GPRS - JDB Treinamento Empresarial

Agilent
Conheça o General Packet
Radio Service (GPRS)
Nota de Aplicação 1377
Aumente os seus conhecimentos sobre a
tecnologia GPRS.
Saiba mais sobre o GPRS:
• redes
• protocolos
• interface aérea
• métodos de transferência
de pacotes de dados
Índice
Página
Necessidades da comunicação de dados .................................................................................... 4
A rede GPRS .................................................................................................................................. 5
Camadas de protocolo do GPRS ................................................................................................. 10
Identidades do GPRS ................................................................................................................... 14
Interface aérea GPRS .................................................................................................................. 16
Operações de transferência de pacotes de dados .................................................................... 24
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Introdução
Em resposta à demanda dos clientes pelo acesso wireless à Internet - e
como um degrau às redes 3G - muitas operadoras GSM estão
implementando o General Packet Radio Service (GPRS). Esta tecnologia
aumenta as taxas de dados das redes GSM existentes, permitindo o
transporte de dados por pacotes. Os novos aparelhos telefônicos GPRS
serão capazes de transferir dados a taxas muito mais altas que os
9,6 ou 14,4 kbps disponíveis atualmente aos usuários de telefones
móveis. Em circunstâncias ideais, o GPRS pode operar a taxas de até
171,2 kbps, ultrapassando as taxas de acesso do ISDN. Entretanto, uma
taxa de dados mais realista para as primeiras implementações de rede
provavelmente estará em torno de 40 kbps, com o uso de um timeslot
para o uplink e três para o downlink.
Diferentemente da tecnologia 2G de comutação de circuitos, o GPRS é
um serviço “sempre ativo”. Ele permitirá que as operadoras GPRS
forneçam acesso à Internet em alta velocidade a um custo razoável,
tarifando os usuários dos telefones móveis pela quantidade de dados
que eles transferem, e não pelo tempo em que ficam conectados à
rede.
Este trabalho mostra em detalhes os novos protocolos, procedimentos e
outras mudanças tecnológicas que o GPRS trará às redes GSM.
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Seção 1: Necessidades da comunicação de dados
Antes de examinar a tecnologia GPRS em detalhes, vamos relembrar
alguns termos básicos da comunicação de dados.
Há duas técnicas para o transporte de dados pelas redes de
comunicações:
As aplicações de comunicação de dados geralmente são divididas em
duas categorias:
A comutação de circuitos é um modo no qual uma conexão (ou
circuito) é estabelecida do ponto de origem da transferência de dados
ao destino. Recursos da rede são dedicados por toda a duração da
chamada, até que o usuário interrompa a conexão. Usando estes
recursos, os dados podem ser transmitidos ou recebidos continuamente
ou em bursts, dependendo da aplicação. Como os recursos permanecem
dedicados durante toda a chamada de dados, o número de assinantes
que a rede pode atender é limitado.
• As aplicações em tempo real envolvem pequenas transações de
dados como o envio ou recebimento de um e-mail rápido, executar
uma transação financeira, receber notícias ou resultados esportivos
pela web ou bater um papo on-line.
• As aplicações de acesso de dados são de maior volume, e
envolvem o envio e recepção de quantidades maiores de dados.
Alguns exemplos são o download de páginas web e arquivos da
Internet ou a transferência de arquivos grandes a outros usuários.
A comutação de pacotes é um modo no qual os recursos somente
são atribuídos a um usuário quando for necessário enviar ou receber
dados. Os dados são enviados em pacotes, que são roteados pela rede
juntamente com o tráfego de outros usuários. Esta técnica permite que
vários usuários compartilhem os mesmos recursos, aumentando assim a
capacidade da rede e permitindo uma gerência razoavelmente eficiente
dos recursos. Entretanto, esta técnica impõe algumas limitações com
relação ao throughput de dados.
A experiência mostra que as aplicações de comunicação de dados não
requerem a transferência contínua dos dados. Os usuários podem
precisar ficar conectados a uma rede de comunicação de dados (como
uma LAN, WAN, a Internet, ou uma intranet corporativa), mas isto não
significa que eles estarão enviando e recebendo dados o tempo todo.
Além disso, as necessidades de transferência de dados geralmente não
são simétricas. Na maior parte dos casos, os usuários enviam
mensagens curtas, mas recebem downloads grandes. Em um dado
momento qualquer, a maior parte da transferência de dados é feita em
uma direção.
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Seção 2: A rede GPRS
O General Packet Radio Service (GPRS) oferece aos assinantes do GSM
o acesso a aplicações de comunicações de dados como e-mail, redes
corporativas e a Internet por seus telefones móveis. O serviço GPRS usa
a rede GSM existente, incluindo novos equipamentos de rede de
comutação de pacotes. Veja a figura 1.
As redes GSM existentes usam a tecnologia de comutação de circuitos
para transferir informações (voz ou dados) entre usuários. Entretanto, o
GPRS usa a comutação de pacotes, o que significa que não há circuitos
dedicados atribuídos aos telefones móveis GPRS. Um canal físico é
estabelecido dinamicamente, somente enquanto os dados estiverem
sendo transferidos. Assim que os dados tiverem sido enviados, o
recurso (um timeslot na interface aérea) pode ser realocado a outros
usuários, para tornar mais eficiente o uso da rede.
Quando os dados comutados por pacotes deixam a rede GPRS/GSM,
eles são transferidos a redes TCP-IP como a Internet ou X.25. Assim, o
GPRS inclui novos procedimentos de transmissão e sinalização, assim
como novos protocolos para a interoperação com o mundo IP e outras
redes de pacotes padrão.
Os telefones móveis atuais não funcionarão com a tecnologia GPRS, e
desta forma a indústria está trabalhando em uma nova geração de
unidades móveis que podem operar com o GSM e a comunicação por
comutação de pacotes. No futuro, os telefones GPRS poderão ser
integrados a dispositivos como computadores laptop ou assistentes
pessoais digitais. O GPRS também pode dar suporte ao serviço de
mensagens curtas (SMS).
Para operar com taxas de dados altas, o GPRS emprega novos
esquemas de codificação de erro e múltiplos timeslots nas interfaces
aéreas, de forma similar ao HSCSD (dados de comutação de circuitos
em alta velocidade). Teoricamente, podemos ter uma taxa de dados
máxima de 171,2 kbps, usando oito timeslots. Entretanto, hoje isto
parece improvável, devido a desafios no projeto de telefones móveis e
à qualidade inadequada das interfaces aéreas.
Como a comunicação por comutação de pacotes permite a atribuição
não contínua de recursos a um usuário, a tarifação GPRS não será
baseada no tempo da conexão, e sim na utilização de recursos.
Figura 1. Arquitetura da rede GPRS
5
A arquitetura da rede GPRS
A tecnologia GPRS traz muitas mudanças à rede GSM existente. A
maior parte destas mudanças refere-se à inclusão de novos blocos, e
não à modificação dos recursos existentes. Uma visão simplificada
desta nova rede híbrida mostra os elementos introduzidos pelo GPRS.
Entre as funções da unidade de controle de pacotes (PCU) estão a
conversão dos dados em pacotes em um formato que possa ser
transferido pela interface aérea, a gerência dos recursos de rádio e a
implementação das medições de qualidade de serviço (QoS).
O gateway GPRS support node (GGSN) é similar à central de
comutação e controle gateway (GMSC) do GSM e coloca um gateway
entre a rede GPRS e a rede pública de dados em pacotes (PDN) ou
outras redes GPRS.
Os enlaces de sinalização entre os nós GPRS e os blocos GSM serão
interfaces SS7 MAP. A sinalização entre os nós GPRS é definida pelas
especificações GPRS. Entre as novas interfaces físicas estão a interface
Gb, que conecta o SGSN à PCU e que normalmente localizada no
subsistema da estação radiobase (BSS); a interface Gn, que conecta o
GGSN e o SGSN; e as interfaces Gc, Gr e Gs, que transportam
protocolos baseados na SS7.
O GGSN fornece funções de gerência de autenticação e localização,
conecta-se ao registro de localização de unidade móvel local (HLR) por
meio da interface Gc e conta o número de pacotes transmitidos, para
tarifar corretamente o assinante.
O serving GPRS support node (SGSN), como a central de comutação
e controle GSM e o registro de localização de visitante (MSC/VLR),
controla a conexão entre a rede e a estação móvel (MS). O SGSN
fornece a gerência da sessão e funções de gerência de mobilidade
GPRS, como handovers e paging, sendo conectado ao HLR pela
interface Gr e à MSC/VLR pela interface Gs. Além disso, também conta
o número de pacotes roteados.
6
Estados de operação dos telefones móveis
GPRS
Os telefones móveis passam por diferentes estados de comunicação.
Por exemplo, quando estiver em camp-on em uma rede, um telefone
GSM entra em estado ocioso, que usa muito poucos recursos da rede.
Quando o usuário faz uma solicitação de chamada ou recebe uma
chamada, entretanto, o telefone entra no estado dedicado, no qual tem
recursos atribuídos continuamente até que a conexão seja encerrada.
Os telefones móveis GPRS também terão estados definidos, descritos
abaixo.
GPRS ocioso (idle) é o estado no qual o telefone móvel está em
camp-on na rede GSM. O telefone recebe paging por comutação de
circuito e atua como um telefone GSM. Embora não esteja interagindo
com a rede GPRS neste estado, ele ainda possui as funções GPRS.
GPRS pronto (ready) é o estado atingido quando a unidade móvel
GPRS conecta-se à rede. Neste estado, o telefone móvel pode ativar
um contexto de protocolo de dados em pacotes (PDP), que permite que
o telefone estabeleça uma sessão de transferência de pacotes com
redes de dados externas para transmitir e receber pacotes de dados.
Quando o contexto de PDP é ativado, os blocos de recursos são
atribuídos à sessão até que a transferência de dados cesse por um
período específico e o telefone móvel passe para o estado standby.
GPRS standby é um estado no qual a unidade móvel está conectada à
rede GPRS, mas não há transmissão de dados. Se chegar um pacote de
dados para a unidade móvel, a rede fará um paging à procura da
unidade móvel, que por sua vez ativará a sessão de contexto de PDP
para trazer a unidade móvel de volta ao estado “pronto”.
Classes de unidades móveis GPRS/GSM
A ETSI define três classes diferentes de unidades móveis para a rede
híbrida GPRS/GSM:
Classe A (GSM/GPRS)
As unidades móveis da Classe A podem ser conectadas às redes GPRS e
GSM simultaneamente. Elas podem receber chamadas de voz/dados/
SMS do GSM e chamadas de dados do GPRS. Para que isto aconteça,
estas unidades móveis devem monitorar as chamadas de entrada nas
redes GSM e GPRS. As unidades móveis da Classe A podem também
fazer e receber chamadas GPRS e GSM simultaneamente. Entre os
requisitos de operação desta classe está a existência de um receptor
adicional no telefone móvel para as medições das células vizinhas.
Classe B (GSM/GPRS)
Esta classe é similar à classe A, exceto pelo fato dos telefones móveis
da Classe B não operarem com tráfego simultâneo. Se uma chamada
GPRS estiver ON, o telefone não poderá receber chamadas GSM e
vice-versa.
Classe C (GSM ou GPRS)
Esta classe de telefones móveis terá as funções GSM e GPRS, mas
somente poderão se conectar a uma rede por vez. Assim, se o telefone
estiver conectado à rede GPRS, ele terá de ser desconectado da rede
GSM, não podendo fazer ou receber chamadas GSM. Da mesma forma,
se estiver conectado à rede GSM, não poderá fazer ou receber
chamadas GPRS.
Atualmente, a maior parte dos fabricantes está montando telefones
Classe B.
7
Figura 2. Conexão ao GPRS
Procedimento de conexão (attach) ao GPRS
A conexão ao GPRS é um processo da gerência de mobilidade do GPRS
(GMM) que sempre é iniciado pelo telefone móvel. Dependendo dos
valores usados no telefone móvel, a conexão GPRS pode ser executada
todas as vezes que o telefone for ligado ou ser iniciada manualmente
pelo usuário.
A solicitação de conexão ao GPRS é feita ao SGSN, em um processo
transparente para o BSS. Em primeiro lugar, a unidade móvel informa
ao SGSN a sua identidade IMSI (identidade internacional de assinante
móvel) ou P-TMSI (identidade de assinante móvel de pacotes
temporário). Em seguida, ela envia a identificação de sua área de
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roteamento anterior (RAI), classmark, CKSN e tipo de conexão
desejada. Este último item indica ao SGSN se a unidade móvel
desejafazer a conexão como um dispositivo GPRS, GSM ou ambos. O
SGSN será conectado à unidade móvel e informará ao HLR se houve
uma mudança na RAI. Se o tipo de conexão desejado for GPRS e GSM,
o SGSN também atualizará a localização com o VLR, desde que haja
uma interface Gs presente.
Observe que a conexão GPRS não permite que o telefone móvel
transmita e receba dados. Para que isto ocorra, a unidade móvel
precisa ativar uma sessão de comunicação, usando o contexto de PDP.
Figura 3. Ativação do contexto de PDP
Ativação do contexto de PDP
Um contexto de PDP ativa uma sessão de comunicação de pacotes com
o SGSN. Durante o procedimento de ativação, o telefone móvel fornece
um endereço IP estático ou solicita um endereço temporário à rede.
Ele também especifica um nome de ponto de acesso (APN) com o qual
quer se comunicar - por exemplo, um endereço Internet ou um provedor
de serviço Internet. A unidade móvel solicita a qualidade de serviço
(QoS) desejada e um identificador de ponto de acesso de serviço da
rede (NSAPI). Como uma unidade móvel pode estabelecer múltiplas
sessões de contexto de PDP para diferentes aplicações, o NSAPI é
usado para identificar os pacotes de dados de uma aplicação
específica.
Após receber as informações da unidade móvel, o SGSN determina qual
o GGSN que está conectado ao APN e redireciona a solicitação. O SGSN
também fornece uma QoS negociada, com base nas informações da
assinatura do usuário e na disponibilidade dos serviços.
Se o telefone móvel tiver um endereço IP estático, o GGSN será
conectado diretamente à unidade móvel no ponto de acesso desejado.
Caso contrário, ele obterá um endereço IP temporário da APN. O GGSN
também fornece alguns identificadores da transação para a
comunicação de dados entre o GGSN e o SGSN.
Assim que o procedimento de comunicação e ativação no GGSN tiver
sido concluído corretamente, as informações apropriadas da
transferência de dados serão enviadas à unidade móvel.
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Seção 3: Camadas de protocolo do GPRS
Figura 4. Plano de dados e sinalização do GPRS
O plano de transmissão de dados e sinalização do GPRS é formado por
protocolos padrão como o IP e alguns protocolos novos, específicos do
GPRS.
A seguir, alguns protocolos de interface Gn:
A seguir, alguns protocolos de interface Gb:
O GTP (GPRS tunneling protocol) recebe datagramas IP e pacotes
X.25 de redes externas e faz a transferência destes pelos nós de
suporte do GPRS. Como haverá diversas interfaces GGSN e SGSN, o
GTP fornece a cada pacote um identificador de túnel (TID) que identifica
o destino e a transação aos quais o pacote/datagrama pertence.
As transações são identificadas com o uso de identificadores lógicos,
além do IMSI.
O SNDCP (sub network dependent convergence protocol) é
usado entre o SGSN e o telefone móvel. Este protocolo converte as
PDUs da camada de rede (N-PDUs) na interface Gn a um formato
adequado à arquitetura da rede GPRS base. O SNDCP executa várias
funções:
O TCP/UDP é formado pelo protocolo de controle de transmissão (TCP),
usado para transferir PDUs (unidades de dados de protocolo) pela
interface Gn com confiabilidade (acknowledgement e retransmissões).
O protocolo de datagramas do usuário (UDP) é usado pela interface Gn
para o transporte de GTP-PDUs de todas as informações e dados do
usuário que não exijam confiabilidade.
• Colocação das N-PDUs em buffer para o serviço reconhecido
O IP (Internet Protocol) é usado para rotear dados de usuário e
informações de sinalização pela interface Gn. O tamanho do datagrama
IP será limitado à camada física - recursos de unidade de transmissão
máxima (MTU). Um datagrama IP pode ser formada por até
65.535 octetos, mas se a MTU da camada física for menor que isto,
será necessário fazer uma fragmentação. O nó de suporte gateway
fonte (GGSN ou SGSN) precisa primeiro decidir o tamanho da MTU e
depois executar a fragmentação. O endereçamento IP usado roteará os
dados pela interface Gn, incluindo quaisquer GSNs intermediários (nós
gateway de suporte) ao endereço GSN no destino final.
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• Multiplexação de N-PDUs de uma ou várias entidades da camada de
rede em uma conexão LLC apropriada
• Gerência de seqüência de entrega de cada NSAPI
• Compactação e descompactação das informações do protocolo e dos
dados do usuário
• Segmentação e remontagem dos dados compactados até o
comprimento máximo da LLC-PDU
• Negociação dos parâmetros de controle (XID) entre as entidades do
SDNCP.
O protocolo LLC (logical link control) oferece um enlace lógico
criptografado e altamente confiável entre o SGSN e o telefone móvel.
O LLC usa os modos de transmissão de quadros com e sem
acknowledgement, dependendo da qualidade de serviço negociada do
usuário. Este protocolo também gerencia a retransmissão de quadros,
utilização do buffer e o comprimento da informação com base na classe
de atraso de QoS negociada.
O BSSGP (base station system GPRS protocol) roteia informações
entre o SGSN e o BSS. Este protocolo transporta informações de QoS,
sem transportar nenhuma outra forma de correção de erro. A sua
função básica é fornecer informações relacionadas ao rádio para o uso
pelas funções de RLC (radio link control) e MAC (medium access control)
na interface aérea.
A camada LLC usa os serviços do BSSGP para a transferência de dados.
A função de relay do BSS transfere quadros LLC entre a camada
RLC/MAC e a camada BSSGP. O BSSGP envia informações às camadas
dos serviços de rede para determinar o destino da transferência:
• O BVCI (BSSGP virtual connection identifier) é enviado às
camadas dos serviços de rede para informação de dados e
sinalização de roteamento entre o devido par de entidades
funcionais. Cada BVCL entre duas entidades iguais é único.
• O LSP (link selection parameter) é usado em conjunto com o
BVCI para auxiliar a selecionar o enlace físico para o processo de
compartilhamento de carga.
• O NSEI (network service entity identifier), usado no BSS e no
SGSN, fornece as funções de gerência da rede necessárias para a
operação da interface Gb. O NSEI, juntamente com o BVCI, identifica
de forma exclusiva uma conexão virtual BSSGP.
A camada NS (network service) usa o frame relay pela interface Gb
e pode ser uma conexão ponto-a-ponto entre o SGSN e o BSS ou uma
rede frame relay. A camada NS usa uma tabela look-up de DLCI
(identificador de conexão de enlace de dados) para indicar o percurso
do roteamento entre o SGSN e o BSS. O valor inicial do campo DLCI é
obtido a partir do BVCI, NSEI e LSP fornecidos pela camada BSSGP.
Este valor é alterado à medida que o quadro atravessa a rede frame
relay, até atingir o seu destino final.
Os protocolos abaixo são da interface Um:
O RLC (radio link control) é responsável por várias funções:
• Transferência de LLC-PDUs entre a camada LLC e a função MAC
• Segmentação de LLC-PDUs em blocos de dados RLC e a remontagem
dos blocos de dados RLC para a inserção destes em blocos de
quadros TDMA
• Segmentação e remontagem das mensagens de controle RLC/MAC
em blocos de controle RLC/MAC
• Correção de erro no sentido reverso para a transmissão seletiva dos
blocos de dados RLC.
A função de segmentação de RLCs é um processo no qual uma ou mais
LLC-PDUs são divididas em blocos RLC menores. O conjunto de LLCPDUs é conhecido como fluxo de blocos temporário (TBF), no qual são
alocados os recursos de um ou mais canais de dados em pacotes
(PDCH). O TBF é temporário, mantido somente pela duração da
transferência de dados. Cada TBF recebe da rede uma identidade de
fluxo temporário (TFI).
Os blocos de dados do RLC são formados por um cabeçalho de RLC,
uma unidade de dados de RLC e bits sobressalentes. O bloco de dados
do RLC, juntamente com um cabeçalho MAC, pode ser codificado com o
uso de um a quatro esquemas de codificação definidos. O esquema de
codificação é crítico para a decisão do processo de segmentação.
O MAC (medium access control) controla a sinalização de acesso na
interface aérea, incluindo a gerência dos recursos compartilhados da
transmissão (designação do bloco de rádio a vários usuários em um
mesmo timeslot). O MAC realiza estas funções colocando um cabeçalho
na frente do cabeçalho do RLC, nos blocos de dados RLC/MAC e de
controle. O cabeçalho do MAC contém vários elementos, alguns dos
quais são específicos da direção, sendo relativos ao downlink ou uplink.
Os principais parâmetros do cabeçalho do MAC são:
• Flag de status do uplink (USF), enviado em todos os blocos RLC/MAC
do downlink, indica o proprietário ou o uso do próximo bloco de rádio
do uplink no mesmo timeslot.
• Período relativo de blocos reservados (RRBP), identifica um
determinado bloco no uplink no qual o telefone móvel transmitirá
informações de controle.
• Tipo de payload (PT), o tipo de dados (bloco de controle ou bloco de
dados) contido no restante do bloco RLC/MAC.
• Valor de contagem regressiva (CV), enviado pela unidade móvel para
permitir que a rede calcule o número de blocos de dados RLC
restantes no TBF atual do uplink.
11
Figura 5. Transferência de pacotes de dados no GPRS
Transmissão das unidades de dados em pacotes
Após termos definido as diferentes camadas de protocolo GPRS, agora
podemos ver como as unidades de dados em pacotes (PDUs) são
transmitidas de uma extremidade da rede GPRS à outra. Vejamos o
exemplo de um pacote destinado a um telefone móvel.
Um e-mail curto é enviado de um computador em seu escritório
(mostrado no canto superior direito do diagrama acima) ao telefone
móvel GPRS de um amigo que está em um táxi (mostrado no canto
inferior direito). Os dados devem ir da Internet ao GGSN, depois ao
SGSN, ao BSS e, finalmente, à MS (neste caso, o telefone móvel
GPRS). A camada de aplicação (isto é, o e-mail proveniente do
computador) gera um datagrama IP e envia este datagrama pela rede
de comunicação de dados externa (IP ou X.25) ao GGSN. Quando o
datagrama IP chega ao GGSN, ele passa a ser uma N-PDU (unidade de
dados em pacote da rede), sendo enviada a um determinado endereço
IMSI ou IP. Observe que conforme os dados vão descendo pela pilha do
protocolo GGSN, cabeçalhos são incluídos a cada camada. Embora
muitos cabeçalhos sejam incluídos desta maneira, o diagrama mostra
apenas alguns exemplos, para facilitar a visualização. Preste atenção
em particular às letras de referência no diagrama (A - E). Os cabeçalhos
subseqüentes são indicados pela inclusão de camadas retangulares aos
dados originais da aplicação. Por exemplo, no ponto A do diagrama, um
cabeçalho IP é incluído aos dados da aplicação na camada IP/X.25 na
passagem dos dados do PC à rede IP.
12
A N-PDU atravessa o GTP, que inclui um cabeçalho de GTP, que
diferencia a N-PDU de uma mensagem GTP. Após o encapsulamento do
cabeçalho de GTP, a N-PDU passa para a camada de protocolo UDP/TCP.
Esta camada insere o seu próprio cabeçalho - UDP ou TCP, com base na
classe de QoS - que contém os endereços das portas da fonte e destino,
informações de roteamento e (no caso do TCP) controle de fluxo. (Veja
B no diagrama.)
Agora a N-PDU é enviada à camada IP, que adiciona os endereços do
GSN da fonte e do destino final (SGSN neste caso). Dependendo do
comprimento da N-PDU e da unidade máxima de comprimento da
transmissão (MTU), pode ser necessário fragmentar a PDU.
Finalmente, a N-PDU com todos os cabeçalhos incluídos é transportada
pela camada física da interface Gn até o SGSN.
Transmissão no SGSN
Transmissão no BSS
No SGSN, os cabeçalhos são removidos e a N-PDU é enviada ao
SNDCP. Esta camada de protocolo fará a compactação (opcional) e a
segmentação do pacote para atender aos requisitos de MTU de
1520 octetos para a transmissão pela camada de serviços de rede
(NS) do frame relay na interface Gb. Em seguida, o SDNCP primeiro
classificará a N-PDU como PDU SN-DATA orientada à conexão ou uma
PDU SN-UNITDATA não relacionada a uma conexão. Finalmente, ele
incluirá um cabeçalho SNDCP que contém informações de compressão
e segmentação e enviará a PDU à camada LLC abaixo. (Veja C no
diagrama da página 12.)
Os dados são enviados pela conexão da camada física entre o SGSN e o
BSS. Em seguida, o BSSGP no BSS envia todas estas informações ao
controle do enlace de rádio (RLC). O trabalho mais importante da
camada RLC é a segmentação dos blocos LLC em blocos RLC menores.
A função básica da camada LLC, como discutido anteriormente, é
fornecer uma conexão lógica altamente confiável entre o SGSN e o
telefone móvel. A camada LLC aqui atua como as camadas LAPD e
LAPDM das interfaces Abis e Um do GSM. Esta camada encapsula a
PDU SN-DATA ou SN-UNITDATA em um quadro LLC, que tem o seu
próprio cabeçalho. O quadro LLC contém a SN-PDU que agora pode ser
denominado como bloco LLC. O cabeçalho do LLC inclui informações de
controle (usadas na transferência de quadros no modo acknowledged),
seqüência de verificação de quadros e os valores de SAPI. SAPI, neste
caso, refere-se ao serviço associado ao quadro LLC para esta seção PDP.
Os serviços para este quadro podem ser a gerência de mobilidade (MM)
ou dados do usuário dos níveis 1 a 5 (níveis dos parâmetros de QoS
como atraso, retransmissão e tamanho do buffer). Estes níveis de
serviço são decididos no processo de negociação de QoS. (Veja D no
diagrama da página 12.)
A camada BSSGP sob a camada LLC agora fornece algumas
informações de roteamento à camada NS para rotear o bloco LLC pela
camada física do frame relay. O BSSGP também inclui um cabeçalho ao
bloco LLC, que contém algumas informações essenciais às camadas
RLC/MAC da interface aérea com relação à transmissão dos blocos,
incluindo parâmetros como a prioridade, TLLI (identificador de enlace
lógico temporário), etc.
Um grupo de blocos de LLC que foram segmentados em blocos menores
é conhecido como um TBF (fluxo de blocos temporário). Cada TBF
recebe recursos alocados na interface aérea em um ou mais canais de
tráfego de dados em pacotes (PDTCH). Como mencionado
anteriormente, o TBF é temporário, sendo mantido somente pela
duração da transferência dos dados. O TBF recebe uma TFI (identidade
de fluxo temporário) e a camada RLC inclui um cabeçalho aos blocos de
dados que contêm a TFI, número de seqüência do bloco do RLC,
indicação de último bloco, TLLI e outras informações. O cabeçalho do
RLC também tem informações de direção (downlink/uplink). (Veja E no
diagrama da página 12.)
Uma determinação que deve ser feita é o “tamanho” das informações
contidas nos blocos de dados do RLC (em outras palavras, o tamanho
dos segmentos dos blocos LLC convertidos em blocos RLC). O tamanho
dos segmentos do bloco de dados LLC dependerá do esquema de
codificação usado na interface aérea. Há quatro esquemas de
codificação definidos para o GPRS: CS1, CS2, CS3 e CS4, que contêm
um máximo de 22, 32, 38 e 52 octetos de dados, respectivamente.
A seleção do esquema de codificação depende da escolha entre o
throughput desejado e a confiabilidade. Falaremos mais sobre estes
esquemas de codificação mais tarde.
Transmissão pela interface aérea
Após a segmentação do RLC e as inserções de cabeçalho, os blocos do
RLC são transmitidos pela interface aérea. É interessante observar que
há mais de uma camada antes da interface de rádio física - o MAC
(medium access control). Esta camada controla a sinalização de acesso,
incluindo a designação dos blocos do uplink e do downlink. Ela inclui o
seu próprio cabeçalho, que é monitorado pelos telefones móveis.
Discutiremos em uma seção posterior as operações de transferência de
dados em pacotes.
Os dados são transmitidos pela interface aérea ao telefone móvel (MS)
pela camada física (RF de GSM). Os dados sobem então pela pilha do
protocolo da MS, na qual os cabeçalhos são removidos um a um a cada
camada. Finalmente, a mensagem de e-mail original é recebida na
camada de aplicação pelo usuário móvel.
13
Seção 4: Identidades do GPRS
Antes de aprofundar a discussão sobre as operações do GPRS e a
interface aérea, definiremos algumas identidades comuns associadas
ao GPRS.
IMSI (identidade internacional do assinante móvel), associada
ao cartão SIM (módulo de identidade do assinante), é o mesmo para o
serviço GPRS e GSM. Mesmo um SIM de uma assinatura somente GPRS
terá uma IMSI.
P-TMSI (identidade do assinante móvel do serviço de pacotes
temporário). Nós estamos acostumados com o conceito de TMSI no
GSM, usada para manter a confidencialidade da IMSI. A TMSI é
alocada à unidade móvel GSM pelo VLR em uma atualização de
localização e conexão (attach) GSM. Uma TMSI do serviço de pacotes é
similar à TMSI, mas é atribuída pelo SGSN quando o telefone móvel
executa uma conexão (attach) GPRS. A P-TMSI também é usada pela
unidade móvel para definir outra identidade, o TLLI.
TLLI (identificador de enlace lógico temporário)
O TLLI é uma identidade usada (juntamente com a NSAPI, discutida
anteriormente) durante uma sessão de PDP para identificar o telefone
móvel nas interfaces Um e Gb. Enquanto que a NSAPI é usada na camada
SNDCP, a TLLI é usada na camada RLC/MAC na interface Um e na camada
BSSGP na interface Gb.
A TLLI pode ser obtida a partir de uma das seguintes quatro fontes:
• TLLI local, que é obtida usando a P-TMSI do SGSN. Esta é válida
somente na área de roteamento associada ao P-TMSI.
• TLLI exterior, que obtida a partir da P-TMSI alocada em uma área de
roteamento diferente.
• TLLI aleatória, que é selecionada aleatoriamente pelo telefone móvel
e usada quando a unidade móvel não tiver uma P-TMSI válida
disponível ou quando a unidade móvel originar um acesso anônimo.
• TLLI auxiliar, selecionada pelo SGSN e usada pelo SGSN e unidade
móvel para identificar de forma inequívoca uma MM (gerência de
mobilidade) de acesso anônimo e um contexto de PDP.
Figura 6. Identidades do GPRS
14
TBF (fluxo de blocos temporário)
A conexão física entre a MS e o BSS, criada durante o enlace da
transferência de dados em pacotes, é denominada fluxo de blocos
temporário (TBF). O trabalho mais importante da camada RLC é a
segmentação. Como descrito anteriormente, a camada RLC pega um ou
mais blocos de LLC e segmenta-os em blocos RLC menores. Estes
blocos LLC são conhecidos coletivamente como TBF (fluxo de blocos
temporário). Assim, um TBF é uma conexão física usada pelas duas
entidades de recursos de rádio para o suporte à transferência
unidirecional das PDUs LLC nos canais físicos de dados em pacotes.
Todos os quadros LLC que foram segmentados para uma NPDU (unidade
de dados de pacotes da rede) formam um TBF no enlace lógico na
interface aérea. Cada TBF recebe recursos alocados na interface aérea,
em um ou mais canais de tráfego de dados em pacotes (PDTCH). O TBF
é temporário, sendo mantido somente enquanto durar a transferência
dos dados. O TBF fica “aberto” durante a transferência de dados e
“fechado” quando esta transferência for interrompida.
TFI (identificador de fluxo temporário)
Cada TBF recebe uma TFI (identidade de fluxo temporário), que é alocada
a uma unidade móvel para a transferência de pacotes no uplink e no
downlink. Esta TFI é exclusiva para cada um dos TBFs de uma direção, e é
usada no lugar da identidade da MS na camada RLC/MAC. O mesmo
valor de TFI pode ser atribuído a TBFs concorrentes que estejam em
direções opostas. Uma mensagem de atribuição de recurso que contém a
TFI precede a transferência de/para a MS dos quadros LLC que
pertencem a um TBF. Para endereçar as entidades RLC de mesmo nível, a
mesma TFI é incluída em cada cabeçalho do RLC que pertença ao TBF,
assim como na mensagem de controle associada à transferência do
quadro LLC (por exemplo, acknowledgements). Como a TFI contém um
campo de cinco bits, podem ser usados valores de 0 a 31.
USF (flag de status do uplink)
O USF, que é transmitido no cabeçalho do RLC/MAC do bloco RLC do
downlink, diz à unidade móvel quais recursos do uplink que serão
usados. Vários usuários podem ser multiplexados em um mesmo
timeslot, transmitindo somente quando o USF indica que é a sua vez.
A unidade móvel monitora os USFs nos PDCHs alocados e transmite os
blocos de rádio nos canais que trazem no momento o valor de USF
reservado ao uso da MS.
RAI (identidade da área de roteamento)
Um subconjunto de uma área de localização, a RAI é uma identidade
exclusiva, similar à LAI (identidade da área de localização). Quando a
unidade móvel passa de uma área de roteamento a outra, ela executa
atualizações de área de roteamento pelo SGSN. Um SGSN pode
controlar uma ou mais áreas de roteamento. Como um GGSN pode ter
enlaces a vários SGSNs, o SGSN em que a unidade móvel estiver
residindo no momento deve ser identificado para que os pacotes
possam ser roteados corretamente. Por este motivo, a unidade móvel
executa a atualização da área de roteamento quando entra em uma
área de roteamento nova. Se esta área pertencer a um SGSN diferente,
uma RAI nova para a MS será enviada pelo HLR (registro de localização
de assinante móvel local) para a comunicação com o GGSN. Se houver
uma sessão PDP ativa, também serão enviadas informações de
atualização de PDP. A identidade da área de roteamento é formada pelo
MCC (código de país da unidade móvel), MNC (código de rede da
unidade móvel), LAC (código da área de localização) e o RAC (código da
área de roteamento).
15
Seção 5: Interface aérea GPRS
Voltemos agora a nossa atenção para a interface aérea GPRS.
É importante observar que o GPRS usa os recursos GSM existentes espectro, canais (200 kHz) e timeslots. Os usuários do GPRS
compartilharão um mesmo quadro TDMA com os usuários de voz do
GSM, aumentando assim os requisitos de capacidade. Até um certo
ponto, o GPRS trata da maior parte da demanda de capacidade
multiplexando vários usuários nos mesmos canais físicos (timeslots).
Além disso, a interface aérea do GPRS irá alocar recursos
dinamicamente (timeslots) para voz e PDCH (canais de dados em
pacotes). Determinados canais físicos serão configurados para o uso
dos dados em pacotes, mas estes podem ser reconfigurados para voz,
se necessário.
O GPRS deve alocar recursos para a sinalização e controle de tráfego.
Como o GPRS tem o seu próprio conjunto de parâmetros para o acesso
à rede e controle de chamadas, ele precisará ter canais separados para
as funções de controle comum de broadcast (como paging, acesso
aleatório e concessão de acesso) e tráfego associado (similar ao
SACCH). Alguns dos canais de sinalização podem ser multiplexados com
os canais GSM, usando diferentes configurações de canais possíveis.
Antes de descrever as opções para a alocação de recursos, vamos rever
alguns termos usados. O diagrama mostra que os quadros GSM ou
GPRS são formados por oito timeslots. O timeslot 0 é reservado para o
GSM BCH (canal de broadcast). Os timeslots de CS (comutação de
circuitos) são usados para chamadas de voz GSM ou dados comutados
por circuitos. O PBCH (canal de broadcast por pacotes) e os dados p
(dados em pacotes) são usados nos canais GPRS.
Figura 7. Canalização da interface aérea do GPRS
16
Há duas opções disponíveis para o estabelecimento de canais de
interface aérea do GPRS (mostradas na figura abaixo):
A opção 1 usa os recursos de sinalização GSM, mas estabelece canais
de dados em pacotes separados para o controle de tráfego. Os canais
de tráfego podem ser fixos ou dinâmicos.
A opção 2 separa os recursos GPRS inteiramente dos recursos GSM. Há
diversas configurações possíveis com esta opção. Um PBCH pode ser
usado para transportar informações de GPRS-BCH, canais de controle
comum, canais de dados em pacotes GPRS e canais associados ao
tráfego. Se os canais de dados em pacotes não forem transportados
pelo PBCH ou se for necessário usar recursos PDCH adicionais, é
possível configurar timeslots separados.
Os canais de dados em pacotes podem usar qualquer timeslot diferente
do BCH (timeslot 0). A unidade móvel irá primeiro sincronizar-se com o
GSM BCH. Como o PBCH não usa o timeslot 0, as unidades precisarão
usar o processo camp-on do GSM para entrar em camp-on com o BCH.
Uma mensagem “informação do sistema tipo 13” do BCH (que o
identifica como uma rede GPRS) então notificará as unidades móveis do
PBCH.
Figura 8. Canais lógicos do GPRS
Canais lógicos do GPRS
Canais lógicos são funções pré-definidas baseadas nos quadros de um
canal físico. Os canais físicos do GPRS geralmente transportam dois
tipos de informações: sinalização de controle para estabelecer e manter
um serviço GPRS e o tráfego de dados do usuário. Desta forma, os
canais lógicos do GPRS podem ser classificados como canais de
controle em pacotes e canais de tráfego em pacotes.
O PBCCH (canal de controle de broadcast em pacotes) é usado
para enviar informações do sistema de dados em pacotes em broadcast
a todas as unidades móveis GPRS de uma célula. O PBCCH pode não
estar presente em determinadas combinações de canais; neste caso, o
BCCH será usado para enviar informações do sistema de pacotes em
broadcast.
Os canais de controle em pacotes do GPRS podem ser subdivididos em
funções de controle comum e funções de controle de broadcast, de
forma similar à do GSM.
O PTCH (canal de tráfego em pacotes) é formado pelos seguintes
subcanais associados ao tráfego:
O PCCCH (canal de controle comum em pacotes) é um conjunto
de canais lógicos usado para a sinalização comum entre a estação
móvel e a estação radiobase.
• O PRACH (canal de acesso aleatório em pacotes) é usado somente no
uplink para usar a transferência do uplink.
• O PPCH (canal de paging em pacotes) é usado para buscar uma
unidade móvel antes da transferência de pacotes do downlink. O
PPCH é usado para o paging de comutação de circuitos e serviços
GPRS, dependendo dos modos de operação da rede e a classe da
unidade móvel. (Esta função pode ser usada na Classe A ou B).
• O PAGCH (canal de concessão de acesso em pacotes) é usado na fase
de estabelecimento da transferência de pacotes para enviar
mensagens de atribuição de recursos a uma unidade móvel antes da
transferência dos pacotes. Outras mensagens de atribuição de
recursos também serão enviadas em um PCCH se a unidade móvel já
estiver envolvida em uma transferência de pacotes.
• O PDTCH (canal de tráfego de dados em pacotes) é alocado para a
transferência de dados. Este canal é dedicado temporariamente a
uma móvel ou a um grupo de unidades móveis em aplicações
multicast. Uma unidade móvel pode usar vários PDTCHs em paralelo
para a transferência de dados em pacotes durante a operação
multislot.
• O PACCH (canal de controle associado em pacotes) é usado para
transportar informações de sinalização relacionadas a uma
determinada unidade móvel - por exemplo, controle de potência,
acknowledgements de pacotes ou reatribuição de recursos. Um
PACCH é associado a um ou diversos PDTCHs atribuídos
concorrentemente a uma unidade móvel.
• O PTCCH (canal de controle de avanço de timing em pacotes) é usado
no uplink para a transmissão de bursts de acesso aleatório. Ele
permite a estimativa do avanço de timing requerido pela unidade
móvel no modo de transferência de pacotes. No downlink, o PTCCH
pode ser usado para atualizar o avanço de timing em várias unidades
móveis.
• O PNCH (canal de notificação de pacotes) é usado para enviar a
notificação multicast ponto-multiponto a um grupo de unidades
móveis antes da transferência de pacotes multicast
ponto-multiponto.
17
Figura 9. Mapeamento dos canais lógicos em canais físicos
Mapeamento de canais lógicos em canais
físicos
Nós definimos vários canais lógicos para o GPRS. Estes canais não
necessariamente requerem recursos físicos separados. Os canais
lógicos são mapeados em canais físicos pela técnica “multiframing”.
Um multiquadro é um conjunto de um número fixo de quadros TDMA
que juntos têm uma funcionalidade atribuída.
Esta seção descreve como os blocos de controle do enlace de rádio
(RLC) são gerados com o uso de multiquadros. O diagrama mostra um
único quadro TDMA do GPRS formado por oito timeslots (0 - 7) no eixo
vertical. Estes quadros são repetidos, como indicado pelo exemplo no
timeslot 2 (TN2 - timeslot número 2). No GPRS, nós definimos um
multiquadro de 52 quadros. Cada timeslot 2 dos quadros 0-51 é
combinado para formar o multiquadro mostrado. O multiquadro é
dividido em 12 blocos, numerados de 0-11; cada um destes formado por
quatro quadros TDMA. Estes blocos às vezes não referidos como blocos
de rádio, e a eles são atribuídas determinadas funções de canais
lógicos. Os 12 blocos de rádio respondem por 48 dos quadros TDMA em
um multiquadro. Dos quatro quadros restantes, dois quadros
single-burst são usados para o canal de timing e dois são deixados
ociosos para a decodificação de BSIC e medições de interferência para
o controle de potência da célula vizinha.
A ETSI define três combinações de canais lógicos que podem ser
mapeados em um único canal físico por um multiquadro de 52 quadros.
18
A primeira combinação permite que todas as categorias de canais lógicos
sejam mapeadas em um canal físico. Como há somente 12 blocos para
canais lógicos em um multiquadro, esta opção definitivamente reduzirá o
número de canais disponível para cada categoria.
A segunda combinação permite que todos os canais diferentes do
PBCCH sejam mapeados em um canal físico. Isto aumenta a capacidade
do PCCCH e do PDTCH. Entretanto, esta opção pode ser usada somente
se houver um PBCCH (ou BCCH) em algum outro canal físico - por
exemplo, em uma configuração que usa o GSM BCCH.
A última combinação é formada somente por tráfego e sinalização
dedicada, que exclui o PBCCH e o PCCH. Esta combinação fornece mais
PDTCHs em um canal físico, e pode ser usada somente se houver um
PBCCH/PCCH em algum outro canal, ou o GSM BCCH/CCCH pode ser
usado.
O conceito de mestre-escravo pode ser usado em alguns casos em que
um canal físico esteja configurado como mestre e transporte todos os
tipos de canais lógicos (a primeira combinação) e outros canais físicos
estejam configurados como “escravos” e usados somente para a
transferência de dados (a terceira combinação). Quando a demanda
pela transferência de dados for baixa, estes outros canais físicos
podem ser usados para serviços de comutação de circuitos.
Coordenação das funções GSM e GPRS
Há determinadas funções comuns ao GSM e GPRS. Entre estas estão o
paging, atualizações de localização e a conexão/desconexão (attach/
dettach).
O paging é uma função crítica, que deve ser coordenada entre o GSM e
o GPRS. Para fazer isto, a rede irá operar em um dos três modos abaixo.
Este modo de operação é difundido (broadcast) na mensagem de
informações do sistema e será o mesmo dentro de uma área de
roteamento.
Modo de operação de rede 1
Neste modo, o telefone móvel monitora somente um canal de
paging durante a conexão GPRS. A rede envia o paging por
comutação de circuitos por um canal de paging GPRS ou em um
canal de paging GSM CCCH (canal de controle comum) (dependendo
da combinação de canais). Para enviar o paging por comutação de
circuitos no canal de paging GPRS, a interface Gs deve estar
presente.
As conexões e as atualizações de localização também dependerão dos
modos de operação da rede e da classe de móvel. O modo de operação
de rede é parte das informações do sistema de broadcast transmitido
às unidades móveis, e deve ser o mesmo para cada célula dentro de
uma área de roteamento. Após receber estas informações, a unidade
móvel determina se irá executar uma conexão GPRS, uma conexão IMSI
ou ambos. Esta determinação depende não somente do modo de rede,
mas também da classe da unidade móvel, que especifica se a unidade
móvel poderá ou não executar o attach ou detach simultâneos.
No modo de operação de rede 1, com uma unidade móvel com conexão
IMSI e GPRS, devem ser executadas atualizações combinadas de área
de roteamento/área de localização. Nos modos de operação de rede 2
ou 3, uma unidade móvel que possa fazer attaches GPRS e IMSI deve
executar uma atualização de área de roteamento e acessar o canal de
controle comutado por circuito na operação de comutação de circuitos
ou, se a operação de comutação de circuitos não for necessária,
executar uma desconexão.
Modo de operação de rede 2
O canal de paging CCCH é usado no paging por comutação de
circuitos e GPRS. Em seguida, a unidade móvel deve monitorar
somente o canal de paging CCCH.
Modo de operação de rede 3
Neste modo, a unidade móvel monitora o CCCH e o canal de paging
GPRS (PPCH). A unidade móvel receberá pages por comutação de
circuitos no CCCH e pages GPRS em um PPCH. Para monitorar
ambos os canais de paging, a unidade móvel deverá ser Classe A ou
Classe B.
19
Configurações multislot
Uma configuração multislot é formada por vários canais comutados por
circuitos ou pacotes juntos com seus canais de controle associados,
todos alocados ao mesmo telefone móvel. A configuração multislot
ocupa até 8 canais físicos, com diferentes números de timeslot (TNs),
mas os mesmos parâmetros de freqüência e a mesma seqüência de
preparação (training).
Há 29 classes de multislots definidas, cada uma com parâmetros
específicos. Os principais parâmetros para a configuração multislots
são:
• Tx, o número de timeslots simultâneos nos quais uma unidade móvel
pode transmitir
• Rx, o número de timeslots simultâneos nos quais uma unidade móvel
pode receber
Uma unidade móvel pode ter alocados diversos PDTCH/Us (canal de
dados de tráfego em pacotes/uplink) ou PDTCH/Ds (canal de dados de
tráfego em pacotes/downlink) para uma comunicação originada por
móvel ou terminada em uma móvel, respectivamente. Neste contexto, a
alocação refere-se à lista de PDCHs que podem transportar
dinamicamente os PDTCHs para esta móvel específica. O PACCH pode
ser mapeado em qualquer um dos PDCHs alocados. Se houver m
timeslots alocados para a recepção e n timeslots alocados para a
transmissão, deverá haver Min (m, n) timeslots de recepção e
transmissão com o mesmo TN.
• Sum (soma), o número total de timeslots que podem ser usados no
uplink e no downlink. Por exemplo, a expressão TX =3 e Rx=3,
Sum = 4 significa que uma unidade móvel desta classe pode receber
em três slots e transmitir em somente um; receber em dois e
transmitir em dois ou receber em um e transmitir em três. Em
qualquer caso, o número total de timeslots não pode ser maior que
quatro.
• Tn, o número mínimo de timeslots necessário para medir os canais
adjacentes para uma classe de unidade móvel particular. Este
parâmetro impõe limitações nos tipos de unidade móvel para uma
classe em particular.
A configuração multislots depende do tipo das unidades móveis:
• As unidades móveis do tipo 1 não transmitem e recebem
simultaneamente. Desta forma, a sua utilização de multislots é
limitada pelo tempo necessário para fazer medições de células
vizinhas.
• As unidades móveis do tipo 2 podem transmitir e receber
simultaneamente; desta forma, permitem o uso de um maior número
de slots.
Figura 10. Classe multislot de MS
Classe de multislot 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
16 17
18 19
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Timeslots de Rx
1 2 2 3 2 3 3 4 3 4
4
4
3
4
5
6
7
8
6
6
6
6
6
8
8
8
8
8
8
Timeslots de Tx
1 1 2 1 2 2 3 1 2 2
3
4
3
4
5
6
7
8
2
3
4
4
6
2
3
4
4
6
8
Sum
2 3 4 4 4 4 4 5 5 5
5
5 NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA
Tn
4 3 3 3 3 3 3 2 2 2
2
2
3
A tabela acima relaciona as 29 classes de multislots. As classes 2, 8 e
12 serão as preferidas nos estágios iniciais da implementação do GPRS.
As classes de 13 a 29 poderão ser utilizadas somente pelas unidades
móveis do tipo 2.
20
3
3
2
1
0
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Controle de potência de RF
O controle de potência de RF é usado para minimizar a potência de
transmissão exigida pela unidade móvel ou o BSS, mantendo a
qualidade dos enlaces de rádio. Minimizando os níveis de potência de
transmissão, podemos reduzir a interferência entre usuários de
co-canais.
No caso de serviços comutados por circuitos, a unidade móvel é
comandada pela estação radiobase para alterar o seu nível de potência.
A estação radiobase dirige este processo, com o auxílio das medições
de nível de Rx no uplink e da qualidade de Rx. No GPRS, entretanto,
este processo é controlado pela unidade móvel, pois a transmissão não
é contínua.
A unidade móvel calcula a potência de saída (em dBm) que será usada
no PDCH de cada uplink. A potência de saída de qualquer canal deve ser
o mínimo necessário para manter a qualidade do serviço, com exceção
da potência máxima transmitida nos bursts de acesso.
A potência de saída é calculada pela unidade móvel usando parâmetros
de controle de potência específicos definidos pela rede, que são
dependentes da potência máxima permitida na célula, da classe de
potência da unidade móvel e da intensidade do sinal do receptor.
Para medir a potência de saída mínima no uplink de uma unidade
móvel,
Esta fórmula tenta medir o nível mais preciso do sinal de recepção.
O valor de C é o nível de sinal de recepção na unidade móvel, calculado
pela diferença na potência recebida da BTS no controle de potência do
downlink com relação ao PBCCH. O cálculo de C aqui está simplificado;
na prática, C é a medição de média móvel com alguns parâmetros de
multiquadro associados, obtidos a partir das mensagens de
informações do sistema.
τch é enviado à unidade móvel na mensagem de controle do RLC. A rede
pode modificar este parâmetro a qualquer momento em 31 passos de
2 dB cada. Este parâmetro é modificado dinamicamente, com o auxílio
de algumas medições da BTS. O elemento mais importante do cálculo
de τch e, portanto, do valor disponível para a unidade móvel é a
medição da potência da interferência. A BTS medirá a potência nos
quadros ociosos (do multiquadro GPRS de 52 quadros) e aplica um peso
às medições, usando o alfa (0 a 1, em passos de 0,1 dB).
τch tem um papel importante no controle da saída de potência da
unidade móvel, pois com esta medição o controle de potência passa a
ser o controle da qualidade. Se removermos τch, o cálculo de potência
da estação móvel será baseado somente no nível do sinal recebido.
τ0 = 39 dBm para GSM 900 ou 36 dBm para GSM 1800
Pmax = potência máxima de saída permitida na célula.
Pch = min (τ0-τch-(α * (C+48)), Pmax
21
Avanço de timing no modo GPRS
A principal diferença entre a transmissão por comutação de circuitos e
a transmissão por comutação de pacotes é que a transmissão por
comutação de pacotes não é contínua. Durante a operação da
comutação de circuitos, quando a unidade móvel estiver transmitindo
continuamente, a BTS pode obter facilmente o atraso com relação aos
valores de timing anteriores. Isto seria muito difícil nas aplicações de
comutação de pacotes, pois a unidade móvel estará transmitindo
somente nos blocos de rádio atribuídos, e o intervalo entre dois blocos
pode ser significativo. Para evitar a interferência interna do timeslot e
outros problemas possíveis. o GPRS implementa uma técnica nova para
conseguir o timing correto dos bursts.
Figura 11. Avanço de timing no modo GPRS
Esta técnica, chamada avanço de timing, é executada em duas partes:
• Avanço de timing inicial, feito de forma similar à da comutação
de circuitos, na qual o atraso inicial é medido pela recepção de
PRACH/RACH na estação radiobase, usando o período de guarda
estendido de 88 bits.
• Avanço de timing contínuo, segue o avanço de timing inicial e é
executado continuamente, usando os canais lógicos PTCCH (canais
de controle de avanço de timing dos pacotes) no multiquadro de 52
quadros. Há dois canais PTCCH em um multiquadro. Nós criamos um
grupo de oito multiquadros (somente para a operação de avanço de
timing), que nos dá 16 canais lógicos PTCCH. Cada um dos PTCCHs
agora é considerado um subcanal, e oferece um valor de índice TAI
(índice de avanço de timing) entre 0-15. A unidade móvel recebe um
valor TAI na mensagem de atribuição. Com este TAI, a unidade móvel
transmitirá um burst de acesso em cada ocorrência de subcanal
atribuída (uma vez em oito multiquadros). A estação radiobase irá
capturar este burst e calcular o atraso do acesso e o novo valor de
avanço de timing. O novo valor de avanço de timing será enviado à
unidade móvel na mensagem TA enviada no canal PTCCH do
downlink. Uma mensagem de sinalização precisa de quatro bursts,
assim uma mensagem de TA ocorrerá em quatro bursts. Uma
mensagem TA conterá os valores de TA associados a todos os 16
valores TAI.
22
O exemplo acima ilustra o processo de avanço de timing. Nós temos
oito quadros, nos quais cada PTCCH tem um valor de índice atribuído de
TAI=0 a TAI=15. Uma unidade móvel com TAI=5 transmitirá o burst de
acesso no terceiro multiquadro, segundo quadro PTCCH neste conjunto
de oito quadros. A resposta correspondente, com o valor de avanço de
timing atualizado, será recebida na mensagem TA 3. Este mesmo valor
de TA será repetido em todas as mensagens TA até que o próximo
conjunto de oito multiquadros enviado pela unidade móvel envie um
novo burst de acesso no subcanal TAI=5.
Por este processo, a unidade móvel atualiza desta forma a sua posição
(atraso de acesso) uma vez a cada oito multiquadros GPRS
(aproximadamente a cada 2 segundos) e recebe atualizações nestes
mesmos intervalos.
Figura 12. Esquemas de codificação de dados em blocos de rádio
Codificação de dados nos blocos de rádio
Após ter definido alguns processos e operações comuns de RF, voltamos
novamente às informações que são enviadas na interface aérea.
Anteriormente, discutimos rapidamente a codificação na interface
aérea. A interface de rádio limita a taxa máxima de transferência de
dados. Um burst TDMA pode transportar até 114 bits de informação;
desta forma, cada bloco de rádio de quatro bursts pode transportar
somente 456 bits de informação. As informações transportadas nestes
bits são os dados do usuário e a codificação. A codificação proporciona
a detecção do erro e a correção do erro, sendo essencial para a
gerência de problemas na interface aérea.
O processo comum usado na codificação GSM é a inserção de bits CRC
e a codificação convolucional. O GPRS usa os mesmos mecanismos, mas
oferece quatro opções para a codificação dos dados por maneiras
diferentes, como visto na figura acima. O esquema de codificação 1 tem
o nível mais alto de proteção, portanto, o menor número de erros. A
desvantagem é que proporciona a menor taxa de dados. Cada um dos
próximos esquemas de codificação (2, 3 e 4) compromete de alguma
forma o nível de codificação e, assim, aumenta a probabilidade de
erros. Por outro lado, um número mais alto de esquema de codificação
(4 é o número mais alto de esquema de codificação) aumenta a taxa de
dados. A tabela acima ilustra este processo.
À medida que passamos a esquemas de codificação mais altos,
reduzimos o número de bits de CRC e, assim, a probabilidade da
detecção de quadros com problemas. Nós também removemos alguns
dos bits de proteção (um processo denominado “puncturing”). Agora, se
a interface de rádio for de baixa qualidade, teremos mais problemas
com erros.
O esquema de codificação e o número de timeslots determinam
parcialmente a taxa de dados teórica. Por exemplo, o uso de oito
timeslots e do esquema de codificação 4 resultará em uma taxa de
dados teórica de 171,2 kbps (21,4 kbps x 8 timeslots). Entretanto, por
considerações práticas, incluindo degradações na interface aérea e a
existência de telefones GPRS que utilizam mais de 3-4 timeslots, esta
taxa de dados teórica não pode ser alcançada em condições normais de
operação.
Os esquemas de codificação podem ser atribuídos por diversas formas primeiro no processo de atribuição de canal inicial e posteriormente
com o “toggling”, usando os bits de controle no burst.
É importante lembrar que embora os esquemas de codificação tenham
um papel importante na otimização da taxa de dados na interface
aérea, no final será a qualidade da interface aérea que determinará os
resultados. Os esquemas de codificação 1 e 2 serão comuns nas
primeiras instalações de redes GPRS.
23
Seção 6: Operações de transferência de pacotes de dados
Nesta seção final, examinamos alguns dos procedimentos associados à
transferência de dados em pacotes. Isto é importante porque os
conceitos descritos aqui fornecerão valiosas informações básicas aos
engenheiros de RF que precisam eliminar problemas de redes de dados
GPRS usando os recursos de decodificação do protocolo de mensagens
da camada 3 das ferramentas de drive test comerciais de fornecedores
como a Agilent Technologies.
Como vimos antes, para iniciar uma transferência de pacotes, um móvel
GPRS precisa primeiro conectar-se à rede GPRS e depois executar um
processo específico do GPRS conhecido como ativação do contexto de
PDP. O contexto de PDP atribui um endereço IP ao móvel (se este não
tiver um endereço estático). Em seguida, a unidade móvel pode acessar
a rede, solicitar recursos, enviar dados, entrar no modo standby se não
houver dados sendo transmitidos, e repetir o todo o processo
novamente.
Transferência de pacotes de dados no uplink
Um telefone móvel precisa solicitar recursos do BSS (subsistema da
estação radiobase). O telefone móvel inicia uma transferência de dados
fazendo uma solicitação de canal de pacotes (PRACH ou RACH). A rede
responde no PAGCH (canal de concessão de acesso de pacotes) ou
AGCH, respectivamente. É possível usar um método de acesso de
pacotes de uma ou duas fases.
No acesso de uma fase, a rede responde à solicitação de canal de
pacotes com a atribuição do uplink de pacotes, reservando recursos em
um ou mais PDCHs para a transferência do uplink de um número de
blocos de rádio. A reserva do recurso é feita em conformidade com os
recursos solicitados na solicitação de canais de pacotes.
Figura 13. Transferência de dados no uplink
24
• Usando o RACH, a solicitação do canal de pacotes tem somente dois
valores-causa para indicar o GPRS. Estes podem ser usados para
solicitar recursos limitados ou o acesso em duas fases.
• Usando o PRACH, a solicitação de canal de pacotes pode conter
informações suficientes (classe de multislot, número de blocos
necessário, etc.) sobre os recursos solicitados para que a rede
atribua recursos de uplink em um ou vários PDCHs pela mensagem
de atribuição de uplink de pacotes.
A unidade móvel ou a rede pode iniciar uma solicitação de acesso em
duas fases. A unidade móvel pode solicitar o acesso em duas fases em
uma mensagem de solicitação de canal de pacotes. A rede pode
responder com um pedido para enviar a solicitação de recursos de
pacotes ou com um pedido para continuar com o procedimento de
acesso em uma fase.
A mensagem de solicitação de recursos de pacotes contém uma
descrição completa dos recursos solicitados para a transferência no
uplink. A unidade móvel pode indicar o método “medium access”
(recursos de acesso de rádio, motivos para a solicitação, nível atual do
serviço recebido, nível de interferência em todos os timeslots) preferido
para o TBF. A rede responde com uma atribuição de uplink de pacotes,
reservando recursos para a transferência no uplink e definindo os
parâmetros de transferência de dados real. Se a rede não responder à
solicitação de canal de pacotes dentro de um período de tempo
pré-definido, a unidade móvel fará outra tentativa após um tempo de
back-off aleatório.
Figura 14. Transferência de dados do uplink - alocação dinâmica de blocos de rádio
Alocação dinâmica de blocos de rádio
O próximo passo no processo de transferência de dados em pacotes é a
alocação dos blocos de rádio. São usados os tipos de alocação fixa e
dinâmica. Comecemos pela alocação dinâmica.
Como a unidade móvel sabe em qual bloco RLC deverá transmitir?
O processo pelo qual a unidade móvel é informada sobre a
disponibilidade de recursos para a transmissão bloco-a-bloco pelo
uplink é conhecido como alocação dinâmica.
A rede envia uma mensagem de atribuição de uplink de pacotes ao
móvel com a lista de valores de PDCHs atribuídos (timeslot e portadora)
e o flag de status de uplink (USF) correspondente. Além disso, uma TFI
exclusiva é alocada, e a partir deste momento incluída em cada bloco
de dados e controle de RLC relacionados a este fluxo de blocos
temporário. A unidade móvel monitora os USFs nos PDCHs alocados e
transmite os blocos de rádio nos canais que trazem o valor de USF
reservado para o uso desta unidade móvel.
O USF é um cabeçalho MAC de 3 bits. Ele atribui um bloco de rádio ou
quatro blocos de rádio por vez à unidade móvel. Assim, quando a
unidade móvel detectar o USF em um downlink, ela transmitirá um
único bloco RLC/MAC ou uma seqüência de quatro blocos. A unidade
móvel inclui na transmissão de blocos no uplink o número de blocos
restantes no fluxo de blocos temporário. A rede continuará a atribuir
blocos de rádio à unidade móvel até que esta indique que não tem mais
blocos para transmitir.
25
Figura 15. Transferência de dados no uplink - alocação fixa
Alocação fixa de blocos de rádio
Além da alocação dinâmica de recursos para a transmissão de blocos,
há a opção da alocação fixa. Com este método, a rede na mensagem de
atribuição de uplink de pacotes atribui todos os blocos solicitados pelo
móvel na mensagem de solicitação de recursos de pacotes. Esta
atribuição de recursos incluirá o parâmetro de freqüência, timeslots,
um bitmap de 1 a 127 bits e um número de quadro inicial. Quando a
unidade móvel recebe estas informações, ela começa a transmitir os
dados no uplink nos blocos correspondentes, começando pelo número
de quadro inicial e usando as informações no bitmap (0 = bloco não
atribuído; 1 = bloco atribuído).
Este exemplo mostra uma atribuição de dois timeslots (TN 2 e 6), um
quadro inicial igual a 5 (com relação a onde foi recebido), e um bitmap
100111 (veja os blocos mostrados em destaque).
26
Figura 16. Transferência de dados no uplink
Transferência de blocos de dados do RLC
Os blocos de dados do RLC são transferidos com o uso de um processo
denominado modo acknowledged RLC/MAC. Este processo é controlado
por um mecanismo ARQ seletivo e pela numeração dos blocos de dados
RLC dentro de um fluxo de blocos temporário. O processo de
transferência entre a unidade móvel e a estação radiobase é mostrado
no diagrama. Compreendendo este processo, os engenheiros de RF
terão informações básicas úteis que os ajudará a eliminar problemas de
rede usando as funções de decodificação de mensagens da camada 3
encontradas nas ferramentas de drive test como as fornecidas pela
Agilent. Comecemos pela transferência de dados no uplink. O lado de
envio (o móvel ou a rede) transmite blocos em uma janela, e o lado de
recepção envia mensagens ack/nack (reconhecido/não reconhecido)
pelo downlink de pacotes, conforme necessário. Cada uma destas
mensagens reconhece todos os blocos de dados do RLC recebidos
corretamente até um número de seqüência de blocos (BSN) indicado,
assim “deslocando” o início da janela de envio no lado da transmissão.
A mensagem de ack/nack de pacotes contém um bitmap dos números
de seqüência de blocos RLC, no qual cada bit representa o status de
recepção do bloco de dados (0 = nack, ou não reconhecido; 1=ack, ou
reconhecido). A mensagem também fornece o valor absoluto inicial de
BSN para o bitmap. Por exemplo, se os blocos de dados do RLC com
números de BSN de 21 a 26 foram enviados pela móvel e os blocos 24 e
25 estiverem corrompidos, quando a rede enviar a mensagem de
ack/nack, esta indicará os blocos que foram recebidos e os que não o
foram. O bitmap será “111001”, iniciado por um “1” que reconhece o
BSN 21 e contendo dois “0” para os BSNs 24 e 25.
A mensagem de ack/nack pode ser enviada em qualquer um dos blocos
atribuídos, e o cabeçalho RLC/MAC indicará que esta é uma mensagem
de controle. Uma móvel tem uma janela de transmissão de somente
64 blocos e, se não receber uma mensagem de ack/nack dentro desta
janela, ela notificará a rede no próximo bloco disponível que a janela
está “congelada”. A unidade móvel também enviará um “valor de
contagem regressiva” (de 0 - 15) no cabeçalho do bloco de dados de
RLC no uplink para informar à rede quantos blocos de dados de RLC
permanecem no TBF do uplink atual. Quando a contagem regressiva
chegar a 0, a rede poderá enviar a mensagem final de ack/nack.
Após a móvel ter enviado o último bloco de dados com um valor de
contagem regressiva igual a 0, ela iniciará um timer. Ao final do período
de 5 segundos, a unidade móvel irá considerar a atribuição atual dos
recursos como inválida.
27
Figura 17. Transferência de dados no downlink
Transferência de pacotes de dados no downlink
Agora, vejamos como funciona a transferência de dados no downlink.
A rede inicia a transmissão de um pacote à unidade móvel no estado
ready, usando uma mensagem de atribuição de downlink de pacotes. Se
já houver uma transferência de pacotes em progresso no uplink, a
mensagem de atribuição no downlink de pacotes poderá ser
transmitida em um PACCH. Caso contrário, ela poderá ser enviada em
um PCCCH ou um CCCH. A mensagem de atribuição de downlink de
pacotes transporta informações ao móvel sobre os timeslots, os
parâmetros de freqüência, avanço de timing, controle de potência, TFI e
número do quadro TDMA inicial.
A rede envia os blocos RLC/MAC que pertencem ao fluxo de blocos
temporário (TBF) nos canais de downlink atribuídos. Geralmente, mais
de uma unidade móvel é multiplexada nos PDCHs em um dado
momento, e cada unidade móvel precisa de uma maneira para
identificar a sua própria TBF. Isto é feito pela TFI no cabeçalho de RLC.
Como definido anteriormente, a TFI é uma identidade exclusiva
associada ao TBF em uma direção em um conjunto de PDCHs. O
cabeçalho do MAC identifica o bloco de RLC como um bloco de
controle/dados, e a TFI no cabeçalho do RLC identifica a unidade móvel
à qual o bloco pertence.
O cabeçalho do MAC nos blocos de RLC do downlink contém um bit
para o polling da unidade móvel. Ele usa um campo de informação
como o período relativo de bloco reservado (RRBP) para informar à
unidade móvel o número de quadro relativo (e desta forma o bloco de
rádio) após o qual a unidade móvel deve enviar a mensagem de
ack/nack do downlink de pacotes. Há também um indicador de bloco
final (FBI) no cabeçalho do RLC do downlink que sinaliza o bloco de
dados RLC final e inicia a liberação do processo de recursos. Quando
recebe a mensagem ack/nack final enviada pela unidade móvel, a rede
inicia um timer (sem valor definido nas especificações GPRS) e no
término da temporização, a TFI e todos os recursos atribuídos ao móvel
são liberados.
É possível para a rede alterar a atual atribuição de downlink por uso de
uma mensagem de atribuição de downlink de pacotes ou uma
mensagem de reconfiguração de timeslot de pacotes que, por sua vez,
precisa ser reconhecida pela unidade móvel em um bloco de rádio
reservado no uplink.
28
Resseleção de células
O último processo de transferência de dados que iremos considerar é a
resseleção de células. Este processo é útil para que compreendamos
como a unidade móvel fará o handover de uma chamada de uma célula
a outra conforme a unidade móvel se desloca pela rede wireless.
A rede pode controlar os seus relatórios de medição de resseleção e
solicitação de células a partir da unidade móvel. Esta solicitação é
indicada pelo parâmetro “network control order”, que tem três valores
possíveis, conforme definido abaixo:
No GSM, a resseleção de células é um procedimento do modo ocioso,
no qual não há recursos dedicados atribuídos ao móvel. Ao invés disso,
este processo é realizado por cálculos de C1 e C2.
• NC0, o modo normal de controle da estação móvel. Neste modo, a
unidade móvel executa a resseleção autônoma de célula usando C1,
C31 e C32.
No GPRS, a resseleção de célula é feita no modo de transferência de
pacotes, assim como no modo ocioso. O GPRS também usa o cálculo de
C1, que é chamado de critério de perda no percurso, e parâmetros
configuráveis como o nível mínimo de recepção, potência de acesso e
classmark. Estes parâmetros usados para o cálculo de C1 são agora
específicos do GPRS.
• NC1, o modo de controle da estação móvel com relatórios de
medição. Neste modo, a unidade móvel envia relatórios de medição
à rede e executa a resseleção autônoma da célula usando C1, C31 e
C32.
Opcionalmente, os sistemas GPRS podem usar o cálculo de C31,
conhecido como critério de nível de sinal. Este cálculo fornece outros
offsets fixos e temporários a C1 para estruturas de célula hierárquicas,
sendo usado para atribuir prioridades às células para a resseleção do
GPRS. Isto é, se todas as células em uma rede forem células que não
são GPRS, será preferível forçar as unidades móveis GPRS a se
conectar a uma célula GPRS. Os cálculos de C31 habilitam este
processo.
Para diferenciar as células que tenham uma mesma prioridade, o GPRS
pode usar os cálculos de C32, conhecidos como parâmetro de critério
de ranking de célula.
• NC2, o modo de controle da rede. Neste modo, a unidade móvel
envia relatórios de medição à rede, mas não executa a resseleção
autônoma. Ao invés disso, a rede GPRS faz as reatribuições dos
recursos de pacotes.
Resumo
A tecnologia GPRS inclui recursos de comutação de pacotes ao GSM
que abrem as portas a novos serviços baseados em Internet e outras
aplicações de dados em alta velocidade. Entretanto, o GPRS também
inclui novos protocolos e complexidade à rede. Compreender a
tecnologia e as mudanças que ela traz será vital para uma
implementação bem sucedida do GPRS e a realização plena dos
benefícios que ela traz à rede móvel.
29
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