Aumente os seus conhecimentos sobre atecnologia GPRS.Saiba mais sobre o GPRS:

• redes• protocolos• interface aérea• métodos de transferência

de pacotes de dados

AgilentConheça o General PacketRadio Service (GPRS)Nota de Aplicação 1377

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Página

Necessidades da comunicação de dados .................................................................................... 4

A rede GPRS .................................................................................................................................. 5

Camadas de protocolo do GPRS ................................................................................................. 10

Identidades do GPRS ................................................................................................................... 14

Interface aérea GPRS.................................................................................................................. 16

Operações de transferência de pacotes de dados .................................................................... 24

Índice

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Em resposta à demanda dos clientes pelo acesso wireless à Internet - ecomo um degrau às redes 3G - muitas operadoras GSM estãoimplementando o General Packet Radio Service (GPRS). Esta tecnologiaaumenta as taxas de dados das redes GSM existentes, permitindo otransporte de dados por pacotes. Os novos aparelhos telefônicos GPRSserão capazes de transferir dados a taxas muito mais altas que os9,6 ou 14,4 kbps disponíveis atualmente aos usuários de telefonesmóveis. Em circunstâncias ideais, o GPRS pode operar a taxas de até171,2 kbps, ultrapassando as taxas de acesso do ISDN. Entretanto, umataxa de dados mais realista para as primeiras implementações de redeprovavelmente estará em torno de 40 kbps, com o uso de um timeslotpara o uplink e três para o downlink.

Diferentemente da tecnologia 2G de comutação de circuitos, o GPRS éum serviço “sempre ativo”. Ele permitirá que as operadoras GPRSforneçam acesso à Internet em alta velocidade a um custo razoável,tarifando os usuários dos telefones móveis pela quantidade de dadosque eles transferem, e não pelo tempo em que ficam conectados àrede.

Este trabalho mostra em detalhes os novos protocolos, procedimentos eoutras mudanças tecnológicas que o GPRS trará às redes GSM.

Introdução

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Seção 1: Necessidades da comunicação de dados

Antes de examinar a tecnologia GPRS em detalhes, vamos relembraralguns termos básicos da comunicação de dados.

As aplicações de comunicação de dados geralmente são divididas emduas categorias:

• As aplicações em tempo real envolvem pequenas transações dedados como o envio ou recebimento de um e-mail rápido, executaruma transação financeira, receber notícias ou resultados esportivospela web ou bater um papo on-line.

• As aplicações de acesso de dados são de maior volume, eenvolvem o envio e recepção de quantidades maiores de dados.Alguns exemplos são o download de páginas web e arquivos daInternet ou a transferência de arquivos grandes a outros usuários.

Há duas técnicas para o transporte de dados pelas redes decomunicações:

A comutação de circuitos é um modo no qual uma conexão (oucircuito) é estabelecida do ponto de origem da transferência de dadosao destino. Recursos da rede são dedicados por toda a duração dachamada, até que o usuário interrompa a conexão. Usando estesrecursos, os dados podem ser transmitidos ou recebidos continuamenteou em bursts, dependendo da aplicação. Como os recursos permanecemdedicados durante toda a chamada de dados, o número de assinantesque a rede pode atender é limitado.

A comutação de pacotes é um modo no qual os recursos somentesão atribuídos a um usuário quando for necessário enviar ou receberdados. Os dados são enviados em pacotes, que são roteados pela redejuntamente com o tráfego de outros usuários. Esta técnica permite quevários usuários compartilhem os mesmos recursos, aumentando assim acapacidade da rede e permitindo uma gerência razoavelmente eficientedos recursos. Entretanto, esta técnica impõe algumas limitações comrelação ao throughput de dados.

A experiência mostra que as aplicações de comunicação de dados nãorequerem a transferência contínua dos dados. Os usuários podemprecisar ficar conectados a uma rede de comunicação de dados (comouma LAN, WAN, a Internet, ou uma intranet corporativa), mas isto nãosignifica que eles estarão enviando e recebendo dados o tempo todo.Além disso, as necessidades de transferência de dados geralmente nãosão simétricas. Na maior parte dos casos, os usuários enviammensagens curtas, mas recebem downloads grandes. Em um dadomomento qualquer, a maior parte da transferência de dados é feita emuma direção.

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Seção 2: A rede GPRS

O General Packet Radio Service (GPRS) oferece aos assinantes do GSMo acesso a aplicações de comunicações de dados como e-mail, redescorporativas e a Internet por seus telefones móveis. O serviço GPRS usaa rede GSM existente, incluindo novos equipamentos de rede decomutação de pacotes. Veja a figura 1.

As redes GSM existentes usam a tecnologia de comutação de circuitospara transferir informações (voz ou dados) entre usuários. Entretanto, oGPRS usa a comutação de pacotes, o que significa que não há circuitosdedicados atribuídos aos telefones móveis GPRS. Um canal físico éestabelecido dinamicamente, somente enquanto os dados estiveremsendo transferidos. Assim que os dados tiverem sido enviados, orecurso (um timeslot na interface aérea) pode ser realocado a outrosusuários, para tornar mais eficiente o uso da rede.

Quando os dados comutados por pacotes deixam a rede GPRS/GSM,eles são transferidos a redes TCP-IP como a Internet ou X.25. Assim, oGPRS inclui novos procedimentos de transmissão e sinalização, assimcomo novos protocolos para a interoperação com o mundo IP e outrasredes de pacotes padrão.

Os telefones móveis atuais não funcionarão com a tecnologia GPRS, edesta forma a indústria está trabalhando em uma nova geração deunidades móveis que podem operar com o GSM e a comunicação porcomutação de pacotes. No futuro, os telefones GPRS poderão serintegrados a dispositivos como computadores laptop ou assistentespessoais digitais. O GPRS também pode dar suporte ao serviço demensagens curtas (SMS).

Para operar com taxas de dados altas, o GPRS emprega novosesquemas de codificação de erro e múltiplos timeslots nas interfacesaéreas, de forma similar ao HSCSD (dados de comutação de circuitosem alta velocidade). Teoricamente, podemos ter uma taxa de dadosmáxima de 171,2 kbps, usando oito timeslots. Entretanto, hoje istoparece improvável, devido a desafios no projeto de telefones móveis eà qualidade inadequada das interfaces aéreas.

Como a comunicação por comutação de pacotes permite a atribuiçãonão contínua de recursos a um usuário, a tarifação GPRS não serábaseada no tempo da conexão, e sim na utilização de recursos.

Figura 1. Arquitetura da rede GPRS

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A arquitetura da rede GPRSA tecnologia GPRS traz muitas mudanças à rede GSM existente. Amaior parte destas mudanças refere-se à inclusão de novos blocos, enão à modificação dos recursos existentes. Uma visão simplificadadesta nova rede híbrida mostra os elementos introduzidos pelo GPRS.

O gateway GPRS support node (GGSN) é similar à central decomutação e controle gateway (GMSC) do GSM e coloca um gatewayentre a rede GPRS e a rede pública de dados em pacotes (PDN) ououtras redes GPRS.

O GGSN fornece funções de gerência de autenticação e localização,conecta-se ao registro de localização de unidade móvel local (HLR) pormeio da interface Gc e conta o número de pacotes transmitidos, paratarifar corretamente o assinante.

O serving GPRS support node (SGSN), como a central de comutaçãoe controle GSM e o registro de localização de visitante (MSC/VLR),controla a conexão entre a rede e a estação móvel (MS). O SGSNfornece a gerência da sessão e funções de gerência de mobilidadeGPRS, como handovers e paging, sendo conectado ao HLR pelainterface Gr e à MSC/VLR pela interface Gs. Além disso, também contao número de pacotes roteados.

Entre as funções da unidade de controle de pacotes (PCU) estão aconversão dos dados em pacotes em um formato que possa sertransferido pela interface aérea, a gerência dos recursos de rádio e aimplementação das medições de qualidade de serviço (QoS).

Os enlaces de sinalização entre os nós GPRS e os blocos GSM serãointerfaces SS7 MAP. A sinalização entre os nós GPRS é definida pelasespecificações GPRS. Entre as novas interfaces físicas estão a interfaceGb, que conecta o SGSN à PCU e que normalmente localizada nosubsistema da estação radiobase (BSS); a interface Gn, que conecta oGGSN e o SGSN; e as interfaces Gc, Gr e Gs, que transportamprotocolos baseados na SS7.

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Estados de operação dos telefones móveisGPRSOs telefones móveis passam por diferentes estados de comunicação.Por exemplo, quando estiver em camp-on em uma rede, um telefoneGSM entra em estado ocioso, que usa muito poucos recursos da rede.Quando o usuário faz uma solicitação de chamada ou recebe umachamada, entretanto, o telefone entra no estado dedicado, no qual temrecursos atribuídos continuamente até que a conexão seja encerrada.

Os telefones móveis GPRS também terão estados definidos, descritosabaixo.

GPRS ocioso (idle) é o estado no qual o telefone móvel está emcamp-on na rede GSM. O telefone recebe paging por comutação decircuito e atua como um telefone GSM. Embora não esteja interagindocom a rede GPRS neste estado, ele ainda possui as funções GPRS.

GPRS pronto (ready) é o estado atingido quando a unidade móvelGPRS conecta-se à rede. Neste estado, o telefone móvel pode ativarum contexto de protocolo de dados em pacotes (PDP), que permite queo telefone estabeleça uma sessão de transferência de pacotes comredes de dados externas para transmitir e receber pacotes de dados.Quando o contexto de PDP é ativado, os blocos de recursos sãoatribuídos à sessão até que a transferência de dados cesse por umperíodo específico e o telefone móvel passe para o estado standby.

GPRS standby é um estado no qual a unidade móvel está conectada àrede GPRS, mas não há transmissão de dados. Se chegar um pacote dedados para a unidade móvel, a rede fará um paging à procura daunidade móvel, que por sua vez ativará a sessão de contexto de PDPpara trazer a unidade móvel de volta ao estado “pronto”.

Classes de unidades móveis GPRS/GSMA ETSI define três classes diferentes de unidades móveis para a redehíbrida GPRS/GSM:

Classe A (GSM/GPRS)As unidades móveis da Classe A podem ser conectadas às redes GPRS eGSM simultaneamente. Elas podem receber chamadas de voz/dados/SMS do GSM e chamadas de dados do GPRS. Para que isto aconteça,estas unidades móveis devem monitorar as chamadas de entrada nasredes GSM e GPRS. As unidades móveis da Classe A podem tambémfazer e receber chamadas GPRS e GSM simultaneamente. Entre osrequisitos de operação desta classe está a existência de um receptoradicional no telefone móvel para as medições das células vizinhas.

Classe B (GSM/GPRS)Esta classe é similar à classe A, exceto pelo fato dos telefones móveisda Classe B não operarem com tráfego simultâneo. Se uma chamadaGPRS estiver ON, o telefone não poderá receber chamadas GSM evice-versa.

Classe C (GSM ou GPRS)Esta classe de telefones móveis terá as funções GSM e GPRS, massomente poderão se conectar a uma rede por vez. Assim, se o telefoneestiver conectado à rede GPRS, ele terá de ser desconectado da redeGSM, não podendo fazer ou receber chamadas GSM. Da mesma forma,se estiver conectado à rede GSM, não poderá fazer ou receberchamadas GPRS.

Atualmente, a maior parte dos fabricantes está montando telefonesClasse B.

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Figura 2. Conexão ao GPRS

Procedimento de conexão (attach) ao GPRSA conexão ao GPRS é um processo da gerência de mobilidade do GPRS(GMM) que sempre é iniciado pelo telefone móvel. Dependendo dosvalores usados no telefone móvel, a conexão GPRS pode ser executadatodas as vezes que o telefone for ligado ou ser iniciada manualmentepelo usuário.

A solicitação de conexão ao GPRS é feita ao SGSN, em um processotransparente para o BSS. Em primeiro lugar, a unidade móvel informaao SGSN a sua identidade IMSI (identidade internacional de assinantemóvel) ou P-TMSI (identidade de assinante móvel de pacotestemporário). Em seguida, ela envia a identificação de sua área de

roteamento anterior (RAI), classmark, CKSN e tipo de conexãodesejada. Este último item indica ao SGSN se a unidade móveldesejafazer a conexão como um dispositivo GPRS, GSM ou ambos. OSGSN será conectado à unidade móvel e informará ao HLR se houveuma mudança na RAI. Se o tipo de conexão desejado for GPRS e GSM,o SGSN também atualizará a localização com o VLR, desde que hajauma interface Gs presente.

Observe que a conexão GPRS não permite que o telefone móveltransmita e receba dados. Para que isto ocorra, a unidade móvelprecisa ativar uma sessão de comunicação, usando o contexto de PDP.

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Figura 3. Ativação do contexto de PDP

Ativação do contexto de PDPUm contexto de PDP ativa uma sessão de comunicação de pacotes como SGSN. Durante o procedimento de ativação, o telefone móvel forneceum endereço IP estático ou solicita um endereço temporário à rede.Ele também especifica um nome de ponto de acesso (APN) com o qualquer se comunicar - por exemplo, um endereço Internet ou um provedorde serviço Internet. A unidade móvel solicita a qualidade de serviço(QoS) desejada e um identificador de ponto de acesso de serviço darede (NSAPI). Como uma unidade móvel pode estabelecer múltiplassessões de contexto de PDP para diferentes aplicações, o NSAPI éusado para identificar os pacotes de dados de uma aplicaçãoespecífica.

Após receber as informações da unidade móvel, o SGSN determina qualo GGSN que está conectado ao APN e redireciona a solicitação. O SGSNtambém fornece uma QoS negociada, com base nas informações daassinatura do usuário e na disponibilidade dos serviços.

Se o telefone móvel tiver um endereço IP estático, o GGSN seráconectado diretamente à unidade móvel no ponto de acesso desejado.Caso contrário, ele obterá um endereço IP temporário da APN. O GGSNtambém fornece alguns identificadores da transação para acomunicação de dados entre o GGSN e o SGSN.

Assim que o procedimento de comunicação e ativação no GGSN tiversido concluído corretamente, as informações apropriadas datransferência de dados serão enviadas à unidade móvel.

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Seção 3: Camadas de protocolo do GPRS

Figura 4. Plano de dados e sinalização do GPRS

O plano de transmissão de dados e sinalização do GPRS é formado porprotocolos padrão como o IP e alguns protocolos novos, específicos doGPRS.

A seguir, alguns protocolos de interface Gn:O GTP (GPRS tunneling protocol) recebe datagramas IP e pacotesX.25 de redes externas e faz a transferência destes pelos nós desuporte do GPRS. Como haverá diversas interfaces GGSN e SGSN, oGTP fornece a cada pacote um identificador de túnel (TID) que identificao destino e a transação aos quais o pacote/datagrama pertence.As transações são identificadas com o uso de identificadores lógicos,além do IMSI.

O TCP/UDP é formado pelo protocolo de controle de transmissão (TCP),usado para transferir PDUs (unidades de dados de protocolo) pelainterface Gn com confiabilidade (acknowledgement e retransmissões).O protocolo de datagramas do usuário (UDP) é usado pela interface Gnpara o transporte de GTP-PDUs de todas as informações e dados dousuário que não exijam confiabilidade.

O IP (Internet Protocol) é usado para rotear dados de usuário einformações de sinalização pela interface Gn. O tamanho do datagramaIP será limitado à camada física - recursos de unidade de transmissãomáxima (MTU). Um datagrama IP pode ser formada por até65.535 octetos, mas se a MTU da camada física for menor que isto,será necessário fazer uma fragmentação. O nó de suporte gatewayfonte (GGSN ou SGSN) precisa primeiro decidir o tamanho da MTU edepois executar a fragmentação. O endereçamento IP usado roteará osdados pela interface Gn, incluindo quaisquer GSNs intermediários (nósgateway de suporte) ao endereço GSN no destino final.

A seguir, alguns protocolos de interface Gb:O SNDCP (sub network dependent convergence protocol) éusado entre o SGSN e o telefone móvel. Este protocolo converte asPDUs da camada de rede (N-PDUs) na interface Gn a um formatoadequado à arquitetura da rede GPRS base. O SNDCP executa váriasfunções:

• Multiplexação de N-PDUs de uma ou várias entidades da camada derede em uma conexão LLC apropriada

• Colocação das N-PDUs em buffer para o serviço reconhecido

• Gerência de seqüência de entrega de cada NSAPI

• Compactação e descompactação das informações do protocolo e dosdados do usuário

• Segmentação e remontagem dos dados compactados até ocomprimento máximo da LLC-PDU

• Negociação dos parâmetros de controle (XID) entre as entidades doSDNCP.

O protocolo LLC (logical link control) oferece um enlace lógicocriptografado e altamente confiável entre o SGSN e o telefone móvel.O LLC usa os modos de transmissão de quadros com e semacknowledgement, dependendo da qualidade de serviço negociada dousuário. Este protocolo também gerencia a retransmissão de quadros,utilização do buffer e o comprimento da informação com base na classede atraso de QoS negociada.

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O BSSGP (base station system GPRS protocol) roteia informaçõesentre o SGSN e o BSS. Este protocolo transporta informações de QoS,sem transportar nenhuma outra forma de correção de erro. A suafunção básica é fornecer informações relacionadas ao rádio para o usopelas funções de RLC (radio link control) e MAC (medium access control)na interface aérea.

A camada LLC usa os serviços do BSSGP para a transferência de dados.A função de relay do BSS transfere quadros LLC entre a camadaRLC/MAC e a camada BSSGP. O BSSGP envia informações às camadasdos serviços de rede para determinar o destino da transferência:

• O BVCI (BSSGP virtual connection identifier) é enviado àscamadas dos serviços de rede para informação de dados esinalização de roteamento entre o devido par de entidadesfuncionais. Cada BVCL entre duas entidades iguais é único.

• O LSP (link selection parameter) é usado em conjunto com oBVCI para auxiliar a selecionar o enlace físico para o processo decompartilhamento de carga.

• O NSEI (network service entity identifier), usado no BSS e noSGSN, fornece as funções de gerência da rede necessárias para aoperação da interface Gb. O NSEI, juntamente com o BVCI, identificade forma exclusiva uma conexão virtual BSSGP.

A camada NS (network service) usa o frame relay pela interface Gbe pode ser uma conexão ponto-a-ponto entre o SGSN e o BSS ou umarede frame relay. A camada NS usa uma tabela look-up de DLCI(identificador de conexão de enlace de dados) para indicar o percursodo roteamento entre o SGSN e o BSS. O valor inicial do campo DLCI éobtido a partir do BVCI, NSEI e LSP fornecidos pela camada BSSGP.Este valor é alterado à medida que o quadro atravessa a rede framerelay, até atingir o seu destino final.

Os protocolos abaixo são da interface Um:O RLC (radio link control) é responsável por várias funções:

• Transferência de LLC-PDUs entre a camada LLC e a função MAC

• Segmentação de LLC-PDUs em blocos de dados RLC e a remontagemdos blocos de dados RLC para a inserção destes em blocos dequadros TDMA

• Segmentação e remontagem das mensagens de controle RLC/MACem blocos de controle RLC/MAC

• Correção de erro no sentido reverso para a transmissão seletiva dosblocos de dados RLC.

A função de segmentação de RLCs é um processo no qual uma ou maisLLC-PDUs são divididas em blocos RLC menores. O conjunto de LLC-PDUs é conhecido como fluxo de blocos temporário (TBF), no qual sãoalocados os recursos de um ou mais canais de dados em pacotes(PDCH). O TBF é temporário, mantido somente pela duração datransferência de dados. Cada TBF recebe da rede uma identidade defluxo temporário (TFI).

Os blocos de dados do RLC são formados por um cabeçalho de RLC,uma unidade de dados de RLC e bits sobressalentes. O bloco de dadosdo RLC, juntamente com um cabeçalho MAC, pode ser codificado com ouso de um a quatro esquemas de codificação definidos. O esquema decodificação é crítico para a decisão do processo de segmentação.

O MAC (medium access control) controla a sinalização de acesso nainterface aérea, incluindo a gerência dos recursos compartilhados datransmissão (designação do bloco de rádio a vários usuários em ummesmo timeslot). O MAC realiza estas funções colocando um cabeçalhona frente do cabeçalho do RLC, nos blocos de dados RLC/MAC e decontrole. O cabeçalho do MAC contém vários elementos, alguns dosquais são específicos da direção, sendo relativos ao downlink ou uplink.

Os principais parâmetros do cabeçalho do MAC são:

• Flag de status do uplink (USF), enviado em todos os blocos RLC/MACdo downlink, indica o proprietário ou o uso do próximo bloco de rádiodo uplink no mesmo timeslot.

• Período relativo de blocos reservados (RRBP), identifica umdeterminado bloco no uplink no qual o telefone móvel transmitiráinformações de controle.

• Tipo de payload (PT), o tipo de dados (bloco de controle ou bloco dedados) contido no restante do bloco RLC/MAC.

• Valor de contagem regressiva (CV), enviado pela unidade móvel parapermitir que a rede calcule o número de blocos de dados RLCrestantes no TBF atual do uplink.

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Figura 5. Transferência de pacotes de dados no GPRS

A N-PDU atravessa o GTP, que inclui um cabeçalho de GTP, quediferencia a N-PDU de uma mensagem GTP. Após o encapsulamento docabeçalho de GTP, a N-PDU passa para a camada de protocolo UDP/TCP.Esta camada insere o seu próprio cabeçalho - UDP ou TCP, com base naclasse de QoS - que contém os endereços das portas da fonte e destino,informações de roteamento e (no caso do TCP) controle de fluxo. (VejaB no diagrama.)

Agora a N-PDU é enviada à camada IP, que adiciona os endereços doGSN da fonte e do destino final (SGSN neste caso). Dependendo docomprimento da N-PDU e da unidade máxima de comprimento datransmissão (MTU), pode ser necessário fragmentar a PDU.

Finalmente, a N-PDU com todos os cabeçalhos incluídos é transportadapela camada física da interface Gn até o SGSN.

Transmissão das unidades de dados em pacotesApós termos definido as diferentes camadas de protocolo GPRS, agorapodemos ver como as unidades de dados em pacotes (PDUs) sãotransmitidas de uma extremidade da rede GPRS à outra. Vejamos oexemplo de um pacote destinado a um telefone móvel.

Um e-mail curto é enviado de um computador em seu escritório(mostrado no canto superior direito do diagrama acima) ao telefonemóvel GPRS de um amigo que está em um táxi (mostrado no cantoinferior direito). Os dados devem ir da Internet ao GGSN, depois aoSGSN, ao BSS e, finalmente, à MS (neste caso, o telefone móvelGPRS). A camada de aplicação (isto é, o e-mail proveniente docomputador) gera um datagrama IP e envia este datagrama pela redede comunicação de dados externa (IP ou X.25) ao GGSN. Quando odatagrama IP chega ao GGSN, ele passa a ser uma N-PDU (unidade dedados em pacote da rede), sendo enviada a um determinado endereçoIMSI ou IP. Observe que conforme os dados vão descendo pela pilha doprotocolo GGSN, cabeçalhos são incluídos a cada camada. Emboramuitos cabeçalhos sejam incluídos desta maneira, o diagrama mostraapenas alguns exemplos, para facilitar a visualização. Preste atençãoem particular às letras de referência no diagrama (A - E). Os cabeçalhossubseqüentes são indicados pela inclusão de camadas retangulares aosdados originais da aplicação. Por exemplo, no ponto A do diagrama, umcabeçalho IP é incluído aos dados da aplicação na camada IP/X.25 napassagem dos dados do PC à rede IP.

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Transmissão no SGSNNo SGSN, os cabeçalhos são removidos e a N-PDU é enviada aoSNDCP. Esta camada de protocolo fará a compactação (opcional) e asegmentação do pacote para atender aos requisitos de MTU de1520 octetos para a transmissão pela camada de serviços de rede(NS) do frame relay na interface Gb. Em seguida, o SDNCP primeiroclassificará a N-PDU como PDU SN-DATA orientada à conexão ou umaPDU SN-UNITDATA não relacionada a uma conexão. Finalmente, eleincluirá um cabeçalho SNDCP que contém informações de compressãoe segmentação e enviará a PDU à camada LLC abaixo. (Veja C nodiagrama da página 12.)

A função básica da camada LLC, como discutido anteriormente, éfornecer uma conexão lógica altamente confiável entre o SGSN e otelefone móvel. A camada LLC aqui atua como as camadas LAPD eLAPDM das interfaces Abis e Um do GSM. Esta camada encapsula aPDU SN-DATA ou SN-UNITDATA em um quadro LLC, que tem o seupróprio cabeçalho. O quadro LLC contém a SN-PDU que agora pode serdenominado como bloco LLC. O cabeçalho do LLC inclui informações decontrole (usadas na transferência de quadros no modo acknowledged),seqüência de verificação de quadros e os valores de SAPI. SAPI, nestecaso, refere-se ao serviço associado ao quadro LLC para esta seção PDP.Os serviços para este quadro podem ser a gerência de mobilidade (MM)ou dados do usuário dos níveis 1 a 5 (níveis dos parâmetros de QoScomo atraso, retransmissão e tamanho do buffer). Estes níveis deserviço são decididos no processo de negociação de QoS. (Veja D nodiagrama da página 12.)

A camada BSSGP sob a camada LLC agora fornece algumasinformações de roteamento à camada NS para rotear o bloco LLC pelacamada física do frame relay. O BSSGP também inclui um cabeçalho aobloco LLC, que contém algumas informações essenciais às camadasRLC/MAC da interface aérea com relação à transmissão dos blocos,incluindo parâmetros como a prioridade, TLLI (identificador de enlacelógico temporário), etc.

Transmissão no BSSOs dados são enviados pela conexão da camada física entre o SGSN e oBSS. Em seguida, o BSSGP no BSS envia todas estas informações aocontrole do enlace de rádio (RLC). O trabalho mais importante dacamada RLC é a segmentação dos blocos LLC em blocos RLC menores.

Um grupo de blocos de LLC que foram segmentados em blocos menoresé conhecido como um TBF (fluxo de blocos temporário). Cada TBFrecebe recursos alocados na interface aérea em um ou mais canais detráfego de dados em pacotes (PDTCH). Como mencionadoanteriormente, o TBF é temporário, sendo mantido somente peladuração da transferência dos dados. O TBF recebe uma TFI (identidadede fluxo temporário) e a camada RLC inclui um cabeçalho aos blocos dedados que contêm a TFI, número de seqüência do bloco do RLC,indicação de último bloco, TLLI e outras informações. O cabeçalho doRLC também tem informações de direção (downlink/uplink). (Veja E nodiagrama da página 12.)

Uma determinação que deve ser feita é o “tamanho” das informaçõescontidas nos blocos de dados do RLC (em outras palavras, o tamanhodos segmentos dos blocos LLC convertidos em blocos RLC). O tamanhodos segmentos do bloco de dados LLC dependerá do esquema decodificação usado na interface aérea. Há quatro esquemas decodificação definidos para o GPRS: CS1, CS2, CS3 e CS4, que contêmum máximo de 22, 32, 38 e 52 octetos de dados, respectivamente.A seleção do esquema de codificação depende da escolha entre othroughput desejado e a confiabilidade. Falaremos mais sobre estesesquemas de codificação mais tarde.

Transmissão pela interface aéreaApós a segmentação do RLC e as inserções de cabeçalho, os blocos doRLC são transmitidos pela interface aérea. É interessante observar quehá mais de uma camada antes da interface de rádio física - o MAC(medium access control). Esta camada controla a sinalização de acesso,incluindo a designação dos blocos do uplink e do downlink. Ela inclui oseu próprio cabeçalho, que é monitorado pelos telefones móveis.Discutiremos em uma seção posterior as operações de transferência dedados em pacotes.

Os dados são transmitidos pela interface aérea ao telefone móvel (MS)pela camada física (RF de GSM). Os dados sobem então pela pilha doprotocolo da MS, na qual os cabeçalhos são removidos um a um a cadacamada. Finalmente, a mensagem de e-mail original é recebida nacamada de aplicação pelo usuário móvel.

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Seção 4: Identidades do GPRS

Antes de aprofundar a discussão sobre as operações do GPRS e ainterface aérea, definiremos algumas identidades comuns associadasao GPRS.

IMSI (identidade internacional do assinante móvel), associadaao cartão SIM (módulo de identidade do assinante), é o mesmo para oserviço GPRS e GSM. Mesmo um SIM de uma assinatura somente GPRSterá uma IMSI.

P-TMSI (identidade do assinante móvel do serviço de pacotestemporário). Nós estamos acostumados com o conceito de TMSI noGSM, usada para manter a confidencialidade da IMSI. A TMSI éalocada à unidade móvel GSM pelo VLR em uma atualização delocalização e conexão (attach) GSM. Uma TMSI do serviço de pacotes ésimilar à TMSI, mas é atribuída pelo SGSN quando o telefone móvelexecuta uma conexão (attach) GPRS. A P-TMSI também é usada pelaunidade móvel para definir outra identidade, o TLLI.

TLLI (identificador de enlace lógico temporário)O TLLI é uma identidade usada (juntamente com a NSAPI, discutidaanteriormente) durante uma sessão de PDP para identificar o telefonemóvel nas interfaces Um e Gb. Enquanto que a NSAPI é usada na camadaSNDCP, a TLLI é usada na camada RLC/MAC na interface Um e na camadaBSSGP na interface Gb.

A TLLI pode ser obtida a partir de uma das seguintes quatro fontes:

• TLLI local, que é obtida usando a P-TMSI do SGSN. Esta é válidasomente na área de roteamento associada ao P-TMSI.

• TLLI exterior, que obtida a partir da P-TMSI alocada em uma área deroteamento diferente.

• TLLI aleatória, que é selecionada aleatoriamente pelo telefone móvele usada quando a unidade móvel não tiver uma P-TMSI válidadisponível ou quando a unidade móvel originar um acesso anônimo.

• TLLI auxiliar, selecionada pelo SGSN e usada pelo SGSN e unidademóvel para identificar de forma inequívoca uma MM (gerência demobilidade) de acesso anônimo e um contexto de PDP.

Figura 6. Identidades do GPRS

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TBF (fluxo de blocos temporário)A conexão física entre a MS e o BSS, criada durante o enlace datransferência de dados em pacotes, é denominada fluxo de blocostemporário (TBF). O trabalho mais importante da camada RLC é asegmentação. Como descrito anteriormente, a camada RLC pega um oumais blocos de LLC e segmenta-os em blocos RLC menores. Estesblocos LLC são conhecidos coletivamente como TBF (fluxo de blocostemporário). Assim, um TBF é uma conexão física usada pelas duasentidades de recursos de rádio para o suporte à transferênciaunidirecional das PDUs LLC nos canais físicos de dados em pacotes.Todos os quadros LLC que foram segmentados para uma NPDU (unidadede dados de pacotes da rede) formam um TBF no enlace lógico nainterface aérea. Cada TBF recebe recursos alocados na interface aérea,em um ou mais canais de tráfego de dados em pacotes (PDTCH). O TBFé temporário, sendo mantido somente enquanto durar a transferênciados dados. O TBF fica “aberto” durante a transferência de dados e“fechado” quando esta transferência for interrompida.

TFI (identificador de fluxo temporário)Cada TBF recebe uma TFI (identidade de fluxo temporário), que é alocadaa uma unidade móvel para a transferência de pacotes no uplink e nodownlink. Esta TFI é exclusiva para cada um dos TBFs de uma direção, e éusada no lugar da identidade da MS na camada RLC/MAC. O mesmovalor de TFI pode ser atribuído a TBFs concorrentes que estejam emdireções opostas. Uma mensagem de atribuição de recurso que contém aTFI precede a transferência de/para a MS dos quadros LLC quepertencem a um TBF. Para endereçar as entidades RLC de mesmo nível, amesma TFI é incluída em cada cabeçalho do RLC que pertença ao TBF,assim como na mensagem de controle associada à transferência doquadro LLC (por exemplo, acknowledgements). Como a TFI contém umcampo de cinco bits, podem ser usados valores de 0 a 31.

USF (flag de status do uplink)O USF, que é transmitido no cabeçalho do RLC/MAC do bloco RLC dodownlink, diz à unidade móvel quais recursos do uplink que serãousados. Vários usuários podem ser multiplexados em um mesmotimeslot, transmitindo somente quando o USF indica que é a sua vez.A unidade móvel monitora os USFs nos PDCHs alocados e transmite osblocos de rádio nos canais que trazem no momento o valor de USFreservado ao uso da MS.

RAI (identidade da área de roteamento)Um subconjunto de uma área de localização, a RAI é uma identidadeexclusiva, similar à LAI (identidade da área de localização). Quando aunidade móvel passa de uma área de roteamento a outra, ela executaatualizações de área de roteamento pelo SGSN. Um SGSN podecontrolar uma ou mais áreas de roteamento. Como um GGSN pode terenlaces a vários SGSNs, o SGSN em que a unidade móvel estiverresidindo no momento deve ser identificado para que os pacotespossam ser roteados corretamente. Por este motivo, a unidade móvelexecuta a atualização da área de roteamento quando entra em umaárea de roteamento nova. Se esta área pertencer a um SGSN diferente,uma RAI nova para a MS será enviada pelo HLR (registro de localizaçãode assinante móvel local) para a comunicação com o GGSN. Se houveruma sessão PDP ativa, também serão enviadas informações deatualização de PDP. A identidade da área de roteamento é formada peloMCC (código de país da unidade móvel), MNC (código de rede daunidade móvel), LAC (código da área de localização) e o RAC (código daárea de roteamento).

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Seção 5: Interface aérea GPRS

Voltemos agora a nossa atenção para a interface aérea GPRS.É importante observar que o GPRS usa os recursos GSM existentes -espectro, canais (200 kHz) e timeslots. Os usuários do GPRScompartilharão um mesmo quadro TDMA com os usuários de voz doGSM, aumentando assim os requisitos de capacidade. Até um certoponto, o GPRS trata da maior parte da demanda de capacidademultiplexando vários usuários nos mesmos canais físicos (timeslots).Além disso, a interface aérea do GPRS irá alocar recursosdinamicamente (timeslots) para voz e PDCH (canais de dados empacotes). Determinados canais físicos serão configurados para o usodos dados em pacotes, mas estes podem ser reconfigurados para voz,se necessário.

O GPRS deve alocar recursos para a sinalização e controle de tráfego.Como o GPRS tem o seu próprio conjunto de parâmetros para o acessoà rede e controle de chamadas, ele precisará ter canais separados paraas funções de controle comum de broadcast (como paging, acessoaleatório e concessão de acesso) e tráfego associado (similar aoSACCH). Alguns dos canais de sinalização podem ser multiplexados comos canais GSM, usando diferentes configurações de canais possíveis.

Antes de descrever as opções para a alocação de recursos, vamos reveralguns termos usados. O diagrama mostra que os quadros GSM ouGPRS são formados por oito timeslots. O timeslot 0 é reservado para oGSM BCH (canal de broadcast). Os timeslots de CS (comutação decircuitos) são usados para chamadas de voz GSM ou dados comutadospor circuitos. O PBCH (canal de broadcast por pacotes) e os dados p(dados em pacotes) são usados nos canais GPRS.

Há duas opções disponíveis para o estabelecimento de canais deinterface aérea do GPRS (mostradas na figura abaixo):

A opção 1 usa os recursos de sinalização GSM, mas estabelece canaisde dados em pacotes separados para o controle de tráfego. Os canaisde tráfego podem ser fixos ou dinâmicos.

A opção 2 separa os recursos GPRS inteiramente dos recursos GSM. Hádiversas configurações possíveis com esta opção. Um PBCH pode serusado para transportar informações de GPRS-BCH, canais de controlecomum, canais de dados em pacotes GPRS e canais associados aotráfego. Se os canais de dados em pacotes não forem transportadospelo PBCH ou se for necessário usar recursos PDCH adicionais, épossível configurar timeslots separados.

Os canais de dados em pacotes podem usar qualquer timeslot diferentedo BCH (timeslot 0). A unidade móvel irá primeiro sincronizar-se com oGSM BCH. Como o PBCH não usa o timeslot 0, as unidades precisarãousar o processo camp-on do GSM para entrar em camp-on com o BCH.Uma mensagem “informação do sistema tipo 13” do BCH (que oidentifica como uma rede GPRS) então notificará as unidades móveis doPBCH.

Figura 7. Canalização da interface aérea do GPRS

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Figura 8. Canais lógicos do GPRS

Canais lógicos do GPRSCanais lógicos são funções pré-definidas baseadas nos quadros de umcanal físico. Os canais físicos do GPRS geralmente transportam doistipos de informações: sinalização de controle para estabelecer e manterum serviço GPRS e o tráfego de dados do usuário. Desta forma, oscanais lógicos do GPRS podem ser classificados como canais decontrole em pacotes e canais de tráfego em pacotes.

Os canais de controle em pacotes do GPRS podem ser subdivididos emfunções de controle comum e funções de controle de broadcast, deforma similar à do GSM.

O PCCCH (canal de controle comum em pacotes) é um conjuntode canais lógicos usado para a sinalização comum entre a estaçãomóvel e a estação radiobase.

• O PRACH (canal de acesso aleatório em pacotes) é usado somente nouplink para usar a transferência do uplink.

• O PPCH (canal de paging em pacotes) é usado para buscar umaunidade móvel antes da transferência de pacotes do downlink. OPPCH é usado para o paging de comutação de circuitos e serviçosGPRS, dependendo dos modos de operação da rede e a classe daunidade móvel. (Esta função pode ser usada na Classe A ou B).

• O PAGCH (canal de concessão de acesso em pacotes) é usado na fasede estabelecimento da transferência de pacotes para enviarmensagens de atribuição de recursos a uma unidade móvel antes datransferência dos pacotes. Outras mensagens de atribuição derecursos também serão enviadas em um PCCH se a unidade móvel jáestiver envolvida em uma transferência de pacotes.

• O PNCH (canal de notificação de pacotes) é usado para enviar anotificação multicast ponto-multiponto a um grupo de unidadesmóveis antes da transferência de pacotes multicastponto-multiponto.

O PBCCH (canal de controle de broadcast em pacotes) é usadopara enviar informações do sistema de dados em pacotes em broadcasta todas as unidades móveis GPRS de uma célula. O PBCCH pode nãoestar presente em determinadas combinações de canais; neste caso, oBCCH será usado para enviar informações do sistema de pacotes embroadcast.

O PTCH (canal de tráfego em pacotes) é formado pelos seguintessubcanais associados ao tráfego:

• O PDTCH (canal de tráfego de dados em pacotes) é alocado para atransferência de dados. Este canal é dedicado temporariamente auma móvel ou a um grupo de unidades móveis em aplicaçõesmulticast. Uma unidade móvel pode usar vários PDTCHs em paralelopara a transferência de dados em pacotes durante a operaçãomultislot.

• O PACCH (canal de controle associado em pacotes) é usado paratransportar informações de sinalização relacionadas a umadeterminada unidade móvel - por exemplo, controle de potência,acknowledgements de pacotes ou reatribuição de recursos. UmPACCH é associado a um ou diversos PDTCHs atribuídosconcorrentemente a uma unidade móvel.

• O PTCCH (canal de controle de avanço de timing em pacotes) é usadono uplink para a transmissão de bursts de acesso aleatório. Elepermite a estimativa do avanço de timing requerido pela unidademóvel no modo de transferência de pacotes. No downlink, o PTCCHpode ser usado para atualizar o avanço de timing em várias unidadesmóveis.

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Figura 9. Mapeamento dos canais lógicos em canais físicos

Mapeamento de canais lógicos em canaisfísicosNós definimos vários canais lógicos para o GPRS. Estes canais nãonecessariamente requerem recursos físicos separados. Os canaislógicos são mapeados em canais físicos pela técnica “multiframing”.Um multiquadro é um conjunto de um número fixo de quadros TDMAque juntos têm uma funcionalidade atribuída.

Esta seção descreve como os blocos de controle do enlace de rádio(RLC) são gerados com o uso de multiquadros. O diagrama mostra umúnico quadro TDMA do GPRS formado por oito timeslots (0 - 7) no eixovertical. Estes quadros são repetidos, como indicado pelo exemplo notimeslot 2 (TN2 - timeslot número 2). No GPRS, nós definimos ummultiquadro de 52 quadros. Cada timeslot 2 dos quadros 0-51 écombinado para formar o multiquadro mostrado. O multiquadro édividido em 12 blocos, numerados de 0-11; cada um destes formado porquatro quadros TDMA. Estes blocos às vezes não referidos como blocosde rádio, e a eles são atribuídas determinadas funções de canaislógicos. Os 12 blocos de rádio respondem por 48 dos quadros TDMA emum multiquadro. Dos quatro quadros restantes, dois quadrossingle-burst são usados para o canal de timing e dois são deixadosociosos para a decodificação de BSIC e medições de interferência parao controle de potência da célula vizinha.

A ETSI define três combinações de canais lógicos que podem sermapeados em um único canal físico por um multiquadro de 52 quadros.

A primeira combinação permite que todas as categorias de canais lógicossejam mapeadas em um canal físico. Como há somente 12 blocos paracanais lógicos em um multiquadro, esta opção definitivamente reduzirá onúmero de canais disponível para cada categoria.

A segunda combinação permite que todos os canais diferentes doPBCCH sejam mapeados em um canal físico. Isto aumenta a capacidadedo PCCCH e do PDTCH. Entretanto, esta opção pode ser usada somentese houver um PBCCH (ou BCCH) em algum outro canal físico - porexemplo, em uma configuração que usa o GSM BCCH.

A última combinação é formada somente por tráfego e sinalizaçãodedicada, que exclui o PBCCH e o PCCH. Esta combinação fornece maisPDTCHs em um canal físico, e pode ser usada somente se houver umPBCCH/PCCH em algum outro canal, ou o GSM BCCH/CCCH pode serusado.

O conceito de mestre-escravo pode ser usado em alguns casos em queum canal físico esteja configurado como mestre e transporte todos ostipos de canais lógicos (a primeira combinação) e outros canais físicosestejam configurados como “escravos” e usados somente para atransferência de dados (a terceira combinação). Quando a demandapela transferência de dados for baixa, estes outros canais físicospodem ser usados para serviços de comutação de circuitos.

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Coordenação das funções GSM e GPRSHá determinadas funções comuns ao GSM e GPRS. Entre estas estão opaging, atualizações de localização e a conexão/desconexão (attach/dettach).

O paging é uma função crítica, que deve ser coordenada entre o GSM eo GPRS. Para fazer isto, a rede irá operar em um dos três modos abaixo.Este modo de operação é difundido (broadcast) na mensagem deinformações do sistema e será o mesmo dentro de uma área deroteamento.

Modo de operação de rede 1Neste modo, o telefone móvel monitora somente um canal depaging durante a conexão GPRS. A rede envia o paging porcomutação de circuitos por um canal de paging GPRS ou em umcanal de paging GSM CCCH (canal de controle comum) (dependendoda combinação de canais). Para enviar o paging por comutação decircuitos no canal de paging GPRS, a interface Gs deve estarpresente.

Modo de operação de rede 2O canal de paging CCCH é usado no paging por comutação decircuitos e GPRS. Em seguida, a unidade móvel deve monitorarsomente o canal de paging CCCH.

Modo de operação de rede 3Neste modo, a unidade móvel monitora o CCCH e o canal de pagingGPRS (PPCH). A unidade móvel receberá pages por comutação decircuitos no CCCH e pages GPRS em um PPCH. Para monitorarambos os canais de paging, a unidade móvel deverá ser Classe A ouClasse B.

As conexões e as atualizações de localização também dependerão dosmodos de operação da rede e da classe de móvel. O modo de operaçãode rede é parte das informações do sistema de broadcast transmitidoàs unidades móveis, e deve ser o mesmo para cada célula dentro deuma área de roteamento. Após receber estas informações, a unidademóvel determina se irá executar uma conexão GPRS, uma conexão IMSIou ambos. Esta determinação depende não somente do modo de rede,mas também da classe da unidade móvel, que especifica se a unidademóvel poderá ou não executar o attach ou detach simultâneos.

No modo de operação de rede 1, com uma unidade móvel com conexãoIMSI e GPRS, devem ser executadas atualizações combinadas de áreade roteamento/área de localização. Nos modos de operação de rede 2ou 3, uma unidade móvel que possa fazer attaches GPRS e IMSI deveexecutar uma atualização de área de roteamento e acessar o canal decontrole comutado por circuito na operação de comutação de circuitosou, se a operação de comutação de circuitos não for necessária,executar uma desconexão.

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Configurações multislotUma configuração multislot é formada por vários canais comutados porcircuitos ou pacotes juntos com seus canais de controle associados,todos alocados ao mesmo telefone móvel. A configuração multislotocupa até 8 canais físicos, com diferentes números de timeslot (TNs),mas os mesmos parâmetros de freqüência e a mesma seqüência depreparação (training).

Uma unidade móvel pode ter alocados diversos PDTCH/Us (canal dedados de tráfego em pacotes/uplink) ou PDTCH/Ds (canal de dados detráfego em pacotes/downlink) para uma comunicação originada pormóvel ou terminada em uma móvel, respectivamente. Neste contexto, aalocação refere-se à lista de PDCHs que podem transportardinamicamente os PDTCHs para esta móvel específica. O PACCH podeser mapeado em qualquer um dos PDCHs alocados. Se houver mtimeslots alocados para a recepção e n timeslots alocados para atransmissão, deverá haver Min (m, n) timeslots de recepção etransmissão com o mesmo TN.

A configuração multislots depende do tipo das unidades móveis:

• As unidades móveis do tipo 1 não transmitem e recebemsimultaneamente. Desta forma, a sua utilização de multislots élimitada pelo tempo necessário para fazer medições de célulasvizinhas.

• As unidades móveis do tipo 2 podem transmitir e recebersimultaneamente; desta forma, permitem o uso de um maior númerode slots.

Há 29 classes de multislots definidas, cada uma com parâmetrosespecíficos. Os principais parâmetros para a configuração multislotssão:

• Tx, o número de timeslots simultâneos nos quais uma unidade móvelpode transmitir

• Rx, o número de timeslots simultâneos nos quais uma unidade móvelpode receber

• Sum (soma), o número total de timeslots que podem ser usados nouplink e no downlink. Por exemplo, a expressão TX =3 e Rx=3,Sum = 4 significa que uma unidade móvel desta classe pode receberem três slots e transmitir em somente um; receber em dois etransmitir em dois ou receber em um e transmitir em três. Emqualquer caso, o número total de timeslots não pode ser maior quequatro.

• Tn, o número mínimo de timeslots necessário para medir os canaisadjacentes para uma classe de unidade móvel particular. Esteparâmetro impõe limitações nos tipos de unidade móvel para umaclasse em particular.

Figura 10. Classe multislot de MS

Classe de multislot 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

Timeslots de Rx 1 2 2 3 2 3 3 4 3 4 4 4 3 4 5 6 7 8 6 6 6 6 6 8 8 8 8 8 8

Timeslots de Tx 1 1 2 1 2 2 3 1 2 2 3 4 3 4 5 6 7 8 2 3 4 4 6 2 3 4 4 6 8

Sum 2 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA

Tn 4 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 3 3 3 2 1 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

A tabela acima relaciona as 29 classes de multislots. As classes 2, 8 e12 serão as preferidas nos estágios iniciais da implementação do GPRS.

As classes de 13 a 29 poderão ser utilizadas somente pelas unidadesmóveis do tipo 2.

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Controle de potência de RFO controle de potência de RF é usado para minimizar a potência detransmissão exigida pela unidade móvel ou o BSS, mantendo aqualidade dos enlaces de rádio. Minimizando os níveis de potência detransmissão, podemos reduzir a interferência entre usuários deco-canais.

No caso de serviços comutados por circuitos, a unidade móvel écomandada pela estação radiobase para alterar o seu nível de potência.A estação radiobase dirige este processo, com o auxílio das mediçõesde nível de Rx no uplink e da qualidade de Rx. No GPRS, entretanto,este processo é controlado pela unidade móvel, pois a transmissão nãoé contínua.

A unidade móvel calcula a potência de saída (em dBm) que será usadano PDCH de cada uplink. A potência de saída de qualquer canal deve sero mínimo necessário para manter a qualidade do serviço, com exceçãoda potência máxima transmitida nos bursts de acesso.

A potência de saída é calculada pela unidade móvel usando parâmetrosde controle de potência específicos definidos pela rede, que sãodependentes da potência máxima permitida na célula, da classe depotência da unidade móvel e da intensidade do sinal do receptor.

Para medir a potência de saída mínima no uplink de uma unidademóvel,

Pch = min (τ0-τch-(α * (C+48)), Pmax

Esta fórmula tenta medir o nível mais preciso do sinal de recepção.O valor de C é o nível de sinal de recepção na unidade móvel, calculadopela diferença na potência recebida da BTS no controle de potência dodownlink com relação ao PBCCH. O cálculo de C aqui está simplificado;na prática, C é a medição de média móvel com alguns parâmetros demultiquadro associados, obtidos a partir das mensagens deinformações do sistema.

τch é enviado à unidade móvel na mensagem de controle do RLC. A redepode modificar este parâmetro a qualquer momento em 31 passos de2 dB cada. Este parâmetro é modificado dinamicamente, com o auxíliode algumas medições da BTS. O elemento mais importante do cálculode τch e, portanto, do valor disponível para a unidade móvel é amedição da potência da interferência. A BTS medirá a potência nosquadros ociosos (do multiquadro GPRS de 52 quadros) e aplica um pesoàs medições, usando o alfa (0 a 1, em passos de 0,1 dB).

τch tem um papel importante no controle da saída de potência daunidade móvel, pois com esta medição o controle de potência passa aser o controle da qualidade. Se removermos τch, o cálculo de potênciada estação móvel será baseado somente no nível do sinal recebido.

τ0 = 39 dBm para GSM 900 ou 36 dBm para GSM 1800

Pmax = potência máxima de saída permitida na célula.

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Figura 11. Avanço de timing no modo GPRS

Avanço de timing no modo GPRSA principal diferença entre a transmissão por comutação de circuitos ea transmissão por comutação de pacotes é que a transmissão porcomutação de pacotes não é contínua. Durante a operação dacomutação de circuitos, quando a unidade móvel estiver transmitindocontinuamente, a BTS pode obter facilmente o atraso com relação aosvalores de timing anteriores. Isto seria muito difícil nas aplicações decomutação de pacotes, pois a unidade móvel estará transmitindosomente nos blocos de rádio atribuídos, e o intervalo entre dois blocospode ser significativo. Para evitar a interferência interna do timeslot eoutros problemas possíveis. o GPRS implementa uma técnica nova paraconseguir o timing correto dos bursts.

Esta técnica, chamada avanço de timing, é executada em duas partes:

• Avanço de timing inicial, feito de forma similar à da comutaçãode circuitos, na qual o atraso inicial é medido pela recepção dePRACH/RACH na estação radiobase, usando o período de guardaestendido de 88 bits.

• Avanço de timing contínuo, segue o avanço de timing inicial e éexecutado continuamente, usando os canais lógicos PTCCH (canaisde controle de avanço de timing dos pacotes) no multiquadro de 52quadros. Há dois canais PTCCH em um multiquadro. Nós criamos umgrupo de oito multiquadros (somente para a operação de avanço detiming), que nos dá 16 canais lógicos PTCCH. Cada um dos PTCCHsagora é considerado um subcanal, e oferece um valor de índice TAI(índice de avanço de timing) entre 0-15. A unidade móvel recebe umvalor TAI na mensagem de atribuição. Com este TAI, a unidade móveltransmitirá um burst de acesso em cada ocorrência de subcanalatribuída (uma vez em oito multiquadros). A estação radiobase irácapturar este burst e calcular o atraso do acesso e o novo valor deavanço de timing. O novo valor de avanço de timing será enviado àunidade móvel na mensagem TA enviada no canal PTCCH dodownlink. Uma mensagem de sinalização precisa de quatro bursts,assim uma mensagem de TA ocorrerá em quatro bursts. Umamensagem TA conterá os valores de TA associados a todos os 16valores TAI.

O exemplo acima ilustra o processo de avanço de timing. Nós temosoito quadros, nos quais cada PTCCH tem um valor de índice atribuído deTAI=0 a TAI=15. Uma unidade móvel com TAI=5 transmitirá o burst deacesso no terceiro multiquadro, segundo quadro PTCCH neste conjuntode oito quadros. A resposta correspondente, com o valor de avanço detiming atualizado, será recebida na mensagem TA 3. Este mesmo valorde TA será repetido em todas as mensagens TA até que o próximoconjunto de oito multiquadros enviado pela unidade móvel envie umnovo burst de acesso no subcanal TAI=5.

Por este processo, a unidade móvel atualiza desta forma a sua posição(atraso de acesso) uma vez a cada oito multiquadros GPRS(aproximadamente a cada 2 segundos) e recebe atualizações nestesmesmos intervalos.

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Figura 12. Esquemas de codificação de dados em blocos de rádio

Codificação de dados nos blocos de rádioApós ter definido alguns processos e operações comuns de RF, voltamosnovamente às informações que são enviadas na interface aérea.Anteriormente, discutimos rapidamente a codificação na interfaceaérea. A interface de rádio limita a taxa máxima de transferência dedados. Um burst TDMA pode transportar até 114 bits de informação;desta forma, cada bloco de rádio de quatro bursts pode transportarsomente 456 bits de informação. As informações transportadas nestesbits são os dados do usuário e a codificação. A codificação proporcionaa detecção do erro e a correção do erro, sendo essencial para agerência de problemas na interface aérea.

O processo comum usado na codificação GSM é a inserção de bits CRCe a codificação convolucional. O GPRS usa os mesmos mecanismos, masoferece quatro opções para a codificação dos dados por maneirasdiferentes, como visto na figura acima. O esquema de codificação 1 temo nível mais alto de proteção, portanto, o menor número de erros. Adesvantagem é que proporciona a menor taxa de dados. Cada um dospróximos esquemas de codificação (2, 3 e 4) compromete de algumaforma o nível de codificação e, assim, aumenta a probabilidade deerros. Por outro lado, um número mais alto de esquema de codificação(4 é o número mais alto de esquema de codificação) aumenta a taxa dedados. A tabela acima ilustra este processo.

À medida que passamos a esquemas de codificação mais altos,reduzimos o número de bits de CRC e, assim, a probabilidade dadetecção de quadros com problemas. Nós também removemos algunsdos bits de proteção (um processo denominado “puncturing”). Agora, sea interface de rádio for de baixa qualidade, teremos mais problemascom erros.

O esquema de codificação e o número de timeslots determinamparcialmente a taxa de dados teórica. Por exemplo, o uso de oitotimeslots e do esquema de codificação 4 resultará em uma taxa dedados teórica de 171,2 kbps (21,4 kbps x 8 timeslots). Entretanto, porconsiderações práticas, incluindo degradações na interface aérea e aexistência de telefones GPRS que utilizam mais de 3-4 timeslots, estataxa de dados teórica não pode ser alcançada em condições normais deoperação.

Os esquemas de codificação podem ser atribuídos por diversas formas -primeiro no processo de atribuição de canal inicial e posteriormentecom o “toggling”, usando os bits de controle no burst.

É importante lembrar que embora os esquemas de codificação tenhamum papel importante na otimização da taxa de dados na interfaceaérea, no final será a qualidade da interface aérea que determinará osresultados. Os esquemas de codificação 1 e 2 serão comuns nasprimeiras instalações de redes GPRS.

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Seção 6: Operações de transferência de pacotes de dados

Nesta seção final, examinamos alguns dos procedimentos associados àtransferência de dados em pacotes. Isto é importante porque osconceitos descritos aqui fornecerão valiosas informações básicas aosengenheiros de RF que precisam eliminar problemas de redes de dadosGPRS usando os recursos de decodificação do protocolo de mensagensda camada 3 das ferramentas de drive test comerciais de fornecedorescomo a Agilent Technologies.

Como vimos antes, para iniciar uma transferência de pacotes, um móvelGPRS precisa primeiro conectar-se à rede GPRS e depois executar umprocesso específico do GPRS conhecido como ativação do contexto dePDP. O contexto de PDP atribui um endereço IP ao móvel (se este nãotiver um endereço estático). Em seguida, a unidade móvel pode acessara rede, solicitar recursos, enviar dados, entrar no modo standby se nãohouver dados sendo transmitidos, e repetir o todo o processonovamente.

Transferência de pacotes de dados no uplinkUm telefone móvel precisa solicitar recursos do BSS (subsistema daestação radiobase). O telefone móvel inicia uma transferência de dadosfazendo uma solicitação de canal de pacotes (PRACH ou RACH). A rederesponde no PAGCH (canal de concessão de acesso de pacotes) ouAGCH, respectivamente. É possível usar um método de acesso depacotes de uma ou duas fases.

No acesso de uma fase, a rede responde à solicitação de canal depacotes com a atribuição do uplink de pacotes, reservando recursos emum ou mais PDCHs para a transferência do uplink de um número deblocos de rádio. A reserva do recurso é feita em conformidade com osrecursos solicitados na solicitação de canais de pacotes.

• Usando o RACH, a solicitação do canal de pacotes tem somente doisvalores-causa para indicar o GPRS. Estes podem ser usados parasolicitar recursos limitados ou o acesso em duas fases.

• Usando o PRACH, a solicitação de canal de pacotes pode conterinformações suficientes (classe de multislot, número de blocosnecessário, etc.) sobre os recursos solicitados para que a redeatribua recursos de uplink em um ou vários PDCHs pela mensagemde atribuição de uplink de pacotes.

A unidade móvel ou a rede pode iniciar uma solicitação de acesso emduas fases. A unidade móvel pode solicitar o acesso em duas fases emuma mensagem de solicitação de canal de pacotes. A rede poderesponder com um pedido para enviar a solicitação de recursos depacotes ou com um pedido para continuar com o procedimento deacesso em uma fase.

A mensagem de solicitação de recursos de pacotes contém umadescrição completa dos recursos solicitados para a transferência nouplink. A unidade móvel pode indicar o método “medium access”(recursos de acesso de rádio, motivos para a solicitação, nível atual doserviço recebido, nível de interferência em todos os timeslots) preferidopara o TBF. A rede responde com uma atribuição de uplink de pacotes,reservando recursos para a transferência no uplink e definindo osparâmetros de transferência de dados real. Se a rede não responder àsolicitação de canal de pacotes dentro de um período de tempopré-definido, a unidade móvel fará outra tentativa após um tempo deback-off aleatório.

Figura 13. Transferência de dados no uplink

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Figura 14. Transferência de dados do uplink - alocação dinâmica de blocos de rádio

Alocação dinâmica de blocos de rádioO próximo passo no processo de transferência de dados em pacotes é aalocação dos blocos de rádio. São usados os tipos de alocação fixa edinâmica. Comecemos pela alocação dinâmica.

Como a unidade móvel sabe em qual bloco RLC deverá transmitir?O processo pelo qual a unidade móvel é informada sobre adisponibilidade de recursos para a transmissão bloco-a-bloco pelouplink é conhecido como alocação dinâmica.

A rede envia uma mensagem de atribuição de uplink de pacotes aomóvel com a lista de valores de PDCHs atribuídos (timeslot e portadora)e o flag de status de uplink (USF) correspondente. Além disso, uma TFIexclusiva é alocada, e a partir deste momento incluída em cada blocode dados e controle de RLC relacionados a este fluxo de blocostemporário. A unidade móvel monitora os USFs nos PDCHs alocados etransmite os blocos de rádio nos canais que trazem o valor de USFreservado para o uso desta unidade móvel.

O USF é um cabeçalho MAC de 3 bits. Ele atribui um bloco de rádio ouquatro blocos de rádio por vez à unidade móvel. Assim, quando aunidade móvel detectar o USF em um downlink, ela transmitirá umúnico bloco RLC/MAC ou uma seqüência de quatro blocos. A unidademóvel inclui na transmissão de blocos no uplink o número de blocosrestantes no fluxo de blocos temporário. A rede continuará a atribuirblocos de rádio à unidade móvel até que esta indique que não tem maisblocos para transmitir.

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Figura 15. Transferência de dados no uplink - alocação fixa

Alocação fixa de blocos de rádioAlém da alocação dinâmica de recursos para a transmissão de blocos,há a opção da alocação fixa. Com este método, a rede na mensagem deatribuição de uplink de pacotes atribui todos os blocos solicitados pelomóvel na mensagem de solicitação de recursos de pacotes. Estaatribuição de recursos incluirá o parâmetro de freqüência, timeslots,um bitmap de 1 a 127 bits e um número de quadro inicial. Quando aunidade móvel recebe estas informações, ela começa a transmitir osdados no uplink nos blocos correspondentes, começando pelo númerode quadro inicial e usando as informações no bitmap (0 = bloco nãoatribuído; 1 = bloco atribuído).

Este exemplo mostra uma atribuição de dois timeslots (TN 2 e 6), umquadro inicial igual a 5 (com relação a onde foi recebido), e um bitmap100111 (veja os blocos mostrados em destaque).

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Figura 16. Transferência de dados no uplink Transferência de blocos de dados do RLCOs blocos de dados do RLC são transferidos com o uso de um processodenominado modo acknowledged RLC/MAC. Este processo é controladopor um mecanismo ARQ seletivo e pela numeração dos blocos de dadosRLC dentro de um fluxo de blocos temporário. O processo detransferência entre a unidade móvel e a estação radiobase é mostradono diagrama. Compreendendo este processo, os engenheiros de RFterão informações básicas úteis que os ajudará a eliminar problemas derede usando as funções de decodificação de mensagens da camada 3encontradas nas ferramentas de drive test como as fornecidas pelaAgilent. Comecemos pela transferência de dados no uplink. O lado deenvio (o móvel ou a rede) transmite blocos em uma janela, e o lado derecepção envia mensagens ack/nack (reconhecido/não reconhecido)pelo downlink de pacotes, conforme necessário. Cada uma destasmensagens reconhece todos os blocos de dados do RLC recebidoscorretamente até um número de seqüência de blocos (BSN) indicado,assim “deslocando” o início da janela de envio no lado da transmissão.

A mensagem de ack/nack de pacotes contém um bitmap dos númerosde seqüência de blocos RLC, no qual cada bit representa o status derecepção do bloco de dados (0 = nack, ou não reconhecido; 1=ack, oureconhecido). A mensagem também fornece o valor absoluto inicial deBSN para o bitmap. Por exemplo, se os blocos de dados do RLC comnúmeros de BSN de 21 a 26 foram enviados pela móvel e os blocos 24 e25 estiverem corrompidos, quando a rede enviar a mensagem deack/nack, esta indicará os blocos que foram recebidos e os que não oforam. O bitmap será “111001”, iniciado por um “1” que reconhece oBSN 21 e contendo dois “0” para os BSNs 24 e 25.

A mensagem de ack/nack pode ser enviada em qualquer um dos blocosatribuídos, e o cabeçalho RLC/MAC indicará que esta é uma mensagemde controle. Uma móvel tem uma janela de transmissão de somente64 blocos e, se não receber uma mensagem de ack/nack dentro destajanela, ela notificará a rede no próximo bloco disponível que a janelaestá “congelada”. A unidade móvel também enviará um “valor decontagem regressiva” (de 0 - 15) no cabeçalho do bloco de dados deRLC no uplink para informar à rede quantos blocos de dados de RLCpermanecem no TBF do uplink atual. Quando a contagem regressivachegar a 0, a rede poderá enviar a mensagem final de ack/nack.

Após a móvel ter enviado o último bloco de dados com um valor decontagem regressiva igual a 0, ela iniciará um timer. Ao final do períodode 5 segundos, a unidade móvel irá considerar a atribuição atual dosrecursos como inválida.

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Figura 17. Transferência de dados no downlink Transferência de pacotes de dados no downlinkAgora, vejamos como funciona a transferência de dados no downlink.A rede inicia a transmissão de um pacote à unidade móvel no estadoready, usando uma mensagem de atribuição de downlink de pacotes. Sejá houver uma transferência de pacotes em progresso no uplink, amensagem de atribuição no downlink de pacotes poderá sertransmitida em um PACCH. Caso contrário, ela poderá ser enviada emum PCCCH ou um CCCH. A mensagem de atribuição de downlink depacotes transporta informações ao móvel sobre os timeslots, osparâmetros de freqüência, avanço de timing, controle de potência, TFI enúmero do quadro TDMA inicial.

A rede envia os blocos RLC/MAC que pertencem ao fluxo de blocostemporário (TBF) nos canais de downlink atribuídos. Geralmente, maisde uma unidade móvel é multiplexada nos PDCHs em um dadomomento, e cada unidade móvel precisa de uma maneira paraidentificar a sua própria TBF. Isto é feito pela TFI no cabeçalho de RLC.Como definido anteriormente, a TFI é uma identidade exclusivaassociada ao TBF em uma direção em um conjunto de PDCHs. Ocabeçalho do MAC identifica o bloco de RLC como um bloco decontrole/dados, e a TFI no cabeçalho do RLC identifica a unidade móvelà qual o bloco pertence.

O cabeçalho do MAC nos blocos de RLC do downlink contém um bitpara o polling da unidade móvel. Ele usa um campo de informaçãocomo o período relativo de bloco reservado (RRBP) para informar àunidade móvel o número de quadro relativo (e desta forma o bloco derádio) após o qual a unidade móvel deve enviar a mensagem deack/nack do downlink de pacotes. Há também um indicador de blocofinal (FBI) no cabeçalho do RLC do downlink que sinaliza o bloco dedados RLC final e inicia a liberação do processo de recursos. Quandorecebe a mensagem ack/nack final enviada pela unidade móvel, a redeinicia um timer (sem valor definido nas especificações GPRS) e notérmino da temporização, a TFI e todos os recursos atribuídos ao móvelsão liberados.

É possível para a rede alterar a atual atribuição de downlink por uso deuma mensagem de atribuição de downlink de pacotes ou umamensagem de reconfiguração de timeslot de pacotes que, por sua vez,precisa ser reconhecida pela unidade móvel em um bloco de rádioreservado no uplink.

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Resseleção de célulasO último processo de transferência de dados que iremos considerar é aresseleção de células. Este processo é útil para que compreendamoscomo a unidade móvel fará o handover de uma chamada de uma célulaa outra conforme a unidade móvel se desloca pela rede wireless.

No GSM, a resseleção de células é um procedimento do modo ocioso,no qual não há recursos dedicados atribuídos ao móvel. Ao invés disso,este processo é realizado por cálculos de C1 e C2.

No GPRS, a resseleção de célula é feita no modo de transferência depacotes, assim como no modo ocioso. O GPRS também usa o cálculo deC1, que é chamado de critério de perda no percurso, e parâmetrosconfiguráveis como o nível mínimo de recepção, potência de acesso eclassmark. Estes parâmetros usados para o cálculo de C1 são agoraespecíficos do GPRS.

Opcionalmente, os sistemas GPRS podem usar o cálculo de C31,conhecido como critério de nível de sinal. Este cálculo fornece outrosoffsets fixos e temporários a C1 para estruturas de célula hierárquicas,sendo usado para atribuir prioridades às células para a resseleção doGPRS. Isto é, se todas as células em uma rede forem células que nãosão GPRS, será preferível forçar as unidades móveis GPRS a seconectar a uma célula GPRS. Os cálculos de C31 habilitam esteprocesso.

Para diferenciar as células que tenham uma mesma prioridade, o GPRSpode usar os cálculos de C32, conhecidos como parâmetro de critériode ranking de célula.

A rede pode controlar os seus relatórios de medição de resseleção esolicitação de células a partir da unidade móvel. Esta solicitação éindicada pelo parâmetro “network control order”, que tem três valorespossíveis, conforme definido abaixo:

• NC0, o modo normal de controle da estação móvel. Neste modo, aunidade móvel executa a resseleção autônoma de célula usando C1,C31 e C32.

• NC1, o modo de controle da estação móvel com relatórios demedição. Neste modo, a unidade móvel envia relatórios de mediçãoà rede e executa a resseleção autônoma da célula usando C1, C31 eC32.

• NC2, o modo de controle da rede. Neste modo, a unidade móvelenvia relatórios de medição à rede, mas não executa a resseleçãoautônoma. Ao invés disso, a rede GPRS faz as reatribuições dosrecursos de pacotes.

ResumoA tecnologia GPRS inclui recursos de comutação de pacotes ao GSMque abrem as portas a novos serviços baseados em Internet e outrasaplicações de dados em alta velocidade. Entretanto, o GPRS tambéminclui novos protocolos e complexidade à rede. Compreender atecnologia e as mudanças que ela traz será vital para umaimplementação bem sucedida do GPRS e a realização plena dosbenefícios que ela traz à rede móvel.

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