Netzwerk werden stets über die selbe GGSN zur Mobilstation geroutet.
Mehrere BSS's werden zu Gebieten zusammengefasst, welche mit jeweils einer SGSN verbunden sind. Daran schließen sich eine oder mehrere GGSNs an, welche wiederum eine oder mehrere SGSNs unterstützen.
Neben den bereits dargestellten Komponenten existieren im GPRS Netzwerk noch Border Gateways (BG), durch welche verschiedene GPRS Netzwerke miteinander verbunden werden, Einheiten zur Behandlung von SMS und solche zur Nutzeridentifikation. Weitergehende Information sind in GSM 03.60 zu finden.
Das Airinterface verbindet die Mobilstation mit dem Base Station Subsystem. Grundsätzlich erfolgt die Datenübertragung auf dem physical Layer wie bei GSM. Speziell bedeutet dies, dass die Datenübertragung Halbduplex erfolgt, d.h. für Up- und Downlink unterschiedliche Frequenzen verwendet werden. Aus den Daten werden TDMA Frames mit 8 Timeslots a 577µs (148bit) gebildet [siehe 3GPP TS 05.02], welche mit einer Bandbreite von 200kHz FDMA-codiert sind.
Aus diesen TDMA Frames werden größere Frames gebildet. Zum einen sind dies die bei GSM verwendeten 26- und 51-Multiframes, bestehend aus jeweils 26 bzw. 51 TDMA Frames.
Neu hinzukommt bei GPRS ein 52-Multiframe, bestehend aus 2 Timing Advance Control Blocks (TA), 2 Idle-Frames (I) und 12 Radio-Blocks a 4 TDMA Frames. Aus den Multiframes werden -- wie bei GSM -- Superframes der Dauer 6.120s und daraus Hyperframes von 3:28:53.760h gebildet.
Anders als bei GSM kann eine Datenübertragung jedoch mehrere Timeslots eines TDMA Frames nutzen, wodurch höhere Datenübertragungsraten möglich sind. Wegen der paketvermittelten Übertragung können sich mehrere Nutzer einen Timeslot teilen.
Allerdings ist die Datenübertragung über das Airinterface relativ fehleranfällig, so dass durch das doppelte Senden der Daten die Fehlerkorrektur bzw. -erkennung bei GSM erleichtert wird. Bei GPRS kann -- je nach Übertragungsqualität -- diese Redundanz durch Puncturing reduziert werden. Insgesamt gibt vier Coding-Schemes (CS): CS-1 verdoppelt wie GSM die Daten, bei CS-2 beträgt das Verhältnis Nutzdaten zu übertragene Daten 2:3, bei CS-3 ist es 3:4, und bei CS-4 wird jegliche Redundanz entfernt.
Unter Betrachtung der genutzten Timeslots sind je nach Coding-Scheme die unten dargestellten Übertragungsraten möglich. Hierbei ist anzumerken, dass CS-3 und CS-4 hohe Anforderungen stellen und in den meisten Anwendungsfällen nicht zur Verfügung stehen. Praktisch wird wohl CS-2 mit zwei Timeslots der Normalfall sein.
Tabelle 1. Übertragungsraten in kbit/s (reine Nutzdaten) [GSM 03.64, 6.5.5.1.1, Table 3]
| 1 Timeslot | 2 Timeslots | 8 Timeslots | |
|---|---|---|---|
| CS-1 | 9.05 | 18.10 | 72.40 |
| CS-2 | 13.40 | 26.80 | 107.20 |
| CS-3 | 15.60 | 31.20 | 124.80 |
| CS-4 | 21.40 | 42.80 | 171.20 |
Die Medium Access Control/Radio Link Control (MAC/RLC) [siehe GSM 04.60] ist auf dem OSI Layer 2 angesiedelt und u.a. für die Segmentation/Desegmentation der LLC-Frames verantwortlich. Auf dieser Ebene sind ebenfalls acknowledged / unacknowledged Operationsmodi implementiert.
Die Logical Link Control (LLC) [siehe 3GPP TS 04.64] verbindet Mobilstation und SGSN. Zusammen mit der LLC-Frame Nummer (32bit) und einem 64bit Schlüssel wird auf dieser Schicht das Ciphering durchgeführt.
In der Protokollschicht darüber befindet sich das SubNetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP), welches für Datenkompression und Auf- bzw. Abbau von LLC-Operationen verantwortlich ist. Daneben lässt sich auch das GPRS Mobility Management and Session Management (GMM/SM), sowie SMS Funktionalität finden. Den Abschluss des Protokollstacks auf Mobilstationsseite bilden IP/X.25 und letztendlich Applikationsprotokolle.
GPRS ist eine Mobilfunktechnologie, welche es ermöglicht, ständig online zu sein. Unter realen Bedingungen bewegen sich die Datenübertragungsraten allerdings in Bereichen, in denen sich der Traum vom mobilen Internet nicht erfüllen läßt. Auch die aktuellen Preise (5-59 Pfennig je 10kB) sind leider (noch ??) so gestaltet, dass „normale“ Internetaktivität relativ hohe Kosten verursacht. So sagt ein T-D1 Artikel: „Das Laden der T-Mobil Homepage beispielsweise kostet so nur noch 96 Pfennig [...]“
Für Leute, die nur geringes Datenaufkommen haben, aber ständig online sein müssen oder wollen, kann GPRS jedoch eine Alternative sein.
GPRS from A-Z, GPRS A-Z, INACON GmbH, Karlsruhe, http://www.inacon.com.
European Telecommunications Standards Institute (ETSI), http://www.etsi.org.
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+): General Packet Radio Service (GPRS), Service description; Stage 2 (GSM 03.60), version 7.4.1 Release 1998, GSM 03.60, ETSI, Sophia Antipolis Cedex.
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+): General Packet Radio Service (GPRS), Overall description of the GPRS radio interface; Stage 2 (GSM 03.64), version 8.5.0 Release 1999, GSM 03.64, ETSI, Sophia Antipolis Cedex.
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+): General Packet Radio Service (GPRS), Mobile Station (MS) - Base Station System (BSS) interface, Radio Link Control / Medium Access Control (RLC/MAC) protocol, version 8.6.0 Release 1999, GSM 04.60, ETSI, Sophia Antipolis Cedex.
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+): General Packet Radio Service (GPRS), Mobile Station - Serving GPRS Support Node (MS-SGSN), Logical Link Control (LLC) layer specification, version 8.6.0 Release 1999, 3GPP TS 04.64, ETSI, Sophia Antipolis Cedex.
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+): General Packet Radio Service (GPRS), Mobile Station (MS) Serving GPRS Support Node (SGSN), Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP), version 8.0.0 Release 1999, GSM 04.65, ETSI, Sophia Antipolis Cedex.
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+): Multiplexing and multiple access on the radio path, version 8.7.0 Release 1999, 3GPP TS 05.02, ETSI, Sophia Antipolis Cedex.
| Enrico Scholz, Fakultät für Informatik, Juni 2001 |