GPRS

Samsung Galaxyスマートフォンの通知バーに表示されるGPRSのサイン

GPRS汎用パケット無線サービス)は2.5Gとも呼ばれ、2Gセルラー通信ネットワークであるGSM(グローバルシステムフォーモバイルコミュニケーションズ)の一部であるモバイルデータ規格です。 [ 1 ] GPRSを搭載したネットワークとモバイルデバイスは2001年頃から展開され始めました。[ 2 ] GPRSはGSMネットワークで初めて、パケット交換データを使用したシームレスなデータ転送による「常時接続」を提供し、ダイヤルアップの必要性を排除しました。[ 3 ]ウェブ電子メールワイヤレスアプリケーションプロトコル(WAP)サービス、ショートメッセージサービス(SMS)、マルチメディアメッセージングサービス(MMS)などのインターネットアクセスが向上しました。 [ 4 ]

GPRSが導入されるまで、携帯電話ネットワークでは回線交換データのみが使用されており、データ接続中は1つまたは複数の無線チャネルが占有されていました。一方、GPRSネットワークでは、データは小さなパケットに分割され、利用可能なチャネルを介して送信されます。[ 5 ]この効率性の向上により、理論上のデータレートは56~114  kbit /sとなり、[ 6 ]従来の回線交換データ(CSD)技術よりも大幅に高速化されました。GPRSの後継としてEDGE (「2.75G」)が登場し、2G GSMシステムのパフォーマンスと速度が向上しました。

技術概要

GPRSコアネットワークは、2G、3GW-CDMAモバイルネットワークがIPパケットをインターネットなどの外部ネットワークに送信することを可能にします。GPRSシステムは、GSMネットワークスイッチングサブシステムに統合されています。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

GPRSはベストエフォート型のサービスであり、接続中に一定のサービス品質(QoS)が保証される回線交換とは異なり、同時にサービスを共有する他のユーザー数に応じてスループット遅延が変動します。効率性を高めるため、GSMシステムの未使用の時分割多元接続(TDMA)チャネルを使用します。従来の回線交換データとは異なり、GPRSはオンライン時間ではなく、転送されたデータの総量に基づいて課金されていました[ 10 ]。これは現在では標準となっています。

提供されるサービス

Sony Ericsson K310aは、GPRS接続を使用してインターネットで送信されたWikipediaホームページを表示しています

GPRS は GSM 回線交換データ機能を拡張し、次のサービスを可能にします。

  • SMSメッセージングとブロードキャスト
  • MMS
  • 常時インターネットアクセス
  • 携帯電話でのプッシュ・ツー・トーク(PoC)
  • インスタントメッセージとプレゼンス - ワイヤレスビレッジ
  • WAP 経由のスマートデバイス向けインターネット アプリケーション
  • ポイントツーポイント(P2P)サービス:インターネット(IP)との相互ネットワーク
  • ポイントツーマルチポイント(P2M)サービス:ポイントツーマルチポイントマルチキャストおよびポイントツーマルチポイントグループコール

GPRS経由のSMSを使用すると、1分あたり約30通のSMS送信速度を実現できます。これは、1分あたり約6~10通のGSM経由のSMSよりもはるかに高速です。

周波数

GPRS規格はGSM機能の拡張であるため、このサービスは2Gおよび3G GSM周波数で動作します。[ 8 ] [ 11 ] GPRSデバイスは通常、無線がサポートする周波数帯域(850、900、1800、1900MHz)のいずれかの周波数帯域内の周波数(1つまたは複数)を使用できます。デバイス、場所、および使用目的に応じて、許可された周波数帯域を制限または明示的に指定する規制が課される場合があります。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

GSM-850とGSM-1900は、アメリカ合衆国、カナダ、そして南北アメリカ大陸の多くの国で使用されています。GSM-900とGSM-1800は、ヨーロッパ、中東、アフリカ、そしてアジアの大部分で使用されています。南米では、これらの周波数帯はコスタリカ(GSM-1800)、ブラジル(GSM-850、900、1800)、グアテマラ(GSM-850、GSM-900、1900)、エルサルバドル(GSM-850、GSM-900、1900)で使用されています。国際携帯電話サービスの周波数割り当てに関するより包括的な記録があります。

サポートされているプロトコル

GPRSは以下のプロトコルをサポートしています。

TCP/IPを使用する場合、各携帯電話に1つ以上のIPアドレスを割り当てることができます。GPRSは、ハンドオーバー中でもIPパケットを保存し、携帯電話に転送します。TCPは、失われたパケットを再送信します。

ハードウェア

GPRSをサポートするデバイスは、3つのクラスに分類されます。

クラスA
GPRS サービスと GSM サービス (音声、SMS) に同時に接続できます。
クラスB
GPRSサービスとGSMサービス(音声、SMS)に接続できますが、一度に使用できるのはどちらか一方のみです。GSMサービス(音声通話またはSMS)中はGPRSサービスが中断され、GSMサービス(音声通話またはSMS)が終了すると自動的に再開されます。ほとんどのGPRSモバイルデバイスはクラスBです
クラスC
GPRSサービスまたはGSMサービス(音声、SMS)のいずれかに接続され、サービス間で手動で切り替える必要があります

クラスAデバイスはGPRSネットワークとGSMネットワークの両方にサービスを提供する必要があるため、実質的に2つの無線が必要です。このハードウェア要件を回避するために、GPRSモバイルデバイスはデュアル転送モード(DTM)機能を実装する場合があります。DTM対応のモバイルデバイスは、ネットワーク調整によりGSMパケットとGPRSパケットの両方を処理でき、両方のパケットが同時に送信されないようにします。このようなデバイスは擬似クラスA、または「シンプルクラスA」と呼ばれることもあります。

Huawei E220 3G/GPRSモデム
ノートパソコンで使用するためのPCカードGPRS モデム

USB 3G/GPRSモデムは、USBを介してV.42bisおよびRFC 1144データフォーマットに対応した端末のようなインターフェースを備えています。一部のモデルには外部アンテナコネクタが搭載されています。ノートパソコン用のモデムカードや外付けUSBモデムも利用可能で、形状とサイズはコンピュータのマウスペンドライブに似ています。  

アドレス指定

GPRS接続は、アクセスポイント名(APN)を参照して確立されます。APNは、WAP、SMS、MMSなどのサービスや、電子メールやワールドワイドウェブアクセスなどのインターネットサービスを定義します

ワイヤレス モデムの GPRS 接続を設定するには、ユーザーはネットワーク オペレータから提供される APN、オプションでユーザー名とパスワード、そしてまれに IP アドレスを指定する必要があります。

コーディング方式と速度

GPRS で達成できるアップロード速度とダウンロード速度は、次のようないくつかの要因によって異なります。

  • オペレータによって割り当てられたBTS TDMAタイムスロットの数
  • 使用されるチャネルエンコーディング。
  • GPRSマルチスロットクラスとして表現されるモバイルデバイスの最大機能

多重アクセス方式

GSMとGPRSで使用される多重アクセス方式は、周波数分割複信(FDD)とTDMAに基づいています。セッション、ユーザーはアップリンクとダウンリンクの周波数チャネルのペアに割り当てられます。これは時間領域統計多重化と組み合わされており、複数のユーザーが同じ周波数チャネルを共有することが可能になります。パケットはGSMタイムスロットに対応する一定の長さを持ちます。ダウンリンクは先着順のパケットスケジューリングを使用し、アップリンクは予約ALOHA(R-ALOHA)に非常によく似た方式を使用します。つまり、競合フェーズ中の予約照会にはスロットALOHA(S-ALOHA)が使用され、実際のデータは先着順の ダイナミックTDMAを使用して転送されます

チャネル符号化

GPRS のチャネル符号化プロセスは、2 つのステップから構成されます。まず、巡回符号を使用して、ブロック チェック シーケンスとも呼ばれるパリティ ビットを追加し、次に、パンクチャリング可能な畳み込み符号で符号化します[ 14 ]符号方式 CS-1 から CS-4 は、巡回符号によって生成されるパリティ ビットの数と、畳み込み符号のパンクチャリング レートを指定します。[ 14 ]符号化方式 CS-1 から CS-3 では、畳み込み符号のレートは 1/2 です。つまり、各入力ビットは 2 つの符号化ビットに変換されます。[ 14 ]符号化方式 CS-2 と CS-3 では、畳み込み符号の出力は、目的の符号化レートを実現するためにパンクチャリングされます。[ 14 ]符号化方式 CS-4 では、畳み込み符号化は適用されません。[ 14 ]次の表は、オプションをまとめたものです。

GPRSコーディング方式 RLC/MACオーバーヘッドを含むビットレート[ a ] [ b ] (kbit/s/slot) RLC/MACオーバーヘッドを除いたビットレート[ c ] (kbit/s/slot) 変調符号化率
CS-1 9.20 8.00 GMSK 1/2
CS-2 13.55 12.00 GMSK 約2/3
CS-3 15.75 14.40 GMSK 約3/4
CS-4 21.55 20.00 GMSK 1
  1. ^これは、RLC/MAC層のプロトコルデータユニット(PDU)(無線ブロックと呼ばれる)が送信される速度です。TS 44.060セクション10.0a.1に示されているように、 [ 15 ]無線ブロックはMACヘッダー、RLCヘッダー、RLCデータユニット、および予備ビットで構成されます。RLCデータユニットはペイロードを表し、残りはオーバーヘッドです。無線ブロックは、特定の符号化方式に指定された畳み込み符号によって符号化され、すべての符号化方式で同じ物理層のデータレートが得られます
  2. ^ TS 45.001表1など、様々な情報源で引用されています。 [ 14 ]はRLC/MACヘッダーを含むビットレートですが、MACヘッダーの一部であるアップリンク状態フラグ(USF)は除きます。 [ 16 ]その結果、ビットレートは0.15kbit/s低くなります。
  3. ^ここでのネットビットレートとは、RLC/MAC層のペイロード(RLCデータユニット)が送信されるレートです。したがって、このビットレートにはRLC/MAC層のヘッダーオーバーヘッドは含まれません。

最も堅牢性が低いが最も高速なコーディング スキーム (CS-4) は BTS の近くで使用できますが、最も堅牢なコーディング スキーム (CS-1) は移動局 (MS) が BTS から遠い場合に使用されます。

CS-4を使用すると、タイムスロットあたり20.0 kbit/sのユーザー速度を実現できます。ただし、この方式ではセルカバレッジは通常の25%になります。CS-1では、タイムスロットあたり8.0 kbit/sのユーザー速度しか実現できませんが、カバレッジは通常の98%です。新しいネットワーク機器は、モバイルの位置に応じて転送速度を自動的に調整できます。

GPRSに加えて、データサービスを提供するGSM技術として、回線交換データ(CSD)と高速回線交換データ(HSCSD)の2つがあります。GPRSの共有回線とは異なり、これらは専用回線(通常は1分単位で課金)を確立します。ビデオ通話などの一部のアプリケーションでは、特にエンドポイント間でデータが継続的にやり取りされる場合、HSCSDの方が適している場合があります。

次の表は、GPRS および回線交換データ サービスのいくつかの可能な構成をまとめたものです。

技術 ダウンロード(kbit/s) アップロード(kbit/s) TDMAタイムスロット割り当て(DL+UL)
CSD 9.6 9.6 1+1
HSCSD 28.8 14.4 2+1
HSCSD 43.2 14.4 3+1
GPRS 85.6 21.4 (8年生、10年生、CS-4) 4+1
GPRS 64.2 42.8(クラス10およびCS-4) 3+2
EGPRS(エッジ) 236.8 59.2(クラス8、10、MCS-9) 4+1
EGPRS(エッジ) 177.6 118.4 (クラス10およびMCS-9) 3+2

マルチスロットクラス

マルチスロットクラスは、上りリンクおよび下りリンク方向で利用可能なデータ転送速度を決定します。これは1から45までの値で、ネットワークはこれを使用して上りリンクおよび下りリンク方向の無線チャネルを割り当てます。31を超える値のマルチスロットクラスは、高マルチスロットクラスと呼ばれます

マルチスロット割り当ては、例えば5+2のように表されます。最初の数字はダウンリンクタイムスロットの数、2番目の数字はモバイルステーションが使用するために割り当てられたアップリンクタイムスロットの数です。多くのGPRS/EGPRSモバイルでは、一般的にクラス10が使用されます。これは、ダウンリンク方向に最大4つのタイムスロット、アップリンク方向に最大2つのタイムスロットを使用します。ただし、アップリンクとダウンリンクの両方で同時に最大5つのタイムスロットを使用できます。ネットワークは、データ転送の性質に応じて、3+2または4+1の動作に自動的に設定されます。

通常UMTSもサポートしている一部のハイエンドのモバイルは、GPRS/ EDGEマルチスロット クラス 32もサポートしています。3GPP TS 45.002 (リリース 12)、表 B.1、[ 17 ]によれば、このクラスのモバイル局は、ダウンリンクで 5 つのタイムスロット、アップリンクで 3 つのタイムスロットをサポートし、同時に使用できるタイムスロットの最大数は 6 つです。データ トラフィックがダウンリンク方向に集中している場合、ネットワークは 5+1 操作用に接続を構成します。アップリンクでさらに多くのデータが転送される場合、ネットワークはいつでもコンステレーションを 4+2 または 3+3 に変更できます。最良の受信状況、つまり最良の EDGE変調および符号化方式を使用できる場合、5 つのタイムスロットで 5*59.2 kbit/s = 296 kbit/s の帯域幅を伝送できます。アップリンク方向では、3つのタイムスロットで3*59.2 kbit/s = 177.6 kbit/sの帯域幅を伝送できます。[ 18 ]

GPRS/EGPRS のマルチスロット クラス

マルチスロットクラス ダウンリンクTS アップリンクTS アクティブTS
1 1 1 2
2 2 1 3
3 2 2 3
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
30 5 1 6
31 5 2 6
32 5 3 6
33 5 4 6
34 5 5 6

マルチスロットクラスの属性

各マルチスロット クラスは次のものを識別します。

  • アップリンクで割り当てられるタイムスロットの最大数
  • ダウンリンクで割り当てられるタイムスロットの最大数
  • ネットワークがモバイルに割り当てることができるタイムスロットの総数
  • MSが隣接セルの信号レベル測定を実行し、送信準備を行うのに必要な時間
  • MSが送信準備を完了するのに必要な時間
  • MSが隣接セルの信号レベル測定を実行し、受信準備を行うのに必要な時間
  • MS が受信準備を行うのに必要な時間。

さまざまなマルチスロットクラスの仕様は、3GPP TS 45.002(無線パス上の多重化と多重アクセス)の付録Bに詳細に規定されています。

ユーザビリティ

2003年に提供されたGPRS接続の最大速度は、使用する電話機によって異なりますが、アナログ有線電話網のモデム接続と同程度で、約32~40kbit/sでした。遅延は非常に大きく、往復時間(RTT)は通常約600~700msで、1秒に達することもよくあります。GPRSは通常、音声よりも優先度が低いため、接続品質は大きく異なります

遅延/RTTの改善(例えば、UL TBFモードの拡張機能など)を備えたデバイスが一般的に利用可能になっています。また、一部の通信事業者では、ネットワーク機能のアップグレードも利用可能です。これらの機能強化により、アクティブラウンドトリップタイム(RTT)が短縮され、アプリケーションレベルのスループット速度が大幅に向上します。

歴史

GSMは音声通信用に設計されており、データ通信には対応していませんでした。インターネットへの直接アクセスは提供されておらず、通信容量も9600ビット/秒に制限されていました。[ 19 ] CSDには、高コストという制約もありました。最初の商用GPRSサービスは、2000年に英国のBT Cellnetネットワーク上で開始されました[ 20 ] 。これは、チャネル交換型のGSMネットワークに組み込まれたパケット交換型データサービスでした。GPRSは、世界中のモバイル端末を接続することで、固定インターネットの範囲を拡大します。

GPRSは、以前のCDPDiモードといったパケット交換型携帯電話技術への対応として、欧州電気通信標準化機構(ETSI)によって策定され、GSMリリース97以降のリリースに統合されています。現在は3GPPによって保守されています。[ 21 ] [ 22 ]

1991年から1993年にかけて開発されたCELLPAC [ 23 ]プロトコルは、1993年にETSI SMGによる標準GPRSの仕様策定が開始されるきっかけとなった。特に、1993年のETSIワークショップの成果物[ 24 ]で導入されたCELLPACの音声・データ機能は、後にGPRSのルーツとなるものを予見していた。このワークショップの成果物は、22件のGPRS関連の米国特許で参照されている[ 25 ] 。GSM /GPRSの後継システムであるW-CDMA(UMTS)やLTEは、CELLPACによって導入されたモバイルインターネットアクセスの主要GPRS機能に依存している。

GPRS開発の歴史に関する研究によると、[ 26 ]ベルンハルト・ヴァルケと彼の弟子のピーター・デッカーが、世界的なモバイルインターネットアクセスを提供する最初のシステムであるGPRSを発明しました。

拡張GPRS

Androidスマートフォンの通知バーに表示されるEDGEマーク

EDGE(GSM Evolution向け拡張データレート)は、2.75Gなど様々な名称で知られ、パケット交換データ伝送用の2Gデジタル携帯電話技術です。GSMネットワーク上のGPRS ( General Packet Radio Service)のサブセットであり、 3G技術に近い速度を提供することでGPRSを改良しているため、2.75Gという名前が付けられています。EDGEは、GSMファミリーの一部として、またGPRSのアップグレードとして 3GPPによって標準化されています

EDGEは2003年からGSMネットワークに導入され、最初は米国のCingular社(現AT&T社)によって導入されました。 [ 27 ]既存のGSMおよびGPRS携帯電話機器に容易に導入できるため、携帯電話会社にとっては大幅な変更を必要としたUMTS 3G技術に比べてアップグレードが容易でした。[ 28 ] EDGEは高度な符号化およびデータ送信方法の導入により、無線チャネルあたりのビットレートが向上し、通常のGSM/GPRS接続(当初は最大速度384 kbit/s)に比べて容量とパフォーマンスが3倍に向上しました。[ 29 ]その後、レイテンシがさらに短縮され、パフォーマンスが2倍以上になり、ピークビットレートが最大1 Mbit/sになる拡張規格としてEvolved EDGEが開発されました。

参照

参考文献

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  2. ^ 「Q&A: GPRS電話」 . 2001年5月18日. 2023年7月16日閲覧
  3. ^ 「業界のモバイルへの期待」 2001年3月23日. 2024年6月18日閲覧
  4. ^ 「Q&A: GPRS電話」 . 2001年5月18日. 2024年6月18日閲覧
  5. ^ Sunny WebBox / Sunny Boy Control における GSM および UMTS モバイルネットワークでのデータ伝送に関する背景情報(PDF) (技術レポート). SMA Solar Technology AG. GSM_UMTS-UEN084111 . 2025年8月15日閲覧.
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