Procedimiento para el dimensionamiento de la unidad de control de paquetes en el sistema GPRS de Cuba

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(1)FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA. Procedimiento para el dimensionamiento de la unidad de control de paquetes en el sistema GPRS de Cuba.. Autor: Joannis Pérez Hernández. Tutor: Dr. Héctor Cruz Enríquez.. Santa Clara 2009. “Año del 50 Aniversario del Triunfo de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Procedimiento para el dimensionamiento de la unidad de control de paquetes en el sistema GPRS de Cuba.. Autor: Joannis Pérez Hernández. [email protected]. Tutor: Héctor Cruz Enríquez. [email protected]. Santa Clara 2009 “Año del 50 Aniversario del Triunfo de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber. Albert Einstein..

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, porque ellos son todo en mi vida. A mi abuela, mi segunda madre. A mi hermana por estar siempre a mi lado. A Mildarys por darme fuerzas cuando más lo necesitaba. A Héctor Cruz Enríquez, por ayudarme incondicionalmente. A todos los que de una forma u otra contribuyeron en mi formación como profesional. Muchas gracias.

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Búsqueda bibliográfica y estudio de trabajos relacionados con el tema. 2. Estudio del Sistema General de Paquetes de Radio (por sus siglas del Inglés GPRS). 3. Estudio de la topología empleada en la red GPRS. 4. Realizar el dimensionamiento de la unidad de control de paquetes (PCU). 5. Confección de un informe.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. El presente trabajo propone un procedimiento para realizar el dimensionamiento de las unidades de control de paquetes que deben ser adicionadas en la red GSM de Cuba con el objetivo de brindar el servicio GPRS. Para esto se hace uso de tres capítulos los cuales se describen a continuación. En el capítulo I se da a conocer la arquitectura de la red GPRS propuesta por el fabricante Ericsson por ser una de las soluciones más prestigiosas y de mayor difusión en nuestro país. Además se abordan algunas de las funciones que se realizan en dicho sistema mediante su funcionamiento. El capítulo II se describe brevemente tópicos relacionados con la arquitectura de la PCU así como funciones que esta realiza como la selección del esquema de codificación. El capítulo III se realiza el dimensionamiento de la PCU así como el cálculo de algunos parámetros de gran importancia en las redes GPRS. Los datos utilizados para dichos cálculos se han tomado de la infraestructura de la red GSM de la provincia de Villa Clara y de Ciudad de la Habana..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO................................................................................................................. i DEDICATORIA ................................................................................................................ ii DEDICATORIA ................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS .....................................................................................................iii TAREA TÉCNICA ........................................................................................................... iv RESUMEN ........................................................................................................................ v INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 Organización del informe. .............................................................................................. 2 CAPÍTULO 1.. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. ................................................ 4. 1.1. Evolución hacia el sistema GPRS. ........................................................................ 4. 1.2. Arquitectura de la red GPRS. ............................................................................... 4. 1.3. Estados del móvil. ................................................................................................ 6. 1.3.1. Estado “ IDLE”. ............................................................................................ 6. 1.3.2. Estado “STANDBY”. ..................................................................................... 6. 1.3.3. Estado “READY”. .......................................................................................... 7. 1.4. Proceso de conexión GPRS (“GPRS Attach”). ...................................................... 9. 1.5. Desconexión GPRS (GPRS Detach). .................................................................. 11. 1.5.1. Desconexión GPRS (“Detach”) iniciado por la MS. .................................... 11.

(10) vii 1.5.2. Desconexión GPRS (“Detach”) Iniciado por la red. ..................................... 12. 1.6. Contexto de Activación/Desactivación PDP. ...................................................... 13. 1.7. Calidad de servicio. ............................................................................................ 16. 1.8. Flujo de bloque temporal TBF (Temporary Block Flow). .................................... 17. 1.8.1. Establecimiento del TBF iniciado por el MS. .............................................. 18. 1.8.2. Establecimiento del TBF iniciado por la red. ............................................... 20. 1.9. Actualización del área de enrutamiento (RA)...................................................... 21. 1.9.1 1.10. Actualización periódica del RA. .................................................................. 22 Unidad de control de paquetes (PCU). ............................................................ 23. CAPÍTULO 2.. ARQUITECTURA DE LA PCU. ......................................................... 25. 2.1. Arquitectura de la PCU. ..................................................................................... 25. 2.2. Capacidad de la PCU. ......................................................................................... 27. 2.3. Interfaz Gb. ........................................................................................................ 28. 2.4. Gestión de recursos de radio. .............................................................................. 29. 2.4.1. Configuraciones típicas de PSET................................................................. 30. 2.4.2. Algoritmo de asignación.............................................................................. 30. 2.5. Parámetros utilizados en GPRS. ......................................................................... 31. 2.6. Esquemas de codificación (Coding Schemes). .................................................... 32. 2.6.1. Prestaciones para el usuario. ........................................................................ 33. 2.6.2. Impacto en la red. ........................................................................................ 34. 2.7. La tarjeta SIM. ................................................................................................... 35. 2.7.1. Funciones de la tarjeta SIM. ........................................................................ 35. 2.7.2. Compatibilidad GSM Y GPRS EN LA SIM. ............................................... 36. CAPÍTULO 3.. DIMENSIONAMIENTO DE LA PCU................................................. 38.

(11) viii 3.1. Gestión de recursos en la PCU, capacidad y dimensionamiento. ......................... 38. 3.1.1. Tipo de dispositivos en el RPP. ................................................................... 38. 3.2. Dimensionamiento. ............................................................................................ 39. 3.3. Pasos para el dimensionamiento de los RPPs. .................................................... 40. 3.4. Datos de partida para el dimensionamiento de la PCU. Caso de estudio. ............. 44. 3.4.1. Determinar el número de PDCH necesarios por celda. ................................. 45. 3.4.2. Determinar la carga promedio por PDCH. ................................................... 47. 3.4.3. Calcular el número de dispositivos GSL y ranuras de tiempo Gb en cada. BSC.. 47. 3.5. Calcular el número de RPP requeridos (Optimizar RPP por diseño). ................... 48. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 51 RECOMENDACIONES .................................................................................................. 52 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 53 GLOSARIO DE ACRÓNIMOS ....................................................................................... 54 Anexo I ........................................................................................................................ 59.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Numerosos autores plantean sobre el origen de las ideas relacionadas con los sistemas de radio telefonía celulares, que estas tuvieron sus inicios en los laboratorios Bell (en E.U) a principios de los años 70. Sin embargo, no fue hasta los 80 que se introdujo el sistema móvil celular con carácter comercial. Durante la década de los 80 los sistemas telefónicos celulares analógicos experimentaron un crecimiento muy rápido en Europa, pero inicialmente cada país desarrolló su propio sistema, por lo que en 1982 la Conferencia Europea de Correo y Telecomunicaciones (del inglés Conference of European Posts and Telecommunications, CEPT) conformó el Grupo Especial de Móviles (del inglés Groupe Special Mobile, GSM) con el objetivo de desarrollar un sistema de radio telefonía móvil celular pan-Europeo (El acrónimo GSM se convirtió luego en “Global System for Mobile communications”). El sistema GSM fue desarrollado empleando la tecnología digital desde su comienzo y su uso comercial comenzó a mediados de 1991. A finales de los 90 Internet se hacía cada vez más dominante y la industria inalámbrica vio la comunicación de datos móviles como una oportunidad de crecimiento, así que se dio a la tarea de definir nuevos sistemas inalámbricos: los sistemas de 3ra Generación (3G) basados en la transmisión de paquetes de datos. La evolución de GSM a 3G se basa en añadir gradualmente más funcionalidad, posibilidades y valor a la red GSM existente. El comienzo está marcado por una mejora de la red GSM introduciendo la tecnología del Sistema General de Paquetes de Radio (del inglés General Packet Radio System, GPRS). Los sistemas de conmutación de circuitos como es el caso de GSM se caracterizan por una baja velocidad de transmisión y elevados precios (se factura por el tiempo total de la conexión). El sistema GPRS está orientado a la solución de tales inconvenientes.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. considerando la posibilidad teórica de alcanzar picos de 171 Kbps realizando el proceso de facturación de la llamada de acuerdo al volumen de datos transmitidos. Con GPRS los recursos de radio pueden ser utilizados de forma dinámica, de manera que cuando sea necesario transmitir datos se utilizarán los recursos de radio disponibles y cuando no sea necesario se dejarán libres para el resto de los usuarios de la red, pero siempre se permanecerá “conectado”. También se permite que varios usuarios utilicen una misma ranura de tiempo. La investigación desarrollada en el presente trabajo consiste en realizar un análisis exhaustivo de todos los elementos de la red GPRS que puedan ser objeto de diseño o que deban tenerse en cuenta en la evolución de la red GSM hacia una red GSM-GPRS. Partiendo de esta idea se realiza el dimensionamiento para la implementación de nodos con unidades de control de paquetes (PCU) que se ajusten a las condiciones actuales de la red GSM en la provincia de Villa Clara. Objetivo general: Desarrollar un procedimiento de dimensionamiento para la implementación de nodos con unidades de control de paquetes (PCU) y las interfaces requeridas para su introducción en la red GSM de Cuba con vistas a brindar el servicio GPRS o a redimensionar el ya existente. Objetivos específicos: 1. Realizar un estudio del estándar GSM 900. 2. Realizar un estudio del sistema GPRS. 3. Analizar los esquemas de dimensionamiento correspondientes al subsistema de estación base de las redes GSM y GPRS. 4. Realizar un estudio sobre las características y capacidades del equipamiento utilizado por el fabricante Ericsson para la implementación de la red GPRS. 5. Desarrollar un procedimiento para el dimensionamiento de las Unidades de Control de Paquetes (PCU) y las interfaces requeridas para su implementación. Organización del informe. El informe se ha organizado en tres capítulos: “Arquitectura de la red GPRS”, “Arquitectura de la PCU”, “Dimensionamiento de la PCU. En el primer capítulo se da una.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. breve descripción de de la arquitectura de la red GPRS así como algunas funciones que se realizan que se han considerado importantes para la comprensión del sistema GPRS. En el segundo capítulo se exponen las funciones en las que está involucrada la PCU así como su arquitectura. En el capítulo tres se realiza el dimensionamiento de la PCU y se toma como caso estudio la infraestructura de la red GSM en provincia de Villa Clara y la de Ciudad de la Habana..

(15) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 4. CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS.. En este capítulo se da una breve introducción sobre algunos tópicos que se han considerado importantes para la comprensión de la temática abordada en este trabajo relacionada con la arquitectura de la red GPRS. El mismo se ha organizado en 10 epígrafes y algunos subepígrafes correspondientes donde se recogen una serie de aspectos teóricos relacionados con la arquitectura y funciones del sistema. Se asume que el lector está ya al corriente del funcionamiento de los sistemas móviles de conmutación de circuito como es el caso de GSM. 1.1. Evolución hacia el sistema GPRS.. Poco después de que las primeras redes GSM llegaron a ser operacionales y que el uso de los servicios de datos de GSM se encontraban a disposición de los usuarios, se tornó evidente que los servicios portadores de conmutación de circuitos no se adecuaban para algunos tipos de aplicaciones de datos. Las MSs de GPRS pueden utilizar entre uno y ocho canales sobre la interfaz de radio dependiendo de la demanda y los recursos disponibles, además se permite que varios usuarios utilicen una misma ranura de tiempo, logrando así una mejor eficiencia de los recursos de radio. En la red GPRS, los canales ascendentes y descendentes son reservados de forma independiente permitiendo tener estaciones móviles multirranura con varias capacidades ascendentes y descendentes.. 1.2. Arquitectura de la red GPRS.. La implementación de GPRS supone una serie de cambios a nivel hardware y software en los distintos elementos de la red GSM. Básicamente es una extensión de la arquitectura.

(16) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 5. GSM, que supone la coexistencia del servicio de conmutación de paquetes GPRS con el actual servicio de conmutación de circuitos GSM, como se muestra en la figura 1.1.. Figura 1.1 Arquitectura de la red GSM &GPRS. El tráfico de voz está garantizado en la red GPRS porque tiene prioridad sobre el tráfico de datos. El tráfico de datos podrá utilizar ranuras de tiempo libres siempre y cuando no sean requeridos por el tráfico de voz. En caso de colisión la ranura de tiempo será asignada al tráfico de voz e incluso puede ser liberada una ranura de tiempo que esté siendo utilizada por el tráfico de datos. La característica principal de GPRS es la utilización de una red de conmutación de paquetes de tipo IP para el tráfico de datos, mientras que el tráfico de voz no supone ningún cambio, utilizando la red GSM ya existente. Existen dos nodos nuevos de conmutación de paquetes cuya misión es el enrutamiento del tráfico de datos sobre la red IP. Estos nodos son el nodo de soporte para el servicio GPRS (del inglés Serving GPRS Support Node, SGSN) y el nodo de soporte de pasarela GPRS (del inglés Gateway GPRS Support Node, GGSN), que básicamente actúan como routers y soportan la movilidad de los terminales. Todos los nodos de la red GSM (BTS, BSC, MSC/VLR y HLR) se reutilizan en la nueva arquitectura, previa una actualización software, además de una actualización de hardware en el BSC..

(17) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 1.3. 6. Estados del móvil.. En el manejo de la movilidad (del inglés Mobility Management, MM) [3] de un usuario GPRS se definen tres estados: IDLE, STANDBY y READY. Cada estado define un cierto nivel de información y funcionalidad. 1.3.1 Estado “ IDLE”. En el estado IDLE (desocupado o inactivo), la MS no se encuentra registrada en la red de GPRS. Como no existe información de posición del móvil, para la red GPRS dicho usuario es transparente e ilocalizable. Todos los procesos de gestión de movilidad relacionados con ese móvil no pueden llevarse a cabo, no se puede realizar una transmisión de paquetes. En este estado la MS tiene que chaquear el BCCH para determinar las celdas que soportan el servicio GPRS. Bajo estas condiciones, la MS realiza los procesos de selección de red y de celda pero no realiza ningún proceso de actualización de localización en la red GPRS. Para poder enviar o recibir datos, el móvil debe dejar el estado IDLE mediante el proceso de GPRS “Attach” (conectar). Una vez finalizado este proceso correctamente, la MS se encuentra en estado READY (lista para la transmisión). 1.3.2 Estado “STANDBY”. En estado STANDBY, la MS se encuentra registrada en la red GPRS. La MS y el SGSN mantienen un contexto de gestión de movilidad: la MS envía actualizaciones del área de enrutamiento (del inglés Routing Area, RA) al nodo SGSN cada vez que cambia de área. En este estado, la MS observa el BCCH para determinar las celdas que soportan GPRS y realizar los procesos de selección y reselección de celda GPRS de forma transparente para la red. El terminal no informa al SGSN del cambio de celda dentro de la misma RA. El SGSN, por tanto, tiene información acerca de la subscripción de la MS y de su ubicación a nivel de RA. El usuario GPRS recibe información de señalización y de avisos (“paging”) tanto de conmutación de paquetes (del inglés Packet Switch, PS) como de conmutación de circuitos (del inglés Circuit Switch, CS) por la interfaz Gs vía SGSN. Sin embargo, en este estado,.

(18) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 7. no es posible iniciar ninguna transmisión de paquetes. Para ello, debe ser activado previamente el contexto de protocolo de paquetes de datos (del inglés Packet Data Protocol, PDP). Para el nodo SGSN el cambio a estado READY se produce cuando la MS responde a un aviso o “paging” (cuando se reciben los paquetes procedentes de la MS). Para la MS el cambio a estado READY se produce cuando ésta trasmite información. El cambio de estado STANDBY a estado IDLE puede ser iniciado tanto por la MS como por la red mediante el proceso de GPRS Detach. El proceso de desconexión implícita (“Implicit Detach”) se produce al expirar el temporizador del SGSN que indica que el usuario está ilocalizable. 1.3.3 Estado “READY”. En estado READY o listo la MS se encuentra realizando una transferencia de datos o ésta ha terminado recientemente. La MS, en este estado, realiza procesos de gestión de movilidad que proporcionan a la red la identificación de la celda que ha seleccionado. En la cabecera de cada paquete que envía la MS se incluye un identificador de celda, (del inglés Cell Global Identity, CGI). En este estado, por tanto, la red tiene información de la MS a nivel de celda. Al igual que en los otros estados, los procesos de selección y reselección de celda los gobierna la MS. No obstante, de manera opcional, estos procesos pueden ser controlados por la red. En estado READY la MS puede activar o desactivar contextos PDP (esto también se podía realizar en estado STANDBY). La MS se mantiene en este estado durante un tiempo incluso no habiendo transferencia de paquetes ni recursos de radio asignados. Este tiempo viene definido por un temporizador, el cual supervisa el cambio de estado READY a STANDBY. Cuando la MS inicia el proceso de desconexión (“detach”) se pasa de estado READY a IDLE. En la figura 1.2 se muestran todos los posibles cambios de estado del móvil..

(19) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. Idle. 8. Idle GPRS Detach or Cancel Location. GPRS Detach. GPRS Attach. GPRS Attach. Ready. Ready. PDU transmission READY timer expiry or Force to STANDBY. Implicit Detach. PDU reception. or Cancel Location. READY timer expiry or Force to STANDBY or Abnormal RLC condition. Standby. Standby. MS. SGSN. Figura 1.2 Estados del móvil desde el punto de vista de la MS y del SGSN. Paso de IDLE a READY: GPRS Attach: la MS solicita acceso a la red y se establece un enlace lógico con el nodo SGSN. Paso de STANDBY a IDLE: Implicit Detach: el manejo de movilidad y el contexto PDP pueden ser borrados una vez producido el “Implicit Detach”. Cancel Location: el SGSN recibe un mensaje de cancelación de localización por parte del HLR y borra el manejo de movilidad y el contexto PDP. Paso de STANDBY a READY: Transmisión de unidades de paquetes de datos (del inglés Packet Data Unit, PDU): la MS envía un PDU LLC (del inglés Logic Link Control) al SGSN probablemente como respuesta a un paging. Recepción de PDU: el SGSN recibe un PDU LLC desde la MS. Paso de READY a STANDBY:.

(20) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 9. El temporizador READY expira: después de una transferencia de datos ha pasado un tiempo superior al especificado por el nodo SGSN. Paso a STANDBY forzado: indicado por el SGSN antes de que el temporizador READY expire. Paso de READY a IDLE: GPRS Detach: la MS o la red realizan una petición para que el contexto MM vuelva a estado IDLE y el contexto PDP vuelva a estado Inactivo. Cancel Location: el SGSN recibe un mensaje de cancelación de localización por parte del HLR y borra el manejo de movilidad y el contexto PDP. 1.4. Proceso de conexión GPRS (“GPRS Attach”).. Antes de que un móvil pueda hacer uso de los servicios GPRS, este debe registrarse en el nodo SGSN. En la figura 1.3 se muestra el intercambio de mensajes durante este proceso.. MS. BSS. SGSN. Attach Request (P-TMSI/IMSI) Identity Req (TLLI foreing/random) Identity Response (TLLI foreing/random) Authentic and Ciphering Req (TLLI foreing/random) Authentic and Ciphering Res (TLLI foreing/random) Attach Accept (TLLI foreing; PTMSI) Attach Complete (TLLI local; PTMSI). Figura 1.3 Proceso GPRS Attach..

(21) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 10. El proceso de GPRS attach es iniciado desde la MS al SGSN y básicamente consiste en lo siguiente: Al recibir una petición de registro procedente de la MS (Attach Request), la red pedirá a la MS que se autentifique. Una vez que la red ha comprobado que ese usuario está autorizado para el uso de servicios GPRS, copiará el perfil de usuario GPRS desde el HLR y asignará a la MS un identificador temporal de subscriptor móvil denominado (del inglés Packet Temporary Mobile Subscriber Identity, P-TMSI) con el que la MS se tendrá que identificar a partir de ese momento. A continuación se describirá en detalle cada uno de los mensajes intercambiados en el proceso de GPRS attach: Attach Request: la MS inicia el proceso enviando al nodo SGSN este mensaje en el que se incluye entre otros datos la información sobre el tipo de conexión (“attach”) que solicita (GPRS attach o GPRS/IMSI attach combinado), su identificación (P-TMSI si tiene o IMSI) y la identificación del RA. Identity Request / Response: Si el SGSN no identifica a la MS le pide que se identifique. La MS responde con su IMSI. Authentication and Ciphering Request: el nodo solicita, en primer lugar, que la MS se autentifique. En este mensaje aparecen 3 identificadores: DLCI (Data Link Connection Identifier) que es un indicador a nivel de BSC; BVCI (BSSGP Virtual Connection Identifier) que identifica el camino entre las entidades EB y nodo SGSN y TLLI (Temporary Logical Link Identity) que identifica a la MS a nivel de la capa RLC/MAC (interfaz Um) y a nivel BSSGP (interfaz Gb). En este proceso se utiliza el TLLI aleatorio. Authentication and Ciphering Response: la MS responde al mensaje de cifrado. Se incluyen los mismos identificadores DLCI, BVCI y TTLI que en el mensaje anterior. Attach Accept: el nodo SGSN una vez ha identificado a la MS le contesta con este mensaje donde se indica entre otros datos la información sobre el tipo de conexión (“attach”) que ha sido aceptado (GPRS only attach en este caso), identificador del RA y P-TMSI que asigna al terminal. Si la red soporta cifrado, el SGSN enviará el P-TMSI cifrado. No obstante, los.

(22) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 11. mensajes de “Routeing Area Update Request” y “Attach Request” en los que la MS incluye el P-TMSI no viajarán cifrados. Attach Complete: la MS envía este mensaje para finalizar este proceso. Aquí la MS ya se identifica a nivel de BSSGP y RLC/MAC con el TTLI local asociado al P-TMSI que le asignó el nodo. Tras el proceso GPRS attach, la MS queda en estado READY para el SGSN y puede iniciar la activación del contexto PDP. 1.5. Desconexión GPRS (GPRS Detach).. La función “Detach” permite a la MS informar a la red o viceversa sobre el deseo de realizar una desconexión del servicio GPRS. La MS puede ser desactivada de la red GPRS de manera explícita o implícita: “Explicit Detach”: la red o la MS realizan la petición “Request Detach”. “Implicit Detach”: la red desconecta a la MS sin notificarle nada, debido a la expiración de un temporizador o por un problema de radio irrecuperable que causa la desconexión del enlace lógico. 1.5.1 Desconexión GPRS (“Detach”) iniciado por la MS. Los mensajes que se intercambian entre la MS y la red durante el procedimiento de desconexión iniciado por la MS se muestran de forma ordenada en la figura 1.4:.

(23) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. MS. BSS 1. Detach Request. SGSN. GGSN. 12. MSC/VLR. 2. Delete PDP Context Request 2. Delete PDP Context Response 3. IMSI Detach Indication 4. GPRS Detach Indication. 5. Detach Accept. Figura 1.4 GPRS Detach iniciado por la MS. 1. La MS envía la petición de desconexión al nodo SGSN indicándole si se trata de una desconexión (donde le indica si la desconexión se debe a una situación de apagado o no) y el tipo de desconexión que se quiere realizar (GPRS Detach, IMSI Detach o GPRS/IMSI Detach combinado). 2. Si es un GPRS Detach, en el GGSN el contexto PDP es desactivado por el SGSN. 3. Si se trata de un IMSI Detach, el SGSN envía una indicación sobre ello al MSC/VLR. 4. Si la MS quiere permanecer en GSM pero realizar una desconexión de GPRS, el nodo SGSN envía una indicación de GPRS Detach al VLR. A partir de aquí el VLR borra la asociación de la MS con el SGSN y realiza los procesos de paging y accesos ascendentes (del inglés uplink, LU) sin el nodo SGSN. 5. Si la desconexión no se debe a una situación de apagado del móvil, el SGSN envía un mensaje de Detach Accept a la MS. 1.5.2 Desconexión GPRS (“Detach”) Iniciado por la red. El flujo de mensajes que intercambia la MS y la red durante el procedimiento de desconexión (Detach) iniciado por la red se muestra en la figura 1.5:.

(24) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 13. 1. El SGSN informa la MS que va a ser desactivado mediante el envío de un mensaje Detach Request. 2. El contexto PDP en el GGSN es desactivado por el SGSN. 3. El SGSN envía una indicación de desconexión GPRS al VLR que borrará la asociación de la MS y el SGSN. A partir de este momento el manejo del paging y de LU no se realizarán a través del SGSN. 4. La MS envía un mensaje de Detach Accept al SGSN en cualquier momento después de realizado el paso 1.. MS. BSS 1. Detach Request. SGSN. GGSN. MSC/VLR. 2. Delete PDP Context Request 2. Delete PDP Context Response 3. GPRS Detach Indication. 4. Detach Accept. Figura 1.5 Detach iniciado por la red. 1.6. Contexto de Activación/Desactivación PDP.. Para intercambiar datos en redes de paquetes (del inglés Paquet Data Networks, PDNs) externas después de haber realizado satisfactoriamente una conexión GPRS (attach), el terminal debe solicitar una o más direcciones PDP; por ejemplo, una dirección IP para internet. Una suscripción GPRS puede tener muchas direcciones PDP, IP en la mayoría de los casos. Cada una de ellas se describe por medio de una asociación entre la MS, el SGSN y el GGSN, que contiene el perfil con la calidad de servicio de esa suscripción en particular. Esta asociación es la que se conoce como contexto PDP. Cada contexto PDP.

(25) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 14. existe de manera independiente en uno de los dos siguientes estados: activo o inactivo, indicando si está habilitado o no para el tráfico de datos. Este contexto se almacena en el terminal, en el SGSN y el GGSN. Cuando un contexto está activo, el terminal es visible para la PDN externa y es capaz de enviar y recibir datos por paquetes. La asociación de los indicadores PDP e IMSI es lo que permite al nodo GGSN enrutar los paquetes recibidos de una PDN hasta el terminal. Un usuario puede tener distintos contextos PDP activos simultáneamente. En cada sesión se establece un contexto PDP que definirá las características de dicha sesión. En él estarán referenciados: Tipo de PDP, por ejemplo: Ipv4. La dirección PDP asignada al terminal para la sesión. Por ejemplo: 129.187.225.3. La calidad de servicio. La dirección del GGSN que sirve como punto de acceso a la PDN. El establecimiento de una dirección PDP puede ser estático o dinámico. En el primer caso, el operador asigna una dirección PDP al usuario de forma permanente. En el segundo caso, el operador asigna la dirección PDP al usuario cada vez que se realiza la activación del contexto PDP. Como parece lógico, el operador decidirá el tipo de asignación de dirección PDP a emplear en la red, siendo el nodo GGSN el responsable de la asignación, activación y desactivación de la dirección. En la figura 1.6 se muestra el procedimiento de activación de un contexto PDP entre el terminal, el SGSN y el GGSN:.

(26) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. SGSN. MS. 15 GGSN. Activate PDP context request. (PDP type, PDP address, QoS, access point,...). Create PDP context request. Security functions (PDP type, PDP address, QoS negoc, access point,...) Create PDP context response (PDP type, QoS negociated,...) Activate PDP context accept (PDP type, PDP address,...). Figura 1.6 Activación de contexto PDP. El terminal informa al nodo SGSN de la solicitud de un contexto PDP con el mensaje Activate PDP Context Request. Si se requiere asignación dinámica de dirección PDP, el parámetro PDP address se dejará vacío. Posteriormente se realizan las funciones de seguridad como la autenticación y, si el acceso es concedido, el SGSN mandará el mensaje Create PDP Context Request al nodo GGSN involucrado, quien creará un nuevo acceso en su registro de contexto PDP que habilitará la ruta de datos por paquetes entre el SGSN y la PDN exterior. Posteriormente, el GGSN retorna el mensaje de confirmación Create PDP Context Response hacia el SGSN en cuyo contenido constará la dirección PDP si es por asignación dinámica. El SGSN actualiza su registro de contexto PDP y confirma la nueva activación al terminal a través del mensaje Activate PDP Context Accept..

(27) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 1.7. 16. Calidad de servicio.. Los requerimientos de calidad de servicio (QoS) típicos de las aplicaciones móviles de datos son muy diversas, por ejemplo: multimedia en tiempo real, búsqueda en la Web y correo electrónico. En cada contexto PDP se asocia un perfil de calidad de servicio (QoS). El perfil de QoS se considera un parámetro único definido a partir de los siguientes atributos: Clase de prioridad (del inglés Precedence Class, PC): Indica la relativa importancia del mantenimiento de los compromisos de servicio bajo condiciones anormales, o sea, es la preferencia de un servicio en relación a otro, por ejemplo: que paquetes son descartados cuando nos encontramos con recursos limitados o congestión. Existen tres niveles de prioridad: alto, normal y bajo. Clase de retardo (del inglés Delay Class, DC): El operador debe proveer recursos de radio para garantizar una clase de retardo determinada para un número esperado de clientes dentro de la celda. Así, se definen los valores máximos de retardo medio y del 95 % de retardo. Éste último, define el retardo máximo garantizado en el 95% de todas las transferencias. El retardo se define como el tiempo de transferencia de ida y vuelta entre dos estaciones móviles o entre una estación móvil y la interfaz Gi. Retardos de transferencia fuera de la red GPRS no se tienen en cuenta. Aunque una PLMN puede soportar solo un subconjunto de clases de retardo, como mínimo deberá garantizar la clase de retardo número 4, bajo el principio del mejor esfuerzo. Clase de fiabilidad (del inglés Reability Class, RC): indica las características de transmisión requeridas en una aplicación. Se definen tres clases de confiabilidad que garantizan valores máximos de probabilidad de pérdida, duplicación, pérdida de secuencia e información corrupta de paquetes. Una PLMN puede soportar solo un subconjunto de clases de confiabilidad, pero tanto la señalización como los SMS serán transferidos con la clase de confiabilidad número 3. Cada combinación de los atributos anteriores forma una QoS distinta que puede ser negociada entre el móvil y la red en cada sesión, dependiendo de la QoS demandada y los recursos disponibles en ese instante. La red puede soportar todos o algunos de los perfiles.

(28) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 17. de QoS y la facturación al cliente del servicio se hará atendiendo al volumen de datos intercambiado, el tipo de servicio y el perfil de QoS utilizado. El protocolo RLC/MAC soporta cuatro prioridades de radio y un nivel adicional para mensajes de señalización. La MS informa del contenido de la información, datos o señalización, y solicita una de las prioridades. El BSS utiliza esta información para determinar la clase de acceso y de servicio en congestión. La prioridad utilizada resultará de la negociación entre el. SGSN y la MS durante los procesos de activación y. modificación del contexto PDP. Los niveles de prioridad de radio que deben utilizarse en los MO SMS (Mobile Originated SMS) los determina el SGSN y lo envía al MS con el mensaje de Attach Accept. 1.8. Flujo de bloque temporal TBF (Temporary Block Flow).. El flujo de bloque temporal (del inglés Temporary Block Flow, TBF) es una conexión física entre una determinada MS y la red con el fin de soportar una transferencia unidireccional de paquetes. Durante una transmisión de datos, un usuario tiene que enviar y/o recibir uno o más paquetes de datos. Para ello, se le asigna un recurso temporal (uno o más PDCHs) en una dirección (UL ó DL) que se liberará una vez realizada la transferencia de datos. A esta asignación temporal se le denomina TBF. Cada TBF tiene un identificador TFI (del inglés Temporary Flow Identity). Antes de intercambiar cualquier paquete de datos entre el móvil y la red, ésta entrega a la MS un TFI que utilizará durante todo el proceso de intercambio de paquetes de datos. Puesto que los datos en DL y UL se manejan de manera independiente, se tiene un TBF en DL y un TBF en UL. Si el flujo de datos es en UL, la red asigna a la MS una bandera de estado ascendente (del inglés Uplink State Flag, USF) para indicarle la disponibilidad del recurso que ha solicitado. Esta bandera se encuentra en la cabecera de cada bloque de radio DL. Cuando una MS reconoce su USF interpreta que tiene permiso para enviar un bloque RLC en UL..

(29) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 18. 1.8.1 Establecimiento del TBF iniciado por el MS. El propósito de este procedimiento es establecer un TBF para soportar la transferencia de paquetes desde la MS hacia la red. Se distinguen dos formas de establecimiento de TBF en UL: Acceso en Una Fase y Acceso en Dos Fases, dependiendo de las necesidades de la transferencia de datos: Acceso en una fase: esta fase puede ser usada para mensajes de señalización que necesitan pocos TS. La figura 1.7 ejemplifica el acceso en una fase: MS. SGSN. BSS. Packet Channel Request (Access type=one phase) Packet Uplink assignment. TFI; PDCH USF. PRACH PAGCH LLC. RLC Data Block. TFI; TLLI. RLC Data Block. TFI; TLLI. PDTCH. TFI; TLLI. PACCH. Packet Uplink Ack/Nack. Figura 1.7 Acceso en una fase. Primeramente la MS envía a la red un mensaje de Packet Channel Request indicando el tipo de acceso (“Two Phase Acces”, “One Phase Access” o “single Block without TBF”). La PCU asigna un PDTCH para esa petición e informa a la MS de los valores TFI y USF. En el primer bloque de datos la MS envía su identificador TLLI. El acceso en una fase finaliza cuando la PCU envía un mensaje de Packet Uplink Ack/Nack indicando el mismo TLLI que envió la MS en el bloque anterior. En caso de que no hubiera recursos disponibles en ese momento, la PCU no podrá asignar un PDTCH a la MS y se lo indicará mediante el envío del mensaje Inmediate Assignment Reject. Acceso en dos fases: este acceso es utilizado cuando la MS pide más de un TS..

(30) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 19. La figura 1.8 muestra el flujo de mensajes intercambiados en el proceso de acceso en dos fases: MS. BSS Packet Channel Request (Access type=two phase). Packet Uplink assignment. (Single Block Allocation) TFI; PDCH. USF. Packet Resource Request Packet Uplink assignment RLC Data Block. PRACH. PAGCH PACCH. TFI; PDCHs. USFs. PAGCH. TFI; TLLI. Figura 1.8 Acceso en dos fases. En este caso, la MS envía a la red un mensaje de Packet Channel Request indicando el tipo de acceso (dos fases) y pide un único bloque en UL. La red le responde con un mensaje de Packet Uplink Assignment donde se indica a la MS que se le ha asignado un único bloque para que realice la petición de uno o más TS. Si se está utilizando el criterio de asignación dinámica de recursos la red incluye el valor de USF del PDCH asignado en este proceso. La MS utilizará ese bloque para enviar el mensaje Packet Resource Request a la PCU donde le hará una petición más precisa. En base a esto, la PCU asignará la configuración real para el TBF UL, indicando los PDTCHs, el valor USF asignado a cada PDTCH, y el TFI que tendrá que utilizar la MS. La MS comenzará a mandar los bloques RLC donde indicará su TLLI. El acceso en dos fases finaliza, para la red, cuando la PCU recibe el primer bloque en el PDTCH asignado. Para la MS finaliza cuando recibe el segundo mensaje de Packet Uplink assignment..

(31) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 20. 1.8.2 Establecimiento del TBF iniciado por la red. Si la MS está en estado STANDBY, la transferencia de paquetes en DL se inicia mediante el paging a la MS en el RA donde se encuentra. A este mensaje de paging el móvil responde mediante un procedimiento de transferencia de paquetes en UL. En ese momento ya se encuentra en modo READY y el nodo SGSN puede comenzar a enviar tramas LLC a la PCU con la identidad de la celda y de la MS con el que quiere establecer la transferencia de datos. Cuando la PCU recibe las tramas LLC procedentes del nodo SGSN, comprueba si la MS está involucrada en una transferencia de paquetes. Entonces: Si el móvil tiene ya un TBF en DL, la nueva trama LLC se pone en cola con otras tramas LLC que van dirigidas a la misma MS. En este caso, no es necesario, por tanto, realizar el procedimiento de paging para establecer el TBF, simplemente se envía un mensaje de Inmediate Assignment en el subgrupo de paging de la MS. Si la MS ya tiene un TBF en UL, la PCU lo tiene que tener en cuenta. Probablemente, le asignará los recursos DL en los mismos TS (o al menos parcialmente) que los asignados en UL. En este caso, tampoco es necesario realizar el procedimiento de paging para establecer el TBF. Si el móvil no tiene TBF establecido, se envía un mensaje de Packet Downlink Assignment en un TS que escucha de acuerdo a su grupo de paging. En este mensaje se incluye la lista de PDTCH que se utilizarán en la transferencia de datos en DL, el TA, el TFI e información sobre el control de potencia. Una vez que la MS está envuelta en una transferencia de paquetes, permanece en modo “non-DRX” y no es necesario esperar a su grupo de paging, pudiéndose enviar el mensaje de forma inmediata. Cuando se ha asignado el TBF, la red envía los bloques de radio pertenecientes a un TBF en DL en los canales asignados para dicho canal descendente. En la figura 1.9 se muestra el intercambio de mensajes de dicho caso..

(32) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 21. Figura 1.9 Packet Paging con canales de control GPRS. 1.9. Actualización del área de enrutamiento (RA).. En el procedimiento de actualización del RA se pueden distinguir diferentes casos: 1. Actualización del RA normal: para actualizar el registro del RA actual de un móvil en la red cuando éste acampa en una celda con distinto RA. 2. Actualización del RA combinado: para actualizar el registro del RA y LA actual de un móvil en la red. 3. Actualización del RA periódico: este procedimiento es utilizado por un móvil GPRS para mandar su localización a nivel de RA de forma periódica..

(33) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 1.9.1. 22. Actualización periódica del RA.. El procedimiento de actualización del RA se inicia siempre por el móvil. Sólo se invoca desde el estado en el que el móvil ha realizado un attach GPRS. Existe un temporizador que controla el proceso de actualización periódica del RA por parte de la MS[2]. Este temporizador se encuentra definido en el SGSN. El valor de este temporizador se envía de la red a la MS en los mensajes de Routing Area Update Accept o Attach Accept. El temporizador es único por RA. Cuando el temporizador expira, la MS debe iniciar el proceso de actualización de RA periódica. El intercambio de mensajes durante el proceso de actualización se muestra en la figura 1.10. MS. BSS. SGSN. CHANNEL REQUEST -------------------------------------------------------------> IMMEDIATE ASSIGNMENT <-----------------------------------------------------------ROUTING AREA UPDATE REQUEST -------------------------------------------------------------> ROUTING AREA UPDATE REQUEST ------------------------------------------------------------> ROUTING AREA UPDATE ACCEPT <-----------------------------------------------------------ROUTING AREA UPDATE ACCEPT <-----------------------------------------------------------ROUTING AREA UPDATE COMPLETE -------------------------------------------------------------> ROUTING AREA UPDATE COMPLETE ------------------------------------------------------------> PACKET UPLINK ACK <------------------------------------------------------------PACKET CONTROL ACKNOWLEDGEMENT ------------------------------------------------------------>. Figura 1.10 Actualización periódica del RA. Si la petición de RA ha sido aceptada por la red, la red enviará un mensaje de ROUTING AREA UPDATE ACCEPT, donde la red incluye la identificación del RA. Cuando el móvil recibe el mensaje ROUTING AREA UPDATE ACCEPT, éste almacena la identificación del.

(34) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 23. RA y reiniciará el contador de intentos de actualización del RA. La retransmisión se realiza cuatro veces, a la quinta expiración del temporizador, el procedimiento de actualización del RA se aborta. La transmisión de datos del usuario móvil será suspendida durante el procedimiento de actualización del RA, aunque la recepción de datos sí será posible. Si el temporizador expira cuando la MS se encuentra fuera de cobertura de la PLMN o sin servicio GPRS de ésta entonces la MS iniciará el proceso de actualización de RA tan pronto como se encuentre nuevamente bajo cobertura GPRS. Si la MS pierde cobertura GPRS pero no expira el temporizador que controla la actualización periódica del RA, la MS puede estar bajo servicio GPRS sin tener que llevar a cabo la actualización de RA. Sólo lo hará si ha cambiado de RA. 1.10 Unidad de control de paquetes (PCU).. Para que en la red GPRS puedan realizarse las operaciones expuestas en el presente capítulo además de otras funciones como: control de potencia, control de congestión, información de control de difusión, es necesario introducir en el BSC una nueva unidad hardware llamada Unidad de Control de Paquetes (del inglés Packet Control Unit, PCU). La PCU realizará la conmutación de paquetes entre la interfaz Abis con la BTS y la interfaz Gb con el nuevo nodo de conmutación de paquetes (SGSN). La PCU es de gran importancia porque se encarga de gestionar y controlar el tráfico de paquetes en la red GPRS. El BSC desvía el control de algunas de las ranuras de tiempo hacia la PCU. Esto se hace re-direccionando las ranuras de tiempo en la matriz de conmutación del BSC desde el MSC hacia la PCU. El BSC simplemente encamina toda la información contenida en estas ranuras de tiempo hacia y desde la PCU sin procesarla. Por ser la PCU un elemento nuevo adicionado al sistema GSM que garantiza la funcionalidad del sistema GPRS, su dimensionamiento e implementación constituye uno de los principales objetivos de esta tesis. Pueden ser variadas las configuraciones asociadas al dimensionamiento de la PCU en función de la capacidad del sistema instalado y la calidad.

(35) CAPÍTULO 1. ARQUITECTURA DE LA RED GPRS. 24. de servicio a ofrecer. En el entorno cubano donde el servicio GPRS aun no se ha consolidado y se dan los primeros pasos, el desarrollo de un procedimiento para el dimensionamiento de la PCU podría constituir un documento valioso para el personal técnico de las empresas proveedoras de servicios de telecomunicaciones móviles..

(36) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 25. CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU.. En este capítulo se da una breve introducción sobre la arquitectura de la PCU que es de vital importancia en el servicio GPRS sobre la red GSM. Además se abordan las funciones que realiza la PCU en el sistema GPRS. El capítulo se ha realizado en 7 epígrafes y varios subepígrafes donde se recogen aspectos como: parámetros utilizados en el sistema GPRS así como la gestión de recursos de radio. 2.1. Arquitectura de la PCU.. La PCU consiste en componentes de software y hardware adicionales. El hardware está formado por los procesadores regionales con bus PCI (del inglés Regional Processor with PCI, RPPs) los cuales pueden conectarse entre ellos a través de una conexión Ethernet a través de un panel de conexiones trasero (backplane) y un bus RP serie. Pueden conectarse hasta 14 RPPs para permitir que varíe la capacidad de la PCU en dependencia del tráfico. Cada RPP puede conectarse al SGSN a través del conmutador de grupo ( del inglés Group Switch,GS) y a la BTS a través del Subrate-Switch que es un conmutador que permite conmutar a velocidades inferiores (16 kbps). Ver figura 2-1. El software de la PCU se divide entre el procesador central (del inglés Central Processor, CP) y el procesador regional (del inglés Regional Procesor, RP). Cada RPP contiene un procesador (PowerPC), con su software asociado para procesar y enrutar el tráfico de paquetes de datos GPRS. El software del CP maneja la configuración de la PCU y administra los enlaces de transmisión Gb. Aunque las funciones de configuración y control de la PCU se implementan en el CP, la carga que provoca integrar la PCU en el BSC se ha limitado colocando todas las funciones de tráfico en el RP. Esto ha minimizado la incidencia de GPRS en las funciones de tráfico de conmutación de circuitos..

(37) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 26. El número de RPPs por magazine (rack o compartimiento) es de 7, y en una PCU es posible interconectar hasta 14 RPPs. Cada celda añadida a la red GPRS ocupa unas determinadas posiciones (dispositivos) dentro de uno de los RPPs. El número de posiciones o dispositivos ocupados dependerá de los recursos GPRS de la celda (PDCHs definidos). Existe una comunicación a través de un bus interno PCI entre los RPPs de una PCU (aunque estén en distintos magazines). Este bus interno implementa una red Ethernet que permite el flujo de datos entre los RPPs. La parte RP de la PCU (también llamada el manipulador de paquetes GPRS o GPH) puede verse como un conmutador de paquetes puro. Los datos de la interfaz Gb llegan directamente a los GPH (Manipulador de paquetes GPRS dentro de la PCU) sobre conexiones semipermanentes. En la interfaz Abis no es posible la misma independencia del dominio de conmutación de circuitos (del inglés Circuit Switching Domain, CSD) pues el ancho de banda para cada celda es muy preciado y debe compartirse dinámicamente entre CSD y PSD. El doble propósito de la PCU de lograr la independencia y compartir el ancho de banda de la interfaz Abis se alcanza permitiendo que cada TS de 16 Kbps tenga su propia conexión al “Subrate Switch”. Cuando la PCU requiere un nuevo canal GPRS para una celda, toma prestado un TS libre del CSD. Este se conecta a un dispositivo GSL a través del “Subrate Switch” para formar un PDCH. Cada sub-canal en el enlace Abis puede utilizarse tanto para la conmutación de paquetes como para la conmutación de circuitos. Lo anterior se muestra en la Figura 2-1..

(38) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. Interfaz Gb. RPP ETC. Bus Ethernet Duplicado. Gb TS Dev. Frame Relay de Banda Ancha. 27. PDCH Dev. RPP. GS. PDCH Dev PDCH Dev MSC 64 Kbps. ETC. TRA Interfaz Abis ETC. n x 16 kbps. SRS. Figura 2.1 Conexión de la PCU al GS y al SRS. Los RPPs dentro de una PCU pueden trabajar en dos modos básicos de funcionamiento: . Modo Ethernet Activo (Compartición de Carga).. Permite la reubicación de celdas GPRS entre los distintos RPPs ante cualquiera de los siguientes eventos: reporte de fallo de uno de los RPPs, congestión de uno de los RPPs y fallo en la configuración de todos los canales GPRS de una celda dentro de un RPP. En caso de fallo en uno de los RPP es posible el paso de las celdas del RPP en fallo a otro RPP si está activa la función Ethernet. . Modo Ethernet no Activa.. En este modo cada RPP funciona en modo “stanby” (de espera) y solo es posible la reubicación del Gb. 2.2. Capacidad de la PCU.. Se establecen varios criterios que afectan al dimensionamiento del número de PCU necesarias. Cada BSC tiene que contener al menos una PCU activa. Esto se considera el mínimo requerimiento para la activación de GPRS en el BSC. Podrá atender solo flujos con capacidades de transmisión del orden de los 2 Mbps. La PCU puede tener hasta cuatro canales portadores Frame Relay en la interfaz Gb, los cuales son enrutados al SGSN a través de diferentes caminos de transmisión. Esto significa.

(39) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 28. que el tráfico GPRS desde una PCU puede ser repartido en un máximo de cuatro conexiones PCM físicas. Una PCU no puede ser multiplexada para el uso de canales portadores comunes. El la figura 2.2 se muestra las conexiones de la PCU hacia el interfaz A-bis y el Gb.. Figura 2.2 Conexiones de la PCU. Se puede observar que las conexiones de la PCU a través del conmutador de grupo hacia cada uno de los interfaces están conformados por dos enlaces PCM de 2Mbit/s para la interfaz Abis y un enlace PCM para la interfaz Gb. 2.3. Interfaz Gb.. La interfaz Gb conecta al BSC con el SGSN, permitiendo el intercambio de información de señalización y los datos de usuario. La interface Gb permitirá a múltiples usuarios ser multiplexados sobre el mismo recurso físico[8]. Los recursos se asignan dinámicamente al usuario durante la transmisión o recepción de datos. La conexión sobre la interfaz Gb se basa en conexiones lógicas del protocolo Frame Relay. Dicha conexión Frame Relay es soportada por los elementos PCU en el BSC y el SGSN. La capacidad de la interfaz Gb en términos de ranuras de tiempo PCM requeridos pueden ser definidos en relación a: Criterio 1: 2 canales de 64Kbit/s por BSC..

(40) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 29. La mínima capacidad requerida para la interfaz Gb por BSC es 64 Kbit/sg (1 TS PCM) [9]. Debido a la naturaleza de transmisión de los datos de tráfico, se recomienda por BSC la utilización de dos TS PCM (128Kbit/sg por BSC). Criterio 2: Tráfico estimado por GPRS. La capacidad tiene que ser igual a la estimación de tráfico GPRS durante la hora activa de mayor ocupación. El número de TS PCM se pueden definir dividiendo la estimación máxima de tráfico GPRS entre 64Kbit/sg. 2.4. Gestión de recursos de radio.. El sistema GPRS implementa algoritmos de selección y liberación de canales en función de que sea necesario aumentar o disminuir el número de PDCHs en la celda. Es posible asignar canales GPRS dedicados o canales bajo demanda según las necesidades de tráfico de conmutación de paquetes (PS). En una celda pueden coexistir canales para tráfico de conmutación de circuitos (CS), junto a canales de conmutación de paquetes (PS). También es posible que distintas conexiones GPRS compartan el mismo canal PDCH. Cuando se establece una conexión GPRS se activa un TBF, siendo posible que una MS tenga activos 2 TBF; uno para el UL y otro para DL. La asignación de PDCH a esa conexión se realiza por grupos, es decir, cuando se solicitan recursos GPRS a la red, la PCU reserva en la celda un conjunto de canales PDCH (si hay disponibles) independientemente de los que realmente sean necesarios. Este conjunto de PDCHs en dependencia de la tecnología utilizada tendrán una denominación. Por ejemplo, en el caso de Ericsson se denominan PSET[4]. Un PSET puede estar formado por hasta 4 PDCHs bajo demanda y/o dedicados. Los PDCHs ocuparán o bien las posiciones TN0 a TN3 dentro de un PSET o bien las posiciones TN4 a TN7 en otro PSET. Como máximo puede haber 2 PSET por celda. El PSET siempre estará formado por TNs consecutivos y es posible que el PSET esté formado por menos de 4 PDCHs. Los canales GPRS fijos, también denominados FPDCH, únicamente pueden ocupar las posiciones TN4 a TN7. Una conexión GPRS únicamente puede emplear PDCHs de un mismo PSET..

(41) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 30. 2.4.1 Configuraciones típicas de PSET. A partir de las configuraciones típicas representadas podemos comprobar que es posible tener canales de voz intercalados en el PSET. En la figura 2.3 se muestran las configuraciones del PSET.. PSET 1 B. S. T. T. P. P. P. P. P. T. P. T. P. T. P. P. PSET 2. PSET 2. PSET 3. PSET 3. Figura 2.3 Configuraciones típicas del PSET. El primer PSET es asignado a un TRX preferentemente al BCCH (si existen recursos suficientes) pero el segundo PSET siempre es asignado al TRX donde no esté definido el primero. El primer PSET asignado se denomina PSET primario y el segundo PSET secundario.. 2.4.2. Algoritmo de asignación.. Añadir FPDCH Cuando se incrementa el número de canales FPDCHs se selecciona el PSET que ya tiene asignados FPDCH. Si no hay ningún FPDCH en la celda se selecciona el PSET primario, si existe, y los PDCH bajo demanda necesarios se pasan a FPDCH. Si el RPP que gestiona el tráfico GPRS de la celda no admite más FPDCHs debido a que se ha sobrepasado el umbral (es el límite del mínimo número de PDCH reservados para canales bajo demanda en cada RPP) se realizará una reconfiguración de la celda y cambiará de RPP..

(42) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 31. Eliminar FPDCH Inicialmente se selecciona el PSET secundario con FPDCH activos, de lo contrario se seleccionará el primario. Canal Master MPDCH El canal Master es asignado en la celda para cursar el tráfico de los canales PBCCH y PCCCH. Este canal Master es equivalente a un canal fijo y solo puede ser activado en una celda si tiene FPDCHs activos. Cuando se activa el canal Master uno de los FPDCH del PSET primario es cambiado a MPDCH. El MPDCH también puede portar tráfico de paquetes. 2.5. Parámetros utilizados en GPRS.. ALPHA Control de potencia en la MS. Parámetro enviado desde el BSC a la MS. Actúa sobre el nivel de reducción de potencia en relación a los paquetes perdidos. Los valores son dados como un múltiplo de 10, por ejemplo, un valor 5 equivale a un nivel de reducción de 0.5. CHCODING Especifica el esquema de codificación. FPDCH Es usado para dedicar un número de canales de tráfico para GPRS exclusivamente. Con el parámetro GPRSNWMODE a 1 ó 3 el primer FPDCH de la celda será configurado como master PDCH. GAMMA Control de potencia en la MS. Es enviado desde el BSC a la MS para dar un valor deseado de nivel recepción de señal en la BTS. GPRSNWMODE Establece el modo de operación de la red. Los siguientes valores especifican su tipo:.

(43) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 0. 32. Modo de operación I, sin Master PDCH. La interfaz Gs entre el MSC y el SGSN debe estar presente.. 1. Modo de operación I, con Master PDCH. La interfaz Gs entre el MSC y el SGSN debe estar presente. El primer PDCH fijo (FPDCH) asignado en la celda será el Master PDCH.. 2. Modo de operación II. No hay asignación de canal Master en la celda.. 3. Modo de operación III. El primer PDCH fijo (FPDCH) asignado en la celda será el Master PDCH. GPRSPRIO Cuando se calcula el nivel de tráfico en la red los canales bajo demanda son contados como ocupados ó libres de acuerdo a este parámetro. PILTIMER Cuando un canal bajo demanda queda libre, entonces es situado en la lista idle del PSD y permanece en ella durante el tiempo PILTMER. Transcurrido este tiempo el canal pasa al CSD. TBFDLLIMIT Cuando todos los PDCH activos tienen un número igual de TBFs (TBFDLLIMIT) y se realiza una nueva petición de recursos GPRS a la celda se reservará un nuevo PDCH. 2.6. Esquemas de codificación (Coding Schemes).. Una de las funciones de la PCU es la selección del esquema de codificación. Para transmitir datos sobre un medio físico como es el interfaz de aire, es necesario añadir una cierta cantidad de información redundante para poder corregir los posibles errores introducidos en la transmisión por radio[1]. Esta información añadida se llama codificación del canal. El criterio matemático que se sigue para añadir esta codificación se designa como esquema de codificación. GPRS soporta 4 esquemas de codificación para los datos a transmitir sobre el interfaz de aire, caracterizado por un nivel de información redundante decreciente, que.

(44) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 33. determina un nivel creciente de información útil transmitida y una robustez decreciente frente a los posibles errores. La figura 2.6 ilustra estos conceptos.. Figura 2.6 Estructura y esquema de codificación de los bloques de radio.. 2.6.1 Prestaciones para el usuario. Los esquemas de codificación con menos información redundante ofrecen una mayor velocidad binaria (bit rate) y son beneficiosos siempre que el enlace de radio sea de calidad suficiente como para no introducir muchos errores en los datos transmitidos. De no ser así, la necesidad de tener datos íntegros implica retransmisiones, lo cual reduce la velocidad binaria real por usuario. La calidad necesaria para que cada esquema funcione correctamente se mide en términos de relación portadora/interferencia (C/I) en dB. En la figura 2.7 se ven las curvas de los 4 esquemas de codificación soportados por GPRS..

(45) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 34. Figura 2.7 Relación portadora/interferencia en dB.. 2.6.2 Impacto en la red. La elección y el uso de los esquemas de codificación afectan de modo relevante a la planificación de la red de acceso de radio. El funcionamiento de un esquema de codificación depende de la calidad del enlace de radio (relación C/I)[6], que a su vez depende de la planificación celular utilizada, del espectro disponible (frecuencias) y del nivel de tráfico presente en la red. Entonces, las prestaciones ofrecidas por un esquema de codificación dependen de los criterios de diseño utilizados para la red de acceso de radio. Para que se pueda aprovechar en todo momento del esquema de codificación que mejor prestaciones ofrece es preciso disponer de la funcionalidad de adaptación dinámica del enlace, que permite seleccionar dinámicamente el esquema de codificación que mayor rendimiento ofrece con el valor de C/I actual. En este caso, sería de esperar que los usuarios más cercanos a la BTS pudiesen disponer de una mayor C/I y entonces aprovechasen de ella utilizando los esquemas de codificación con rendimiento cada vez mayor a medida que se encuentren más cerca de la BTS. Esto daría lugar a una situación de diferentes radios de cobertura para cada esquema de codificación, tal y como se ilustra en la figura 2.8..

(46) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 35. Relación Cobertura-Servicio CS-1= Señalización GSM CS-2 = Voz GSM CS-3 CS-4. Figura 2.8 relación cobertura/servicio. 2.7. La tarjeta SIM.. Tanto GSM como GPRS comparten los mismos procesos de seguridad (autenticación, cifrado y protección de la identidad del usuario), aunque generan parámetros de sesión distintos, unos para GSM y otros para GPRS. El algoritmo de autenticación, que reside en la SIM, es el mismo para ambos servicios. El algoritmo de cifrado sí puede cambiar, pero al residir en el terminal, no tiene impacto en la tarjeta SIM. 2.7.1 Funciones de la tarjeta SIM. Para poder entender de mejor manera el impacto que supone GPRS en la tarjeta SIM, se va a describir aquellas funciones en las que interviene directamente la SIM en relación a los aspectos de seguridad del servicio básico de comunicación, tanto de voz, en el caso de GSM, como de datos, en el caso de GPRS. Las principales funciones de la tarjeta son: 1. Autenticación del usuario móvil. 2. Cifrado de la información. 3. Protección de la identidad del usuario móvil..

(47) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. 36. La clave de autenticación Ki reside de forma segura tanto en la tarjeta SIM como en el Centro de Autenticación (AuC) de la red. Para realizar el cifrado en GSM, se utiliza el algoritmo A5, soportado por el propio teléfono móvil (no reside en la tarjeta SIM). El terminal móvil almacena el valor del TMSI y del LAI fuera de la tarjeta SIM, de forma que no se pierden al apagar el móvil. 2.7.2 Compatibilidad GSM Y GPRS EN LA SIM. La tabla 2.1 representa la información que actualmente se guarda en la SIM, en relación a los procesos de seguridad para GSM: Tabla 2.1 Información que se almacena en la SIM para GSM.. Para el caso de GPRS, la información sería la siguiente:.

(48) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE LA PCU. Tabla 2.2 Información que se almacena en la SIM para GPRS.. 37.

(49) CAPÍTULO 3. DIMENSIONAMIESTO DE LA PCU. 38. CAPÍTULO 3. DIMENSIONAMIENTO DE LA PCU.. En este capítulo se realiza el dimensionamiento de la PCU. Además se realizan cálculos importantes relacionados con el sistema GPRS tales como: cantidad de canales necesarios en dicho sistema así como el número de RPPs. Los datos tomados son reales, de las provincias de Villa Clara y de La Ciudad Habana. El capitulo se ha organizado en 5 epígrafes y algunos subepígrfes. 3.1. Gestión de recursos en la PCU, capacidad y dimensionamiento.. La capacidad máxima de gestión de tráfico GPRS de la PCU depende del número de tarjetas RPPs. Cada una de estas tarjetas gestiona un determinado número de conexiones y cada conexión es controlada por un dispositivo o control de canal específico denominado “dispositivo”. Cada dispositivo controla una posición fija de la trama DL2 en el RPP. Estos dispositivos pueden ser de distintos tipos. 3.1.1 Tipo de dispositivos en el RPP. Dispositivos RTGPHDV ó GPH: Un RPP gestiona 2 x 31 dispositivos GPH (RTGPHDV). A su vez estos dispositivos GPH pueden ser de dos tipos: Dispositivos GSL y dispositivos Gb: - Dispositivos GSL. Configurados para la interfaz A-bis, tienen un ancho de banda de 16 Kbit/s y en un dispositivo RTGPHDV es posible configurar PDCHs de 4*16 Kbit/s empleados para el control de los canales GPRS PDCH. - Dispositivo Gb..

(50) CAPÍTULO 3. DIMENSIONAMIESTO DE LA PCU. 39. Empleados para control de la interfaz Gb, tienen un ancho de banda de 64 Kbit/s y en un dispositivo RTGPHDV es posible configurar un dispositivo Gb de 1*64 Kbit/s. 3.2. Dimensionamiento.. Como ya se ha mencionado anteriormente la PCU puede equiparse con 14 RPPs como máximo distribuidos en dos magazines con 7 RPP cada uno. Cada RPP tiene 2 conexiones DL2 (DL2-0 y DL2-1) y cada una de estas conexiones tiene 31 x 64 Kbit/s para dispositivos GPH. Una conexión DL2 es equivalente a un sistema PCM (figura 3.1).. Figura 3.1 Conexionado de dispositivos en un RPP.. El número máximo de dispositivos Gb por RPP es de 31 ya que el dispositivo GPH 0 (control de la propia trama) no puede ser empleado para gestión de paquetes[7]. Cada DL20 tiene una capacidad aproximada de 50 PDCHs y cada DL2-1 tiene una capacidad de 100 PDCHs, lo cual equivale a 150 PDCHs por RPP, siempre que el número de dispositivos Gb no exceda de 18 (1152 kbit/s) en el DL2-0. Por encima de este número de dispositivos Gb en el DL2-0 la capacidad de PDCH se reduce en cuatro por cada dispositivo Gb agregado. Explicado de otro modo deben tenerse en cuenta las dos consideraciones siguientes (ver figura 3.2): Los dispositivos GSL (PDCHs) dentro del RPP únicamente pueden ocupar las posiciones 1 a 25 de las 31 posiciones totales. De las posiciones 26 a la 31 únicamente pueden ser ocupadas por dispositivos Gb..

(51) CAPÍTULO 3. DIMENSIONAMIESTO DE LA PCU. 40. Los dispositivos Gb dentro del RPP pueden ocupar todas las posiciones desde la 1 a la 31 (hasta 2 Mbit/s). Es importante destacar que los dispositivos Gb deben estar en las posiciones que pueden ocupar ellos exclusivamente (26 a 31) para no limitar la capacidad de gestión de tráfico de PDCHs. 1*64 kbps. 4*64 kbps PDCHs o. DL2 número 0. 0 1. 13. 50 - 0 PDCHs y 0 -13 ranuras Gb. DL2 número 1. 31 0-18 ranuras Gb. 0 1. 25. 31. 0 – 100 PDCHs. Figura 3.2 Ranuras de tiempo en el DL2.. Para obtener la configuración de las PCU de los BSC se procede a realizar los pasos de dimensionamiento que se enumeran a continuación: 1. Determinar el número de PDCH necesarios por celda. 2. Comparar el número de PDCH necesarios obtenido con los PDCH disponibles. 3. Determinar la carga promedio por PDCH. 4. Calcular el número de dispositivos GSL y ranuras de tiempo Gb necesarias. 5. Determinar la estrategia de optimización a utilizar y calcular el número de RPPs requeridos. 3.3. Pasos para el dimensionamiento de los RPPs.. El número de RPPs necesarios va a depender de los siguientes elementos: Ancho de banda promedio necesario para un subscriptor en el BSC..

(52) CAPÍTULO 3. DIMENSIONAMIESTO DE LA PCU. 41. Factor Pico (este indica el valor de tráfico pico que puede generarse en la hora activa por encima del tráfico promedio por subscriptor.) Cantidad de PDCHs bajo demanda o dedicados[5]. Carga en el PDCH. Dimensión del enlace Gb por RPP. Carga en el enlace Gb. Encabezamiento de protocolo en el enlace Gb, tamaño promedio de los paquetes en el Gb. PILTIMER (tiempo establecido para que un PDCH se devuelva al conjunto de canales de CS si no ha sido usado durante el mismo) TBF limit. (este parámtro limita el número de bloques de datos temporales que una MS puede transmitir en la misma conexión para la transferencia de datos en los enlaces ascendentes y descendentes. A continuación se describen los pasos necesarios para realizar el dimensionamiento: 1. Determinar el número de PDCHs necesarios por celda, considerando el impacto del PILTIMER (PS Idle List Timer – por defecto 20 segundos). Los PDCH bajo demanda se mantienen asignados y activados como PDCH aun si no hay tráfico de paquetes de datos durante el tiempo PILTIMER. Si los canales se mantienen sin usarse durante un tiempo igual a PILTIMER, entonces son liberados y devueltos para su uso para el tráfico de conmutación de circuitos. El número de PDCH necesarios por celda se obtiene de la figura 3.3 La figura 3.3 relaciona el volumen de datos por celda con el número de PDCH activos promedio obtenido para valores de PILTIMER, TBF, y QoS (calidad de servicio) en estudios realizados a redes en operación. Por tanto primero es necesario calcular los siguientes datos: # de subs GPRS activos = subs GPRS en BSC x % subs GPRS activos.