Introducción al sistema GPRS y a su gestión de recursos radio

INTRODUCCIÓN AL SISTEMA GPRS y A SU GESTIÓN DE RECURSOS RADIO Enrie Chillaron i F arré Estudiante de la ETSETB y de la ENST de Paris y Miembro de la Rama de estudiantes del IEEE de Barcelona chillaro@enst·fr l. INTRODUCCIÓN En este artículo se pretende introducir al sistema GPRS y presentar una visión global de su gestión de recursos radio. En una primera parte, sedará una explicación general del sistema GPRS, así como su arquitectura protocolaria, su capa física y su capacidad de codificación de canal adaptable. Más adelante, se detallarán los canales lógicos que utiliza este sistema de segunda generación y como realiza la compartición de los recursos radio y el acceso al medio. Finalmente se presenta un breve apartado de simulación para observar el tráfico de diferentes paquetes GPRS cuando comparten canales clientes WEB y W AP [9]. 11. BREVE PRESENTACIÓN DE GPRS GPRS es un sistema de segunda generación basado en la capa física de GSM que utiliza la conmutación de paquetes y la clase multislot junto con varias codificaciones de canal para obtener diferentes caudales [3]. El sistema GPRS permite asignar QoS diferenciadas a los distintos usuarios móviles, en función del caudal o throughput medio/pico del enlace, de los retardos o de la fiabilidad del enlace. Este sistema es idóneo para aplicaciones donde las transmisiones de datos sean intermitentes (en forma de ráfaga), frecuentes de pequeño volumen e infrecuentes de volumen elevado. GPRS es una red superpuesta a GSM que puede transportar paquetes IP y que comparte con ella la red de acceso, es decir, todo lo que son las MT (Mobile Terminal) y las BSS (Base Station System). Además, GPRS introduce tres nuevos nodos funcionales respecto GSM que son el SGSN (Serving GPRS Support Node), el GGSN (Gateway GPRS Support Node) y el PCU (Packet Control Unit). El primero, es el responsable de la entrega de paquetes al terminal móvil en su área de servicio, y el segundo actúa como interfaz lógico hacia las redes de paquetes de datosexternas. En cambio, el PCU es el encargado de gestionar el interfaz aire de la red. 38 A nivel MAC, las asignaciones de recursos entre el uplink y el downlink se realizan de manera independiente (al revés de lo que sucede con GSM) y un mismo canal físico o PhyCh (Physical Channel) puede ser compartido por varios dientes. 111. ARQUITECTURA PROTOCOLARIA DE GPRS En este apartado se analizará la arquitectura protocolaria de GPRS y se realizará una breve descripción de los niveles que lo integran. En lafigura 1 se observa la pila de protocolos y los interfaces que utiliza GPRS [2][3] . Aplicalion IPIX.25 , IPIX.25 SNDCP , SNDCP GTP GTP LlC LLC Relay LLC IP IP RlC RLC BSSGP BSSGP L2 L2 MAC MAC Frame Frame Ralay Relay GSM PL : GSM Pl l1 bis L1bis l1 l1 Um Gb Gn Gi MS BSS SGSN GGSN Figura 1. Arquitectura protocolaria de GPRS[3]. Algunos de los protocolos utilizados en el interface radio Um son los siguientes [1]: · La capa física (nivel 1) que corresponde a la capa física de GSM. · La capa MAC que gestiona el acceso al medio compartido entre todos los posibles clientes. . RLC (Radio Link Control) que corresponde, equiparándolo con OSI, a la capa de enlace (al igual que la capa MAC). · LLC (Logical Link Control) que remplaza las capas LAPDm o RLP. Esta capa se utiliza para restablecer un enlace débil utilizando el interface radio. BURAN N"19 ABRIL 2003 Otro protocolo utilizado a nivel de BSS es: . BSSGP (BSS de GPRS) que es una BSS de GSM con algunas adaptaciones de GPRS (introducción de PCD). Finalmente, algunos de los protocolos utilizados en la arquitectura protocolaria de red o coeur son: · Los protocolos del interface radio (LLC) · El protocolo SNDCP (Sub-Network Dependence Convergente Protocol) que corresponde a una capa radio especificada entre los niveles 2 y 3 (subcapa de adaptación). · Los protocolos más clásicos, de Internet u otros, como TCP-IPGTP (GPRS Túnel Protocol) o los protocolos de Frame Relay. IV. INTERFACE RADIO. CAPA FÍSICA GPRS utiliza la estructura de canal físico de GSM donde cada PhyCh corresponde a 1 slot por trama TDMA (más o menos a lOKbps en GSM. Véase figura 3). A partir de ahora, se hablará de PDCh (Packet Data Channel) como cada PhyCh correspondiente a GPRS. Para empezar, GPRS utiliza un formato de multitrama de 52 tramas TDMA (en GSM se consideraban multitramas de 26 y de 51). Igualmente, se trabaja con bloques o Phy SDU de 4 bursts ya sea para informaciones de controlo para señalización de GSM. La duración total de una multitrama GPRS es de 240 ms y la de un bloque de 20 ms. En lafigura 2 se puede observar la estructura temporal de GPRS. 4.6ms FN= 1m \,':1: 17 m 1-POeh 1 1 I 11 1 I 1I I I 1I ! I I ji 52 mu ltilr a me(=2'IJ ms = 12 bloc + 4 uislcts') Figura 2. Ilustración de un bloque dentro de una multitrama de 52 de GPRS[ 1 J Destacar que los bursts se utilizan para la gestión del T A (Time Advance), es decir, para la sincronización del terminal móvil, y que la cantidad de bits enviados por bloqueMACesde456(=4x1l4,protectedbits+overhead). En GPRS se habla de FN (Frame Number) como el contador de tramas TDMA. Cada trama TDMA tiene una duración de 4.6 ms y se define como: .. RAMA DE ESTUDIANTES DEL IEEE DE BARCELONA 12 ContadorFN = - * 5mseg + 1 13 FN se incrementa una unidad cada trama TDMA. El concepto de FN se puede observar en lafigura 3 [1]. PhYChh TOMA trame 4.6 ms ~ ~ "~t·· ..••. _-:¡-n._=. ~ u :1 _1 _---===-==--- t==:==. ±±-...=====±: ==~ Un slotpar trame TOMA ¡2~ FN= ;~ •. ~ .. ~," "; ,::; ¡ ¡, -----1>- PDCh Ums Figura 3. Ilustración del funcionamiento de FN [1 J V. CODIFICACIÓN DE CANAL ADAPTABLE GPRS presenta 4 posibles esquemas de codificación de canal (Coding Schemes) o tasas de transmisión de datos variables por multislot [3]: · CS-l: 9.05 Kbps. · CS-2: 13.4 Kbps. · CS-3: 15.6 Kbps. · CS-4: 21.4 Kbps. La información de CS se transmite vía los stealing flags, los cuales tienen la ventaja de no necesitar señalización suplementaria. No obstante, presentan el posible problema de desadaptación dentro de la capa RLC. Lafigura 4 representa la utilización de los stealing flags. 2 stealings fla!l" , I pa¡doad 1 IJ Training sequence 1 1 1 pa¡doad Figura 4. Fomato de un burst GSM normal [1J 1I Referente a los esquemas de codificación, se puede decir que por los entornos con bajo CIR (Carriertolnteiferance Ratio) es mejor trabajar con el CS-l. En cambio, por entornos con elevado CIR es mejor trabajar con CS-4 puesto que ofrece más velocidad y menor protección de los datos a transmitir. 39 VI. CLASES DE EQUIPOS MOBILES En este apartado se hablará especialmente de dos puntos: de los equipos móviles con funcionalidades diversas y de las clases multislot de un móvil. Por lo que se refiere al primer punto, se presentan las dos clases siguientes [1]: -Clase AIB/C -Clase A: GSM y GPRS al mismo tiempo y simultáneamente. -Clase B: GSM o GPRS secuencialmente. -Clase C: elección a priori de GSM o GPRS. -Clase multislot: con diferentes caudales. Por lo que respecta al segundo punto, se puede hablar de: -Capacidades de tratamiento. -Trafico asimétrico, donde un móvil GPRS puede recibir hasta i bursts y transmitir hasta} por trama TDMA pero con la condición que i+}=k. Destacar que hay 29 clases multislot que han estado especificadas (información codificada en 5 bits). VII. COMPARTICIÓN DE RECURSOS RADIO Dentro del sistema GPRS, aparece el concepto de compartición de recursos radio y éste puede darse en el caso de un solo o varios PDCHs. En el caso de un solo PDCh, se puede observar en lafigura 5 donde dos clientes comparten un mismo PDCH en el uplink yen el downlink. En cambio, en el caso de varios PDCHs, se puede ver la figura 6 donde cuatro clientes comparten 3 PDCHs. G block fromlforuser 1 G blockfromlforuser2 Ph,Ch 1 '===================== [ 1,1 1 ,1 ,1,1,1 1 ,1 ,1 ,1 ,1 IPDCh J ("~:") t'----- ________________ (',_PleX) 1 ,1 1 ,1 1 ,1 1 ,1 1 ,1 Figura 5. Compartición de recursos radio en el caso de un solo PDCh y dos clientes PhyCh G block fromlfor user 1 G block fromlfor user 2 G blockfromlforuser3 G block from/foruser 4 Remarcar que en el caso de lafigura 6 hay 4 clientes que comparten 3 PDCH donde el cuarto cliente tiene una clase multislot (i=3, j=2, 4) (Véase el apartado VI). Destacar que la compartición de canales PDCh se realiza siguiendo la clase multislot de los MT de los clientes. Finalmente, decir que se puede efectuar una compartición de recursos radio entre clientes GSM-c y clientes GPRS (PhyCh y PDCh). VID. CANALES LOGICOS En la tabla 1 se puede observar buena parte de los canales lógicos sobre los que trabaja GPRS. Grupo Nombre Dirección Función PBCCH PBCCH Downlink Broadcast PCCC PRACH Uplink Random H Access PPCH Downlink Paging PAGCH Downlink Access grant PNCH Downlink Multicast PTCH PDTCH Both Data PACCH Both Control PTCCH Both Time Advance Tabla l. Tabla de canales lógicos que utiliza GPRS [3J La clasificación "canónica" GSM de los canales lógicos corresponde a la siguiente: . Canales de difusión (Broadcast CHannels). Se encargan de dar información del sistema. . Canales de control común (Common Control CHannels). Son utilizados en la fase de acceso: para "despertar" al móvil y/o para establecer une transmisión. . Canales dedicados a un cliente (Dedicated) como los j canales de tráfico (TCH). [t ' , . Canales de control asociado (Associated Control 3 PDCh Al (',pi,,) CHannels). Corresponden a los canales de control lógico ("pk,) '------ ___ _ Y físico de un canal dedicado. -1-' '1 :+; I....:.'.L: .:..¡: I---:;+¡--'.J: :L._I-----.L: :.-t: I.....::+-I--+I---=:+I...:J: :L,-I-----.L~'I...:.;+-I-- ~ En el sistema GPRS se utiliza el distintivo P- (acrónimo del canal lógico de GSM) donde P significa packet y se L_________________ +. destaca que los canales PAGCH se sitúan Figura 6. Compartición de recursos radio en el caso de tres PDCh y cuatro clientes 40 dinámicamente en los recursos, a priori, dedicados al tráfico. BURAN N°19 ABRIL 2003 En la figura 7 se observa el escenario de transferencia dentro de un contexto radiomóvil celular. BCCH CCCH DCH ou Shared_CH, .vec AC Trafic downlinkou uplink Figura 7. Esquema de un contexto de conexión en una red radiomóvil celular [1] IX. CONTROL DE ACCESO AL MEDIO En el sistema GPRS se definen los identificadores siguientes para gestionar correctamente el acceso al medio compartido [3]: . TBF (Temporary Block Flow). Es el encargado de identificar una o varias tramas LLC de un mismo cliente. Un TBF puede comportarse como open ended (nombré indefinido de octetos) o closed ended (nombre de octetos fijados al principio del TBF). . TFI (Temporary Flor Identity). Permite el multiplexado en el downlink. Un único TFI se asigna a cada usuario dentro de la celda. El indicador TFI se incluye en la cabecera de los paquetes RLC para permitir la implantación del protocolo ARQ selectivo . . USF (Uplink State Flag). Permite el multiplexado en el uplink. Cada bloque RLC del downlink lleva este indicador. Como sucede en el caso del TFI, un único USF se asigna a cada cliente. Si la estación base envía un mensaje con el mismo USF que el del cliente, éste podrá hacer uso del siguiente bloque uplink para tranmitir sus datos alaBTS. Si USF=FREE, indica que el bloque siguiente se destina al proceso de acceso (PRACH). Existen un total de 8 valores para el indicador USF. Si USF=1 indica que el slot estáfree y puede utilizarse para el acceso. En cambio, cualquiera de los otros siete valores identifica a uno de los móviles activos en esta portadora. La gestión de acceso al medio se realiza de manera independiente en función del sentido de la transmisión. En el downlink, se trata de una mera difusión. Es el caso más simple donde el móvil escucha todos los bloques de los canales PDCh que le han estado indicados. En cambio, en el uplink las estaciones bases deben organizar las emisiones de los móviles de una manera dinámica. Es decir, las estaciones bases deben conocer los instantes precisos (y frecuencias) donde ellas deben escuchar. Por consiguiente, como en el uplink se da el problema de acceso múltiple, se plantean diferentes modelos para solventarlo: • RAMA DE ESTUDIANTES DEL IEEE DE BARCELONA . Asignación dinámica. LaBS coloca de manera dinámica en el downlink los permisos de emisión (flag USF) de los TBlock del uplink . Asignación dinámica extendida. Extensión del caso anterior donde se permite trabajar con caudales más elevados. . Asignación fija. La BS indica durante el establecimiento del TBF los recursos dedicados al terminal móvil (bipmap ). x. SIMULACIÓN DE LA GESTIÓN DE RECURSOS GPRS En este último apartado, se realizará una simulación con una compartición dinámica de los recursos radio entre diferentes clientes GPRS en el downlink [9]. La finalidad de la simulación no es otra que intentar ilustrar, de la manera más real posible, un contexto común en GPRS y ver como soporta el sistema el tráfico para cada uno de los usuarios aplicando una política de scheduling concreta. Tómese éste apártado a modo de información puntual. En la simulación, se especifican dos tipos de clientes o demandas GPRS que son el WEB y el WAP. Además, el mecanismo de scheduling utilizado corresponde al EDF (Early Deathline First) [5] [6][7] [8], es decir, los paquetes que excedan un cierto tiempo serán descartados. Las representaciones gráficas que se ilustraran son funciones CD F ( Cumulated Distribution Function) y los parámetros de QoS estudiados son la tasa de perdidas de paquetes y el tiempo medio de servicio. Finalmente decir que el sistema se simulará con una carga del 60% (15 clientes web+30 wap) y otra del 80% (20 clientes web+40 wap), y con diferentes clases multislot (6/ 4,4/2 y 2/1), El nombre de PDCh utilizados en la simulación corresponde a 6 y la codificación utilizada es la CS-2. En la tabla 2 se especifican los resultados de la simulación en función de los parámetros de QoS correspondientes a la política de scheduling escogida. 2/1 4/2 6/4 WEB Charge Loss :4.68% Loss: 4% Loss :3% 60% Service:0.95s Service:0.85s Service:0.73s Charge Loss :6.88% Loss :4.83% Loss :4.35% 80% S ervic e :1 .2s Service:l.ls Servicels WAP Charge Loss :0.3% Loss: 0% Loss :0% 60% Service:O.1 s Service:O.o7s Service:0.47s Charge Loss :1.22% Loss :0.8% Loss :-0% 80% Service:O.15s Service:O.13s Service:0.09s Tabla 2. QoS para cada cliente y clase multislot En las figuras 8 y 9 se puede observar el resultado del tráfico Wap y Web, utilizando la función normalizada CDF, para una carga del 60% y una clase multislot de 4/2. 41 , , , I , I I I 0.9 __ . '. ___ _ _ '- ____ _ L _____ .1 _ _ __ _ I I I I I I I I I , I I I 0.8 - - - - - , - - - -.., ----- -, - - - - - -,.. - - - - - r - - - - - T - - - - - I I I I , , I I 0.1 - - - - - ~ - - - - ~ ----- -:- - - - - - ~ -----L - - - - - .&. - - - - - , , , I I I , I -----,------ , -- -- - -r -- - - - r----- T ----- 0.6 0.5 - - - _ ~ __ ___ ~----_- : - - --_-~---_-L---_-.&.- - --- , , , 0.4 - - - -1------:------:------:------ ~ -----i ----- I I I I I I I I I I - - - -4 - - - - _ ~ ____ __ 1_ - - - - - ~ - - - - - ~ - - - - - • - __ _ _ I '1 I I I I I ___ J ___ _ _ J ____ _ . '. _____ L _____ L _ ____ i ____ _ I I l ' I I I I I 0.1 ----~-----~--- - -- : -- - ---,.. --- --~-----~----- I I I I I I I I 05 1.5 2 25 3 3.5 Figura 8. Tráfico Web (60% ,4/2 ) La conclusión qu e se pu eden o bt ener de la simulación es qu e la probabilidad de pérdidas de client es Web es s up eri or a la de Wap debido a qu e el número de paque te s por ráfaga entra nt es en el sistema es m ás elevado en el caso Web qu e en el Wap (a pesar de que se gestionen m ás clientes Wap qu e Web ). Ad em ás , se obser va qu e el ti e mp o de servicio di sminuye cuando m ás aumenta la cl ase multislot. En las dos gráficas adjuntas se pude ver como el trá fi co Wap aumenta de manera m ás abrupta qu e el Web (y lo s dos exponencialme nt e) debido a la carga de usuarios y, sobretodo, al bajo número de paquetes perdidos r es pecto al Web. En el caso del Web se observa que los pa qu etes entra nt es tienen un deathline m ás bajo y se descartan pronto del sistema. , 09 -- - .---.-- - .-- - -4----4-- - -4----4---~--- , " , " os - -.---.---+---+---~- - -~---~---~---~ __ _ I , ' , l ' l ' I I I " l' 03 -- - +---+---+ - --+-- - ~ - --~---~---~- __ ~ __ _ I l ' I I I " , I O~ --+---+---+---+---~---~ _ __ ~---~ ___ ~--- I , l ' '1 I I I I " ' 1 I I 05 --~ - - - ¿---¿---¿---~---~---~---~---~--- I I I I I I ' 1 I I o . ~ - -~---¿---¿---¿---~ ___ ~ _ __ ~ ___ ~ ___ ~ __ _ I I I '1 I I I I ' 1 I 03 --¿--_¿ ___ ~ ___ ~ ___ ~ ___ ~ ___ ~ ___ ~ ___ ~ __ _ I I , I I I I I I , I I I I 02 - -¿---~---~---~---~---~---~-- - ~ - - - ~ -- - I I I I I I I I I I I I I I I I • I 0.1 - - ~ ---¿ - - - ¿ - - - ~ - - - ~ --- ~ --- ~ --- ~ - - - ~ --- I I I I I I OUL~ __ ~ __ ~~ __ ~ __ ~ __ ~~ __ ~~ o o. I 02 0.3 o.. 05 0.6 0.7 0.8 0 .9 Fi gura 9. Tráfico Wap ( 60 %, 4/2) XI. CONCLUSIONES El siste ma de seg und a gener ac ión GPRS es un a red de dat os basada en la trans mi sión de paquetes qu e so po rta tanto 42 Inte rn et, X .2 5 y otr as redes públicas y pri vadas. Adem ás , permite la tr an s mi sión as im é tri ca entr ee l uplink y el d ow nlink qu e se ges ti o nan de manera ind ependie nt e [3 ]. GPRS realiza un a optimización de los r ec urs os ra di o medi a nt e la asign ac ión dinámica e i nd ependiente y la multiplexación de usuarios. Asimism o, GPRS intr od uce el conce pt o de co nmu tación de pa qu etes de datos ex tremo a ex tremo. Este sistema of rece un a tari fi cación por vo lumen de datos intercambiado s, Q oS y tipo de servicio. Igualme nt e, es un sistema co mpl etan1e nt e co mp atible con la trans mi sión de voz vía GSM. XII. REFERENCIAS [1] Philippe GodI ews ki , X av ier Lagran ge y Philippe Martins. ''L' acres paqu etdansGPRS ( Gen eralP ac ket RadioSe rvi ces : L' acces Pa qu et da GSM ". ENST Pari s. V ers ión B4 . 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