Ewolucja systemu GSM. Szybka transmisja danych z komutacją łączy ( HSCSD) Transmisja pakietowa w łączu radiowym - GPRS Standard EDGE

Transkrypt

1 Ewolucja systemu GSM Szybka transmisja danych z komutacją łączy ( HSCSD) Transmisja pakietowa w łączu radiowym - GPRS Standard EDGE Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 1

2 Ewolucja systemu GSM Przepływność [Mbit/s] 100 LTE 10 UMTS (HSPA) 1 UMTS GSM HSCSD GPRS EDGE Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 2

3 Szybka transmisja danych z komutacją łączy ( HSCSD) HSCSD -High SpeedCircuitSwitchedData Idea HSCSD przydział kilku kanałów transmisyjnych (szczelin czasowych) dla jednego abonenta. Przydział może być symetryczny lub niesymetryczny. Teoretyczna przepływność -do kbit/s (8x14.4 kbit/s), w rzeczywistości ograniczona do 64 kbit/s Rodzaje transmisji danych: przezroczysta nieprzezroczysta (RLP) Wdrożenie wymaga stosunkowo małych zmian w istniejącej sieci. N kanałów transmisyjnych BSC MSC Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 3

4 Założenia systemu GPRS GPRS - General Packet Radio Service Podstawowe założenia: transmisja pakietowa w łączu radiowym zasoby sieci są współużytkowane przez wiele stacji ruchomych, szybki dostęp do sieci (abonent on-line) możliwość transmisji wieloszczelinowej, struktura interfejsu odziedziczona po GSM (nowe kodowanie), koegzystencja z usługami transmisji z komutacją kanałów, szybsza transmisja danych i SMS, opłaty za połączenia uzależnione od ilości przesłanych danych. Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 4

5 Architektura GPRS BSC MSC/VLR GMSC sieci zewnętrzne (PSTN, ISDN) PCU Gb SGSN (Serving GPRS Support Node) GGSN (Gateway GPRS Support Node) BG (Border Gateway) CG (Charging Gateway) DNS(Domain Name Systems) PCU (Packet Control Unit) GRX (GPRS Roaming exchange) Gd SGSN sieć pakietowa Gr HLR EIR Gf Gn GGSN Gi SGSN pakietowe sieci zewnętrzne: Internet,... GRX Gp BG DNS Ga CG systemy naliczania opłat Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 5

6 GPRS podstawowe funkcje urządzeń sieciowych SGSN (Serving GPRS Support Node) sterowanie ruchem pakietów zabezpieczenia (szyfrowanie, autoryzacja) funkcje związane z ruchomością abonenta (rejestracja, przenoszenie połączeń) generacja informacji taryfikacyjnych przekazywanie SMS GGSN (Gateway GPRS Support Node) sterowanie ruchem pakietów zabezpieczenia (firewall) łączność z sieciami zewnętrznymi funkcje związane z ruchomością abonenta (packet tunelling) generacja informacji taryfikacyjnych przypisywanie adresów IP PCU - sterowanie ruchem pakietów w podsystemie stacji bazowych BG - kontakt z innymi systemami GPRS CG - kontakt z systemami naliczania opłat DNS- konwersja adresów internetowych Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 6

7 GPRS struktura sieci dostępowej LA10 LA11 LA20 LA12 LA21 LA22 RA3 RA1 RA Routing Area RA należy do tylko jednego LA RA jest obsługiwany przez jeden SGSN RA2 Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 7

8 GPRS realizacja połączeń włączenie stacji przyłączenie do sieci (GPRS attach) w SGSN tworzone są pola przechowujące dane związane ze stacją ruchomą (MM context) aktywacja kontekstu PDP transmisja danych użytkownika transmisja danych użytkownika w SGSN i GGSN tworzone są dodatkowe struktury danych tzw. Konteksty PDP (PDP contexts) dezaktywacja kontekstu PDP odłączenie od sieci (GPRS detach) wyłączenie stacji Usunięcie kontekstu PDP Usunięcie kontekstu MM Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 8

9 Lokalizacja struktur danych Kontekst MM Kontekst MM Konteksty PDP Konteksty PDP Konteksty PDP SGSN GGSN Kontekst MM zawiera dane opisujące lokalizację stacji ruchomej i dotyczące realizacji usług w sieci GPRS. Kontekst PDP zawiera dane dotyczące konkretnej transmisji (np. profil QoS). Stacja ruchoma może mieć aktywowanych kilka kontekstów PDP. Kontekst PDP może być aktywowany (przez stację ruchomą lub sieć), modyfikowany lub dezaktywowany. Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 9

10 Procedura dołączenia do sieci (GPRS attach) Procedura jest realizowana z inicjatywy stacji ruchomej MS Żądanie dołączenia do sieci Żądanie identyfikacji SGSN new Żądanie identyfikacji SGSN old HLR Uwierzytelnianie Uwierzytelnianie Aktualizacja informacji lokalizacyjnych Skasowanie informacji Przesłanie danych użytkownika Potwierdzenie dołączenia Potwierdzenie aktualizacji inf. lokal. Potwierdzenie Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 10

11 Aktywacja kontekstu PDP Żądanie aktywacji kontekstu PDP MS Uruchomienie zabezpieczeń BSS Potwierdzenie aktywacji kontekstu PDP SGSN Żądanie utworzenia kontekstu. Potwierdzenie utworzenia GGSN Informacja przesyłana do sieci: typ PDP (PacketData Protocol) -IP, X.25 adres PDP (statyczny, dynamiczny), APN (Access Point Name), QoS(Quality of Service), NSAPI(Network layer Service Access Point Identifier). W trakcie procedury sieć dokonuje weryfikacji żądania przydziału zasobów dla stacji ruchomej. Potwierdzenie aktywacji może zawierać propozycję zmodyfikowanych parametrów transmisji. Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 11

12 Stany stacji ruchomej GPRS GPRS IDDLE wybór sieci, wybór i zmiana komórki brak moŝliwości realizacji transmisji danych brak moŝliwości przywołania GPRS IDLE nie jest znana informacja o połoŝeniu stacji stan rozłączenia GPRS IDLE GPRS detach GPRS attach stan aktywny GPRS READY GPRS READY wybór i zmiana komórki moŝliwa transmisja danych aktualizacja informacji o połoŝeniu po zmianie komórki GPRS READY znana jest komórka w której przebywa stacja ruchoma transmisja informacji timer lub polecenie uŝytkownika stan gotowości GPRS STANDBY GPRS STANDBY wybór i zmiana komórki brak moŝliwości realizacji transmisji danych moŝliwy odbiór informacji sygnalizacyjnych w tym przywoławczych aktualizacja informacji o połoŝeniu po zmianie RA GPRS STANDBY znany jest obszar rutowania (RA), w którym przebywa stacja Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 12

13 GPRS protokóły sygnalizacyjne Application GMM/ SM/ SMS IP SNDCP SNDCP GMM SM SMS Relay GTP-U GTP-C IP GTP-U GTP-C LLC Relay LLC UDP UDP RLC RLC BSSGP BSSGP IP IP MAC MAC Network Service Network Service L2 L2 GSM-RF GSM-RF L1bis L1bis L1 L1 Um Gb Gn Gi MS BSS SGSN GGSN Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 13

14 GPRS transmisja z sieci zewnętrznej do stacji ruchomej TEID > kontekst PDP > TLLI, NSAPI, QoS, komórka adres IP > kontekst PDP > TEID i SGSN SGSN pakiet IP (adresy nadawcy i odbiorcy, dane) PDN GGSN pakiet GTP (adres IP SGSN, TEID, zawartość pakietu IP) protokół SNDCP (TLLI, NSAPI, pakiet IP) TEID NSAPI TLLI Tunnel Endpoint Identifier Network layer Service Access Point Identifier Temporary Logical Link Identity Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 14

15 GPRS transmisja od stacji ruchomej do sieci zewnętrznej protokół SNDCP (TLLI, NSAPI, pakiet IP) pakiet GTP (adres IP GGSN, TEID, zawartość pakietu IP) SGSN pakiet IP (adresy nadawcy i odbiorcy, dane) TLLI, NSAPI > kontekst PDP > TEID i GGSN GGSN pakiet IP TEID > kontekst PDP PDN Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 15

16 Interfejs radiowy GPRS Parametry radiowe interfejsu (częstotliwości, szerokość kanału, modulacja) takie same jak w GSM. Nowe schematy kodowania schemat przepływność kbit/s sprawność kodowania CS /2 CS ~2/3 CS ~3/4 CS C/I [db] CS1 GSM CS2 CS3 CS4 Przepływność zaleŝy od zastosowanego kodowania i liczby wykorzystanych szczelin czasowych. Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 16

17 Przydział zasobów dla GPRS w komórce Zasoby komórki są dzielone pomiędzy transmisję GPRS i transmisję z komutacją łączy Wyróżniane są dwa rodzaje konfiguracji zasobów: wykorzystanie zasobów sygnalizacyjnych wspólnie z GSM GSM BCH GSM GSM GSM GPRS dane GPRS dane GSM GSM rozdzielna alokacja zasobów sygnalizacyjnych GSM BCH GSM PBCH GSM GPRS dane GPRS dane GSM GSM Zasoby mogą być alokowane w sposób stały lub dynamicznie Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 17

18 GPRS -kanały logiczne kanał ruchowy Packet Data Traffic Channel (PDTCH) Packet Random Access Channel (PRACH) wspólne kanały sterujące Packet Paging Control Channel (PPCH) Packet Access Grant Channel (PAGCH) Packet Notification Channel (PNCH) dedykowane kanały sterujące Packet Associated Control Channel (PACCH) Packet Timing advance Control Channel (PTCCH) kanał rozsiewczy Packet Broadcast Control Channel (PBCCH) Kanały logiczne są transmitowane w kanale fizycznym PDCH. Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 18

19 Funkcje poszczególnych kanałów logicznych PDTCH kanał czasowo przydzielany stacji ruchomej do transmisji danych użytkownika, kanały PDTCH są jednokierunkowe PRACH kanał wykorzystywany do transmisji żądań dostępu do zasobów (łącze w górę) PAGCH kanał wykorzystywany w fazie przydziału zasobów do transmisji pakietów, przesyłane sa w nim informacje o przydziale zasobów (łącze w dół) PPCH wykorzystywany do przywołania stacji ruchomej (łącze w dół) PNCH kanał służy do wysyłania potwierdzeń do grupy stacji GPRS pracujących w trybie PTM-M(Point to Multipoint- Multicast) (łącze w dół) PACCH kanał służy do transmisji sygnalizacji związanej z daną stacją (np potwierdzeń, komend regulacji mocy) PTCCH kanał wykorzystywany do transmisji informacji o wyprzedzeniu czasowym do grupy stacji ruchomych oraz pakietów dostępu do sieci (łącze w górę i dół) PBCCH transmisja informacji systemowych związanych z GPRS (łącze w dół) Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 19

20 GPRS przypisanie kanałów logicznych fizycznym Informacja jest transmitowana w blokach radiowych (radio blocks) Blok radiowy jest nadawany w czterech kolejnych pakietach (w szczelinie o określonym numerze w czterech kolejnych ramkach) PDCH/F 52 ramki TDMA B0 B1 B2 T B3 B4 B5 B6 B7 B8 T B9 B10 B11 Bn blok radiowy n T kanał PTCCH ramka pusta Poszczególnym kanałom logicznym są przydzielane bloki radiowe w kanale fizycznym. Opis przydziału jest transmitowany w kanale PBCCH/BCCH. Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 20

21 Transfer danych w łączu w górę - inicjalizacja Procedura jednoetapowa (onephase request) sieć przydziela żądany zestaw bloków lub jeden blok na uruchomienie drugiego etapu procedury (proc. dwuetapowa) MS RACH/PRACH: Packet channel request AGCH/PAGCH: Packet uplink assignment BSS RACH/PRACH: Packet channel request Procedura dwuetapowa (twophase request) żądanie przydziału zasobów może zawierać ich kompletny opis (m.inmetodę dostępu, poziom sygnału odbieranego, poziom zakłóceń w niewykorzystywanych szczelinach) MS AGCH/PAGCH: Packet uplink assignment PACCH: Packet resource request PACCH: Packet resource assignment BSS Metody alokacji zasobów dla stacji ruchomej: alokacja dynamiczna (dynamic allocation) alokacja statyczna (fixed allocation) alokacja wyłączna (exclusive allocation) Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 21

22 Dynamiczna alokacja bloków radiowych (łącze w górę) łącze w dół B0 PCCH B1 USF2/1 B2 USF2/1 T B3 USF1/4 B4 B5 B6 B7 USF3/1 B8 USF3/1 T B9 USF4/1 B10 USF4/1 B11 B0 B1 B2 MS2 T B3 MS2 B4 MS1 B5 MS1 B6 MS1 B7 MS1 B8 MS3 T B9 MS3 B10 MS4 B11 MS4 łącze w górę Stacji ruchomej przypisany jest wskaźnik USF (Uplink Status Flag) W przypisanym stacji kanale w łączu w dół w poszczególnych blokach nadawane są wskaźniki USF oraz informacja o liczbie przydzielonych kolejnych bloków Stacja ruchoma nadaje rozpoczynając od bloku o numerze o 1 większym Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 22

23 Statyczna alokacja bloków radiowych (łącze w górę) W przypadku statycznej alokacji zasobów stacja ruchoma w komunikacie przydziału zasobów otrzymuje: numery ramki i szczelin czasowych od których rozpocznie się transmisja (numer ramki jest określany względem ramki w której otrzymano przydział zasobów), bitmapę wskazującą na przydzielone stacji bloki numer ramki: 5 szczeliny czasowe: 2,4,5 bitmapa: B0 B1 B2 T B3 B4 B5 B6 B7 B8 T B9 B10 B B0 B1 B2 T B3 B4 B5 B6 B7 B8 T B9 B10 B11 B0 B1 B2 T B3 B4 B5 B6 B7 B8 T B9 B10 B Numer szczeliny Numer ramki Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 23

24 Transfer danych w łączu w górę Proces transferu danych jest sterowany z wykorzystaniem techniki ARQ RACH/PRACH: Packet channel request AGCH/PAGCH: Packet uplink assignment PDTCH: blok danych PDTCH: blok danych (ostatni) PACCH: Temporary packet ack/nack PDTCH: blok danych MS PDTCH: blok danych PDTCH: blok danych BSS PACCH: Packet resource reassignment PACCH: Packet resource reassignment ack PDTCH: blok danych PDTCH: blok danych (ostatni) PACCH: Packet downlink ack/nack Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 24

25 Transfer danych w łączu w dół Transfer danych jest inicjowany po przywołaniu stacji ruchomej (rys.) poprzez wysłanie komunikatu Packet downlink assignmentw kanale AGCH/PAGCH poprzez wysłanie komunikatu Packet downlink assignmentw kanale PACCH (wymaga to aktywnej transmisji w łączu w górę MS PPCH/PCH: Packet paging request RACH/PRACH: Packet channel request AGCH/PAGCH: Packet downlink assignment PDTCH: Data block PDTCH: Data block (polling) PACCH: Packet downlink ack/nack PDTCH: Data block PDTCH: Data block PDTCH: Data block PACCH: Packet downlink assignment PACCH: Packet control ack PDTCH: Data block PDTCH: Data block (final) BSS PACCH: Packet downlink ack/nack Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 25

26 Klasy stacji ruchomych GPRS Klasy stacji ruchomych klasa A-możliwość równoczesnej pracy w GSM i GPRS, klasa B-możliwość alternatywnej pracy w GSM lub GPRS i jednoczesnej rejestracji w obu wersjach sieci klasa C- możliwość alternatywnej pracy i rejestracji w sieciach Stacji przypisana jest również klasa związana z liczbą możliwych do wykorzystania szczelin czasowych (Multislot Class) (29 klas GSM 05.02). konfiguracja zależy od typu stacji: typ 1 brak możliwości jednoczesnego odbioru i nadawania (klasy 1-12) typ 2 możliwość jednoczesnego nadawania i odbioru (klasy 13-29) przykładowe klasy: 2 2szczeliny Rx, 1 szczelina Tx, łączna liczba szczelin użytych szczeliny Rx, 1 szczelina Tx, łączna liczba szczelin użytych szczeliny Rx, 4 szczeliny Tx, łączna liczba szczelin użytych 5 Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 26

27 Ograniczenia prędkości transmisji w GPRS Maksymalna szybkość transmisji 8 szczelin x 21.4 (CS-4) = kbit/s Ograniczenia prędkości wynikają: z kanałów o przepływności 16 kbit/s (magistrala Abis), zasobów udostępnionych przez operatora, liczby użytkowników, właściwości stacji ruchomych (liczba obsługiwanych szczelin). Abis N kanałów BSC SGSN N x 16 kbit/s Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 27

28 GPRS - podsumowanie Zalety lepsze wykorzystanie zasobów sieci, łatwiejszy dostęp do sieci pakietowych, szybszy dostęp do usługi (abonent on-line), korzystniejszy dla abonenta system opłat, szybsza transmisja SMS Wady konieczność istotnych kosztownych modyfikacji w sieci, brak możliwości realizacji połączeń do stacji ruchomej, bardziej złożony system naliczania opłat. Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 28

29 Standard EDGE EDGE -Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution Cechy łącza radiowego oferowanego przez EDGE: nowa modulacja, nowe schematy kodowania, algorytmy sterujące transmisją, algorytm adaptacji łącza (link adaptation), algorytm wzrastającej nadmiarowości (incremental redundancy). EDGE pozwala na uzyskanie teoretycznej szybkości transmisji kbit/s. EDGE zachowuje istniejącą strukturę kanałów systemu GSM. Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 29

30 EDGE - modulacja 8 PSK 010 (π/2) 000 (3π/4) 011 (π/4) 001 (π) 111 (2π) 3π/8 offset 8 PSK (5π/8) (3π/8) 101 (5π/4) 100 (6π/4) 110 (7π/4) (7π/8) (17π/8) (9π/8) (15π/8) (11π/8) (13π/8) Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 30

31 Kodowanie w EDGE EGPRS schemat przepływność kbit/s sprawność kodowania MCS MCS MCS / MCS MCS MCS / MCS MCS MCS GMSK 8PSK ECSD schemat przepływność kbit/s sprawność kodowania TCH/F TCH/F TCH/F TCH/F E-TCH/F E-TCH/F E-TCH/F Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 31

32 Adaptacja łącza (1) Idea adaptacji dobór modulacji i kodowania do warunków transmisyjnych w kanale radiowym źródło:buon Koing Lau, Application of Adaptive Antennas in Third Generation Mobile Communications Systems, PhD thesis Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 32

33 Adaptacja łącza (2) Dane transmitowane są w blokach (radio block), w skład których w zależności od kodowania wchodzi 1, 2 lub 4 jednostki. Dobór kodu odbywa się na podstawie wartości C/I Zmiana kodu następuje na kod należący do tej samej rodziny (A, B,C) A A padding B MCS MCS-6 MCS-9 MCS MCS MCS-8 MCS MCS-5 MCS-7 C MCS-1 22 MCS-4 22 Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 33

34 Kodowanie w EGPRS (MCS-8) 3 bits 45 bits 564 bits 564 bits USF RLC/MAC Hdr. HCS E FBI Data = 544 bits BCS TB E FBI Data = 544 bits BCS TB Rate 1/3 convolutional coding Rate 1/3 convolutional coding 36 bits 135 bits 1692 bits 1692 bits puncturing puncturing puncturing SB = 8 36 bits 124 bits 612 bits 612 bits 612 bits 612 bits 612 bits 612 bits P1 P2 P3 P1 P2 P bits Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 34

35 Algorytm wzrastającej nadmiarowości (1) transmisja P1 błąd Dekodowanie (P1) Procedura działa według schematu Type-II hybrid ARQ (Automatic Repeat Request) blok danych (MCS-8) transmisja P2 OK transmisja P1 błąd Dekodowanie (P1, P2) Dekodowanie (P1) W przypadku wystąpienia błędu transmisji nadajnik wysyła dodatkowe informacje pozwalające na zdekodowanie poprzednio wysłanych danych. Błędne ramki nie są kasowane lecz biorą udział w procesie dekodowania. blok danych (MCS-8) transmisja P2 błąd Dekodowanie (P1, P2) przekazanie bloku do protokółów wyŝszej warstwy transmisja P3 OK Dekodowanie (P1, P2, P3) Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 35

36 Algorytm wzrastającej nadmiarowości (2) źródło:buon Koing Lau, Application of Adaptive Antennas in Third Generation Mobile Communications Systems, PhD thesis Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 36

37 EDGE - przepływność w funkcji odległości Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 37

38 Podsumowanie EDGE oferuje znaczny wzrost prędkości transmisji danych. Możliwość wykorzystania istniejącej w GSM struktury kanałów radiowych. Wprowadzenie EDGE wymaga znacznych zmian w terminalach i w sieci stałej. Inwestycja w EDGE jest perspektywiczna -interfejs radiowy EDGE może być wykorzystany w systemie 3G sieć dostępowa GERAN. Tendencje rozwojowe EDGE terminale dwuantenowe wykorzystanie wielu nośnych (multicarrier EDGE) zmniejszenie opóźnień w łączu radiowym modulacje wyższych rzędów 16QAM i 32QAM turbokodowanie Cyfrowe systemy komórkowe Ewolucja systemu GSM 38