CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial DISSERTAÇÃO apresentada ao CEFET-PR para obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIAS por ANA CRISTINA BARREIRAS KOCHEM CONTROLE DE ADMISSÃO DE CHAMADAS, RESERVA DE RECURSOS E ESCALONAMENTO PARA PROVISÃO DE QOS EM REDES GPRS Banca Examinadora: Presidente e Orientador: PROF a. DR a. ELIANE LÚCIA BODANESE CEFET-PR Examinadores: PROF. DR. RÔMULO SILVA DE OLIVEIRA PROF. DR. LUIZ NACAMURA JÚNIOR PROF a. DR a. NELCY KEFFER CAMIÑA UFSC CEFET-PR PUC-PR Curitiba, março de 2003.

2 ANA CRISTINA BARREIRAS KOCHEM CONTROLE DE ADMISSÃO DE CHAMADAS, RESERVA DE RECURSOS E ESCALONAMENTO PARA PROVISÃO DE QOS EM REDES GPRS Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências - Área de Concentração: Telemática. Orientadora: Prof a. Dr a. Eliane Lúcia Bodanese. Curitiba 2003

3 Nunca ande pelo caminho traçado, pois ele conduz somente até onde os outros foram. Alexandre Graham Bell iii

4 Agradecimentos Presto os meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho. Em primeiro lugar agradeço a Deus que permitiu que esse momento chegasse. A minha eterna gratidão aos meus pais Antônio Kochem e Lúcia C. Barreiras Kochem que abriram mão de muitas coisas para tornar seus sonhos o meu sonho e que fizeram sacrifícios para que eu pudesse chegar onde cheguei e ser quem sou. Agradeço também a minha irmã Vera Lúcia Barreiras Kochem que, mesmo distante, me apoiou durante os anos de meus estudos. Ao meu namorado Joelson Tadeu Vendramin, que sempre acreditou no meu potencial, agradeço por todo o amor, carinho e compreensão. Agradeço a minha orientadora Professora Eliane Lúcia Bodanese pelo incentivo, orientação e conselhos concedidos durante o desenvolvimento desse trabalho. Aos meus amigos do Laboratório de Sistemas Distribuídos (LaSD): Adriano, Alexandre, Anderson, Cláudio, Dequech, Edson, Emerson, Fábio, Hermes, Ioquir, Karina e Rômulo; o meu obrigado pela companhia e pela troca de experiências durante todo o nosso convívio. Agradeço também ao estagiário Diego Marcel Dallastella pela sua importante contribuição no desenvolvimento desse trabalho. Agradeço a CAPES pelo apoio financeiro. iv

5 Índice 1 Introdução Objetivo Descrição de trabalhos existentes Organização do documento General Packet Radio Service (GPRS) Introdução Arquitetura dos sistemas GSM e GPRS Conceito geral do sistema GSM Arquitetura de uma rede GPRS Pilha de Protocolos - Plano de Transmissão GPRS Interface de rádio GPRS Canais lógicos GPRS Mapeamento de canais lógicos Esquemas de codificação de canal Procedimentos de attach e detach GPRS Ativação de um contexto PDP Estabelecimento de um fluxo de bloco temporário Roteamento de pacotes de dados Gerenciamento de mobilidade GPRS Conclusão Qualidade de Serviço (QoS) em Redes Móveis Sem Fio Introdução Requisitos de QoS QoS em GPRS Fases de gerenciamento de QoS em GPRS Controle de admissão de chamadas (CAC) Alocação de recursos de rádio Policiamento Escalonamento Disciplinas de escalonamento de filas FIFO (First In First Out) PQ (Priority Queuing) FQ (Fair Queuing) WFQ (Weighted Fair Queuing) WRR (Weighted Round Robin) DRR (Deficit Round Robin) Disciplinas de escalonamento aplicadas em GPRS Conclusão Esquema de Provisão de QoS em Redes GPRS Introdução CAC e reserva de recursos CAC e reserva de recursos aplicados nos elementos de uma rede GPRS Escalonamento Disciplina MDRR Conclusão...58 v

6 5 Modelo de Simulação Introdução Descrição do modelo de simulação Parâmetros da simulação Conclusão Resultados e Análise da Simulação Introdução Resultados da simulação do CAC e reserva de recursos Resultados da simulação do escalonador MDRR+ e FIFO Conclusão Conclusões Limitações e sugestões para trabalhos futuros...86 Referências Bibliográficas...88 vi

7 Lista de Figuras Figura 1 Arquitetura de um sistema GSM...6 Figura 2 Arquitetura de uma rede GPRS...7 Figura 3 Pilha de protocolos: plano de transmissão GPRS...8 Figura 4 Estrutura multiquadros GPRS...12 Figura 5 Ativação de um contexto PDP...18 Figura 6 Acesso randômico para transferência de pacotes uplink (a) e downlink (b)...19 Figura 7 Roteamento de pacotes...20 Figura 8 Modelo de estados para gerenciamento de mobilidade de uma MS...22 Figura 9 Sistema de filas...32 Figura 10 Pseudocódigo da disciplina de escalonamento DRR...37 Figura 11 Primeiro ciclo de serviço do escalonador...38 Figura 12 Segundo ciclo de serviço do escalonador...39 Figura 13 Último ciclo de serviço do escalonador...39 Figura 14 Pseudocódigo do algoritmo de CAC e reserva de recursos adaptado para GPRS 48 Figura 15 Função Enqueue() da disciplina de escalonamento MDRR Figura 16 Configuração dos parâmetros de cada fluxo...55 Figura 17 Função Dequeue() da disciplina de escalonamento MDRR Figura 18 Modelo de simulação da rede celular GPRS...62 Figura 20 Taxa de rejeição de pedidos de handoff (R h )...71 Figura 21 Taxa de rejeição de conexões (R t )...72 Figura 22 Utilização da largura de banda na célula α em função de λ...75 Figura 23 Utilização da largura de banda em função de max b para λ = 0, Figura 24 Utilização da largura de banda em função de max b para λ = 0, Figura 25 Throughput no enlace sem fio utilizando a disciplina FIFO...80 Figura 26 Throughput no enlace sem fio utilizando a disciplina MDRR vii

8 Lista de Tabelas Tabela 1 Canais lógicos GPRS...14 Tabela 2 Requisitos de QoS definidos para um conjunto de aplicações...25 Tabela 3 Classes de Atraso GPRS...27 Tabela 4 Parâmetros das aplicações utilizados na simulação...67 Tabela 5 Conexões geradas nas simulações...73 Tabela 6 Conexões admitidas e rejeitadas...74 Tabela 7 Número de conexões admitidas e rejeitadas em função de max b...77 Tabela 8 Pior caso de três cenários de simulação...79 Tabela 9 Resultados da Simulação...82 viii

9 Lista de Siglas e Abreviaturas APN Access Point Name AuC Authentication Center BCS Block Check Sequence BTS Base Transceiver Station BSC Base Station Controller BSS Base Station Subsystem BSSGP BSS GPRS Protocol CAC Call Admission Control CBQ Class-based Queuing CBR Constant Bit Rate CS Coding Scheme CSPDN Circuit-Switched Public Data Network DLCI Data Link Connection Identifier DNS Domain Name Server DRR Deficit Round Robin EDF Earliest Deadline First EIR Equipment Identity Register E-OTD Enhanced Observed Time Difference ETSI European Telecommunications Standards Institute FDMA Frequency Division Multiple Access FIFO First In First Out FQ Fair Queuing FTP File Transfer Protocol FUNET Finnish University and Research Network GGSN Gateway GPRS Support Node GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communications GTP GPRS Tunneling Protocol HLR Home Location Register HTTP Hiper Text Transfer Protocol IETF Internet Engineering Task Force IMEI International Mobile Equipment Identity IMSI International Mobile Subscriber Identity IP Internet Protocol ISDN Integrated Services Digital Network LLC Logical Link Control MAC Medium Access Control MDRR+ Modified Deficit Round Robin Plus MED Modified Earliest Deadline MS Mobile Station MSC Mobile Switching Center NAM Network Animator NOAH Non-Adhoc NC Network Control NS Network Simulator ix

10 NSAPI Network layer Service Access Point Identifier PACCH Packet Associated Control Channel PAGCH Packet Access Grant Channel PBCCH Packet Broadcast Control Channel PCCCH Packet Common Control Channel PCU Packet Control Unit PCUSN PCU Support Node PDCCH Packet Dedicated Control Channel PDCH Packet Data Channel PDN Packet Data Network PDP Packet Data Protocol PDTCH Packet Data Traffic Channel PDU Packet Data Unit PLL Physical Link Layer PLMN Public Land Mobile Network PNCH Packet Notification Channel PPCH Packet Paging Channel PQ Priority Queuing PRACH Packet Random Access Channel PSPDN Packet-Switched Public Data Network PSTN Public Switched Telephone Network P-TMSI Packet Temporary Mobile Subscriber Identity QoS Quality of Service RCPQ Rate-Controlled Priority Queuing RFL Radio Frequency Layer RLC Radio Link Control SAP Service Access Point SGSN Serving GPRS Support Node SIM Subscriber Identity Module SMTP Simple Mail Transfer Protocol SNDCP Sub-Network Dependent Convergence Protocol SPQ Strict Priority Queuing SPS Static Priority Scheduling TBF Temporary Block Flow TCP Transmission Control Protocol TDMA Time Division Multiple Access TFI Temporary Flow Identifier TID Tunnel Identifier TLLI Temporary Logical Link Identifier TOA Time of Arrival UDP User Datagram Protocol VLR Visited Location Register WFQ Weighted Fair Queuing WRR Weighted Round Robin x

11 Resumo Espera-se que redes móveis sem fio suportem diferentes aplicações, principalmente aquelas baseadas em voz, vídeo e dados. Entretanto, aplicações diferem muito em termos de exigências de qualidade de serviço (QoS Quality of Service). Um problema fundamental em suportar diferentes aplicações em redes móveis sem fio é gerenciar a escassa largura de banda. Esse trabalho propõe um esquema de provisão de QoS em redes GPRS (General Packet Radio Service) através da combinação de Controle de Admissão de Chamadas (CAC - Call Admission Control), Reserva de Recursos e Escalonamento. Juntos esses mecanismos podem fornecer um tratamento diferenciado para o tráfego de vários tipos de mídias. O efeito do emprego deste esquema no atraso, na variação do atraso e no throughput gerado pelos diferentes tráfegos é analisado com o simulador NS (Network Simulator). Os resultados mostram que utilizando CAC, reserva de recursos e escalonamento podemos atender à diversidade de exigências impostas por um conjunto de aplicações. xi

12 Abstract It is aimed that mobile wireless networks support different applications, specially those based on voice, video and data. However, applications differ a lot in terms of quality of service (QoS) requirements. A key problem in supporting different applications across mobile wireless networks is managing the scarce bandwidth. This work proposes a QoS provisioning scheme over General Packet Radio Service (GPRS) networks by combining Call Admission Control (CAC), Resource Reservation and Scheduling. Together these mechanisms can provide a differentiated treatment to the traffic of various media types. Their effect on the delay, delay variation and throughput generated by different traffic is analyzed with the Network Simulator (NS). Results show that using CAC, resource reservation and scheduling we can meet the diversity of QoS requirements of an applications set. xii

13 1 Introdução Desde as últimas décadas, um crescimento explosivo e um potencial inovador das tecnologias de comunicações sem fio vem revolucionando o mercado que exige um acesso cada vez mais rápido e eficiente aos recursos de rádio. A demanda por diferentes tipos de serviços tem proporcionado um movimento em busca da convergência das redes de comunicação existentes. O objetivo é integrar de forma eficiente uma variedade de mídias, tais como voz, vídeo e dados, em uma mesma infra-estrutura de rede. A comunicação de voz, vídeo e dados em enlaces (links) sem fio, através do uso de equipamentos móveis, tem sido uma tarefa desafiadora para as operadoras de redes celulares. O tráfego gerado por essas mídias é altamente diversificado e impõe requisitos únicos de qualidade, tais como limites de atraso e largura de banda mínima exigida para o seu bom desempenho na rede. Para suprir tais requisitos, as redes móveis sem fio precisam lidar com problemas como a mobilidade dos usuários, o gerenciamento do limitado espectro de freqüências e a alta variabilidade na qualidade dos enlaces sem fio principalmente na presença de interferências e sob uma alta utilização do meio de comunicação. De modo a evitar congestionamentos e atender as mais diversas exigências de QoS (Quality of Service), mecanismos devem ser implementados nos elementos de uma rede para gerenciar e garantir a qualidade dos serviços oferecidos. 1.1 Objetivo Embora existam pesquisas relatadas na literatura sobre gerenciamento de QoS em redes GPRS (General Packet Radio Service), a aplicação de mecanismos eficazes para prover uma qualidade fim-a-fim para os mais variados tipos de mídias, principalmente voz e vídeo, ainda continua sendo um desafio. Por esse motivo, o objetivo do presente trabalho é propor um esquema de gerenciamento de QoS em redes GPRS através da combinação de Controle de Admissão de Chamadas (CAC - Call Admission Control), Reserva de Recursos e Escalonamento. Juntos esses mecanismos podem fornecer um tratamento diferenciado para um conjunto de mídias (voz, vídeo e dados) enquanto atendendo as exigências de QoS impostas pelos usuários dessas aplicações. Isso é alcançado diferenciando as aplicações quanto aos requisitos necessários para seu adequado funcionamento na rede. Tais requisitos são negociados entre a operadora da rede e o

14 2 usuário móvel GPRS durante a assinatura de um contrato de prestação de serviço. As aplicações podem possuir diferentes perfis de QoS, impondo exigências específicas quanto, por exemplo, ao limite de atraso esperado na transferência de seus pacotes, taxa de dados requerida para a transferência dos pacotes, entre outras. Para atender as exigências definidas em um perfil de QoS e prover serviços previsíveis, conexões consideradas sensíveis ao atraso são classificadas como sendo de maior prioridade e somente são admitidas se a rede for capaz de oferecer os recursos necessários para a aplicação operar adequadamente. Uma vez que a conexão é aceita, os pacotes pertencentes a diferentes aplicações são transmitidos na ordem de sua prioridade. O esquema sendo proposto também limita a taxa de dados de cada aplicação de acordo com o perfil de QoS negociado, principalmente as aplicações que geram tráfego em rajada como, por exemplo, uma aplicação de transferência de arquivos. Isso proporciona um comportamento mais regular aos serviços, prevenindo que serviços mal comportados prejudiquem serviços sensíveis a atrasos. 1.2 Descrição de trabalhos existentes Várias pesquisas têm sido realizadas com o objetivo de garantir QoS para diferentes tipos de mídias em redes móveis sem fio. Em [JAYARAM 00], são apresentados esquemas de QoS com o objetivo de prover um tratamento diferencial e garantir qualidade para fluxos multimídia aplicados em sistemas sem fio. Tal esquema inclui compactação de largura de banda, reserva de canal e degradação de chamadas reduzindo a porção da largura de banda alocada para um fluxo em caso de escassez de recursos de rádio. Com base nos requisitos de serviço negociados entre um assinante móvel e a rede, em [OLIVEIRA 98] é proposto um esquema de controle de admissão de chamadas baseado em uma reserva adaptativa de largura de banda cujo objetivo é prover qualidade para uma variedade de aplicações multimídia transportadas em redes celulares de alta velocidade. Dentro da literatura relacionada ao gerenciamento de QoS em redes GPRS é relevante citar trabalhos como o de Shiao-Li Tsao [TSAO 00], que propõe gerenciar a qualidade de serviço oferecida em redes GPRS através de duas fases: (1) controle de admissão de chamadas e reserva dos recursos de rádio; (2) policiamento e escalonamento de pacotes durante uma transferência de dados. O objetivo do autor é aplicar esses mecanismos de QoS aos componentes da rede visando atender as exigências de qualidade especificadas em um

15 3 contrato de prestação de serviço. Em [STUCKMANN 01] é avaliada a melhoria no desempenho e na capacidade obtida pelas aplicações de e WWW através do gerenciamento de QoS em GPRS. Em [SAU 98] e [PANG 99] diferentes disciplinas de escalonamento de filas são avaliadas com o intuito de atender aos requisitos de atraso impostos por fontes que geram, por exemplo, serviços de correio eletrônico, transferência de arquivos e acesso remoto. 1.3 Organização do documento O presente trabalho encontra-se estruturado em sete capítulos. Esse capítulo descreve as motivações e os objetivos para o desenvolvimento do trabalho, bem como a descrição de algumas pesquisas relacionadas. O próximo capítulo introduz a arquitetura e a funcionalidade do GPRS, um serviço de dados comutado a pacotes projetado para a fase 2+ da rede celular GSM (Global System for Mobile Communications). O terceiro capítulo apresenta questões relativas à qualidade de serviço (QoS) em redes móveis sem fio e, mais especificamente, em uma rede GPRS, descrevendo os requisitos de qualidade de algumas aplicações e apresentando mecanismos de gerenciamento de QoS, tais como controle de admissão de chamadas, reserva de recursos, policiamento e escalonamento. O quarto capítulo é dedicado à apresentação do esquema de provisão de QoS sendo proposto para proporcionar o uso de diferentes aplicações em redes GPRS enquanto suprindo seus requisitos de desempenho. O modelo de simulação aplicado para investigar o desempenho do esquema proposto é apresentado no quinto capítulo. No sexto capítulo são avaliados os resultados obtidos a partir das simulações. No último capítulo, são apresentadas as conclusões obtidas com o desenvolvimento do esquema de provisão de QoS em redes GPRS e, no final do capítulo, são propostas sugestões para o desenvolvimento de trabalhos futuros.

16 2 General Packet Radio Service (GPRS) 2.1 Introdução O GPRS (General Packet Radio Service), padronizado pelo ETSI (European Telecommunications Standards Institute), é um serviço de dados de pacote projetado para a fase 2+ da rede celular GSM (Global System for Mobile Communications) [BRASCHE 97, BETTSTETTER 99]. Uma rede GPRS pode ser usada para transportar tráfego IP (Internet Protocol) ou X.25 de/para um terminal GPRS para/de outro terminal GPRS e/ou PDNs (Packet Data Networks) externas (tais como: Internet, Intranets corporativas/privadas, redes X.25 e outras redes GPRS controladas por diferentes operadoras de rede). O padrão GPRS que é baseado na transmissão comutada a pacotes surgiu para tornar mais eficiente a utilização de recursos de rádio para o transporte de aplicações que geram tráfego em rajada (tráfego assíncrono com taxas de bit bastante variáveis), tais como aplicações Internet (serviços de páginas e ). O conceito de capacidade sob demanda foi introduzido para possibilitar o uso de serviços GPRS sem a necessidade de alocar permanentemente os recursos de rádio [CAI 97]. Ao contrário das conexões comutadas a circuito (como nos sistemas GSM), nas quais um recurso é alocado permanentemente para um usuário durante o período inteiro de sua chamada (esteja este enviando ou não dados), uma rede comutada a pacotes aloca um recurso somente quando este for necessário e o libera após a transmissão/recepção dos dados. Conseqüentemente, uma rede GPRS utiliza mais eficientemente os recursos de rádio escassos, possibilitando que múltiplos usuários compartilhem um mesmo canal físico. Operadoras de redes GPRS podem oferecer tempos de acesso mais rápidos, maiores taxas de dados, diferenciação de usuários móveis baseado em contratos de qualidade de serviço (QoS Quality of Service) e aplicar novos métodos de cobrança com base no volume de dados transmitidos/recebidos por cada usuário, ao invés da duração de uma conexão, o que pode conduzir a tarifas mais baixas.

17 5 2.2 Arquitetura dos sistemas GSM e GPRS Conceito geral do sistema GSM Para entender a arquitetura do sistema GPRS, primeiramente faz-se necessário compreender o conceito geral de um sistema GSM. A área de serviço de uma rede GSM é composta pelos vários países onde uma estação móvel (MS - Mobile Station) pode ser servida. Dentro de um país, pode haver uma ou mais PLMN (Public Land Mobile Network). Uma PLMN é uma rede operada ou licenciada por uma operadora. Cada PLMN, por sua vez, pode ser dividida em diferentes áreas de serviço controladas por um centro de comutação móvel (MSC - Mobile Switching Center). O MSC é responsável pela gerência de serviços móveis dentro de sua área de jurisdição e pela comutação de chamadas entre MSs e entre uma MS e um usuário de uma rede fixa. Para isso ser possível, o MSC atua como uma interface provendo a interoperabilidade entre um sistema GSM e outras redes, tais como: PSTN (Public Switched Telephone Network), ISDN (Integrated Services Digital Network), CSPDN (Circuit-Switched Public Data Network), PSPDN (Packet-Switched Public Data Network) e PLMN [MEHROTRA 96]. Dentro de uma área de serviço gerenciada por um MSC pode haver várias áreas de localização (LAs - Location Area). Em uma LA, uma MS pode se mover livremente sem precisar atualizar seus dados de localização. Por último, uma LA é subdividida em células que representam a área de cobertura de rádio de uma estação base transceptora (BTS - Base Transceiver Station). A função de uma BTS é prover e monitorar as interfaces de rádio em direção as MSs possibilitando que estas sejam capazes de estabelecer/receber chamadas em uma célula. Duas ou mais BTSs são controladas por um controlador de estação base (BSC - Base Station Controller) que é responsável pelo gerenciamento dos recursos de um grupo de células e pelo controle de handoffs (executado quando uma MS muda de canal físico, por exemplo, ao se mover para uma nova célula). A BTS e o BSC juntos formam o subsistema de estação base (BSS - Base Station Subsystem). A arquitetura do sistema GSM com seus principais componentes e interfaces é ilustrada na Figura 1. O sistema GSM possui várias bases de dados utilizadas para controlar as chamadas e gerenciar a rede [BETTSTETTER 99]: AuC (Authentication Center): gera e armazena dados relacionados a segurança, tais como: chaves, usadas para autenticação e codificação;

18 6 EIR (Equipment Identity Register): armazena dados do equipamento como, por exemplo, o IMEI (International Mobile Equipment Identity). O IMEI é uma espécie de número serial, alocado pelo fabricante do equipamento e registrado pela operadora de rede, que identifica unicamente e internacionalmente um equipamento móvel; HLR (Home Location Register): armazena os dados permanentes (como o perfil de serviços) e temporários (como a localização corrente) dos assinantes registrados com uma operadora de rede; VLR (Visited Location Register): armazena os dados dos usuários que estejam atualmente em sua área de responsabilidade. Esses dados incluem parte dos dados permanentes recebidos do HLR. Além disso, o VLR também pode armazenar dados locais (como uma identidade temporária) para um usuário em roaming, isto é, uma MS que tenha saído da sua área de serviço domiciliada e esteja estabelecendo uma chamada em uma nova área associada a um MSC diferente do seu de domicílio. BSC MS EIR BTS MS HLR BTS BSC MSC PSTN ISDN CSPDN PSPDN PLMN MS VLR Rede Pública MS BTS AUC BTS BSC Interface Um Interface Abis Interface A Figura 1 Arquitetura de um sistema GSM Cada assinante registrado com a operadora de rede é unicamente identificado pela sua IMSI (International Mobile Subscriber Identity). A IMSI é armazenada no cartão SIM (Subscriber Identity Module) que por sua vez é inserido no equipamento móvel. As interfaces utilizadas em um sistema GSM são: (1) Interface Um: também conhecida como interface aérea ou enlace de rádio, que permite a comunicação entre a MS e a BTS; (2) Interface Abis: utilizada entre a BTS e o BSC; (3) Interface A: utilizada entre o BSC e o

19 7 MSC; (4) Interface MAP (Mobile Application Part): utilizada entre o MSC e as bases de dados (AuC, EIR, HLR, VLR) Arquitetura de uma rede GPRS A rede GPRS foi construída como uma extensão da rede GSM, sendo que ambas utilizam a mesma infra-estrutura e compartilham os mesmos recursos de rádio. Porém, de modo a oferecer um serviço de comutação de pacotes, dois novos elementos foram adicionados formando a rede backbone GPRS [GSM 03.02]: o SGSN (Serving GPRS Support Node) e o GGSN (Gateway GPRS Support Node). A Figura 2 ilustra a arquitetura de uma rede GPRS com seus principais componentes e interfaces. O SGSN é um roteador responsável pela localização dos assinantes móveis dentro de sua área de serviço, roteamento de pacotes dentro da PLMN, gerenciamento de mobilidade, gerenciamento de enlace lógico, segurança, autenticação e cobrança. O GGSN atua como uma interface lógica para PDNs externas, sendo responsável pelas seguintes funções: tradução de formatos de dados, protocolos de sinalização e mapeamento de endereços para permitir comunicação entre diferentes redes, classificação de tráfego proveniente de PDNs externas, autenticação e cobrança. MS MS Um BTS Um BTS Abis BSC Abis Gb EIR Gf SGSN Gs VLR Gn GGSN Gr Gc D HLR Gi PDN Internet Intranet X.25 Interface de Sinalização Interface de Sinalização e Transferência de Dados do Usuário Figura 2 Arquitetura de uma rede GPRS Uma rede GPRS utiliza o mesmo BSS que os serviços de voz GSM, com uma atualização de software na BTS e no BSC e a instalação de um novo componente de hardware chamado PCU (Packet Control Unit), geralmente, localizado no PCUSN (PCU Support Node) [BATES 02]. O PCUSN reside tipicamente entre o BSC e o SGSN sendo o responsável pela transferência de pacotes entre o BSS e a rede GPRS. As bases de dados AuC, EIR, HLR e VLR também fazem parte da arquitetura de uma rede GPRS. O AuC e o EIR são utilizados para controlar a segurança e autenticação dos

20 8 assinantes móveis, o HLR mantém informações atualizadas de cada assinante registrado na rede GPRS (tais como: IMSI, informações de localização corrente, perfil de serviços contratados, endereço do SGSN corrente, um ou mais endereços PDPs (Packet Data Protocol), permissões de roaming e estado de atividade) e o VLR armazena informações sobre usuários ativos dentro da sua área de serviço, por exemplo, usuários em roaming. A entidade MSC é usada em GPRS somente quando ambos os serviços de dados comutados a pacote e comutados a circuito são suportados. O tráfego de voz é enviado pelo BSC para o MSC como no sistema GSM, enquanto o tráfego de dados é enviado para o SGSN, através da PCU, em uma interface Frame Relay. A BTS é responsável pela modulação, demodulação e transmissão/recepção no enlace de rádio. O BSC suporta os protocolos GPRS relevantes para a comunicação na interface aérea, gerencia as chamadas e executa a atribuição de recursos de rádio. Um novo conjunto de interfaces foi desenvolvido para permitir a comunicação entre os elementos de uma rede GPRS, entre elas destacam-se: (1) Interface Gb: entre a PCU e o SGSN, usando Frame Relay; (2) Interface Gr: responsável pela troca de informações entre o SGSN e o HLR; (3) Interface Gn: utilizada entre o SGSN e o GGSN quando estes estão localizados na mesma PLMN; (4) Interface Gp: utilizada entre o SGSN e o GGSN caso estes estejam em PLMNs diferentes. Ambas as interfaces Gn e Gp transmitem dados do usuário e de sinalização entre o SGSN e o GGSN; (5) Interface Gc: possibilita a troca de informações entre o GGSN e o HLR; (6) Interface Gf: utilizada entre o SGSN e o EIR; (7) Interface Gs: utilizada entre o SGSN e o VLR; Interface Gi: utilizada entre o GGSN e PDNs externas. 2.3 Pilha de Protocolos - Plano de Transmissão GPRS A pilha de protocolos GPRS é ilustrada na Figura 3 [3GPP 03.60]. Aplicação Camada de Rede (IP/X.25) SNDCP LLC RLC MAC PLL RFL RLC MAC PLL RFL Relay BSSGP Frame Relay Camada Física SNDCP BSSGP Frame Relay Camada Física TCP/UDP IP Camada de Link de Dados Camada Física GTP TCP/UDP IP Camada de Link de Dados Camada Física MS BSS SGSN GGSN Interface Um Interface Gb Interface Gn Interface Gi LLC Relay GTP Camada de Rede (IP/X.25) Figura 3 Pilha de protocolos: plano de transmissão GPRS P D N

21 9 O plano de transmissão GPRS é utilizado para transferir dados do usuário e de sinalização entre os diferentes nós físicos que compõem uma rede GPRS. A camada de aplicação fornece os serviços para os usuários finais. Os seguintes protocolos, por exemplo, podem fazer parte da camada de aplicação: HTTP (Hiper Text Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) e TELNET. Um pacote de dados do usuário ou PDU (Packet Data Unit) é recebido da camada de rede e encapsulado na camada SNDCP (Sub-Network Dependent Convergence Protocol) [3GPP 04.65]. O protocolo SNDCP é responsável pela multiplexação de várias conexões da camada de rede em uma única conexão lógica da camada LLC (Logical Link Control), criptografia, segmentação e compressão/descompressão de dados do usuário e informações de cabeçalho redundante. Após executar a função de compressão, o SNDCP segmenta a PDU em um ou mais quadros LLC, dependendo do tamanho máximo definido para um quadro LLC, e os envia para a camada inferior. O SNDCP suporta a transmissão/recepção de PDUs entre a MS e o SGSN no modo com reconhecimento (acknowledged) e sem reconhecimento (unacknowledged). No modo de transferência com reconhecimento, o número máximo de bytes que o campo de informação de um quadro LLC pode conter é 1520 bytes e a recepção do(s) quadro(s) LLC é confirmada na camada LLC. No modo sem reconhecimento, o número máximo de bytes contidos no campo de informação de um quadro LLC é 500 bytes sendo que nenhuma confirmação é retornada pela camada LLC [BATES 02]. No lado do receptor, o SNDCP reagrupa os quadros LLC recebidos antes de efetuar a descompressão dos dados. A comunicação de rádio entre a MS e a rede GPRS abrange as funcionalidades da camada de enlace de dados e da camada física. A camada de enlace de dados é dividida em duas sub-camadas: a camada LLC (MS- SGSN) e a camada RLC/MAC (Radio Link Control/Medium Access Control) (MS-BSS). A camada LLC [3GPP 04.64] opera acima da camada RLC fornecendo um enlace lógico único e altamente confiável entre uma MS em particular e o seu SGSN corrente. Um DLCI (Data Link Connection Identifier) identifica esse enlace lógico. O DLCI é composto pelo TLLI (Temporary Logical Link Identifier) e pelo identificador SAP (Service Access Point). Os SAPs são os pontos onde a camada SNDCP pode acessar os serviços oferecidos pela camada LLC. As principais funções da camada LLC incluem: controle de seqüência, controle de fluxo, criptografia e tratamento de erros (detecção e/ou correção de erros). A camada LLC