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Prof. Antonio CaponeProf. Antonio Capone

Politecnico di MilanoFacoltà di Ingegneria dell’Informazione

Reti RadiomobiliReti Radiomobili

99 –– GPRSGPRS

2A. Capone: Reti Radiomobili

GPRS (GPRS (General Packet General Packet Radio Radio ServiceService))

Il GPRS è un servizio dati a pacchetto

All’interfaccia radio TDMA occupo gli slot solo quando trasmetto i pacchettiMultiplazione statistica di più utenti sugli stessi slot

AllAll’’interfaccia radio interfaccia radio TDMA occupo gli slot TDMA occupo gli slot solo quando trasmetto solo quando trasmetto i pacchettii pacchettiMultiplazione Multiplazione statistica di pistatistica di piùù utenti utenti sugli stessi slotsugli stessi slot

La parte fissa della rete èuna rete a pacchetto IP (Internet Protocol)Sono aggiunti nuovi nodi di rete che di fatto sono router IP

La parte fissa della rete La parte fissa della rete èèuna rete a pacchetto IP una rete a pacchetto IP ((Internet Internet ProtocolProtocol))Sono aggiunti nuovi nodi Sono aggiunti nuovi nodi di rete che di fatto sono di rete che di fatto sono router router IPIP

Accesso a INTERNET always ONAccesso a INTERNET Accesso a INTERNET always always ONON


Architettura di reteArchitettura di rete

R

TEMT

BTS

BSC

PCU

SGSN

LR

SGSN

LR

Um Gb

Gn

GGSN

LR

Gn

Packet Data Network (IP, X25)

Packet Data Network (IP, X25)

Gi

HLR

EIR

Gr

Gf

Altra PLMNAltra PLMN

GGSN

Gp

FW FW


ProtocolliProtocolli

GSM RF

MAC

RLC

LLC

SNDCP

IP

TCP/UDP

Applicativo

protocolli trasportati da GPRS

GSM RF

MAC

RLC BSSGPrelay

networkservice

layer 1 layer 1

layer 2

SNDCP GTPrelay

networkservice

layer 1

LLC TCP/UDP

BSSGP IP

layer 2

layer 1

TCP/UDP

IP

GTP

IP

Um Gb Gn

MS

BSS SGSN GGSN


SGSN (SGSN (Serving Serving GPRS GPRS Support NodeSupport Node))

E’ di fatto un router IP che svolge nell’architettura del servizio a pacchetto GPRS le funzioni che in GSM sono svolte dalla centrale MSCOvviamente ha funzionalità aggiunte rispetto ad un semplice router IP per la gestione delle interfacce e dei protocolli verso la BSS, per la gestione della mobilità e per l’inoltro dei pacchetti di livello superiore verso l’appropriato GGSN


SGSN (SGSN (Serving Serving GPRS GPRS Support NodeSupport Node))Funzioni:

gestisce le procedure di autenticazione e cifratura (sono le stesse del GSM)insieme al RR (Radio Resource Management) del GSM gestisce le risorse radio allocate per il servizio e per le trasmissioni di ogni singolo utentegestisce il routing (livello IP) della rete PLMN a pacchetto inoltrando i pacchetti fino al nodo GGSNeffettua le operazioni di “encapsulation and tunneling” dei pacchetti da e verso le MS:

viene creato un tunnel mediante GTP (GPRS Tunneling Protocol) tra il SGSN e il GGSN all’interno del quale viaggiano i pacchetti dei protocolli trasportati da GPRS (normalmente IP, ma anche X25)il tunnel è identificato da un TID (Tunnel Identifier) unico per ogni utente e ricavato dal IMSI


SGSN (SGSN (Serving Serving GPRS GPRS Support NodeSupport Node))... funzioni:

gestisce la mobilità degli utentidispone di un LR (Location Register) che èl’analogo del VLR per il MSCil LR include informazioni di localizzazione e dati di abbonamento

instaura una connessione LLC (Logical Link Control) verso la MS utilizzata per il trasporto di tutte le informazioni da e verso la MS


GGSN (GGSN (GatewayGateway GPRS GPRS Support NodeSupport Node))E’ il nodo che interfaccia la rete GPRS ad una PDN (PacketData Network)La PDN è di solito una rete IP pubblica (Internet) o privata (Intranet – normalmente raggiunta mediante un tunnel protetto IPSec)Incapsula i dati diretti verso gli utenti mobili in connessioni GTP verso il SGSN correnteMemorizza nel suo LR gli indirizzi dei SGSN correnti di ciascun utente, i profili degli utenti, e il PDP context attivo (vedi dopo)Attiva il PDP context su richiesta:

il PDP context descrive le caratteristiche del collegamento verso la rete dati esterna

– ad esempio: per IPv4 l’indirizzo assegnato alla MS, il collegamento verso la rete IP esterna (ad esempio il tunnel verso la Intranet privata), la QoS richiesta

inoltre per il collegamento verso l’esterno si comporta come un normale router


PCU (PCU (PacketPacket Control Control UnitUnit))Il BSC deve essere modificato per includere anche le funzioni di controllo delle risorse per il GPRS e deve implementare i protocolli del servizio a pacchettoE’ di solito collocata nella BSC (ma potrebbe essere posta anche nella BTS)Funzioni:

segmentazione/riassemblamento delle trame di livello LLCscheduling delle trasmissioni a pacchetto sui canali fisici (PDCH – Packet Data Channel)gestione del protocollo di ARQcontrollo di accesso al canale (richieste e assegnazioni di risorse)gestione dei canali (power control, congestioni, broadcast delle informazioni di controllo, ecc.)


GPRS (GPRS (General Packet General Packet Radio Radio ServiceService))


ProtocolliProtocolliLo stack protocollare del GPRS è caratterizzato

all’interfaccia radio:– protocolli di gestione della condivisione dinamica delle

risorse tipici delle reti a pacchetto a livello di accesso al mezzo (MAC) e controllo di link (RLC e LLC)

– l’accesso al mezzo è regolato (richiesta e assegnazione)– il controllo di link include un meccanismo di ritrasmissione

in caso di errore sul canalenella rete fissa:

– da un trasporto IP– da un incapsulamento dei livelli superiori trasportati

(normalmente sempre IP) in un protocollo di tunneling (GTP) che viene anche usato per facilitare l’intradamento in caso di mobilità


SNDCP (SNDCP (Subnetwork Dependent Subnetwork Dependent Convergence ProtocolConvergence Protocol))

Ha fondamentalmente compiti di adattamento allo strato di rete trasportato da GPRS (IP o X25) e serve a rendere indipendente il trasporto da ciò che viene trasportatoOffre al livello superiore un servizio di trasporto di PDU di lunghezza variabile tra SGSN e MSIn accordo alle regole OSI identifica il livello superiore sullabase del SAPI di comunicazione (NSAPI – Network Service AccessPoint Identifier)Offre funzioni di:

compressione/decompressione degli header di livello superioresegmentazione/riassemblamento di PDU di livello superioremultiplazione di più NSAPI sulla stessa connessione LLC


LLC (LLC (Logical Link Logical Link Control)Control)E’ un protocollo di livello 2 simile al LAPDviene usato per implementare una connessione logica punto-punto tra SGSN e MS cifrataPuò operare in due modalità

acknowledged– viene implementato un meccanismo di ARQ (usa

quello di livello RLC) unacknowledged

– o non viene implementato alcun controllo o la sola rivelazione di trame errate

– è la modalità usata per la segnalazione e gli SMS


RLC (Radio RLC (Radio Link Link Control)Control)Implementa delle procedure di ARQ dividendo le unità informative in blocchi RLC con codici di rivelazione degli erroriL’ARQ è di tipo Selective RejectI blocchi sono numerati modulo 128La finestra di trasmissione è di 64Usa ACK cumulativi e NACKPrevede anche una modalità unacknowledged


MAC (Medium Access Control)MAC (Medium Access Control)E’ un protocollo che serve per la condivisione dinamica delle risorse radiogestisce la multiplazione dei flussi informativi in downlinkgestisce l’accesso e le possibili collisioni in uplinkin uplink è basato su un meccanismo che prevede l’invio di richieste di slot in contesa e una successiva allocazione mediante segnalazione in downlink


Livello fisicoLivello fisico

Per GPRS sono definiti 4 schemi di codifica (di canale) fino a 20 kb/sEDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) estende queste velocità con codifiche leggere e modulazioni multi-livello (8PSK)


Reti fissaReti fissa

BSSGP (BSS GPRS Protocol)consente lo scambio di segnalazione e dati tra SGSN e BSCsi appoggia al livello di trasporto di rete inferiore

Network service:consente il trasporto tra SGSN e BSS che normalmente non sono connessi da link dedicatinormalmente è un servizio di trasporto su rete Frame relay (viene instaurato un Permanent Virtual Circuit tra SGSN e BSC)


GTP (GPRS GTP (GPRS Tunneling ProtocolTunneling Protocol))

Consente un trasferimento trasparente di pacchetti del livello di rete trasportato da GPRS (IP o X25) tra GGSN e SGSN attraversando la rete IP del GPRS providerE’ simile ai meccanismi di tunneling utilizzati in reti IP (ad es. IPSec) ma si appoggia ad uno strato di trasporto

TCP se si vogliono collegamenti sicuri (normalmente per X25)UDP nel caso vada bene un servizio best effort (normalmente con IP)


Canali fisici e canali logiciCanali fisici e canali logiciIl canale fisico usato dal GPRS è il PDCH (Packet Data Channel)IL PDCH occupa uno slot per tramaL’unità minima trasmissibile è un Radio BlockIl Radio Block è una sequenza di 456 bit codificati passati dal MAC/RLC al livello fisico che viene trasmesso in 4 normal burstLa dinamica di assegnazione delle risorse radio è quella di un Radio Block e non quella di uno slot fisico


Canali logiciCanali logiciPPCH – Packet Paging ChannelPRACH – Packet Random Access ChannelPAGCH – Packet Access Grant ChannelPNCH – Packet Notification Channell’insieme di questi canali è indicato come PCCCH (Packet Common Control Channel)PBCCH – Packet Broadcast Control ChannelPDTCH – Packet Data Traffic Channel (Up or Down)PACCH – Packet Associated Control ChannelPTACCH – Packet Timing Advance Control Channel


MappaggioMappaggio dei canali logicidei canali logiciViene creata una multi-trama di 52 tramenella multitrama 48 trame sono usate per trasmettere 12 Radio Blocks , 2 sono usate per la trasmissione dei PTACCH, 2 sono lasciate idleIl mappaggio dei canali logici in quelli fisici èdinamico (a pacchetto)c’e’ scritto nell’header MAC del radio block il tipo di informazione (campo payload type) e quindi il canale logico


Controllo di accesso al canaleControllo di accesso al canaleL’assegnamento delle risorse da parte del MAC è dinamicale risorse trasmissive richieste da un terminale (in trasmissione o ricezione) è denominato TBF (Temporary Flow Block)I terminali possono usare più time-slot (più PDCH) contemporaneamentel’insieme dei PDCH che possono essere usati è comunicato (assegnato) dalla rete alla MS (livello MAC) insieme ad un valore di USF (Uplink State Flag di 3 bit)L’effettiva possibilità di usare un PDCH da parte di una MS dipende dal valore del USF incluso nell’header MAC dei radio block trasmessi in downlinkUSF=111 indica FREE ovvero il canale PRACH utilizzabile per inviare richieste di TFB; le risposte e l’assegnazione arrivano in downlink sul PAGCH


GPRS: accesso radioGPRS: accesso radio

Le risorse (slot) sono condiviseIndirizzamento esplicito nel MAC headerSi possono usare gli slot lasciati liberi dalla voce

Mac header payload

MS3 MS2 vuoto MS1

offset

USF=Free

USF=MS1

USF=MS2

USF=MS2

downdown

upup

Accesso casualePer richieste slots


Gestione della mobilitGestione della mobilitàà

La gestione della mobilità dipende dallo stato della MSidle

– non può trasmettere o ricevere pacchetti ed è considerata dalla rete non raggiungibile

stand-by– non può trasmettere e ricevere pacchetti ma può ricevere

paging e scambiare segnalazione; la MS è localizzata dalla rete all’interno di una Routing Area (RA) associata ad un SGSN

ready– può trasmettere e ricevere pacchetti e la sua posizione è

determinata sulla base della cella (è noto il CGI – Cell Global Identity)


Gestione della mobilitGestione della mobilitàà

Il passaggio da idle a ready e viceversa avviene mediante le procedure di GPRS attach/detachil passaggio da ready a stand-by avviene sulla base di un timer di inattività che viene resettato ad ogni invio di trame LLCil passaggio da stand-by a ready avviene quando vengono inviate trame LLC

Le procedure di gestione della mobilità del GPRS sono simili a quelle del GSM anche se il nodo di riferimento non è il MSC/VLR ma il SGSN


Gestione della sessioneGestione della sessione

Per poter inviare e ricevere pacchetti da e verso una rete esterna è necessario attivare un Packet Data Protocol (PDP) contextNel caso di attivazione di una sessione con una rete IP esterna avviene anche l’assegnazione di un indirizzo IP (statico o dinamico, privato o pubblico)


GPRS: scenari applicativiGPRS: scenari applicativi

Um Gb Gn Gi

HTTPTCPIP

MS SGSN

GPRS bearer(GTP, UDP/TCP, IP and

lower GPRS protocol)

L2 L2

PDNGGSN

Ip packet

Host 1.2.3.4

standardIP

routing

HTTPTCPIPL2

(host=1.2.3.4)

Relay

L1 L1

IP

L1

IP

1

MTTE

R

SGSN

GGSN

BSCBTS

BG

GGSN

SGSN

Gn

Gb

Router(AP)

Firewall

Gi

PDNInternet

Host 1.2.3.4

IP packethost=1.2.3.4

Um

Other GPRSoperator

HPLMN

Gp

EdgeRouter

LAN

Intra PLMN IP-backbone


GPRS: scenari applicativiGPRS: scenari applicativi

MTTE

R

SGSN

GGSN

BSCBTS

BG

GGSN

SGSN

Gn

Gb

RouterAP

Firewall

Gi

PDNInternet

Host .6.5.4.2IP packet

Host 6.5.4.3

Um

Other GPRSoperator

HPLMN

Gp

RADIUSServer

LAN

EdgeRouter

Host 6.5.4.3

Optional Tunnele.g. IPsec

Intra PLMN IP-backbone

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