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  1. GPRS Ejemplo de Red de Conmutación de Paquetes

  2. GPRS • INDICE 1.- Introducción a la Red GPRS 2.- Descripción de los elementos de la Red GPRS 3.- Subsistema Radio 4.- Interfaces GPRS y protocolos asociados 5.- Procedimientos en GPRS 6.- Servicios sobre GPRS 7.- Evolución de GPRS: UMTS

  3. GPRS • Introducción a la Red GPRS GPRS: General Packet Radio Service La situación actual en el mercado de las comunicaciones móviles, donde la explotación de los servicios de voz ha llegado casi a su techo y la penetración en los mercados supera el 80%, ha provocado el nacimiento de redes donde la transmisión de datos sea el nuevo objetivo. Con los servicios de datos ofrecidos en GSM, se detectaron ciertas carencias que impidieron su despegue sobre la red 2G: • Baja velocidad de Transmisión. 9.6 Kbps • La conexión requería un alto tiempo de conexión. • Facturación basada en tiempo de conexión, independientemente del tráfico generado.

  4. GPRS Con este panorama nació la Red GPRS, que se fundamenta en una red de conmutación de paquetes superpuesta a la actual red GSM, que permite las siguientes mejoras: • Conexión y transporte de alta velocidad (en el pdf de concepts vienen datos) • Conexión permanente: “Always on” • Facturación basada en cantidad de tráfico transmitido, calidades de servicio, etc. Para los operadores, se consigue un mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico, pues el enlace radio, solo se utiliza cuando se están recibiendo o transmitiendo datos. Esto implica que varios usuarios pueden compartir el mismo radiocanal, con el consiguiente aumento de eficiencia, y con un bajo coste en implantación en Red a nivel Radio (PCUs en las BSCs).

  5. GPRS Con el Sistema GPRS, el usuario podrá acceder a redes públicas y privadas de datos, utilizando protocolos estándar (IP, X25), pudiendo navegar por Internet, descargar su correo, visitar su intranet, hacer ftp, etc, con las ventajas de la movilidad que le proporciona su teléfono movil. • Aspectos de servicio Desde el punto de vista del servicio, GPRS, proporciona en su fase 1, un solo servicio portador de transmisión de paquetes punto a punto (PTP, Point to Point), con dos posibles opciones: • PTP No orientado a conexión (CNLS Connectionless Network Service): consiste en el envío de paquetes desde su origen a su destino, de forma independiente, a través de la red. Equivale al modo datagrama de transmisión por línea. En el ramo radio del servicio, se realiza la transferencia con acuse de recibo para proporcionar la entrega fiable. Con este servicio, GPRS soporta protocolos IP.

  6. GPRS • PTP Orientado a Conexión (CONS Connection Oriented Network Service): Permite intercambiar múltiples paquetes entre un usuario y un destino. Se entiende entonces que hay entre ambos una relación que puede durar desde segundos hasta horas. Es necesario previamente al intercambio de datos establecer una conexión virtual. Con este tipo de servicios, GPRS, soporta por ejemplo, X25

  7. GPRS • Descripción de los elementos de la Red GPRS El mayor peso de los cambios necesarios para incorporar la estructura GPRS a la Red GSM, se soporta sobre el subsistema del Núcleo de Red. Si bien,la pare de acceso, BTS y BSC, los cambios son menores, en el core surgen nuevos nodos que realizarán y soportarán las nuevas funcionalidades ofrecidas por GPRS. En la figura adjunta, se muestran los nodos adicionales que no existían en la Red GSM: • SGSN: Serving GPRS Support Node • GGSN: Gateway GPRS Support Node • CG: Charging Gateway • BG: Border Gateway • DNS: Domain Name System

  8. GPRS Figura 1: Núcleo de red GPRS

  9. GPRS Todos estos elementos están interconectados mediante redes de transporte IP. Hay dos tipos de red de transporte en un sistema GPRS: • La red de transporte Intra-PLMN, que permite la comunicación a los SGSNs y GGSNs de un operador. Dependiendo de la ubicación de los GGSNs puede ser LAN (ambos nodos localizados en el mismo site –interconexión basada en switchs-) o remotamene, mediante una red de transporte (ATM por ejemplo) basada en IP. • Red de transporte Inter-PLMN permite la intercomunicación de los SGSNs de un operador co los GGSNs de otros operador (Roaming). Red IP que puede estar soportada sobre Internet, en forma de red privada empleando líneas alquiladas, o en la red de un operador de transporte denominado GRX (GPRS Roaming eXchange) • Opcionalmente, y dependiendo de cada operador, se disponen de servidores DHCP y RADIUS para gestión de los pools de IPs y autenticación de usuarios.

  10. GPRS • SGSN Serving GPRS Support Node Nodo encargado (junto con el GGSN) de realizar la conmutación de paquetes en la red GPRS. Está conectado a la BSC por medio del interfaz Gb y constituye para el terminal móvil el punto de acceso al servicio de la red GPRS. FUNCIONES • Retransmisión de datos entre el movil (MS) y el GGSN (en los dos sentidos) • Gestión del registro y la movilidad de los MS • Paging (Aviso). Procedimiento para que el MS pase de estado Reposo a Activo, y así poder llevar a cabo el intercambio de datos. • Recogida de información para facturación (CDRs) y envío al CG. • Conversión de IP (red transporte) a SNDCP y LLC empleados entre el SGSN y el MS. • En SNDCP y LLC maneja el cifrado y compresión de datos.

  11. GPRS Debido a la criticidad de estos nodos, la mayoría de suministradores ofertan redundancia 2N o N+1. La capacidad de los mismos, depende del suministrador, pero sirva como ejemplo, estos datos: • Hasta 16 unidades de procesamiento paquetes (PAPUs) (redundancia N+1). • 120.000 usuarios attached, con dos contextos PDP activos, en las primeras versiones del SGSN a. Actualmente, suporta hasta 50.000 usuarios por PAPU. • Hasta 48 Mbps de capacidad de conmutación, en primeras versiones.

  12. GGSN Gateway GPRS Support Node Su misión principal es la conexión del terminal móvil a redes de datos externas para el acceso a sus servicios y aplicaciones basadas en IP: Internet, intranet Desde el punto de vista de las redes externas, se comporta como un router conectado a una sTubred. Oculta la infraestructura de red GPRS al resto de redes. FUNCIONES • Transferencia de datos de usuario y señalización hacia el backbone GPRS • Interconexión con Redes Externas • Recogida de información para facturación (CDRs) • Contiene información de encaminamiento de los usuarios conectados (attached)

  13. GPRS • Recepción de datos de usuario desde redes externas (intranet, Internet) y envió al SGSN que controla el móvil, mediante el protocolo de túnel GTP (GPRS Tunneling Protocol) • Recepción de paquetes de datos desde el SGSN o BG, eliminación de cabeceras GTP y encaminamiento de los datos de usuario hacia la intranet o Internet. • Recepción de datos de señalización desde la red de transporte y configuración de la operación correspondiente. • Recogida de datos sobre la sesión: APN (Access Pont Name), volumen de datos, tiempo de vida del contexto, uso de IPs estaticas/dinámicas para la generación de CDRs. • Garantizar la privacidad y seguridad para la red de transporte y el terminal. Actúa como un gateway entre redes externas y la red de transporte GRPS

  14. GPRS • Asignación de IPs a los terminales, estáticas o dinámicas. • Proporcionar los servicios básicos de acceso para el ISP, y en caso de que exista, al plano de servicios. • En el traspaso inter-SGSN, dialoga con los SGSNs implicados con el fín de mantener actualizada la información concerniente al contexto activo. REDUNDANCIA Y CAPACIDAD Al igual que el SGSN, depende de cada suministrador. Algunos ejemplos: • Redundancia N+1. En caso de fallo, se utiliza un GGSN de reserva. • Primeras versiones, con capacidad de transferencia de datos de 16 Mbps. • Primeras versiones, con capacidad de 50.000 contextos PDP activos.

  15. GPRS • BG (Border GATEWAY) El Border Gateway representa la puerta de conexión con otras PLMNs y posibilita el intercambio de datos de forma segura a través de la red de transporte Inter-PLMN, en lugar de hacerlo a través de Internet. Un BG es un router que maneja algún protocolo de routing a través de la interfaz Gp. Normalmente se utiliza BGP (Border Gateway Protocol). Suele tener implementada la función de Firewall. • CG (Charging Gateway). Recoge los CDRs generados en los SGSNs y GGSNs, los consolida y pre-procesa antes de pasarlos al sistema de facturación (Billing System).

  16. GPRS • DNS Lleva a cabo la traducción de nombres lógicos de los nodos de red a direcciones físicas. Interviene en la activación de contextos PDP, proporcionando al SGSN la dirección del GGSN por el que acceder al servicio. En los cambios de Routing Area (RA), proporciona la dirección del SGSN al que pertenece la RA antigua. • Firewall Como en otras redes, realiza una barrera segura entre dos redes. Muy importante en este tipo de redes, ya que los usuarios tiene IPs pertenecientes al operador, y sin un bastionado y segmentación correcta, podrían tener acceso a los Nodos de la Red (GSNs).

  17. GPRS • Subsistema Radio en GPRS • En GPRS, se utilizan los mismos recursos de la interfaz radio que para la transmisión en modo circuito de GSM, siendo posible la misma mezcla de canales GPRS con canales GSM en una misma célula e inclusoenuna misma portadora. • Los canales GPRS pueden asignarse dinámicamente en los intervalos libres de los canales en modo circuito, con lo que se consigue un uso eficiente del espectro. • El GPRS utiliza los mismos canales físicos que el GSM pero de una forma más eficiente, ya que un mismo canal GPRS puede compartirse por varios usuarios. • Un canal GPRS sólo se asigna cuando se transmiten o reciben paquetes. • En GSM: los canales se asignan de forma permanente al usuario durante toda la llamada • Mínima inversión e impacto en las BSS de GSM: solamente actualización Software y módulo HW PCU (Packet Control Unit).

  18. GPRS Gb PCU BSC SGSN A bis SGSN BSC PCU Gb BSC PCU SGSN BSC site GSN site BTS

  19. GPRS • El standard permite la colocación de la PCU en estas tres posiciones. La mayoría de los fabricantes la colocan en la BSS. • PCU: Responsable del manejo MAC y RLC en el interfaz aire y de BSSGP y Network Service (NS) en el interfaz Gb

  20. GPRS LLC Relay Application IP/X.25 SNDCP SNDCP LLC LLC RLC MAC RLC MAC BSSGP BSSGP Phys. Link Phys. Link GSM RF GSM RF Um Gb MS SGSN BSS/PCU Subsistema Radio en GPRS

  21. GPRS • SNDCP • Segmentación • Compresión de datos • Compresión de cabeceras TCP/IP • Encriptación • LLC • Mantenimiento del Contexto entre el movil y la Red • Retransmisión de tramas no reconocidas • Detección de tramas corruptas • RLC Radio Link Control • Transferencia de las unidades de datos LLC-PDU entre la capa LLC y la capa MAC

  22. GPRS • Segmentación y reconstrucción de las unidades de datos LLC-PDUs en los bloques de datos RLC • Procedimientos de control de errores, permitiendo la retransmisión selectiva de las palabras código que no puedan ser corregidas. • Control del orden en que son transmitidos los bloques de datos RLC • Transmisión de mensajes de control teniendo en cuenta las condiciones del canal radio. • MAC Medium Acces Control • Multiplexación de datos y señalización de control. • Arbitra la compartición del canal radio entre los moviles • Resolución de colisiones en el acceso para llamadas originadas en los moviles. • Asigna los canales de radio a los moviles

  23. GPRS Application Paquete IP IP/X.25 SNDCP Unidad SNDCP Unidad SNDCP LLC FH FCS Unidad SNDCP RLC MAC BH BCS BH BCS Info field Info field GSM RF 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8

  24. GPRS • Esquemas de codificación de canal En GPRS, se han definido 4 esquemas de codificación de canal: Son tasas para un canal. Usando 8, con CS-4, podría llegarse a la tasa de 171.2 kbps

  25. GPRS PDCH Canal físico PBCCH PCCCH PDTCH PACCH Solo descendente Canales lógicos PRACH PPCH PAGCH PNCH Solo ascendente Solo descendente Solo descendente Solo descendente • Canales Lógicos en el interfaz Aire El canal físico dedicado al tráfico de GPRS es el PDCH, Packet Data Channel. Varios canales lógicos con distintas funciones son mapeados en cada PDCH.

  26. GPRS • PCCH (Packet Common Control Channel) consiste en un conjunto de canales lógicos utilizados para la señalización de control: • PRACH (Packet Random Access Channel) utilizado por el movil para iniciar la transferencia de datos o señalización en el enlace asacendente. • PPCH (Packet Pagin Channel) usado para la búsqueda del móvil antes de iniciar una transferencia de datos descendente. • PAGCH (Packet Access Grant Channel) es utilizado en la fase de establecimiento para asignar recursos a un móvil antes de la transferencia de datos. • PNCH (Packet Notificación Channel) es usado para enviar las notificaciones de multidifusión a un grupo antes de comenzar la transferenciade datos

  27. GPRS • PBCCH (Packet Broadcast Control Channel) difunde la información del sistema específica. • PDTCH (Packet Data Traffic Channel) es el canal utilizado para la transferncia de datos. • PACCH (Packet Associated Control Channel) transporta información de señalización relativa a un móvil determinado e incluye, por ejemplo, reconocimientos, información de control de potencia, asignación de recursos, etc. • PTCCH/U (Packet Timing Advance Control Channel/ uplink) es usado para transmitir ráfagas aleatorias para el ajuste del “Timing Advance” • PTCCH/D (Packet Timing Advance Control Channel / downlink) transmite información del “Timing Advance” para actualizar varios móviles. Un PTCCH/D esta pareado con varios PTCCH/U

  28. GPRS • Combinaciones de PDCHs permitidas • PBCCH PCCCH (con PCCCH=PPCH+PRACH+PAGCH+PNCH) • PBCCH PCCCH PDTCH PACCH PTCCH • PCCCH PDTCH PACCH PTCCH • PDTCH PACCH PTCCH

  29. GPRS • Interfaces GPRS y protocolos asociados La introducción de nuevos nodos de núcleo de red para soportar las funcionalidades de GPRS, así como la necesidad de comunicación con los nodos integrantes del núcleo de GSM provocan la aparición de nuevas interfaces protocolos. En la figura 2, se muestra la arquitectura lógica de la Red GPRS, indicando las distintas interfaces. Las nuevas interfaces que aparece entre nodos GPRS son Gb, Gn y Gp. Con nodos GSM, aparecen Gr, Gs, Gd, Gc y Gf. Notar, que el operador no tiene por que implementar todas (p.e, Gs, Gd, Gc y Gf). Con las redes externas aparecen Gi y Gp. Una implementación típica (que incluya Roaming) tendría: Gb, Gn, Gi, Gp, y Gr.

  30. GPRS SMS-GMSC SMS-IWMSC SMS-C C E Gd HLR MSC/VLR D Gs Gr A Gc Gb Gn Gi Um GGSN SGSN BSS PDN Gn Gp Gf EIR SGSN GGSN Other PLMN Signalling & Data Interface Arquitectura lógica Red GPRS

  31. GPRS Applicac. IP/X.25 IP/X.25 RLC MAC Relay GTP GTP SNDCP SNDCP UDP/TCP UDP/TCP LLC LLC Relay BSSGP BSSGP IP IP RLC MAC L2 Network Service L2 Network Service L1 L1 GSM RF L1bis GSM RF L1bis Um Gb Gn Gi MS SGSN GGSN BSS • Plano de transmisión: estructura de protocolos por capas • Transferencia de información de usuario+información de control de transferencia (control de flujo, detección/corrección errores)

  32. GPRS • GPRS Tunnelling Protocol (GTP) Encapsula los datos de usuario y los de señalización entre los GSNs • Transmission Control Protocol (TCP) - Lleva las PDUs GTP cuando se necesita enlace de datos fiable - Control de flujo y protección ante perdida y corrupción de PDUs GTP • User Datagram Protocol (UDP) - Lleva las PDUs GTP cuando no se precisa enlace de datos fiable - Protección ante corrupción de PDUs GTP

  33. GPRS • Internet Protocol (IP) - Protocolo del Backbone de GPRS - Encaminamiento de datos de usuario y control de señalzación • Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP) - Funciones de mapeo y compresión entre el nivel de red y capas inferiores - Segmentación, reensamblado y multiplexación • Logical Link Control (LLC) - Enlace lógico fiable (cifrado) - Independiente de niveles inferiores de radio

  34. GPRS • Relay - BSS: retransmisión de las PDUs LLC entre Um y Gb - SGSN: retransmisión de las PDUs PDP entre Gb y Gn • Base Station System GPRS Protocol (BSSGP) - Lleva información realacionada con el encaminamiento y QoS entre BSS y SGSN. - No realiza corrección de errores • Network Service - Transporta PDUs BSSGp - Basado en conexión Frame Relay entre BSS y SGSN

  35. GPRS • RLC/MAC - Radio Link Control: enlace fiable. Depende de la solución radio implantada - Medium Access Control. Control de acceso a los procedimientos de seañalización para el canal radio • GSM RF: - Igual que el definido para GSM

  36. GPRS • Interfaz Gb • Interfaz entre la BSS y el SGSN • Sobre él, se realizan el intercambio de datos de usuario y de información de señalización. No existe diferencia a nivel de pila de protocolos entre estos dos planos. Las diferencias entre ambos se encuentra por encima de la pila que este subsistema maneja. • No hay recursos físicos dedicados a señalización. • Diferencia con respecto al interfaz A (BSS-MSC): información de múltiples usuarios puede ir multiplexada sobre el mismo recurso físico

  37. GPRS • Network Service (NS): proporciona un servicio de red a capas superiores, apoyandose en el nivel inferior de la pila, Frame Relay. • El transporte está basado en Frame Relay • El enlace se soporta por uno o varios NS-VL (Network Service-Virtual Link), que son identificados por NS-VLI (NS-Virtual Link Identifier), pudiendo un mismo enlace físico transportar varios NS-VC • Correspondencias: • Enlace Físico es el bearer channel de FR • NS-VC es el PVC (Permanent Virtual Connectión) • NS-VLI: asociación entre el DLCI (Data Link Connection Identifier) y el identificador de Bearer Channel

  38. GPRS • Funciones del NS • Transmisión de unidades de datos suministradas por el nivel superior de protocolo extremo a extremo: PCU-SGSN • Reparto de carga entre los diferentes NS-VC disponibles • Gestión de los NS-VC: gestión de indisponibilidades, función de test, recuperacion, etc

  39. GPRS • BSSGP Base Station System GPRS Protocol: Basandose en el transporte de sus PDUs (Packet Data Unit), por medio del nivel NS, tiene como funciones principales: • Down Link: suministra información a la BSS del SGSN relacionada con el interfaz radio: capacidades de acceso radio para el movil (MS Radio Access Capability), el perfil de QoS, tiempo de vida de una PDU, etc. • Up-Link: proporciona información al SGSN del interfaz Radio, proveniente del nivel RLC/MAC: perfil de QoS utilizado, etc • Funciones de Gestión y Control a ambos extremos: BSS, SGSN • Control de Flujo entre SGSN y BSS • Manejo de los avisos a terminales moviles desde el SGSN al BSS • Permite la transferencia de datos sin confirmación entre BSS y SGSN

  40. GPRS • LLC Proporciona un enlace lógico para el terminal móvil y el SGSN al que está conectado. Proporciona procedimientos para: • Transferir PDUs del nivel superior, que dependiendo del plano, datos de usuario o señalización, pueden ser GMM/SM (señalización) o SNDCP (usuario). • Control de la secuencia de los mensajes • Detectar errores de transmisión y formato • Recuperación de errores • Notificación de errores irrecuperables • Control de flujo • Cifrado

  41. GPRS • Un enlace lógico se identifica por un DLCI (Data Link Connection Identifier), que está compuesto por: SAPI (Service Access Point Identifier) y TLLI (Temporary Logical Link Identity). • SAPI: utilizado para identificar los puntos en los que el LLC está suministrando servicios a los protocolos de nivel superior: GMM, SM y SNDCP. Se transporta en las cabeceras de la trama LLC • TLLI: identifica un terminal móvil y no figura en las tramas LLC, sino en la información correspondiente a los niveles BSSGP y RLC/MAC(Radio Link Control/ Medium Access Control). • Trama LLC: cabecera con dos campos, información (1 octeto) y control (máx 36 octetos); datos (140-1520 octetos) y campo final de comprobación (3 octetos).

  42. GPRS • Por encima del nivel LLC: plano de señalización o datos de usuario • Plano de señalización: Protocolo GMM/SM GPRS Mobility Management and Session Management). Los procedimientos de este protocolo soportan la gestión de la movilidad (GPRS attach, GPRSdetach, security, routeing area update, location update) y la gestión de la sesión (PDP context activation, and PDP context deactivation). • Plano de datos de usuario: SNDCP. Por encima de este nivel pueden encontrarse diferente protocolos a nivel de red. En la practica: IP.

  43. GPRS • SNDCP Su función es soportar transparentemente diferentes niveles de Red (IP, X25) de manera que la utilización de uno o de otro por parte del usuario no implique cambios en los niveles inferiores de GPRS. Funciones: • Segmentación de unidades de datos del protocolo superior en unidades LLC y reesemblado de las mismas. Objeto: asegurar que las unidades de datos del nivel de red no sobrepasan las longitudes máximas permitidas a nivel LLC • Multiplexación de diferentes sesiones del mismo usuario • Compresión y descompresión de datos de usuario. Negociadas entre móvil-SGSN.

  44. GPRS • Compresión y descompresión de información de control del protocolo de red (por ejemplo, cabecera TCP/IP). • Por encima de SNDCP, en el plano de datos de usuario, se encuentran los protocolos propios de la aplicación que esté utilizando el usuario, y son transportados transparentemente hacia Gi, por ejemplo, HTML.

  45. GPRS • Interfaz Gn y Gp • Interfaz Gn: Permite la comunicación del SGSN con otros GSNs (GGSNs/SGSNs) del backgone Intra-PLMN • Interfaz Gp: igual función que el Gn pero Inter-PLMN (otros operadores) • El canal físico puede tener distintas configuraciones: Ethernet, ATM, etc

  46. GPRS Gn, Gp GTP GTP UDP UDP IP IP L2 L2 L1 L1 GSN GSN • Plano de Señalización • El plano de señalización, está relacionado con funciones de gestión de la movilidad: attach GPRS, updates, contextos, etc • Protocolo GTP: Gestión de Tuneles. • Para el transporte de los mensajes de señalización GTP entre GSNs se utiliza UDP sobre IP

  47. GPRS usuario usuario GTP GTP TCP/UDP TCP/UDP IP IP L2 L2 L1 L1 GSN GSN Gn, Gp • Plano de usuario • Se utilizan túneles para el transporte de datos: mensajes GTP marcados como datos. • T-PDUs: paquetes de datos de usuario

  48. GPRS Bits 8 7 6 5 4 3 2 1 Octetos 1 2 3-4 5-6 7-8 9 10-11-12 13-20 Version PT Spare 111 SNN Message Type Length Sequence Number Flow Label SNDCP N-PDU LLC Number Spare ‘1 1 1 1 1 1 1 1’ TID • Cabecera GTP

  49. GPRS • Versión: 0 si el bit PT (Protocol Type) es 1 (indicando mensaje GTP) para indicar la primera versión de GTP • PT (Protocol Type): indica si el mensaje es GTP (‘1’) o GPT (‘0’), para la transferencia de CDRs al CG • Reservado: 111 reservado para uso futuro • SNN: indica si el número de N-PDU SNDCP está incluido o no • Tipo de mensaje: tipo de mensaje GTP • Longitud: la del mensaje GTP (G-PDU), en octectos, excluida la cabecera GTP • Numero de secuencia: identidad de la transacción para mensajes de señalización y un número de secuencia incremental para T-PDUs • Etiqueta de flujo: identifica el flujo GTP

  50. GPRS • Número de N-PDU SNDCP: para coordinar la transmisión de datos entre el terminal y el SGSN durante el procedimiento de actualización de Routeing Area Inter-SGSN • TID: Identificador de túnel que señala los contextos PDP y MM • En el campo tipo de mensaje se distingue entre el plano de señalización y el de usuario.