2.2 GPRS General Packet Radio Service.pptx
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Abteilung Informatik GPRS: General Packet Radio Service aF&E Prof. Dr.-Ing. Andreas Rinkel / Sandra Frei [email protected] [email protected] Datenübertragung Überblick GPRS • • Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen GPRS (General Packet Radio Service) Ø Datenpaket-Dienst Ø Dynamische Bündelung freier slots zu hochbitratigen Datenkanälen, je nach coding Schema 8 bis 21.4 kbit/s (max. 171,2 kbit/s è 8 * 21,4 kbit/s, best effort, Bruttodaten) Ø Freie slots werden nur benutzt, wenn Daten zur Übertragung anstehen E asymmetrische Übertragung. Das bedeutet: unterschiedliche Anzahl an UL und DL Kanälen Ø Vergebührung nach Datenmenge nicht nach Zeit! Ø Standardisierung 1998, Einführung 2001/2002 Ø Erweiterung der bisherigen Netztopologie Ø Erster Schritt Richtung UMTS, geplant ist ein komplementärer Einsatz von GSM/GPRS und UMTS Ø Harmonisierung von Internet und Mobiles Datennetz durch gleiche Protokolle (IP) GPRS Netzelemente Ø GSN: GPRS Support Nodes § GGSN Gateway GSN – Gateway zu PDNs(Public Data Network) § SGSN Serving GSN – unterstützt die MS (location, billing, security) Ø GR: GPRS Register – eine Ergänzung zum HLR zur Adressverwaltung Ø PCU: Packet Control Unit – Übernimmt BSC Funktionen im paketorientierten Netzwerk GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 2 GPRS: Architektur-Überblick Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Radio System oder TRAN: Terrestrial Radio Access Network Switching or Core System BSC LA 1 VLR Base Station Controler RA 1 A RA 2 A LA 2 BSC RA 3 RA 5 RA: Routing Area GR: GPRS Register GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei Gateway Mobile Switching Centre PSTN, PDN, ISDN HLR/ HLR GR Mobile Switching Centre PCU Packet Control Unit Gb : BTS, Base Tranceiver Station TransCoding Equipment MSC Base Station Controler RA 4 GMSC TCE Gd Gs Gr SGSN Serving GPRS Support Node AC Gc GGSN Gn Gateway GPRS Support Node PDN Gi Um 3 GPRS: Protocol stack Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Application IP / X.25 IP / X.25 SNDCP SNDCP LLC GTP GTP LLC UDP/ TCP UDP/ TCP RLC RLC BSSGP BSSGP IP IP MAC MAC Frame Relay Frame Relay L2 L2 GSM RF GSM RF L1bis L1bis L1 L1 MS SNDCP: LLC: RLC: Um BSS (PCU) Subnetwork Depemdent Convergence Protocol Logical Link Control Radio Link Control GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei SGSN Gb MAC: BSSGP: GTP: Gn GGSN Gi Medium Access Control BSS GPRS Application Protocol GPRS Tunnelling Protocol 4 GPRS Protocol Stack: GTP Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen • GSNs Verbindung durch einen IP-basierten Backbone • Datenpakete werden eingepackt & unter Benutzung des GPRS Tunneling Protocol (GTP) „getunnelt“ Ø Hauptsächlich für Mobility • Das Protokoll unterhalb GTP ist entweder TCP oder UDP (abhängig von den Benutzeranforderungen) • Das ganze GPRS Netzwerk basiert auf einem IP hop. Ø Das vereinfacht das Routing im Backbone bei Mobilität GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 5 GPRS Protocol Stack: SNDCP Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen SNDCP: Sub Network Dependent Convergence Protocol • Konvergenz von verschiedenen Protokollen zu einem Data-LinkProtokoll (unterstützt durch das LLC: Logical Link Control Protocol) • Multiplext mehrere Verbindungen auf einen Link • Header Compression • Data Compression • Fragmentierung langer Datenpakete GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 6 GPRS Protocol Stack: LLC Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen LLC: Logical Link Control Protocol • Etabliert eine Verbindung zwischen Mobilstation & SGSN • Es kann im bestätigten oder nicht bestätigtem Modus arbeiten. • Regelung der Datenübertragungswiederholung im bestätigten Modus • Unterstützung von point-to-multipoint Adressierung GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 7 GPRS Protocol Stack: RLC Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen RLC: Radio Link Control Protocol • Arbeitet im Bestätigungs-Modus • Benutzt den sliding window Mechanismus für die Flusskontrolle • Benutzt den Packet Data Traffic Channel (PDTCH) • Die Bündelung von bis zu 8 PDTCH pro User ist möglich • 1 PDTCH hat eine Datenrate von maximal 21,4kbit/s. Daraus ergibt sich die maximale Datenrate von 8 gebündelten PDTCH * 21.4kbit/s = 171,2kbit/s GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 8 Logische Kanäle des GPRS Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Logical channels Signalisierungsdaten Packet Control Channels Packet Broadcast Channel PBCH PBCCH Packet Dedicated Control Channels Packet Common Control Channels PCCCH PRACH PAGCH Verkehrsdaten Packet Traffic Channels PDCCH PPCH PNCH PDTCH PACCH PTCCH Legende: Downlink Uplink GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 9 Logische Kanäle des GPRS I Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Logischer Kanal Richtung BTS MS Packet Broadcast Control Channel PBCCH Downlink point to Multipoint Sendet allgemeine Netz/ Systeminformation. Ist kein PBCCH alloziert, kann der BCCH verwendet werden. Hört die Systeminfo ab. Ist PBCCH nicht implementiert, hört die MS den BCCH ab Packet Random Access Channel PRACH Uplink point to point Ermittelt die Timing Advance info Benutzt die MS, um einen uplink Transfer zu etablieren. Packet access Grant Channel PAGCH Downlink point to point Wird benutzet in der Datenübertragungsaufbauphase zur Ressourcenzuweisung und TA Information (uplink). Erhält die Ressourcenzuteilung ( „timeslots“) für den (meist uplink) Datenverkehr und TA. Packet Paging Channel PPCH Downlink point to point Wird hauptsächlich benutzt, um einen downlink Paketdatentransfer einzurichten. Der PPCH kann für Paketservice oder circuit switched Services verwendet werden. Erhält die Ressourcenzuteilung ( „timeslots“) für den downlink Datenverkehr. GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 10 Logische Kanäle des GPRS II Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Logischer Kanal Richtung BTS MS Packet Notification Channel PNCH Downlink point to Multipoint-Multicast Notification an eine Gruppe von Mobilstationen, wenn multicast traffic ansteht. Wird zur Zuweisung der benötigten Ressourcen (timeslot) verwendet. Zuweisung der timeslots Packet Associated Control Channel PACCH Downlink and Uplink point to point Sendet signalisierungsrelevante Information an die MS, z.B. Power control, acknowledgements. Teilt sich Ressourcen mit dem PDTCH Empfängt Signalisierungs-daten und sendet Messre-ports Packet Timing advance Control Channel PTCCH Entweder uplink oder downlink point to point Ermittelt TA durch erhalt von Access Burst (erhalt durch UL). Sendet TA an eine Station (DL) Sendet Access Burst zur BS. Wendet TA an. Packet Data Traffic Channel PDTCH Entweder Uplink oder Downlink Point to point/ multipoint nur im DL Daten werden übermittelt. Daten werden von MS empfangen oder gesendet. GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 11 GPRS mobility: session setup Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen PSTN/ISDN IP HLR GGSN 2. GMSC 2. 3. MSC IP Address exists! SGSN 4. 1. BSC BTS GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 1. 2. 3. 4. I want to do packet Set up a PDP context Tunnel created Radio link established 12 GPRS mobility: packets in downlink direction Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen PSTN/ISDN IP HLR ? GMSC MSC BSC BTS GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei ? 147.214.42.233 GGSN SGSN Inbound packet Where is the mobile? This tunnel! Where is the mobile? This radio link! Allocate a few bursts and send it! 13 GPRS mobility: changing the SGSN Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen PSTN/ISDN IP HLR GMSC MSC BSC Still same IP address! GGSN SGSN Tunnel created Radio link established I’m here now OK, new link and tunnel BTS GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 14 Beispiel MS abgehender Datenverkehr MS Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Network Packet Channel Request Packet Immediate Assignment Benutzte logische Kanäle (PRACH oder RACH) (PAGCH oder AGCH) Data Block Data Block Data Block (PDTCH) Data Block Temporary ACK (PACCH) Data Block Data Block (last) final ACK GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei (PDTCH) (PACCH) 15 Beispiel MS ankommender Datenverkehr MS Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Packet Paging Request Network Packet Channel Request Packet Immediate Assignment Packet Paging Response Packet Resource Assignment Benutzte logische Kanäle (PPCH oder PCH) (PRACH oder RACH) (PAGCH oder AGCH) (PACCH) (PACCH oder PAGCH oder AGCH) Data Block Data Block Data Block (PDTCH) Data Block Temporary ACK (PACCH) Data Block Data Block (last) final ACK GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei (PDTCH) (PACCH) 16 GPRS Zustandsdarstellung Mobilitymanagement I Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Mobile nicht angemeldet beim Netz Paging nicht möglich Idle GPRS Attach Standby timer expiry GPRS Attach GPRS Detach Ready Ready timer Expiry or Force to standby Routing-Area RA PDU transmission Cell ID Standby Mobilstation GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei Idle Standby timer Expiry or Cancel Location GPRS Detach Ready Ready timer Expiry or Force to standby PDU reception Standby Cell ID und RA werden durch SGSN verwaltet SGSN 17 GPRS Zustandsdarstellung Mobilitymanagement II Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Inter SGSN RA Update Procedure 1 MS BSS new SGSN old SGSN GGSN HLR/RA MSC/VLR 1 Routing Area Update Request SGSN Context Req. SGSN Context Res. 3 2 2 Security Functions (optional) SGSN Context Ack. Forward Packets 4 5 6 Update PDP Context Request 6 Update PDP Context Response 7 Update Location 8 8 Cancel Location Cancel Location ACK Old SGSN Location Cancelled GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 18 GPRS Zustandsdarstellung Mobilitymanagement II Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Inter SGSN RA Update Procedure MS BSS new SGSN old SGSN GGSN HLR/RA MSC/VLR Old SGSN Location Cancelled 9 Insert Subscriber Data 9 Insert Subscriber DATA ACK Update Location Ack 10 12 Routing Area Update Accept 13 Routing Area Update Complete 11 Location Updating Request 11 Location Updating Request Accept Inter SGSN RA Update abgeschlossen GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 19 GPRS leistet: q q q q q q q q q q Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen Flächendeckender Dienst Sicher, da basierend auf dem GSM Standard Übliche (realistische) Übertragungsrate ca. 50 kbit/s Bis vss. 2007 die wichtigste Technologie für den mobilen Datendienst Wachstum in GPRS bis zu 30% bis 2007 Auswahl an preiswerten, einfachen, ausgereiften und sicheren Diensten und Endgeräten Genügend Bandbreite für die meisten bisher genutzten Anwendungen Sichere Investition für die kommenden 3 Jahre Kann auch in Randgebieten genutzt werden internationales roaming möglich GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 20 WLAN in Combination with GPRS: q WLAN q q q q q Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen hotspot bis zu 100 m Wahrscheinlich nur in sogenannten hot spots verfügbar Hohe Übertragungsrate IEEE 802.11n 600Mbit/s (Maximum) Handover in das GPRS Netzwerk nicht ohne Störungen und erneuter log-in Prozedur möglich Sicherheitsrisiken? GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 21 From GSM and GPRS to UMTS GPRS Experiences: • • • • Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen GPRS ist gut geeignet für TCP/UDP/IP als Trägerdienst Gute Erfahrungen als Basis für das web browsing Erlaubt eine grosse Anzahl an parallelen Verbindungen GPRS System ist einfach zu skalieren (increasing, decreasing PDTCH’s) GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 22 GPRS Limitations: Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen • • • • Neue Endgräte erforderlich Übertragungsrate variiert Kann einen Einfluss auf die Zellkapazität haben 20-30% (48+ bytes) Protokoll-Overhead im Paketkopf – nicht akzeptabel für Applikationen, die kleine Datenpakete versenden • QoS Parameter werden für die Dauer einer ganzen Verbindung gesetzt • QoS arbeitet nur für das externe Netzwerk. Innerhalb des PLMN werden alle Pakete gleich behandelt (siehe GTP tunneling) GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / S.Frei 23