3 – Tecnologia GPRS
Com a evolução da internet, os usuários de telefones móveis não ficariam satisfeitos apenas com a telefonia celular. Querem também passar e-mails, receber informações, e outros serviços oferecidos pela internet. Querem, em suma, acessar a internet através do celular.
O problema é que a segunda geração de celulares preparou-se para oferecer telefonia digital, mas não para acessar à internet. A internet transporta dados por pacotes, através do protocolo IP e para que a rede móvel seja adaptada à internet, é preciso que os dados sejam organizados também em pacotes.
Foi criada então a tecnologia GPRS (General Packet Radio Services), cuja essência é possibilitar o tráfego de dados por pacotes para que a rede de telefonia celular possa ser integrada à internet. O sistema GSM com o GPRS integrado recebeu o nome de geração 2.5G, que foi uma evolução essencial nas telecomuniucações.
3.1 – Comutação de circuitos X comutação de pacotes
A comunicação através de comutação de circuitos é feita basicamente da seguinte forma : uma conexão entre as duas entidades comunicantes é alocada, de forma a estar sempre disponível; a comunicação é feita, então, de forma ininterrupta.
A comunicação por comutação de pacotes é diferente : a origem envia uma informação para a rede dentro de um pacote, que leva o endereço de destino no seu cabeçalho. O pacote é então transmitido pela rede, que é responsável por escolher o melhor caminho até o destino.
A internet é baseada na comutação de pacotes, enquanto o sistema GSM foi inicialmente estruturado na forma de comutação de circuitos. A rede GPRS tem o objetivo de se comunicar por comutação de pacotes com a rede GSM. Os outros componentes da rede GSM, implementados na geração 2G, continuaram utilizando a comutação de circuitos.
A figura abaixo representa a comutação de circuitos e de pacotes na rede GSM:
3.2 – Arquitetura GPRS
A arquitetura GPRS utiliza toda a estrutura já montada na rede GSM, incluindo-se novos elementos de rede e interfaces, além de modificar alguns já existentes, como mostra a figura a seguir.
As principais modificações foram :
- MS : as MSs da geração 2G não conseguem acessar o sistema de comutação por pacotes. As novas MSs são totalmente compatíveis com o sistema de comutação de circuitos;
- BTS : Atualização de software nas BTSs existentes;
- BSC : Atualização de software e instalação de hardware novo, chamado PCU (Packet Control Unit – unidade de controle de pacote), que direciona o tráfego de dados para a rede GPRS;
- SGSN e GGSN : novos elementos de rede, chamados servidor do nó de suporte GPRS (Serving GPRS Support Node – SGSN) e Gateway do nó de suporte GPRS (Gateway GPRS Support Node - GGSN);
- VLR, HLR, AuC, EIR e demais bases de dados : atualização do software que forneça as funções do GPRS.
3.2.1 – Novos elementos e serviços
3.2.1.1 – Unidade de controle de pacote (Packet Control Unit - PCU)
Todos os BSCs exigem a instalação de um PCU para se integrarem à rede GPRS. Os PCUs organizam os dados vindos da BSC em pacotes e transportam-no até o servidor do nó de suporte GPRS (SGSN). O tráfego de voz continua sendo tratado como na geração 2G, ou seja, do BSS até a MSC.
3.2.1.2 – Servidor do nó de suporte GPRS (Serving GPRS Support Node – SGSN)
Tal como a MSC era o coração de uma rede GSM, o SGSN é o coração da rede GPRS. Em última análise, o advento do GPRS dividiu o tráfego de voz e dados (que era junto, no sistema GSM) em tráfego de voz, que continua sendo tratado como antes, e tráfego de dados, tratado pela nova arquitetura GPRS.
As funções do SGSN são :
- Detecção de novos usuários GPRS na área de serviço;
- Registros de novos usuários;
- Criptografia, com os mesmo algoritmos da rede GSM 2G;
- Manutenção dos registros de localização dos usuários na área de serviço;
- gerenciamento de mobilidade;
- Compressão dos dados de acordo com a RFC 1144, para comprimir o cabeçalho das unidades de dados TCP/IP;
- Tarifação das transações na rede local;
- Comunicação com o HLR, para obter dados dos usuários GPRS (da mesma forma que a MSC, na geração 2G).
3.2.1.3 – Gateway do nó de suporte GPRS (Gateway GPRS Support Node – GGSN)
Provê a conexão com as redes de pacotes externas. As principais funções são :
- Manter informações de roteamento para entregar as unidades de protocolo de dados (Protocol Data Unit – PDU) ao SGSN que serve uma determinada MS;
- Associar endereços de rede aos assinantes, o que é feito através do protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol – protocolo de configuração dinâmica de host);
- Tarifar as transações feitas na rede externa.
Quando um usuário tenta acessar a rede, o servidor DHCP aloca um IP por um intervalo de tempo determinado, o que é chamado atribuição dinâmica de endereço IP.
3.2.1.4 – Serviço “Nome do ponto de acesso” (Access Point Name - APN)
Basicamente, APNs são endereços IP associados a cada interface externa que conecta a rede ao GGSN. São usados para definir quais serviço podem ser acessados por um certo usuário. Consiste de:
- Identificador de rede APN (Network ID) : identifica o GGSN e o nó externo ou serviço ao qual o usuário deseja se conectar;
- Identificador da operadora APN (Operator ID) : campo opcional que identifica em qual rede backbone GPRS o GGSN está localizado. Inclui o código da rede móvel (Mobile Network Code – MNC) e o código móvel do país (Mobile Country Code – MCC), derivados do IMSI (ver tópico “Identidades de um usuário em um sistema GSM”).
3.2.2 – Interfaces
As interfaces do sistema GPRS estão esquematizadas na figura que mostra a arquitetura GPRS, e descritas na tabela abaixo.
3.2.3 – Redes backbone GPRS
As redes backbone GPRS transportam dados por pacotes entre os elementos GPRS. Uma rede backbone intra-PLMN transporta dados entre elementos de uma mesma PLMN, enquanto as redes inter-PLMN transportam pacotes entre PLMNs distintas. Sua principal utilidade é eliminar a necessidade de usar alguma PDN para realizar a comunicação entre elementos de uma PLMN (intra PLMN) ou entre PLMNs distintas (inter PLMN).
3.2.4 – Protocolos
Abaixo serão descritos, de forma simplificada, os protocolos principais da rede GPRS. É importante lembrar que, no nível de rede, a rede GPRS usa os protocolos da internet, TCP, UDP, IP, PPP, entre outros de interface com o computador. Abaixo a figura ilustra as camadas de protocolos na rede GPRS.
3.2.4.1 – Camada SNDCP
O protocolo de convergência dependente da sub-rede (SubNetwork Dependent Convergence Protocol – SNDCP) é responsável por interfacear MS e SGSN, e visa o suporte aos protocolos de dados por pacotes. Recebe o N-PDU vindo da camada de rede, e transforma em SN-PDU, para passá-lo ao protocolo LLC.
Nas figuras abaixo estão descritos os formatos da unidade SN-PDU.
3.2.4.2 – Camada LLC
O protocolo de controle de enlace lógico (Logical Link Control – LLC) opera na interfaces aérea e Gb, para prover o enlace entre MS e SGSN. Suas funções são :
- Encapsular dados da camada SNDCP em unidades tratadas pelo LLC;
- Entregar os dados da camada RLC à SNDCP na ordem certa;
- Criptografar;
- Controlar o fluxo de dados e a seqüência de pacotes;
- Detectar e corrigir erros.
3.2.4.3 – Camadas RLC/MAC
A camada de protocolo de controle de rádio (Radio Link Control – RLC) segmenta os quadros LLC em blocos RLC, associando um número de seqüência por bloco (Block Sequence Number – BSN).
A camada de protocolo de acesso ao meio (Medium Access Control – MAC) trata os diferentes canais lógicos a serem compartilhados por várias MSs. Sua principal função é definir como deve ser feito o acesso ao meio, o que corresponde à função da camada de enlace do modelo OSI. Provê também mecanismos que evitam colisões de dados por pacotes no enlace reverso, o que acontece quando várias MSs enviam pacotes para uma mesma BTS.
3.2.5 – Canais lógicos
O canal físico dedicado ao serviço GPRS, portanto, destinado ao transporte de dados por pacotes, é o canal de dados por pacotes (Packet Data CHannel – PDCH).
Os canais lógicos são divididos em três grupos :
- Canais de controle comum de pacote (Packet Common Control CHannel – PCCCH);
- Canais de tráfego de pacote (Packet Traffic CHannel –PTCH);
- Canais dedicados de controle de pacote (Packet Dedicated Control CHannels – PDCCH).
A figura abaixo ilustra os canais lógicos da arquitetura GPRS.
Grupo de canais de controle comum de pacote (Packet Common Control CHannel – PCCCH) : formado por canais lógicos de sinalização, usados por todos os usuários, e não de forma dedicada. Os canais são :
- Canal de acesso randômico de pacote (Packet Random Access CHannel – PRACH) : atua no enlace reverso para que a MS sinalize o início do envio da informação;
- Canal de busca de pacote (Packet Paging CHannel – PPCH) : atua no enlace direto, para buscar uma MS e pedir dela um pacote;
- Canal de permissão de acesso de pacote (Packet Access Grant CHannel – PAGCH) : atua no enlace direto, para estabelecer a transferência de um pacote para a MS;
- Canal de notificação do pacote (Packet Notification CHannel – PNCH) : atua no enlace direto, para enviar uma informação em multicast para um conjunto de MSs;
- Canal de controle broadcast de pacote (Packet Broadcast Control CHannel – PBCCH) : atua no enlace direto, para enviar em broadcast informações específicas sobre o sistema.
Grupo de canais de tráfego de pacotes (Packet Traffic CHannel – PTCH) : formado por canais de tráfego. O canal de tráfego é chamado canal de tráfego de dados por pacote (Packet Data Traffic CHannel – PDTCH), que é dividido em dois canais unidirecionais, o PDTCH/U (Uplink), que envia pacotes no enlace reverso, e o PDTCH/D (Downlink), que envia pacotes no enlace direto.
Grupo de canais dedicados de controle de pacotes (Packet Dedicated Control CHannels – PDCCH) : formado por canais lógicos que transportam informação de sinalização para uma MS específica. Os canais são :
- Canal associado de controle de pacote (Packet Associated Control CHannel – PACCH) : leva informação de sinalização relacionada a uma determinada MS, como controle de potência, por exemplo;
- Canal de controle de avanço de tempo de pacote do enlace reverso (Packet Timing advance Control CHannel/Uplink – PTCCH/U) : canal do enlace reverso, usado para estimar o avanço de tempo de uma MS específica, para transferência de pacotes. Esse avanço varia com a variação da distância da MS à BTS;
- Canal de controle de avanço de tempo de pacote do enlace direto (Packet Timing advance Control CHannel/Downlink – PTCCH/D) : leva informações sobre avanço de tempo, da BTS para várias MSs. Cada PTCCHD/D está, portanto, relacionado a vários PTCCH/Us.
Note que alguns canais lógicos GPRS possuem a mesma funções de outros canais da rede GSM, mas adaptados para a transferência de dados por pacotes. A seguir, alguns canais GPRS e os GSM correspondentes: PRACH e RACH, PPCH e PCH, PAGCH e AGCH, PNCH e NCH, PBCCH e BCCH. Dependendo da configuração da rede, os canais de controle GPRS podem ser substituídos pelo seu equivalente GSM.
3.2.5.1 – Mapeamento dos canais lógicos nos canais físicos
Os canais lógicos PDCH são implementados no canal físico através da estrutura de multiquadro, de 52 quadros.
A estrutura de um multiquadro está representada abaixo, onde os blocos de rádio carregam o canal lógico. A operadora pode especificar quais canais lógicos serão transportados em cada bloco.