GPRS - Si busca información sobre el proyecto de Clusters, el

Transcripción

Comunicaciones Inalámbricas
GPRS
Iván Bernal, Ph.D.
[email protected]
Quito – Ecuador
Copyright @2007, I. Bernal
Agenda
•
Generalidades
•
Capacidad
•
Dispositivos
•
Nodos
•
Contexto PDP
•
Arquitectura
•
Implementación
•
Interfaces y protocolos
•
Canales físicos
•
Codificación
•
g
de canales
Asignación
•
Canales lógicos
•
Estados del móvil
•
Servicios
•
Generalidades de EDGE
Revisión Julio 2007
Iván Bernal, Ph.D.
2
1
Bibliografía
•
A. Miceli, “Wireless Technician’s Handbook”, 2nd Edition, Artech House,
2003.
•
T.S. Rappaport, “Wireless Communications: Principles & Practice”,
Prentice Hall.
Hall
•
•
First Edition: 1995.
Second Edition: 2001.
•
Transparencias de Jouko Kurki
•
Transparencias SSR (UPM)
•
Otros
•
http://www.gsmworld.com
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3
GPRS
• General Packet Radio Service
• 1995: Se inicia el proceso de estandarización
• 1997: Se publica el Release 97 de GSM que incluye GPRS
• 1999: Se realizan pruebas en primeras redes GSM/GPRS
• 2001: Entran en funcionamiento comercial redes GPRS (Ejemplo:
en España).
Primeros servicios: WAP, Internet.
Primer terminal disponible en grandes cantidades: Motorola Timeport 260
• 2003: Gran variedad de terminales y servicios (juegos Java, MMS)
Comienza el éxito comercial.
Unas 200 redes comerciales a nivel mundial
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GPRS
• En su forma mas simple, GSM maneja comunicaciones de voz y datos sobre conexiones
basadas en conmutación de circuitos.
HSCSD fue una implementación de transmisión de datos por conmutación de circuitos en canales GSM, pero
las velocidades bajas (hasta 14.4 kbps por slot, combinando slots se puede llegar hasta 64 kbps por usuario) y
la naturaleza de la conmutación de circuitos no la hicieron una opción viable para aplicaciones de datos a
altas velocidades.
• GPRS es una extensión de GSM que permite a los abonados enviar y recibir datos sobre
conexiones basadas en conmutación de paquetes.
• El uso de GPRS es particularmente apropiado para aplicaciones con las siguientes
características:
Tipo ráfaga (bursty)
Transmisión frecuente de volúmenes pequeños de datos
Transmisión
T
i ió infrecuente
i f
t de
d volúmenes
lú
grandes
d de
d d
datos
t
• Usualmente, estas aplicaciones no requieren comunicarse de forma permanente.
En consecuencia, la reservación continua de recursos para establecer una conexión con conmutación de
circuitos no es una forma eficiente de explotar los limitados recursos de radio.
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GPRS
• El concepto básico detrás de la transmisión basada en paquetes de GPRS,
radica en su habilidad de permitir que las aplicaciones seleccionadas compartan
los recursos de radio, asignando los recursos de radio para transmisión,
solamente cuando las aplicaciones tienen datos a transmitir.
• Una vez que los datos se transmiten, los recursos de radio se liberan para que
sean utilizados por otra aplicación.
De esta manera, los recursos escasos de radio se usan de forma más eficiente.
• GPRS permite que se asignen más recursos de radio a una conexión basada en
paquetes que a una conexión basada en circuitos en GSM.
GSM
Una conexión basada en paquetes usualmente alcanza velocidades de transmisión más altas
(hasta 171.2 Kbps), utilizando configuraciones multi-ranura para los enlaces de subida y
bajada.
Existen 29 clases que combinan hasta 8 ranuras en el enlace de subida y 8 en el de bajada.
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GPRS – capacidad multiranura
• Por ejemplo, una estación móvil de Clase 6 puede
tener máximo tres ranuras asignadas al enlace de
bajada, y un máximo de dos asignados al de subida.
Solo pueden tenerse cuatro ranuras activas a la vez para los
enlaces de subida y bajada
bajada.
• La capacidad de cada ranura depende de la
codificación de canal utilizada.
Se tienen cuatro esquemas disponibles, con diferentes niveles
de protección contra errores, y son seleccionados,
típicamente, de acuerdo a la calidad del ambiente en el que se
va a operar.
• GPRS puede ofrecer conexiones ‘‘always on’’
El tiempo de establecimiento de la conexión es prácticamente
instantáneo, por lo que el usuario percibe que está siempre
conectado.
¾ En lugar de primero tener que establecer un circuito
cada vez que se necesite enviar o recibir datos.
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GPRS – capacidad multiranura
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GPRS
• Cualquier ranura puede asignarse a GSM o GPRS.
A menos que haya sido preasignado de forma permanente, lo cual no es muy eficiente.
Es mejor asignación dinámica.
• Asignaciones híbridas permiten tener preasignadas algunas ranuras GSM y
otras GPRS, y luego basados en la necesidad se puede cambiar y asignar a
GSM o GPRS.
• Servicios de voz siempre tienen precedencia.
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GPRS – Dispositivos (MSS)
• Arquitectura
Una MS en GPRS se categoriza de acuerdo a sus capacidades para soportar diferentes modos de operación
simultáneamente para GSM y GPRS.
Clase A
¾ La MS soporta uso simultáneo de servicios GSM y GPRS (registro, activación, asociación, monitoreo,
transmisión de voz y paquetes, etc.).
¾ La MS puede establecer o recibir llamadas en los dos servicios simultáneamente.
¾ La alta complejidad de diseño de dispositivos clase A, los hace prohibitivamente caros de producir;
por lo tanto, estos dispositivos no están típicamente disponibles para el mercado común.
Clase B
¾ La MS puede estar registrada y activada simultáneamente a ambos servicios, GSM y GPRS.
¾ Pero la MS no soporta tráfico simultáneo sino de forma secuencial, puede operar solo en uno de ellos
a la vez.
Clase C
¾ La MS solo se registra y soporta ya sea el servicio GSM o GPRS de forma alternativa (no los dos al
mismo tiempo).
¾ La MS puede ser sólo para GPRS.
¾ Antes de establecer o recibir una llamada en uno de estos servicios, la MS debe asociarse
explícitamente al servicio deseado (generalmente al momento de concretar la suscripción).
9 Puede que se soporte GPRS y GSM conmutando manualmente cada servicio.
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GPRS – Dispositivos (MSS)
• Los dispositivos terminales GPRS requieren adecuaciones en diversos aspectos para el
uso de datos con movilidad:
Pantallas a color de alta resolución
Navegación por íconos
Sistemas operativos
Programas
P
potentes
t t y compatibles
tibl
• Ejemplos de Sistemas Operativos
Pocket PC
¾ De Microsoft (evolución de Windows CE)
¾ Incorpora el navegador IE y Office
¾ Ejemplo: Mitsubishi Mondo y el SAGEM WA3050
Palm OS
¾ Del fabricante de PDAs Palm
¾ Gran aceptación y gran número de aplicaciones
¾ Ejemplo: GSM Handspring Treo 270
EPOC
¾ Del consorcio Symbian (Ericsson, Nokia, IBM, otros).
¾ Ejemplo: Nokia 9210i y el P800 de Sony-Ericsson
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GPRS
• La facturación no se realiza por tiempo de conexión sino por volumen de información
intercambiada.
Los tiempos de espera o los dedicados a leer una página no le cuestan nada al cliente.
• GPRS mejora servicios existentes como:
Acceso a WAP
Acceso a Internet e Intranets
Descarga de aplicaciones Java
Servicios basados en localización
Posicionamiento GPS
etc.
• GPRS posibilita nuevos servicios como:
Mensajería Multimedia MMS
Mensajería Instantánea IM (como Messenger)
i-mode
i mode
etc.
•
GPRS posibilita el desarrollo de aplicaciones específicas como.
Pagos con tarjetas de crédito (TPV)
Domótica
Peajes
etc.
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GPRS
• Antes que una MS pueda acceder a los servicios GPRS, debe ejecutar un
procedimiento de asociación para indicar su presencia a la red.
Luego, la MS utiliza un procedimiento denominado “Contexto de Activación PDP (Packet Data
Protocol)” para poder transmitir o recibir datos.
• El interfaz de aire GPRS es idéntico al de la red GSM (igual modulación,
bandas de frecuencia y estructura de tramas).
GPRS está basado en un BSS (Base Station Subsystem) GSM evolucionado.
• La red de core de GPRS está basada en un subsistema de red GSM en el cual se
han integrado dos elementos de red adicionales:
Serving GPRS Support Nodes
Gateway GPRS Support Nodes
• Además, EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) puede soportarse
para mejorar el rendimiento de GPRS, introduciendo un esquema mejorado de
modulación.
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GPRS - Nodos
• Serving GPRS Support Node (SGSN)
Está conectado a uno o más BSS (es el nodo de conmutación de paquetes al mismo nivel jerárquico de
una MSC).
¾ Conectado también a MSC, HLR, BSC, GGSN, SMS-C.
Opera como un router para los paquetes de datos para todas las MSs presentes en un área geográfica.
¾ Entrega de paquetes de datos hacia y desde la MS dentro de su área de servicio.
¾ Enrutamiento de los datos al GGSN relevante cuando se requiere una conexión a una red externa
(toda conexión intra-network MS a MS también debe ser hecha por medio del GGSN)
Administración de la movilidad
¾ Seguimiento de la ubicación de la MS . Se almacena:
9 VLR actual (de GPRS)
9 Perfil del usuario (consultando a la HLR)
9 Contexto
C t t PDP
Realiza funciones de seguridad, de control de acceso y facturación
¾ Funciones para asociarse y desasociarse (attach/detach)
¾ Autenticación y encripción.
Conversión de Protocolos entre el backbone IP y los protocolos usados en el BSS y en la MS.
Recolección de datos para facturación y estadísticas de tráfico.
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GPRS - Nodos
• Gateway GPRS Support Node (GGSN)
Provee el punto de asociación entre el dominio GPRS y otras redes de datos
tales como el Internet, ISPs y redes e intranets corporativas.
¾ Usando la interfaz Gi.
¾ Interfaces a redes IP (IPv4 e IPv6) y X.25 están especificadas en el estándar GPRS.
Traducción de direcciones de los paquetes entrantes a direcciones GSM y de
las que recibe desde el SGSN a las de la red externa.
¾ Puede traducir formatos, protocolos de señalización y direcciones para permitir
comunicación entre redes diversas.
¾ IP (NAT).
Encapsulación/desencapsulación de paquetes.
• Otros elementos presentes:
Servidores DHCP, DNS, firewalls.
Servidor RADIUS para la autenticación
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GPRS
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GPRS
• Una unidad móvil GPRS trabaja de forma muy similar a una unidad GSM.
• La red se divide en áreas de enrutamiento (RA=Routing Area) que son
simplemente grupos (clusters) de celdas.
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GPRS
• El móvil escanea todas las celdas durante sus periodos libres, buscando
continuamente la mejor celda para transmitir y recibir, y cambiándose a la
mejor celda conforme se requiera.
• Para contactar a un móvil, el proceso de paging trabaja de forma similar a lo
que se hace en GSM para llamadas de voz.
• En el backhaul, el BSC enruta los datos a través de un SGSN.
• Una vez que se asigna el servicio de datos al móvil, es la tarea de un SGSN el
realizar el seguimiento de la ubicación del móvil dentro de la red y asegurarse
de que el móvil sea autenticado y reciba el nivel correcto de calidad de servicio.
• El GGSN realiza el interfaz con el mundo de datos externo.
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GPRS – Contexto PDP
• El GGSN tiene una dirección (PDP address) en la red
pública de paquetes.
PDP- packet-data protocol
PDP address: IP ó X.25
• La red, a través
é del SGSN,
SGS puede enrutar datos a
móviles específicos.
La PLMN GPRS asigna a los móviles su propia dirección
PDP address.
• El GGSN parece frente a la red pública de paquetes
como un gateway común, escondiendo el hecho de que
los usuarios son en realidad móviles.
Este gateway puede servir también de firewall,
escondiendo también a los móviles de la red
externa.
• Dirección PDP válido para una sesión.
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• Entonces, para tx/rx datos, un móvil primero debe auto-asociarse
(attach itself) a un SGSN y activar su dirección PDP.
El proceso de activación involucra que un GGSN asigne una dirección PDP
al móvil (el GGSN está asociado al SGSN).
El registro de estas asociaciones suele denominarse Contexto PDP (PDP
Context).
¾El contexto incluye al menos:
9Dirección PDP (IP u otras direcciones)
9Tipo PDP (ej. IPv4, IPv6, X.25)
9Clase de QoS requerido
9Dirección del GGSN (APN-Access
(APN Access Point Name)
¾El contexto se almacena en la MS, el SGSN y el GGSN.
Un móvil puede asociarse solo a un SGSN al mismo tiempo, pero puede
recibir datos de múltiples GGSNs usando múltiples direcciones PDP.
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a) El móvil envía un mensaje de
“Activate PDP Context Request” que
incluye el APN, QoS solicitada,
dirección PDP si el direccionamiento
es estático y los parámetros opcionales
de configuración (usuario,
(usuario clave etc.).
etc )
b) Funciones de seguridad.
c)
El SGSN consulta al DNS por el APN
recibido para averiguar a que GGSN
debe enviar la solicitud.
d) El SGSN envía la petición al GGSN.
e))
El GGSN valida
lid all usuario
i y lle asigna
i
una dirección PDP (IP) si el
direccionamiento es dinámico.
f)
El SGSN envía todos los parámetros al
terminal en un mensaje de “Activate
PDP Context Accept”
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Routing
BSC
BTS
BSC
BTS
SGSN
SGSN
MS
PLMN1
Intra-PLMN
GPRS Backbone
Inter-PLMN
GPRS Backbone
Gn
Gn
Intra-PLMN
GPRS Backbone
Gp
Border
Gateway
PLMN2
Border Gateway
Gn
GGSN
SGSN
Gi
Packet Data Network(PDN)
Eg.Internet,Intranet
GGSN
Router LAN Host
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GPRS
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GPRS - puntualizaciones
• En general, se tienen relaciones muchos a muchos (many to many) entre los
SGSNs y los GGSNs.
Un GGSN es el interfaz para varias SGSNs.
Una SGSN hace el enrutamiento de los paquetes a varias GGSNs.
• Todos los GSNs están conectados mediante el backbone GPRS basado en IP.
Las GSNs encapsulan los paquetes usando GTP (GPRS Tunneling Protocol).
• El HLR tiene un enlace a la SGSN actual del usuario.
La SGSN informa de la posición actual de la MS a la HLR usando la interfaz Gr.
El HLR también almacena el perfil GPRS específico del usuario y las direcciones
PDP.
¾ El Contexto PDP se almacena también en la MS, el SGSN y el GGSN.
Cuando la MS se registra con una nueva SGSN, la HLR enviará el perfil del usuario
a la nueva SGSN.
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GPRS - puntualizaciones
• El MSC/VLR puede extenderse con funciones que coordinan las
actividades entre GSM y GPRS.
Actualizaciones de ubicación combinadas y procedimientos de asociación.
P did de
Pedidos
d paging
i a GSM pueden
d realizarse
li
mediante
di t la
l SGSN usando
d lla
interface Gs entre el SGSN y el MSC/VLR.
• La interfaz Gd interconecta el SMS-GMSC (SMS Gateway MSC)
con el SGSN y luego es posible intercambiar SMSs mediante
GPRS.
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GPRS – Una implementación
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• BG (Border Gateway)
Nodo gateway (router) que puede proveer un túnel GPRS directo entre redes GPRS
de operadores diferentes por medio de una red de datos inter-PLMN (backbones
GPRS).
¾ En lugar de transferir los datos entre operadores por medio de la red pública Internet
Internet.
• CG (Charging Gateway)
Recoge los CDRs (Call Detailed Records) generados por los SGSNs y GGSNs de
manera que los consolida y pre-procesa antes de enviarlos al sistema de tarificación
(Billing System).
• DNS (Domain Name System)
Realiza la traducción de nombres lógicos de dominio a direcciones IP que permitan
direccionar los nodos GSN.
El servidor de DNS es gestionado por el operador GPRS.
¾ Si fuera necesario, podrían utilizarse los servicios de otros DNS ajenos al operador.
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• FW (Firewalls)
Sistema o un conjunto combinado de sistemas que crean una barrera de seguridad entre dos
redes.
Impedir a usuarios externos a la red GPRS el acceso a los nodos de red.
•
LIG (Lawful Interception Gateway)
Gateway de intercepción legal en la cual se almacena tráfico de usuarios bajo sospecha durante
un periodo temporal.
Puede ser consultada por la autoridad, previa autorización judicial.
• Intra-PLMN
Permite a los SGSNs y GGSNs de un operador
p
comunicarse entre sí.
Red IP privada
¾ Usa direcciones IP privadas.
• Inter-PLMN
Permite a los SGSNs y GGSNs de varios operadores comunicarse unos con otros.
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GPRS
(PCU)
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GPRS--Interfaces
GPRS
• La capa RF (capa 1) administra el enlace físico entre el móvil y la BTS.
• Se divide en dos subcapas:
Capa física RF (RFL - Physical RF layer )
¾ Incluye modulación y demodulación (GMSK(GPRS) – EDGE(8PSK))
Capa Enlace Física (PLL - Physical Link Layer)
¾ Administra la información requerida para el canal físico
9 Detección y Corrección de errores
9 Codificación de canal
9 Interleaving
9 Reportes de mediciones
9 Control de potencia
9 Selección de la celda
¾ Handoffs no ocurren en el sentido tradicional en GPRS
9 No hay circuito para el cual hacer handoff.
9 Los sitios hacia los cuales transmitir y recibir se seleccionan antes de la transmisión de
paquetes.
9 La MS solicita re-selección de la celda y los paquetes se enrutan a la nueva celda.
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GPRS
• Data Link Layer incluye:
LLC (entre MS y SGSN )
RLC/MAC (entre MS y BSS)
• RLC (R
(Radio
di Link
Li k Control)
C t l)
Proporciona un enlace de radio confiable.
Responsable de control de errores BEC mediante retransmisión selectiva (ARQ).
¾ Con ventana de transmisión y recepción.
• MAC (Medium Access Control)
Controla el acceso a los p
procedimientos de señalización (petición
p
y asignación)
g
de los
canales de radio compartidos por las MSs.
Gestión de la asignación (mapping) de tramas LLC sobre canales físicos de la trama GSM.
Formatean las tramas de datos desde y hacia la capa superior LLC.
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GPRS
• LLC (Logical Link Layer)
Proporciona un enlace lógico fiable entre la MS y el SGSN.
¾ El móvil está asociado al SGSN a través de la capa LLC.
¾ Enlace encriptado entre la MS y el SGSN.
Incluye:
¾ Propia detección de errores
¾ Control de secuencia y retransmisiones
¾ Control de flujo
¾ En este enlace ocurre la autenticación en el SGSN.
9 En GSM se realizaba en el BSS.
TLLI (Temporary Logical Link Identifier) identifica de forma única al móvil, en este
caso para la
l capa LLC.
LLC
¾ En GSM, el identificador de voz era el IMSI.
Esta capa permite la convergencia fácil entre tecnologías inalámbricas.
¾ Si se estandarizan los paquetes LLC para varios formatos 3G.
¾ Un SGSN debería interoperar con GPRS, EDGE, UMTS y tal ves incluso CDMA2000.
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GPRS
• Interfaz Gb (Transporta el tráfico GPRS y la señalización entre el BSS y la red
GPRS)
BSSGP (BSS GPRS Protocol )
¾ Capa específica de GPRS para mantener la comunicación, gestión, control de flujo, reparto de carga ,
etc entre BSS y SGSN
etc.
¾ Proporciona información de encaminamiento, QoS y capacidades de acceso radio de los móviles para
la transmisión de datos de usuario entre BSS y SGSN
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GPRS
• Interfaz Gb
PCU (Packet Control Unit)
¾ Se requiere una nueva tarjeta PCU en el BSC
9 Implementar la interfaz Gb y los protocolos RLC/MAC en el BSS.
9 Reserva y gestión de los recursos radio de GPRS y del establecimiento de las conexiones radio
GPRS.
9 Transferencia de datos GPRS y selección del tipo de codificación.
¾ Transforma el tráfico de datos del SGSN a un formato (PCU frame) que pueda ser tratado por el
BSS.
9 Similar a lo que hace el transcodificador (TRAU) para el tráfico por circuito conmutado.
9 Ambos tipos de tráfico pasan de forma transparente por el BSS.
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GPRS
• Interfaz Gb
NS (Network Service Protocol)
¾ La subcapa inferior, Frame Relay, proporciona el canal portador (bearer) para transferir
datos y señalización entre el BSS y el SGSN.
¾ La subcapa superior (Network Service Control) proporciona circuitos virtuales
permanentes para la transmisión de las unidades de datos suministradas por el nivel
superior y se encarga de controlar la congestión en el enlace ascendente, reparto de
carga y direccionamiento de datos asociando BTS con conexiones virtuales.
Capa física
¾ Enlaces PCM a 2 Mbps (uno o varios Frame Relay Bearer Channels)
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GPRS
• Plano de transmisión MS - SGSN
SNDCP (Subnetwork Dependent
• Plano de señalización entre MS y SGSN
GMM (GPRS Mobility Management)
¾ Gestiona la autenticación, selección del
Convergence Protocol)
algoritmo de encripción, movilidad y
¾ Se usa para transferir paquetes
roaming.
entre el SGSN y la MS
¾ Encargado de la segmentación y
SM (Session Management)
¾ Para la activación, desactivación y
reensamblado, compresión,
encripción y multiplexación en una
modificación de contextos PDP
única conexión virtual de los
mensajes de datos de usuario y de
control del nivel de red (IP, X.25).
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GPRS
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GPRS
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GPRS - Otras interfaces
• Interfaz Gn:
Permite comunicarse a SGSNs y GGSNs entre sí por medio del backbone Intra-PLMN.
Emplea GTP (GPRS Tunnelling Protocol) para llevar datos de usuario y señalización.
Configuraciones de canal físico: Ethernet, ATM, etc.
• Interfaz Gp:
Igual funcionalidad que Gn, pero junto a BG y firewall proporciona todas las funciones
necesarias en la conexión Inter-PLMN.
El stack de protocolos es igual al de Gn.
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• GTP (GPRS Tunnelling Protocol)
Los paquetes del usuario no se envían directamente sobre la capa IP de la interfaz
Gn sino que se encapsulan en paquetes GTP.
Se encarga de traspasar información de usuario y señalización a través del backbone
IP mediante
di t encapsulación
l ió de
d la
l misma,
i
ocultando
lt d a la
l red
d ell contenido
t id de
d los
l datos
d t
transferidos.
Corre sobre UDP/TCP.
Puede implementar control de flujo entre GSNs
¾ Se emplean túneles para cada usuario para llevar los datos.
¾ Cada túnel es identificado por un “tunnel endpoint identifier”
¾ GTP establece, utiliza, gestiona y libera los túneles.
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Cada router en el Internet entre el GGSN y el destino (en el Internet) toma
su decisión de enrutamiento para un paquete basándose en la dirección IP
de destino y su tabla de enrutamiento.
¾ Esto es eficiente debido a que la ubicación de la dirección de destino nunca o casi nunca
cambia y las tablas de enrutamiento pueden ser estáticas.
¾ Sin embargo, en una red GPRS, los abonados pueden cambiar su ubicación en cualquier
momento, por lo que el enrutamiento de paquetes debe ser flexible y dinámico.
Potencialmente, existen un gran número de routers entre el GGSN y el
SGSN, éstos deberían cambiar sus tablas de enrutamiento siempre que un
abonado cambie de ubicación (si se sigue la idea explicada arriba)
arriba).
¾ Para evitar esto, la red GPRS no usa las direcciones IP de la fuente y destino del paquete
del usuario.
¾ Se usan las direcciones IP de los SGSN y GGSN actuales para el proceso de
enrutamiento.
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Como consecuencia los paquetes de datos del usuario necesitan ser
encapsulados en paquetes GTP para poder enviarlos por un túnel
de forma transparente por la red GPRS.
¾ Si la ubicación del usuario cambia, lo único que debe hacerse en la
red core es informar al GGSN de la dirección IP del nuevo SGSN que
está ahora a cargo del abonado.
¾ La gran ventaja de esta solución es que solo el GGSN debe cambiar
su entrada de enrutamiento para el abonado.
¾ Todos los routers entre el GGSN y el SGSN usan sus tablas de
enrutamiento estáticas y no se requiere ninguna adaptación de estos
routers para GPRS.
Cuando el GGSN recibe un p
paquete
q
GTP enviado p
por un SGSN,
remueve todos los encabezados, incluyendo el encabezado GTP.
Luego de esto, el paquete IP original que queda es enrutado al
Internet a través de la interfaz Gi.
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• Interfaz Gs
Opcional
Para coordinar el envío de paging de GSM y GPRS a terminales clase A y B.
¾ Los avisos para llamadas entrantes GSM se envían en el mismo canal radio que el usado
para GPRS (en el PCCCH o PDTCH) y el móvil sólo monitoriza dicho canal.
Registro/des-registro combinado.
Actualización combinada de área de localización.
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SGSN
MSC/VLR
BSSAP
BSSAP
SCCP
SCCP
MTP3
MTP3
MTP2
MTP2
Phy Layer
Phy Layer
Gs
Signalling Plane
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SGSN
HLR(and EIR)
MAP
MAP
TCAP
TCAP
SCCP
SCCP
MTP3
MTP3
MTP2
MTP2
Phy Layer
Phy Layer
Gr
MAP
TCAP
SCCP
MTP
:Mobile Application Part
:Transaction capabilities and application part
:Signalling connection control part
:Message transfer part
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GPRS – Canales Físicos
• Para su operación, GPRS utiliza un nuevo canal físico: PDCH.
PDCH (Packet Data Channel)
• La ranura GPRS será idéntica a la ranura de voz de GSM, en términos de atributos
físicos.
El mismo perfil de potencia (burst).
Requerimientos de avances de tiempo para compensar por diferentes distancias entre la MS y
la BTS.
Se usa la misma modulación.
• Al igual que en GSM, también hay una versión de la ranura que transporta el RACCH.
Ahora es PRACH (Packet RACH).
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• Una multitrama es la manera como las ranuras de tiempo son planificados en GPRS.
Cada trama contiene 8 ranuras (cada una de 0.577ms) como en GSM.
La BTS asigna los canales PDCH a ranuras particulares (la 5 en el ejemplo).
En ciertos momentos, los canales PDCH están libres, lo que permite al móvil medir la señal de
las BTS vecinas.
¾ La ranura puede usarse por la BTS y el móvil para determinar el retardo, usando un canal lógico específico
denominado PTACT (Packet Timing Advance Control Channel).
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• La multitrama de 52 tramas es subdividida en 12 bloques que excluyen las tramas
utilizadas para temporización y las libres.
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GPRS – Codificación
• Los datos no requieren cuidados especiales para evitar largos retardos, como ocurre en
comunicación de voz.
• Que un transmisor tenga que reenviar datos porque la primera transmisión no fue
recibida es aceptable e incluso no será notado por el usuario.
• Algunas aplicaciones de datos si requieren transmisiones en tiempo real y no pueden
tolerar demasiadas retransmisiones.
Video Conferencia y juegos.
• Es posible tener una tasa muy alta, pero un throughput muy bajo, si muchos de los datos
necesitan ser reenviados.
Velocidad de transferencia=tasa a la cual se envían los datos, sin importar cuantos errores
pueden ocurrir en recepción.
Throughput= es la medición de los datos en realidad recibidos.
• Un operador tiene como un objetivo tratar de tener y ofrecer un throughput constante en
todas los lugares de servicio, como sea posible.
Un gran reto considerando los diversos ambientes RF (interferencia variable, cercanía a la BTS).
GPRS intenta mitigar el problema con codificación variable para protección de errores .
¾ Si el ambiente RF es bueno, se usa un esquema que permita máximo throughput, empleando poca
protección.
¾ Si el ambiente RF es malo, se usa codificación mas poderosa, que protejan mejor los datos.
Iván Bernal, Ph.D.
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•
CS=coding scheme
GPRS – Codificación
Iván Bernal, Ph.D.
51
GPRS - Codificación
• CS-1 usa codificación convolucional con tasa ½, resultando en una velocidad de
la carga útil de 9.05 Kbps o 181 bits en 20 ms.
• CS-2 usa codificación con tasa 2/3, resultando en una velocidad de la carga útil
d 13
de
13.4kbps
4kb o 269 bit
bits en 20 ms.
• CS-3 usa codificación con tasa 3/4, resultando en una velocidad de la carga útil
de 15.6kbps o 312 bits en 20 ms.
• CS-4 se usa en situaciones ideales cuando la relación S/I son óptimos.
No se usa codificación (1/1).
Resultando en una velocidad de la carga útil de 21.4kbps o 428 bits en 20 ms.
La máxima tasa de datos para una trama GPRS, asumiendo que todas las ranuras se
usan para datos de usuario:
9 8*21.4 kbps = 171.2kbps.
9 Caso en las ubicaciones y situaciones ideales ya que no hay corrección de errores.
Iván Bernal, Ph.D.
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GPRS - throughput
• Al igual que GSM, GPRS los datos se codifican de tal manera que
la salida sea un paquete de 456 bits cada 20 ms.
Dependiendo del “esquema de codificación” (CS-i), el paquete a
transmitirse tiene diferentes longitudes en su carga útil (181,
(181 268,
268 312 y 428
bits) en cada grupo de 456 bits.
Como en cada ranura de 0.577 ms se transmiten dos bloques de 57 bits de
información , se requiere cuatro ranuras para transmitir los 456 bits.
Iván Bernal, Ph.D.
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GPRS - throughput
• Finalmente, con todo lo mencionado, se concluye que los
throughputs máximos dependen de:
Esquema de codificación usado.
C
Cuantas
t ranuras se usan en cada
d ttrama.
Si las tramas se reciben correctamente y si se requiere retransmitirlas.
Iván Bernal, Ph.D.
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GPRS: Asignación de Canales
• En otros formatos se tienen, generalmente, diferentes canales físicos usados
para enviar y recibir diferente información de control.
• GPRS usa un canal FISICO, el PDCH.
El PDCH transporta
t
t paquetes
t de
d data
d t que han
h sido
id codificados
difi d y asignados
i
d a
ranuras par ser transmitidos.
• GPRS usa su propio conjunto de canales lógicos, asociados al PDCH.
Los canales GSM: SCH y FCCH también se usan en GPRS.
• En GPRS se comparten los canales entre usuarios.
Siempre disponible (no conexión) pero que no acapara el canal físico.
De aquí el concepto de paquete MAC (proceso de envío de mensajes en la forma de
paquetes).
Iván Bernal, Ph.D.
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• GPRS usa tres tipos de MODOS MAC:
Para controlar la transmisión desde el móvil: asignación fija, asignación dinámica, y asignación dinámica
extendida.
• Asignación Fija
Si una aplicación requiere una tasa de datos consistente.
Asigna un conjunto de PDCHs por un periodo fijo de tiempo.
Dado que el móvil tienen asignado el canal, no requiere monitorear el enlace reverso para chequear la
disponibilidad del canal.
¾ El móvil puede transmitir y recibir libremente.
Útil para aplicaciones que requieren velocidades constantes en tiempo real (videoconferencia).
Iván Bernal, Ph.D.
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• Asignación Dinámica
Permite que la red asigne las ranuras de tiempo
a un móvil de acuerdo a como las va necesitando.
Cada RANURA GPRS puede tener hasta 8
móviles asociados a ella.
¾ Un móvil sabe que puede transmitir en el
enlace reverso cuando reconoce un
identificador asignado a él, llamado USF
(Uplink Status Flag).
¾ Cuando el USF concuerda con el suyo, un
móvil sabe que la ranura en el sentido
reverso está libre para que pueda
transmitir.
• Asignación Dinámica Extendida
Permite la asignación de múltiples ranuras ,
usando el USF para que sepa que puede
transmitir.
Iván Bernal, Ph.D.
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GPRS – Canales Lógicos
• Al igual que en GSM, se agrupan en:
Comunes (muchos móviles usan los mismos canales para información, acceso y
paging).
Dedicados (el canal está dedicado específicamente a un móvil en un momento dado).
Hay un canal físico, el PDCH, al cual los canales lógicos se asignan.
Iván Bernal, Ph.D.
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• Los canales lógicos se clasifican también en:
Packet Traffic Channels
Packet Dedicated Common Control Channels
Packet Broadcast Control Channels (PBCCHs)
Packet Common Control Channels (PCCCHs)
• Aunque los canales dedicados pueden clasificarse como canales de tráfico
porque se usan durante los estados de tráfico.
Iván Bernal, Ph.D.
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• El PBCCH (solo sentido directo) es similar al BCCH en GSM.
Packet Broadcast Control Channels (PBCCHs)
El móvil se entera del PBCCH usando el BCCH.
¾ Número de canal RF.
¾ Número
Nú
de
d ranura de
d tiempo
ti
para ell PBCCH
PBCCH.
¾ La secuencia de entrenamiento .
El PBCCH hace la difusión de información requerida para establecer el
Modo GPRS:
¾ Parámetros del Control de Potencia
¾ Modos de operación
¾ Métodos de acceso
¾ Parámetros de control de la red
¾ Información relacionada a los canales GPRS en la BTS actual y las vecinas.
Se puede configurar GPRS sin el PBCCH, enviando todo lo necesario en el
canal BCCH.
Iván Bernal, Ph.D.
60
30
• Packet Common Control Channels (PCCCHs)
Se usan como los canales CCCH en GSM.
Contienen la señalización requerida para transferir los paquetes de datos.
Canales
¾ PPCH DL (Packet Paging Channel)
9 Canal downlink que se usa para que el móvil esté listo para recibir datos.
Señalización de control antes del establecimiento de llamada de datos.
Una vez que la llamada se inicia, la señalización de control se hará en el PACCH (packet associated
control channel ).
9 De manera idéntica al PCH de GSM, este canal usa grupos de paging para encontrar al móvil.
¾ PAGCH DL (Packet Access Grant Channel)
9 Para enviar el mensaje de asignación de recursos que asigna al móvil un canal de tráfico.
9 De manera simplificada: en una llamada para datos
datos, el móvil recibirá el PPCH DL,
DL el que le
informa que tiene una llamada y luego recibirá el PAGCH DL para obtener la asignación del
canal de tráfico.
¾ PNCH DL (Packet Notification Channel)
9 Se usa para multicast punto-multipunto (PTM-M)
9 Notifica al móvil que tiene ese tipo de tráfico llegando.
9 Tráfico broadcast destinado a un gran número de móviles.
Iván Bernal, Ph.D.
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• Packet Common Control Channels (PCCCHs)
Canales
¾ Packet Random Access Channel UL(PRACH)
9 Canal uplink que permite al móvil iniciar una transferencia de datos o señalización en la dirección uplink,
usando una versión reducida de la estructura transmitida.
9 Hay dos tipos de formatos PRACH
Versión estándar de 8 bits de información
Versión extendida de 11 bits que con los bits extra permite configurar prioridades.
9 Los métodos de acceso son los mismos que en GSM, y que también permiten los avances de tiempo.
Durante la llamada de tráfico real, hay dos canales de control adicionales que son dedicados al móvil:
¾ Packet Associated Control Channel (PACCH UL/DL)
9 Para señalización durante la llamada.
Administración de recursos (asignación de canales, control de potencia y acuses de recibo de mensajes recibidos)
¾ Packet Timing advance Common Control Channel (PTCCH UL/DL)
9 Se usa para que el avance de temporización.
9 El móvil transmite una ranura de acceso aleatorio en el sentido reverso, y la BTS realizará mediciones y
enviará un ajuste en el PTCCH, sentido directo.
9 El avance de temporización es medido en bits y puede ajustarse hasta 63 bits, con cada bit con una duración
de 3.69 ms.
Iván Bernal, Ph.D.
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GPRS – Revisión del Proceso
• Hay tres estados de movilidad/operación:
Inicialización/libre (idle)
Standby
Estado Listo (ready state)
• Cada estado describe un nivel de funcionalidad e información
almacenada en el SGSN y en el terminal.
Contexto de movilidad MM
Iván Bernal, Ph.D.
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• Inicialización
Involucra al móvil estableciéndose en la red.
¾ Recibir el canal de broadcast a partir del cual puede determinar la frecuencia correcta y
la ranura de tiempo a monitorear por tráfico de paquetes.
¾ Como en el caso de comunicaciones de voz, el móvil primero debe realizar el proceso de
registro.
9 En GPRS el proceso se denomina “location update”
Le permite a la red conocer en que celda está el móvil.
¾ Una vez que el móvil obtiene la información inicial del broadcast, transmite un RACH .
¾ La versión reducida del RACH asegura que a pesar de la distancia a la BTS, lo
transmitido permanecerá dentro de los límites de la ranura.
9 Para las tramas normales se usan avances de temporización.
9 El RACH contiene datos de identificación para el móvil y permite a la red realizar
autenticación para asegurarse que el móvil tiene el derecho de estar en la red.
Iván Bernal, Ph.D.
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• Estado Libre o reposo (idle)
Luego de la inicialización, el móvil permanece en el estado de reposo,
realizando actualizaciones de ubicación cuando sean necesarias, a medida
que se desplaza de una celda a otra.
•
La red podría desconocer la localización del móvil (usuario no registrado).
•
El MS solo puede recibir paquetes PTM-M (Point to Multipoint- Multicast)
Generalmente, cuando el móvil recibe un broadcast de una nueva BTS, sabe
que está en una nueva celda, y por lo tanto sigue el proceso de actualización
de ubicación.
Luego de registrarse, el móvil puede monitorear el PPCH, buscando
información dirigida para un móvil.
Al igual que en el caso de voz, hay un modo de bajo consumo (sleep mode).
¾ El móvil duerme y se despierta en un horario predeterminado, generalmente definido
por un algoritmo basado en su TMSI.
¾ El móvil realiza el monitoreo del PPCH en intervalos predefinidos.
Iván Bernal, Ph.D.
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• Modo standby (dispuesto)
Usuario registrado con contexto MM – puede recibir pagings.
El móvil no puede transmitir/recibir datos.
El móvil puede iniciar activación/desactivación del contexto PDP
¾ Cuando el móvil necesita establecer un canal de datos, entra a este modo enviando un mensaje de pedido de canal para
datos en el PRACH.
¾ El BTS responde con mensaje de asignación de canal de datos en el PAGCH.
De standby a ready si el móvil envía señalización.
De standby a idle si hay una desasociación.
• Modo Listo o Activo (ready)
Usuario registrado
•
La red conoce el área en la que se encuentra el terminal
•
El MS informa a la red cada vez que cambia de Celda
El móvil puede transmitir/recibir datos en el PTCH y señalización en PACCH.
¾ Además, periódicamente, el móvil transmite un RACH para permitir que la BTS ajuste la temporización usando el
PTCCH en el sentido directo.
El móvil puede iniciar activación/desactivación del contexto PDP.
De ready a standby si expira el temporizador “ready”.
De ready a idle si el MS inicia un des-registro (se borran los contextos).
Iván Bernal, Ph.D.
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33
• La figura indica los pasos involucrados en un proceso de
asignación de recursos iniciado en el sentido directo.
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Iván Bernal, Ph.D.
ACTUALIZACIÓN DE CELDA
MS selecciona nueva celda servidora:
• Si misma
i
RA y tterminal
i l ‘READY’
C ll Update
Cell
U d t
• Si diferente RA
RA Update
Iván Bernal, Ph.D.
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ACTUALIZACIÓN RA (routing area)
Iván Bernal, Ph.D.
Servicios
• SMS, tonos y logos forman parte del mercado de datos
Se envían unos mil millones de SMS diarios a nivel mundial
Los tonos generan un negocio de 3-5 mil millones de USD y sus ventas
superan en algunos países a las ventas de CDs.
• Navegación y descarga de aplicaciones
• MMS y servicios de vídeo
Operadoras han lanzado servicios de contenido de vídeo (MMS vídeo,
streaming)
¾ Recepción de videoclips de MTV por MMS.
¾ Presentar en la TV mensajes MMS enviados por los clientes (Noruega)
Iván Bernal, Ph.D.
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Servicios
Iván Bernal, Ph.D.
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SERVICIO PoC
• PoC (Push over Cellular)
Servicio de comunicación en tiempo real de voz directo uno-a uno y uno-amuchos (walkie-talkie sobre GPRS)
Se basa en VoIP half duplex.
Gracias a la conexión “always on”, con sólo pulsar una tecla es posible
iniciar llamadas individuales y de grupo de forma casi instantánea.
Requiere actualización de la infraestructura GPRS a la norma 3GPP R99 o
EGPRS.
¾ Para implementar la compresión de cabeceras y la distinción de tipos de tráfico por QoS.
¾ Se
S puede
d ofrecer
f
ell servicio
i i bajo
b j Release/97
R l
/97 pero con un QoS
Q S mínimo.
í i
El método de comunicación de PoC es muy simple: pulsar y hablar.
¾ El usuario selecciona de su agenda la persona o grupo de personas con las que quiere
hablar y presiona el pulsador de “Push to Talk”.
Iván Bernal, Ph.D.
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36
SERVICIO PoC
Las llamadas son comunicaciones unidireccionales.
Mientras una persona habla el resto escucha.
Los turnos para responder se organizan de forma que se ofrece el primer
turno a aquel que presionó el pulsador para responder en primer lugar y así
sucesivamente.
Aparte de la comunicación de voz, PoC también ofrece el servicio de chat
entre los miembros activos de un grupo de conversación.
Iván Bernal, Ph.D.
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SERVICIO PoC
Se soporta mediante servidores de
aplicación Push to Talk conectados a la
infraestructura GPRS,.
Tareas:
T
¾ Gestión de la señalización para el
establecimiento de la llamada.
¾ Reserva de los tiempos asignados para un
usuario cada vez.
¾ Enrutamiento en tiempo real de los paquetes
IP
¾ Proveer interfaces hacia los sistemas de gestión
de red
9 Generar CDRs para la tarificación.
¾ Con bases de datos de usuarios realizar
autenticación y control de derechos de acceso.
Iván Bernal, Ph.D.
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SERVICIO PoC
Iván Bernal, Ph.D.
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EDGE
• Enhanced Data for Global Evolution
Inicialmente: Enhanced Data for GSM Environments
• EDGE es un estándar móvil de alta velocidad que puede
introducirse en redes GSM/GPRS e IS-136.
Específicamente desarrollado como una actualización de GPRS, para la
integración en redes GSM
• EDGE permite la transmisión de datos que alcanza 384 Kbps en
modo de conmutación de paquetes
paquetes.
Opera sobre los mismos canales de 200 kHz de GSM.
Estas tasas se requieren para soportar servicios multimedia.
Se consigue dentro del mismo ancho de banda de GSM y en las mismas bandas.
Se usan esquemas de modulación de orden superior a los usados en GSM (8 PSK).
Iván Bernal, Ph.D.
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38
EDGE
• Primer lanzamiento de una red comercial en mayo de 2003
A finales de 2003 existían 8 redes con servicio comercial.
76 en marzo de 2005.
• La disponibilidad comercial de los servicios EDGE en USA:
Cingular Wireless lanzó EDGE en junio de 2003 para sus clientes del mercado de Indianápolis.
En América latina y el Caribe
¾ La primera red EDGE comercial comenzó a funcionar en octubre de 2003 con Telefónica Móvil en Chile
9 Primer despliegue EDGE de Telefónica Móviles en todo el mundo.
Iván Bernal, Ph.D.
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EDGE
Iván Bernal, Ph.D.
78
39
EDGE
• En GPRS se usa una carga útil de 114 bits en una ranura.
• En la misma ranura de tiempo, con EDGE se tiene una carga útil de 464 bits.
GMSK se usa en GSM y GPRS (cada símbolo representa 1 bit).
En EDGE se usa una modulación de orden superior y diferentes tasas de codificación.
¾ 8 PSK ((cada
d cambio
bi d
de símbolo
í b l representa
t 3 bit
bits d
de iinformación)
f
ió )
• Actualizar una BTS GSM para soportar GPRS era teóricamente un cambio de software
ya que era la codificación y software lo que estaba permitiendo las tasas de datos.
• Actualizar para EDGE requiere nuevas tarjetas de radio (hardware) y por lo tanto mas
complicado de instalar.
• El estándar está diseñado de tal manera que los esquemas de modulación sean
intercambiables.
Así en una ranura de tiempo se puede transmitir datos con GMSK mientras que en el segundo se puede
transmitir con 8 PSK .
Esto facilita los problemas de la integración: teléfonos que soportan solo GSM pueden procesar canales
EDGE
Iván Bernal, Ph.D.
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EDGE
Iván Bernal, Ph.D.
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40
EDGE
• Una de las razones que formatos de modulación de orden superior no se usan mas
frecuentemente, es simplemente que no son tolerantes a ambiente RF pobres.
El móvil necesitará una potencia recibida mas alta para procesar señales moduladas con PSK que para el
caso de GMSK.
Además, la señal puede ser mas afectada por desvanecimiento debido al movimiento.
• Matemáticamente, la diferencia entre los niveles recibidos requeridos para tener el
mismo BER tanto en GSM como en GPRS, es tan alta que muchos diseñadores deben
considerar el uso de mas estaciones bases (para la misma cobertura y desempeño).
• Al igual que GPRS, EDGE usa codificación variable.
Las tasas mas bajas de EDGE se equiparan a las de GPRS.
Existen nueve tasas de codificación y modulación que permiten transmitir desde 8.8 Kbps hasta 59.2 Kbps
por ranura.
Iván Bernal, Ph.D.
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EDGE
• En el 2002, Nokia anunció el primer teléfono GSM/GPRS/EDGE a
nivel mundial:
Nokia 6200 (tribanda)
¾ Funciones avanzadas de voz y servicios de datos con velocidades de hasta 118 kbps.
kbps
¾ Primeras entregas a operadoras para pruebas en redes reales fueron a finales de 2002.
¾ El terminal está disponible comercialmente desde mediados de 2003.
Iván Bernal, Ph.D.
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EDGE
• Amplia gama hacia finales de 2004 y más de 100 modelos
disponibles en abril de 2005.
Iván Bernal, Ph.D.
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EDGE - Futuro
• EDGE está diseñado para transmitir paquetes estándar IP.
Cualquier dato que puede transmitirse en la Internet puede transmitirse de
forma bastante eficiente en el enlace de radio.
• VoIP podría convertirse en la norma no solo en las redes
cableadas sino también en la inalámbricas, usando EDGE como
medio de transmisión.
Iván Bernal, Ph.D.
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42

GPRS - Si busca información sobre el proyecto de Clusters, el

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