GPRS - EDGE

GENERAL PACKET

RADIO SERVICE

(GPRS)

Enhanced Data rates for GSM Evolution

(EDGE)

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Contenido

1. Introducción

2. Arquitectura de Red

3. Interfaz Radio

4. Gestión de Recursos Radio

5. Gestión de Movilidad

6. Gestión de Sesiones

7. Gestión de Seguridad

8. Servicios GPRS

9. Evolución


1. Introducción

Requisitos de mercado y evolución tecnológica:


1. Introducción

Inconvenientes de GSM para tráfico de datos:

• Baja velocidad de transmisión (9.6 Kbps).

• Desaprovechamiento de recursos radio (Conmutación de circuitos).

• Tarificación por tiempo de conexión.

• Sólo el 2% de tráfico en GSM son datos.

GPRS (General Packet Radio Service)

• Evolución de las redes GSM para proporcionar mayores velocidades y mejores prestaciones en el acceso móvil a servicios de datos e internet.

• Mejor aprovechamiento de los recursos radio (Conmutación de paquetes).

• GPRS complementa a las redes GSM, no las sustituye.

• Tarificación por volumen de información.


1. Introducción


2. Arquitectura de Red


Subsistemas de Red

• Equipo de Usuario

• Subsistema de Estación Base (BSS)

• Subsistema de Conmutación de Red (NSS)


Subsistema de Estación Móvil (MSS)

Tipos de Equipos de Usuario:

Clase A

Pueden estar registrados en la red GSM y en la red GPRS simultáneamente. Pueden recibir o enviar tráfico GSM y GPRS simultáneamente. El paging se realiza a la vez para ambas redes.

Clase B

Similar a los equipos de clase A, con la diferencia que no pueden recibir o enviar tráfico GSM y GPRS simultáneamente. Son la clase de equipos más comunes.

Clase C

Tienen funcionalidad GSM y GPRS pero sólo pueden estar registrados en una red (GSM o GPRS) a la vez.


Subsistema de Estación Base

• BTS

• BSC

• TRAU

• CCU (Channel Codec Unit):

Codificación y entrelazado

para protección contra errores.

• PCU (Packet Control Unit):

Separa tráfico de voz (CS) y

tráfico de datos (PS).


Subsistema de Conmutación de Red

• Elementos Comunes a GSM – MSC

– HLR

– VLR

– AUC

– EIR

• Nuevos elementos – SGSN

– GGSN

– BG

– DNS

– Firewalls

– PLMN Backbone:

– Charging Gateway

– LIG


Serving GPRS Support Node (SGSN)

Es el elemento más importante de la red GPRS. El SGSN de la red GPRS es equivalente a la MSC de la red GSM.

Funciones:

• Conversión de protocolos (Por ejemplo IP a FR).

• Cifrado de datos.

• Compresión de datos.

• Autenticación de usuarios en red GPRS.

• Gestión de movilidad.

• Ruteo de datos al GGSN adecuado en conexiones a redes externas.

• Recolección de información de facturación por servicios GPRS.

• Recolección de información estadística para propósitos de gestión de red.


Gateway GPRS Support Node (GGSN)

Es la puerta de enlace a redes externas. Toda conexión a una red fija externa debe pasar a través del GGSN.

Funciones:

• Punto de anclaje en una conexión GPRS.

• Ruteo de paquetes a la SGSN apropiada.

• Ruteo de paquetes a las redes externas correctas.

• Interfaz a redes IP externas.

• Enfrentar problemas de seguridad.

• Recolección de datos de cargos por tráfico y estadísticas.

• Asignación de direcciones IP estáticas o dinámicas.

• Participación en el establecimiento de túneles con el SGSN y con otras redes externas y VPN (Virtual Private Network).


Border Gateway (BG)

• Provee un túnel de comunicación directo entre diferentes

redes de operadores GPRS (Inter-PLMN).

• Es más seguro transferir datos entre dos redes PLMN a

través de una conexión directa que a través de la red

Internet pública.

• Esencialmente permite a un usuario en Roaming

conectarse a una intranet a través del GGSN de su

operador (Home GGSN) utilizando la red PLMN vistada.


Firewalls (FW)

• Protege la red IP contra ataques externos (por ejemplo

hackers de internet o usuarios móviles).

• Podría configurarse para que rechace todos los paquetes

que no son parte de las condiciones iniciales de

suscripción de los usuarios.

• Puede también incluir NAT (Network Address Translation).


PLMN backbone

• Red basada en IP que interconecta todos los elementos GPRS.

• Existen dos clases:

– Intra-PLMN: Permite a los SGSNs y GGSNs de un operador

comunicarse entre sí. Es una red IP privada (utiliza direcciones IP privadas).

– Inter-PLMN: Permite a los SGSNs y GGSNs de varios operadores comunicarse unos con otros.


Otros

• Charging Gateway (CG)

– Nodo de facturación

• Legal Interception Gateway (LIG)

– Pasarela de intercepción legal en la cual se almacena el tráfico de

usuarios bajo sospecha por un periodo temporal y que puede ser

consultada por la autoridad, previa autorización judicial.

• Domain Name Server (DNS)

– Resolución APN (Access Point Name)

– Resolución inversa de direcciones IP.


Interfaces de Red


Interfaces de Red Interfaz Elementos Uso Principal Tipo de protocolo

Um MS-BTS Interfaz radio RLC/MAC

Abis BTS-BSC Interfaz GSM estándar RLC/MAC

Gb BSC-SGSN Datos GPRS LLC/FR

Gc GGSN-HLR Consultas HLR para activación de contexto PDP

IP/SS7

Gd SGSN-SMS GMSC Intercambio de SMS SS7

Gf SGSN-EIR Verificación de identidad de terminal SS7

Gi GGSN – Red de datos

Transferencia de datos IP

Gn

SGSN-SGSN Gestión de movilidad

IP SGSN-GGSN

Activación de contexto PDP y transferencia de datos.

Gp BG-BG Enlace entre operadores IP

Gr SGSN-HLR Gestión de localización SS7

Ga SGSN-MSC/VLR Gestión de movilidad GSM/GPRS SS7


3. Interfaz Radio

• Modulación

• Avance de tiempo

• Sincronización

• Control de Potencia

• Codificación de canal

• Interleaving

• Framing

• Medium Access Control (MAC).

• Segmentación de datos

• Control de congestión

• Multiplexaje

• Medición de niveles de señal

• Handover


Esquemas de Codificación

• Adicional al CS1 utilizado en GSM, GPRS incluye tres

nuevos esquemas de codificación CS2, CS3 y CS4.


Esquemas de codificación

Estructura de bloque radio:

CS1,CS2, CS3 CS4



Rendimiento de codificación:

Codificación Número de

bits de

bloque radio

Número de

bits de datos

en bloque

radio

Duración de

bloque radio

Tasa de

rendimiento

efectivo

Número de

bits de

cabecera

Porcentaje

de

cabecera

CS-1 456 181 20 ms 9.05 Kb/s 275 60 %

CS-2 456 268 20 ms 13.4 Kb/s 188 41 %

CS-3 456 312 20 ms 15.6 Kb/s 144 32 %

CS-4 456 428 20 ms 21.4 Kb/s 28 6.1 %



Codificación utilizada según C/I

Tasa de transferencia según número de TS y tipo de codificación

C/I CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 Mejor

rendimiento

12 dB 8 Kb/s 6 Kb/s 4 Kb/s 0.5 Kb/s CS-1

15 dB 8 Kb/s 10 Kb/s 8 Kb/s 1 Kb/s CS-2

20 dB 8 Kb/s 12 Kb/s 14 Kb/s 5 Kb/s CS-3

Esquema de

codificación

CS-1 CS-2 CS-3 CS-4

1 TSL 9.05 Kb/s 13.4 Kb/s 15.6 Kb/s 21.4 Kb/s




Modulación

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) en GPRS

Cada bit es representado por un símbolo. Consiste en una modulación MSK con prefiltrado gaussiano para reducir el ancho de banda base a aproximadamente la tercera parte.


Modulación

8PSK (8 Phase Shift Keying) en EDGE

Bits digitales Símbolo Fase

111 0 0

011 1 π/4

010 2 π/2

000 3 3π/4

001 4 π

101 5 -3π/4

100 6 - π/2

110 7 - π/4


Modulación

Esquemas de Modulación y codificación en EDGE:

Esquema

Tasa

de

código

Tasa de

código

de

cabecera

Mod.

Bloques

RLC por

bloque

radio

Bits en

bloque

radio

BCS Cola HCS

Tasa

de

datos

(Kb/s)

MCS-9 1.0 0.36

8PSK

2 2x592

2x12 2x6

8

59.2

MCS-8 0.92 0.36 2 2x544 54.4

MCS-7 0.76 0.36 2 2x448 44.8

MCS-6 0.49 1/3 1

592

548+48

(relleno)

12 6

29.6

27.2

MCS-5 0.37 1/3 1 448 22.4

MCS-4 1.0 0.53

GMSK

1 352 17.6

MCS-3 0.8 0.53 1

296

272+24

(relleno)

14.8

13.6

MCS-2 0.66 0.53 1 224 11.2

MCS-1 0.53 0.53 1 176 8.8


4. Gestión de Recursos Radio Los time slots para el tráfico CS son asignados por la red GSM, para el tráfico PS son asignados por la PCU. El tráfico CS tiene prioridad sobre el tráfico PS en la asignación de time slots.

Los time slots GPRS se clasifican en:

• Dedicados: Exclusivamente reservados para tráfico GPRS.

• Por defecto: Time slots para tráfico GPRS que pueden ser asignados a tráfico CS si fuera necesario.

• Time slots adicionales: Para tráfico GSM pero que pueden ser asignados para tráfico GPRS si fuera necesario.

Para la gestión de los recursos radio el operador puede configurar :

• Capacidad GPRS celda por celda.

• Cantidad de time slots dedicados, por defecto y adicionales.


Canalización • Dos bandas de frecuencias para el tráfico de subida y bajada (FDD).

• Canales de RF de 200 KHz de ancho de banda para el acceso múltiple de usuarios (FDMA).

• 8 time slots/canal RF, cada uno de los cuales representa un canal físico (TDMA).

• Cada canal físico se puede compartir entre múltiples usuarios o procesos, los que se conoce como canales lógicos.


Canalización

• Agrupación de canales: Se puede asignar más de un canal físico a cada usuario, hasta un máximo de 8.

• En la práctica, la mayoría de las MS sólo puede soportar hasta 3 canales físicos para evitar traslape entre la transmisión y la recepción (Retardo Tx/Rx de transponder).



• La red GSM utiliza el concepto de Área de Localización

(LA) para el aviso o paging a suscriptores.

• GPRS tiene un nuevo concepto de localización

denominado Área de Encaminamiento (RA).



• Área de Localización (LA): El propósito principal del LA

es para localización y aviso de llamadas a las MS.

• Área de Encaminamiento (RA): Se define como una o

un grupo de celdas en un área de localización, que se

utiliza para localización y aviso para suscriptores GPRS.


Estados de una MS

IDLE – MS no registrado en red GPRS.

– Estación móvil inalcanzable.

– Está en estado pasivo.

READY – EL SGSN conoce la celda en la que se encuentra la MS.

– Se encuentra transmitiendo o recibiendo datos.

– Está en estado activo.

– La MS permanece en estado READY hasta que expira el “READY timer” u ocurre un detach GPRS.

STANDBY – El SGSN conoce el Routing Area en el que se encuentra la MS.

– Acaba de salir del estado activo.

– MS aún registrado en la red GPRS.


Estados de una MS


Gestión de Localización Conjunto de procedimientos para manejar cambios de celdas, áreas de cobertura SGSN o RAs de un terminal transfiriendo datos. El conjunto de procedimientos se manejan desde el SGSN.

Inter-SGSN: El antiguo y el nuevo RA son atendidos por diferentes SGSNs.

Intra-SGSN: Cuando el antiguo y el nuevo RA pertenecen al mismo SGSN.


6. Gestión de Sesiones

• Se refiere a la activación o desactivación de sesiones de

datos entre una MS y una red externa.

• Para establecer sesiones de datos, el sistema GPRS

provee un grupo de funciones para asociar una MS con

una dirección (por ejemplo, IP) llamado Funciones de

contexto PDP.

• El contexto PDP puede también ser modificado.


Contexto PDP (Packet Data Protocol)

• Le permite al usuario conectarse a una red externa de

datos, por ejemplo internet. Describe principalmente:

– Tipo de red (X.25, Internet, Intranet)

– Dirección PDP (IP, X.25)

– APN (Access Point Name)

– Parámetros de calidad de servicio.

• Una MS puede tener más de un contexto PDP activado,

el cual se mantiene activo hasta que se realiza su

desactivación.


Contexto PDP

• Activación: Consiste básicamente en obtener una

dirección IP.


Contexto PDP

• Desactivación

– Cuando se completa una transferencia de datos.

– Cuando la red experimenta problemas de congestión.

– En este estado la MS no puede enviar ni recibir datos.

• Modificación

– Durante una trasferencia de datos es posible cambiar algunos

parámetros,.

– Por ejemplo: Cuando hay escasez de recursos el QoS puede ser

disminuido y/o aumentado en caso contrario.


Roaming • AP (Access Point) ofrecido por la red PLMN visitada: El suscriptor accede a la

PDN externa a través del GGSN y el SGSN de la red visitada.

• AP ofrecido por la red PLMN local (Home): El acceso a la PDN externa se realiza a través del GGSN local del suscriptor y el SGSN de la red visitada.


7. Gestión de Seguridad GPRS

Hereda las funciones de seguridad de GSM:

• Autenticación del suscriptor.

• Identificación de terminal mediante su IMEI.

• Confidencialidad de la Identidad del Usuario.

• Cifrado de datos entre la MS y el SGSN.

Funciones adicionales:

• Direccionamiento IP privado en la red troncal GPRS.

• Enlaces cifrados y autenticación entre nodos de la red troncal GPRS.

• Detección de paquetes provenientes de redes externas mediante la inclusión de firewalls.


7. Gestión de Seguridad GPRS


8. Servicios GPRS

• Servicios Punto a Punto (PTP): Transferencia de

paquetes entre dos suscriptores.

– Orientado a la conexión (Protocolo X.25).

– No orientado a la conexión (Protocolo IP).

• Servicios Punto a Multipunto (PTM): Transferencia de

paquetes de Uno a Varios usuarios con una sola solicitud.


Calidad de Servicio (QoS)

• La información de QoS está contenido en el HLR.

• Se negocia una QoS para el usuario durante el

establecimiento del contexto PDP.

• Se basa en los siguientes atributos:



Clase de Prioridad: Mantenimiento del servicio en

condiciones subnormales, por ejemplo congestionamiento

de red. Los paquetes serán descartados según su nivel de

prioridad.

• Prioridad clase 1 (Prioridad alta)

• Prioridad clase 2 (Prioridad normal)

• Prioridad clase 3 (Prioridad baja)



Clase de Retardo: Define los máximos retardos para la transferencia de paquetes a través de la red GPRS. Se definen cuatro clases de retardo: clase 1-3 (Predictivo) y clase 4 (Mejor esfuerzo).

Clase de Confiabilidad: Define probabilidad de: – Pérdida de datos

– Duplicación de datos

– Llegada de datos fuera de secuencia

– Corrupción de datos

Se definen 5 clases de confiabilidad (1 a 5).



Clase de Rendimiento

• Tasa de bits máximo: Se mide en octetos por segundo.

Especifica la máxima tasa de bits esperada para una

conexión PDP.

• Tasa de bits promedio: Se mide en octetos por hora.

Especifica la tasa de bits promedio esperada para una

conexión PDP.


9. Evolución-EDGE

• La tecnología GPRS es un camino de GSM a 3G.

• La tecnología EDGE es una evolución del sistema GSM que permite llegar a velocidades de 384 Kbps, superiores a las de GPRS y similares a las previstas en UMTS.

• Emplea conmutación de paquetes (EGPRS) combinada con mejoras que afectan a la comunicación vía radio (MS-BTS).

• EDGE introduce un nuevo esquema de modulación, 8-PSK frente al GMSK del GSM.

• Al introducir EDGE en una red móvil ya existente (nuevo esquema de modulación) implica la sustitución/ampliación de todas las partes de radiofrecuencia de las estaciones base (principalmente los transceptores).


9. Evolución- EDGE

Cambios en arquitectura:


9. Evolución-EDGE

Ventajas EGPRS

• Mejores tasas de trasferencia de datos.

• Menos costoso que migrar directamente a UMTS.

• Optimización de la inversión de la red GSM/GPRS

existente.

• Terminales móviles más baratos.

• No requiere cambios de hardware ni software en la red

troncal, sólo en la red de acceso (Estación Base).


9. Evolución - UMTS

GPRS EDGE UMTS

MMS Si Si Si

Internet Si Si Si

Audio/Video

Streaming No Si Si

Mensajes de

video No Si Si

Descarga de

Archivos No Si Si

Videollamada No No Si


9. Evolución - UMTS


GPRS - EDGE

Technology

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