GPRS. Comunicaciones Inalámbricas. Iván Bernal, Ph.D. Quito Ecuador. Generalidades Capacidad Dispositivos Nodos

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1 Comunicaciones Inalámbricas GPRS Quito Ecuador I. Bernal Generalidades Capacidad Dispositivos Nodos Contexto PDP Arquitectura Implementación Interfaces y protocolos Canales físicos Codificación Asignación de canales Canales lógicos Estados del móvil Servicios Generalidades de EDGE Agenda 2 1

2 Bibliografía A. Miceli, Wireless Technician s Handbook, 2 nd Edition, Artech House, T.S. Rappaport, Wireless Communications: Principles & Practice, Prentice Hall. First Edition: Second Edition: Transparencias de Jouko Kurki Transparencias SSR (UPM) 3 General Packet Radio Service GPRS 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 : Gran variedad de terminales y servicios (juegos Java, MMS) Comienza el éxito comercial. Unas 200 redes comerciales a nivel mundial 4 2

3 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 ió infrecuente de volúmenes grandes de datos 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. 5 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. Una conexión basada en paquetes usualmente alcanza velocidades de transmisión más altas (hasta 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. 6 3

4 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. 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. En lugar de primero tener que establecer un circuito cada vez que se necesite enviar o recibir datos. 7 GPRS capacidad multiranura 8 4

5 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. 9 Arquitectura GPRS Dispositivos (MSS) Una MS en GPRS se categoriza de acuerdo a sus capacidades para soportar diferentes modos de operación simultáneamente para GSM y GPRS. Clase A La MS soporta uso simultáneo de servicios GSM y GPRS (registro, activación, asociación, monitoreo, transmisión de voz y paquetes, etc.). La MS puede establecer o recibir llamadas en los dos servicios simultáneamente. 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 La MS puede estar registrada y activada simultáneamente a ambos servicios, GSM y GPRS. Pero la MS no soporta tráfico simultáneo sino de forma secuencial, puede operar solo en uno de ellos a la vez. Clase C La MS solo se registra y soporta ya sea el servicio GSM o GPRS de forma alternativa (no los dos al mismo tiempo). La MS puede ser sólo para GPRS. 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). Puede que se soporte GPRS y GSM conmutando manualmente cada servicio. 10 5

6 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 potentes t y compatibles Ejemplos de Sistemas Operativos Pocket PC De Microsoft (evolución de Windows CE) Incorpora el navegador IE y Office Ejemplo: Mitsubishi Mondo y el SAGEM WA3050 Palm OS Del fabricante de PDAs Palm Gran aceptación y gran número de aplicaciones Ejemplo: GSM Handspring Treo 270 EPOC Del consorcio Symbian (Ericsson, Nokia, IBM, otros). Ejemplo: Nokia 9210i y el P800 de Sony-Ericsson 11 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 etc. GPRS posibilita el desarrollo de aplicaciones específicas como. Pagos con tarjetas de crédito (TPV) Domótica Peajes etc. 12 6

7 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. 13 Serving GPRS Support Node (SGSN) GPRS - Nodos Está conectado a uno o más BSS (es el nodo de conmutación de paquetes al mismo nivel jerárquico de una MSC). 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. Entrega de paquetes de datos hacia y desde la MS dentro de su área de servicio. Enrutamiento de los datos al GGSN relevante cuando se requiere una conexión a una red externa (toda conexión intra-network MS a MS también deben ser hecha por medio de la GGSN) Administración de la movilidad Seguimiento de la ubicación de la MS. Almacena: VLR actual (de GPRS) Perfil del usuario (consultando al HLR) Contexto t PDP Realiza funciones de seguridad, de control de acceso y facturación Funciones para asociarse y desasociarse (attach/detach) 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. 14 7

8 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. Usando la interfaz Gi. 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. Puede traducir formatos, protocolos de señalización y direcciones para permitir comunicación entre redes diversas. IP (NAT). Encapsulación/desencapsulación de paquetes. Otros elementos presentes: Servidores DHCP, DNS, firewalls. Servidor RADIUS para la autenticación 15 GPRS 16 8

9 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. 17 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 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. 18 9

10 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 del SGSN, 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. 19 GPRS Contexto PDP 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). El contexto incluye al menos: Dirección PDP (IP u otras direcciones) Tipo PDP (ej. IPv4, IPv6, X.25) Clase de QoS requerido Dirección del GGSN (APN-Access Access Point Name) El 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

11 GPRS Contexto PDP 21 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, clave 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 al usuario y le asigna 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 GPRS Contexto PDP 22 11

12 Routing BSC BSC BTS BTS SGSN PLMN1 MS SGSN Intra-PLMN GPRS Backbone Gn Gn GGSN SGSN Gn Gi Border Gateway Inter-PLMN GPRS Backbone Gp Packet Data Network(PDN) Eg.Internet,Intranet Border Gateway Intra-PLMN GPRS Backbone GGSN Router LAN Host PLMN2 GPRS 24 12

13 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. 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. 25 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. Pedidos de paging a GSM pueden realizarse mediante la SGSN usando la 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

14 GPRS Una implementación 27 BG (Border Gateway) GPRS Una implementación 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). En lugar de transferir los datos entre operadores por medio de la red pública 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. Si fuera necesario, podrían utilizarse los servicios de otros DNS ajenos al operador

15 FW (Firewalls) GPRS Una implementación 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 comunicarse entre sí. Red IP privada Usa direcciones IP privadas. Inter-PLMN Permite a los SGSNs y GGSNs de varios operadores comunicarse unos con otros. 29 GPRS (PCU) 30 15

16 GPRS-Interfaces 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 ) Incluye modulación y demodulación (GMSK(GPRS) EDGE(8PSK)) Capa Enlace Física (PLL - Physical Link Layer) Administra la información requerida para el canal físico Detección y Corrección de errores Codificación de canal Interleaving Reportes de mediciones Control de potencia Selección de la celda Handoffs no ocurren en el sentido tradicional en GPRS No hay circuito para el cual hacer handoff. Los sitios hacia los cuales transmitir y recibir se seleccionan antes de la transmisión de paquetes. La MS solicita re-selección de la celda y los paquetes se enrutan a la nueva celda. 31 Data Link Layer incluye: LLC (entre MS y SGSN ) RLC/MAC (entre MS y BSS) GPRS RLC (Radio Link kcontrol) Proporciona un enlace de radio confiable. Responsable de control de errores BEC mediante retransmisión selectiva (ARQ). Con ventana de transmisión y recepción. MAC (Medium Access Control) Controla el acceso a los procedimientos de señalización (petición y asignación) 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

17 LLC (Logical Link Layer) GPRS Proporciona un enlace lógico fiable entre la MS y el SGSN. Incluye: El móvil está asociado al SGSN a través de la capa LLC. Enlace encriptado entre la MS y el SGSN. Propia detección de errores Control de secuencia y retransmisiones Control de flujo En este enlace ocurre la autenticación en el SGSN. En GSM se realizaba en el BSS. TLLI (Temporary Logical Link Identifier) identifica de forma única al móvil, en este caso para la capa LLC. En GSM, el identificador de voz era el IMSI. Esta capa permite la convergencia fácil entre tecnologías inalámbricas. Si se estandarizan los paquetes LLC para varios formatos 3G. Un SGSN debería interoperar con GPRS, EDGE, UMTS y tal ves incluso CDMA GPRS Interfaz Gb (Transporta el tráfico GPRS y la señalización entre el BSS y la red GPRS) BSSGP (BSS GPRS Protocol ) Capa específica de GPRS para mantener la comunicación, gestión, control de flujo, reparto de carga, etc. entre BSS y SGSN Proporciona información de encaminamiento, QoS y capacidades de acceso radio de los móviles para la transmisión de datos de usuario entre BSS y SGSN 34 17

18 Interfaz Gb GPRS PCU (Packet Control Unit) Se requiere una nueva tarjeta PCU en el BSC Implementar la interfaz Gb y los protocolos RLC/MAC en el BSS. Reserva y gestión de los recursos radio de GPRS y del establecimiento de las conexiones radio GPRS. Transferencia de datos GPRS y selección del tipo de codificación. Transforma el tráfico de datos del SGSN a un formato (PCU frame) que pueda ser tratado por el BSS. Similar a lo que hace el transcodificador (TRAU) para el tráfico por circuito conmutado. Ambos tipos de tráfico pasan de forma transparente por el BSS. 35 Interfaz Gb NS (Network Service Protocol) GPRS La subcapa inferior, Frame Relay, proporciona el canal portador (bearer) para transferir datos y señalización entre el BSS y el SGSN. 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 Enlaces PCM a 2 Mbps (uno o varios Frame Relay Bearer Channels) 36 18

19 Plano de transmisión MS - SGSN SNDCP (Subnetwork Dependent Convergence Protocol) Se usa para transferir paquetes entre el SGSN y la MS Encargado de la segmentación y reensamblado, compresión, encripción y multiplexación en una única conexión virtual de los mensajes de datos de usuario y de control del nivel de red (IP, X.25). GPRS Plano de señalización entre MS y SGSN GMM (GPRS Mobility Management) Gestiona la autenticación, selección del algoritmo de encripción, movilidad y roaming. SM (Session Management) Para la activación, desactivación y modificación de contextos PDP 37 GPRS 38 19

20 GPRS 39 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

21 GPRS - Otras interfaces 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 encapsulación de la misma, ocultando a la red el contenido de los datos transferidos. Corre sobre UDP/TCP. Puede implementar control de flujo entre GSNs Se emplean túneles para cada usuario para llevar los datos. Cada túnel es identificado por un tunnel endpoint identifier GTP establece, utiliza, gestiona y libera los túneles. 41 GPRS - Otras interfaces GTP (GPRS Tunnelling Protocol) 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. 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. 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). Para evitar esto, la red GPRS no usa las direcciones IP de la fuente y destino del paquete del usuario. Se usan las direcciones IP de los SGSN y GGSN actuales para el proceso de enrutamiento

22 GPRS - Otras interfaces GTP (GPRS Tunnelling Protocol) 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. 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. La gran ventaja de esta solución es que solo el GGSN debe cambiar su entrada de enrutamiento para el abonado. 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 paquete GTP enviado 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. 43 Interfaz Gs Opcional GPRS - Otras interfaces Para coordinar el envío de paging de GSM y GPRS a terminales clase A y B. 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

23 GPRS - Otras interfaces SGSN MSC/VLR BSSAP BSSAP SCCP SCCP MTP3 MTP3 MTP2 MTP2 Phy Layer Signalling Plane Gs Phy Layer GPRS - Otras interfaces SGSN HLR(and EIR) MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 Phy Layer MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 Phy Layer Gr MAP :Mobile Application Part TCAP :Transaction capabilities and application part SCCP :Signalling connection control part MTP :Message transfer part 23

24 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). 47 GPRS Canales Físicos 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. 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)

25 GPRS Canales Físicos La multitrama de 52 tramas es subdividida en 12 bloques que excluyen las tramas utilizadas para temporización y las libres. 49 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. Si el ambiente RF es bueno, se usa un esquema que permita máximo throughput, empleando poca protección. Si el ambiente RF es malo, se usa codificación mas poderosa, que protejan mejor los datos

26 GPRS Codificación 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 de 13.4kbps o 269 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: 8*21.4 kbps = 171.2kbps. Caso en las ubicaciones y situaciones ideales ya que no hay corrección de errores

27 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, 268, 312 y 428 bits) en cada grupo de 456 bits. Como en cada ranura de ms se transmiten dos bloques de 57 bits de información, se requiere cuatro ranuras para transmitir los 456 bits. 53 GPRS - throughput Finalmente, con todo lo mencionado, se concluye que los throughputs máximos dependen de: Esquema de codificación usado. Cuantas t ranuras se usan en cada trama. Si las tramas se reciben correctamente y si se requiere retransmitirlas

28 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 paquetes de data que han sido codificados d y asignados 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). 55 GPRS: Asignación de Canales 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. El móvil puede transmitir y recibir libremente. Útil para aplicaciones que requieren velocidades constantes en tiempo real (videoconferencia)

29 GPRS: Asignación de Canales 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. Un móvil sabe que puede transmitir en el enlace reverso cuando reconoce un identificador asignado a él, llamado USF (Uplink Status Flag). Cuando el USF concuerda 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. 57 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

30 GPRS Canales Lógicos 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. 59 GPRS Canales Lógicos 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. Número de canal RF. Número de ranura de tiempo para el PBCCH. La secuencia de entrenamiento. Se puede configurar GPRS sin el PBCCH, enviando todo lo necesario en el canal BCCH. El PBCCH hace la difusión de información requerida para establecer el Modo GPRS: Parámetros del Control de Potencia Modos de operación Métodos de acceso Parámetros de control de la red Información relacionada a los canales GPRS en la BTS actual y las vecinas

31 GPRS Canales Lógicos Packet Common Control Channels (PCCCHs) Se usan como los canales CCCH en GSM. Contienen la señalización requerida para transferir los paquetes de datos. Canales PPCH DL (Packet Paging Channel) 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 ). De manera idéntica al PCH de GSM, este canal usa grupos de paging para encontrar al móvil. PAGCH DL (Packet Access Grant Channel) Para enviar el mensaje de asignación de recursos que asigna al móvil un canal de tráfico. De manera simplificada: en una llamada para datos, el móvil recibirá el PPCH DL, el que le informa que tiene una llamada y luego recibirá el PAGCH DL para obtener la asignación del canal de tráfico. PNCH DL (Packet Notification Channel) Se usa para multicast punto-multipunto (PTM-M) Notifica al móvil que tiene ese tipo de tráfico llegando. Tráfico broadcast destinado a un gran número de móviles. 61 GPRS Canales Lógicos Packet Common Control Channels (PCCCHs) Canales Packet Random Access Channel UL(PRACH) 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. 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. 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: Packet Associated Control Channel (PACCH UL/DL) Para señalización durante la llamada. Administración de recursos (asignación de canales, control de potencia y acuses de recibo de mensajes recibidos) Packet Timing advance Common Control Channel (PTCCH UL/DL) Se usa para que el avance de temporización. 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. El avance de temporización es medido en bits y puede ajustarse hasta 63 bits, con cada bit con una duración de 3.69 ms

32 GPRS Revisión del Proceso Hay tres estados de movilidad/operación: Inicialización/libre (idle) Standby Estado Listo (ready states) Cada estado describe un nivel de funcionalidad e información almacenada en el SGSN y en el terminal. Contexto de movilidad MM 63 GPRS Revisión del Proceso Inicialización Involucra al móvil estableciéndose en la red. 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. Como en el caso de comunicaciones de voz, el móvil primero debe realizar el proceso de registro. En GPRS el proceso se denomina location update Le permite a la red conocer en que celda está el móvil. Una vez que el móvil obtiene la información inicial del broadcast, transmite un RACH. 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. Para las tramas normales se usan avances de temporización. 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

33 Estado Libre (idle) GPRS Revisión del Proceso 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). El móvil duerme y se despierta en un horario predeterminado, generalmente definido por un algoritmo basado en su TMSI. El móvil realiza el monitoreo del PPCH en intervalos predefinidos. 65 Modo standby (dispuesto) GPRS Revisión del Proceso Usuario registrado con contexto MM. El móvil no puede transmitir/recibir datos. El móvil puede iniciar activación/desactivación del contexto PDP 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. El BTS responde con mensaje de asignación de canal de datos en el PAGCH. De standby a ready si el móvil envía señalización o datos. 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. 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)

34 GPRS Revisión del Proceso La figura indica los pasos involucrados en un proceso de asignación de recursos iniciado en el sentido directo. 67 ACTUALIZACIÓN DE CELDA MS selecciona nueva celda servidora: Si misma RA y terminal READY Cell Update Si diferente RA RA Update 34

35 ACTUALIZACIÓN RA (routing area) 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) Recepción de videoclips de MTV por MMS. Presentar en la TV mensajes MMS enviados por los clientes (Noruega) 70 35

36 Servicios 71 PoC (Push over Cellular) SERVICIO PoC 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. Para implementar la compresión de cabeceras y la distinción de tipos de tráfico por QoS. Se puede ofrecer el servicio i bajo Rl Release/97 pero con un QoS mínimo. El método de comunicación de PoC es muy simple: pulsar y hablar. 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

37 PoC (Push over Cellular) 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. 73 PoC (Push over Cellular) SERVICIO PoC Se soporta mediante servidores de aplicación Push to Talk conectados a la infraestructura GPRS,. Tareas: Gestión de la señalización para el establecimiento de la llamada. Reserva de los tiempos asignados para un usuario cada vez. Enrutamiento en tiempo real de los paquetes IP Proveer interfaces hacia los sistemas de gestión de red Generar CDRs para la tarificación. Con bases de datos de usuarios realizar autenticación y control de derechos de acceso

38 PoC (Push over Cellular) SERVICIO PoC 75 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. 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)

39 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 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 La primera red EDGE comercial comenzó a funcionar en octubre de 2003 con Telefónica Móvil en Chile Primer despliegue EDGE de Telefónica Móviles en todo el mundo. 77 EDGE 78 39

40 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. 8 PSK (cada cambio de símbolo representa 3 bits de información) 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 79 EDGE 80 40

41 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. 81 EDGE En el 2002, Nokia anunció el primer teléfono GSM/GPRS/EDGE a nivel mundial: Nokia 6200 (tribanda) Funciones avanzadas de voz y servicios de datos con velocidades de hasta 118 kbps. Primeras entregas a operadoras para pruebas en redes reales fueron a finales de El terminal está disponible comercialmente desde mediados de

42 EDGE Amplia gama hacia finales de 2004 y más de 100 modelos disponibles en abril de 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

43 Evolución hacia 3G El mundo de los datos es un mundo basado en el Internet. La red de core necesita estar basada en IP (Internet t tprotocol) en lo que se refiere a su arquitectura. Una vez que un operador tenga esto, la puede usar para crecimiento adicional. Esquemas 3G pueden usar esta red de core sin inversiones adicionales. a WCDMA hace uso de la arquitectura de GPRS para sus servicios de datos

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