Chap8 Gprs
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Houda Khedher 1
Introduction au système GPRS
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Houda Khedher 2
Sommaire
• Introduction générale
• Caractéristiques principales
• Services et Fonctions• Interface radio GPRS
• Protocoles et entités
• Gestion de la mobilité• Gestion de la sécurité et adressage
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Houda Khedher 3
- 1 Introduction générale
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Introduction générale (1)
• GPRS = General Packet Radio Service
• Norme dérivée du GSM Ajoute la transmission par paquets
Ressources allouées qu’en cas de transfert
• Permet un débit de données plus élevé
• 2,5 G
• Débit théorique >> Débit réel
Houda Khedher 4
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Houda Khedher 5
Introduction générale (2)
• Toujours on-line email, Info & télématiques
• Voix/data simultanées Premier service Multimédia
• Facturation à l’usage (au volume, à la transaction)
• Haut débit Qualité de service
• Le GPRS est un service permettant la transmission de données par paquet de bout en bout basée sur la tunnelisation(encapsulation de trame entière pour traverser des réseauxhétérogènes)
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Houda Khedher 6
Évolution du GSM vers GPRS (1)
Évolution du BSS :- Remplacement/upgrade d’éléments existants : BTS, BSC,O&M, network planning, liens (Abis, Ater,…)
Adaptations nécessaires.
- Nouveaux éléments : PCU ( Packet Controller Unit ).
Évolution du NSS :- Un GSS ou NSS dédié au GPRS : réseau utilisant IP, nœuds
réseaux paquet (SGSN, GGSN), équipements Internet(routeurs, serveurs DNS, Firewalls,…) - Évolution des éléments du réseau : HLR, MSC/VLR, SS7.
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Houda Khedher 7
Évolution du GSM vers GPRS (2)
Nombreuses nouvelles interfaces de signalisation avec les sous-systèmes existants.
Évolution du Billing (exemple : tarification auvolume).
Nouveaux Mobiles (classes A, B et C).
Approche marketing orientée “ services”.
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GSM vs GPRS
Houda Khedher 8
GSM GPRSDébit 9.6 Kbps 14.4 à 115.2 Kbps
Modulation GMSK GMSK
Facturation (Billing) Durée de communication Volume de donnéestransférées
Commutation Commutation de circuits Commutation de paquets
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Houda Khedher 10
Caractéristiques principales (1)
Même couche physique que GSMService séparé de GSM : réseaux fixes différents
(nouvelles entités réseau et nouveaux protocoles).
Types de mobiles :- Classe A : GSM et GPRS en même temps.- Classe B : GSM ou GPRS (bi-mode en veille)- Classe C : GSM ou GPRS a priori
GSM
Commutation de circuitsGPRS
Commutation de paquets. Données avecou sans connexion
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Houda Khedher 11
Classe de terminaux GPRS
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Houda Khedher 13
Données circuit / Données paquet
• Commutation de circuits – Peu adaptée à la
transmission de données
sporadiques (ex. : IP), – Peu adaptée à la taxationau volume,
– Temps de connexion
important (20 à 25secondes),
– Allocation UL et DLtoute la durée de l’appel
• Commutation de paquets – Transmission de données
non périodiques et
sporadiques (ex. : mails), – Petits paquets fréquents
(ex. : télématique, taxationet micro-paiements),
– Paquets très volumineuxmais rares (ex. : ftp)
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Houda Khedher 14
Caractéristiques principales (3)
Débits plus élevés par TCH (9,05 ; 13,4 ; 15,6 ; 21,4kb/s)
Débits plus élevés en utilisant jusqu’à 8 ITs parutilisateur,
Partage des canaux par les terminaux actifs,
Allocation séparée des canaux montants et descendants
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Houda Khedher 15
Nouveautés du GPRS
optimisation des canaux
Idée: Répartition des paquets d’une communication sur les 8 slots d’un canal(+ le terminal dispose de slots, + il peut recevoir et envoyer des données)
Débit théorique 8x supérieur
Mais: + il a de slots, + il consomme d’énergie et cellules GSM saturées => pas concevable qu’une seule personne dispose des 8 slots d’un canal
Donc: les terminaux GPRS sur le marché (Ericsson, Motorola, Nokia)
disposent de 2 slots pour la voie descendante et d’un pour la voie montante
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Houda Khedher 16
Caractéristiques principales (4)
Débits disponibles (après codage correcteurd’erreurs) :
Temps d’accès :- Établissement de communication < 5 sec.- Temps de transit d’un paquet : quelques centaines de ms.
Qualité de service négociée (à chaque appel ou pendant l’appel)
Code 1 IT 8 ITCS1CS2CS3CS4
9,05 kb/s
13,6 kb/s15,7 kb/s21,4 kb/s
72,4 kb/s
108,8 kb/s125,6 kb/s
171,2 kb/s
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Houda Khedher 17
Caractéristiques principales (5)
Répartition des ressources Circuit (GSM)/Paquet (GPRS)
Pour chaque TRX, la capacité peut être répartie comme suit : N ITs réservés pour le circuit uniquement (N ≥ 0),
M ITs réservés pour les paquets (M ≥ 0), K ITs en allocation dynamique (K 8).
N + M + K 8
Conf iguration statique ou dynamique (exemple : nombrede slots GPRS variable pendant la journée).
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Houda Khedher 18
-3 Entités et Protocoles
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Architecture d’un réseau GSM Phase 2+
• Introduction de nouveaux services en mode paquets : le débit de latransmission des données peut aller jusqu’à 171.2 Kbps
• Introduction de nouveaux services : appel en groupe, voix en
diffusion,…
• Introduction de nouveaux codeurs de parole
• Interconnexion assurée au réseaux IP et X25.
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Nouvelles entités du GPRS
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Architecture du GPRS
Houda Khedher 21
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Houda Khedher 22
Architecture et interfaces
G b Gs GdGr
Gf
Gc
GiGn
Gn
G p
A AbisHLR
EIR
MS
BSC MSC/VLR
SMS-GMSC ou
SMS-IWMSC
SGSN
SGSN GGSN
Réseau fédérateur GPRSIntra-PLMN
GGSN
Autre PLMN
Réseau de donnéesX25, IP,… = réseau PDP
Signalisation ettransmission de données
Signalisation pure(en ce qui concerne GPRS)
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Houda Khedher 23
SGSN (Serving GPRS Support Node)
• Routage : routeur IP qui supporte le routage dynamique oustatique• Sécurité : chiffre les communications à destination ou en
provenance des mobiles• Gestion de mobilité : utilisation des zones de routage (routing
areas). Gestion du handover entre BSCs et autres SGSNs.• Authentification : lors des Attach et mise-à-jour de RA inter-SGSN.
• Gestion des sessions : à chaque session, le SGSN active uncontexte PDP (Packet Data Protocol).
• Facturation : production des CDRs (call data record) enfonction du volume d’information et de la durée de la session(attachement, durée de contexte PDP actif).
• SMS : supporte l’interface Gd pour les communications avec leSMS-GMSC
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Houda Khedher 24
GGSN (Gateway GPRS Support Node)
• Routage : routeur IP qui supporte le routage dynamique oustatique
• Sécurité : inclus des firewalls pour le filtrage des paquets provenant des réseaux IP extérieurs.
• Passerelle : permet la connexion à d’autres réseaux IP ou GPRS. • Gestion de mobilité : permet le routage des paquets vers lesSGSNs des utilisateurs, en fonction de leur mobilité.
• Gestion des sessions : à chaque session, le GGSN alloue une
adresse IP au mobile.• Facturation : production des CDR en fonction du volumed’information et de la durée de la session (attachement, durée decontexte PDP actif).
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Houda Khedher 25
PCU et CCU
• PCU ( Packet Controller Unit ) : équivalent du TRAU – Localisé généralement dans le BSC, – Segmentation/ combinaison de messages LLC vers RLC, – Gestion de l’accès canal (S-ALOHA), – Allocation de canal de données (montant et descendant), – Gestion du canal radio (PC, broadcast, gestion de congestion).
• CCU (Channel Control Unit ) : implanté dans la BTS
– Codage canal, FEC, entrelacement, – Mesures radio (qualité, puissance, timing advance)
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Houda Khedher 26
GPRS : les interfaces data + signalisation
• Gb : interface entre le BSS et le SGSN (liaison pointà point : MIC à 2 Mb/s ou Frame Relay) : contrôle deflux UL au niveau de chaque cellule.
• Gn : interface interne au GPRS (à l’intérieur d’unmême PLMN).
• Gp : (via BG) interface entre deux GSN de deuxPLMN différents : mêmes caractéristiques que Gnavec en plus des fonctions de sécurité inter-opérateur.
• Gi :point de référence entre réseau GPRS et un réseaude données extérieur.
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Houda Khedher 27
GPRS : les interfaces de signalisation pure
• Gd (interface avec le SMS-GMSC/IWMSC, signalisation +
transport des SMS sur PDTCH) : SMS via GPRS en prioritélorsque MS présent sur GPRS et sur GSM.
• Gc (interface GGSN-HLR) : établissement de session GPRS à lademande du réseau ( Network-Request PDP Context Activation
Procedure).• Gr (interface avec le HLR) : fonctions de mobilité (activation de
contexte, authentification).
• Gs (interface avec MSC/VLR pour inter-fonctionnementGPRS/GSM) : coordination de paging, fonction combinéeGSM/GPRS ( Attach/Detach et mise à jour de localisation),gestion du TMSI et P-TMSI. Permet d’économiser des ressourcesradio.
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Houda Khedher 28
Répartition des fonctions BTS et BSC
Non normalisée.
3 architectures proposées :- PCU co-localisé avec la BTS,
- PCU co-localisé avec le BSC,- PCU co-localisé avec le SGSN.
Implantation qui varie d’un constructeur à un autre
(par exemple : pour Nokia, Siemens et Motorola,PCU co-localisé avec le BSC ; pour Alcatel , PCU co-localisé avec le SGSN).
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Pile protocolaire GPRS (1)
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Houda Khedher 30
Pile protocolaire GPRS (2)
GSM RF
SNDCP
IP / X.25
Application
Um GnGb
MAC
RLC
LLC
IP / X.25
GTP
L1
L2
LLC
GSM RF
Frame
RelayMAC
RLC BSSGP
L1bis
BSSGP
Frame
Relay
LLC
SNDCP GTP
L1bis L1
L2
IP
MS BSS (PCU) SGSN GGSN Gi
IP
UDP/
TCP
UDP/
TCP
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Nouveaux protocoles
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Protocole GTP (1)
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Houda Khedher 33
Protocole GTP (2)
Routage des paquets vers ou à destination d’un mobile GPRS Encapsulation : place une unité de protocole PDU dans uneunité d’un autre protocole sans que ce dernier ne se préoccupe duformat de ces données
MS
BSC
Réseaux dedonnées
GGSN
SGSN
Encapsulation
Désencapsulation
Tunnel
Réseau fédérateur
GPRS
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Houda Khedher 34
Principe du tunnelling
• Cas du X.25 : transport des paquets IP en les plaçantdans des paquets X.25. Ils sont transportés commetout paquet X.25. Routage à partir de l’adresse X.25. Le réseau = tunnel : les datagrammes IP entrent à une
extrémité du réseau pour en ressortir de l’autre. • Cas du GPRS : les paquets X.25 ou IP sont
encapsulés dans des datagrammes IP par le GTP. Les
données émises sont routées vers le GGSN qui lestransmet au SGSN par GTP. Le GGSN doit avoir enmémoire pour chaque abonné le SGSN derattachement.
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Houda Khedher 35
Contexte PDP
• Ensemble des informations stockées dans le mobile, le SGSNet le GGSN pour l’échange des données avec un réseau PDP(réseau de données).
• Contient :
– Type de réseau PDP (X25, IP,…), – Adresse PDP du terminal (X121 pour X25, adresse IP,…),
– Adresse IP du SGSN courant où se trouve l’abonné,
– Point d’accès au service réseau utilisé (NSAPI, Network Service Access
Point ) : index sur 4 bits permettant de repérer localement pour unmobile les différentes sessions actives,
– QoS négociée.
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Activation du contexte PDP
Houda Khedher 36
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Houda Khedher 37
Accès au service GPRS
• Pour accéder au service GPRS, un terminal mobile doit tout d'abord s'attacher au réseau par une procédureappelée "GPRS Attach". Cette procédure établit un lien logique entre le terminal mobile et le noeud deservice SGSN. Le mobile a alors accès au service SMS via GPRS, au service de paging via SGSN pour unappel entrant et au service de notification de données à recevoir. La procédure inverse est la procédure"GPRS Detach".
• Pour ensuite envoyer et recevoir des données, le mobile doit activer le contexte PDP (Packet Data Protocol)qu'il veut utiliser : c'est la procédure "PDP Context Activation".
• Un contexte PDP est un ensemble d'informations qui caractérise un service de transmission de base. Ilregroupe des paramètres qui permettent à un abonné de communiquer avec une adresse PDP définie, selonun protocole spécifique (IP ou X.25), suivant un profil de Qualité de service déterminé (débit, délai, priorité...).
• La procédure "PDP Context Activation", déclenchée à l'initiative de l'abonné mobile, permet au terminald'être connu de la passerelle GGSN qui réalise l'interconnexion avec le réseau PDP externe demandé parl'abonné GPRS. La transmission de données entre le réseau GPRS et le réseau PDP externe peut alors
débuter. La procédure inverse de "PDP Context Activation" est la procédure "PDP Context Deactivation".
• Lorsque le GGSN reçoit des données en provenance du réseau PDP externe à destination du mobile, leGGSN peut demander au mobile d'exécuter une demande d'activation de contexte PDP.
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Houda Khedher 38
Émission de données
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Houda Khedher 39
Réception de données
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Houda Khedher 40
-4 Services et Fonctions
Cl ifi ti d i
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Houda Khedher 41
Classification des servicesServices
Catégorie du
service
Sous-types Caractéristiques
Point-to-Point (PtP) PtP : Connectionless Network Service (CNLS)
PtP : Connection Oriented
network Service (CONS)
Transfert de paquets de donnéesentre deux points via un service
sans connexion (e.g. Internet)ou via un service avecconnexion (e.g. X25)
Point-to-Multipoint (PtM)
PtM – Multicast (PtM-M)
PtM – IP Multicast (IP-M)
PtM – Group Call (PtM-G)
Transfert de paquets de donnéesd’un point vers une zonegéographique (groupe de
cellules)Service de multicast (cf.IP)
Transfert de paquets de donnéesvers un groupe prédéfini dansune zone géographique
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Houda Khedher 42
Fonctions haut niveau
• Contrôle d’accès au réseau,
• Routage et transfert de paquets,
• Gestion de mobilité,• Gestion de la liaison logique,
• Gestion de la ressource radio,• Gestion de réseau.
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Houda Khedher 44
Routage et transfert des paquets
• Relayage (transfert de paquets d’un nœud à l’autre dans le réseau), • Routage (détermination du prochain nœud),
• Translation d’adresse (conversion d’une adresse en une autre adresse, pourles adresses internes et externes au réseau GPRS),
• Encapsulation (ajout d’une adresse et d’une info. de contrôle à une unité dedonnées pour le routage des paquets),
• Tunnelling (transfert de données encapsulées entre le point d’encapsulationet le point de décapsulation),
• Compression (optimise la capacité du lien radio en minimisant la taille des
entêtes PDP PDU),• Chiffrement,
• Serveur de nom de domaine (convertit les noms logiques GSN en adressesGSN, fonction standard Internet).
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Houda Khedher 45
-5 Interface Radio GPRS
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Houda Khedher 46
Interface Radio
Même forme d’onde et même accès au canal (couche physique).
Gestion des slots modifiée.
Accès en mode paquet : “Capacity on demand ”.
Priorité aux circuits : si TRX saturés, les slots utilisés pour le mode GPRS peuvent être préemptés pourétablir un circuit.
- Si un autre slot est libre : basculement du mobile surce slot,- Sinon, le délai de transit augmente sans coupure decommunication.
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Houda Khedher 47
Couche physique
Similaire à celle du GSM avec les adaptationssuivantes :
Trame à 52 = 2 x 26 trames TDMA,
4 schémas de codage pour les blocs : CS1,CS2, CS3 et CS4.
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Canaux logiques (1)
Houda Khedher 48
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Houda Khedher 49
-6 Gestion de la mobilité
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Houda Khedher 50
Gestion de la mobilité (1)
• Gestion des abonnés : – Données d’abonnement stockées dans le HLR, – Lors d’un “GPRS Attach” du mobile, informations
dupliquées dans le SGSN,
– Quand le mobile change de SGSN, informations dupliquéesdans le nouveau SGSN,
– Quand le mobile active un contexte PDP, la partieconcernée des données abonné est dupliquée dans le
GGSN, – Quand le mobile change de SGSN, le GGSN concerné parle contexte PDP est informé.
G i d l bili é (2)
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Houda Khedher 51
Gestion de la mobilité (2)Identités GPRS
• P-TMSI : Packet TMSI (identique au TMSI),• TLLI : Temporary Logical Link Identity (couche LLC). Permet
de différencier 2 mobiles dans le même SGSN. – Local TLLI (dérivé du P-TMSI),
– Random TLLI (généré par le mobile et qui sera remplacé dès que possible par le P-TMSI),
– Foreign TLLI (dérivé du local TLLI, en cas de changement de SGSN).
• TID : Tunnel Identifier (IMSI, NSAPI), pour se référer à uncontexte PDP, le GGSN utilise le TID.
• PDP address (IPv4, IPv6, X25,…), • RAI : Routing Area Identity = MMC + MNC + LAC + RAC.
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Houda Khedher 52
Gestion de la mobilité (3)
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États du mobile vis-à-vis du SGSN
É d’ bil GPRS
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Houda Khedher 54
États d’un mobile GPRS
É Idl
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Houda Khedher 55
État Idle
• Le mobile non attaché du point de vue gestion demobilité GPRS.
• Mobile et SGSN ne contiennent ni adresse delocalisation ni adresse de routage des informations.
• Processus activé : sélection du réseau etsélection/resélection de cellule GSM par le mobile.• La transmission de données vers ou en provenance du
mobile est impossible.
• Idle Ready : déclenché par la MS lors d’un GPRSattach. Mobile injoignable dans ce cas.
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Houda Khedher 56
État Standby
• Mobile attaché du point de vue gestion de mobilité GPRS.• « Paging » et information de signalisation sont reçues.• Réception et transmission de données (PDP PDU) impossibles.• Processus activé : mise à jour de RA et Sélection/resélection
de cellule par le mobile.• Le mobile peut activer des contextes PDP.• Mobile et réseau peuvent activer une procédure GPRS Detach
pour retourner en mode Idle (expiration d’un compteur). • Standby Ready : déclenché quand la MS envoie un PDU
au SGSN (en réponse par ex. à un paging).• Standby Idle : réalisé par le SGSN quand le suivi de la MSest interrompu ou quand le SGSN reçoit un message Cancel
Location du HLR.
Ét t R d
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Houda Khedher 57
État Ready
• Mobile attaché du point de vue gestion de mobilité GPRS.Information de localisation précise au niveau cellule fournie parle mobile au réseau.
• Identité de la cellule : Cell Global Identity (RAC + LAC).
• Réception et transmission de PDP PDUs possibles.• Pas de paging GPRS dans cet état. Le paging d’autres services
peut être réalisé à travers le GPRS.• Le mobile peut désactiver des contextes PDP.
• Ready Idle : déclenché par MS ou SGSN quand la MS estdétachée du réseau.• Ready Standby : déclenché par MS ou SGSN à l’expiration
du compteur Ready Timer .
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Houda Khedher 59
Sécurité et Authentification
Sécurité :- Données chiffrées entre MS et SGSN,
- Firewalls intégrés au réseau.
Authentification :- Même procédure que GSM phase 2,
- Le HLR génère des triplets,
- Le SGSN conduit la procédure d’authentification. - A3 pour le calcul de SRES à partir de RAND,
- A8 pour le calcul de Kc à partir de RAND.
Ad t ti d i
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Houda Khedher 60
Adressage statique ou dynamique
Problématique identique à celle de la gestion desadresses IP dans un intranet
Adressage dynamique :- Adresse provisoire, interne au réseau, donnée à chaque
abonné et renouvelée à chaque PDP,- En cas de navigation sur Internet, le GGSN alloue uneadresse provisoire au mobile,
- Permet de limiter le nombre d’adresses IP dédiées auxabonnés GPRS.
Adressage statique : adresse GPRS = adresse duréseau Internet- Inconvénient : si le mobile ne surfe pas sur Internet,
gaspillage des ressources
Q lité d i
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Houda Khedher 61
Qualité de service
Un opérateur peut définir des classes de QoS spécifiques pour
chaque utilisateur ou négociées au début de chaque appel.Paramètres clé :- Precedence class : priorité à maintenir le service dans desconditions difficiles.- Reliability : probabilité de perte de SDU entre 10-2 et 10-9
- Delay : délai de transit entre 0,5 sec. et 75 sec.- Mean throughput : débit moyen mesuré au point de référenceR et Gi.- Peak throughput : débit maximum de transfert de données à
travers le réseau pour un contexte PDP (entre 8 et 2048 kb/s). Plus de 50 possibilités différentes : l’opérateur doit en
sélectionner quelques unes.
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Qualité de service en GPRS
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Houda Khedher 63
Négociation de QoS
MS : vérifie que le mobile n’utilise pas plus deressources que ce qui a été négocié.
SGSN :- Distribue les ressources entre les mobiles,- Contrôle de flux (couche LLC),- Up/Downgrade de la QoS autorisée au mobile selon le
trafic.
GGSN : peut limiter le débit en fonction de la QoS.Backbone : surdimensionné pour offrir une QoS
maximum.
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Conclusions
GPRS : système complexe qui apporte une réelleavancée dans le monde de l’Internet mobile.
Flexible et paramétrable.
Similitudes avec l’accès paquet du 3G.
Dans la première phase, débits limités (débit réelobservé est très inférieur à celui annoncé dans lesspécifications du protocole)