General Packet RadioSystem - GPRS

André-Luc BEYLOTENSEEIHT

Département Télécommunications et Réseaux

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PLAN GENERALn Introduction

n Architecture Protocolaire et Interfaces

n Gestion de l ’itinérance et de sessions

n Echange de données utilisateur

n Conclusion

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GPRSn Constat :

u GSM permet le transfert de données en mode circuitu débit faible et ressources mal utilisées

n Objectifs :u offrir un service de transfert de données en mode paquetu support pour des trafics sporadiquesu utilisation efficace des ressources radio (allocation

dynamique)u accès temps rapide (0.5 à 1 sec)u connectivité INTERNET (et X.25)u coexistence avec GSM (parole)

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GPRS - Architecture Généralen Architecture Générale du GSM conservée :

u BTS + BSCu HLR, SMS

n Deux nœuds supplémentaires par rapport au GSMu SGSN : Serving GPRS Support Node

F connexion avec la station de base, semblable au MSCu GGSN : Gateway GPRS Support Node

F connexion avec les réseaux de type paquet : Internet ou X.25u Encapsulation des paquets avec le protocole GPRS (tunneling)u Sécurité : assurée par le SGSN, comme dans GSM

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GPRS - Principales Interfaces

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GPRS - Description Générale

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GPRS - ArchitectureProtocolaire - Plan U

SNDCP : Subnetwork Dependent Convergence ProtocolGTP : GPRS Tunnelling Protocol

BSSGP : Base Station System GPRS ProtocolRLC : Radio Link Control

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GPRS - ArchitectureProtocolaire - Plan C

PHY

MAC

RLC

GMM/SM

LLC

Air

MAC

PHY

Gb

L1bis

FR

BSSGPRLC

L1bis

FR

BSSGP

GMM/SM

LLC

MS BSS SGSN

L1

L2

IP

GTP

UDP

Gn Gb

MTP1

MTP2

MTP3

GGSN Passerelle IP/SS7 HLR

L1

L2

IP

GTP

UDP SCCP

TCAPMAP

MTP1

MTP2

MTP3

SCCP

TCAP

MAP

MTP1

MTP2

MTP3

BSSAP+

SCCP

SGSN MSC/VLR

Gs

MTP1

MTP2

MTP3

BSSAP+

SCCP

SGSN HLRGr

MTP1

MTP2

MTP3

SCCP

TCAP

MAP

MTP1

MTP2

MTP3

SCCP

TCAP

MAP

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Enregistrement et contexte PDPn Procédures d’enregistrement + gestion mobilité~ GSM

n Contexte PDP (Packet Data Protocol)u Type de réseau utilisé (X.25, IP)u Adresse du terminal (@IP, X.121)u @IP du SGSN courantu NSAPI utilisé (point d ’accès au service réseau utilisé entre

SNDPC et Couche réseau)u Qualité de Service requise

n Géré au niveau du SGSN et utilisé par le GGSN

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GPRS : gestion de la mobilité

IDLE

READY

STANDBY

MS

GPRS AttachGPRS Detach

STANDBY timerexpiry

READY timer Expiryor Force to STANDBY

PDU transmission

u IDLE = reposu READY = prêt à transmettre, mobile

repéré à la cellule prèsu STANDBY = surveillance, repéré à la

zone de routage près - nécessité defaire un paging

u Permet d ’éviter trop de sig pour lalocalisation de l ’utilisateur

u Zone de Routage de taille inférieure àla zone de localisation GSM

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GPRS : Attach Function

MS BSS New SGSN Old SGSN GGSN EIR New MSC/VLR

Old MSC/VLRHLR

Attach requestIdentification requestIdentification response

Identity request

Identity response

Authentication

IMEI Check

Update LocationCancel LocationCancel Location Ack

Insert Subscriber Data

Insert Subscriber Data AckUpdate Location Ack

Location Updating Request

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GPRS : Attach Function

MS BSS New SGSN Old SGSN GGSN EIR New MSC/VLR

Old MSC/VLRHLR

Update Location

Cancel Location

Cancel Location Ack

Insert Subscriber Data

Insert Subscriber Data Ack

Update Location Ack

Location Updating AcceptAttach Accept

Attach Complete

TMSI Reallocation Complete

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Terminaux GPRS

Type A: Peuvent supporter le mode et le mode circuitsimultanément.

Type B: Peuvent supporter les modes paquets et circuitsmais pas simultanément mais peuvent être enregistréspour les deux : i.e. adresse IP et numéro de téléphone.

Type C: Ne peuvent être enregistrés à un momentdonné qu’en mode paquet ou en mode circuit

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Echange de données utilisateurEn-tête Données

NSAPI

En-tête Données

Compression

En-tête En-têteSegmentation

SAPI (QoS)

Couche Réseau

Couche SNDCP

SAPI = 1 ou 7

Plan de Transmission GMM,SM

Couche LLC En-têteCRC

Couche RLC/MAC En-têteCRC

En-têteCRC

En-têteCRC

Trame LLC suivante

Couche Physique Codage CanalCS-1 à 4

Jusqu’à 1520 o

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Protocole SNDCP

n Multiplexage de PDUs venant de plusieurs réseaux depaquets sur une LLC

n Compression (en-tête et données)n Peut utiliser l ’entité LLC selon plusieurs modes

u Connecté avec acquittement (pas de numérotation)u Sans connexion ni acquittement (SNDCP-PDU numérotées)

n Pas de Mécanismes de reprise sur erreurn En-tête contient

u NSAPIu bit Moreu type d ’algo de compression utilisé

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Protocole LLCn Inspiré d ’HDLCn 3 types de fonctionnement

u sans acquittements avec FCS sur l’ensemble de la trameF Utilisé pour la signalisation et les SMS

u sans acquittements avec protection de l’en-tête seuleu avec acquittements

F trames RR, RNR, ACK, SACKF piggybacking

n SABM, UA, UI, I+’S’ (‘S’= RR, RNR, ACK ou SACK)n @ =SAPI :

u 1 = GMM ; 7 = SMS ; 3,5,9,11 : données utilisateursn Trames peuvent être chiffrées

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Acheminement vers l’utilisateur

BGBG

GGSN

@MS

tunnel

GGSN

SGSN

@MS@

SGSNEntête

IMSINSAPI

GTPTCP/UDP

IP

tunnel

SGSNRéseau inter-opérateur

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Acheminement depuisl’utilisateur

BGBG

GGSN

tunnel

GGSN

SGSN

@CN@

GGSNEntête

IMSINSAPI

GTPTCP/UDP

IP

tunnel

SGSNRéseau inter-opérateur

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Interface Air :Canaux physiques et logiques

n Canal Physique GPRS : Packet Data Channel (PDCH)n Partagé entre plusieurs utilisateursn Multitrame GPRS = 52 trames TDMA (240ms)

T: PTCCH (Packet Timing Control Channel), i: idle

n 1 PDCH peut supporter plusieursu PDTCH : données, PACCH : Acquittement + contrôle de

puissance, PTCCH : avance en tempsu maître/esclave

n Infos systèmes : on peut utiliser les canaux GSM (BCCH,PCH, RACH, AGCH

n ou canaux GPRS spécifiques : (P-*CH)

Bloc 0 Bloc 1 Bloc 2 Bloc 3 Bloc 4 Bloc 5 Bloc 6 Bloc 7 Bloc 8 Bloc 9 Bloc 10 Bloc 11T Ti i

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Codage - couche physique

USF : Uplink State Flag(voie descendante)T : block type indicatorPC : Power Control

4 niveaux de codage : CS-1 : 9,05 kb/s, CS-2 : 13,4 kb/s1 bloc de données => 4 bursts

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Couches RLC/MAC

n Flux de données (TBF = Temporary Block Flow) : succession deLLC PDUs à envoyer

n Flux existe tant qu ’il y a des données en mémoire à transmettren identifié par un TFI (Temporary Flow Identifier)n caractérise un sens de la transmissionn correspond à des données ou de la signalisation

Packet Channel Request

PRACH

Packet Channel Assignement (TFI, TA, n°PDCH, n°USF)

PAGCH

Packet Resource Request (TFI, TLLI, mesures radios)

PACCH

Packet Uplink Assignement (TFI, TLLI, TA, n°PDCH, n°USF)

PACCH

PAGCH

Packet Downlink Assignement (TLLI,TFI, TA, n°PDCH, n°USF)

Attente 1 bloc

} à la demande du SGSN où de l ’utilisateurpermet de préciser le débit demandé et le nombre de blocs à envoyer,

Eventuellement précédé d’1 paging

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Couche RLC

n Segmentation/Réassemblage des Trames LLC en blocs radion Supervision de la transmission mobile/BSS

u transmission avec ou sans acquittementn Blocs RLC

u Données ou contrôleF MAC = allocation de ressource, RLC = acquittements

u Numérotésu TFIu Longueur (en particulier pour la concaténation)

n Packet Downlink/Uplink Ack/Nack, blocs transmis sur PACCHn Contrôle de Flux et d ’Erreur par mécanisme de retransmission

sélective (assez sophistiqué)

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Couche MAC

n Distinction voie montante/voie descendanten Voie descendante : géré au niveau du BSC

u émission : pas de problème seul le BSC émet et indique ledestinataire dans chaque bloc

u acquittement/contrôle : mécanisme d ’interrogationF en-tête MAC du bloc contient :

• 1 bit pour indiquer que le BSC suggère une réponse• le numéro du bloc correspondant

F utilisation laissé à l ’appréciation du terminal : ack, mesures,demandes de ressources

F peut être répété : tolérant aux erreurs

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Couche MACVoie Montante

n Voie montante : Partage statique ou dynamiquen PARTAGE STATIQUE

u à l ’établissement du flux, le BSS donne les n° de blocs alloués- valable pour les TBF fermés (nbr de blocs connus a priori)

u allocation par mécanisme de requête pour les TBF ouvertsn PARTAGE DYNAMIQUE

u Utilisation de l ’indicateur USF contenu dans l ’en-tête MACu Donne le ‘ numéro ’ du mobile ayant le droit de parole dans le

prochain bloc montantu Accès aléatoire par canal RACH ou PRACHu Pour indiquer que le prochain bloc montant (4 bursts) peuvent

être utilisés en accès aléatoire (PRACH), USF=7 dans le blocprécédent

u USF=0, conservé pour polling d ’un mobile (retransmission)

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Exemple d’échange

Data block (TFI, BSN=1)

Data block (TFI, BSN=2, Polling, 3)

Data block (TFI, BSN=3, Polling, 2)

PDTCH

PDTCH

PDTCH

Data block (TFI, BSN=4, Fin bloc=oui, Polling, 1)PDTCH

Packet Downlink Ack/Nack (TFI, mesures)PACCH

Data block (TFI, BSN=1, Polling, 2)PDTCH

Data block (TFI, BSN=4, Fin bloc=oui, Polling, 1)PDTCH

Packet Downlink Ack/Nack (TFI, mesures, acq final = oui)PACCH

Libération TFIRetour balise

Réallocation possible TFI

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Exemple d’échange

Data block (TFI, BSN=1, reste 3)

Data block (TFI, BSN=2, reste 2)

Data block (TFI, BSN=3, reste 1)

PDTCH

PDTCH

PDTCH

Data block (TFI, BSN=4, reste 0)PDTCH

Packet Uplink Ack/Nack (Polling)(TFI)PACCH

Data block (TFI, BSN=2, reste 0)PDTCH

Packet uplink Ack/Nack (Polling, acq final = oui) TFIPACCH

Retour balise

Réallocation possible TFI

Packet control ack (TLLI)PACCH

Libération TFI

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GPRS : gestion de la mobilité

n Etat « IDLE »n Etat « STANDBY »

u attachement à GPRS mobilityF entre MS et SGSNF le SGSN fait un paging et on passe à l’état READY

u on peut exécuter un Detach GPRSn Etat « READY »

u identificateur de la cellule dans l’entête BSSGPu on reste dans cet état en cas d’échange ou de non échange d’informationsu timer

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Terminaux Multislots

n Pour augmenter les débits : émission/réception surplusieurs slots de la trame TDMA

n Plusieurs types de terminaux selon :u Full Duplex/Half Duplexu Temps pour commuter entre émission/réception/mesures

n Canaux Multislotsu plusieurs canaux physiques et donc plusieurs USFu 1 seul PACCH, avance en temps aussiu Attention au saut de fréquence (cohérence)

n Seuls CS-1 et CS-2 sont utilisésn Mobiles les plus performants = 4 slots en réceptionn Débits annoncés ne tiennent pas compte des surcharges

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