СЕТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ADDAX.NET
Использование каналов GSM/GPRS
Общее описание
ADDM.410011.003
Содержание
1 Сеть передачи данных 3
1.1 Услуга GPRS. 3
1.1.1 Принцип работы. 3
1.1.2 Особенности организации связи. 4
1.1.3 Скорость передачи данных. 5
1.1.4 Стоимость связи (предварительные сведения) 5
1.2 GPRS в сети 6
1.2.1 Схема связи в сети 6
1.2.2 Служебный трафик 6
1.2.3 Стоимость связи (основные сведения) 7
2 Организация сети. 9
2.1 Оплата связи. 9
2.2 Устойчивость связи. 9
2.3 Internet связь 9
2.4 Начало работы. 9
.
12 Сеть передачи данных
Сеть ADDAX Net представляет собой иерархию подсетей, поддерживающих следующие протоколы передачи данных:
· TCP/IP
· GSM/SMS
· GSM/GPRS
· Телефонная сеть общего пользования (PSTN)
· PLC/MV (средневольтовые распределительные сети 20, 10/6 kV)
· PLC/LV (низковольтные распределительные сети 0.4 kV)
· Радиоканалы (RF Network)
· CM Bus
На границах сред для обеспечения сквозной передачи, например, RF–PLC/LV–GSM/GPRS–TCP/IP устанавливаются специальные коммуникационные устройства, именуемые в дальнейшем маршрутизаторами.
Архитектура сети должна обеспечивать выполнение следующих требований.
1. Сеть должна предоставлять клиентам (приложениям) доступ в произвольный момент времени к учётным данным, либо к исполнительным устройствам «своих» приборов.
Это не означает, что клиентские приложения будут непрерывно запрашивать данные или передавать команды на приборы. Чаще всего для получения всей необходимой информации достаточно связаться с учётными приборами один раз в сутки. Однако нельзя предвидеть в какое конкретно время суток клиент обратится к сети для получения данных. Кроме того, нельзя исключать внеплановую связь, например, в аварийных ситуациях.
Из сказанного следует, что сеть должна работать в режиме постоянного соединения с эпизодической (взрывной) передачей данных.
2. Стоимость услуг сети, разумеется, должна быть минимальной. Определяющим тут является удачный выбор услуг операторов связи.
Например, постоянно занятый канал GSM не является приемлемым по стоимости решением.
1.12.1 Услуга GPRS
Одной из технологий связи, способной удовлетворить сочетанию требований к , является GPRS (General Packet Radio Service) - услуга пакетной передачи данных по радиоканалу. Технология использует существующие GSM-сети.
1.1.12.1.1 Принцип работы
Принцип технологии состоит в том, что предназначенные для передачи данные разделяются на небольшие пакеты, каждый из которых «становится в очередь на передачу». Пакеты передаются в эфир, через те каналы базовой станции GSM, которые в данный момент не заняты голосовой связью, то есть в промежутках между разговорами абонентов. Такие каналы, как правило, всегда есть, что и создаёт возможность асинхронного – в любой момент времени –доступа к сети. Абонент постоянно подключен к пакетной сети, где ему предоставлен виртуальный канал, который становится реальным (физическим) радиоканалом на время передачи пакета.
При этом используются сразу несколько физических каналов – это обеспечивает высокую скорость передачи данных.
Каждый пакет GPRS имеет поле адреса, в котором обозначен конечный пункт передачи пакета - каждый пакет маршрутизируется независимо от других (нет необходимости держать канал открытым от начального пункта до конечного). В конечном пункте пакеты собираются воедино.
Другим преимуществом технологии является её способность выполнять функцию шлюза между сотовой сетью и внешними информационными магистралями, например, глобальной сети Internet, корпоративными Intranet-сетями, X.25 и др. Таким образом, клиент GPRS имеет возможность доступа к TCP/IP серверу, находящемуся далеко за пределами области покрытия своей базовой станции GSM. И, наоборот, из любой точки, используя Internet, можно ответить на запрос клиента GPRS (рис. 1).
Рис. 1 Схема GPRS связи
Стрелками показано направление запросов инициаторов связи (User) к серверам расположенным в сети Internet
1.1.22.1.2 Особенности организации связи
В сети GPRS для адресации абонентов и функциональных устройств используют принципы адресации в Интернет. Протокол IP предназначен для пересылки пакетов данных по сетям связи без установления логического соединения. Это значит, что каждый пакет маршрутизируют индивидуально с помощью адресов отправителя. То есть для интерактивной связи с использованием Internet, абоненту GPRS (User на рис. 1) необходим собственный IP-адрес. В связи с ограниченным количеством адресов, которыми обычно располагает оператор GPRS, адрес присваивается абоненту временно – на время сессии (сеанса связи). При следующей сессии адрес изменяется.
Динамическая смена адресов делает невозможным обращение к абоненту GPRS в произвольный момент времени, поскольку его IP-адрес заранее неизвестен. Лишь после того, как оператор GPRS, обслуживая IP-запрос абонента, присвоит ему адрес, к абоненту можно обратиться из сети Internet.
Запрос абонента инициирует процедуру присоединения (GPRS Attach), которая, в свою очередь, запускает процедуру динамического присвоения абоненту IP-адресов. Абонент переходит в состояние READY.
В случае если абонент некоторое время (определяется таймером доступности абонента) не проявляет активности, обслуживающий узел GPRS (SGSN) инициирует процедуру отсоединения абонента (GPRS Detach). Абонент отсоединяется от сети, то есть переходит в состояние IDLE. Присвоенный ему IP–адрес освобождается и может быть присвоен другому абоненту.
1.1.32.1.3 Скорость передачи данных
Теоретически максимальная скорость передачи данных на каждый канал в сетях GPRS составляет величину от 9,05 до 171.2 kbps. Точное значение скорости определяется количеством выделенных под передачу тайм-слотов (временных интервалов, time slot) кадра GSM, и выбранной схемой кодирования сигнала.
В действительности, скорость зависит от условий распространения сигнала и наличия свободных каналов в пределах заданной соты. Динамическое выделение каналов производится исходя из приоритета голосовых каналов, т. е. все каналы, не занятые передачей голоса, система автоматически выделяет под пакетную передачу. В результате, реальная скорость передачи будет зависеть от загруженности голосовых каналов в пределах соты. Кроме того, выпускаемые в настоящее время терминалы GPRS имеют не более четырёх тайм-слотов на приём и двух – на передачу, что даёт, в конечном итоге, скорость приёма не более 53,6 kbps, скорость передачи – не более 26,8 kbps.
Как указывают операторы GPRS связи, соединение обычно устанавливается в течение нескольких секунд.
1.1.42.1.4 Стоимость связи (предварительные сведения)
В части стоимости услуг связи принципиальное отличие GPRS технологии от обычной GSM связи состоит в следующем. Абоненту GSM выделяется отдельный канал, используемый системой для передачи голоса/данных. В промежутках между передачей канал остается занятым, поэтому абонент оплачивает время занятия канала независимо от объёма переданных/полученных данных.
В GPRS ни один канал не занимается под передачу данных целиком, следовательно, расчеты производятся пропорционально объему переданной информации, а не времени, проведенному online. Практически это означает, что абонент GPRS может быть постоянно подключен к сети передачи данных, но оплачивать при этом лишь свой реальный трафик.
В действительности, стоимость GPRS связи не может быть меньше некоторой величины, определяемой тарифным планом оператора связи GSM/GPRS (табл. 1).
Табл.1 Стоимость услуги GPRS
Вид платежа | Примечание |
Первоначальные платежи | |
Добавление/отмена услуги GPRS | У некоторых операторов – бесплатно |
Ежемесячные платежи | |
Абонентская плата за услугу GPRS | У некоторых операторов – бесплатно |
Стоимость за 1 MB переданной и полученной информации (1 kB = 1024 bytes, 1 MB = 1024 kB) | Переданные и полученные данные тарифицируются раздельно по каждому направлению. |
Служебный трафик оператора GSM/GPRS | У некоторых операторов – бесплатно |
Служебный трафик сети | См. п. 1.2.2 |
Подсчёт стоимости переданной/полученной информации производится следующим образом.
Обращение к услуге GPRS открывает сессию связи. Сессия закрывается с разрывом соединения. При закрытии сессии, объём переданной/полученной информации округляется в большую сторону кратно некоторому интервалу округления. Для разных операторов интервал может составлять от 1 kB до 200 kB, причём для полученной и переданной информации – разный.
Однако операторы GSM/GPRS нередко устанавливают фиксированную длительность сессии. Для разных операторов это время варьируется от 15 минут, до нескольких часов. По истечении этого времени сессия закрывается и, если абонент не прерывает соединения, начинается следующая. Всякий раз, при закрытии очередной сессии производится округление трафика в большую сторону. Таким образом, абонент оплачивает не реальный трафик, а близкий к нему, кратный интервалу округления.
Некоторые операторы закрывают сессию не в связи с истечением времени, а по достижению фиксированного объёма переданных или полученных данных, например, в 500 kB.
1.22.2 GPRS в сети
1.2.12.2.1 Схема связи в сети
Физически сеть представляет собой совокупность коммуникационных устройств (маршрутизаторов) и конечных исполнительных устройств, соединенных друг с другом различными коммуникационными каналами.
В данном документе описывается связь маршрутизатора по каналам GSM/GPRS с Root Router – логическим модулем, который является точкой входа в для клиентов сети и поддерживает с ними общение по каналам Internet.
1.2.22.2.2 Служебный трафик
Необходимо обратить внимание на то, что в сети направление запросов – сверху вниз – противоположно принятому в технологии GPRS – снизу вверх.
Маршрутизатор, будучи абонентом сети GPRS, является инициатором связи вверх, например с Root Router-ом, IP-адрес которого ему должен быть известен (IPRR на рис. 2).
Однако Root Router не может обратиться к маршрутизатору до тех пор, пока ему не станет известен его IP-адрес. Лишь после обращения маршрутизатора вверх с UDP-запросом, оператор GPRS присвоит ему один из адресов (IP1…IPn на рис. 2), который станет известен Root Router-у.
Разработанный в рамках технологии ADDAX маршрутизатор при отсутствии прикладного трафика направляет запросы к Root Router-у каждые 50 сек для удержания логического соединения. Эти запросы составляют служебный трафик сети на GPRS канале.
Длина служебного пакета составляет 14 bytes.
Рис. 2 Служебный трафик в сети
Пунктирными стрелками показано направление UDP-запросов маршрутизатора
1.2.32.2.3 Стоимость связи (основные сведения)
Проведём оценочный расчёт суточной стоимости GPRS связи для следующей сети.
Количество счётчиков | 10 000 |
Объём передаваемых со счётчиков данных в сутки | 54 B ´= 0,515 MB 1 |
Служебный трафик за сутки | 14 B ´ 86400 / 50 s = 0,024 MB |
Тариф GPRS | 0,5 $ за 1 MB 2 |
Интервал округления | 100 kB |
Длительность сессии | 60 min |
1 – приведено значение для однофазного счётчика с конфигурацией при выпуске из производства: данные = активная энергия + флаги состояний.
2 – приведена характерная для разных операторов связи величина. Стоимость трафика разнится в дневное и ночное время, когда она ниже.
Для такой сети сутки разбиваются на 24 сессии, в пределах которых трафик будет округлён до величины
100 kB ´ 24 = 2,4 MB.
Так как суммарный объем данных за длительность сессии не превышает интервала округления, общий тарифицируемый трафик составит те же 2,4 MB, а его стоимость
2,4 Mb ´ 0,5 $ = 1,2 $
Из приведенного расчёта видно, что для уменьшения расходов на оплату услуг связи следует выбирать того оператора, который предлагает меньший интервал округления и большую длительность сессии.
Кроме этого, в отличие от классической GSM связи, в GPRS технологии канал трафика используется и для передачи сигнальной информации, относящейся к управлению мобильностью и сеансом связи. Сигнальный трафик, разумеется, не должен тарифицироваться, однако не исключено, что некоторые операторы связи включают его клиенту в счёт.
23 Организация сети
2.13.1 Оплата связи
Кроме очевидных шагов связанных с расчётом количества необходимого оборудования и его закупки, устройство сети, содержащей сегмент GPRS связи, требует тщательного выбора оператора GSM/GPRS.
Вопросы оплаты трафика сети , видимо, можно пытаться решать на основе взаимных договорённостей энергосбывающей компании и оператора связи.
2.23.2 Устойчивость связи
Немаловажным является проблема устойчивости GPRS связи. Дело в том, что пакетная передача данных предъявляет повышенные требования к величине передаваемого сигнала.
Определить величину сигнала в месте предполагаемого размещения оборудования можно с помощью подключенного к компьютеру модема GPRS и стандартной программы Windows Hyper Terminal (start ® Programs ® Accessories ® Communications ® Hyper Terminal). В данной программе следует ввести команду AT+CSQ, которая представит результат в виде: +CSQ: 13,99 (цифры приведены для справки). Первое число (до запятой) относится к величине сигнала и должно превышать 12 для обеспечения устойчивости связи.
Если базовая станция GSM расположена в густонаселённом районе, вполне вероятно, что голосовой трафик ввиду его приоритетности будет использовать почти весь ресурс станции. В этом случае доступ клиента сети к своим приборам учёта, особенно в дневное время, будет существенно затруднён. Эту проблему, вероятно, можно решить путём договора с оператором GSM о предоставлении энергосбывающей компании приоритетного (менее загруженного) канала связи.
2.33.3 Internet связь
Как указывалось выше маршрутизатор и Root Router должны знать IP-адреса друг друга. Маршрутизатор получает динамический IP-адрес от оператора GSM/GPRS, а Root Router должен располагать статическим (постоянным) IP-адресом.
Энергосбывающая компания получает (покупает) статический IP-адрес у Internet-провайдера, заключая с ним договор об условиях подключения к сети Internet. Наилучшим решением будет обеспечение широкополосного доступа к сети Internet с использованием выделенной линии или Ethernet.
2.43.4 Начало работы
Полученный у Интернет-провайдера IP-адрес вводится в каждый маршрутизатор при его первоначальном конфигурировании перед установкой на объекте. При включении маршрутизатора в сеть, то есть появлении питания, прибор стартует и, после предварительного самотестирования, обращается к Root Router-у с запросом (пакетом) регистрации.
