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lunes, 9 de abril de 2012

GPRS

 

Las tradicionales redes GSM no se adaptan adecuadamente a las necesidades de transmisión de datos con terminales móviles. Por ello surge una nueva tecnología portadora denominada GPRS (General Packet Radio Service) que unifica “el mundo” IP con el mundo “datos” de la telefonía móvil, creándose toda una red paralela a la red GSM y orientada exclusivamente a la transmisión de datos.

Al sistema GPRS se le conoce también como GSM-IP ya que usa la tecnología IP (Internet Protocol) para acceder directamente a los proveedores de contenidos de Internet.

¿Qué es GPRS?

GPRS es otra tecnología que comparte el rango de frecuencias de la red GSM utilizando una transmisión de datos por medio de 'paquetes'. La conmutación de paquetes es un procedimiento más adecuado para transmitir datos, hasta ahora los datos se habían transmitido mediante conmutación de circuitos, procedimiento más adecuado para la transmisión de voz.

Los canales se comparten entre los diferentes usuarios.

En GSM, cuando se realiza una llamada se asigna un canal de comunicación al usuario, que permanecerá asignado aunque no se envíen datos.

En GPRS los canales de comunicación se comparten entre los distintos usuarios dinámicamente, de modo que un usuario sólo tiene asignado un canal cuando se está realmente transmitiendo datos.

La tecnología GPRS, o generación 2.5, representa un paso más hacia los sistemas inalámbricos de Tercera Generación o UMTS. Su principal baza radica en la posibilidad de disponer de un terminal permanentemente conectado, tarificando únicamente por el volumen de datos transferidos (enviados y recibidos) y no por el tiempo de conexión como hemos podido observar en un punto anterior.

Obtiene mayor velocidad y mejor eficiencia de la red.

Tradicionalmente la transmisión de datos inalámbrica se ha venido realizando utilizando un canal dedicado GSM a una velocidad máxima de 9.6 Kbps. Con el GPRS no sólo la velocidad de transmisión de datos se ve aumentada hasta un mínimo 40 Kbps y un máximo de 115 Kbps por comunicación, sino que además la tecnología utilizada permite compartir cada canal por varios usuarios, mejorando así la eficiencia en la utilización de los recursos de red.

GPRS es una evolución no traumática de la actual red GSM: no conlleva grandes inversiones y

reutiliza parte de las infraestructuras actuales de GSM.

Por este motivo, GPRS tubo, desde sus inicios, la misma cobertura que la actual red GSM.

GPRS (Global Packet Radio Service) es una tecnología que subsana las deficiencias de GSM.

¿Por qué es mejor GPRS que GSM?

El sistema GSM no se adaptaba del todo bien a la transmisión de datos.

Vamos a ver ahora las características de GPRS:

Velocidad de transferencia de hasta 144 Kbps.

Conexión permanente. Tiempo de establecimiento de conexión inferior al segundo.

Pago por cantidad de información transmitida, no por tiempo de conexión.

Veamos unos ejemplos de los tamaños de información que descargaríamos:

1.Envío de un e-mail de 5 líneas de texto con un anexo (documento tipo de Word de 4 páginas), consumiría alrededor de 95 kbytes.

2.Acceder a un buscador, buscar un término (ej. viajes) y recibir una pantalla de respuesta podría ocupar 100 kbytes aproximadamente.

3.Recibir una hoja de cálculo (documento tipo Excel de 5 hojas), consumiría aproximadamente 250 kbytes.

4.Bajarse una presentación (documento tipo PowerPoint de 20 diapositivas y con fotos) equivale a unos 1.000 kbytes.

Ventajas del GPRS para el usuario.

Característica de "Always connected": un usuario GPRS puede estar conectado todo el tiempo que desee, puesto que no hace uso de recursos de red (y por tanto no paga) mientras no esté recibiendo ni transmitiendo datos.

Tarificación por volumen de datos transferidos, en lugar de por tiempo.

Mayor velocidad de transmisión. En GSM sólo se puede tener un canal asignado (un "timeslot"), sin embargo, en GPRS, se pueden tener varios canales asignados, tanto en el sentido de transmisión del móvil a la estación base como de la estación base al móvil. La velocidad de transmisión aumentará con el número de canales asignados. Además, GPRS permite el uso de esquemas de codificación de datos que permiten una velocidad de transferencia de datos mayor que en GSM.

Modo de transmisión asimétrico, más adaptado al tipo de tráfico de navegación html (un terminal GPRS 4+1 (4 slots downlink y 1 uplink) tendrá cuatro veces mayor capacidad de transmisión de bajada que de subida).

Servicios del GPRS para el usuario.

Los servicios que obtendrá un usuario de este sistema será obtener un acceso a internet portable.

Ventajas del GPRS para la operadora.

Uso eficiente de los recursos de la red: los usuarios sólo ocupan los recursos de la red en el momento en que están transmitiendo o recibiendo datos, y además se pueden compartir los canales de comunicación entre distintos usuarios y no dedicados como en el modelo GSM.

¿Cómo se accede a GPRS?

Los terminales GPRS presentan las siguientes características comunes:

- Capacidad Dual:

Los terminales GPRS están adaptados para aprovechar la cobertura existente GSM para la voz y en GPRS para la transmisión de datos.

- Velocidad de transferencia:

- Los terminales GPRS utilizan varios canales simultáneos o slots.

- El número de canales depende de cada terminal, variando de 1 a 4 para la recepción de datos y de 1 a 2 para el envío.

- Cada canal representa una velocidad teórica de 13.4 kilobits (en GSM sólo 9 Kbits).

Tarjeta SIM:

La tarjeta SIM es la misma que para GSM. No es preciso cambiar de tarjeta para usar GPRS.

Existen tres tipos de terminales, cada uno con sus características:

CLASE A:

Uso simultáneo de GSM y GPRS

1 Time-Solt para GSM y 1 o más para GPRS

No hay degradación de ninguno de los dos servicios.

CLASE B:

Registro GPRS y GSM

Uno de los dos está en suspenso mientras el otro está activo. Prioridad para GSM.

Degradación de QoS sólo para GPRS

CLASE C:

Elección manual de GPRS o GSM

No hay uso simultáneo.

¿Cómo funciona GPRS?

Pila de protocolos del plano de transmisión.

El plano de transmisión es el encargado de proveer la transmisión de los datos del usuario y su señalización para el control de flujo, detección de errores y la corrección de los mismos.

GTP: GPRS Tunneling Protocol. Es el encargado de transportar los paquetes del usuario y sus señales relacionadas entre los nodos de soporte de GPRS (GSN). Los paquetes GTP contiene los paquetes IP o X.25 del usuario. Por debajo de él, los protocolos estándares TCP o UDP se encargan de transportar los paquetes por la red. Resumiendo, en el Backbone del GPRS tenemos una arquitectura de transporte IP/X.25-sobre-GTP-sobre-UDP/TCP-sobre IP.

SNDCP: Subnetwork Dependent Convergence Protocol. Es el encargado de transferir los paquetes de datos entre los SGSN (nodo responsable de la entrega de paquetes al terminal móvil) y la estación móvil. Las funciones que desempeña:

  • Multiplexación de diversas conexiones de la capa de red en una conexión lógica virtual de la capa LLC.
  • Compresión y descompresión de los datos e información redundante de cabecera.

AIR INTERFACE: Concierne a las comunicaciones entre la estación móvil y la BSS en los protocolos de las capas física, MAC, y RLC.

Las subcapas RLC/MAC permiten una eficiente multiplexación multiusuario en los canales de paquetes de datos compartidos, y utiliza un protocolo ARQ selectivo para transmisiones seguras a través del interfaz aire. El canal físico dedicado para tráfico en modo paquete se llama PDCH(Packet Data Channel).

En adelante se considerará la capa de enlace de datos (Data Link Layer) y la capa física (Physical Layer) como parte del Interfaz Aire Um.

DATA LINK LAYER: Capa de enlace de datos. Se encuentra entre la estación móvil (el móvil GPRS en sí) y la red.

Se subdivide en:

  • la capa LLC (entre MS-SGSN): Provee una enlace altamente fiable y esta basado en el protocolo DIC e incluye control de secuencia, entrega en orden, control de flujo, detección de errores de transmisión y retransmisión. Es básicamente una adaptación del protocolo LAPDm usado en GSM.
  • la capa RLC/MAC (entre MS-BSS): Incluye dos funciones. El principal propósito de la capa de Control de Radio Enlace (RLC) es la de establecer un enlace fiable. Esto incluye la segmentación y reensamblado de las tramas LLC en bloques de datos RLC y ARQ (peticiones de retransmisión) de códigos incorregibles. La capa MAC controla los intentos de acceder de un MS a un canal de radio compartido por varios MS. Emplea algoritmos de resolución de contenciones, multiplexación de multiusuarios y prioridades según la QoS contratada.

PHYSICAL LAYER: Capa física entre MS y BSS. También se subdivide en dos subcapas.

  • La capa del enlace físico (PLL) provee un canal físico. Sus tareas incluyen la codificación del canal (detección de errores de transmisión, corrección adelantada (FEC), indicación de códigos incorregibles), interleaving y la detección de congestión del enlace físico.
  • La capa de enlace de radio frecuencia (RFL) trabaja por debajo de la PLL e incluye la modulación y la demodulación.

INTERFAZ BSS-SGSN: El protocolo de aplicación BSS GPRS (BSSGP) se encarga del enrutado y lo relativo a la información de la QoS entre BSS y SGSN. El servicio de red (NS) esta basado en el protocolo de Frame Relay.

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Pila de protocolos del plano de SEÑALIZACIÓN.

Se incluye en esta pila de protocolos aquellos encargados del control y mantenimiento de las funciones del plano de transmisión, conexión desconexión, activación de contexto, control de caminos de routing y localización de los recursos de la red.

GMM/SM: GPRS MOBILITY MANAGEMENT/SESSION MANAGEMENT.Es el protocolo que se encarga de la movilidad y la gestión de la sesión en momentos de la ejecución de funciones de seguridad, actualizaciones de rutas, etc.

La señalización entre SGSN y los registros HLR, VLR, y EIR utilizan los mismos protocolos que GSM con ciertas funciones ampliadas para el funcionamiento con el GPRS.

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Concepto Maestro-Esclavo.

Como se ha comentado en el apartado del interfaz aire, el canal físico dedicado para el tráfico en modo paquete se llama PDCH (Packet Data Channel).

Al menos 1 PDCH actúa como maestro denominado MPDCH (Master Packet Data Channel), y puede servir como PCCCH (Packet Common Control Channel), el cual lleva toda la señalización de control de necesaria para iniciar la transmisión de paquetes. Si no sirve como tal se encargará de una señalización dedicada o datos de usuario.

El resto actúan como esclavos y solo son usados para transmitir datos de usuario, en dicho caso estaremos hablando de un canal SPDCH (Slave Packet Data Channel). Se introduce el concepto de Capacity on demand; según el cual el operador puede decidir si dedica algún PDCH para trafico GPRS, y puede incrementar o disminuir el número según la demanda.

CANALES QUE COMPONEN EL MPDCH

Nombre

Sentido

Función

PRACH

Ascendente

para iniciar la transferencia de datos desde el móvil

PPCH

Descendente

para informar al móvil de la entrega de paquetes.

PPRCH

Ascendente

de uso exclusivo por el móvil para responder a un paging (búsqueda)

PAGCH

Descendente

para enviar al móvil información sobre reserva de canales.

PNC

Descendente

de uso para notificaciones. MULTICAST

PBCCH

Descendente

para difundir información específica sobre GPRS. BROADCAST.

CANALES QUE COMPONEN EL SPDCH

Nombre

Sentido

Función

PDTCH

Ambas

para transferir datos desde / hacia el móvil

PACCH

Ambas

para transportar información de señalización.

PDBCH

Descendente

para enviar en modo de difusión, datos de usuario.

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Tabla resumen de los canales lógicos de GPRS.

*Aclaraciones:

PBCH (Packet Broadcast Control Channel): Transmite información de sitema a todos los terminales GPRS en una célula.

PTCH (Packet Traffic Channels)

FLUJO DE DATOS.

La unidad de datos del protocolo de la capa de red, denominada N-PDU o paquete, es recibida de la capa de red y es transmitida a través del interfaz de aire entre la estación móvil y el SGSN usando el protocolo LLC.

Primero el SNDCP transforma los paquetes en tramas LLC, el proceso incluye opcionalmente la compresión de la cabecera de datos, segmentación y encriptado.

Una trama LLC es segmentada en bloques de datos RLC, que son formados en la capa física, cada bloque consta de 4 ráfagas normales que son similares a las de TDMA.

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MULTIPLEXADO DE CANALES LÓGICOS.

Hay una serie de indicadores para poder hacer el multiplexado de canales lógicos y poder aprovechar al máximo las capacidades de la red.

Cuando las tramas LLC son segmentadas se asigna un TFI en la cabecera de los paquetes RLC que es único dentro de la celda, para permitir la implementación del protocolo de petición (ARQ) selectivo. Permite el multiplexado downlink.

TBF: permite identificar 1 o varias tramas LLC pertenecientes a 1 mismo usuario.

USF: permite el multiplexado uplink. Consta de 3 bits por lo que tiene 8 valores diferentes. Cada bloque RLC del downlink lleva el indicador, si el USF recibido en el downlink es igual al suyo, el usuario puede usar el siguiente bloque uplink; si es igual a FREE, el siguiente bloque es un slot destinado al proceso de acceso (PRACH); los otros siete valores se utilizan para reservar el uplink para diferentes estaciones móviles.

CODIFICACIÓN.

Existen 4 tipos de codificación en GPRS cada una con sus características, tanto de carga útil que se codifica como el número de bits codificados. Todos los tipos siguen prácticamente los mismos pasos:

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Las dos etapas iniciales añaden información a la carga útil:

BCS: secuencia de chequeo de bloque.

USF: Uplink state flag, ya comentada en el punto anterior.

Una vez obtenida la codificación se puede hacer el diezmado que son bits que se quitan de forma no arbitraria.

Las 4 formas de codificación de GPRS son:

El CS-1 coincide con el SDCCH de GSM.

El 2 y 3 son versiones perforadas del 1º.

El 4 no utiliza código convolucional.

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Transferencia de datos (UP-LINK).

Una estación móvil inicia una transferencia de paquetes haciendo una petición de canal de paquete en el PRACH.

La red responde en PAGCH con una o dos fases de accesos:

-1 acceso: la red responde con la asignación de paquete, que reserva los recursos en PDCH para transferir ascendentemente un nº de bloques de radio.

-2 accesos: la red responde con la asignación de paquete, que reserva los recursos ascendentes para transmitir la petición de recursos de paquete; a lo que la red responde con la asignación de recursos.

En la transmisión se realizan reconocimientos, si se recibe un reconocimiento negativo o erróneo se repite la transmisión del paquete.

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Transferencia de datos (DOWN-LINK).

Una BSS inicia una transferencia de paquetes enviando una petición de paging (búsqueda) en el PPCH.

La estación móvil responde de forma muy parecida a la del acceso al paquete descrita en el punto anterior.

En la asignación de recursos se envía una trama con la lista de PDCH que son usados.

Si se recibe un reconocimiento negativo solo se retransmite los bloques erróneos.

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DISCIPLINAS DE SERVICIO.

Podemos encontrar gran variedad de disciplinas de servicio, desde las más rudimentarias y poco efectivas, como son FIFO y Round Robin, hasta las más desarrolladas como MED.

Las desarrolladas en el entorno GPRS a día de hoy son las siguientes:

SIN PRIORIDAD.

FIFO: Se garantiza una QoS de hasta un 30% de carga, sin embargo presenta retardos muy variables.

No existe protección entre diferentes aplicaciones de usuarios móviles.

RR: Los paquetes se clasifican y envían a N colas garantizando una QoS de hasta un 70% de carga. A pesar de tener también retrasos variables, son inferiores al de FIFO y es más equitativo.

Los dos sistemas, sin aplicar ningún tipo de prioridad arrojan buenos resultados en condiciones de poca carga.

Sin embargo tienen problemas evidentes, como por ejemplo el caso de que FIFO no protege contra usurarios o aplicaciones abusivas que consuman mucho ancho de banda.

RR se comporta mejor por el hecho de separar los paquetes en diferentes colas.

CON PRIORIDAD.

Cada una tiene sus características, pero en cierto modo todos se dirigen a, en caso de congestión, evitar en mayor grado su efecto sobre los usuarios. Aunque para ello se deben definir prioridades o pesos a priori, o basándose en variaciones del tráfico.

WRR: diferentes pesos para cada cola.

DRR: el peso de cada cola oscila alrededor de un “deficit”.

ARR: adopta prioridades hacia colas Round Robin.

SJN: escoge los paquetes según su tamaño. Los paquetes pequeños se envían antes.

SPS: una cola de cierta prioridad no se servirá hasta que todas las colas de pioridad superior están vacías.

WPQ: igual que SPS pero ahora se limita el número de paquetes procesados para evitar la desatención de las colas menos prioritarias.

GARANTIZANDO QoS.

Finalmente encontramos los sistemas basados en asegurar la calidad de servicio (retardo). Para ello cada paquete entrante en el sistema recibe un “Timestamp” o un “Deadline”, que no son más que controladores de la situación del paquete dentro del sistema, indicando cuanto como máximo se puede quedar en las colas. Básicamente se diferencian en la manera de gestionar los paquetes, mientras que Virtual Clock busca el paquete y lo transmite, MED lo busca y lo envía hacia una segunda cola de QoS. Estas disciplinas de servicios son las que mejores resultados arrojan, incluso que las “Best Effort” con prioridad, como SPS o WPQ.

Virtual Clock: garantiza el ancho de banda por conexión. A cada paquete se le asocia un “Timestamp” y en cada cola se selecciona con menor “Timestamp”.

MED: Aquí a cada paquete se le asigna un “Deadline” y si se cumple dicho valor, este se pone en su cola de QoS.

Dado el gran éxito experimentado por los mensajes cortos (SMS: Short Messaging Service) aparecen dos nuevas plataformas para el envió de mensajes: EMS y MMS.

La primera de ellas está ya al alcance de ciertos terminales, mientras que MMS es algo que se esta empezando a introducir en el mercado. Está prevista su total implantación con los móviles de tercera generación, aunque en un futuro próximo podremos ver algunas de sus características en terminales GPRS.

EMS: Los mensajes EMS nacen como la posibilidad de enviar no sólo texto, sino además ciertos contenidos multimedia. Entre sus carácterísticas principales podemos ver que admiten tanto texto (ahora con posibilidades de formato y justificación) como sonidos (predefinidos o propios y con una longitud máxima de 128 bytes), imágenes (con múltiples formatos) y animaciones. Este nuevo tipo de mensajes utilizan la misma infraestructura que su predecesor, el SMS, lo cual permite que hoy en día ya hayan aparecido ciertas tecnología propietarias y terminales que los soportan, como son los teléfonos Nokia. Este fabricante de móviles ha desarrollado el Nokia Smart Messaging, gracias a la cual se pueden descargar melodías de la red, así como logos y animaciones. A pesar de sus limitaciones , éste es ya un paso hacia adelante hacia lo que serían los MMS…

MMS: El MMS nace como un formato con miras a ser compatible en todo lo posible hacia adelante. No es así hacia atrás, pues como vemos, al utilizar nuevos protocolos internet para el envió de mensajes, como son en SMTP o MIME ya se desmarca totalmente de su predecesores. Además, estos mensajes serán transferidos como datos, y no por el canal de señalización como se ha hecho hasta ahora. Esto conlleva que sus posibilidades de expansión sean muy grandes, pero al mismo tiempo necesita de la instalación de nuevas plataformas, tales como:

-MMS Relay

-MMS Server

-MMS Databases

-WAP Gateway

…necesarias para su transmisión, y que por tanto rompen toda posible compatibilidad con las infraestructuras de mensajería corta existentes. Es de destacar que Nokia ya ha presentado, con su modelo 7210, el primer terminal capaz de enviar y recibir estos mensajes. Siguiéndole varios otros modelos como el 7650, que se encuentra en plena campaña publicitaria actualmente.

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