06 - GPRS1.7

PUBLIC NETWORKS (H-504) Ed. 1.7 GPRS 1/27 1/06

GPRS/EDGE

.


Principales caractéristiques (1)

• commutation de paquet => multiplexage statistique entre utilisateurs =>meilleur usage des ressources radios qu’avec TCH (un canal radio pour un seul utilisateur)

• débit théorique maximum possible :170 kbit/s dans le meilleur des cas, i.e. pour 8TS)et selon le type de terminal (en pratique +- 40 kbit/s selon opérateur et le débit peut varier suivant le nombre d’utilisateurs).

• facturation non plus uniquement à la durée, mais au volume de données transmises

• connexion permanente (« allways –on ») • nouveaux services de type paquets mais limités par le faible débit (voir plus

loin) : accès WEB (WAP), e-mail(Internet, entreprise),transfert d’images, dispatching , MMS,…

GPRS : General Radio Packet Service


Principales caractéristiques (2) • Architecture : 2.5 G (step to 3G) • Introduction d’un domaine PS(“packet switched domain”) dans le CN

(Core Network) à côté du domaine CS (“circuit switched” domain du GSM)

• les données (IP, X25,..) sont transportées dans le CN par un protocole spécifique GTP (“GPRS Tunnelling Protocol”)

• Changement minimal à réaliser dans le réseau d’accès ; dans la partie radio , nouveau canal logique PDCH (“packet data channel”)

• Possibilité d’adresse IP pour terminal GPRS (un des arguments pour IPv6).


SMS

GPRS : architecture

BTS

BTS BSC MSC/

VLR

SGSN

GMSC/ VLR

GGSN

PSTN, ISDN, PLMN 2G,...

Packet switch. networks

Circuit switch. networks

IP, X25,Internet,…

CN

AuC EIR

HLR

CS

GTP /IP ntwk

MS

MS

PCUGPRS

Ajouts pour GPRS Existing GSM

New logical channels : PDCH (Packet Data Channels) but same GSM physical channels

GPRSPCUGPRS

PCU : Packet Controller Unit

MS must have GPRS capabilities

GGSN

BTS

BTS BSC

PCUGPRS

PS

FR,ATM ntwk

MAP/SS7

Serving GPRS Support Node

Gateway GPRS Support Node

Nouveaux interfaces

Gb

Gn

Gi


User 1 User1 User 1

temps

Trame n

Trame n+1

PDCH

PDCH

TCH

TCH TCH

TCH

TS7

TS6

TS0

PDCH/TCH TS5

TS3

PDCH/TCH TS4

TS4 et TS5 : allocation dynamique entre GSM et GPRS (trafic TCH, voix, prioritaire)

GPRS : PDCH principe

User 2 User 1 User 2 User 2


User 1 User1 User 1 User 1


User3 User3 User3

User 1 User1

TS pour le TCH (voix)

Fig .1


Entités du domaine PS. 2 GPRS Support Nodes ( ~ 2 edge-routeurs ) :

•• Serving GPRS Support Node (SGSN)) (=> rôle équivalent au MSC/VLR) •• Gateway GPRS Support Node (GGSN) (=> rôle équivalent au GMSC : accès et relations

avec le monde extérieur)


MS 3 classes : • A : can work in both modes : GSM and GPRS ;

can communicate simultaneously with both

• B : can work in both modes : GSM and GPRS ; can communicate only in one mode at a given time

• C : can work in one mode, GSM or GPRS, selected by the user. Note : In practice most MS are Class B; Class A put high requirements on radio capabilities


MS

• Several classes of multi-slot capabilities : A MS class defines the max. number of TS the MS can use in the same frame (i.e. severals PDCH) ; the number can be different in the up-link and in the down-link (remember GSM works in FDD) => possibility of asymetrical rates. e.g. a MS can use 4 TS in the down- link and 1 TS in the up-link; it is said “4+1 “as regards the multi-slot capability

• Some classes can be for half-duplex mode, others for full-duplex mode GPRS standard specify 29 different classes (!) as regards the multi-slot capabilities

• TS must be carefully allocated and some time-intervals are necessary :

- to measure other cells (radio equipment of the MS must align on other frequencies)

- to changes between receiving mode and send mode

.


• the PDCH (see fig.1) is structured in a multi- frame of 52 frames : (48 TS for data, 2 TS for control information (advance –timing) , 2TS for IDLE

( => measurements)

•• user data of the higher layer are mapped on the PDCH by blocs : a bloc = 4 consecutive “TS” in a PDCH ; a bloc can be either user data or signalling .

•• as for GSM, the data is protected against transmission errors by coding

4 coding schemes (CS) depending on propagation conditions of the channel on the air interface (if strong protection e.g. CS1 => low net user data rate).

Coding Scheme Net rate (kbit/s) /TS CS-1 9,05 CS-2 13,4 CS-3 15,6 CS-4 21,4

PDCH and rates


•• the strategy allocation of the TS is under control of the network ;must take care of the services (QoS) requirements of the services, the capability of the terminals and the number/load of the terminals in the cell …

•• practical throughput : o maximum theoretical rate is 171 kbit/s : the 8TS of each time-frame are

allocated to one user ; in fact, the 8 TS of a time-frame are shared between several users (see fig.1);

o usually terminals are at best working in a “4+1” multi-slot capability; gross rate of a PDCH is about 22 kbit/s but with coding, error protection, signalling... the net rates is about the half, 11 kbit/s => means about 40-50 kbit/s for the useful rate for a GPRS MS (and less if the load on the cell is high).

PDCH and rates


IDLE state •• the subscriber is not attached to the GPRS mobility management •• the MS must perform the GPRS Attach procedure to become

operational STANDBY state

•• the subscriber is attached to GPRS mobility management. •• paging for GPRS data or signalling information transfers may be

received.( even paging for CS services via the SGSN). •• data reception and transmission are not possible in this state. •• the MS may initiate activation or deactivation of PDP contexts (a PDP

context shall be activated before data can be transmitted or received for this PDP context).

READY STATE

•• the subscriber is attached to GPRS mobility management •• the MS may send and receive PDP PDUs . •• the network initiates no GPRS paging for an MS in this state ( paging for

other services may be done via the SGSN ) •• the MS may activate or deactivate PDP contexts .

GPRS : 3 states for mobility


POWER ON

IDLE STANDBY READY

OFF

POWER OFF

TIME-OUT (NO MORE DATA) or Ntwk Order

SEND/RECEIVE DATA

ATTACH

DETACH

Located in a routing area (same concept as location area)

Located in a cell area ( in communication phase )

GPRS : 3 states for mobility

Principle : one state more than in GSM : standby . Due to the “discontinuous” way of data transmission in packet mode ,during a session the MS can stay known by the network even without data transmission (if not, authentication as in voice GSM for each new call)


GPRS : traitement des paquets

Contexte PDP

� Après attachement au réseau, une session est établie par l’activation d’un contexte PDP (Packet Data Protocol).

� le contexte contient tous les paramètres nécessaires à la session : o une adresse ( adresse IP, X25,X.121,…) : « PDP address », associée au contexte

PDP o les informations de QoS requises par l’utilisateur pour cette session.

� plusieurs contextes PDP peuvent être activés simultanément : diverses sessions avec divers réseaux (e.g. Internet, Intranet,..) et avec des QoS différentes

� Chaque adresse PDP est associée à un contexte individuel PDP dans le MS , le SGSN et le GGSN.

� L’activation du contexte PDP peut se faire à l’initiative du mobile (connexion au départ) ou du réseau (connexion à l’arrivée)


Adresse PDP

� 2 modes d’allocation des adresses PDP : statique ou dynamique

� statique : abonnement GPRS comporte une ou plusieurs adresses PDP (stockés dans la carte SIM).

� dynamique : le réseau mobile alloue des adresses PDP lors de la demande d’activation d’un contexte PDP. Pour l’accès à Internet, l’attribution d’une adresse IP au mobile peut se faire par l’ISP ( => similaire à l’accès Internet à partir du réseau fixe)

� actuellement, adresses en nombre limité dans IPv4 => adressage dynamique prédominant. Dans le futur IPv6 et une adresse pour chaque terminal.




QoS

� qualité de service décrite par un ensemble de paramètres (et des classes pour chaque paramètre) :

o priorité du service (3 classes de priorité) o fiabilité ( BER, taux de perte des paquets (e.g. suite à time-out) , de

duplication, de non-séquencement ,…) o délais tolérés (en pratique : « best-effort »…) o débits : moyen et crête

� paramètres négociés entre le GGSN et le mobile lors de l’activation du contexte PDP.

.



Each PDP context exists independently in one of two PDP states: Active or inactive

The PDP state indicates whether the PDP address is activated for data transfer or not.

ACTIVE INACTIVE

ACTIVATE PDP context

DEACTIVE PDP context


INACTIVE State

•• The PDP context contains no routeing or mapping information to process PDUs related to that PDP address.

•• No data can be transferred. . ACTIVE State

•• the PDP context for the PDP address in use is activated in MS, SGSN and GGSN.

•• the PDP context contains mapping and routeing information for transferring PDUs for that particular PDP address between MS and GGSN : data can be transferred.

•• the PDP state ACTIVE is allowed in the STANDBY or READY state.



SGSN (Serving GSN)

- contient les informations de souscription et de sécurité venant du HLR, au moment de l’”attach” du mobile) (IMSI, adresse(s) PDP,...)

- contient les identités du mobile :IMSI; identité(s) temporaire(s) (TMSI,

PTMSI (=Packet TMSI »),

- gère l’authentification , la sécurité et la localisation (“routing area” : concept similaire à la LA du GSM), adresse du VLR

- assure le routage des paquets avec les GGSN pour lesquels un contexte PDP actif existe (connexion avec un réseau extérieur)

- à la demande du MS, active un contexte PDP pour une session ( adresse IP/X121, paramètres de QoS,..) (plusieurs contextes PDP peuvent coexister) ; demande au GGSN de créer un contexte PDP

- gère le « paging » suite à une demande du GGSN (en cas de connexion terminating »

- crée des données de charging


GGSN (Gateway GSN) - assure le routage des paquets avec les SGSN pour lesquels un contexte PDP actif existe -création de contexte PDP :

• pour le trafic au départ du MS : crée un contexte PDP suite à la demande du SGSN (rejet si les paramètres (e.g. QoS sont incompatibles avec le réseau extérieur)

• pour le trafic à destination du MS, venant d’un réseau extérieur : en cas de réception de données pour lesquelles i’il n’y a pas de contexte PDP actif pour le MS, il fonctionne comme un G-MSC et crée un contexte PDP :

� consulte le HLR (via IMSI) ,

� obtient l’adresse du SGSN (où le MS est localisé),

� demande au SGSN, l ’activation d’un contexte PDP,… -crée des données de charging


GPRS . Transport des paquets : encapsulation •• Le GPRS transporte de manière transparente les paquets (PDP PDUs) entre les réseaux de données

externes et le MS. Pour l’acheminement, les paquets sont encapsulés et décapsulés dans chaque noeud :MS, BSC,SSGN,GGSN.

•• 2 différentes techniques d’encapsulation sont utilisées : une dans le CN (backbone) entre les GSN’s ( SSGN et GGSN), l’autre entre le SSGN et le MS.

•• pour l’encapsulation entre GSN’s, les PDP PDU sont encapsulés dans le protocole GTP (GPRS Tunnelling Protocol ) , puis dans UDP, puis transportées dans IP au sein du backbone . (les headers IP et GTP PDU contiennent l ‘adresse IP du GSN et le “ tunnel endpoint identifier” qui permettent d’identifier dans le réseau un contexte PDP dans un GSN ). Le GTP a été mis en œuvre car le GPRS peut en principe supporter d’autres réseaux PDN(e.g. X25)


GPRS. Transport des paquets:: protocoles dans le plan usager (U-plan)

Relay

Network

Service

Application

IP

SNDCP

LLC

RLC

MAC

GSM RF

SNDCP

LLC

BSSGP

L1bis

RLC

MAC

GSM RF

BSSGP

L1bis

Relay

L2

L1

IP

L2

L1

IP

GTP-u

IP

Um Gb Gn Gi MS BSS SGSN GGSN

Network

Service

UDP UDP

GTP-u Encap- sulation


EDGE (“Enhanced Data for GSM Evolution “).


Comment augmenter les débits du GPRS ? L’idée : en général, lorsque les conditions de propagation sont favorables pour un utilisateur (e.g. . proche de la BS) on diminue la puissance du mobile But : limiter les interférence vis-à-vis des autres mobiles , équipartition de la qualité de service entre les utilisateurs ,…plus un effet secondaire bénéfique sur la consommation des batteries. Par contre , on peut envisager pour un mobile en conditions radio favorables : (1) d’augmenter l’efficacité de la modulation, .i.e. transmettre plus de bits/symbole. (2) de relaxer le codage du canal (mettre moins de bits pour le contrôle d‘erreurs et augmenter donc l’efficacité du canal ) (3) puisque le mobile se déplace et que les conditions peuvent changer , avoir un codage et une modulation dynamique, qui change suivant les conditions du canal (« link adaptation ») (4) augmenter l’efficacité du traitement des erreurs en cas de retransmission («incremental redundancy»)

EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution »


Ces 3 mesures ont été mises en œuvre dans EDGE. 1. Modulation addition d’un système de modulation 8-PSK (« octogonal Phase Shift Keying » en plus du GMSK du GSM (mais pas de changements fondamentaux dans la structure des canaux radio )

Même gabarit que pour le « burst « GSM (200 kHz) Un burst contient net 148 symboles avec 3 bits/symbole

GMSK 1 bit/symbole

8-PSK 3 bits/symbole


2. MCS (« Modulation and Coding Schemes) Les CS‘ (Coding Schemes ) ont été étendus en MCS (« Modulation and Coding Schemes) : MCS Modulation Débit kbit/s MCS9 8-PSK 59,2 MCS8 8-PSK 54,4 MCS7 8-PSK 44,8 MCS6 8-PSK 29,6 MCS5 8-PSK 21,4 MCS4 GMSK 17,6 MCS3 GMSK 14,8 MCS2 GMSK 11,2 MCS1 GMSK 8,8

� Les changement de MCS peuvent se faire entre paquets d’un même flux=> « link « adaptation » suivant les conditions radio.

� Debits EDGE: débit maximum : 8 x 59,2 kbit/s = 473,6 kbit/s


INFO Protection

INFO Protection Redondance

Bloc initial Codage faible

Traitement combinant les 2 blocs

INFO Protection Redondance

Bloc retransmis Codage + robuste

INFO Protection

INFO

NACK

3. retransmission avec redondance incrémentale (principe)


EDGE :débits

� Débit maximum : 8 x 59,2 kbit/s = 473,6 kbit/s

� Débits liés aux conditions de propagation

Débit d’un TS

Distance

EDGE

GPRS

Eb/No élevé

Eb/No faible

59,2 kbit/s MCS9

13 kbit/s CS2

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Documents

gprs gprs

gprs ms pcu

user1 user

gprs support nodes

networks ms gprs pcu

measurements user data

gprs support node sgsn

duplex mode gprs standard