CMO - Aula 10

GPRS

• General Packet Radio Service

É uma evolução (adaptação) da rede GSM, que possibilita a prestação de serviços de valor adicionado para comunicação de dados, permitindo o envio e recebimento de informações, por meio da rede de telefonia móvel.

Vantagens

• Utilização de voz e dados no mesmo canal ao mesmo tempo
• Ampla cobertura em todas as unidades
• Acesso imediato e permanente para dados. Para se conectar à rede utilizando GSM são necessários de 15 a 30 segundos, sendo que esse tempo é consumido a cada reconexão. Com o GPRS, uma vez estabelecida a conexão, a mesma estará permanentemente ativa
• Aumento significativo na velocidade de transmissão de dados
• Utilização de protocolos X.25 e IP amplamente divulgados
• Possibilidade de utilização de várias operadoras de telefonia e modelos diferentes de celular-modems, havendo assim uma maior flexibilidade e independência em relação ao mercado
• Redução de custos. Com o GSM a tarifação é efetuada por tempo de conexão. Com o GPRS, a tarifação é efetuada com base na quantidade de dados transmitidos

Evolução da taxa de dados

Necessidade tecnológica

• As operadoras GSM implementaram a tecnologia GPRS em resposta à crescente necessidade dos clientes pelo acesso wireless à Internet. Este serviço, que transfere dados por pacotes através de aparelhos móveis, aumentou a taxa de dados das redes GSM que nos antigos aparelhos era de 9,6 ou 14,4 Kbps

• Em circunstâncias ideais, o GPRS pode operar a taxas de até 171,2 Kbps, o que ultrapassa a taxa de acesso de uma conexão ISDN, porém as taxas reais para as primeiras implementações ficaram em torno de 40 Kbps utilizando um timeslot para uplink e três para downlink.

• Sendo o GPRS um serviço “sempre ativo”, ele deu às operadoras a possibilidade de fornecer a seus clientes um excelente acesso à Internet a um custo plausível, e ainda tarifar pela quantidade de dados transferidos e não somente pelo tempo de conexão.

Serviços

• MMS
• WAP
• Push to Talk
• Vídeo Streaming
• FTP
• E-mail
• VPNs
• Comunicação de Dados em alta velocidade.

Comutação de dados

• Para entender melhor o sistema de comunicação das redes GSM/GPRS é necessário conhecer um pouco sobre as duas técnicas existentes de transporte de dados pelas redes de comunicação:

• A primeira, utilizada pelas atuais redes GSM, é a comutação de circuitos, onde uma conexão é estabelecida do ponto de origem até o destino, os recursos da rede são reservados durante toda a duração da chamada e os dados podem ser transmitidos continuamente ou por bursts. Sendo os recursos alocados durante toda a transmissão dos dados, o número de usuários que podem ser atendidos nessa técnica se torna limitado.

• A outra técnica de comunicação, utilizada pelo GPRS, é a comutação de pacotes, onde os recursos são alocados para o usuário somente quando for necessário enviar ou receber dados. Estes são enviados em pacotes, os quais são roteados pela rede juntamente com o tráfego de outros usuários, permitindo que várias pessoas compartilhem os mesmos recursos, isto aumenta a capacidade da rede e permite que os recursos sejam gerenciados com eficiência.

A rede GPRS

• Por utilizar a comutação de pacotes, os telefones GPRS não necessitam de circuitos dedicados alocados para si. Dinamicamente é estabelecido um canal físico, que permanece enquanto os dados estiverem sendo transmitidos e poderá ser atribuído a outro usuário assim que for concluída a transmissão, tornando mais eficiente o uso da rede.

• Por ter seus pacotes trafegando entre sua rede e redes TCP/IP, o GPRS inclui novos procedimentos de transmissão e sinalização, bem como novos protocolos para integração com o ambiente IP. Novos sistemas de detecção/correção de erros e múltiplos timeslots também são implementados

Classes

No padrão GPRS, tres novos tipos de terminais móveis foram definidos

• Classe A (GSM/GPRS):
  • Attach simultâneo em GSM e GPRS
  • Monitora ambas as redes
  • Suporta tráfego simultâneo nas duas redes
  • Poderá efetuar chamadas em GSM e GPRS simultaneamente
• Classe B (GSM/GPRS):
  • Attach simultâneo em GSM e GPRS
  • Monitora ambas as redes
  • Não suporta tráfego simultâneo nas duas redes
  • Apenas poderá efetuar chamadas em GSM ou GPRS
• Classe C (GSM/GPRS):
  • Utilização alternada em GSM e GPRS, não simultaneamente

A arquitetura da rede GPRS

• O GPRS traz diversas mudanças em relação à rede GSM, sendo a maior parte referente à inclusão de novos blocos e não a modificação do que já existe. Uma análise mais simplificada da rede pode nos mostrar os elementos incluídos pelo GPRS.

GGSN

• Gateway GPRS support node que funciona como uma central de comutação e controle, colocando um gateway entre a rede GPRS de origem e a rede pública ou outras redes GPRS. Algumas funções:
  • Fornecer funções de gerência de autenticação
  • Localizar o assinante, utilizando a interface Gc para se conectar ao registro de localização da unidade móvel (HLR)
  • Contar o número de pacotes transmitidos, permitindo tarifar corretamente o assinante

SGSN

• Serving GPRS support node que controla a conexão entre a rede e a estação móvel, possibilitando:
  • gerência da sessão
  • funções de gerenciamento de mobilidade GPRS, como handovers e paging

• Utiliza:
  • Interface Gr para se conectar ao HLR
  • Interface Gs para se conectar ao registro de localização de visitante (MSC/VLR)
• Neste nó também é feita a contagem do número de pacotes roteados

PCU

• Packet Control Unit ou unidade de controle de pacotes que, podendo ser comparada à camada física do modelo OSI, converte os dados a serem enviados para um formato que pode ser transmitido pela interface aérea

• Também faz a gerência dos recursos de rádio e implementa as medições de QoS (Quality of Service)

SS7

• Para fazer o enlace de sinalização entre os nós GPRS e os blocos GSM foram definidas interfaces SS7 MAP. Entre as novas interfaces físicas estão:
  • Interface Gb, que conecta o SGSN à PCU
  • Interface Gn, que conecta o GGSN e o SGSN
  • Interface Um que provê a comunicação entre a estação móvel e o subsistema da estação radiobase (BSS)
  • Além das interfaces Gc, Gr e Gs que transportam protocolos baseados na SS7.

• Observando abaixo, pode-se obter um maior entendimento das ligações entre estes elementos que compõe a rede GSM/GPRS.Ve-se claramente como os nós da rede GPRS se alocam, logicamente, entre os nós da rede GSM, bem como as interfaces comuns de ambas as redes.

Visão da rede GPRS

• Fonte: Agilent Technologies, 2002, p.10

Camada de protocolos

• Apesar do GPRS utilizar vários protocolos da rede GSM e alguns protocolos padrão como os da família TCP/IP, existem novos protocolos, específicos do GPRS

• A seguir os protocolos utilizados na transferência de informação do usuário através da rede GPRS. Esta estrutura de protocolos é denominada pelas especificações do GPRS de Plano de Transmissão.

• As especificações do GPRS padronizaram o plano de transmissão para suportar serviços de dados IP e X.25. A figura a seguir apresenta o plano de transmissão para o TCP/IP.

Protocolos da interface Gn

GTP (GPRS tunneling protocol)

• Este protocolo recebe e transfere datagramas IP e pacotes X.25, provenientes de redes externas, entre os nós GGSN e SGSN da rede. Como em uma rede podem existir diversos nós, o GTP fornece um TID (Tunnel ID) ou identificador de túnel, que identifica o destino e a transação aos quais o pacote/datagrama pertence

Protocolos da interface Gb

• SNDCP (sub network dependent convergence protocol)
  • Permite às camadas superiores acessarem as facilidades de transmissão ao nível de rede. Ela está especificada em GSM 04.65
  • Se localiza entre o telefone móvel e o SGSN e converte as PDUs (Protocol Data Unit) da camada de rede (N-PDUs) na interface Gn para um formato adequado à arquitetura da rede GPRS base, e também executa várias outras funções, tais como:
    • Multiplexação de N-PDUs de uma ou várias entidades da camada de redeem uma conexão LLC apropriada
    • Colocação das N-PDUs em buffer para o serviço reconhecido
    • Gerência de seqüência de entrega de cada NSAPI (Network Layer Service Access Point Identifier);
    • Compactação e descompactação das informações do protocolo e dos dados do usuário
    • Segmentação e remontagem dos dados compactados até o comprimento Maximo da LLC-PDU;
    • Negociação dos parâmetros de controle (XID) entre as entidades do SDNCP

• LLC (logical link control)
  • Provê através de criptografia um enlace lógico altamente confiável entre a estação móvel e o SGSN. É especificado em GSM 04.64
  • Este módulo usa diversos modos de transmissão de dados e dependendo do modo pode ou não utilizar acknowledgement
  • O LLC também gerencia:
    • a retransmissão de quadros
    • a utilização de buffer
    • o comprimento da informação com base na classe de atraso de QoS negociada

• BSSGP (base station system GPRS protocol)
  • Esta camada é responsável pelo roteamento e informação relativa a QoS entre o BSS e o SGSN. BSSGP esta especificada em GSM 08.18.
  • Sua função básica é fornecer informações relacionadas ao rádio para o uso pelas funções de RLC (radio link control) e MAC (medium access control) na interface aérea
  • Não transporta nenhuma forma de correção de erro além de informações de QoS
  • Utilizando quadros LLC a função de relay do BSS faz a comunicação entre o BSSGP e a camada RLC/MAC. As informações de rede enviadas pelo BSSGP às camadas de serviço para determinar o destino da transferência são:
    • BVCI (BSSGP virtual connection identifier)
    • LSP (link selection parameter)
    • NSEI (network service entity identifier)

• BSSAP+ (BSS Application Part Plus)
  • Define o uso de recursos móveis quando uma estação móvel utiliza ambos serviços, serviço de troca de circuito GSM e serviço de troca de pacotes GSM
  • Define os procedimentos usados no nó de suporte do servidor GPRS (SGSN) para registros de visitantes locais por uma interoperalidade entre serviços de troca de circuitos e pacotes. Mensagens da camada 3 na interface Gs são definidas.
  • A interface GS conecta o banco de dados no MSC/VLR e o SGSN
  • Os procedimentos do protocolo BSSAP+ são usados para coordenar a localização da informação do MS: IMSI agregado a ambos serviços GPRS e não-GPRS
  • Todas as mensagens no BSSAP + usam o serviço sem-conexão do SCCP (Signalling Connection Control Part) classe 0.
  • O comportamento das entidades VLR e SGSN reportadas a interface Gs são definidas pelo estado de associação a um MS. Estados individuais por associação, ex: por modo de operação classe A do MS e Classe, são mantidos em ambos o VLR e o SGSN
  • O tipo de mensagem, unicamente identifica a mensagem sendo enviada.

• NS (network service)
  • Esta camada transporta pacotes de dados do BSSGP. É é baseada no protocolo Frame relay e especificada em GSM 08.16
  • Utiliza o recurso de frame relay da interface Gb para prover uma conexão ponto-a-ponto entre o SGSN e o BSS ou uma rede frame relay. Para realizar o roteamento entre o SGSN e o BSS a interface NS utiliza uma tabela look-up de DLCI (identificador de conexão de enlace de dados).

Protocolos da interface Um

RLC (radio link control)

• Responsável pelas seguintes funções:
  • Transferência de LLC-PDUs entre a camada LLC e a função MAC
  • Segmentação de LLC-PDUs em blocos de dados RLC e a remontagem do blocos de dados RLC para a inserção destes em blocos de quadros TDMA
  • Segmentação e remontagem das mensagens de controle RLC/MAC em blocos de controle RLC/MAC
  • Correção de erro no sentido reverso para a transmissão seletiva dos blocos de dados RLC

MAC (medium access control)

• Realiza o controle da sinalização de acesso na interface aérea, incluindo a gerência dos recursos compartilhados de transmissão, designando o bloco de rádio a vários usuários em um mesmo timeslot.

• Os principais parâmetros do cabeçalho do MAC são:
  • USF (Uplink State Flag), ou Flag de status do uplink
  • RRBP (Relative Reserved Block Period), ou Período relativo de blocos reservados
  • PT (Payload Type), ou Tipo de Payload
  • CV (Countdown Value), ou Valor de contagem regressiva (CV)

• Observando a figura tem-se uma idéia exata da localização das interfaces acima citadas bem como seus protocolos. Ela apresenta em seqüência a pilha de protocolos GPRS, tanto os específicos, como GTP e LLC, quanto os definidos para diferentes redes, como os protocolos IP e X.25. Através dessa figura podemos ver claramente como seria o fluxo dos dados em uma chamada, sendo transmitido em seqüência por cada um dos protocolos.

• Ao notar que a saída de uma interface possui os mesmo protocolos que a entrada da interface seguinte, pode-se ter uma idéia de como é a comunicação entre as interfaces.

Chamada de dados

• Vamos analisar a conexão de dados entre uma aplicação no terminal móvel e um servidor para esta aplicação em uma rede IP externa. Esta aplicação pode ser o acesso a serviços de email, acesso a internet ou a um servidor WAP

• É gerado um pacote de dados TCP/IP que é mapeado na camada LLC pelo SNDCP. A camada LLC garante um serviço confiável no enlace entre a estação móvel e o SGSN
• Para chegar ao SGSN este pacote utilizada camadas de protocolo específicas das interfaces Um (RLC/ MAC e interface rádio) e Gb (BSSGP e NS baseado em Frame-Relay)
• O chaveamento entre as camadas RLC e BSSGP no BSS é feito na camada LLC
• No SGSN os pacotes são chaveados para o Backbone GPRS (interface GN) onde são tranportados através de um protocolo de tunelamento de dados (GTP) em uma rede IP utilizando TCP ou UDP como camada de transporte
• Note que os dados trafegado no backbone GPRS acabam tendo o IP em dois níveis. Este procedimento não é o mais eficiente, mas torna a solução segura e fácil de implementar
• Finalmente no Gateway o pacote de dados é roteado através de uma rede IP externa até o servidor de aplicação
• De modo análogo as especificações do GPRS/GSM definem planos de sinalização para conexões entre os vários nós envolvidos na prestação do serviço GPRS
• Este protocolos são baseados no protocolo de sinalização SS7.