GPRS

Opšti trendovi Kada se govori o prenosu informacije opšti trendovi u razvoju ove oblasti su usmereni od: prenosa govora → prenosu podataka fiksnih → mobilnim mrežama Uvodjenje novih servisa kod GSM standarda (izvorno se koristi za prenos govornih signala) predstavlja imperativ i novi izazov za projektante, jer se time ostvaruju odredjeni ciljevi i pružaju nove mogućnosti kako za korisnika (users-U) tako i mrežnog provajdera (network provider -NP).

Šta treba ostvariti kod mobilnog prenosa Ono što kod mobilnog prenosa podataka treba ostvariti odnosi se na: obezbedjenje pristupa LAN-u kompanije i Internet-u (zahtev U) ostvarivanje prihvatljive brzine prenosa podataka (zahtev U) obezbedjivanje uslova da pretplatnik bude dostupan celo vreme- ne samo za telefonske pozive nego i informacije kakve su e-mail poruke, ili prijem novih vesti (zahtev U) ponudjivanje fleksibilnijih pristupa, bilo da se radi o komuniciranju sa velikim brojem pretplatnika sporijom brzinom prenosa, ili sa nekoliko pretplatnika velikom brzinom prenosa, sve sa ciljem da se optimizira iskorišćenost mreže (zahtev NP-a) obezbedjivanje jevtinijeg pristupa novim servisima (zahtev U + NP)

Alternativne mogućnosti U trenutku svog uvodjenja GPRS je bio jedini servis koji je ispunjavao zahteve prethodno nabrojanih stavki od 1 do 5. Alternativne mogućnosti koje su tog trenutka postojale nudile su se od strane: HSCSD - (High Speed Circuit Switchd Data) veoma brzi prenos podataka od 14,4 kbit/s po GSM vremenskom slotu, pri čemu je, u cilju postizanja većih brzina moguće grupisati veći broj slotova u jednu celinu (bundle). Nedostatak ovog pristupa je taj što koristi circuit switching servise za prenos podataka, i to što ne može da obezbedi kontinualnu dostupnost i fleksibilnost kako je to definisano u stavkama 3 i 4. UMTS - (Universal Mobile Telephone Sevice) nudi kontinualnu dostupnost (stavka 3), ali je cena uvodjenja i licenciranja veoma visoka, što je u suprotnosti sa stavkom 5.

Prednosti GPRS-a Osnovne prednosti koje GPRS nudi uglavnom su posledica korišćenja tehnike packet switching, a to su: s obzirom da su uredjaji u stanju da manipulišu sa paketnim prenosom, podatke je moguće direktno rezmenjivati uz korišćenje Internet-a ili intranet-a kompanija. paketi kreirani od strane jednog korisnika mogu se bežično prenositi u periodu od nekoliko vremenskih slotova (bundling) prenos podataka ne mora da bude u kontinualnim vremenskim slotovima, štaviše respoložive slotove moguće je istovremeno koristiti od strane većeg broja korisnika (prvo šalje jedan, zatim drugi, nakon toga treći korisnik, itd.) čak i kada korisnici ne primaju i predaju oni i dalje ostaju povezani/dostupni sa LAN-om njihove kompanije, a da pri tome ne koriste bilo koji resurs korisnici predstavljaju samo alocirane resurse i njima se pristupa samo kada je to potrebno GPRS se implementira sa GSM standardom tako da nema potreba za korišćenjem novih frekvencija.

GPRS aplikacije i mogućnosti

GPRS arhitektura Sa ciljem da podrži GPRS, standardna GSM (Global System for Mobile Communications) mreža je modifikovana tako da može prenositi podatke u packet switching režimu rada.

GSM mreža – osnova za GPRS GSM mreža, alternativno nazvana PLMN (Public Land Mobile Network) se deli na veći broj delova poznatih kao podsistemi, pri čemu svaki obavlja različitu funkciju.

Mobilna stanica kod GSM-a Na strani korisnika se nalazi uredjaj nazvan mobilna stanica (Mobile Station- MS). MS čine mobilni uredjaj (Mobile Equipment-ME) i pretplatnički identifikacioni modul (Subscriber Identity Module-SIM). Mobile equipment (ME), device as: 1. User interface speech input and output data handling (received e.g. via CSD or GPRS) dialling and storing numbers advanced menu functions 2. Transmitter/receiver to/from BTS Subscriber identity module (SIM), for: Authentication key and algorithms Ciphering algorithms User identification Additional telephone book

Tri klase GPRS uređaja Postoje tri različite klase GPRS uredjaja: Klasa A: uredjaj može istovremeno da manipuliše kako sa govornim pozivima tako i sa paketnim prenosom podataka Klasa B: uredjaj može, ali ne istovremeno, da manipuliše sa govornim pozivima i paketnim prenosom podataka, pri čemu može u trenutku telefonskog poziva da postavi prijem paketa u režimu rada hold Klasa C: uredjaj je u stanju da manipuliše sa govornim signalima i prenosom podataka, ali mora eksplicitno da diskonektuje jedan režim rada sa ciljem da manipuliše sa drugim

Uloga SIM kartice SIM karticu obezbedjuje mrežni operator. Kartica se sastoji od jedne male čip kartice (SIM kartica), koja čuva važne podatke koji se odnose na: Internacionalni mobilni identifikator pretplatnika (International Mobile Subscriber Identity- IMST) i identifikacioni broj mobilne stanice (Mobile Station Identity Number- MSIN) Autentični ključ individualnog pretplatnika, Ključ za šifru (Ciphering Key), neke matematičke procedure (algortmi) koji se koriste za izračunavanje odgovarajućih ključeva podsetnik telefonskih brojeva procesor (SIM toolkit) koji se koristi za izvršenje specifičnih softvera sa ciljem da se ostvare novi servisi kakve su mobilne bankarske aplikacije, informacije o tržištu robe i usluga, itd.

Bazna primo-predajna stanica (BTS) BTS mora da ispuni sledeće zahteve: da bude pouzdana i da po niskoj ceni pruža usluge korisnicima, da cena BTS-a bude niska jer je broj BTS-ova na teritoriji jedne zemlje veliki robustnost dizajna treba da je na zavidnom nivou kako bi izdržala spoljašnje meterološke uslove rada (vetar, sunce, kiša, sneg, ...) BTS zajedno sa MS-om radi u tandemu, kada su u pitanju spoljni uslovi rada. Sa PLMN-om BTS se spreže preko BSC-a.

Bazna primo-predajna stanica (BTS) Osnovni zadaci koje obavlja BSC su sledeći: kodiranje kanala koristeći prenose tipa FR (Full Rate), HR (Half Rate), i EFR (Enhanced Full Rate). šifrovanje (ciphering) i dešifrovanje (koristi se samo kod tehnike sa komutacijom kola) sinhronizacija rada nekoliko MS-ova po vremenu i frekvenciji formiranje paketa (burst), multipleksiranje i HF modulaciju za sve aktivne MS-ove evaluacija i optimizacija Uplink i Downlink kvaliteta prenosa (koristeći izveštaja iz sopstveno sprovedenih merenja kao i merenja na strani MS-a)

Kontroler bazne stanice (BSC) Kontroler bazne stanice (BSC- Base Station Controller) obavlja sledeće funkcije: donosi odluku o handover-u evaluira signalizaciju izmedju MS i centrale (jezgra mreže) obavlja paging u grupi ćelija za svaki MTC (Mobile Terminating Call- pretplatnik mora biti lociran, paged i authenticated sa ciljem da primi poziv). upravlja radio-resursima za svaku BTS komutira vremenske slotove od jezgra mreže ka pravoj BTS, i obratno obezbedjuje centralizovani rad i pristup odrzavanju sa jedne tačke nadgledanja za ceo BSS memoriše konfiguracione podatke za sve elemente u BSS-u

Kontroler bazne stanice (BSC) blok šema Transcoding equipment (TCE): Transcoding of speech data from13 kbit /s to 64 kbit/s Rate adaptation from BSS to NSS Base station controller (BSC): Simple switching tasks Controlling of BTS and TCE Signalling end point Operator access point Base tranceiver station (BTS): Transmission of compressed and ciphered data Modulation Control of transmission quality Power control and timing advance

Uređaj za transkodiranje Uredjaj za transkodiranje (Transcoding Equipment- TCE) alternativno nazvan TRAU (Tranascoding and Rate Adaptation Unit) ima osnovnu ulogu da obavi adaptaciju različitih brzina u prenosu podataka.

Mobilni komutatorski centar servisa Mobile service switching centre MSC: Switching of the users Number translation for routing and charching Traffic observation Lowful interception Operator access point Transition to other networks (as gateway MSC) Home location register HLR: Status user data Temporary user data like current VLR area Authentication centre AC (associated with HLR): User authentication and delivery of the coding key onrequest of VLR Visitor location regiter VLR (associated with MSC): Temporary user data like location area Requests triples from AC and stores them temporarily Equipment identity register (optional): Authentication of equipment Supervisor of suspecious devices

Novi elementi kod GPRS-a Osnovna razlika izmedju GSM-a i GPRS-a u pogledu prenosa je sledeća: GSM koristi tehniku sa komutacijom kola (circuit switching) dok GPRS paketnu-komutaciju (packet switching). Primalac paketa može biti drugi korisnik, ili neki server na Internet-u.

Čvorovi kod GPRS-a Postoje dve tipa čvorova: gateway - spona prema spoljnoj mreži za prenos podataka, čvor koji opslužuje korisnika. Gateway GPRS Support Node (GGSN) je u stanju da rutira pakete ka tekućoj lokaciji mobilnog korisnika. Zbog ovoga GGSN mora da ima pristup HLR-u sa ciljem da dobije informaciju o lokaciji mobilnog korisnika kome se opslužuje paket. Čvor koji opslužuje potrebe mobilne stanice naziva se Serving GPRS Support Node (SGSN). SGSN je zadužen za upravljanje radom MS-a sa tačke gledišta mobilnosti. Takodje SGSN u toku prenosa vrši i šifrovanje paketno-orijentisanih poruka. Oba GPRS Support Nodes (GSN) mogu sakupljati podatke.

Razlike govor-podaci GPRS-ov celularni telefon treba biti u stanju da prenosi podatke u režimu rada zasnovan na paketnoj-komutaciji, dok prenos govora treba da bude baziran na konceptu komutacije-kola. To znači da, u okviru mreže, treba da postoji mrežni elemenat koji će praviti razliku izmedju ova dva različita tipa prenosa, i usmeriti svaki prenos ka odgovarajućem delu mreže, tj. prema MSC-u ili prema SGSN-u. Ovo je jedna od glavnih funkcija bloka Packet Control Unit (PCU). Ostale funkcije PCU-a su: segmentiranje i reasembliranje paketa, u downlink i uplink smeru, respektivno pristup upravljanju planiranje izvršenja svih aktivnih prenosa uključujući upravljanje radio kanalom kontrolisanje prenosa (provera, baferovanje, retransmisija) PCU može biti ugradjen na različita mesta u okviru mreže, kao na primer: da bude deo BTS-a, deo BSC-a, da se ugradi pre komutacije (MSC-a). Čini se da je najbolje rešenje ono kada je PCU deo BSC-a.

Šema GSM + GPRS Gateway GPRS support node (GGSN) for transition to the Internet Serving GPRS support node (SGSN) for serving users GPRS register (GR) as an HLR extension for data service specific information SGSN location register (SLR) like VLR but for data services Packet control unit (PCU) for the discrimination of packet and speech data

Interfejsi kod GPRS-a Glavni interfejsi kod GPRS prenosa-podataka su: Gb, interfejs izmedju BSS(PCU) i SGSN, Gn, izmedju svih SGSN-ova, a takodje ka GGSN-u mobilne mreže, Gi, interfejs od GGSN ka PDN, Gp, interfejs ka GGSN druge mobilne mreže

IP konekcije na GPRS mrežu Dominantni protokol koji se danas u svetu koristi za prenos podataka po mrežama je Internet Protocol (IP). Kod fiksnih mreža za prenos podataka IP se implementira na postojećim mrežnim arhitekturama kakve su Ethernet, Frame Relay i ATM, putem korišćenja postojećeg hardvera, kojim se ostvaruje željeni put u okviru mreže. Kod mobilne GPRS mreže GPRS pretplatnik takodje ostvaruje logičku IP konekciju sa spoljnom mrežom za prenos podataka pri čemu se IP implementira na GPRS mrežu

IP konekcije na GPRS mrežu nastavak U sklopu GPRS servisa mobilni pretplatnik prima IP adresu od spoljne IP mreže, tj. vidi se kao član IP mreže. Kao i kod standardnih fiksnih mreža za prenos podataka, IP paketi se prenose izmedju MS-a i servera u IP mreži. Pri ovome GPRS standard odredjuje kako se IP paketi prenose preko radio intefejsa i cele GPRS mreže.

Interfejsi GPRS mreže Pored interfejsa koji postoje kod klasične GSM mreže za potrebe implementacije GPRS servisa neophodno je u GSM i GPRS mrežu uvesti nove interfejse Deo interfejsa ( Gb, Gi, Gn, i Gp) se koristi za prenos korisničkih i signalnih podataka, a deo se koristi isključivo za prenos signalnih podataka (Gc, Gf, Gr, i Gs).

GPRS procedure Pre nego što se može ostvariti prenos podataka izmedju MS-a i spoljne mreže za prenos podataka, neophodno je obaviti odredjene pripreme koje će omogućiti prenos IP paketa preko GPRS mreže. Da bi se ostvario ovaj zadataka potrebno je sprovesti sledeća tri koraka: MS mora da se poveže na GPRS mrežu. Ova procedura se naziva GPRS attach. To je logička procedura izmedju MS i SGSN koja vodi računa o poziciji (tj. routing oblasti) MS-a. Pamćenje i ažuriranje pozicije MS-a je od posebne važnosti za DL (downlink od BTS ka MS) prenose, jer ova informacija omogućava da GPRS mreža locira MS. Kako se u okviru GPRS mreže pronalazi pravi put za IP pakete? Mora se uspostaviti konekcija izmedju MS-a i SGSN-a, tu se pre svega misli na aktiviranje PDP-a (Packet Data Protocol) konteksta. Nakon ove procedure svaki čvor u GPRS mreži zna kako mora da prosledi IP paket date MS. Priprema se put izmedju MS-a i spoljne mreže za prenos podataka, tako da se IP paketi namenjeni odredišnoj adresi mogu slati preko GPRS mreže.

GPRS procedure nastavak

GPRS attach Pretplatnik izdaje zahtev za aktiviranje GPRS attach procedure u trenutku kada se on registruje na GPRS mrežu. To je slučaj kada on prebacuje režim rada na svom mobilnom uredjaju, ili kada eksplicitno aktivira GPRS, a već je prisutan (povezan) na GSM mrežu. Kao rezultat ove procedure imamo da SGSN (tj. SLR) zna da je MS aktivirala GPRS. Ako je MS već bila registrovana za rad sa drugom SGSN, nova SGSN ažurira HLR tako da HLR (tj. GR) zna identitet tekuće SGSN. HLR nakon toga šalje GPRS-ove specifične podatke koje se odnose na MS prema tekućem SGSN-u.

GPRS attach nastavak Specifični GPRS podaci se odnose na razlićite PDP kontekste koji se postavljaju (važe) za ovaj MS. PDP-ov kontekst opisuje GPRS-ovu konektivnost za prenos podataka koja se odnosi na MS. Informacija koja opisuje ovaj kontekst se šalje od strane HLR i sadrži: APN (Access Point Name): logičko ime željene mreže za prenos podataka, kao na primer elfak.ni.ac.yu QoS (Quality of Service): odnosi se na prioritete, kašnjenja, pouzdanosti, propusnost željene aplikacije (prenos govora, video, pretraživanje po Internetu, download-ovanje, i dr.) PDP protokol: odnosi se na protokol koji se koristi izmedju MS-a i spoljne mreže za prenos popdataka, obično je to IP(verzija 4 ili 6). permanentna adresa (obično IPv6) MS-a ako MS ima takvu adresu

GPRS attach procedura Poruke koje se odnose na GPRS attach procedure radi povezivanja MS-a i SGSN-a pripadaju GPRS-ovom Mobility Management GMM GMM - GPRS Mobility Management E1 – link with 2048 kbit/s MAP – Mobile Application Part LLC – Logical Link Control FR – Frame Relay MTP – Message Transfer Part TLLI – Temporary Logical Link Identifier

Aktiviranje konteksta PDP-a U trenutku kada želi da startuje svoj GPRS servis pretplatnik zahteva da se aktivira PDP kontekst (PDP - Packet Data Protocol). Da bi to uradio pretplatnik mora da izabere početnu stranicu i APN (Access Point Name), kakav je recimo elfak.ni.ac.yu, uz specificiranje određenog QoS-a TI–Transaction Identifier IP–Internet Protocol GTP–GPRS Tunneling Protocol TLLI–Temporary Logical Link Identifier SM- Session Management L2- Layer 2 TID-Tunnel Identifier LLC–Logical Link Control E1- Link with 2048 kbit/s FR – Frame Relay

Prenos podataka U ovoj fazi aktivira se PDP-ov kontekst prema APN-u selektovan od strane MS-a, tj. definiše se logički put između MS-a i spoljne IP mreže, na sledeći način: od spoljne IP mreže MS je primila privremenu IP adresu, tako da se sada MS vidi kao član IP mreže prema SGSN-u MS se identifikuje od strane TLLI-a (na LLC nivou), a PDP-ov kontekst se identifikuje od strane NSAPI-a (na nivou SNDCP) između SGSN i GGSN pojedina MS i svaki njen PDP-ov kontekst se identifikuje (prepoznaje ) od strane TID-a na Gi-ovom interfejsu GGSN postavlja korektni (pravi) fizički port (nivo 2) interfejsa Gi za ovaj (izabrani) kontekst PDP-a.

Logički prenos podataka NSAPI: Network Service Access Point Identifier IP: Internet Protocol GTP: GPRS Tunneling Protocol SNDCP: Sub Network Dependent TLLI: Temporary Logical Link Identifier Convergence Protocol L2: Layer 2 TID: Tunnel Identifier LLC: Logical Link Control E1: Link with 2048 kbit/s FR: Frame Relay

Radio blokovi i kodne šeme Digitalna informacija koja se predaje preko radio interfejsa deli se na radio-blokove. Jedan radio-blok čine 456 bitova, i to je informacija koja se može poslati u određenom vremenskom slotu u četiri uzastopna TDMA okvira To znači da ako je jednoj mobilnoj stanici radi potrebe prenosa informacije dodeljen vremenski slot (UL ili DL), mobilna stanica prenosi u suštini četiri puta u ovom vremenskom slotu, iz razloga što je jedan radio blok najmanja jedinica informacije koja se prenosi preko ovog radio interfejsa. Zbog ovoga se deoba kanala ne izvodi na principu vremenski slot - po - vremenski slot, nego na principu radio blok - po - radio blok.

Radio blokovi i kodne šeme

Četiri kodne šeme - CS Kod GPRS-a su definisane četiri različite CS kodne šeme. Svaki radio-blok se kodira koristeći jednu od ovih kodnih šema. Kodne šeme se u zavisnosti od kvaliteta radio interfejsa mogu alternativno koristiti, ali CS se ne može promeniti u toku prenosa, tj. CS se može, ako je potrebno, promeniti na svaka četiri TDMA okvira (trajanje jednog radio-bloka).

Četiri kodne šeme – CS1 CS-1 je veoma pouzdana kodna šema jer se po jednom radio-bloku šalje samo 181 korisnički bit. Pored ovih bitova postoje i 3 bita za Uplink State Flag, 40 bitova za detekciju greške nazvani Block Check Sequence, i 4 Tail bita. To ukupno čini 181+3+40+4=228 bitova, pri čemu se svi oni dupliciraju (kopiraju) tako da tačno imamo 2*228=456 bitova što predstavlja broj bitova koji se prenose jednim radio blokom. Kod ove kodne šeme informacija koja se šalje preko radio interfejsa ima 100% redundtantnost.

Četiri kodne šeme – CS2 CS-2 je manje pouzdana kodna šema jer se po jednom radio bloku šalju 286 korisničkih bitova, što znači da je u radio bloku prisutno manje redundantnih bitova. Pored korisničkih bitova posoje 2*3 bita za Uplink State Flag, 16 bitova za detekciju greške nazvani Block Check Sequence, i 4 Tile bita. Ukupno to čini 286+6+16+4=294 bita, pri čemu su svi oni kopirani (duplirani) tako da se dobija 588 bitova. S obzirom da radio blok može da prenese samo 456 bitova, 132 bita se moraju izbaciti. ovo se izvodi na sistematski način pomoću procedure poznate kao puncturing, tj. CS-2 ima 132 "probušena" (izostavljena) bita.

Četiri kodne šeme – CS3 CS-3 je menje pouzdana kodna šema u odnosu na CS-2 jer se po radio bloku šalju 312 korisničkih bitova što odgovara manjoj reduundansi. Pored korisničkih bitova postoje 2*3 bita za Uplink State Flag, 16 bitova za detekciju greške nazvani Block Check Sequence, i 4 Tile bita. Ukupno to čini 312+6+16+4=338 bitova, pri čemu su svi duplicirani tako da imamo 676 bitova. Kao rezultat CS-3 ima 220 izostavljenih bitova jer se po radio bloku prenosi samo 456 bitova.

Četiri kodne šeme – CS4 CS-4 je najmanje pouzdana kodna šema jer se po radio bloku šalju 428 korisničkih bitova. Takođe se mogu dodati i bitovi za proveru greške u prenosu. Pored toga postoje 4*3 bita za Uplink State Flag, 16 bitova za detekciju greške u prenosu nazvani Block Check Sequence. Ukupno to čini 428+12+16=456 bitova, što tačno odgovara veličini radio bloka. U ovom slučaju ne postoje izostavljeni bitovi jer ova kodna šema ne koristi redundansu.

Četiri GPRS-ove kodne šeme