GPRS

Indice1. Introducción 2. Protocolo3. Arquitectura de la red5. Calidad del Servicio6. Uso simultáneo de los servicios GSM y GPRS7. Bibliografía

1. Introducción

La red GSM prevé unos servicios de transmisión de datos desde la fase inicial (fase 1). Sin embargo, se trata de servicios con modalidad de transferencia por conmutación del circuito, es decir, donde la red, una vez establecida la conexión física de cabo a rabo entre dos usuarios, dedica los recursos propios hasta que no es solicitado expresamente el establecimiento de la conexión, independientemente del hecho de que los dos usuarios se intercambien datos durante todo el tiempo de conexión. Esta modalidad de transferencia es óptima sólo en el caso en que los dos usuarios tengan que intercambiarse una cantidad significativa de datos (transferencia de ficheros o archivos); resulta ineficiente en cuanto los datos a intercambiarse son de pequeña entidad o bien, en el caso más frecuente, el tráfico de datos es de tipo interactivo o transitorio, es decir, el tiempo de uso efectivo de los recursos de la red supone sólo una parte con respecto al tiempo total de conexión (como, por ejemplo, la navegación en Internet a través de la World Wide Web). Es decir, se crea el mismo problema para el GSM que para la PSTN (Public Switsched Telephone Network) hace unos años: prever una modalidad de transferencia por paquetes de datos, en la que los datos de los usuarios, contenidos en entidades de protocolo autosuficientes con indicación del remitente y del destinatario, pueden ser transportados por la propia red sin necesidad de una estrecha asociación con un circuito físico. Ya se ha dado un paso intermedio en esa dirección con el GSM de fase 2, previendo servicios con acceso a las puertas pertinentes de la red PSPDN (Public Switched Packet Data Network). Sin embargo, siempre es necesario establecer una conexión física (por conmutación del circuito) en la red de radio, incluso cuando se accede a un canal virtual de la red de paquetes. El resultado de ello es que el recurso de radio es igualmente infrautilizado y el usuario ocupa un canal de tráfico (por cuyo uso tendrá que pagar presumiblemente por el tiempo empleado), para conectarse a otra red en la cual, sin embargo, la información no viaja a un rendimiento fijo (y el transporte relativo se suele pagar en base al volumen de datos transportados). Con el sistema GPRS (General Packet Radio Service), introducido por ETSI (European Telecommunication Standard Institute) para la fase 2+ del sistema GSM, el acceso a la red de paquetes se lleva al nivel del usuario del móvil a través de protocolos como los TCP/IP (Transmission Control Protocol), X.25, y CLNP (Connectionless Network Protocol), sin ninguna otra necesidad de utilizar conexiones intermedias por conmutación del circuito. Al contrario que el servicio de transferencia de datos con modalidad de conmutación de circuito, en el que cada conexión establecida se dedica sólo al usuario que la ha solicitado, el servicio GPRS permite la trasmisión de paquetes en modalidad link by link, es decir, los paquetes de información se encaminan en fases separadas a través de los diversos nodos de soporte del servicio , denominados GSN (Gateway Support Node). Por ejemplo, una vez que un paquete ha sido transmitido por el interfaz de radio (Um), se vuelven a liberar los recursos Um, que así pueden ser utilizados por algún otro usuario y el paquete se vuelve a enviar sucesivamente de nodo a nodo hacia su destino. En los servicios GSM los recursos son gestionados según la modalidad resource reservation, o sea, se emplean hasta el mismo momento en que la petición de servicio no se ha llevado a término. En el GPRS, sin embargo, se adopta la técnica del context reservation, es decir, se tiende a preservar las informaciones necesarias para soportar ya sea las peticiones de servicio de forma activa o las que se encuentran momentáneamente en espera. Por tanto, los recursos de radio se ocupan, en efecto, sólo cuando hay necesidad de enviar o recibir datos. Los mismos recursos de radio de una celda se dividen así entre todas las estaciones móviles (MS), aumentando notablemente la eficacia del sistema. El servicio GPRS, por tanto, está dirigido a aplicaciones que tienen las siguientes características:

Desde el punto de vista físico los recursos pueden ser reutilizados y existen algunos puntos comunes en la señalización, así en el mismo portador radio pueden coexistir simultáneamente tanto los time slots reservados a la conmutación del circuito, como los time slots reservados al uso del GPRS. La optimización en el empleo de los recursos se obtiene a través de la repartición dinámica de los canales reservados a la conmutación del circuito y de aquellos reservados al GPRS. Cuando se presenta una llamada de voz hay tiempo suficiente para liberar los recursos usados por el GPRS, de tal forma que la llamada por conmutación de circuito a mayor prioridad, pueda ser efectuada sin problemas. El nodo de soporte GSN (Gateway Support Node) del GPRS es el elemento principal de la infraestructura. Este router puede proporcionar la conexión y el inter-trabajo con otras redes de datos, puede administrar la movilidad de los usuarios a través de los registros del GPRS y es capaz de entregar los paquetes de datos a las estaciones móviles, independientemente de su posición. Físicamente el GSN puede estar integrado en el MSC (Mobile Switching Center) o puede ser un elemento separado de la red, basando en la arquitectura de los routers de las redes de datos. Los paquetes de datos del usuario pasan directamente entre el GSN y el BSS (Base Station Subsystem), gracias a la señalización que acontece entre GSN y el MSC.

2. Protocolo

El protocolo GPRS es un protocolo de nivel tres, transparente para todas las entidades de red comprendidas entre el terminal móvil MT y el nodo GSN al que el móvil está, lógicamente, conectado; las entidades entre las que se establece una conexión a este nivel están, de hecho, localizadas en el terminal móvil MT y en el nodo GSN. Este protocolo soporta tanto el intercambio de informaciones de control como de paquetes PDP-PDU (Packet Data Protocol – Protocol Data Unit) entre el móvil y el nodo al que éste está conectado (los PDP-PDU son, de hecho, encapsulados en las tramas GPRS). El formato de una trama GPRS prevé los siguientes campos:

• identificador del protocolo GPRS
• identificador del protocolo de los PDU (identificador de PDP)
• mensaje GPRS

El identificador del protocolo GPRS es una información numérica cuyo objetivo es el de distinguir los burst que contienen paquetes GPRS, de los burst que contienen informaciones GSM. El identificador del protocolo de los PDU encapsulados en las tramas GPRS es necesario para direccionar éstos en cuanto son desencapsulados, hacia el correcto SAP (Service Access Point); también esta información es de tipo numérico. Se tendrá, por tanto, un valor que define los paquetes X25, uno que define los paquetes IP (Internet Protocol), uno que define los paquetes CLNP (Connectionless Network Protocol) y así sucesivamente. Además, dicha información permite la interpretación del GPRS contenido en la trama GPRS; de hecho, como ya se anticipaba, las tramas GPRS son utilizadas tanto para el transporte de mensaje de control como para el transporte de paquetes de datos, por lo tanto, se hace necesario el uso de un indicador que permita distinguir a cuál de las dos categorías posibles pertenece el mensaje GPRS. Los mensajes GPRS de control son definidos por un valor preestablecido del identificador de PDP. Algunos de los posibles mensajes de control se enumeran a continuación:

• petición de log-on (LOG-ON REQUEST)
• respuesta a una petición de log-on (LOG-ON RESPONSE)
• activación del modo de transmisión cifrado (SET GPRS CIPHERING MODE)
• petición de actualización de las informaciones de routing (ROUTING UPDATE REQUEST)
• respuesta a una petición de actualización de las informaciones de routing (ROUTING UPDATE RESPONSE)
• petición de actualización del indicador de routing area (área de encaminamiento) (GPRS RA UPDATE REQUEST)
• respuesta a una petición de actualización del indicador de routing area (GPRS RA UPDATE RESPONSE)

El nodo GSN, antes de encaminar en la backbone network los PDU de nivel tres desencapsulador de las tramas GPRS recibidos a través del interfaz Gb, los encapsula (como SDU – Service Data Unit) en PDU del protocolo de red utilizado en la backbone network para el transporte de paquetes del usuario. Obviamente, realiza la operación inversa para los paquetes dirigidos al usuario móvil.

3. Arquitectura de la red

Para la realización de un servicio de datos por paquetes en la red celular GSM se pueden seguir dos inicializaciones diferentes:

• Inicialización de sistema integrado
• Inicialización de sistema separado

La primera inicialización prevé que toda la infraestructura necesaria para el soporte del servicio sea añadida a la de la red GSM, mientras que la segunda prevé el añadido de la funcionalidad necesaria para el soporte del GPRS a las entidades que componen la infraestructura de la red GSM. En realidad, también la inicialización de sistema integrado requiere la introducción de nuevas entidades, garantizando de todos modos, desde el punto de vista económico, un impacto menos vistoso sobre los costos necesarios para la implementación del servicio.

Las entidades que tienen que ser añadidas, desde el punto de vista de la integración del servicio GPRS en la red GSM, son:

Los nodos GSN pueden verse como entidades en las que está localizada gran parte de las funciones necesarias para soportar el GPRS. En el GPRS PLMN (Public Land Mobile Network), generalmente hay más nodos GSN y la infraestructura que los conecta, denominada backbone network (ruta de enlace), permite el routing de los paquetes transmitidos por los usuarios de la red o dirigidos a éstos. En relación con la localización de la estación móvil genérica GPRS, se usan los HSN (Home Support Node) y el VSN (Visited Support Node). El HSN es el nodo de la backbone network al que llegan los paquetes dirigidos al móvil en base al valor de su dirección de la red; además, cuando el móvil es localizado en el área gestionada por otro nodo de la ruta de enlace, el HSN vuelve a mandar hacia ese nodo los paquetes destinados al móvil.

EL VSN es el nodo de la backbone network en cuya área se encuentra normalmente el móvil. La backbone network puede ser una red pública de datos de paquetes, lo que permite limitar los costos de realización, o bien una red de datos de paquetes dedicada optimizada para el soporte del servicio. La primera solución determina, con respecto a la segunda, mayores retrasos de transmisión cuando los paquetes se intercambian entre usuarios de la GPRS PLMN y usuarios de otra red, mientras que la segunda presenta unos costos de realización más elevados. A la backbone network también están conectadas las entidades de inter-trabajo, que garantizan la interconexión de la GPRS PLMN a otras redes de datos como, por ejemplo, la red Internet, las redes PSPDN (Public Switched Packet Data Network), las redes privadas de paquetes y otras. Las principales funciones desempeñadas por estas entidades son: la conversión de los protocolos y el mapeo de las direcciones de red de las entidades envueltas en la comunicación de datos. Otra nueva entidad necesaria para el soporte del servicio es el GPRS register, que no tiene que verse necesariamente como una nueva entidad física, en cuanto que se puede pensar en ampliar el conjunto de las funciones de los VLR/HLR de la red GSM. Las funciones llevadas a cabo por un GPRS register son esencialmente las de memorizar informaciones relativas al servicio GPRS; en particular cada GPRS register contiene:

• Información necesaria para el routing de los paquetes dirigidos a un móvil GPRS; por ejemplo, la dirección de red del móvil para un determinado protocolo de red y el tipo de protocolo de red a cuya dirección se refiere.
• Información relativa al perfil de suscripción del abonado; por ejemplo, informaciones características de la calidad del servicio solicitada por el usuario (QoS = Quality of Service).

La llave de acceso a estas informaciones relativas al abonado genérico GPRS es el IMSI (International Mobile Subscriber Identity). La introducción de nuevas entidades a la red GSM lleva a la definición de nuevos interfaces; entre éstas, la Gr soporta sólo señalación, mientras que todas las demás soportan tanto señalación como datos.

4. Tipología del servicio

El servicio GPRS pone a disposición de sus usuarios dos tipologías de servicio diferentes:

• Punto a Punto (Point To Point, PTP)
• Punto a Multipunto (Point To Multipoint, PTM)

Un servicio Point To Point es un servicio en el que el usuario envía uno o más paquetes a un único destinatario; en relación a las modalidades con las que la conexión punto a punto es gestionada, se pueden localizar dos clases de servicios punto a punto:

• ConnectionLess Point To Point services (CLNS)
• Connection Oriented Point To Point services (CONS)

Un servicio PTP CLNS es un servicio en el que dos paquetes sucesivos son independientes entre ellos; por tanto, es como si cada uno de los paquetes formase parte de una comunicación en sí misma. Un servicio con esta característica se define como un servicio de datagrama y puede ser útil para soportar aplicaciones bursty de tipo no interactivo . Un servicio PTP CONS es, por el contrario, un servicio en el que se establece una relación lógica entre la fuente y el destinatario de los paquetes, relación que permanece activa durante el tiempo total de la conexión; el servicio es, por lo tanto, un circuito virtual, es decir, en la fase de set-up de la conexión se establece un recorrido para el routing de los paquetes, con la diferencia de que, respecto a una conexión por conmutación del circuito, los recursos físicos se liberan en cuanto el paquete genérico se ha transmitido, manteniendo la conexión lógica. Las aplicaciones que se adaptan bien a un servicio bearer (portador) de este tipo son aquellas interactivas o transnacionales, en las que se mantiene un diálogo continuo entre las dos entidades en comunicación. Los servicios PTM, al contrario que los servicios PTP, implican a más de un usuario destinatario y, como se verá sucesivamente, el envío de los paquetes se ejecuta en base geográfica. Obviamente el servicio bearer PTM no puede implicar como usuarios destinatarios de paquetes a los usuarios de las redes interconectadas a la GPRS PLMN, sino sólo a usuarios de móviles. La tabla siguiente resume las configuraciones posibles en base al punto de acceso (fijo/móvil) del destinatario de los paquetes.

5. Calidad del Servicio

Cuando se habla de calidad de servicio, QoS, sólo se hace referencia a un conjunto de parámetros de prestaciones que pueden ser observados directamente y medidos desde el punto de acceso al servicio utilizado por el usuario. Los criterios que se usan para valorar la calidad de una prestación de servicio son principalmente:

• velocidad
• cuidado
• fiabilidad

La velocidad con que es servida una petición de servicio puede ser valorado en términos de bit rate con que las informaciones son transportadas o bien en términos de intervalo de tiempo para terminar la petición de servicio. El cuidado se refiere, sin embargo, al grado de corrección con el que se atiende una petición de servicio. La fiabilidad del servicio sintetiza la disponibilidad del servicio sin tener en cuenta la velocidad ni el cuidado con que se atienden las peticiones de servicio. En relación a cada uno de estos tres criterios de valoración es posible distinguir diferentes clases de servicio:

• servicios de altas prestaciones (en relación al criterio de valoración utilizado) en los que la variación del parámetro prestacional medido es irrelevante (guaranteed service)
• servicios caracterizados por buenas prestaciones (en relación al criterio de valoración utilizado) y por un valor preciso de la variación del parámetro prestacional (predictive service)
• servicios caracterizados por discretas prestaciones (en relación al criterio de valoración utilizado) y por un valor no precisado de la variación del parámetro prestacional (best effort service)

Los parámetros significativos de la valoración prestacional, en términos de velocidad, son los siguientes:

• velocidad neta del flujo binario (throughput)
• tiempo de transferencia de las informaciones

La caracterización del throughput en un canal puede hacerse en base al ritmo binario medio y al ritmo binario más alto ofrecido a todos los usuarios que acceden a él. El tiempo necesario para la transferencia de las informaciones del usuario es la suma del tiempo necesario para acceder al canal radio, del tiempo necesario para la propagación en el canal radio (irrelevante) y del tiempo necesario para la transferencia a través de la red. Los parámetros característicos en la valoración prestacional en términos de cuidado son los siguientes:

• probabilidad de pérdida de un paquete
• probabilidad de recepción de paquetes equivocados
• probabilidad de duplicación de un paquete
• probabilidad de secuencia equivocada en la recepción de los paquetes

Los parámetros característicos en la valoración prestacional en términos de fiabilidad son los siguientes:

• probabilidad de fallo en la negociación de la QOS entre el usuario y la red
• probabilidad de que la QOS establecida en fase de negociación no sea garantizada durante la terminación de la petición de servicio.
• disponibilidad del servicio
• tiempo medio entre dos back out sucesivos del servicio
• duración media de un back out del servicio

Por lo que respecta a los servicios orientados a la conexión de parámetros prestaciones son constituidos por el tiempo medio necesario para establecer una conexión y por el tiempo medio necesario para la finalización de la misma.

6. Uso simultáneo de los servicios GSM y GPRS

La introducción de un servicio de datos por conmutación de paquetes, como es el GPRS, no asegura a los usuarios GSM la posibilidad de disfrutar contemporáneamente de servicios por conmutación de circuito (voz, datos). Naturalmente el uso contemporáneo de dos servicios puede llevar a una degradación de las prestaciones, en términos de throughput (rendimiento) de la llamada GPRS. Con este propósito se definen tres clases de servicio:

• Clase A: las estaciones móviles de este tipo permiten al usuario utilizar tanto una conexión por conmutación de circuito como una por conmutación de paquetes con el máximo throughput (rendimiento) posible.
• Clase B: las estaciones móviles de este tipo permiten un uso simultáneo de los servicios por conmutación de circuito y por conmutación de paquetes, con perjuicio de las prestaciones del servicio por conmutación de paquetes.
• Clase C: las estaciones móviles de este tipo no permiten el uso simultáneo de los servicios, por tanto, el usuario que está disfrutando de un servicio no puede utilizar también otro.

En la tabla siguiente se indica lo que ocurre en la estación móvil cuando ésta recibe una llamada GPRS, mientras está ocupada con una llamada por conmutación de circuito en relación a la clase de servicio de la MS.

Caminando hacia la tercera generación Esta nueva tecnología permite desdoblar la transmisión de voz y datos en diferentes canales que transmiten de forma paralela, permitiendo mantener conversaciones sin cortar la transmisión de datos. Cuando se trata de datos se estable un comunicación permanente mientras el terminal está conectado, lo que permite la transmisión continúa de la información a mayor velocidad. La información viaja por paquetes en lugar de circuitos conmutados como sucede en GSM, donde la voz se envía por un canal siempre abierto. En GPRS se puede elegir entre varios canales, de forma similar a como se realiza en Internet. El aumento de la velocidad se produce porque los datos se comprimen y se envían a intervalos regulares, llamado conmutación por paquetes, lo que aprovecha mejor la banda de frecuencia. La mayor ventaja de GPRS no es la tecnología en si misma sino los servicios que facilita. Los terminales de este nuevo sistema permiten personalizar funciones, desarrollar juegos interactivos, e incorporan aplicaciones para el intercambio de mensajes y correos electrónicos, a los cuales se podrá acceder directamente sin la necesidad de conectarse a Internet. Las pantallas, que serán de un tamaño mayor, serán táctiles, de alta resolución, con zoom e iconos que se activen de manera intuitiva pulsando sobre ellos con un puntero. Incorporan además una ranura para introducir la tarjeta de crédito con chip que facilitará las transacciones electrónicas más seguras. Con la tecnología GPRS se da un paso hacia la localización geográfica, en función de donde se encuentre el usuario, la operadora le puede ofrecer mayor información de la zona. Los terminales serán de cinco tipos a corto plazo, en función del uso que le vaya a dar el usuario. Móviles similares a los actuales, con visor y resolución cada vez mayor, permitirán el uso de información escrita o gráfica de forma resumida. Terminales tipo agenda electrónica, con funciones mixtas de voz y datos, y pantallas de mayor tamaño y capacidad gráfica. Terminales tipo ordenador personal de mano (PDA) con pantalla plana de mayor formato y gran capacidad gráfica. Ordenadores portátiles que utilicen para la conexión inalámbrica un teléfono móvil GPRS. Y por último, dispositivos diversos con comunicación móvil y funciones especiales como sistemas de navegación para coches y tarjetas de comunicación inalámbrica en máquinas autoservicio.

7. Bibliografía

• http://www.webmovilgsm.com/gprs.htm

GPRS: el despegue de la Internet móvil

• http://es.gsmbox.com/gprs/

GPRS

• http://www.gsmworld.com/technology/gprs

GPRS

Autor:

Enlys Molina Juan Carlos

Ministerio de Educación Universidad Central de Venezuela Facultad de Ingeniería Escuela de Eléctrica Sistemas Móviles