Поколение 2,5G GPRS Лектор ст. преп. Зарипова Эльвира Ринатовна

1.Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи. 2.Ghaderi M., Boutaba R. Mobility Impact on Data Service Performance in GPRS Systems. 3.Christoph Lindemann, Axel Thummler. Performance analysis of the general packet radio service, Computer Networks 41 (2003) 1–17 2

GPRS - General Packet Radio Service GPRS – пакетная радиосвязь общего пользования. Надстройка над технологией GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. Позволяет пользователю производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. Тарификация по объему переданной/полученной информации, а не по времени, проведенному online. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Такая технология предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM. 3

Структурная схема взаимодействия элементов сети GPRS GGSN - Gateway GPRS Support Node - Шлюзовый узел GPRS (узел маршрутизации); SGSN - Serving GPRS Support Node - Узел обслуживания абонентов GPRS; PCU - Packet Control Unit - Блок управления пакетами. 4

SGSN Узел SGSN выполняет функции аутентификации, авторизации, контроля доступа, сбора учетных данных о пользовании услугами для последующих расчетов за услуги связи, маршрутизации пакетов и управления мобильностью, следит за местоположением мобильной станции и обменивается с ней пакетами данных, направляя их нужному контроллеру базовой станции (Base Station Controller, BSC). Узел SGSN в системе может быть не один. В этом случае каждый узел отвечает за свой участок сети. 5

GGSN Узел GGSN – узел межсетевого интерфейса между внешней сетью передачи данных с коммутацией пакетов (например, IP, X.25) и базовой сетью GPRS. Функция GGSN состоит в том, чтобы назначить правильный SGSN для мобильной станции в зависимости от её расположения. Основными задачами GGSN является роуминг, маршрутизация данных, идущих от и к абоненту через SGSN. Вторичными функциями GGSN является адресация данных, динамическая выдача IP-адресов, а также отслеживание информации о внешних сетях и собственных абонентах (в том числе тарификация услуг). Задача GPRS состоит в том, чтобы принять пакет данных пользователя в одном пункте доступа (узел GGSN) и доставить его в другой пункт доступа (мобильная станция). 6

Радиоинтерфейс На физическом уровне GSM для множественного доступа использует комбинацию доступов с частотным (FDMA) и временным (TDMA) разделением каналов МГц - для передачи от мобильной станции (Uplink) МГц - для передачи от BTS (Downlink) 7

Система управления местоположением абонента Для компромисса между объемом сигнального трафика в сети GPRS и необходимостью знания с высокой точностью местонахождения абонента для терминалов определили три состояния MS. 1. IDLE (неработающий). Телефон отключен или находится вне зоны действия сети. В этом состоянии MS не доступна. Cистема не отслеживает перемещение подобных абонентов. 2. STANDBY (режим ожидания). Аппарат зарегистрирован (прикреплен) в GPRS-системе, но уже долгое время (определяемое специальным таймером) не работает с передачей данных. 3. READY (готовность, ON, OFF). Абонентский терминал зарегистрирован в системе и находится в активной работе. Координаты телефонов, находящихся в режиме READY, известны системе с точностью до соты. 8

Состояния мобильной станции 9 Временная диаграмма поведения мобильной станции

Схема изменения местоположения в сети GPRS 10

Маршрутизации пакетов в сети GPRS 11 Оранжевая линия – передача данных через домашнюю сеть. Синяя линия – передача данных через гостевую сеть.

Маршрутизации пакетов в сети GPRS MS, расположенная в домашней сети PLMN1 посылает пакеты IP-хосту, например, подключенному к Интернет Web-серверу. Пересылка пакетов идет через intra-PLMN к соответствующему GGSN. GGSN декапсулирует пакеты и отправляет их через PDN маршрутизатору, далее пакеты передаются IP-хосту (Оранжевая линия.) МS гостит в PLMN1, а домашней сетью является PLMN2. В этом случае используется гостевой SGSN (VSGSN - Visited SGSN). IP-Адрес мобильной станции назначается домашним GGSN (HGGSN – Home GGSN) PLMN2 и имеет тот же самый сетевой префикс как и все IP- адреса PLMN2. Пакеты отправленные IP-хостом направляются маршрутизатором к GGSN PLMN2. GGSN, в свою очередь, отправляет запрос в HLR и, получив информацию о том, что мобильная станция в настоящее время находится в PLMN1, передает пакеты через Inter- PLMN (Inter-PLMN GPRS BackBone GPRS-линия между разными мобильными сетями) соответствующему SGSN в PLMN1. SGSN декапсулирует пакеты и доставляет их мобильной станции. В этом случае появляется необходимость в BG (Border Gateway граничный шлюз) с обеих сторон с целью обеспечения защиты сетей от атак (Синяя линия). 12

Параметры качества обслуживания (QoS) Классы QoS, подразделяющиеся по признакам: Приоритет (высокий, средний и низкий приоритет данных). Характеризует приоритет обслуживания одного сервиса перед другим. Надежность (разделение на три класса по количеству возможных ошибок разного рода, потерянных пакетов и т.п.). Надежность отражает требуемые для приложения особенности передачи данных. Классы обеспечивают точные оценки максимума вероятности потери, дублирования, нарушения порядка, искажения (необнаруженные ошибки) пакетов данных. Задержки (задержки информации вне GPRS сети в расчет не принимаются). Задержки определяют максимальное значение средней задержки и 95%- задержки. 95%-задержка – максимальная задержка, гарантируемая в 95% всех передач. Задержка определяется как время сквозной передачи между двумя соединенными мобильными станциями или между MSи Gi-интерфейсом внешней сети передачи данных (PDN). Количественные характеристики (пиковое и среднее значение скорости передачи). 13 Класс Вероятность Потери пакета Дублирования пакета Повреждения пакета Таблица. Классы надежности

Разработка модели соты для анализа показателей качества функционирования GPRS 14

Предположения для мат. модели 15

16 Основные обозначения число каналов в системе для передачи данных GSM/GPRS число каналов, постоянно выделенных для передачи пакетов GPRS емкость буфера BSC интенсивность поступления голосовых вызовов на базовую станцию интенсивность поступления пакетов данных средняя продолжительность голосового вызова среднее время передачи пакета по каналу вектор стационарных вероятностей числа активных голосовых вызовов вектор стационарных вероятностей числа каналов, которые могут использоваться для передачи пакетных данных вероятность блокировки голосового вызова вероятность потери пакета средняя задержка пакета состояние, при котором ровно i пакетов находятся в системе время между моментом, когда все каналы передачи данных стали занятыми и моментом, когда освободится один канал

17 Построение модели Модель приема и обработки пакетов GPRS и вызовов GSM на базовой станции с буфером ограниченной ёмкости для пакетов данных

18 Анализ модели Долгосрочное поведение Граф с интенсивностями переходов для числа вызовов GSM УЛБ: Условие нормировки: удовлетворяют СУР:

19 Анализ модели Краткосрочное поведение интенсивность перехода из s i состояния в состояние s i-1 вектор стационарных вероятностей числа пакетов в системе вероятность потери пакета СВ задержки пакета СВ задержки пакета, прибывшего в систему, находящуюся в состоянии s i средняя задержка пакета, попавшего в систему в состоянии s i средняя задержка пакета Дополнительные обозначения: (При фиксированном кол-ве m каналов, выделенных для передачи пакетных данных)

20 Анализ модели Краткосрочное поведение Граф с интенсивностями переходов для числа пакетов в системе удовлетворяет СУР: УЛБ: Условие нормировки:

Средняя задержка пакета Задержка пакета T при передаче по сети GPRS состоит из трех случайных времен: 21

22 Анализ модели Вероятность блокировки голосового вызова Вероятность потери пакета Средняя задержка пакета

23 Численный анализ Базовые значения параметров системы ПараметрБазовое значение Число каналов передачи данных, 7 Число каналов, постоянно выделенных под GPRS, 1 Емкость буфера базовой станции, 20 Средняя продолжительность вызова GSM, 180c Интенсивность поступления голосовых вызовов, 0,017 Среднее время передачи пакета, 0,075c

24 Численный анализ Зависимость вероятности потери пакета от нагрузки при различном числе выделенных для GPRS каналов Зависимость средней задержки пакета от нагрузки при различном числе выделенных для GPRS каналов Влияние числа выделенных под GPRS каналов на ВВХ

25 Численный анализ Зависимость вероятности потери пакета от нагрузки при различной емкости буфера Зависимость средней задержки пакета от нагрузки при различной емкости буфера Влияние ёмкости буфера на ВВХ.

Логические каналы в GPRS 26 Для передачи абонентских пакетов и пакетов различной сигнальной информации через радиоинтерфейс в стандарте GPRS используется один или несколько выделенных логических каналов, отличных от каналов классической GSM. Эти логические каналы, называемые PDCH (Packet Data Channel) и оптимизированные для пакетной передачи данных, размещают в физических каналах, выделенных для GPRS из общего частотно-временного ресурса. Канальная структура GPRS включает три типа логических каналов: PDTCH (Packet Data Traffic Channel) (передача инф. пакетов.); РВССН (Packet Broadcast Control Channel) (передача широковещательной и общесистемной информции); РСССН (Packet Common Control Channel) (передача управляющей информации).

Модель состояний мобильной станции в сети GPRS 27 Состояние READY разделено на два подсостояния: READY(OFF) и READY(ON). В состоянии READY(OFF) МС не участвует ни во входящих ни в исходящих сессиях, но происходит одно из событий: либо обновляется сота либо истекает READY таймер. Когда начинается входящий или исходящий сеанс связи, МС переходит из состояния READY(OFF) в состояние READY(ON).

Описание переходов мобильной станции между состояниями 28

ON/OFF трафик 29

Анализ характеристик модели обработки данных с дискретным временем в одной соте сети GPRS 30

Зависимость вероятности потери пакета от общего числа пользователей в соте 31

Зависимость среднего числа занятых каналов от общего числа пользователей в соте 32

Зависимость средней пропускной способности канала от общего числа пользователей в соте 33