Politecnico di Milano. Facoltà di Ingegneria dell Informazione. Reti Radiomobili. Prof. Antonio Capone 9 GPRS

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1 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione Reti Radiomobili Prof. Antonio Capone 9 GPRS

2 GPRS (General( Packet Radio Service) Accesso a INTERNET always ON Il GPRS è un servizio dati a pacchetto All interfaccia radio TDMA occupo gli slot solo quando trasmetto i i pacchetti Multiplazione statistica di di più utenti sugli stessi slot La parte fissa della rete è una rete a pacchetto IP IP (Internet Protocol) Sono aggiunti nuovi nodi di di rete che di di fatto sono router IP IP 2

3 Architettura di rete Altra Altra PLMN PLMN GGSN FW Gp FW GGSN LR Gi Packet Packet Data Data Network Network (IP, (IP, X25) X25) TE R MT Um BTS BSC PCU Gb Gn SGSN LR Gr Gf HLR EIR Gn SGSN LR 3

4 protocolli trasportati da GPRS MS Protocolli BSS SGSN GGSN Applicativo TCP/UDP IP IP SNDCP relay SNDCP GTP GTP LLC LLC TCP/UDP TCP/UDP RLC RLC relay BSSGP BSSGP IP IP MAC MAC network service network service layer 2 layer 2 GSM RF GSM RF layer 1 layer 1 layer 1 layer 1 Um Gb Gn 4

5 SGSN (Serving( GPRS Support 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 MSC Ovviamente 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 5

6 SGSN (Serving( GPRS Support 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 utente gestisce il routing (livello IP) della rete PLMN a pacchetto inoltrando i pacchetti fino al nodo GGSN effettua 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 6

7 SGSN (Serving( GPRS Support Node)... funzioni: gestisce la mobilità degli utenti dispone di un LR (Location Register) che è l analogo del VLR per il MSC il 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 7

8 GGSN (Gateway( GPRS Support Node) E il nodo che interfaccia la rete GPRS ad una PDN (Packet Data 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 corrente Memorizza 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 8

9 PCU (Packet( Control Unit) 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 pacchetto E di solito collocata nella BSC (ma potrebbe essere posta anche nella BTS) Funzioni: segmentazione/riassemblamento delle trame di livello LLC scheduling delle trasmissioni a pacchetto sui canali fisici (PDCH Packet Data Channel) gestione del protocollo di ARQ controllo di accesso al canale (richieste e assegnazioni di risorse) gestione dei canali (power control, congestioni, broadcast delle informazioni di controllo, ecc.) 9

10 GPRS (General( Packet Radio Service) 10

11 Protocolli Lo 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 canale nella 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 11

12 SNDCP (Subnetwork( Dependent Convergence 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 trasportato Offre al livello superiore un servizio di trasporto di PDU di lunghezza variabile tra SGSN e MS In accordo alle regole OSI identifica il livello superiore sulla base del SAPI di comunicazione (NSAPI Network Service AccessPoint Identifier) Offre funzioni di: compressione/decompressione degli header di livello superiore segmentazione/riassemblamento di PDU di livello superiore multiplazione di più NSAPI sulla stessa connessione LLC 12

13 LLC (Logical( Link Control) E un protocollo di livello 2 simile al LAPD viene usato per implementare una connessione logica punto-punto tra SGSN e MS cifrata Può 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 13

14 RLC (Radio Link Control) Implementa delle procedure di ARQ dividendo le unità informative in blocchi RLC con codici di rivelazione degli errori L ARQ è di tipo Selective Reject I blocchi sono numerati modulo 128 La finestra di trasmissione è di 64 Usa ACK cumulativi e NACK Prevede anche una modalità unacknowledged 14

15 MAC (Medium Access Control) E un protocollo che serve per la condivisione dinamica delle risorse radio gestisce la multiplazione dei flussi informativi in downlink gestisce l accesso e le possibili collisioni in uplink in uplink è basato su un meccanismo che prevede l invio di richieste di slot in contesa e una successiva allocazione mediante segnalazione in downlink 15

16 Livello fisico Per GPRS sono definiti 4 schemi di codifica (di canale) fino a 20 kb/s EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) estende queste velocità con codifiche leggere e modulazioni multi-livello (8PSK) 16

17 Reti fissa BSSGP (BSS GPRS Protocol) consente lo scambio di segnalazione e dati tra SGSN e BSC si appoggia al livello di trasporto di rete inferiore Network service: consente il trasporto tra SGSN e BSS che normalmente non sono connessi da link dedicati normalmente è un servizio di trasporto su rete Frame relay (viene instaurato un Permanent Virtual Circuit tra SGSN e BSC) 17

18 GTP (GPRS Tunneling 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 provider E 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) 18

19 Canali fisici e canali logici Il canale fisico usato dal GPRS è il PDCH (Packet Data Channel) IL PDCH occupa uno slot per trama L unità minima trasmissibile è un Radio Block Il Radio Block è una sequenza di 456 bit codificati passati dal MAC/RLC al livello fisico che viene trasmesso in 4 normal burst La dinamica di assegnazione delle risorse radio è quella di un Radio Block e non quella di uno slot fisico 19

20 Canali logici PPCH Packet Paging Channel PRACH Packet Random Access Channel PAGCH Packet Access Grant Channel PNCH Packet Notification Channel l insieme di questi canali è indicato come PCCCH (Packet Common Control Channel) PBCCH Packet Broadcast Control Channel PDTCH Packet Data Traffic Channel (Up or Down) PACCH Packet Associated Control Channel PTACCH Packet Timing Advance Control Channel 20

21 Mappaggio dei canali logici Viene creata una multi-trama di 52 trame nella multitrama 48 trame sono usate per trasmettere 12 Radio Blocks, 2 sono usate per la trasmissione dei PTACCH, 2 sono lasciate idle Il mappaggio dei canali logici in quelli fisici è dinamico (a pacchetto) c e scritto nell header MAC del radio block il tipo di informazione (campo payload type) e quindi il canale logico 21

22 Controllo di accesso al canale L assegnamento delle risorse da parte del MAC è dinamica le 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) contemporaneamente l 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 downlink USF=111 indica FREE ovvero il canale PRACH utilizzabile per inviare richieste di TFB; le risposte e l assegnazione arrivano in downlink sul PAGCH 22

23 GPRS: accesso radio Le risorse (slot) sono condivise Indirizzamento esplicito nel MAC header Si possono usare gli slot lasciati liberi dalla voce USF =Free USF =MS1 USF =MS2 USF =MS2 MS3 MS2 vuoto MS1 down offset up Accesso casuale Per richieste slots Mac header payload 23

24 Gestione della mobilità La gestione della mobilità dipende dallo stato della MS idle 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) 24

25 Gestione della mobilità Il passaggio da idle a ready e viceversa avviene mediante le procedure di GPRS attach/detach il passaggio da ready a stand-by avviene sulla base di un timer di inattività che viene resettato ad ogni invio di trame LLC il 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 25

26 Gestione della sessione Per poter inviare e ricevere pacchetti da e verso una rete esterna è necessario attivare un Packet Data Protocol (PDP) context Nel 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) 26

27 GPRS: scenari applicativi Um PDN Internet Router (AP) TE IP packet host= R MT BTS BSC SGSN Gb Gn Gi Edge Router LAN Host Other GPRS operator Gp BG Intra PLMN IP-backbone GGSN HPLMN Firewall Ip packet (host= ) SGSN GGSN Um Gb Gn Gi standard IP routing HTTP TCP IP MS 1 GPRS bearer (GTP, UDP/TCP, IP and lower GPRS protocol) SGSN Relay GGSN IP L2 L1 IP L2 L1 PDN HTTP TCP IP L2 L1 Host

28 GPRS: scenari applicativi Um PDN Internet RADIUS Server Router AP Host TE R MT BTS BSC Gb Gi IP packet Host SGSN Gn Edge Router Optional Tunnel e.g. IPsec LAN Host Other GPRS operator Gp BG Intra PLMN IP-backbone GGSN HPLMN Firewall SGSN GGSN 28

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