4.6. Интерфейсы в gprs.
Для пакетной передачи данных и сигнализации в GPRS разработаны Gn, Gb, Gp и Gi интерфейсы, где на уровне соединений использована технология пакетной передачи (например, Frame Relay или АТМ). Интерфейсы Gs, Gr, Gs и Gc являются чисто сигнальными и организованы на основе ОКС 7 (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Логическая структура сети GSM/GPRS
Gn интерфейс представляет собой туннель (рис. 4.16). Подуровни IP, UDP/TCP и GTP относятся ко второму уровню (соединений). При туннельной передаче между SGSN и GGSN (в общем случае между двумя GSN) дейтаграммы (пакеты) помещают в контейнеры (инкапсулируют) и передают без каких-либо изменений. При этом, дейтаграмма сохраняя внутреннюю адресацию на сетевом уровне (по протоколам IP или X.25), которая обеспечивает доступ к абоненту, имеет внешние адреса по IP протоколу для обозначения конечных узлов GSN туннеля. Структура туннельного соединения приведена на рис. 4.16, а формат сообщений, передаваемых по туннелю, на рис. 4.16а.
Рис.4.16. Структура туннельного соединения
IP |
UDP |
GTP |
IP |
TCP/UDP |
Информационное сообщение |
Рис.4.16а. Формат пакетов, передаваемых по туннелю
Залитая часть пакета (рис.4.16а) состоит из трех подзаголовков трех подуровней туннельного протокола, содержащих:
IP – локальные IP-адреса функциональных узлов, между которыми организован туннель;
UDP – номера портов в соответствующих функциональных узлах;
GTP – идентификатор собственно туннеля, помеченный его конечной точкой TEID (Tunnel Endpoint Identifier). TEID – 32-битовое двоичное число, выделяемое при организации туннеля приемной стороной. При создании двунаправленных туннельных соединений, например, на интерфейсе Gn, фактически организуют 2 туннеля, один из которых имеет TEID в SGSN для передачи пакетов трафика вниз, а другой в GGSN для передачи вверх.
Изначально между BSS и SGSN был Gb интерфейс. В настоящее время в сетях GSM/UMTS его меняют на интерфейс Iu(PS), который также представляет собой туннельное соединение.
Для передачи по радиоканалу (Um-интерфейсу) дейтаграммы разбивают на блоки, обрабатывая на RLC/MAC уровнях, где их фрагментируют и подвергают необходимой обработке. Эти два протокольных уровня действуют на соединении MS BSC (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Интерфейс MS BSC в GPRS
RLC/MAC (Radio Link Control / Medium Access Control). RLC и МАС тесно связаны между собой и служат для обеспечения высоконадежной передачи данных на радиоинтерфейсе. RLC уровень при передаче фрагментирует LLC-фреймы на RLC/MAC блоки, которые затем поступают на MAC уровень. При приеме RLC восстанавливает LLC-фреймы из RLC/MAC блоков. RLC также выполняет функции мультиплексирования, для того, чтобы более одной MS могли использовать один физический канал, а одна MS могла занять до 8 TS. При передаче с подтверждением RLC уровень обеспечивает повторную передачу RLC/MAC блоков. Функции MAC уровня заключаются в управлении сигнальными процедурами через Um интерфейс, необходимыми для получения доступа к сети на радиоинтерфейсе (запрос и выделение радиоканала), включая постановку пакетов в очередь в соответствии с их приоритетом.
RCL/MAC уровень может работать в режиме с подтверждением (Acknowledged operation) и без подтверждения (Unacknowledged operation).
Для обеспечения однонаправленной передачи LLC-фреймов на PDCH организуют физическое соединение, называемое временным потоком блоков (Temporary Block Flow TBF). Для TBF выделяют радиоресурс на одном или нескольких PDTCH. TBF создают только на время передачи данных.
Каждый RLC/MAC блок содержит информацию о том TBF, к которому он принадлежит. С этой целью TBF нумеруют: присваивают им идентификатор TFI (Temporary Flow Identifier). Возможны значения TFI от 0 до 31. TFI выделяет BSC и передает его MS в сообщении о выделении ресурса, предшествующем передаче информации. Этот идентификатор указывает на принадлежность RLC/MAC блока определенной MS.
Структуры RLC/MAC блоков для передачи каналов трафика (PDTCH) и каналов сигнализации (PACCH, PBCCH, PPCH, PAGCH, PNCH, PTCCH/D) различны. Различны также форматы RLC/МАС блоков для направлений вниз и вверх. RLC/MAC блоки для каналов трафика состоят из блока RLC данных (RLC data block) и так называемого MAC заголовка (MAC header) (рис.4.18). Блок RLC данных, в свою очередь, состоит из RLC заголовка (RLC header) и собственно RLC данных (RLC data unit). RLC/MAC блок для каналов сигнализации содержит MAC заголовок и RLC/MAC сигнальный блок (RLC/MAC control block). Последний, в свою очередь, при передаче информации вниз включает сигнальный заголовок (Control header).
Рис. 4.18. Возможные структуры RLC/MAC блоков
MAC заголовок имеет фиксированную длину 8 бит. Он содержит несколько полей, различных для направлений вверх и вниз. В любом случае одно из полей указывает вид данного RLC/MAC блока. На линии вниз первые 3 бита MAC заголовка определяют флаг состояния канала вверх (Uplink State Flag USF). Как было отмечено, USF указывает MS, может ли она использовать следующий блок мультикадра данного физического канала для передачи информации в направлении вверх..
RLC заголовок также состоит из полей, различных для направлений вверх и вниз. Из информации, содержащейся в RLC заголовке, отметим идентификатор TFI и порядковый номер RLC/MAC блока (Block Sequence Number BSN) в TBF. Нумерацию блоков используют для того, чтобы можно было запросить повторную передачу блоков, принятых с ошибками.
Размер информационной части RLC/MAC блока может составлять 184, 271, 315 и 431 бит и зависит от используемой на физическом уровне одной из 4 схем канального кодирования. При передаче каналов сигнализации RLC/MAC блок имеет фиксированную длину - 184 бита. RLC/MAC блоки передают на физический уровень.
4.7. Основные процедуры в GPRS.
ATTACH – подключение MS к GPRS подсети.
DETACH – отключение MS от GPRS подсети.
Процедуры Attach и Detach используют для изменения состояния MS и соответствующего программного обеспечения MM-контекста (MM – Mobile Management) в SGSN.
Как было указано ранее MS при работе в пакетном режиме может находиться в одном из трех состояний: Idle, Ready и Standby (рис. 4.19). В состоянии Ready MS выделен канальный ресурс и идет обмен пакетами, Если в течение определенного времени (READY timer) пользовательские пакеты не приходят, MS переводят в состояние Standby.
Рис. 4.19. Состояния MM-контекста в MS и SGSN
В состоянии Standby ММ-контекст активизирован, но канальный ресурс с MS снят. Если SGSN имеет данные или сигнальную информацию для MS, находящейся в состоянии Standby, то он посылает пейджинг (Paging Request) в ту RA, где MS находится. При ответе MS на пейджинг MM cостояние в MS изменяется на Ready, а в SGSN - после получения этого ответа. При отсутствии данных о местоположении MS пейджинг не посылают. С другой стороны, MM состояние в MS изменяется на Ready и в случае, когда MS посылает данные или сигнальную информацию. Соответственно состояние в SGSN изменяется на Ready, когда эти данные будут приняты SGSN.
Если MS в течение длительного времени находится в состоянии Standby, а обмена пакетами не происходит, то срабатывает таймер пребывания в состоянии Standby и MS переводят в состояние Idle.
Активизация PDP контекста.
При переходе MS в пакетный режим должна быть выполнена процедура активизации PDP контекста. В отличие от сетей с коммутацией каналов, в сетях с коммутацией пакетов абонент на время обслуживания в пакетном режиме получает IP адрес, а для организации выхода в пакетную сеть (Интернет или локальную сеть), необходимо активизировать (указать) точку доступа AP (Access Point).
Адрес абонента (статический или динамический) и имя точки доступа к пакетной сети APN (Access Point Name) наряду с такими параметрами как тип предоставляемой услуги (чтение файлов из Интернета, потоковое видео и пр.) и качество предоставляемых услуг (QoS – Quality of Service), составляют важнейшую часть параметров PDP (Packet Data Protocol) контекста. PDP контексты абонента записаны в его SIM-карте и в HLR. При организации пакетного соединения соответствующий PDP контекст должен быть активизирован. Эта процедура пооперационно рассмотрена на рис. 4.20.
MS посылает запрос на активизацию PDP контекста в SGSN (1). SGSN запрашивает HLR о возможности предоставления абоненту требуемой услуги (2). При получении подтверждения из HLR SGSN приступает к организации соединения со шлюзом с последующим выходом на требуемую пакетную сеть.
Если PDP контекст содержит имя точки доступа APN, то SGSN обращается к серверу имен доменов DNS (Domain Name Server), чтобы тот преобразовал символическое имя APN в соответствующее ему числовой адрес (3). Если точку доступа назначают динамически в процессе установления соединения, то SGSN сам выбирает шлюз GGSN для выхода на пакетную сеть. В любом случае между SGSN и GGSN организуют туннельное соединение (4) и активизируют в GGSN точку доступа AP для обеспечения необходимой пропускной способности сквозного канала и других качественных характеристик для данной услуги. При этом GGSN либо активизирует статический адрес абонента, либо абоненту на время сеанса связи выделяют динамический адрес. В конце процедуры SGSN пересылает в MS все установленные и активизированные параметры PDP контекста (5).
При обслуживании вызовов в пакетной сети есть ряд особенностей, на которых стоит остановиться (рис. 4.21)1. При передаче пакетов вверх, когда вызов делает абонент, алгоритм начинается с команды запроса пакетной передачи RRC Cell Update. Далее следуют процедуры активизации PDP контекста, организации сквозного канала с требуемым QoS и передача информационных пакетов.
При передаче пакетов вниз возможны разные сценарии. Если PDP контекст активизирован, то пакеты, поступающие на шлюз GGSN, будут пересланы по туннелю в SGSN и далее в UE. На рис. 4.21 показана ситуация, когда абонент пользуется услугой отложенного вызова, т.е. когда пакеты поступили, например, на шлюз его домашней сети, а PDP контекст не активизирован. В этом случае сеть выполняет процедуру PUSH,. На SGSN, обслуживающий абонента, поступает уведомление (SM: PDU Notification Request), происходит вызов абонента (RRC Paging), далее следуют процедуры RRC Cell Update, активизации PDP контекста, организации сквозного канала. Идет доставка пакетов абоненту, по завершении которой пакетное соединение разрывают.
Рис. 4.21. Пакетная передача данных в GSM/UMTS сети