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General Packet Radio Service (GPRS)

Overview

介紹GPRS基本的知識概念.

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Reference

[1] Wireless and Mobile Network Architectures，Y-Bing Lin and ImrichChlamtac，Wiley Computer Publishing.• Chapter 18

[2] 行動電話與數據網路管理，林一平，維科出版社。

• Chapter 9.[3] GPRS Demystified，John Hoffman，

McGraw-Hill。

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Outlines

IntroductionGPRS ArchitectureGPRS Air InterfacesGPRS Core NetworkSummary

• 這個主題共分為以下幾個章節:• 首先我們先介紹 GPRS 的系統架構, 並說明 GPRS 各個網路元件

• 說明 GPRS 的 air interface 所使用的無線電架構.• 說明 GPRS 各個網路運作所需要處理的事項, 特別是 mobility

management 與 PDP context 的維護.

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Introduction

•在 Introduction 中會介紹 GPRS 的系統架構, 並說明 GPRS 各個網路元件. •接下來簡單說明 GPRS 網路的運作模式.

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Introduction (1/2)

Based on the existing GSM infrastructureProvide end-to-end packet-switchedservicesGPRS standard• Initialized by ETSI/SMG in 1994• The main set of GPRS specifications was

approved by SMG#25 in 1997.• Completed in 1999

GPRS core network is designed for GSM, IS-136, and 3G.

•GPRS 沿用 GSM 的架構, 增加點對點封包數據交換（packet-switched）服務的能力.

•GPRS 標準的制訂是於 1994 年由 ETSI/SMG（the European Telecommunications Standards Institute / Special Mobile Group）所啟始.

•GPRS 標準的主要內容於 1997 年由 SMG#25 通過, 並於 1999 年完成.

•GPRS 的核心網路的設計, 除了可以加入現有 GSM 系統, 也可以放入 IS-136. 換言之, GPRS 也可以做為 IS-136 的加強版.•此外設計時也可有考慮使 GPRS core network 直接演進為 3G 核心網路的一部份.

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Introduction (2/2)

New radio channels are defined.The allocation of these channels is flexible.• One ~ eight time slots• Several active users can share a single time slot.• The uplinks and the downlinks are allocated

separately.• Various radio channel coding schemes

9 Kbps ~ 150 Kbps• GPRS fast reservation

•GPRS 使用現有的 BS, 做了少數的修改.•為了在無線電端傳送 packet, 無線電介面定義了許多 logic radio channel, 用於傳送 packet 與控制訊號的交換. •在設計 GPRS 協定時, 盡可能讓 channel 的配置, 使用有彈性, 以增加系統的容量.

•以 timeslot 為基本傳送 packet 的單位, 最多可以將同一 carrier 的 8 個timeslots 都分配給同一個 MS.•也可以用時間區分, 相同編號的 timeslot, 讓多個 MS 共享. •對於手機傳送封包的 channel, uplink 與 downlink 是分別分配的, 符合像 Web, file transfer 這樣 asymmetric flow 的特性.•提供四種 Channel coding schemes, 包括 CS1, CS2, CS3, CS4, 分別可以提供 9kbps 到 150 kbps 的傳遞速率. 四種 coding 會有不同的壓縮率與錯誤偵測的方式, 系統依據訊號接收的強弱, 決定使用那一種coding.•提供 fast reservation 的設計, 可以在在 0.5 到 1 sec 就啟動資料的傳輸.

•GPRS 使用的安全機制與 GSM 相同. 但編碼的之演算法有調整以適合packet data 的傳輸.•比較起來 GPRS 比從 SMS 或 Circuit-switched 傳送資料來得便宜.

•SMS 也可從 GPRS 的 channel 傳送.

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GPRS Architecture – Simplified

BTS

BTS

BTS

BSC

BTS

BTS

BTS

BSC

SGSN GGSN

HLR

Gc interface

Gr interface

Gn interface

Gi interface

Gb interface

Abis interface

Um interface

Base Station Subsystem GPRS Network

packet data network

•這張圖是簡化後的 GPRS 的系統架構圖，與GSM 架構比較，GPRS 增加了為傳送封包資料的 GPRS Network 以及 SGSN，GGSN 節點。

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GPRS Entities

MS, BSS, MSC/VLR, and HLR in the existing GSM network are modified.• E.g., HLR: GPRS subscriber information.

Two new network nodes are introduced in GPRS.• Serving GPRS Support (SGSN)• Gateway GPRS Support (GGSN)

interworking with external packet-switched networks• IP-based GPRS backbone network

•MS, BSS, MSC/VLR 與 HLR 都是舊的 GSM 元件加以修改而得, 例如 HLR 會加上 GPRS subscriber information.•在這個GPRS網路內，GSM定義了兩個新的元件:•GPRS 服務支援節點（serving GPRS support node或SGSN）

•SGSN 就如同 MSC 的功能.•SGSN 連接基地台子系統，將手機所送出的數據資料, 轉送到GGSN, 再透過外界的分封數據網路.

•At GPRS attach, the SGSN 會為 MS 建立一個 MM context(related to mobility and security for the MS).

•At PDP context activation, the SGSN 會為每一個session 建立一個 PDP context 以用於儲存轉送封包等資訊.

•GPRS 支援節點通訊閘道（gateway GPRS support node或GGSN）.

•GGSN 是GPRS系統對外界的窗口, 提供與其他分封數據網路（packet data network）的數據網路協定轉換的邏輯介面.

•GGSN與SGSN形成 GPRS backbone network•用來傳送資料的GPRS網路本身就是一個以IP為基礎的網路，作為傳送封包的骨幹網路。

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Tunneling

PDU (packet data unit)EncapsulateDecapsulate

•用戶端手機網路層應用程式的資料（ X.25 或 IP 的應用程式），稱為協定數據單元（protocol data unit 或 PDU）。

•當 PDU 送達發送端的 SGSN 時，必須先做包裝（encapsulate）的工作，而在接收端的 SGSN 中做解包裝（decapsulate）的工作，就像是建立一個隧道（tunneling） 。

•PDU 的路由相關資訊儲存在 GGSN 中，而所有 GPRS 用於傳送資料與路由方式的用戶資訊，則是存放於 HLR 中。

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GPRS Example 1

SGSN 1 SGSN 2

BSC

BTS

BSC

BTS

GPRS network

MS 1

MS 2

•這個例子是二個位在相同 GPRS 網路的手機，資料傳送的路徑之示意圖。

•首先在發送端手機（MS 1）的SGSN 1，先將手機所要傳送的 PDU 加以包裝，根據 HLR 中的資訊，找到目前負責 MS 2 事務的 SGSN 2的位置。

•建立隧道的流程，PDU 在 SGSN 1 包裝，傳送到 SGSN 2 ，進行解包裝的工作。

•透過無線電傳輸，最後資料將到達 MS2 而完成整個傳遞的過程。

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GPRS Example 2

SGSN 1

GGSN 1

SGSN 2

GGSN 2

BSC

BTS

BSC

BTS

GPRS network 1 GPRS network 2

Packet data network or Internet

MS 1

MS 2

•這個例子是二個位在不同 GPRS 網路的手機，資料傳送的路徑之示意圖。

•首先在發送端手機（MS 1）的 SGSN 1，先將手機所要傳送的 PDU 加以包裝，送到適當的 GGSN 1。

•在 GGSN 1解包裝後，根據封包的目的位置，透過一般的分封數據網路或網際網路（Internet），轉送給接收端手機（MS 2）所在的網路（GPRS network 2）。

•當經過網路的入口GPRS支援節點閘道（GGSN 2）時，GGSN 2可以根據本身資料庫中的資訊，找到目前負責 MS 2 事務的 SGSN 2 的位置。

•再經過一次建立隧道的流程，PDU 在 GGSN 2 包裝，傳送到 SGSN 2，進行解包裝的工作，透過無線電傳輸，最後資料將到達 MS2 而完成整個傳遞的過程。

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GPRS Example 3

SGSN 1

GGSN 1

BSC

BTS

GPRS network 1

Packet data network or Internet

MS 1

DCHP Server

•這個例子是 GPRS 的手機，與 PDN 上的 PC 傳送資料的路徑之示意圖。

•MS 首先會做 GPRS- attached, 換言之, 開始啟動 GPRS 的服務. 這時後, MS 與 SGSN 建立起 a session.

•但是 MS 只能透過 GPRS 傳送 SMS, 並沒有建立與外界網路間的連結.

•此時 MS 想要傳資料給某一 external network 的 PC, 或是網路有資料要傳給手機, 此時就要建立傳送資料的連結 (PDP context activation).

•PDP: packet data protocol, 類似於啟動 your modem 與 dial up your ISP 的動作.

•每一個連結 (PDP context) 須要一個 IP address, 如此 MS 可以同時連到不同的網路.

•GSM 最多允許一個 Mobile device 有 14 PDP contexts 同時存在.

•GGSN 1 向 DHCP server 要到一個 IP address, 透過 SGSN 1 送給 MS. 建立起 PDP context.

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APN (Access Point Name)

Access Point Name is a label according to DNS naming conventions describing the access point to the external packet data network. An APN is the logic way to name a GPRS service.Domain Name Service (DNS) server translates APN to GGSN’s IP address.

•由於在 GPRS 上的 addressing 並不事件容易的事, 所以為減少 operator 的困擾, 參照網路上命名的習慣, APN 便在 GPRS 網路上, 被用來描述 MS 要連些上哪一個外部網路.•APN 是一種邏輯上的方式, 可以將一個 GPRS service, 用簡單的 name 表示出來, •APN 是一個 Label，根據 DNS 命名原則，用於描述對外部資料網路的存取點，例如電信業者會提供其 GPRS 使用者預設的 APN, 以供使用者能順利連接上外部網路.

•就像 Internet domain name 指向 a page on a specific server, 一個 APN 會指向一個特殊的連接點, 即特定的 GGSN.•在 Internet 上, DNS 會把 domain name 轉成 IP address, 在 GPRS network 上的 DNS server, 會將此 APN 轉成 GGSN 的 IP address.

•在 HLR 和 MS 會儲存 APN, HLR 會檢查 MS 是否可以存取此 APN.•HLR 中可能會有 APN* 代表一個 default 的 APN, 或者代表 user 可存取任何的 APN.

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Access a GPRS Service with an APN

Mobile user activates a service.MS sends request to SGSN.SGSN check whether the service has be authorized for this user.SGSN acquires the IP address of this specific GGSN (for the APN) from DNS server.A tunnel is created between SGSN and GGSN.

•以下是存取一個 GPRS service 的步驟:•使用者啟動一個 service, MS 會送 request 給 SGSN.•SGSN 比較 HLR 中的用戶資料, 檢查此 service 是否有授權給此 user.•SGSN 向local GPRS DNS server 查詢此負責此 APN 的 GGSN 的 IP address.•如果在 local DNS 找不到 APN 相對應的 IP address:•Case 1: user 本來就在自己的 home network, 此 request 就會被拒絕.•Case 2: user 在 foreign network, SGSN 會向 MS 的 home network 的DNS 查詢.•當找到 GGSN 的 IP address, SGSN 會建立起與 GGSN 間的 tunnel by GTP.

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IP Address Allocation

Fixed Addressing• IP address is stored in HLR. • It is sent to MS when PDP context is activated.

Dynamic Addressing• GGSN gets an IP address.• SGSN assigns an address to the PDP context

when it is opened.

•要建立起 MS 與 external network 間的連結 PDP context, MS 必須要有 IP address. •GPRS 有兩種分配 MS IP address 的方式:•Fixed addressing:

•永遠分配給 MS 相同的 IP address, 此 IP address 存在 HLR 中.•當 MS 想要開啟一個 PDP context 到某一個 APN, HLR 將 IP address 送到 SGSN, 再送到 MS. 這種方式是搶迫 MS 一定要使用 network 分配的 IP address.•對於自動販賣機等市場適用於使用 fixed IP address, 就可以不需要再進一步驗證機器的 ID.•但是使用 fixed IP address 會導致 IP 不足, 不為 ICANN 所鼓勵.

•Dynamic addressing:•當 MS 開啟 PDP context 時, SGSN 分配一個 IP address 給 MS. 當關閉PDP context, SGSN 收回此 IP address.•但此 IP address 是由 GGSN 取得的.•有下列四種方式可以取得 IP address: (見下一頁)

•Via RADIUS form an external RADIUS server•Via DHCP•From a local address pool on the GGSN•From the customer network via an L2TP tunnel from the GGSN

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Mechanism to Get IP Address

From a local address pool on the GGSNVia RADIUS form an external RADIUS serverVia DHCPFrom the customer network via an L2TP tunnel from the GGSN

•GGSN 有下列四種方式可以取得 IP address: •From a local address pool on the GGSN

•這種的運作方式就類似於 PSTN dialup server. GGSN 有一個 IP address pool, 當有 MS 需要 IP, GGSN 從 pool 分配一個 IP 給MS.•這種方式的難題在於要使系統有效率, 必須是每一個 APN 都要有一個自己的 address pool. 所有 APN 可使用相同的 IP address space, 如同 private network 用相同的 IP range.•如果客戶端選擇由 operator 分配 IP, 這是所有中最簡單的方式.

•Via RADIUS form an external RADIUS server•通常 RADIUS server 都會在 customer network.•RADIUS server 認證 user terminal, 給予一個 fixed IP address.

•Via DHCP•GGSN 向 DHCP server 要一個 IP address.•可以把 DHCP server 設定成 fixed IP address, 則 MS 每次都會取得相同的 IP address.

•From the customer network via an L2TP tunnel from the GGSN•L2TP 是 layer 2 的 tunneling protocol. 將 IP user traffic 藏在 IP network 中. 通常用於 PSTN dial-up to a Remote Access Server.•對 GPRS 而言, L2TP 在 GGSN 與 customer network 的 router 間建立一個安全的連結. •完全由 customer’s router 做認證, 分配 IP address,

•Note: DHCP 與 RAIUS server 可以是放在 customer network, 可以是 operator network (GPRS internally).

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GPRS Billing

SGSN GGSN

BSC

BTS

MS 1

Service Application

MSC

PLMN

MSC CGF

GPRS Billing Mediation

Billing SystemTime-based

CDRs Volume- orTime-based

CDRs

Evernt- orContent-based

CDRs

Billing records

Backbone network

•GPRS Billing 是一個很不同於 GSM 的地方.•Charging gateway function (CFG) 控制 charging data record (CDR) 的收集.•CDR 被送到 GPRS Billing Mediation (調停), 組成 billing record, 再送到Billing system, 做為算出使用花費的依據.•GPRS 有下列幾種 billing 方式:

•Flat-rate billing •Per-packet billing•Volume-based billing•Value-based billing

•會影響上述 rate 的一些 factor 可能有:•Quality of Service•Time of day•Content, call type, services used•Source or destination

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GPRS Interface

•介紹 GPRS network 的 interface, transmission plane, signaling plane, protocol stack.

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GPRS Architecture

Other PLMN

PDNSGSN

SMS-GMSCSMS-IWMSC SM-SC

GGSN

FIR

HLRMSC/VLR

BSSMTTE

SGSN GGSN

TEGi

Gf

Gn

GcGr

Gd

Gs

Gb

GnGp

UmR

A

CE

D

Signalling InterfaceSignalling and Data Transfer Interface

•由於 GPRS 是架構於 GSM 之上, 且盡可能不去動到原先 GSM 的運作, 所以可見除了 air interface, 或與 SGSN, GGSN 相連的介面外, 基本上都是延用GSM 的 protocol. 即使是新加入的 protocol, 如 Gs (SGSN<->MSC/VLR) , Gr(SGSN<->HLR) 與 Gc (GGSN<->HLR), 都是遵循 GSM MAP 的架構.•在看 interface 時, 請隨時參照 GPRS Transmission plane 與 signaling plane.

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GPRS Transmission & Signaling Planes

The GPRS Transmission Plane• Layered protocol structure• For user information transfer and the associated

control procedurese.g., flow control, error detection, error correction, and error recovery.

The GPRS Signaling Plane• Layered protocol structure• For control of the transmission plane functions.

•在 GPRS, 借用 OSI 7-layer 的概念, 每個 interface 定義的協定都具有 layered structure.•所使用的 protocol stack 可以分成兩類:•傳送使用者資料與此資訊傳送相關的控制程序用到的 protocol structure 稱為transmission plane.

•例如流量控制, 錯誤的偵測,更正與回覆.•其他用於控制transmission plane 所用到的控制訊號所使用的 protocol structure 稱為 signaling plane.

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GPRS Transmission Plane

GSM RF Libis

MS BSS SGSN GGSN

RLC

MAC

IP/X.25

SNDCP

LLC

Application

BSSGPRelay

Um Gb Gn

GSM RF

RLC

MACNetworkService

Libis

NetworkService

BSSGP

LLC

SNDCPRelay

GTPUDP/TCP

IP

L2

L1

GTP

UDP/TCP

IP

L2

L1

IP/X.25

Gi

•GPRS protocol 是參考國際標準組織/開放系統連結（International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection或OSI/ISO）的架構所建議的 GPRS傳輸協定的架構。

•在手機與終端主機的網路層之上，可以根據應用程式的需求，採用不同的協定。例如在應用程式下可使用TCP（Transmission Control Protocol）來傳送，架在 X.25或IP之上，對此GPRS並不加以限制。

•Note: GGSN,SGSN 中具有上下兩個IP層

•上層的 IP 對應的是手機以及終端主機各自的 IP 位址，在 GPRS 網路內部被包裝為使用者資料而不會用到。

•只有當離開 GPRS 網路，下層的 GPRS 隧道協定已被移去，才用於外界的分封數據網路的路由位址。

•這個手機的 IP 位址，是 GPRS 系統業者給定的固定專屬的IP位址（static IP），但 GPRS 系統業者也可以在建立數據資料連線時使用動態主機配置協定（dynamic host configuration protocol 或 DHCP）配置動態IP（dynamic IP）位址或是虛擬IP （virtual IP）位址給手機。

•至於下層的 IP 則是供 GPRS 網路內部路由辨認時所需要的IP位址，做為路徑上每一個 GSN 決定資料流向的依據。

•在 GPRS 隧道協定之 IP 層以下，OSI 的第一層（layer 1 或 L1）與第二層（layer 2 或 L2），則可由系統業者自行決定使用何種協定。

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GPRS Signaling Plane

RFLPLLRLL

Physical

LLC

Physical

GTP

MTP2

MS BSS SGSN GGSN

MAC

PLL

RLC

LLC

GMM/SM

MAC

RLC

NS (FR)

BSSGP

Physical

NS (FR)

BSSGP

GMM/SM

UDP

IP

L2

Physical MTP1

L2

IP

UDP

GTP

Relay

Relay Interworking

MAP

TCAP

SCCP

MTP3

MTP2

MTP1

MAP

TCAP

SCCP

MTP3

Um GbHLR

Gn Gc

BSSAP+

MTP1

SCCP

MTP3

MTP2

BSSAP+

MTP1

SCCP

MTP3

MTP2

SGSN MSC/VLRGs

BSSAP+ : Base Station System Application Part+

GMM : GPRS Mobility Management

MAP : Mobility Application Part

MTP : Message Transfer partSCCP : Signaling Connection Control PartSM : Session ManagementTCAP : Transaction Capabilities Application Part

•GPRS Signaling Plane•在 MS 與 SGSN 之間，GMM/SM layer 提供 GPRS 行動管理及session 管理的功能。

•SGSN ↔ GGSN 的 Gn interface 與 Transmission Plane 不同是只採用UDP 來傳送控制訊息。

•GGSN ↔ HLR 的 Gc interface 的 MAP 是將 GSM 的 MAP 延伸成能支援 GPRS 行動管理的能力 。

•SGSN ↔ MSC/VLR 的 Gs interface 上層是採用 extended BSSAP，而不是使用 TCAP。

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MS↔BSS

GSM Radio InterfaceMAC (Medium Access Control)RLC (Radio Link Control)

•MS 與 BSS 間的實體層（physical layer）則是分成實體連結分層（physical link sublayer 或 PLL）以及實體無線電分層（physical RF sublayer 或 RFL）兩部分，分別負責在實際連結上資訊的傳輸，與負責 GSM 無線電相關規範，執行 modulation/demodulation。 。

•在手機及基地台之間的無線電連結控制和媒介擷取控制層（radio link control/medium access control 或 RLC/MAC）的功用、則是讓上層的服務能夠順利的經由 GPRS 空中介面的實體層來傳送，它們定義了讓數各手機能夠同時共同分享相同傳輸介質之傳送方式。

•MAC 層採用時槽 Aloha 預留協定（slotted Aloha based reservation protocol），負責管理無線電資源的分配。因為存取通道有限，當眾多手機同時送出的無線通道存取要求時，可能會發生碰撞，MAC 的主要工作就是要解決碰撞後重送的問題。

•MAC 也負責在眾多手機所提出的服務要求中，在網路端根據用戶的需求，決定無線資源分配的方式。

•RLC 層負責將資料透過空中介面傳送的過程，使用選擇性重送（selective ARQ）的錯誤更正的程序，提供可靠的邏輯無線電連結傳輸。

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BSS ↔ SGSN

BSS ↔ SGSN• Frame Relay• Network Service• BSSGP (BSS GPRS Protocol)• Relay

BSS ↔ SGSN• LLC (Logic Link Control)• SNDCP (SubNetwork-Dependent Convergence

Protocol) in transmission plane• GMM (GPRS Mobility Management ) in signaling

plane

•NS (Network service) 利用下層 frame relay 建立起 BSS 與 SGSN 間的 Virtual Connection (NS-VC), NS 便是在管理 NS-VC 以提供上層 BSSGP 傳送 BSSGP PDU. •GPRS 所特有的基地台 GPRS 協定（BSS GPRS protocol 或 BBSGP），負責在 GPRS 服務支援節點與基地台之間傳送路由與 QoS 資訊的工作，並提供上層邏輯連結控制層傳遞的服務。

•在 BSS 上, BSSGP 的 Relay function 是必須提供 RLC/MAC (MS↔BSS) 與 BSSGP (BSS↔SGSN) 之間的 buffering 及 parameter mapping 功能, 已轉送 SGSN 與 MS 間的 packet. 此外, BSSGP 也要執行 mobility management (如通知 cell to page MS, 會指示 MS 更新Routing Area) 與 network management (如管理 BSS 與 SGSN, downlink flow control, QoS link) 的相關工作.

•在 layer 2 的 LLC 要提供服務, 使 MS 與 SGSN 間能有可靠的第三層連結:•Flow control, sequence control, error detection and recovery•提供 ciphered data link, QoS delay class, ack/unack mode

•In transmission plane, LLC 上層是 SNDCP. 在 SGSN 及手機之間，LLC 與上層的溝通是透過子網路依據收斂協定（subnetwork-dependent convergence protocol 或 SNDCP）來完成。

•SNDCP將上層網路的需求，對應到下層的邏輯連結控制層（logic link control 或 LLC），來達成協定轉換的工作。

•SNDCP 的工作可包括 multiplexing, segmentation, reassembly, compression.

•In signaling plane, LLC 上層是 GMM, 換言之, LLC 要提供服務給 GMM 的相關功能, 如手機做 attach, 認證, 傳送 session 管理的訊號( ex: for PDP context activation/ deactivation), 都是在 LLC layer. GMM 利用在 LLC 上的資訊, 才能讓 MS 與 SGSN 互傳訊息.

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GGSN ↔ SGSN

IP-based networkGTP (GPRS Tunnel Protocol)• Routing• QoS

•在 GTP 之下的則是採用 TCP 或 UDP（User Datagram Protocol）及 IP 路由的方式，作為傳輸的骨幹。

•在 GPRS 網路上，封包的發送端與接收端這兩個的 GPRS 支援節點之間，使用所謂的 GPRS 隧道協定（GPRS Tunnel Protocol或GTP）。

•它主要的功用是透過附加路由資訊（包裝）的方式，將上層的 X.25 或 IP 應用程式的協定數據單元包裝起來，經由 GPRS 骨幹網路來傳送。

•並依據應用程式的需求，提供不同服務品質（Quality of Service 或QoS）。

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GPRS Air Interface

•介紹 GPRS network 的 air interface Um (BSS↔MS), 各種邏輯通道所代表的含意與使用時機, GPRS 管理這些無線電通道的基本精神 .

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Um Interface (MS↔BSS)

Um describes the radio interface between the MS and the BTS.• gsm03.64

GPRS radio technology is based on the GSM radio architecture, which introduce new logical channel structure to control signalingand traffic flow over the Um radio interface.

• GPRS 空中介面協定主要是規定手機與基地台之間，實體層、MAC 層以及RLC 層彼此之間在相互通訊時所必須遵守的協定。

•對於分封數據服務而言，它最大的特色就是單向、短暫的傳輸，而不再是語音這樣雙向、對稱、固定資料量大小的傳輸。為提供非對稱性（asymmetric）、高速率的數據傳輸服務， GPRS 的上行、下行通道基本上是獨立運作的，並依據用戶實際的需求，動態配置頻道，確保無線電資源有效的使用。

•針對 GPRS 所需要的分封數據邏輯通道（packet data logic channel），它們所提供的功能其實與現有 GSM 網路所提供的是一樣的，只是為了要區別分封數據服務與現有的 GSM 線路交換服務，所以特別使用不同的邏輯通道名稱來定義其功能。

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Radio Channel Structure

The physical channel dedicated to packet data traffic is called a packet data channel (PDCH).Different logical channels can occur on the same PDCH.

•專門用於 packet data 的那些實體層通道 (physical channel) 統稱稱為 PDCH 。

•PDCH 再分別為各邏輯通道所使用。

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Logical Channel Map

LogicalChannels

PCCCH

PBCCH

PPCH

PRACH

PAGCH

PNCH

PTCCH

PTCHPDTCH

PACCH

•這是邏輯通道的關係圖:

•分封共用控制通道（packet common control channel 或 PCCCH），是為了剛要開始建立GPRS數據通訊服務時，所有手機間共享的通訊通道，又可細分為幾類。

•封包傳呼通道（packet paging channel 或 PPCH）用於網路端下行呼叫手機。

•在分封隨機擷取通道（packet random access channel 或 PRACH）這個上行的通道上，每個用戶都能透過隨機存取的程序自由地傳送各自的數據通道請求。

•分封擷取允諾通道（packet access grant channel 或 PAGCH）用於網路下行通知手機所分配到的資源。

•分封通知通道（packet notification channel 或 PNCH）用於網路下行通知一群手機（即單點對多點的服務）所分配到的資源。

•分封廣播控制通道（packet broadcast control channel 或 PBCCH）是一個下行通道，提供GPRS用戶此基地台的系統資訊。

•分封時間預先控制通道（packet timing advance control channel 或 PTCCH ）分成 uplink 與 downlink 兩種

•Packet timing advance control channel in the uplink direction (PTCCH/U) 讓 MS 傳送 random access burst 的通道. BSS 利用此random access burst 便可估計出 time advance (TA). BSS 再利用 Packet timing advance control channel in the downlink direction (PTCCH/D) 傳送 TA updates 給 MS.

•分封傳輸通道（packet traffic channel或PTCH）分成兩類，可上行與下行。

•PDTCH分封數據通道（packet data traffic channel或PDTCH）是傳送資料的通道。

•PACCH分封相關控制通道（packet associated control channel或

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GPRS Uplink

Packet Channel Request

Packet Immediate Assignment

Packet Resource Request

Packet Resource Assignment

(Optional)

(Optional)

MS Network

PRACH or RACH

PAGCH or AGCH

PACCH

PACCH

•此圖解釋 MS 想要取得一個上行分封數據通道的流程。

•當手機想利用 GPRS 傳送數據時，必須透過 PRACH 送出分封通道請求（packet channel request）來爭取通道的使用權。

•網路端將分配給此手機一些分封數據通道，透過分封即刻分配（packet immediate assignment）的訊息來通知用戶，此時就可以開始傳送資料。

•對於需要較高速數據服務的用戶而言，其用戶相關資訊與對頻寬的需求，可以在 PACCH 通道上送出分封資源請求（packet resource request）來告知網路，網路會衡量網路目前的狀況，以分封資源分配（packet resource assignment）的訊息，分配較多的 PDCH 給手機。

•這個預留給這個手機的 PACCH 通道，使這個用戶不需要再透過PRACH的隨機存取競爭過程，就直接的可以將分封資源請求送給網路。

•整個可以只有第一與第二個訊號 (稱為 phase 1) ，或是再加上第三與第四個訊號 (稱為 phase 2，optional) 。

•如果 GPRS 並沒有分配 PDCH 做為 PRACH 或 PAGCH，MS 便會使用 GSM 的 RACH 與 AGCH。

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GPRS Downlink

Packet Channel Request

Packet Immediate Assignment

Packet Paging Response

Packet Resource Assignment

MS Network

PRACH or RACH

PAGCH or AGCH

PACCH

PACCH orPAGCH or AGCH

Packet Paging RequestPPCH or PCH

•當網路端如果有資料要傳送給用戶的時候，此圖說明了下行分封數據通道取得的流程。

•網路端首先必須在 PPCH 上呼叫手機，稱為分封呼叫申請（packet paging request）。

•而手機需取得上行的 PRACH ，回覆網路並送出分封通道請求（packet channel request）。

•此時網路將透過 PAGCH 的分封即刻分配訊息，保留一個 PACCH 通道給手機。

•此時手機可以將其分封呼叫回應（packet paging response）送回來。

•最後當網路端確認無誤之後，以分封資源分配訊息通知手機分封數據通道的資訊，可以開始傳送資料給用戶了。

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GPRS Core Network

•這一部份說明 GPRS core network 上如何管理 MS 的運作, 包括 MM (mobility management) , PDP context 和 QoS profile的概念.

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GPRS Service Domain

The core network consists of two service domains:• Circuit-switched service (CS) domain• Packet-switched service (PS) domain

GPRS Terms• Mobility Management (MM) context• Packet Data Protocol (PDP) context• Quality-of-service (QoS) profile

•CS domain 就是一般 GSM 語音的服務。

•PS domain 就是想要傳送 packet 的服務。

•在這裡我們將介紹 3 個重要的 GPRS 名詞: MM context，PDP context，和 QoS profile 。•要建立連線傳送 package ， 一定會先建立這 3 個內容。

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Location Tracking

In the CS domain• Cells are partitioned into location areas (LAs).• The LA of an MS is tracked by the VLR.

In the PS domain• Cells are partitioned into routing areas (RAs).• An RA is typically a subset of an LA.• The RA of an MS is tracked by the SGSN.• SGSN also tracks the cell of an MS when packets

are delivered between the MS and the SGSN.

•MS 可能同時在 CS domain 與 PS domain 上運作，因此會分別有不同的location 記錄，分開做 mobility management 的資訊。

•如果 MS 與 CS domain 連上 (i.e., 與 GSM MS 相同) ， 稱為 IMSI-attached。

•這時以 LA 做為記錄 MS 位置的基本基本單位, 記錄於 VLR 上。

•如果 MS 與 PS domain 連上, 稱為 GPRS-attached。

•這時以 RA 做為記錄 MS 位置的單位。

•MS 與 SGSN 都會有 MS 狀態的記錄。

•如果 MS 正在傳送數據, SGSN 會以 cell 為單位追蹤 MS。

35

Mobility Management

Mobility Management (MM) finite state machine• Exercised in both the SGSN and the MS.

Three states in the state machine: • IDLE: MS is not known to GPRS.• STANDBY: MS is attached to GPRS. MS is

tracked by the SGSN at the RA level.• READY: MS is tracked at the cell level. Packet

data units can only be delivered in this state.

•MM state 用於描述 MS 在 GPRS 網路上目前 mobility 的狀態, 有三種 states:•Idle state: 代表 MS 尚未與 GPRS mobility management 建立起連繫(not GPRS-attached) 。•Standby state: 代表 MS 已與 GPRS MM 連繫，但只保留部份的location 資訊 (GPRS-attached) 。•Ready state: 代表 MS 已與 GPRS 連繫，且有詳細記錄到 MS cell 位置的資訊 (GPRS-attached) 。

•當 MS 想要傳送 data 時, 就要進行 GPRS-attached procedure。

•MS 與 SGSN 會記錄 MS 進入 Ready state，分別會建立保存一份 MM context，之後可以做 authentication/ciphering。

•在 GPRS-attached 的狀況下，MS 與 SGSN 之間會存在邏輯上的連結。

•為什麼要 GPRS 分成 2 種 location tracking (Standby: RAs v.s. Ready: cells)•基本上，在 Ready state，SGSN 知道 MS 所在的 cell，所以當有 packet 要傳給 MS, paging cost 低但 location update cost 高。

•MS 每跨一個 cell 都要做 location update。

•相反的，在 Standby state, SGSN 知道 MS 所在的 RA，所以當有 packet 要傳給 MS，paging cost 高但 location update cost 低。

•MS 跨 RA 時才要做 location update。

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Mobility Management (MM) Context (1/2)

The MM context consists• MM state• Other MM-related information• Both in MS and SGSN

Note that a GPRS MS can be• IMSI-attached and GPRS-attached• GPRS-attached only• IMSI-attached only

The IMSI attach is the same as that for a GSM MS.

•MS 及 SGSN 存放的 MM Context 內含 MM state 及 MM-related information。

•Note: GPRS MS•可同時連繫 GSM 網路 及 GPRS 網路 (IMSI-attached and GPRS-attached) 。•或連繫其中一種 (IMSI-attached 或 GPRS-attached) 。

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Mobility Management (MM) Context (2/2)

In GPRS attach procedure• Step 1: Both the MM states in MS and the SGSN

are moved to the READY state.• Step 2: An MM context is created in each of MS

and SGSN.• Step 3: Authentication/Ciphering may be

performed.• Step 4: A logical link is established between MS

and SGSN.

•MS 在 IDLE state 時，不允許做任何關於 MM procedure。

•當啟動 GPRS-attach，就會由 IDLE state 變成 READY state。

•此時才建立起 MM context，分別在 MS 與 SGSN 各有一MM context。•接下來進行 authentication，ciphering。

•MS 與 SGSN 建立起 logic link, 從 MS 做 GPRS attach (Ready, Standby) , 到GPRS detach (進入 idle), 中間稱為一個 session。

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Mobility Management State Machine

T1 (Idle→Ready): MS perform GPRS attach.T2 (Ready→Idle): MS is detached from the GPRS.T3 (Idle→Ready): MS sends a packet to SGSN.T4 (Idle→Ready): a Ready timer is timeout.T5 (Idle→Ready): when tracking of MS is lost.

Idle

Standby

Ready

T1

T3T4

T5

T2

•T1 到 T5 只是一個名稱, 代表狀態改變的路徑:•T1 可由 MS 啟動。

•T2 可由 MS 或 SGSN 啟動此轉變。

•T3 可由 MS 動此轉變，也可能是因為 SGSN page MS，所以 MS 才 sends packet 。•T4 可由 MS 或 SGSN 啟動此轉變，在 MS 與 SGSN 都有一個 Ready timer ，若在 timeout 前 MS 都未再送出 packet，則會轉到 Standby state 。

•只有 SGSN 才可以改變 READY timer 的長度。

•透過 Attach Accept 和 Routing Area Update Accept 等訊息，通知 MS 關於 timer 的值。

•有些 paper，在探討 SGSN 不使用 Ready timer ，而可以算 MS 已經移動多少 cell, 超過某一設定值才換成 Standby 。

•T5: 當 SGSN 無法追蹤到 MS，SGSN 會啟動 state machine，轉成 Idle state。 此外若 HLR 送給 SGSN 一個 Cancel Location 的訊號 (MS 移到其他 SGSN 的管轄範圍) ， 也會到 Idle state 。

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STANDBY States

MS is attached.• Detect page for GPRS data or signaling• No data transmission allowed• May initiate GPRS detach procedure to back to Idle.• Change to Ready when data or signaling is sent

(page response, PDP context activation...)• May initiate activation or deactivation of PDP context• Not inform the SGSN on a change of cell in the same

RA• Perform GMM Routing Area update procedure• Perform GPRS cell selection and re-selection locally

•MS 做 GPRS-attached 的動作，MS 進入STANDBY 的狀況下，有下面這些特點:•在 STANDBY 狀態下，MS 開始會隨時偵測是否有被呼叫要傳送資料或訊號。

•但此時仍不可以進行資料傳輸 (只有在 READY 才能傳送資料) 。•如果想要傳送資料，可以進行 PDP context activation。

•也可以讓已經進入 ACTIVE 的 PDP context 回到 INACTIVE。

•一旦 MS 要傳送 data (PDP context 進入 ACTIVE) ，或是 MS 被呼叫，就會自動進入 READY 狀態。

•相反的，如果執行 GPRS-detach，就會結束 MM 上的連接，回到 Idle 狀態。

•對於追蹤 MM 的位置，SGSN 只記錄到 MS 所在 RA 的位置。因此當 MS 跨越 RA 時，會執行 GMM Routing Area update procedure。

40

READY States (1/2)

MS is attached or attaching.• Perform GPRS cell selection and re-selection locally

or controlled by the network• Perform cell update, but if RA changed, perform RA

update• BSSCP header of the data packet include

CGI+RAC+LAC• May send and receive PDP PDUs.• NWK will not initiate GPRS pages for an MS in this

state• Cs pages may be done via SGSN

•MS 做 GPRS-attached 的動作，MS 進入 READY 的狀況下，有下面這些特點:•GPRS 網路執行 GPRS cell selection 及 re-selection•當跨越 cell 時，會執行 cell update，跨越 RA 時，會執行 RA update。

•資料封包外層的 BSSCP header 包含

•CGI (Global Cell Identity)•RAC (Routing Area Code)•LAC (Location Area Code)

•可發送及接受 PDP PDUs 。

•網路不會再為處於READY state 的手機起始 GPRS 呼叫。

•CS Page: SGSN 可接受由 MSC 發來的 Calls 或 SMS 的連線要求，並經由GPRS Channel 呼叫被呼的手機，手機隨後使用一般的 GSM Channel 回應呼叫。

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READY State (2/2)

Other futures:• May activate or deactivate PDP contexts• Move to Standby when Ready timer expires or

force to Standby• Move to Idle after detach

•其它的特性:•如果想要傳送資料，可以進行 PDP context activation。

•也可以讓已經進入 ACTIVE 的 PDP context 回到 INACTIVE。

•當 Ready State 的 timer 結束時，MS 會回到 Standby 狀態。

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PDP (Packet Data Protocol)

To create a data transmission path, MS initiate PDP Context Activation procedure.• Two PDP states: ACTIVE or INACTIVE.• PDP context in ACTIVE state contains

mapping and routing information for packet transmission between MS and GGSN.

The PDP contexts stored in MS, HLR, SGSN, and GGSN.

Active

Inactive

•對於每一條 GGSN 與 MS 間傳送封包的連結，都會在各個節點建立起相對應的 PDP context 以描述這個 session 。

•MS，HLR，SGSN 與 GGSN 都會有 PDP context 。•進行資料傳輸前，MS 一定要先做 PDP context activation procedure 。最後做 PDP context deactivation 。•PDP context 有兩種狀態: ACTIVE 與 INACTIVE 。

•建立起 PDP context，GGSN 才會知道 MS 的存在，也才可能讓 MS 與外界網路通訊。

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PDP Context

A PDP context is created for each communication session.• An MS in STANDBY or READY MM state may

activate a PDP context.MS moves its PDP state from INACTIVE to ACTIVE. T MS is known to the GGSN

• The ACTIVE PDP context becomes INACTIVE when the PDP context is deactivated.

• When the MS is detached from GPRS, all PDP contexts are deactivated.

•當 MS 在 STANDBY 或 READY 的 MM state 時，可以開啟 PDP context ，而且令 PDP context 由 INACTIVE 改為 ACTIVE 。經過這樣的程序後，GGSN 才有 MS 的記錄，可以傳送資料到外面的網路。

•一個 MS 可以有許多的 PDP context ，分別是不同的 session 。•雖然是同一個 MS, 但不同 PDP context 必需使用不同 IP address，所以必須 terminal 要有支援 Multiple IP addresses 。

•可以對 ACTIVE PDP context 做 deactivated 程序時，就會由 ACTIVE 回到INACTIVE state 。•如果 MS 做 GPRS-detached，所有的 PDP contexts 都會作廢。

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QoS Profile

A QoS profile is maintained in the PDP context to indicate radio and network resources required for data transmission. Each PDP context has an associated QoSthat negotiated during PDP context activation procedure.QoS attributes includes• Precedence class, Delay class, Reliability class,

Peak throughput class, Mean throughput

•QoS profile 中的 attributes 包括下面:•Precedence class: 有 3 種傳送等級的優先權，如果遇到 congestion，最低等級的封包將最先被丟棄。

•Delay class: 傳送 128 的位元組，所期望的傳輸速度有 4 種延遲等級的優先權，包括 class 1 的 delay 小於 0.5 sec, class 2 的 delay 小於 5 sec, class 3 的delay 小於 50 sec 與 class 4 的 best-effort (沒有指定任何傳輸速度的限制) 。•Reliability class: 定訂關於 data loss ， out-of-sequence ， corrupted data 等error rates 的等級，共有 5 種。

•Reliability class 1 支援 acknowledgement for GTP mode ， LLC frame mode 和 RLC block mode ，而且 LLC data 受到保護。

•Reliability class 5 是全部未支援 acknowledgement 且 LLC data 未受到保護。

•Peak throughput class: 設定期望的最大資料傳輸速率 (maximum data transmission rate). 9 種等級從 8Kbps 到 2,048 Kbps 。•Mean throughput: 指定平均的資料傳輸速率 (average data transmission rate). 19 種等級從 best-effort 到111 Kbps 。

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Reliability - QoS

Real-time traffic, error non-sensitive application that can cope with data loss.

UnackUnprotectedUnackUnack5

Real-time traffic, error-sensitive application that can cope with data loss.

UnackProtectedUnackUnack4

Non real-time traffic, error-sensitive application that can cope with data loss, GMM/SM, and SMS.

AckProtectedUnackUnack3

Non real-time traffic, error-sensitive application (cope with infrequent data loss).

AckProtectedAckUnack2

Non real-time traffic, error-sensitive application (cannot cope with data loss)

AckProtectedAckAck1

Traffic TypeRLC Block Mode

LLC Data Protection

LLC Frame Mode

GTP Mode

Reliability Class

•這張表格說明五種 reliability classes 的作業方式。

•Ack 代表要求 Acknowledgement, Unack 代表不需 Acknowledgement。•Protected 代表此 LLC Data 加以保護。

•Traffic Type 說明每一種 class 適合那一類需求的應用。

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Relationship between MM Context, PDP Context, and QoS Profile

•MM Context 含有零個或多個 PDP Context 。•QoS Profile 由 PDP Context 負責 maintain，當 PDP Context 被 ACTIVATE 時，手機會與 GPRS網路會協商出一個 “QoS Profile negotiated” ，以表示目前所能使用的 radio 及 network resources 狀態。

47

Summary

GPRS ArchitectureGPRS Air InterfaceGPRS Core Network