GPRS

삼성 갤럭시 스마트폰의 알림 표시줄에 표시된 GPRS 아이콘

일반 패킷 무선 서비스(General Packet Radio Service, GPRS)는 2.5G라고도 불리며, 2세대(2G) 셀룰러 통신 네트워크인 GSM의 일부인 모바일 데이터 표준이다. GPRS를 지원하는 네트워크와 모바일 기기는 2001년경부터 출시되기 시작했다. GPRS는 GSM 네트워크에서 최초로 패킷 교환 데이터를 사용하여 '상시 연결(always-on)' 환경을 제공함으로써 전화 접속의 필요성을 없앴으며, 웹, 전자우편, 무선 애플리케이션 프로토콜(WAP) 서비스, 단문 메시지 서비스(SMS), 멀티미디어 메시지 서비스(MMS) 등을 위한 향상된 인터넷 접속을 제공했다.

GPRS가 도입되기 전까지 셀룰러 네트워크에서는 회선 교환 데이터만 사용되었으며, 이는 데이터 연결이 지속되는 동안 하나 이상의 무선 채널을 점유해야 함을 의미했다. 반면 GPRS 네트워크에서는 데이터가 작은 패킷으로 분할되어 가용 채널을 통해 전송된다. 이러한 효율성 향상으로 인해 이론상 56–114 kbit/s의 데이터 속도를 구현할 수 있게 되었으며, 이는 이전의 회선 교환 데이터 (CSD) 기술보다 훨씬 빠른 속도였다. GPRS는 이후 2G GSM 시스템에서 성능과 속도를 개선한 EDGE("2.75G")로 대체되었다.

기술 개요

GPRS 코어 네트워크는 2G, 3G 및 W-CDMA 셀룰러 네트워크가 IP 패킷을 인터넷과 같은 외부 네트워크로 전송할 수 있도록 한다. GPRS 시스템은 GSM 네트워크 스위칭 서브시스템의 통합된 부분이다.

GPRS는 최선형 서비스로, 회선 교환 방식처럼 연결 중에 특정 QoS가 보장되는 것과 달리 동시에 서비스를 공유하는 사용자 수에 따라 스루풋과 레이턴시가 변동된다. GPRS는 효율성을 위해 GSM 시스템 내의 미사용 TDMA 채널을 사용한다. 기존의 회선 교환 데이터와 달리 GPRS는 온라인 접속 시간 대신 전송된 데이터 총량에 따라 요금이 부과되었으며, 이는 현재 표준이 되었다.

제공 서비스

GPRS 연결을 통해 인터넷상의 위키백과 홈페이지를 보여주는 소니 에릭슨 K310a

GPRS는 GSM 회선 교환 데이터 기능을 확장하여 다음 서비스를 가능하게 한다.

GPRS 기반 SMS를 사용할 경우 분당 약 30개의 SMS 메시지를 전송할 수 있다. 이는 분당 약 6~10개의 메시지를 전송하는 GSM 기반 SMS보다 훨씬 빠른 속도이다.

주파수

GPRS 표준은 GSM 기능의 확장판이므로, 이 서비스는 2G 및 3G GSM 주파수 대역에서 작동한다. GPRS 기기는 일반적으로 해당 무선 통신이 지원하는 주파수 대역(850, 900, 1800, 1900 MHz) 내에서 하나 이상의 주파수를 사용할 수 있다. 기기, 위치, 용도에 따라 사용 가능한 주파수 대역이 제한되거나 명시될 수 있다.

GSM-850과 GSM-1900은 미국, 캐나다 및 기타 여러 미주 국가에서 사용된다. GSM-900과 GSM-1800은 유럽, 중동, 아프리카 및 대부분의 아시아 지역에서 사용된다. 남아메리카에서는 코스타리카(GSM-1800), 브라질(GSM-850, 900, 1800), 과테말라(GSM-850, 900, 1900), 엘살바도르(GSM-850, 900, 1900) 등에서 이러한 대역이 사용된다. 국제 셀룰러 서비스 주파수 할당에 대한 더 포괄적인 기록이 존재한다.

지원 프로토콜

GPRS는 다음 프로토콜을 지원한다.

TCP/IP가 사용될 때 각 휴대 전화는 하나 이상의 IP 주소를 할당받을 수 있다. GPRS는 핸드오버 중에도 IP 패킷을 저장하고 전달한다. TCP는 손실된 모든 패킷을 재전송한다.

하드웨어

GPRS 지원 기기는 다음과 같은 세 가지 등급으로 분류된다.

Class A
GPRS 서비스와 GSM 서비스(음성, SMS)를 동시에 연결할 수 있음.
Class B
GPRS 서비스와 GSM 서비스(음성, SMS)에 연결할 수 있으나, 한 번에 하나만 사용 가능. GSM 서비스(음성 통화 또는 SMS) 중에는 GPRS 서비스가 일시 중단되었다가 GSM 서비스가 종료된 후 자동으로 재개됨. 대부분의 GPRS 모바일 기기는 Class B임.
Class C
GPRS 서비스 또는 GSM 서비스(음성, SMS) 중 하나에만 연결되며, 서비스 간에 수동으로 전환해야 함.

Class A 기기는 GPRS와 GSM 네트워크를 함께 서비스해야 하므로 사실상 두 개의 무선 모듈이 필요하다. 이러한 하드웨어 요구 사항을 피하기 위해 GPRS 모바일 기기는 듀얼 전송 모드(DTM) 기능을 구현할 수 있다. DTM을 지원하는 모바일 기기는 네트워크 조정과 함께 GSM 패킷과 GPRS 패킷을 모두 처리하여 두 유형의 데이터가 동시에 전송되지 않도록 보장한다. 이러한 기기는 '단순 Class A'라고 불리는 의사(pseudo)-Class A로 간주된다.

화웨이 E220 3G/GPRS 모뎀
노트북 컴퓨터용 PC 카드 GPRS 모뎀

USB 3G/GPRS 모뎀은 V.42bis 및 RFC 1144 데이터 형식을 갖춘 USB 기반의 단말기 인터페이스를 가지고 있다. 일부 모델에는 외부 안테나 커넥터가 포함되어 있다. 노트북 PC용 모뎀 카드나 외장 USB 모뎀을 사용할 수 있으며, 형태와 크기는 마우스나 USB 메모리와 유사하다.

주소 지정

GPRS 연결은 액세스 포인트 이름(APN)을 참조하여 설정된다. APN은 WAP, SMS, MMS와 같은 서비스나 전자우편 및 월드 와이드 웹 접속과 같은 인터넷 서비스를 정의한다.

모바일 브로드밴드 모뎀을 위한 GPRS 연결을 설정하려면 사용자는 네트워크 사업자가 제공하는 APN과 선택적으로 사용자 이름 및 비밀번호를 지정해야 하며, IP 주소는 매우 드물게 요구된다.

코딩 방식 및 속도

GPRS에서 달성 가능한 업로드 및 다운로드 속도는 다음과 같은 요소에 따라 달라진다.

다중 접속 방식

GSM과 GPRS에서 사용하는 다중 접속 방식은 주파수 분할 이중 방식(FDD)과 TDMA를 기반으로 한다. 세션 중에 사용자는 업링크 및 다운링크 주파수 채널 쌍 하나를 할당받는다. 이는 여러 사용자가 동일한 주파수 채널을 공유할 수 있게 하는 시간 영역 통계적 다중화와 결합된다. 패킷은 GSM 타임슬롯에 해당하는 일정한 길이를 갖는다. 다운링크는 선입선출 패킷 스케줄링을 사용하며, 업링크는 예약 ALOHA(R-ALOHA)와 매우 유사한 방식을 사용한다. 이는 경합 단계 동안의 예약 질의에 slotted ALOHA(S-ALOHA)를 사용하고, 그 후 실제 데이터를 동적 TDMA와 선입선출 방식으로 전송함을 의미한다.

채널 코딩

GPRS의 채널 코딩 과정은 두 단계로 구성된다. 첫째, 순환 코드를 사용하여 블록 체크 시퀀스라고도 하는 패리티 비트를 추가하고, 이어서 펑처링(puncturing)된 컨볼루션 부호를 사용하여 코딩한다. 코딩 방식 CS-1에서 CS-4는 순환 코드에 의해 생성되는 패리티 비트 수와 컨볼루션 부호의 펑처링 비율을 지정한다. CS-1에서 CS-3까지는 컨볼루션 부호의 비율이 1/2이다. 즉, 각 입력 비트가 두 개의 코딩된 비트로 변환된다. CS-2 및 CS-3에서는 컨볼루션 부호의 출력을 펑처링하여 원하는 부호율을 달성한다. CS-4에서는 컨볼루션 코딩이 적용되지 않는다. 다음 표는 옵션을 요약한 것이다.

GPRS
코딩 방식		 RLC/MAC 오버헤드를 포함한 비트레이트
(kbit/s/슬롯)		 RLC/MAC 오버헤드를 제외한 비트레이트
(kbit/s/슬롯)		 변조 부호율
CS-1 9.20 8.00 GMSK 1/2
CS-2 13.55 12.00 GMSK ≈2/3
CS-3 15.75 14.40 GMSK ≈3/4
CS-4 21.55 20.00 GMSK 1
  1. ↑ RLC/MAC 계층 프로토콜 데이터 단위(PDU)(무선 블록)이 전송되는 속도이다. TS 44.060 섹션 10.0a.1에 나타난 바와 같이, 무선 블록은 MAC 헤더, RLC 헤더, RLC 데이터 단위, 예비 비트로 구성된다. RLC 데이터 단위는 페이로드를 나타내며 나머지는 오버헤드이다. 무선 블록은 특정 코딩 방식을 위해 지정된 컨볼루션 부호로 코딩되어 모든 코딩 방식에 대해 동일한 PHY 계층 데이터 속도를 산출한다.
  2. ↑ 다양한 출처(예: TS 45.001 표 1)에서 인용됨. 이는 RLC/MAC 헤더를 포함하지만, MAC 헤더의 일부인 업링크 상태 플래그(USF)는 제외한 비트레이트로, 0.15 kbit/s 더 낮은 비트레이트를 산출한다.
  3. ↑ 여기의 순수 비트레이트는 RLC/MAC 계층 페이로드(RLC 데이터 단위)가 전송되는 속도이다. 따라서 이 비트레이트에는 RLC/MAC 계층의 헤더 오버헤드가 포함되지 않는다.

가장 견고하지 않지만 가장 빠른 코딩 방식(CS-4)은 기지국 근처에서 사용 가능하며, 가장 견고한 코딩 방식(CS-1)은 이동국(MS)이 기지국에서 멀리 떨어져 있을 때 사용된다.

CS-4를 사용하면 타임슬롯당 20.0 kbit/s의 사용자 속도를 달성할 수 있다. 그러나 이 방식을 사용하면 셀 커버리지가 정상 수준의 25%로 줄어든다. CS-1은 타임슬롯당 8.0 kbit/s의 사용자 속도만 달성할 수 있지만 98%의 커버리지를 제공한다. 최신 네트워크 장비는 모바일 위치에 따라 전송 속도를 자동으로 조정할 수 있다.

GPRS 외에도 CSD(Circuit Switched Data)와 HSCSD(High-Speed Circuit-Switched Data)라는 두 가지 다른 GSM 기술이 데이터 서비스를 제공한다. GPRS의 공유 특성과 대조적으로, 이들은 전용 회선을 설정한다(보통 분당 요금 부과). 영상 통화와 같은 일부 애플리케이션은 종단 간 데이터 흐름이 지속될 때 HSCSD를 선호할 수 있다.

다음 표는 GPRS 및 회선 교환 데이터 서비스의 가능한 구성을 요약한 것이다.

기술 다운로드 (kbit/s) 업로드 (kbit/s) 할당된 TDMA 타임슬롯 (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 (Class 8 & 10 및 CS-4) 4+1
GPRS 64.2 42.8 (Class 10 및 CS-4) 3+2
EGPRS (EDGE) 236.8 59.2 (Class 8, 10 및 MCS-9) 4+1
EGPRS (EDGE) 177.6 118.4 (Class 10 및 MCS-9) 3+2

멀티슬롯 클래스

멀티슬롯 클래스는 업링크 및 다운링크 방향에서 사용 가능한 데이터 전송 속도를 결정한다. 이는 네트워크가 업링크 및 다운링크 방향으로 무선 채널을 할당하는 데 사용하는 1에서 45 사이의 값이다. 31보다 큰 값을 갖는 멀티슬롯 클래스는 고속 멀티슬롯 클래스라고 한다.

멀티슬롯 할당은 예를 들어 5+2와 같이 표시된다. 첫 번째 숫자는 다운링크 타임슬롯 수이고 두 번째 숫자는 이동국이 사용할 수 있도록 할당된 업링크 타임슬롯 수이다. 많은 GPRS/EGPRS 모바일 기기에서 일반적으로 사용되는 Class 10은 다운링크 방향으로 최대 4개의 타임슬롯을, 업링크 방향으로 2개의 타임슬롯을 사용한다. 그러나 동시에 업링크와 다운링크 모두에서 최대 5개의 타임슬롯을 사용할 수 있다. 네트워크는 데이터 전송 성격에 따라 3+2 또는 4+1 작동 방식으로 자동으로 구성된다.

일반적으로 UMTS도 지원하는 일부 고급 모바일 기기는 GPRS/EDGE 멀티슬롯 클래스 32도 지원한다. 3GPP TS 45.002 (Release 12), 표 B.1에 따르면, 이 클래스의 이동국은 다운링크에서 5개의 타임슬롯, 업링크에서 3개의 타임슬롯을 지원하며 최대 6개의 타임슬롯을 동시에 사용할 수 있다. 데이터 트래픽이 다운링크 방향에 집중되면 네트워크는 연결을 5+1 방식으로 구성한다. 업링크에서 더 많은 데이터가 전송되면 네트워크는 언제든지 구성을 4+2 또는 3+3으로 변경할 수 있다. 최상의 수신 조건, 즉 최적의 EDGE 변조 및 코딩 방식을 사용할 수 있는 경우, 5개의 타임슬롯은 5*59.2 kbit/s = 296 kbit/s의 대역폭을 전달할 수 있다. 업링크 방향에서는 3개의 타임슬롯이 3*59.2 kbit/s = 177.6 kbit/s의 대역폭을 전달할 수 있다.

GPRS/EGPRS용 멀티슬롯 클래스

멀티슬롯 클래스 다운링크 TS 업링크 TS 활성 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

멀티슬롯 클래스의 속성

각 멀티슬롯 클래스는 다음을 식별한다.

  • 업링크에 할당될 수 있는 최대 타임슬롯 수
  • 다운링크에 할당될 수 있는 최대 타임슬롯 수
  • 네트워크가 이동국에 할당할 수 있는 총 타임슬롯 수
  • 이동국이 인접 셀 신호 레벨 측정을 수행하고 전송 준비를 완료하는 데 필요한 시간
  • 이동국이 전송 준비를 완료하는 데 필요한 시간
  • 이동국이 인접 셀 신호 레벨 측정을 수행하고 수신 준비를 완료하는 데 필요한 시간
  • 이동국이 수신 준비를 완료하는 데 필요한 시간.

다양한 멀티슬롯 클래스 사양은 3GPP TS 45.002(무선 경로에서의 다중화 및 다중 접속)의 부록 B에 자세히 설명되어 있다.

사용성

2003년에 제공된 GPRS 연결의 최대 속도는 아날로그 유선 전화 네트워크의 모뎀 연결과 비슷한 약 32–40 kbit/s였다. 레이턴시가 매우 높으며, 왕복 시간(RTT)은 일반적으로 약 600–700 ms이고 종종 1초에 도달하기도 한다. GPRS는 일반적으로 음성보다 우선순위가 낮으므로 연결 품질이 크게 변동된다.

레이턴시/RTT 개선(예: 확장 UL TBF 모드 기능 사용)을 지원하는 기기가 일반적으로 이용 가능하다. 또한 특정 사업자에서 네트워크 기능 업그레이드를 제공하고 있다. 이러한 개선을 통해 활성 왕복 시간을 단축하여 애플리케이션 수준의 스루풋 속도를 크게 높일 수 있다.

역사

GSM은 데이터가 아닌 음성을 위해 설계되었다. 인터넷에 대한 직접적인 접속을 제공하지 않았으며 초당 9600비트의 제한된 용량을 가졌다. CSD의 제한 사항에는 높은 비용도 포함되었다. 최초의 상용 GPRS 서비스는 2000년 영국 BT 셀넷(O2(영국)) 네트워크에서 GSM 네트워크에 내장된 패킷 교환 데이터 서비스로 시작되었다. GPRS는 전 세계 모바일 단말기를 연결하여 고정 인터넷의 범위를 확장한다.

GPRS는 이전의 셀룰러 디지털 패킷 데이터(CDPD) 및 I-모드 패킷 교환 셀룰러 기술에 대응하여 유럽 전기 통신 표준 협회(ETSI)에 의해 확립되었으며, GSM Release 97 및 이후 릴리스에 통합되었다. 현재는 3GPP에 의해 유지 관리된다.

1991~1993년에 개발된 CELLPAC 프로토콜은 1993년 ETSI SMG에서 표준 GPRS 사양을 시작하게 된 계기가 되었다. 특히 1993년 ETSI 워크숍 기여 자료에서 소개된 CELLPAC 음성 및 데이터 기능은 나중에 GPRS의 뿌리로 알려지게 된 내용을 예견하고 있었다. 이 워크숍 기여 자료는 22개의 GPRS 관련 미국 특허에서 참조되고 있다. W-CDMA(UMTS) 및 LTE와 같은 GSM/GPRS의 후속 시스템은 CELLPAC에서 도입한 모바일 인터넷 접속을 위한 핵심 GPRS 기능에 의존한다.

GPRS 개발 역사에 관한 연구에 따르면, 베른하르트 발케와 그의 제자 페터 데커가 전 세계 모바일 인터넷 접속을 제공하는 최초의 시스템인 GPRS의 발명가이다.

향상된 GPRS

이 문단은 다음의 발췌 내용입니다: EDGE.[편집]

EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution, Enhanced Data rates for Global Evolution), EGPRS(Enhanced GPRS), IMT-SC(IMT Single Carrier)는 GSM의 하위 호환 확장으로서 데이터 전송 속도를 개선시킨 디지털 휴대전화 기술이다. EDGE는 3G 이전 무선 기술로 간주되며 ITU의 3G 정의의 일부이다. EDGE는 2003년 초 GSM망에 적용되었으며 미국에서 처음으로 싱귤러(현재의 AT&T)가 시초이다.

EDGE는 3GPP에 의해서도 GSM 계열의 일부로서 표준화되어 있다. 변종의 하나인 이른바 콤팩트-EDGE(Compact-EDGE는 디지털 AMPS 네트워크 스펙트럼의 일부로 사용하기 위해 개발되었다.

데이터의 부호화 및 전송의 복잡한 방식의 도입을 통해 EDGE는 무선 채널 당 더 높은 비트레이트를 전달할 수 있게 되었으며 일반적인 GSM/GPRS 연결 대비 용량과 성능이 3배 증가하였다.

EDGE는 인터넷 연결 등 패킷 스위치를 하는 애플리케이션에 사용이 가능하다.

같이 보기

각주

  1. ↑ “Is General Packet Radio Service (GPRS) 2G, 3G or 4G? – Commsbrief” (미국 영어). 2023년 7월 16일에 확인함.
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  4. ↑ 《Backgrounds regarding data transmission in GSM and UMTS mobile networks for Sunny WebBox / Sunny Boy Control》 (PDF) (기술 보고서). SMA Solar Technology AG. GSM_UMTS-UEN084111. 2025년 8월 15일에 확인함.
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  24. ↑ Program "Publish or Perish", see returns to a search for P. Decker, B. Walke, their most cited paper that unveils US patents referencing that paper.
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  26. ↑ “Archived copy” (PDF). 2009년 3월 6일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2011년 5월 10일에 확인함.
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  28. ↑ ETSI SMG2 99/872