GPRS - EDGE

GENERAL PACKET
RADIO SERVICE
(GPRS)
Enhanced Data rates for GSM Evolution
(EDGE)

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Contenido

1. Introducción
2. Arquitectura de Red
3. Interfaz Radio
4. Gestión de Recursos Radio
5. Gestión de Movilidad
6. Gestión de Sesiones
7. Gestión de Seguridad
8. Servicios GPRS
9. Evolución


1. Introducción
Requisitos de mercado y evolución tecnológica:


1. Introducción
Inconvenientes de GSM GPRS (General Packet Radio
para tráfico de datos: Service)

• Baja velocidad de • Evolución de las redes GSM
transmisión (9.6 Kbps). para proporcionar mayores
velocidades y mejores
• Desaprovechamiento de prestaciones en el acceso
recursos radio móvil a servicios de datos e
(Conmutación de internet.
circuitos). • Mejor aprovechamiento de
• Tarificación por tiempo de los recursos radio
conexión. (Conmutación de paquetes).
• GPRS complementa a las
• Sólo el 2% de tráfico en redes GSM, no las sustituye.
GSM son datos. • Tarificación por volumen de
información.

1. Introducción


2. Arquitectura de Red


Subsistemas de Red
• Equipo de Usuario
• Subsistema de Estación Base (BSS)
• Subsistema de Conmutación de Red (NSS)


Subsistema de Estación Móvil (MSS)
Tipos de Equipos de Usuario:

Clase A
Pueden estar registrados en la red GSM y en la
red GPRS simultáneamente. Pueden recibir o
enviar tráfico GSM y GPRS simultáneamente.
El paging se realiza a la vez para ambas redes.

Clase B
Similar a los equipos de clase A, con la
diferencia que no pueden recibir o enviar tráfico
GSM y GPRS simultáneamente. Son la clase de
equipos más comunes.

Clase C
Tienen funcionalidad GSM y GPRS pero sólo
pueden estar registrados en una red (GSM o
GPRS) a la vez.


Subsistema de Estación Base
• BTS
• BSC
• TRAU
• CCU (Channel Codec Unit):
Codificación y entrelazado
para protección contra errores.
• PCU (Packet Control Unit):
Separa tráfico de voz (CS) y
tráfico de datos (PS).


Subsistema de Conmutación de Red
• Elementos Comunes a
GSM
– MSC
– HLR
– VLR
– AUC
– EIR
• Nuevos elementos
– SGSN
– GGSN
– BG
– DNS
– Firewalls
– PLMN Backbone:
– Charging Gateway
– LIG


Serving GPRS Support Node (SGSN)
Es el elemento más importante de la red GPRS. El SGSN de la red
GPRS es equivalente a la MSC de la red GSM.

Funciones:
• Conversión de protocolos (Por ejemplo IP a FR).
• Cifrado de datos.
• Compresión de datos.
• Autenticación de usuarios en red GPRS.
• Gestión de movilidad.
• Ruteo de datos al GGSN adecuado en conexiones a redes externas.
• Recolección de información de facturación por servicios GPRS.
• Recolección de información estadística para propósitos de gestión de
red.


Gateway GPRS Support Node (GGSN)
Es la puerta de enlace a redes externas. Toda conexión a una
red fija externa debe pasar a través del GGSN.

Funciones:
• Punto de anclaje en una conexión GPRS.
• Ruteo de paquetes a la SGSN apropiada.
• Ruteo de paquetes a las redes externas correctas.
• Interfaz a redes IP externas.
• Enfrentar problemas de seguridad.
• Recolección de datos de cargos por tráfico y estadísticas.
• Asignación de direcciones IP estáticas o dinámicas.
• Participación en el establecimiento de túneles con el SGSN y
con otras redes externas y VPN (Virtual Private Network).

Border Gateway (BG)
• Provee un túnel de comunicación directo entre diferentes
redes de operadores GPRS (Inter-PLMN).
• Es más seguro transferir datos entre dos redes PLMN a
través de una conexión directa que a través de la red
Internet pública.
• Esencialmente permite a un usuario en Roaming
conectarse a una intranet a través del GGSN de su
operador (Home GGSN) utilizando la red PLMN vistada.


Firewalls (FW)
• Protege la red IP contra ataques externos (por ejemplo
hackers de internet o usuarios móviles).
• Podría configurarse para que rechace todos los paquetes
que no son parte de las condiciones iniciales de
suscripción de los usuarios.
• Puede también incluir NAT (Network Address Translation).


PLMN backbone
• Red basada en IP que interconecta todos los elementos
GPRS.
• Existen dos clases:

– Intra-PLMN: Permite a los SGSNs y GGSNs de un operador
comunicarse entre sí. Es una red IP privada (utiliza direcciones IP
privadas).

– Inter-PLMN: Permite a los SGSNs y GGSNs de varios operadores
comunicarse unos con otros.


Otros
• Charging Gateway (CG)
– Nodo de facturación

• Legal Interception Gateway (LIG)
– Pasarela de intercepción legal en la cual se almacena el tráfico de
usuarios bajo sospecha por un periodo temporal y que puede ser
consultada por la autoridad, previa autorización judicial.

• Domain Name Server (DNS)
– Resolución APN (Access Point Name)
– Resolución inversa de direcciones IP.


Interfaces de Red


Interfaces de Red
Interfaz Elementos Uso Principal Tipo de protocolo
Um MS-BTS Interfaz radio RLC/MAC
Abis BTS-BSC Interfaz GSM RLC/MAC
estándar
Gb BSC-SGSN Datos GPRS LLC/FR
Consultas HLR para
Gc GGSN-HLR activación de contexto IP/SS7
PDP
Gd SGSN-SMS GMSC Intercambio de SMS SS7

Gf SGSN-EIR Verificación de SS7
identidad de terminal

Gi GGSN – Red de Transferencia de IP
datos datos
SGSN-SGSN Gestión de movilidad
Activación de
Gn contexto PDP y IP
SGSN-GGSN transferencia de
datos.
Gp BG-BG Enlace entre IP
operadores
Gr SGSN-HLR Gestión de SS7
localización
Ga SGSN-MSC/VLR Gestión de movilidad SS7
GSM/GPRS


3. Interfaz Radio

• Modulación
• Avance de tiempo
• Sincronización
• Control de Potencia
• Codificación de canal
• Interleaving
• Framing
• Medium Access Control (MAC).
• Segmentación de datos
• Control de congestión
• Multiplexaje
• Medición de niveles de señal
• Handover


Esquemas de Codificación
• Adicional al CS1 utilizado en GSM, GPRS incluye tres
nuevos esquemas de codificación CS2, CS3 y CS4.


Esquemas de codificación
Estructura de bloque radio:

CS1,CS2, CS3 CS4


Rendimiento de codificación:

Codificación Número de Número de Duración de Tasa de Número de Porcentaje
bits de bits de datos bloque radio rendimiento bits de de
bloque radio en bloque efectivo cabecera cabecera
radio

CS-1 456 181 20 ms 9.05 Kb/s 275 60 %
CS-2 456 268 20 ms 13.4 Kb/s 188 41 %
CS-3 456 312 20 ms 15.6 Kb/s 144 32 %
CS-4 456 428 20 ms 21.4 Kb/s 28 6.1 %


Codificación utilizada según C/I
C/I CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 Mejor
rendimiento
12 dB 8 Kb/s 6 Kb/s 4 Kb/s 0.5 Kb/s CS-1

15 dB 8 Kb/s 10 Kb/s 8 Kb/s 1 Kb/s CS-2

20 dB 8 Kb/s 12 Kb/s 14 Kb/s 5 Kb/s CS-3

Tasa de transferencia según número de TS y tipo de codificación
Esquema de CS-1 CS-2 CS-3 CS-4
codificación

1 TSL 9.05 Kb/s 13.4 Kb/s 15.6 Kb/s 21.4 Kb/s



Modulación
GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) en GPRS

Cada bit es representado por un símbolo. Consiste en una modulación
MSK con prefiltrado gaussiano para reducir el ancho de banda base a
aproximadamente la tercera parte.


Modulación
8PSK (8 Phase Shift Keying) en EDGE

Bits Símbolo Fase
digitales

111 0 0
011 1 π/4
010 2 π/2
000 3 3π/4
001 4 π
101 5 -3π/4
100 6 - π/2
110 7 - π/4


Modulación
Esquemas de Modulación y codificación en EDGE:

Tasa de Bloques Tasa
Tasa Bits en
código RLC por de
Esquema de Mod. bloque BCS Cola HCS
de bloque datos
código radio
cabecera radio (Kb/s)
MCS-9 1.0 0.36 2 2x592 59.2
MCS-8 0.92 0.36 2 2x544 2x12 2x6 54.4
MCS-7 0.76 0.36 2 2x448 44.8
8PSK 592
29.6
MCS-6 0.49 1/3 1 548+48
27.2
(relleno)
MCS-5 0.37 1/3 1 448 8 22.4
MCS-4 1.0 0.53 1 352 17.6
12 6
296
14.8
MCS-3 0.8 0.53 1 272+24
GMSK 13.6
(relleno)
MCS-2 0.66 0.53 1 224 11.2
MCS-1 0.53 0.53 1 176 8.8

4. Gestión de Recursos Radio
Los time slots para el tráfico CS son asignados por la red GSM, para el tráfico PS son asignados por la PCU.
El tráfico CS tiene prioridad sobre el tráfico PS en la asignación de time slots.

Los time slots GPRS se clasifican en:
• Dedicados: Exclusivamente reservados para tráfico GPRS.
• Por defecto: Time slots para tráfico GPRS que pueden ser asignados a tráfico CS si fuera necesario.
• Time slots adicionales: Para tráfico GSM pero que pueden ser asignados para tráfico GPRS si fuera
necesario.

Para la gestión de los recursos radio el operador puede configurar :
• Capacidad GPRS celda por celda.
• Cantidad de time slots dedicados, por defecto y adicionales.


Canalización
• Dos bandas de frecuencias para el tráfico de subida y bajada (FDD).
• Canales de RF de 200 KHz de ancho de banda para el acceso múltiple de
usuarios (FDMA).
• 8 time slots/canal RF, cada uno de los cuales representa un canal físico (TDMA).
• Cada canal físico se puede compartir entre múltiples usuarios o procesos, los que
se conoce como canales lógicos.


Canalización
• Agrupación de canales: Se puede asignar más de un canal
físico a cada usuario, hasta un máximo de 8.
• En la práctica, la mayoría de las MS sólo puede soportar hasta
3 canales físicos para evitar traslape entre la transmisión y la
recepción (Retardo Tx/Rx de transponder).


• La red GSM utiliza el concepto de Área de Localización
(LA) para el aviso o paging a suscriptores.
• GPRS tiene un nuevo concepto de localización
denominado Área de Encaminamiento (RA).


• Área de Localización (LA): El propósito principal del LA
es para localización y aviso de llamadas a las MS.
• Área de Encaminamiento (RA): Se define como una o
un grupo de celdas en un área de localización, que se
utiliza para localización y aviso para suscriptores GPRS.


Estados de una MS
IDLE
– MS no registrado en red GPRS.
– Estación móvil inalcanzable.
– Está en estado pasivo.
READY
– EL SGSN conoce la celda en la que se encuentra la MS.
– Se encuentra transmitiendo o recibiendo datos.
– Está en estado activo.
– La MS permanece en estado READY hasta que expira el “READY
timer” u ocurre un detach GPRS.
STANDBY
– El SGSN conoce el Routing Area en el que se encuentra la MS.
– Acaba de salir del estado activo.
– MS aún registrado en la red GPRS.


Estados de una MS


Gestión de Localización
Conjunto de procedimientos para manejar cambios de celdas, áreas de cobertura
SGSN o RAs de un terminal transfiriendo datos. El conjunto de procedimientos se
manejan desde el SGSN.

Inter-SGSN: El antiguo y el nuevo RA son atendidos por diferentes SGSNs.
Intra-SGSN: Cuando el antiguo y el nuevo RA pertenecen al mismo SGSN.


6. Gestión de Sesiones
• Se refiere a la activación o desactivación de sesiones de
datos entre una MS y una red externa.
• Para establecer sesiones de datos, el sistema GPRS
provee un grupo de funciones para asociar una MS con
una dirección (por ejemplo, IP) llamado Funciones de
contexto PDP.
• El contexto PDP puede también ser modificado.


Contexto PDP (Packet Data Protocol)
• Le permite al usuario conectarse a una red externa de
datos, por ejemplo internet. Describe principalmente:

– Tipo de red (X.25, Internet, Intranet)
– Dirección PDP (IP, X.25)
– APN (Access Point Name)
– Parámetros de calidad de servicio.

• Una MS puede tener más de un contexto PDP activado,
el cual se mantiene activo hasta que se realiza su
desactivación.


Contexto PDP
• Activación: Consiste básicamente en obtener una
dirección IP.


Contexto PDP
• Desactivación
– Cuando se completa una transferencia de datos.
– Cuando la red experimenta problemas de congestión.
– En este estado la MS no puede enviar ni recibir datos.

• Modificación
– Durante una trasferencia de datos es posible cambiar algunos
parámetros,.
– Por ejemplo: Cuando hay escasez de recursos el QoS puede ser
disminuido y/o aumentado en caso contrario.


Roaming
• AP (Access Point) ofrecido por la red PLMN visitada: El suscriptor accede a la
PDN externa a través del GGSN y el SGSN de la red visitada.
• AP ofrecido por la red PLMN local (Home): El acceso a la PDN externa se realiza
a través del GGSN local del suscriptor y el SGSN de la red visitada.


7. Gestión de Seguridad GPRS
Hereda las funciones de seguridad de GSM:

• Autenticación del suscriptor.
• Identificación de terminal mediante su IMEI.
• Confidencialidad de la Identidad del Usuario.
• Cifrado de datos entre la MS y el SGSN.

Funciones adicionales:

• Direccionamiento IP privado en la red troncal GPRS.
• Enlaces cifrados y autenticación entre nodos de la red troncal
GPRS.
• Detección de paquetes provenientes de redes externas
mediante la inclusión de firewalls.


7. Gestión de Seguridad GPRS


8. Servicios GPRS
• Servicios Punto a Punto (PTP): Transferencia de
paquetes entre dos suscriptores.

– Orientado a la conexión (Protocolo X.25).
– No orientado a la conexión (Protocolo IP).

• Servicios Punto a Multipunto (PTM): Transferencia de
paquetes de Uno a Varios usuarios con una sola solicitud.


Calidad de Servicio (QoS)
• La información de QoS está contenido en el HLR.
• Se negocia una QoS para el usuario durante el
establecimiento del contexto PDP.
• Se basa en los siguientes atributos:


Clase de Prioridad: Mantenimiento del servicio en
condiciones subnormales, por ejemplo congestionamiento
de red. Los paquetes serán descartados según su nivel de
prioridad.

• Prioridad clase 1 (Prioridad alta)
• Prioridad clase 2 (Prioridad normal)
• Prioridad clase 3 (Prioridad baja)


Clase de Retardo: Define los máximos retardos para la
transferencia de paquetes a través de la red GPRS. Se
definen cuatro clases de retardo: clase 1-3 (Predictivo) y
clase 4 (Mejor esfuerzo).

Clase de Confiabilidad: Define probabilidad de:
– Pérdida de datos
– Duplicación de datos
– Llegada de datos fuera de secuencia
– Corrupción de datos

Se definen 5 clases de confiabilidad (1 a 5).


Clase de Rendimiento

• Tasa de bits máximo: Se mide en octetos por segundo.
Especifica la máxima tasa de bits esperada para una
conexión PDP.

• Tasa de bits promedio: Se mide en octetos por hora.
Especifica la tasa de bits promedio esperada para una
conexión PDP.


9. Evolución-EDGE
• La tecnología GPRS es un camino de GSM a 3G.
• La tecnología EDGE es una evolución del sistema GSM
que permite llegar a velocidades de 384 Kbps, superiores
a las de GPRS y similares a las previstas en UMTS.
• Emplea conmutación de paquetes (EGPRS) combinada
con mejoras que afectan a la comunicación vía radio
(MS-BTS).
• EDGE introduce un nuevo esquema de modulación, 8-
PSK frente al GMSK del GSM.
• Al introducir EDGE en una red móvil ya existente (nuevo
esquema de modulación) implica la sustitución/ampliación
de todas las partes de radiofrecuencia de las estaciones
base (principalmente los transceptores).

9. Evolución- EDGE
Cambios en arquitectura:


9. Evolución-EDGE
Ventajas EGPRS

• Mejores tasas de trasferencia de datos.
• Menos costoso que migrar directamente a UMTS.
• Optimización de la inversión de la red GSM/GPRS
existente.
• Terminales móviles más baratos.
• No requiere cambios de hardware ni software en la red
troncal, sólo en la red de acceso (Estación Base).


9. Evolución - UMTS
GPRS EDGE UMTS
MMS Si Si Si
Internet Si Si Si
Audio/Video
No Si Si
Streaming
Mensajes de
No Si Si
video
Descarga de
No Si Si
Archivos
Videollamada No No Si

9. Evolución - UMTS


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