GPRS: General Packet Radio Service

Transkript

1 Abteilung Informatik GPRS: General Packet Radio Service af&e Prof. Dr.-Ing. Andreas Rinkel / Sandra Frei andreas.rinkel@hsr.ch sfrei@hsr.ch

2 Datenübertragung Überblick GPRS GPRS (General Packet Radio Service) Ø Datenpaket-Dienst Ø Dynamische Bündelung freier slots zu hochbitratigen Datenkanälen, je nach coding Schema 8 bis 21.4 kbit/s (max. 171,2 kbit/s è 8 * 21,4 kbit/s, best effort, Bruttodaten) Ø Freie slots werden nur benutzt, wenn Daten zur Übertragung anstehen E asymmetrische Übertragung. Das bedeutet: unterschiedliche Anzahl an UL und DL Kanälen Ø Vergebührung nach Datenmenge nicht nach Zeit! Ø Standardisierung 1998, Einführung 2001/2002 Ø Erweiterung der bisherigen Netztopologie Ø Erster Schritt Richtung UMTS, geplant ist ein komplementärer Einsatz von GSM/GPRS und UMTS Ø Harmonisierung von Internet und Mobiles Datennetz durch gleiche Protokolle (IP) GPRS Netzelemente Ø GSN: GPRS Support Nodes GGSN Gateway GSN Gateway zu PDNs(Public Data Network) SGSN Serving GSN unterstützt die MS (location, billing, security) Ø GR: GPRS Register eine Ergänzung zum HLR zur Adressverwaltung Ø PCU: Packet Control Unit Übernimmt BSC Funktionen im paketorientierten Netzwerk 2

3 GPRS: Architektur-Überblick Radio System oder TRAN: Terrestrial Radio Access Network Switching or Core System LA 1 LA 2 RA 1 RA 2 RA 3 BSC Base Station Controler BSC Base Station Controler A A TCE TransCoding Equipment MSC Mobile Switching Centre GMSC Gateway Mobile Switching Centre VLR HLR/ HLR GR AC PSTN, PDN, ISDN : BTS, Base Tranceiver Station RA 4 RA 5 PCU Packet Control Unit G b G s SGSN Serving GPRS Support Node G d G n G r G c GGSN Gateway GPRS Support Node G i PDN RA: Routing Area GR: GPRS Register Um 3

4 GPRS: Protocol stack Application IP / X.25 IP / X.25 SNDCP SNDCP GTP GTP LLC LLC UDP/ TCP UDP/ TCP RLC RLC BSSGP BSSGP IP IP MAC MAC Frame Relay Frame Relay L2 L2 GSM RF GSM RF L1bis L1bis L1 L1 MS BSS (PCU) SGSN GGSN Um Gb Gn Gi SNDCP: Subnetwork Depemdent Convergence Protocol LLC: Logical Link Control RLC: Radio Link Control MAC: Medium Access Control BSSGP: BSS GPRS Application Protocol GTP: GPRS Tunnelling Protocol 4

5 GPRS Protocol Stack: GTP GSNs Verbindung durch einen IP-basierten Backbone Datenpakete werden eingepackt & unter Benutzung des GPRS Tunneling Protocol (GTP) getunnelt Ø Hauptsächlich für Mobility Das Protokoll unterhalb GTP ist entweder TCP oder UDP (abhängig von den Benutzeranforderungen) Das ganze GPRS Netzwerk basiert auf einem IP hop. Ø Das vereinfacht das Routing im Backbone bei Mobilität 5

6 GPRS Protocol Stack: SNDCP SNDCP: Sub Network Dependent Convergence Protocol Konvergenz von verschiedenen Protokollen zu einem Data-Link- Protokoll (unterstützt durch das LLC: Logical Link Control Protocol) Multiplext mehrere Verbindungen auf einen Link Header Compression Data Compression Fragmentierung langer Datenpakete 6

7 GPRS Protocol Stack: LLC LLC: Logical Link Control Protocol Etabliert eine Verbindung zwischen Mobilstation & SGSN Es kann im bestätigten oder nicht bestätigtem Modus arbeiten. Regelung der Datenübertragungswiederholung im bestätigten Modus Unterstützung von point-to-multipoint Adressierung 7

8 GPRS Protocol Stack: RLC RLC: Radio Link Control Protocol Arbeitet im Bestätigungs-Modus Benutzt den sliding window Mechanismus für die Flusskontrolle Benutzt den Packet Data Traffic Channel (PDTCH) Die Bündelung von bis zu 8 PDTCH pro User ist möglich 1 PDTCH hat eine Datenrate von maximal 21,4kbit/s. Daraus ergibt sich die maximale Datenrate von 8 gebündelten PDTCH * 21.4kbit/s = 171,2kbit/s 8

9 Logische Kanäle des GPRS Logical channels Packet Broadcast Channel PBCH Signalisierungsdaten Packet Control Channels Packet Common Control Channels PCCCH Packet Dedicated Control Channels PDCCH Verkehrsdaten Packet Traffic Channels PDTCH PBCCH PRACH PAGCH PPCH PNCH PACCH PTCCH Legende: Downlink Uplink 9

10 Logische Kanäle des GPRS I Logischer Kanal Richtung BTS MS Packet Broadcast Control Channel PBCCH Downlink point to Multipoint Sendet allgemeine Netz/ Systeminformation. Ist kein PBCCH alloziert, kann der BCCH verwendet werden. Hört die Systeminfo ab. Ist PBCCH nicht implementiert, hört die MS den BCCH ab Packet Random Access Channel PRACH Uplink point to point Ermittelt die Timing Advance info Benutzt die MS, um einen uplink Transfer zu etablieren. Packet access Grant Channel PAGCH Downlink point to point Wird benutzet in der Datenübertragungsaufbauphase zur Ressourcenzuweisung und TA Information (uplink). Erhält die Ressourcenzuteilung ( timeslots ) für den (meist uplink) Datenverkehr und TA. Packet Paging Channel PPCH Downlink point to point Wird hauptsächlich benutzt, um einen downlink Paketdatentransfer einzurichten. Der PPCH kann für Paketservice oder circuit switched Services verwendet werden. Erhält die Ressourcenzuteilung ( timeslots ) für den downlink Datenverkehr. 10

11 Logische Kanäle des GPRS II Logischer Kanal Richtung BTS MS Packet Notification Channel PNCH Downlink point to Multipoint-Multicast Notification an eine Gruppe von Mobilstationen, wenn multicast traffic ansteht. Wird zur Zuweisung der benötigten Ressourcen (timeslot) verwendet. Zuweisung der timeslots Packet Associated Control Channel PACCH Downlink and Uplink point to point Sendet signalisierungsrelevante Information an die MS, z.b. Power control, acknowledgements. Teilt sich Ressourcen mit dem PDTCH Empfängt Signalisierungs-daten und sendet Messre-ports Packet Timing advance Control Channel PTCCH Entweder uplink oder downlink point to point Ermittelt TA durch erhalt von Access Burst (erhalt durch UL). Sendet TA an eine Station (DL) Sendet Access Burst zur BS. Wendet TA an. Packet Data Traffic Channel PDTCH Entweder Uplink oder Downlink Point to point/ multipoint nur im DL Daten werden übermittelt. Daten werden von MS empfangen oder gesendet. 11

12 GPRS mobility: session setup PSTN/ISDN IP GMSC HLR GGSN IP Address exists! MSC 4. SGSN 1. BTS BSC 1. I want to do packet 2. Set up a PDP context 3. Tunnel created 4. Radio link established 12

13 GPRS mobility: packets in downlink direction PSTN/ISDN IP GMSC HLR? GGSN MSC? SGSN BTS BSC Inbound packet Where is the mobile? This tunnel! Where is the mobile? This radio link! Allocate a few bursts and send it! 13

14 GPRS mobility: changing the SGSN PSTN/ISDN IP GMSC HLR Still same IP address! GGSN BTS MSC BSC SGSN Tunnel created Radio link established I m here now OK, new link and tunnel 14

15 Beispiel MS abgehender Datenverkehr MS Packet Channel Request Network Benutzte logische Kanäle (PRACH oder RACH) Packet Immediate Assignment Data Block Data Block Data Block Data Block Temporary ACK Data Block Data Block (last) final ACK (PAGCH oder AGCH) (PDTCH) (PACCH) (PDTCH) (PACCH) 15

16 Beispiel MS ankommender Datenverkehr MS Network Packet Paging Request Packet Channel Request Packet Immediate Assignment Packet Paging Response Packet Resource Assignment Data Block Data Block Data Block Data Block Temporary ACK Data Block Data Block (last) final ACK Benutzte logische Kanäle (PPCH oder PCH) (PRACH oder RACH) (PAGCH oder AGCH) (PACCH) (PACCH oder PAGCH oder AGCH) (PDTCH) (PACCH) (PDTCH) (PACCH) 16

17 GPRS Zustandsdarstellung Mobilitymanagement I Idle Mobile nicht angemeldet beim Netz Paging nicht möglich Idle GPRS Attach GPRS Detach GPRS Attach GPRS Detach Standby timer expiry Ready Ready timer Expiry or Force to standby PDU transmission Routing-Area RA Cell ID Standby timer Expiry or Cancel Location Ready Ready timer Expiry or Force to standby PDU reception Standby Standby Mobilstation Cell ID und RA werden durch SGSN verwaltet SGSN 17

18 GPRS Zustandsdarstellung Mobilitymanagement II Inter SGSN RA Update Procedure 1 MS BSS new SGSN old SGSN GGSN HLR/RA MSC/VLR 1 Routing Area Update Request SGSN Context Req. 2 SGSN Context Res. 2 3 Security Functions (optional) SGSN Context Ack Forward Packets 5 Update PDP Context Request Update PDP Context Response Update Location 8 Cancel Location Cancel Location ACK 8 Old SGSN Location Cancelled 18

19 GPRS Zustandsdarstellung Mobilitymanagement II Inter SGSN RA Update Procedure MS BSS new SGSN old SGSN GGSN HLR/RA MSC/VLR Old SGSN Location Cancelled 9 Insert Subscriber Data 9 Insert Subscriber DATA ACK Update Location Ack Location Updating Request Location Updating Request Accept Routing Area Update Accept Routing Area Update Complete Inter SGSN RA Update abgeschlossen 19

20 GPRS leistet: Flächendeckender Dienst Sicher, da basierend auf dem GSM Standard Übliche (realistische) Übertragungsrate ca. 50 kbit/s Bis vss die wichtigste Technologie für den mobilen Datendienst Wachstum in GPRS bis zu 30% bis 2007 Auswahl an preiswerten, einfachen, ausgereiften und sicheren Diensten und Endgeräten Genügend Bandbreite für die meisten bisher genutzten Anwendungen Sichere Investition für die kommenden 3 Jahre Kann auch in Randgebieten genutzt werden internationales roaming möglich 20

21 WLAN in Combination with GPRS: WLAN hotspot bis zu 100 m Wahrscheinlich nur in sogenannten hot spots verfügbar Hohe Übertragungsrate IEEE n 600Mbit/s (Maximum) Handover in das GPRS Netzwerk nicht ohne Störungen und erneuter log-in Prozedur möglich Sicherheitsrisiken? 21

22 From GSM and GPRS to UMTS GPRS Experiences: GPRS ist gut geeignet für TCP/UDP/IP als Trägerdienst Gute Erfahrungen als Basis für das web browsing Erlaubt eine grosse Anzahl an parallelen Verbindungen GPRS System ist einfach zu skalieren (increasing, decreasing PDTCH s) 22

23 GPRS Limitations: Neue Endgräte erforderlich Übertragungsrate variiert Kann einen Einfluss auf die Zellkapazität haben 20-30% (48+ bytes) Protokoll-Overhead im Paketkopf nicht akzeptabel für Applikationen, die kleine Datenpakete versenden QoS Parameter werden für die Dauer einer ganzen Verbindung gesetzt QoS arbeitet nur für das externe Netzwerk. Innerhalb des PLMN werden alle Pakete gleich behandelt (siehe GTP tunneling) 23