General Packet Radio Service GPRS General Packet Radio Service

INTRODUCTION (1) Le GSM (Global System for Mobile communications) est conçu pour de la téléphonie mobile, donc pour des communications en mode circuit à faible débit. Certains choix techniques du GSM sont faits en conséquence, notamment en matière d'architecture réseau et de mise en forme des ondes (modulation, codage, etc.). Ces choix se révèlent toutefois contraignants pour les services de données (transfert de fichier, vidéo, etc.) Pour pallier ces limitations, dans un premier temps, le GSM a standardisé des règles pour réaliser du transfert de données en utilisant les circuits de voix. Avec le HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), on assiste à un premier développement du standard vers des débits supérieurs, mais toujours en mode circuit. 

INTRODUCTION (2) Pour améliorer encore l'efficacité du transfert de données, une évolution majeure du GSM est normalisée sous le nom de GPRS (General Packet Radio Service). Fondée sur l'interface radio du GSM, mais développant un partage de ressources dynamique adapté au trafic sporadique, le GPRS introduit une architecture réseau en mode paquet. Enfin, EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) propose des débits supérieurs par l'introduction d'une modulation plus efficace, applicable à la fois au HSCSD et au GPRS. L'association du GPRS et d'EDGE est souvent considérée comme un système 2,5 G, intermédiaire entre les systèmes 2 G (GSM, etc.) et 3 G (UMTS, etc.).

Evolution de la Transmission de Données par Voie Radio Paquet+Circuit 384k 115k - 171k Paquet+Circuit 57.6k Paquet 9.6k Circuit Circuit GSM HSCSD GPRS EDGE WCDMA 2 G 2.5 G 2.75 G 3G

Le transfert de données en GSM Un circuit de communication était établi, maintenu puis relâché entre un utilisateur mobile et le réseau téléphonique commuté. Ce circuit est utilisé dans la majorité des cas pour transporter de la voix, mais rien ne s'oppose a priori à y faire transiter des données, c'est-à-dire n'importe quel type d'information numérique. À l'instar des codecs qui transforment le signal de parole en un train de bits, le GSM a normalisé dès ses premières phases de développement des interfaces pour les données. Ces interfaces se présentent comme des sortes de modems permettant d'adapter le passage d'un flux de données dans le terminal et entre le réseau mobile et le réseau public. Cette fonction est réalisée côté mobile par un élément appelé TAF (Terminal Adaptation Function) et côté réseau par l'IWF (InterWorking Function).

ARCHITECTURE DE TRANSFERT DE DONNEES EN GSM

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) Le service HSCSD est un service de données en mode circuit, à débit élevé, qui consiste uniquement à allouer non plus un canal physique par utilisateur et par trame TDMA mais plusieurs - jusqu'à 4, soit la moitié de la trame. Comme pour le service de données précédent, l'allocation des ressources se fait en mode circuit, par connexion et pour toute la durée de la connexion. Cette allocation peut être asymétrique, c'est-à-dire offrir plus de débit dans un sens que dans l'autre. À l'origine, les slots pouvaient être non consécutifs dans la trame, mais, pour des raisons de complexité d'implémentation dans les terminaux, les constructeurs de terminaux ont imposé une allocation contiguë.

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) Le débit maximal offert par le HSCSD est de 57,6 Kbit/s - pour 4 slots à 14,4 Kbit/s. Même si ce débit est comparable à ceux obtenus avec des modems téléphoniques pour une connexion filaire, le HSCSD souffre d'un manque de souplesse et d'efficacité dans l'allocation de ressources radio. Finalement, les constructeurs et les opérateurs n'ont pas investi dans les évolutions logicielles et matérielles à apporter aux terminaux et aux stations de bases pour incorporer le service HSCSD dans les réseaux GSM, car, en parallèle, était standardisé le GPRS, beaucoup plus prometteur.

les caractéristiques d'une session Web. Le GPRS s'inspire des usages devenus courants d'Internet: lors de la consultation de pages Web, une session peut durer plusieurs dizaines de minutes alors que les données ne sont réellement transmises que pendant quelques secondes, lors du téléchargement des pages. Le trafic de données ainsi engendré est donc très sporadique, contrairement à celui de la voix, par exemple.

les problèmes que posent un réseau à commutation de circuits tel qqe le GSM Monopolisation des ressources. Un certain nombre de ressources sont monopolisées dans tout le réseau pour un seul utilisateur et pendant toute la durée de sa session, alors que ces ressources ne sont qu'épisodiquement réellement utilisées. Il y a donc gaspillage des ressources, notamment des ressources radio, rares et chères, non utilisées à cent pour cent de leur capacité. Coût des communications. Basée sur le temps de connexion de l'utilisateur, le coût des communications tend à s'alourdir sensiblement du fait à la fois du téléchargement des données à relativement faible débit et du temps de lecture des pages d'information. Interconnexion lourde. Avec les réseaux paquet externes et donc avec Internet, la transmission de données en mode circuit nécessite des éléments d'adaptation spécifiques à la frontière du réseau de l'opérateur.

LE GPRS Le GPRS résout ces problèmes en définissant une architecture de réseau à commutation de paquets, qui permet de n'allouer des ressources à un utilisateur qu'au coup par coup, lorsqu'il a réellement des données à émettre ou à recevoir, et non durant toute la durée de sa connexion, ainsi que de facturer les communications au volume de données échangées (en kilo bit) et non à la durée de connexion. De plus, le GPRS introduit de la flexibilité dans le choix du type de protection des donnés, offrant ainsi une plus grande variété de débits.

ARCHITECTURE GENERALE D’UN RESEAU GPRS-GSM

Qu’est ce que GPRS? architecture générale Architecture du GPRS BSS Réseau central IP du GPRS Gb MSC / VLR A PSTN PDN X25 PDN IP Gi Services à commutation de circuits Services à commutation de paquets Sonatel Mobiles

Le réseau GPRS et le réseau GSM fonctionnent en parallèle: le premier est utilisé pour le transport des données, et le second pour les services classiques de voix. Tous deux utilisent les mêmes équipements BSS, c'est-à-dire les stations de base BTS et leurs contrôleurs BSC. C'est ensuite qu'ils se distinguent. Le réseau cœur (Core Network) du GPRS est un réseau paquet interconnecté, pouvant être relié à divers types de réseaux de données fixes – IP (Internet Protocol), X.25 - ou encore à d'autres réseaux GPRS, exploités par d'autres opérateurs

De nouveaux éléments de réseau doivent donc être ajoutés au GSM pour offrir le GPRS. Ces éléments sont le SGSN (Serving GPRS Support Node) et le GGSN (Gateway GPRS Support Node), Ce sont des routeurs paquet dotés de fonctionnalités dédiées à la gestion d'un réseau mobile.

Fonctionnement du GPRS SGSN et GGSN Sonatel Mobiles

Fonctionnement du GPRS Principales interfaces Sonatel Mobiles

SGSN (Serving GPRS Support Node) Le SGSN est du côté sous-système radio Le SGSN est un routeur responsable de l’acheminement des paquets de données entre le réseau fixe GGSN et le mobile MS Fonctions:  Authentification, chiffrement des données transférées  Gestion de la mobilité des utilisateurs dans le contexte GPRS

GGSN (Gateway GPRS Support Node Le GGSN est du côté réseau de données public Passerelle vers un réseau paquet (IP, X25) ou autre réseau GPRS Routage des données issues d’un réseau (IP, X25) ou GPRS vers le SGSN du mobile destinataire Entre SGSN et GGSN, les données utilisateur sont simplement encapsulées par le protocole GTP (GPRS Tunnelling Protocol). Le réseau de transport est un simple réseau IP

Qu’est ce que GPRS classes de MS Les classes de MS définies sont au nombre de trois : classe A : trafics GPRS et GSM simultanés, classe B : rattachement simultané au GPRS et au GSM, mais pas de trafic simultané, une MS peut être recherchée pour un appel GSM pendant qu'elle réalise un transfert GPRS, classe C : rattachement soit au GPRS soit au GSM. Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS classes de MS Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS intérêt de GPRS Allocation de ressources radio selon le besoin – partage de la ressource radio entre les utilisateurs – débits élevés (max= 160 Kb/s) par allocation de plusieurs canaux pour une MS – bas débits grâce au partage d’un canal par plusieurs MS Utilisation optimale de la ressource radio – Allocation dynamique de ressources: utilisation de la ressource radio seulement quand des données sont échangées – Canaux montants et descendants réservés séparément – définition de priorités (voir QoS) Facturation au volume des données échangées et non à la durée Architecture BSS reprise du GSM Une MS peut échanger des données par GPRS en parallèle avec une communication GSM classique (selon la classe de la MS) Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS intérêt de GPRS Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS intérêt de GPRS Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS commutation de circuits sur l’interface radio Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS commutation par paquets sur l’interface radio Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS applications Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS nouvelles applications Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS profil de QoS Sonatel Mobiles

Qu’est ce que GPRS GPRS comparé à d’autres technologies Sonatel Mobiles

GENERAL PACKET RADIO SERVICE CANAUX LOGIQUES

Canaux logiques PDTCH (Packet Data Transfert CHannel)  TCH (GSM-circuit) Canal servant à transporter des blocs de données utilisateurs PACCH (Packet AssociatedControl CHannel)  SACCH Canal de contrôle qui transporte les acquitements, le contrôle de puissance PTCCH (Packet Timing Control CHannel) Canal qui transporte les valeurs d’avance en temps pour un groupe de mobiles

Canaux logiques PBCCH (Packet Broadcast Control CHannel) Canal de diffusion utilisé pour transmettre des informations systèmes PPCH (Packet Paging Access CHannel) Canal d’appel en diffusion PRACH (Packet Random Access CHannel) Canal utilisé pour l’accès aléatoire d’un mobile PAGCH (Packet Access Grant CHannel) Canal de transmission de messages d ’allocation de ressources de signalisation

Configuration des canaux TCH/PDCH dans une cellule GSM/GPRS Type de configuration des canaux: Configuration statique Canaux PDCH fixe (ex 4 TS) Canaux SDCCH (ex 2 TS) 1 canal BCCH Canaux TCH (le reste) Avantage: pas d’interaction entre le service Data PS et le service Circuit CS. Inconvénient: problème d’efficacité d’exploitation de ressources en cas de congestion de l’un des deux services TRX1 TRX2 TRX3 TRX4 TCH SDCCH PDCH BCCH

Configuration des canaux TCH/PDCH dans une cellule GSM/GPRS Type de configuration des canaux (suite): Configuration dynamique: Tous les canaux sont configurés en mode dynamique PS/CS avec priorité au mode CS Avantage: meilleure exploitation des ressources en cas où les heures chargées des deux services sont différentes. Inconvénient : le service PS sera pénalisé en cas de coïncidence de l’heure chargée du PS et de CS TRX1 TRX2 TRX3 TRX4 BCCH TCH/ PDCH SDCCH

Configuration des canaux TCH/PDCH dans une cellule GSM/GPRS Type de configuration des canaux (suite): Configuration hybride Configuration statique d’un nombre minimum de TS GPRS Configuration dynamique d’un nombre de TS PS/CS par priorité au CS Configuration statique du reste des TS CS TRX1 TRX2 TRX3 TRX4 BCCH TCH SDCCH PDCH TCH/PDCH

Interférence et spatialisation de débit dans la même cellule on a pas le même CIR  variation spatiale de débit dans la cellule CS1 CS2 CS3 CS4

Interférence et spatialisation de débit dans un réseau non régulier les sources d’interférence ne sont pas forcement symétriques  les cellules ne présenteraient pas la même variation spatiale du CIR f1

Interférence et spatialisation de débit le débit GPRS/EDGE se présente sous la forme d’une distribution spatiale dans le réseau  Les zones fortement intéférées faible débit GPRS  La densification des zones « hot spot » (zone affaire, industrielles…) peut introduire une dégradation de la capacité de transmission GPRS

Spatialisation de la capacité canal_GPRS Ce débit est estimé à partir d’un plan de fréquence (GSM) donné Proche du centre des cellules où le CIR est amélioré, le débit GPRS est important  Proche de 20 Kbit/s Conclusion On parle alors de débit moyen par cellule Le débit de transmission de données dans une cellule est fortement lié au plan de fréquences : Mauvais plan de fréquences (GSM) faible débit GPRS / canal

Spatialisation de la capacité canal_GPRS Exemple : dans une cellule GPRS (Phase 2), le débit moyen est de 14 Kbit/s  proche du centre de la cellule le débit GPRS peut atteindre 20 kbit/s loin du centre de la cellule le débit GPRS peut être < 8 kbit/s

Intégration EDGE Sous système radio BSC: Mise à jour SW TRE (TRX EDGE 8PSK) BTS: Changement de TRX Redimensionnement des Abis Sous système réseau Mise à jour SW des SGSN et GGSN  Intégration à faible coût (par comparaison à l’UMTS)

Relation entre Nbre_PDCH et plan de fréquences Solution classiques : Configuration des canaux PDCH sur la fréquence BCCH Avantage : généralement la fréquence BCCH est moins interférée que les fréquences TCH Améliorer le débit_capacité_PDCH  maximiser l’utilisation des codages CS3 et CS4  augmenter la bande spectrale réservé au fréquences BCCH !

Stratégie de gestion de la bande spectrale dans un réseau GSM/GPRS Spectre alloué à l’opérateur BCCH TCH Arrangement du spectre fréquentiel (configuration classique) BCCH+GPRS TCH Lorsque les canaux PDCH sont configurés sur les fréquences BCCH, pour favoriser l’utilisation des CS à débit élevé (CS3 et CS4) , l’opérateur doit augmenter la sous bande spectrale réservée aux fréquences BCCH  La qualité des canaux de trafic sera pénalisée (éventuellement augmentation de Call Drop Rate).

Stratégie de gestion de la bande spectrale dans un réseau GSM/GPRS Nouvelle approche : Configuration des canaux PDCH sur des fréquences de trafic (non pas sur les fréquences BCCH) Les fréquences sources d’interférences devraient être configurer comme des fréquences TCH (ne comportent pas des canaux PDCH) Activation de la DTX et le PC sur toutes les fréquences TCH

Transition GPRS - UMTS GPRS permet des débits théoriques de 170 kbits/s difficilement atteint Dans la pratique les débits ne dépassent pas 48 kbits/s Connexion multimédia nécessite une bande passante plus élevée Nécessité de concevoir un système mobile permettant de disposer de débits plus intéressants permettant d ’offrir à tout point de vu les mêmes services que le réseau fixe Solution envisagée UMTS

EN RESUME GPRS Evolution du GSM GPRS permet la Communication voix et le transfert de données Commutation de paquets  commutation circuit (GSM) Débits théoriques jusqu’à 170kbits/s Connexion réseau IP, X25 Mobilité (accès par voie radio) Facturation au volume de données transférées et non au temps de connexion

PDP context et Qos Activation d’un contxet PDP négociation de Qos entre les mobile et le GGSN Précédence (Precedence class) : La priorité de service Fiabilité (Reliability class) Les délais tolérés (Delay class) Le débit moyen (Mean throughput class) Le débit pic (Peak throughput class)  Les stratégies d’allocation des ressources ne sont pas normalisées (tâches opérateurs)

Acheminement de données vers un abonné GPRS Réseau fédérateur GPRS nominal de l’abonné BSC IP TCP UDP GTP IP décapsulation Encapsulation Ad.SGSN En-tête IMSI, NSAPI Ad IPMS Données SGSN Tunnel GGSN Ad IPMS Données Réseau de données IP

Classes de services GPRS Précédence (Precedence) 3 Classes de priorité: Haute Normale Basse En cas de congestion du réseau les services ayant la classe basse seront interrompus les premiers

Merci