Seção: Tutoriais Telefonia Celular
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O GPRS, General Packet Radio Service, se destaca como um dos maiores desenvolvimentos para o padrão GSM, o qual se beneficia com técnicas de comutação por pacotes, para atender aos assinantes móveis com altas taxas de bits para transmissão de dados. Na comunicação por pacote comutado, a rede envia um pacote de dados somente quando este for requisitado.
Então, para a interface aérea, um canal de rádio pode ser compartilhado por várias MS simultaneamente [Bettstetter, 2001]. Para assinantes GPRS, é possível a utilização de vários time slots (canais de dados) simultaneamente atingindo uma taxa próxima a 170 kbps. A tarifação por volume de dados é possível porque, os canais são alocados aos usuários somente quando ocorrer o envio ou recebimento de pacotes.
O serviço GPRS é uma tecnologia 2,5 G que pode combinar até 8 time slots em cada intervalo de tempo em uma conexão de pacote de dados IP, aumentando assim sua velocidade. Quando uma MS gera um pacote de dados, a rede manda o pacote para seu destino no primeiro canal de rádio disponível.
Como o tráfego de dados geralmente consiste em bursts (rajadas) de dados, os canais de rádio serão utilizados eficientemente A informação de endereçamento é incluída em cada pacote para que o mesmo possa encontrar o seu destino.
O GPRS suporta tanto o IP quanto o X.25 na comunicação de rede. Como o GPRS pode ser adicionado à infra-estrutura GSM de forma quase que imediata, ele apresenta vantagens nos uso dos 200 KHz existentes de canal de rádio, não necessitando de um novo espectro [Bettstetter, 2001].
Os principais elementos da nova infra-estrutura são chamados de GGSN (Gateway GPRS Support Node) e SGSN (Serving GPRS Support Node), como pode ser observado na figura 2. O GGSN provê a interconexão com outras redes como a Internet ou redes privadas, enquanto SGSN busca a localização dos dispositivos móveis e faz o roteamento dos pacotes de tráfegos para eles. A capacidade do GPRS pode ser adicionada aos aparelhos celulares e também pode ser disponibilizada para dispositivos de dados como modem de computadores.
O gerenciador de localização GPRS é baseado na definição de uma MS em relação a seu modo de operação (READY, STANDBY ou IDLE), sendo que o gerenciador realiza alguns updates de localização. Para este propósito, áreas de roteamento especiais são definidas, as quais são sub-áreas das áreas de localização definidas no sistema GSM.
Entretanto, o GPRS possui seu próprio gerenciador de mobilidade, e este coopera com gerenciador de mobilidade do GSM. Isso resulta, por exemplo, em um mecanismo de paging mais eficiente para estações móveis que utilizam serviços baseados em comutação por circuito e por pacote simultaneamente.
A interface aérea de orientação por pacote é um dos aspectos chave do GPRS. Estações móveis com capacidade multislot podem transmitir em vários time slots de um frame TDMA, os enlaces de subida e descida são alocados separadamente, e os canais físicos são utilizados somente no período de duração da transmissão, o qual leva a um ganho na multiplexação. Essa flexibilidade no canal de alocação resulta em uma maior eficiência na utilização dos recursos rádio. No topo dos canais físicos, um número de canais de pacote lógicos foi padronizado.
O canal de codificação do GPRS define quatro esquemas de codificação diferentes, o que permite ajustar o tradeoff entre o nível de proteção contra erro e taxa de dados, dependendo da qualidade do canal de rádio. Para o simulador, foi utilizado o CS-4 (CoddingScheme 4), que possui menos eficiência em relação à ruído, porém atinge maior taxa por número de time slots utilizados.
Os princípios de segurança do GPRS incluem autenticação, codificação, e confidência na identidade do assinante. O SGSN lida com a autenticação e um algoritmo especial de encriptação chamado GEA (GPRS Encryption Algorithm). Além disso, operadoras GPRS protegem sua rede com firewalls contra redes externas e gateways para outras redes GPRS. Protocolos de segurança IPsec (IP Security Protocol) podem ser utilizados para comunicação através de redes externas sem segurança.
Cenários típicos para GPRS são: acesso wireless à Internet, Internet e-mail, e-mail corporativo, WAP através do GPRS, serviços de propaganda, localização e telemetria de campo [REGIS, 2002].
Arquitetura GPRS
O GPRS representa um pequeno impacto na BSS (Base Station Subsystem) existente do GSM, tornando fácil reutilizar os componentes existentes e os links sem grandes modificações. Isto é possível porque o GPRS utiliza a mesma banda de freqüência técnicas de hopping, a mesma estrutura de frame TDMA, a mesma modulação e estrutura de burst do GSM [BETTSTETTER, 2001].
Um novo componente funcional chamado PCU (Packet Control Unit) foi adicionado ao BSS padrão GPRS para suportar a manipulação dos pacotes de dados. O PCU é colocado logicamente entre o BSS e o GPRS NSS (Network Subsystem).
Diferente das conexões do circuito de voz, as conexões GPRS têm que ser estabelecidas e liberadas entre a BSS e a MS apenas quando houver a necessidade do transporte de dados através da interface aérea. Sendo assim o GPRS NSS pode ser visto como uma rede garantindo o link entre usuários móveis e a rede de dados.
No intuito de integrar o GPRS na arquitetura GSM existente, uma nova classe de nós de rede, chamada GSNs (GPRS Support Nodes), foi introduzida [BETTSTETTER, 2001]. Os GSNs são responsáveis pela entrega e roteamento dos pacotes de dados entre as estações móveis e a PDNs (Packet DataNetworks) externas.
Um SGSN (Serving GPRS Support Node) entrega pacotes de dados de e para as estações móveis dentro de sua área de serviço. Sua tarefa inclui roteamento e transferência de pacotes, funções de conexão de desconexão de estações móveis e suas autenticações, e gerenciamento lógico do link. O registrador de localização do SGSN armazena informações de localização (célula atual e VLR atual) e os profiles do usuário (IMSI, endereço utilizado na rede de pacotes de dados) de todos os usuários registrados neste SGSN.
O GGSN (Gateway GPRS Support Node) atua como uma interface com a rede externa de pacotes (Internet). Ele converte os pacotes GPRS vindos do SGSN para o formato PDP (Packet Data Protocol) adequado, e os envia para a rede externa correspondente [Bettstetter, 2001].
De outra forma, o endereçamento PDP de pacotes de dados que estão chegando (IP de destino) é convertido no endereço GSM do usuário de destino. Os pacotes reendereçados são enviados do SGSN responsável. Neste propósito, o GGSN armazena endereços e profiles de usuários registrados no atual SGSN, em seu registrador de localização.
Em geral, existem várias relações entre os SGSNs e os GGSNs : um GGSN é a interface de rede externa para vários SGSNs; um SGSN pode rotear seus pacotes para diferentes GGSNs.
As interfaces Gn e Gp são também definidas entre dois SGSNs [Bettstetter, 2001]. Isso permite ao SGSN trocar profiles de usuário quando uma MS se move de uma área SGSN para outra. De outro lado da interface Gf, o SGSN pode perguntar e achar o IMEI de uma MS tentando se registrar na rede. No padrão GPRS, interfaces para redes IP (IPv4 eIPv6) e X.25 são suportadas.
O GPRS também adiciona mais entradas aos registradores GSM. Para gerenciamento de mobilidade, a entrada do usuário no HLR é estendida com um link para o respectivo SGSN. Além disso, o profile específico GPRS e os atuais endereços PDP são armazenados. A interface Gr é utilizada para fazer a troca desta informação entre HLR e SGSN.
Por exemplo: O SGSN informa ao HLR a localização atual da MS. Quando uma MS se registra em um novo SGSN, o HLR envia o profile do usuário para o novo SGSN. De maneira similar, o caminho de sinalização entre GGSN e HLR (interface Gc) pode ser utilizada pelo GGSN para questionar a localização e o profile de um usuário que seja desconhecido pelo GGSN.
Acrescentando também, o MSC/VLR pode ser estendido em relação as funções e entradas de registro nas quais permitem uma coordenação eficiente entre comutação por pacote (GPRS) e a convencional comutação por circuito GSM. Em exemplo são combinados os updates de localização do GPRS e GSM e procedimento de anexo de dados além do mais, requisições de paging das chamadas de comutação por circuito GSM podem ser executadas através do SGSN. Para este propósito, a interface Gs conecta os registradores do SGSN e MSC/VLR.
E, finalmente, a interface Gd torna possível a troca de mensagens SMS (Short Message Service) via GPRS, pois esta interconecta o SMS-GMSC (SMS Gateway MSC).
Alocação de Recursos de Tráfego para GPRS
A alocação de recursos de rádio é executada pelo BSS durante o estabelecimento de um TBF (Temporary Block Flow) de acordo com o contrato de QoS negociado entre uma MS e a rede GPRS [KOCHEM, 2003]. Com base na classe de throughput, o BSS pode determinar a porção da largura de banda que deve ser alocada, dinamicamente ou estaticamente, para uma determinada aplicação de modo que esta transmita seus pacotes de acordo com a taxa de dados negociada.
Em uma alocação estática (ou fixa), cada canal é atribuído durante o período inteiro de uma conexão. Conseqüentemente, esse tipo de alocação contribui para o desperdício da largura de banda total disponível no sistema, quando o canal fica ocioso, isto é, não ocorre transmissão de dados, durante o intervalo de tempo em que a porção da largura de banda foi alocada para a conexão. Por esse motivo, a maioria dos sistemas opta por alocar seus canais dinamicamente à medida que os mesmos são necessários.
Gerenciamento de Recursos Rádio e Múltiplo Acesso
O GPRS é utilizado em redes móveis, as quais trabalham com multiplexação freqüência - tempo para acessar os recursos rádio. A utilização dos recursos da rede é muito importante para a parte de rádio desde que qualquer operador do serviço GSM/GPRS disponha de apenas um número limitado de freqüências. O GPRS combina transmissão em alta velocidade com a maioria dos canais físicos e de transmissão de dados.
O GPRS desenvolveu um novo modelo de tarifação, que pode ser realizado com base na quantidade de dados transmitidos e não no tempo total de comunicação da seção [Bettstetter, 2001]. Durante uma seção GPRS, serviços baseados em comutação por circuito (voz) podem ser inicializados e utilizados. Da mesma forma, é possível enviar e receber dados GPRS durante uma chamada telefônica. O uso paralelo destes serviços ocorre para os serviços do tipo Ponto-a-Ponto e Ponto-a-Multiponto.
O FDMA divide a banda de 25 MHz de espectro nas 124 portadoras com espaçamento de 200 KHz. Um certo número de freqüência de banda é alocado em uma célula de BSs. Cada uma destas bandas é dividida em canais de tempo, os quais são criados por uma divisão daquele “tempo” em 8 time slots. A duração de um time slot do frame TDMA é 576,9 μs, então a duração do frame TDMA é 4,613 ms e cada slot define um canal físico como apresentado na figura 4. Cada canal físico pode ser descrito pelo número de time slots e freqüências portadoras.
Diferentes canais lógicos são mapeados no canal físico e estes são definidos pelo número e posição do período correspondente de chegada. Canais físicos e lógicos são distintos entre si. Canais lógicos podem ser organizados somente com a combinação correspondente e no canal físico correto.
Existem diferentes combinações de canal que são compreendidas e acessadas pela BS. Isto significa que os canais lógicos são mapeados nos canais físicos utilizando uma estrutura multiframe cíclica repetitiva.
Canais lógicos são separados em canais de tráfego e canais de controle. Um multiframe que consiste em 52 frames TDMA representa um canal físico GPRS, o qual é constituído por 12 blocos rádio (cada bloco rádio tem 4 radio burts) e 4 Idle burts. Burts de rádio são distribuídos nos time slots com o mesmo número (número do time slot) nos sucessivos frames TDMA.
Na clássica rede GSM com velocidade de dados fixa, os usuários de serviços de dados tem alocação permanente de 2 time slots para cada frame TDMA. Um time slot é utilizado para enlace de subida e o outro para enlace de descida.
Como em bursts de pacotes de dados a alocação fixa de time slots não é eficiente, o GPRS pode também trabalhar com o conceito de capacidade por demanda. Este se dá através da alocação dinâmica de certo número de time slots, para usuários de dados, não importando se estes times slots estão esperando na transmissão.
Os slots de uplink e downlink são alocados separadamente para que o uso efetivo da largura de banda seja alcançado para um tráfego de dados assimétrico. O downlink carrega pacotes de dados das redes para múltiplas MSs e não requer arbitração de contenção. O uplink é compartilhado entre múltiplas MSs e requer procedimento de controle de contenção.
Para células com suporte GPRS todo o recurso rádio é compartilhado, tanto para usuários GSM (voz) e GPRS (dados). Isto significa que redes GSM/GPRS podem alocar canais físicos adicionais para tráfego GPRS do mesmo pool de canais, como mostrados na figura 4.
Tal canal físico é marcado como PDCH (Packet Data Channel). PDCH estão disponíveis no mesmo pool de todos os canais da célula. Nas redes GPRS, os time slots são alocados para os usuários apenas quando eles necessitam de enviar ou receber dados. Sendo assim, a maioria dos usuários pode utilizar os mesmos time slots.
Uma única MS pode utilizar mais de um PDCH simultaneamente para aumentar a taxa de dados, conforme mostra a figura 5. O número máximo de PDCHs que podem usados em paralelo é determinado pela capacidade de 1 (1 PDCH) até a capacidade de 8 (todos os PDCHs), tanto no downlink quanto no uplink.
O acesso ao uplink é realizado por um protocolo baseado em Slotted Aloha. Uma requisição de canal de pacote enviada por uma MS é respondida por uma mensagem de atribuição de uplink de pacote (Packet Uplink Assignment) indicando os recursos de uplink reservados para a MS.
Os Frames LLC (Logical Link Control Layer) são segmentados em blocos e dados RLC (Radio Link Control Layer). O TBF (Temporary Block Flow) é uma conexão física utilizada para suportar a transferência de um número de blocos, e é identificada pelo TFI (Temporary Flow Identifier). O TFI é incluído em cada bloco transmitido para que a multiplexação de blocos, originados de diferentes MSs no mesmo PDCH, seja possível.
Todos os TCHs (GSM Traffic Channel) que não são usados por conexões CS (Coding Scheme) estão disponíveis para o GPRS, caso o número de PDCHs não exceda a soma do máximo número permitido de PDCHs fixos em demanda.
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