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
3A. Capone: Reti Radiomobili
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
4A. Capone: Reti Radiomobili
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
5A. Capone: Reti Radiomobili
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
6A. Capone: Reti Radiomobili
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
7A. Capone: Reti Radiomobili
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
8A. Capone: Reti Radiomobili
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
9A. Capone: Reti Radiomobili
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.)
10A. Capone: Reti Radiomobili
GPRS (GPRS (General Packet General Packet Radio Radio ServiceService))
11A. Capone: Reti Radiomobili
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
12A. Capone: Reti Radiomobili
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
13A. Capone: Reti Radiomobili
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
14A. Capone: Reti Radiomobili
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
15A. Capone: Reti Radiomobili
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
16A. Capone: Reti Radiomobili
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)
17A. Capone: Reti Radiomobili
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)
18A. Capone: Reti Radiomobili
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)
19A. Capone: Reti Radiomobili
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
20A. Capone: Reti Radiomobili
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
21A. Capone: Reti Radiomobili
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
22A. Capone: Reti Radiomobili
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
23A. Capone: Reti Radiomobili
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
24A. Capone: Reti Radiomobili
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)
25A. Capone: Reti Radiomobili
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
26A. Capone: Reti Radiomobili
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)
27A. Capone: Reti Radiomobili
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
28A. Capone: Reti Radiomobili
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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