Новые технологии беспроводной передачи данных

Преимущества сотовых телефонов перед другими доступными для пользователя средствами связи не вызывают сомнений. Большинство людей во всём мире уже успели оценить их достоинства и удобства.

Однако наиболее популярный стандарт сотовой связи GSM предусматривает передачу не только голоса, но и данных, причём достоверность и надёжность при обмене информацией, высокие скорости, а также возможность организации удалённого контроля и получение ответной реакции на текущую ситуацию соответствуют основным требованиям, которые в различных отраслях промышленности выдвигают инженеры-разработчики АСУ ТП.

Ввиду этого технологии и базовые решения на основе сотовой связи вызвали интерес у специалистов и руководителей предприятий и коммерческих структур. В немалой степени этот интерес был усилен падением цен на сотовую связь и расширением территории радиопокрытия у местных и региональных компаний-операторов, предоставляющих услуги связи.

В последние годы на рынке средств АСУ ТП появились модемы-терминалы, работающие в стандарте GSM. Однако у первых моделей возможности были ограничены передачей SMS-сообщений и данных в аналоговом режиме. Работа таких устройств в режиме аналогового модема обеспечивает скорость передачи данных всего 9,5 кбод, а оплата производится в соответствии со временем нахождения в сети. В итоге эксплуатация системы с такими модемами оказывается весьма дорогостоящей.

С введением сотовыми операторами новой системы передачи данных GPRS, являющейся дополнением к существующему GSM-стандарту, положение стало меняться в пользу применения GSM-модемов. Появились и модемы-терминалы, поддерживающие эту новую систему передачи данных.

Рассмотрим основные характеристики, области применения GPRS и порядок работы соответствующих систем передачи данных.

Система GPRS — развитие стандарта GSM

GPRS (General Packet Radio Service — услуга пакетной передачи данных по радиоканалу) — по сути, расширение существующих сетей GSM. Система GPRS обеспечивает мобильных пользователей высокой скоростью передачи данных и максимально приспособлена для прерывистого трафика, характерного для сетей Интернет/интранет. Скорость доступа от 14,4 кбит/с (при использовании одного временного слота) до 115 кбит/с (при объединении нескольких слотов).

Система GPRS реализует пакетную коммутацию на всем протяжении канала связи, существенно оптимизируя услуги передачи данных в сетях стандарта GSM. Она практически мгновенно устанавливает соединения, использует сетевые ресурсы и занимает участок диапазона частот только в моменты фактической передачи данных, что гарантирует чрезвычайно эффективное использование доступной полосы частот и позволяет делить один радиоканал между несколькими пользователями. Пакеты данных передаются одновременно по многим каналам, что и определяет выигрыш в скорости. Однако голосовой трафик имеет безусловный приоритет, поэтому данные передаются в паузах речи и скорость их передачи определяется не только возможностями сетевого и абонентского оборудования, но и загрузкой сети. Система GPRS поддерживает все самые распространенные протоколы передачи данных в сети, в частности, Интернет-протокол IP, что позволяет абонентам сети подключаться к любому источнику информации. Новая система предполагает также иную схему оплаты услуги передачи данных: при использовании GPRS расчёты производятся пропорционально объёму переданной информации, а не времени, проведённому в сети.

GPRS позволяет без дополнительных устройств реализовать соединение, например, через интерфейсы TCP/IP или Х.25 с существующими системами передачи данных, обеспечивая поддержку самых разнообразных приложений: от низкоскоростной системы обмена сообщениями до работы с высокоскоростной корпоративной ЛВС. Кроме того, GPRS предоставляет услугу многоточечной передачи (мультивещания) между провайдером определённой сети и группой мобильных абонентов с терминалами GPRS.

Система GPRS строится путём простого добавления новых узлов пакетной обработки данных и модернизации существующих для маршрутизации пакетов данных от мобильного терминала до шлюза, который обеспечивает соединение с внешней сетью пакетной передачи данных для реализации доступа к Интернет/интранет или, например, к базам данных.

Структура системы

Ядро системы GPRS (GPRS Core Network) состоит из двух типов основных блоков (рис. 1): SGSN (Serving GPRS Support Node — узел поддержки GPRS) и GGSN (Gateway GPRS Support Node — шлюз GPRS).

SGSN контролирует доставку пакетов данных пользователям, взаимодействует с реестром собственных абонентов, проверяя, разрешены ли запрашиваемые ими услуги, ведёт мониторинг находящихся в сети пользователей, организует регистрацию абонентов, вновь проявившихся в зоне действия сети, и т.п.

GGSN — это шлюз между магистралью GPRS и внешними информационными магистралями (Интернет, корпоративными интранет-сетями, другими GPRS-системами и т.д.). Основной задачей GGSN является роуминг (маршрутизация) данных, идущих к абоненту и от него через SGSN. Другими функциями GGSN являются адресация данных, динамическая выдача IP-адресов, а также отслеживание информации о внешних сетях и собственных абонентах (в том числе тарификация услуг).

В GPRS-систему заложена хорошая масштабируемость: при появлении новых абонентов оператор может увеличивать число SGSN, а при увеличении суммарного трафика — добавлять в систему новые GGSN. Внутри ядра GPRS-системы (между SGSN и GGSN) данные передаются с помощью специального туннельного протокола GTP (GPRS Tunneling Protocol).

Работа системы

Прежде чем приступить к работе с GPRS, мобильная станция должна зарегистрироваться в системе. Как уже было сказано, регистрацией пользователей занимается SGSN. В случае успешного прохождения всех процедур абоненту выдается временный номер мобильного абонента для пакетной передачи данных.

Для быстрой маршрутизации информации GPRS-система нуждается в данных о месторасположении абонента относительно сети, причём с большей точностью, нежели в случае передачи голосового трафика. Чтобы оптимизировать работу системы в зависимости от местонахождения абонента, применяют деление терминалов на три класса.

• IDLE (неработающий). Терминал отключен или находится вне зоны действия сети. Очевидно, что система не отслеживает перемещение подобных абонентов.

• STANDBY (режим ожидания). Аппарат зарегистрирован в GPRS-системе, но уже долгое время (определяемое специальным таймером) не работает на передачу данных. Местоположение STANDBY-абонентов известно с точностью до RA (Routing Area — область маршрутизации); RA крупнее, чем сота, и состоит из нескольких элементарных ячеек.

• READY (готовность). Абонентский терминал зарегистрирован в системе и находится в активной работе. Координаты абонентов, находящихся в режиме READY, известны системе (а точнее, SGSN) с точностью до соты.

Согласно этой идеологии, терминалы, находящиеся в STANDBY-режиме, при переходе из одной RA в другую посылают SGSN специальный сигнал о смене области маршрутизации. Если новая и старая RA контролируются одним SGSN, то смена RA приводит лишь к корректировке записи в SGSN. Если же абонент переходит в зону действия нового SGSN, то новый SGSN запрашивает у старого информацию о пользователе, а сетевая и коммутирующая подсистема, а также вовлеченные в работу GGSN ставятся в известность о смене SGSN.

Следует отметить такой важный параметр, как QoS (Quality of Service — качество сервиса). В GPRS существует несколько классов QoS, подразделяющихся по следующим признакам:

• необходимому приоритету (высокий, средний и низкий);

• надёжности (установлены три класса надёжности в зависимости от количества возможных ошибок разного рода, потерянных пакетов и т.п.);

• задержкам (задержки информации вне GPRS-сети не учитываются);

• количественным характеристикам (пиковое и среднее значение скорости).

Класс QoS выбирается индивидуально для каждого нового сеанса передачи данных.

Кроме QoS, в характеристику сессии передачи данных входят тип протокола (Packet Data Protocol type — PDP type), PDP-адрес, выданный мобильной станции, а также адрес GGSN, с которым идет работа. Профиль сессии (PDP context) записывается в абонентский терминал, а также в обслуживающие его SGSN и GGSN. Одновременно может поддерживаться несколько профилей передачи данных для каждого пользователя.

Пакетная передача данных предусматривает два вида соединений:

• PTP (Point-to-Point) — «точка-точка»;

• PTM (Point-to-Multipoint) – «точка-многоточие».

Широковещательный режим с соединением РТМ, в свою очередь, подразделяется на два подрежима:

PTM-M (PTM-Multicast) — информация передаётся всем пользователям, находящимся в определённой географической зоне;

PTM-G (PTM-Group Call) — данные направляются определённой группе пользователей.

Абонентские устройства

Для работы с системой пакетной передачи данных необходимо иметь специальный телефон, совместимый с GPRS, или соответствующий модем. GPRS-терминалы подразделяются на три класса.

• Класс А: терминалы способны одновременно работать как с передачей голоса, так и с передачей данных (они обладают возможностью функционировать как в режиме коммутации каналов, так и в режиме коммутации пакетов.

• Класс В: терминалы могут осуществлять либо передачу голоса, либо передачу данных.

• Класс С: терминалы поддерживают только передачу данных и не могут быть использованы для голосовой связи.

Максимальная скорость передачи данных определяется, в первую очередь, количеством каналов, с которыми одновременно может работать абонентский терминал. Один канал обеспечивает передачу данных со скоростью до 14,4 кбит/с.

Основные преимущества технологии GPRS

Главное преимущество систем передачи информации на основе GPRS – их беспроводная структура. Это качество наряду с высокой скоростью передачи данных открывает новые возможности для развития многих направлений применения, в первую очередь таких как мобильные приложения (мобильный доступ в Интернет, системы безопасности и т.д.), а также распределённые системы сбора данных и управления (дистанционный контроль и измерение, телеметрия, торговые автоматы и т.д.).

Пока наибольшее развитие получили мобильные приложения: системы определения координат на местности (GPS), различные системы охраны и обеспечения безопасности мобильных объектов. Перспективным направлением применения GPRS являются сети удалённых передвижных торговых терминалов, связанных с единой базой данных.

Однако и для стационарных приложений GPRS также открывает большие перспективы. Особенно заметным экономический эффект может быть в системах учёта энергопотребления и, в частности, в системах сбора информации в коммунальном хозяйстве. Потребность в более оперативном и точном контроле потребления энергоносителей возрастёт по мере повышения тарифов. Причем важным будет не только определение параметров потребления за сутки или час, но и получение текущих значений этих параметров. Подобная система также предоставляет возможности для обнаружения аварийных ситуаций. При создании систем сбора информации на базе кабельных линий связи возникает множество трудностей в силу следующих причин:

• большое количество точек измерения, удалённых на значительное расстояние;

• высокая стоимость самих кабельных линий связи и их монтажа;

• небольшой объём информации, передаваемой от одной точки измерения;

• ненулевая вероятность аварий кабельных линий и неизбежные затраты на их ремонт и содержание.

Применение для передачи данных коммутируемых телефонных линий также не обеспечивает достаточной надёжности: проблема прямого дозвона и качество связи не гарантируют своевременную передачу аварийного сигнала от объекта.

Всё это говорит в пользу применения систем передачи данных по радиоканалу.

Однако использование радиомодемов с выделенной частотой тоже имеет свои недостатки: во-первых, существует необходимость лицензирования частоты, а во-вторых, для получения большой зоны охвата территории потребуется установка репитеров.

У GPRS-модемов нет таких недостатков, однако есть необходимость оплаты трафика. При этом фактическая оплата начисляется только за объём переданной и принятой информации, а не за время нахождения модема в состоянии прёма-передачи.

Для объектов, имеющих трафик относительно небольшой интенсивности, применение GPRS оказывается вполне оправданным, так как, учитывая скорость соединения, оно не более затратно, чем использование коммутируемой линии, но при этом более надёжно.

GPRS-модемы Siemens

Компания Siemens выпускает большой ряд GPRS-модемов. Модемы выпускаются в виде встраиваемых модулей и как законченные устройства, приспособленные для эксплуатации в составе систем АСУ ТП.

Модемы TC35 Terminal и MC35 Terminal (рис. 2) поддерживают практически все функции обычного сотового телефона, с той только разницей, что управление происходит не с клавиатуры, а по интерфейсу RS-232. Более ранняя модель ТС35 используется для передачи коротких SMS-сообщений или передачи данных по аналоговому каналу, а её дальнейшее развитие — модель МС35 — дополнительно имеет возможность работы в формате GPRS (пакетной передачи данных в сотовых сетях). Для применения в АСУ ТП это свойство имеет большое практическое значение. Остановимся подробнее на особенностях последней модели и способах применения данного устройства в системах АСУ ТП.

Основные технические характеристики модема MC35 Terminal приведены в табл. 1. Модем представляет собой законченное устройство, которое можно разместить в шкафах управления. Дополнительно он комплектуется антенной с кабелем AMM-580 (рис. 3) и блоком питания PS. 

Питание модема можно осуществлять и от любого другого источника, имеющего стабилизированное выходное напряжение от 10 до 30 В, например, от любого из широко используемых в АСУ ТП источников питания с номиналом 24 В. У модема имеется разъём для подключения внешней телефонной гарнитуры, с помощью которой его можно использовать для обычной голосовой телефонной связи.

Управление модемом осуществляется по интерфейсу RS-232. Система команд совместима со стандартным набором команд Hayes, однако имеет ряд дополнительных команд для управления параметрами GSM и GPRS. В инструкции все команды управления модемом подробно описаны, что делает достаточно простой интеграцию устройства в систему, с точки зрения разработки прикладного программного обеспечения. Для пользователей Windows поставляется программное обеспечение, упрощающее установку модема.

Благодаря тому, что модем имеет стандартный вход RS-232 и открытую систему команд, он может быть легко интегрирован в любую промышленную сеть, для чего удобно применять устройства серий ADAM-45хх и ADAM-65хх. Например, для подключения MC35 в сеть на основе интерфейса

RS-485 в качестве ведомого устройства можно применить ADAM-4521, а для сетей на основе Ethernet — ADAM-6530 и ADAM-6500. Так же легко модем взаимодействует с контроллерами серий ADAM-5000 (рис. 4), имеющими свободный COM-порт. Для подключения модема к контроллерам и распределенным системам WAGO можно применить модули 750-650 фирмы WAGO.

Заключение

GPRS-модемы Siemens MC35 Terminal позволяют создавать системы автоматизации удалённых автономных объектов, поддерживающих постоянную связь с диспетчерским пунктом. Для многих задач диспетчеризации и автоматизации применение GPRS-модемов является наиболее экономичным решением. К тому же у большинства сотовых операторов наблюдается тенденция к снижению цен на услуги GPRS.

Возможности стандарта GSM далеко не исчерпаны, и можно надеяться, что в скором времени появятся дополнительные сервисы, основанные на цифровой передаче данных GPRS. ● 

Автор — сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (095) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru