General Packet Radio System - GPRS. André-Luc BEYLOT ENSEEIHT Département Télécommunications et Réseaux

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1 General Packet Radio System - GPRS André-Luc BEYLOT ENSEEIHT Département Télécommunications et Réseaux

2 PLAN GENERAL Introduction Architecture Protocolaire et Interfaces Gestion de l itinérance et de sessions Echange de données utilisateur Conclusion 2

3 GPRS Constat : GSM permet le transfert de données en mode circuit débit faible et ressources mal utilisées Objectifs : offrir un service de transfert de données en mode paquet support pour des trafics sporadiques utilisation efficace des ressources radio (allocation dynamique) accès temps rapide (0.5 à 1 sec) connectivité INTERNET (et X.25) coexistence avec GSM (parole) 3

4 GPRS - Architecture Générale Architecture Générale du GSM conservée : BTS + BSC HLR, SMS Deux nœuds supplémentaires par rapport au GSM SGSN : Serving GPRS Support Node connexion avec la station de base, semblable au MSC GGSN : Gateway GPRS Support Node connexion avec les réseaux de type paquet : Internet ou X.25 Encapsulation des paquets avec le protocole GPRS (tunneling) Sécurité : assurée par le SGSN, comme dans GSM 4

5 GPRS - Principales Interfaces 5

6 GPRS - Description Générale 6

7 GPRS - Architecture Protocolaire - Plan U SNDCP : Subnetwork Dependent Convergence Protocol GTP : GPRS Tunnelling Protocol BSSGP : Base Station System GPRS Protocol RLC : Radio Link Control 7

8 GPRS - Architecture Protocolaire - Plan C GMM/SM GMM/SM GTP GTP MAP TCAP MAP TCAP LLC LLC UDP UDP SCCP SCCP RLC MAC PHY RLC MAC PHY BSSGP FR L1bis BSSGP FR L1bis IP L2 L1 IP L2 L1 MTP3 MTP2 MTP1 MTP3 MTP2 MTP1 MS BSS Air Gb SGSN GGSN Passerelle IP/SS7 Gn Gb HLR BSSAP+ SCCP BSSAP+ SCCP MAP TCAP SCCP MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 MTP1 MTP3 MTP2 MTP1 MTP3 MTP2 MTP1 MTP3 MTP2 MTP1 SGSN Gs MSC/VLR SGSN Gr HLR 8

9 Enregistrement et contexte PDP Procédures d enregistrement + gestion mobilité~ GSM Contexte PDP (Packet Data Protocol) Type de réseau utilisé (X.25, IP) Adresse du terminal (@IP, du SGSN courant NSAPI utilisé (point d accès au service réseau utilisé entre SNDPC et Couche réseau) Qualité de Service requise Géré au niveau du SGSN et utilisé par le GGSN 9

10 GPRS : gestion de la mobilité STANDBY timer expiry GPRS Attach IDLE READY READY timer Expiry or Force to STANDBY STANDBY MS GPRS Detach PDU transmission IDLE = repos READY = prêt à transmettre, mobile repéré à la cellule près STANDBY = surveillance, repéré à la zone de routage près - nécessité de faire un paging Permet d éviter trop de sig pour la localisation de l utilisateur Zone de Routage de taille inférieure à la zone de localisation GSM 10

11 GPRS : Attach Function MS BSS New SGSN Old SGSN GGSN EIR Attach request New MSC/VLR HLR Old MSC/VLR Identification request Identification response Identity request Identity response Authentication IMEI Check Update Location Insert Subscriber Data Insert Subscriber Data Ack Update Location Ack Location Updating Request Cancel Location Cancel Location Ack 11

12 GPRS : Attach Function MS BSS New SGSN Old SGSN GGSN EIR New MSC/VLR HLR Old MSC/VLR Update Location Cancel Location Cancel Location Ack Insert Subscriber Data Insert Subscriber Data Ack Update Location Ack Attach Accept Attach Complete Location Updating Accept TMSI Reallocation Complete 12

13 Terminaux GPRS Type A: Peuvent supporter le mode et le mode circuit simultanément. Type B: Peuvent supporter les modes paquets et circuits mais pas simultanément mais peuvent être enregistrés pour les deux : i.e. adresse IP et numéro de téléphone. Type C: Ne peuvent être enregistrés à un moment donné qu en mode paquet ou en mode circuit 13

14 Echange de données utilisateur Couche Réseau NSAPI En-tête Compression Données Couche SNDCP En-tête Données Plan de Transmission GMM,SM En-tête Segmentation En-tête SAPI (QoS) SAPI = 1 ou 7 Couche LLC En-tête Jusqu à 1520 o C R C Trame LLC suivante Couche RLC/MAC En-tête C R C En-tête C R C En-tête C R C Couche Physique Codage Canal CS-1 à 4 14

15 Protocole SNDCP Multiplexage de PDUs venant de plusieurs réseaux de paquets sur une LLC Compression (en-tête et données) Peut utiliser l entité LLC selon plusieurs modes Connecté avec acquittement (pas de numérotation) Sans connexion ni acquittement (SNDCP-PDU numérotées) Pas de Mécanismes de reprise sur erreur En-tête contient NSAPI bit More type d algo de compression utilisé 15

16 Protocole LLC Inspiré d HDLC 3 types de fonctionnement sans acquittements avec FCS sur l ensemble de la trame Utilisé pour la signalisation et les SMS sans acquittements avec protection de l en-tête seule avec acquittements trames RR, RNR, ACK, SACK piggybacking SABM, UA, UI, I+ S ( S = RR, RNR, ACK ou =SAPI : 1 = GMM ; 7 = SMS ; 3,5,9,11 : données utilisateurs Trames peuvent être chiffrées 16

17 Acheminement vers l utilisateur SGSN tunnel BG Réseau inter-opérateur BG SGSN En tête IMSI tunnel IP TCP/ UDP GTP GGSN 17

18 Acheminement depuis l utilisateur SGSN tunnel BG Réseau inter-opérateur BG En GGSN tête IMSI tunnel IP TCP/ UDP GTP GGSN GGSN 18

19 Interface Air : Canaux physiques et logiques Canal Physique GPRS : Packet Data Channel (PDCH) Partagé entre plusieurs utilisateurs Multitrame GPRS = 52 trames TDMA (240ms) T: PTCCH (Packet Timing Control Channel), i: idle Bloc 0 Bloc 1 Bloc 2 T Bloc 3 Bloc 4 Bloc 5 i Bloc 6 Bloc 7 Bloc 8 T Bloc 9 Bloc 10 Bloc 11 i 1 PDCH peut supporter plusieurs PDTCH : données, PACCH : Acquittement + contrôle de puissance, PTCCH : avance en temps maître/esclave Infos systèmes : on peut utiliser les canaux GSM (BCCH, PCH, RACH, AGCH ou canaux GPRS spécifiques : (P-*CH) 19

20 Codage - couche physique USF : Uplink State Flag (voie descendante) T : block type indicator PC : Power Control 4 niveaux de codage : CS-1 : 9,05 kb/s, CS-2 : 13,4 kb/s 1 bloc de données => 4 bursts 20

21 Couches RLC/MAC Flux de données (TBF = Temporary Block Flow) : succession de LLC PDUs à envoyer Flux existe tant qu il y a des données en mémoire à transmettre identifié par un TFI (Temporary Flow Identifier) caractérise un sens de la transmission correspond à des données ou de la signalisation Eventuellement précédé d 1 paging Packet Channel Request PRACH Packet Channel Assignement (TFI, TA, n PDCH, n USF) Packet Downlink Assignement (TLLI,TFI, TA, n PDCH, n USF) PAGCH Attente 1 bloc PAGCH Packet Resource Request (TFI, TLLI, mesures radios) PACCH Packet Uplink Assignement (TFI, TLLI, TA, n PDCH, n USF) PACCH }à la demande du SGSN où de l utilisateur permet de préciser le débit demandé et le nombre de blocs à envoyer, 21

22 Couche RLC Segmentation/Réassemblage des Trames LLC en blocs radio Supervision de la transmission mobile/bss transmission avec ou sans acquittement Blocs RLC Données ou contrôle MAC = allocation de ressource, RLC = acquittements Numérotés TFI Longueur (en particulier pour la concaténation) Packet Downlink/Uplink Ack/Nack, blocs transmis sur PACCH Contrôle de Flux et d Erreur par mécanisme de retransmission sélective (assez sophistiqué) 22

23 Couche MAC Distinction voie montante/voie descendante Voie descendante : géré au niveau du BSC émission : pas de problème seul le BSC émet et indique le destinataire dans chaque bloc acquittement/contrôle : mécanisme d interrogation en-tête MAC du bloc contient : 1 bit pour indiquer que le BSC suggère une réponse le numéro du bloc correspondant utilisation laissé à l appréciation du terminal : ack, mesures, demandes de ressources peut être répété : tolérant aux erreurs 23

24 Couche MAC Voie Montante Voie montante : Partage statique ou dynamique PARTAGE STATIQUE à l établissement du flux, le BSS donne les n de blocs alloués - valable pour les TBF fermés (nbr de blocs connus a priori) allocation par mécanisme de requête pour les TBF ouverts PARTAGE DYNAMIQUE Utilisation de l indicateur USF contenu dans l en-tête MAC Donne le numéro du mobile ayant le droit de parole dans le prochain bloc montant Accès aléatoire par canal RACH ou PRACH Pour indiquer que le prochain bloc montant (4 bursts) peuvent être utilisés en accès aléatoire (PRACH), USF=7 dans le bloc précédent USF=0, conservé pour polling d un mobile (retransmission) 24

25 Exemple d échange Libération TFI Retour balise Data block (TFI, BSN=1) PDTCH Data block (TFI, BSN=2, Polling, 3) PDTCH Data block (TFI, BSN=3, Polling, 2) PDTCH Data block (TFI, BSN=4, Fin bloc=oui, Polling, 1) PDTCH Packet Downlink Ack/Nack (TFI, mesures) PACCH Data block (TFI, BSN=1, Polling, 2) PDTCH Data block (TFI, BSN=4, Fin bloc=oui, Polling, 1) PDTCH Packet Downlink Ack/Nack (TFI, mesures, acq final = oui) PACCH 25 Réallocation possible TFI

26 Exemple d échange Data block (TFI, BSN=1, reste 3) PDTCH Data block (TFI, BSN=2, reste 2) PDTCH Data block (TFI, BSN=3, reste 1) PDTCH Data block (TFI, BSN=4, reste 0) PDTCH Packet Uplink Ack/Nack (Polling)(TFI) PACCH Data block (TFI, BSN=2, reste 0) PDTCH Libération TFI Retour balise Packet uplink Ack/Nack (Polling, acq final = oui) TFI PACCH Packet control ack (TLLI) PACCH 26 Réallocation possible TFI

27 GPRS : gestion de la mobilité Etat «IDLE» Etat «STANDBY» attachement à GPRS mobility entre MS et SGSN le SGSN fait un paging et on passe à l état READY on peut exécuter un Detach GPRS Etat «READY» identificateur de la cellule dans l entête BSSGP on reste dans cet état en cas d échange ou de non échange d informations timer 27

28 Terminaux Multislots Pour augmenter les débits : émission/réception sur plusieurs slots de la trame TDMA Plusieurs types de terminaux selon : Full Duplex/Half Duplex Temps pour commuter entre émission/réception/mesures Canaux Multislots plusieurs canaux physiques et donc plusieurs USF 1 seul PACCH, avance en temps aussi Attention au saut de fréquence (cohérence) Seuls CS-1 et CS-2 sont utilisés Mobiles les plus performants = 4 slots en réception Débits annoncés ne tiennent pas compte des surcharges 28 en-tête...