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General Packet Radio Service (GPRS)

詳細介紹GPRS的通訊協定，內容包括 GPRS 所要提供的功能、系統架構、各個網路元件、各元件間定義的介面、計費系統與 GSM 演進為 GPRS 所採行的方式。其中 GPRS 介面部份，抽出來獨立成為 GPRS_Interface檔案。

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Reference

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

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Outlines

IntroductionGPRS Functional GroupsGPRS ArchitectureGPRS Network NodesGPRS InterfacesGPRS ProceduresGPRS BillingEvolving from GSM to GPRSSummary

• 這個主題共分為以下幾個章節:• 首先我們先介紹 GPRS 的基本概念.• 為達成有效地傳送封包的目的, GPRS 定義出必要具備的功能, 分成 6 個群組, 將在這裡介紹.

• 說明 GPRS 的系統架構.• 說明 GPRS 各個網路元件• 說明 GPRS 各元件間定義的介面. 其中 GPRS 介面部份，抽出來獨立成為 GPRS_Interface檔案.

• GPRS 計費系統• 最後是 GSM 演進為 GPRS 所採行的方式。

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Introduction

•介紹 GPRS 的基本概念.

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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 Functional Groups

•為達成有效地傳送封包的目的, GPRS 定義出必要具備的功能, 分成 6 個群組, 將在這裡介紹.

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GPRS Functionality Groups

Network AccessPacket Routing and TransferMobility ManagementLogical Link ManagementRadio Resource ManagementNetwork Management

•GPRS 從功能分類上可分成:•網路存取: 定義想要透過 GPRS 網路傳送 packet 時, 要執行認證, 授權, 計費等工作.•封包繞送及傳輸•行動管理•邏輯鏈結管理•無線資源管理•網路管理

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Network Access

Supporting the standard • point-to-point data transfer• Anonymous Access

The functions include• Registration• Authentication and Authorization• Admission Control• Message Screening• Packet termination adaptation• Charging Information Collection

• 網路存取(network access)支援點對點的資料傳輸與匿名的存取. 要做到這樣, 必需含有

1. Registration: 註冊的功能, 在建立連結時(PDP connection)時, 以手機的ID做認證.

2. Authentication and Authorization: 認證與授權.3. Admission control: 控制MS 所要傳送的資料量是否系統可以支援

, 允許MS 使用, 訂出MS 所可以使用的無線電與網路資源的限制.4. Message screening, 濾掉未被允許的訊息.5. Packet termination adaptation, 在GPRS network 傳送 data 時, 隨時可以改變調整 packet 傳輸的方式.

6. Charging Information Collection: 當封包經GPRS網路傳送時, 要收集付費的相關資訊(通常位於GGSN與SGSN).

• 匿名的存取就不需要認證與加密.

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Packet Routing and Transfer

Routing the data between an MS and the destination • Using SGSN and GGSN

The functions include• Relay Function• Routing Function• Address Translation and Mapping• Encapsulation and Tunneling• Compressing and Ciphering• Domain Name Service Functionss

• 封包由MS 送到其目的地 (or visa), 必須由 GPRS 網路負責繞送(routing), 負責的是 GSN: GPRS Support Node, 包括 GGSN, SGSN.

• SGSN (Serving GPRS Support Node), GGSN (Gateway GPRS Support Node) 在此部份的工作就和一般的 router 是一樣的, 讀取目的地位址以決定下一個中繼之 router, 並將資料 forward 過去.

• 為了達到 routing 的功能, 則更細分為以下工作:1. Relay Function: 在基地台子系統(BSS, Base Station Subsystem) 與

SGSN 都有 relay 的功能.• BSS 轉送MS 與 SGSN 間的 data.• SGSN轉送 BSS 與 GGSN 間的 data.

2. Routing Function: 在每個 hop 收到 packet 後, 需決定下一個 hop 的 address, 以求最後把 packet 送到最終的目的地.

3. Address Translation and Mapping: 在 GPRS 網路與外界的 data network 可能使用不同的 addressing 方式. 所以必須在其間做位址的轉換.

4. Encapsulation and Tunneling: • 舉例來說, MS 透過 GPRS network 傳送 IP packet, 在SGSN 使用 tunnel 的技術,把 IP packet (包括source/destination address, header) 封裝起來 (encapsulation), 當做 GPRS network 中的資料, 轉送到與外界相連的 GGSN, GGSN 再解開 (decapsulation) packet, 變回原先的 IP packet, 才送到Internet 上. GGSN 與 SGSN 有如建立一個 tunnel, 用來轉送packet.

5. Compression and Ciphering: 資料壓縮與加密6. Domain Name Service (DNS) Functions: 提供 DNS 的服務, 將

(GPRS network上節點的) domain name 轉成 IP address.

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Mobility Management

Keeps track of the current location of an MS.Three different scenarios can exist when the MS enters a new cell and possibly a new routing area• Cell Update• Routing Area Update• Combined Routing Area and Location Area

Update.

•要追蹤MS 的位置, 以傳送 data 給MS. GPRS 自行定義所謂的 Routing Area, 是數個 cell 所組成的區域, 當做是MS location 的基本單位.

•基本上 Routing Area 是 GSM 的 Location Area 的subarea.•當MS 跨越一個 cell 時, 不一定會跨越 routing area, 當然也不見得會跨越location area, 所以會有下列 3 種狀況:

•一定要做 Cell update•可能要 Routing Area Update•可能要 Combined Routing Area and Location Area Update

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Logical Link Management

Maintain the communication channel between an MS and the GSM network across the radio interfaceThe functions include• Logical Link Establishment• Logical Link Maintenance• Logical Link Release

•Logical Link Management 負責MS 與 GSM 網路 radio interface 上的communication channel 的維護, 包含:

•Logical link 的建立•Logical link 的維護•Logical link 的釋放

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Radio Resource Management

Allocate and maintain radio communication pathThe functions include:• Um Management• Cell Selection• Um-tranx• Path Management

•Radio Resource Management 負責配置 radio communication 的路徑, 包含:•Um Management: 決定要配置多少 radio resources 給 GPRS 使用

•Um 是MS 與 BSS 之間的 interface.•Cell Selection: 使MS 具有選擇擁有最佳 radio 通訊品質 cell 的能力•Um-tranx: 提供在 Um interface 上傳輸資料封包的能力, 包含:

•Medium Access Control 媒體存取控制.•Packet Multiplexing 封包多工.•Packet Discrimination 封包分辨.•Error Detection and Correction 錯誤偵測與更正.•MS<->BSS 之間 Flow Control Across the Radio Interface (無線介面的流量控制).

•Path Management: 維護 BSS<->SGSNs之間的通訊路徑.•Note: 這些路徑可依據資料流量大小被動態建立及釋放.

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Network Management

Network management functions provide mechanisms to support OA&M functions related to GPRS.

•Network Management 提供與 GPRS 相關的 OA&M (Operations, Administration & Maintenance) 功能機制

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GPRS Architecture

•說明 GPRS 的系統架構,

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GPRS Architecture

MS, BSS, MSC/VLR, and HLR in the existing GSM network are modified.Two new network nodes in GPRS• Serving GPRS Support (SGSN) node

Equivalent to the MSC. • Gateway GPRS Support (GGSN) node

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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Mapping of Functions to General Logical Architecture

Function MS BSS SGSN GGSN HLR

Network Access Control:

Registration X

Authentication and Authorisation X X X

Admission Control X X X

Message Screening X

Packet Terminal Adaptation X

Charging Data Collection X X

Packet Routeing & Transfer:

Relay X X X X

Routeing X X X X

Address Translation and Mapping X X X

Encapsulation X X X

Tunnelling X X

Compression X X

Ciphering X X X

Mobility Management: X X X X

Logical Link Management:

Logical Link Establishment X X

Logical Link Maintenance X X

Logical Link Release X X

Radio Resource Management:

Um Management X X

Cell Selection X X

Um-Tranx X X

Path Management X X

•在這一張表格中, 列舉出 GPRS 的各個 entities 所負責的 functional groups.

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The Interfaces in GPRS

Gf

D

Gi

Gn

GbGc

CE

Gp

Gs

Signalling and Data Transfer InterfaceSignalling Interface

MSC/VLR

TE MT BSS TEPDN

R Um

GrA

HLR

Other PLMN

SGSN

GGSN

Gd

SM-SCSMS-GMSC

SMS-IWMSC

GGSN

EIR

SGSN

Gn

•MS和 BSS 之間是 Um interface.•BSS 和 SGSN 之間是 Gb interface, 使用到 frame relay 做轉送packet 的功能.•屬於同一個 GPRS 網路下, SGSN 和GGSN 之間是 Gn Interface.•但如果 SGSN和 GGSN 是屬於不同的 GPRS 網路, 他們則是透過 Gp interface 溝通.•GGSN連結到外部網路 external networks是使用 Gi interface.•SGSN 和MSC/VLR 之間是 Gs interface (Optional).

•SGSN 可能會傳送 location information 給MSC/VLR (or visa).•SGSN 可能會接到MSC/VLR 呼叫MS 的要求 (paging request).

•SGSN 和 HLR 之間是 Gr interface,

•GGSN 和 HLR 之間是 Gc interface.•Gr和 Gc都遵循 GSM MAP protocol.

•MSC/VLR和 BSS 之間傳送訊號是使用現有的 GSM A interface.•在 GSM 網路中, A interface 不僅用於傳送 signaling 也用於傳送voice.

•HLR 和 VLR 之間是現有的 GSM D interface.•Interfaces A, Gs, Gr, Gc和 D 只用於 signaling, 而不包含任何 GPRS 的使用者資料的傳輸.•Interfaces Um, Gb, Gn, Gp和 Gi同時用於傳送 signaling 以及傳送 GPRS 的使用者資料的傳輸.

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GPRS Transmission & Signaling Planes

Layered protocol structureThe GPRS Transmission Plane• For User information transfer• For Associated control procedures• e.g., flow control, error detection, error correction,

and error recovery.The GPRS Signaling Plane• For control and support 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

•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 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

PhysicalMTP1

L2

IP

UDP

GTP

Relay

Relay Interworking

MAP

TCAP

SCCP

MTP3

MTP2

MTP1

MAP

TCAP

SCCP

MTP3

Um Gb HLRGn 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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GPRS-specific Protocols

The GPRS-specific protocols include SNDCP, LLC, RLC, MAC, BSSGP, BSSAP+, and GTP.PLL, RFL, GMM/SM, and MAP are GSM protocols.TCAP, SCCP, and MTP are SS7 layers.

•在 GPRS 的 transmission plane 與 signaling plane 中有一些是延用 GSM 的protocol, 如果將其歸類:

•SNDCP, LLC, RLC, MAC, BSSGP, BSSAP+, and GTP 是專為 GPRS 所定義的.•PLL, RFL, GMM/SM, and MAP 是在 GSM 系統已有的.

•事實上, GMM/SM 與MAP 有稍做修改以符合 GPRS 的需求.•TCAP, SCCP, and MTP 是在 SS7 中就已經有定義的.•其他的 protocol 是一般network 使用的標準.

•在 GPRS-interface.ppt有詳細的介紹, 這裡只特別說明 Relay function.

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The GPRS Relay Functions

In BSS• (MS:Um ↔ SGSN:Gb) The relay function relays

logical link control (LLC) Packet Data Units (PDUs).

In SGSN• (BSS:Gb ↔ GGSN:Gn) The relay function relays

Packet Data Protocol (PDP) PDUs.• (External network ↔ MS) PDP PDUs are

encapsulated and decapsulated for routing.• (From the SNDCP and from Gi interface) The

relay function adds sequence number to PDP PDUs.

•Relay functions 指的是 GPRS entity, 因為兩端是連接到不同通訊協定(或interface), 因此必須將要傳送得資料, 改變下層的封包格式,才能順利送出.•在 transmission plane 與 signaling plane 中具有 relay function 的有 BSS 與SGSN.

•BSS 在 Um (接到MS) 和 Gb (接到 SGSN) 兩端中轉送的是 LLC PDU (不用改變 LLC PDU, 但以下各層 protocol 的 header 都要改變) in LLC layer.•在 transmission plane 中, SGSN 在 Gb (接到 BSS) 和 Gn (接到 GGSN) 兩端中傳送 PDP PDU in IP/X.25 layer.

•其目的在於轉送MS 的 IP packet 到 external network, 但這些IP packet 必須先建立起 PDP connection, IP packet 被包裝到PDP PDU 中.•GGSN 在 Gn (接到 SGSN) 和 Gi (接到 external network) 兩端中, 也有 relay 的功能. •送到 GPRS network 的 PDP PDU 會被入口的 SGSN/GGSN encapsulated 與 decapsulated, 被當成 data 繞送到正確的位置. •Gb/Gn relay function 會將送到 GPRS network 的資料PDP PDU 加上 sequence number. i.e., 從 SGSN 的 SNDCP (接到 BSS) 及GGSN 的 Gi (接到 external network)收到 PDU.

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GPRS Network Nodes

•在這個章節中我們將詳細介紹 GPRS 網路中的基本元件, 包括MS, BSS, SGSN, GGSN, HLR, MSC/VLR 等. GPRS 使用的許多 GSM 網路上原有的元件, 為了能夠傳送 packet, 所以這些元件要稍加修改, 我們會強調這些修改的部分.

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GPRS Mobile Station (1/2)

A GPRS MS consists of a mobile terminal (MT) and terminal equipment (TE).• TE provides automatic retransmission (ARQ) at

the data link layer to retransmit the error frames.Three MS operation modes:• Class-A mode of operation• Class-B mode of operation• Class-C mode of operation MT

TE

•GPRS MS 包括兩部份, MT 與 TE (合起來就是ME, mobile equipment, MS 另外還要有 SIM card).

•MT 負責 air interface, 與 BSS 連繫.•TE 負責執行與 GPRS 功能相關的軟體, 以便和 SGSN 建立上層的鏈結. 可以把 TE 想成是與MT 相接的電腦.

•與 GSM 比較, 從來沒有 voice 是需要重傳的. 然而在 data link layer, GPRS MS 使用 TE 上的 ARQ 來重傳錯誤的封包.•另外, GPRS 可以使用多個 timeslots 同時傳送 packet, 但傳送GSM voice 只能用一個 timeslot.

•MS 的操作模式定義於 GPRS 07.60, 將MS 分成 3 個 classes.

•Class-A mode of operation•MS 可以同時傳送 voice (GSM service, CS domain) 與傳送 data (GPRS service, PS domain)•MS 需要有一個 duplexer 以支援上述功能.

•Class-B mode of operation•MS 可以自動轉換使用 GPRS 服務或 GSM 服務, 但不能傳送 voice 與傳送 data.•所以當MS 在傳送資料時, 若收到(CS domain)來電話的呼叫, 會暫停傳送資料, 接聽電話後再繼續傳送data.

•Class-C mode of operation•MS 只能傳 data (PS-domain service).

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GPRS Mobile Station (2/2)

To support GPRS mobility management• MS maintains MM and PDP contexts.

MSs access GPRS services• SIM is GPRS-aware SIM

IMSI, P-TMSI, P-TMSI Signature, RA, Kc, and CKSN stored in the GPRS-aware SIM shall be used.

• SIM is not GPRS-aware SIMP-TMSI, P-TMSI Signature, Routing Area, Kc, and CKSNare stored in the ME.

Other parameters are stored in ME.

•MS 要執行 GPRS 的功能, 必須支援 GPRS MM 功能, 儲存MM context 與PDP context.•MS 上即使沒有具有 GPRS 功能的SIM card, 一樣可以存取 GPRS 的服務

•若MS使用具有 GPRS 功能 (GPRS-aware) 的SIM card, 所有與 GPRS 相關的參數都會存在 SIM 中, 並在各個程序中取出使用.•若MS使用沒有 GPRS 功能的SIM card, 則這些特殊的參數會存在ME (mobile equipment) 中, 稱為 IMSI image.

•另外有許多 GPRS 使用到的參數, 但與 SIM 無關, 也會存在ME 中, 包含MM state, cell ID, ciphering algorithm, radio access classmark, SGSM classmark, PDP type... 請見下一頁之表格.

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GPRS MS MM and PDP ContextsField SIM Description

IMSI International Mobile Subscriber Identity.

MM State Mobility management state, IDLE, STANDBY, or READY.

P-TMSI Packet Temporary Mobile Subscriber Identity.

P-TMSI Signature A signature used for identification checking purposes.

Routeing Area Current routeing area.

Cell Identity Current cell.

Kc Currently used ciphering key.

CKSN Ciphering key sequence number of Kc.

Ciphering algorithm Selected ciphering algorithm.

Classmark MS classmark.

DRX Parameters Discontinuous reception parameters.

Radio Priority SMS The RLC/MAC radio priority level for uplink SMS transmission.

Each MM context contains zero or more of the following PDP contexts:

PDP Type PDP type, e.g., X.25, PPP or IP.

PDP Address PDP address, e.g., an X.121 address.

PDP State Packet data protocol state, INACTIVE or ACTIVE.

Dynamic Address Allowed Specifies whether the MS is allowed to use a dynamic address.

NSAPI Network layer Service Access Point Identifier.

TI Transaction Identifier.

QoS Profile Requested The quality of service profile requested.

QoS Profile Negotiated The quality of service profile negotiated.

Radio Priority The RLC/MAC radio priority level for uplink user data transmission.

•與 SIM card 相關的參數在 SIM 欄為中會標上 .

•IMSI (International mobile subscriber identity) 用於存取VLR, HLR 與 SGSN, GGSN 的資料庫.•P-TMSI (Packet-TMSI, packet temporary mobile subscriber identity) 是 GPRS 中與 GSM TMSI 功能相同的ID.•RA (Routing Area): MS 目前所在的位置 for GPRS MM.•Ciphering key 即 Kc, 而 CKSN (ciphering key sequence number) 是 Kc的相關參數.•P-TMSI Signature.

•與MM 有關的參數說明:•MM state, Cell Identity, Ciphering algorithm.•radio access classmark決定 radio capabilities, 如 multiple time slot capability, power class.•SGSN classmark決定 network-related capability, 如 ciphering capability.

•與 PDP context 有關的參數說明:•PDP type, PDP address, PDP state.•Dynamic-Address-Allowed 決定MS 是否可以使用 dynamic address.•Requested and negotiated QoS profile.

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Base Station System (BSS)

BTS provides new GPRS channel coding schemes through Channel Codec Unit (CCU).BSC forwards • Circuit-switched calls to MSC• Packet-switched data to SGSN • Packet Control Unit (PCU)

BSC

BTS

MSC

SGSNpacket

voiceBTS

CCU

CCU

PCU

•BTS (Base transceiver station) 加入可以支援 GPRS 的 channel coding schemes [gsm0364]

•CS-1 到 CS-4 是 4 種 channel coding. CS-1 與 GSM 相同, 而 CS-2 到CS-4 增加 Forward Error Correction 功能.

•BSC (Base station controller) 會將 voice 轉到MSC 處理, 而 packet 轉到SGSN 處理.

•一個 BSC 只能連到一個 SGSN.•轉送到 SGSN 的 packet-switched data 要先透過 PCU 的處理, 才會傳給 SGSN.•除原本 GSM voice channels 外, BSC 也要管理與 GPRS 相關的資無線電資源, 例如分配 packet data traffic channel.

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Channel Codec Unit (CCU)

Channel Coding Functions• Forward Error Correction (FEC)• Interleaving

Radio Channel Measurement Functions• Received quality level • Received signal level• Information related to timing advance

measurements

•Channel Codec Unit (CCU) 功能包含:•通道編碼功能 (Channel Coding Functions): 包含順向錯誤更正(Forward Error Correction), 交錯編碼(Interleaving).•無線通道測量功能 (Radio Channel Measurement Functions), 包含

•Received quality level•Received signal level•Information related to timing advance measurements (同步)

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Packet Control Unit (PCU)

For GPRS MAC and RLC layer functions [gsm0364]• PDU segmentation (reassembly) in LLC Layer• PDCH scheduling functions• PDCH ARQ functions• Channel access control functions

•PCU 可以看成是 GPRS 上相對於 GSM 的 TRAU (transcoder and rate adaptor unit).•PCU 負責 GPRS MAC (medium access control) 與 RLC (radio link control) 的功能. 在 gsm0364 中定義. 例如:

•Packet segmentation and reassembly: LLC layer 將網路送來的 PDU 切割成 RLC blocks (downlink) 與重組從MS 送來的 RLC blocks 成為完整的 PDU (uplink).•packet data traffic channel management (e.g., access control, scheduling, ARQ).

•Access control: 當MS 想要使用無線電資源, 以 PDCH 傳送data, 必須先提出要求(access request), 系統依據目前的使用狀況決定是否答應 (access grant).•安排 PDCH 上傳下載資料傳送的 scheduling.•ARQ: 執行 PDCH 通道上的 ARQ (重傳錯誤封包的)功能.

•專門用於封包資料傳輸的 physical channel 稱為 packet data channel (PDCH).•Uplink: 負責產生與MS 之間 RLC block 的 ack (正確收到) 與 Nak (資料不正確)•Downlink:負責送到網路 RLC block 的 buffering (暫存) 與 retransmission (重傳)

•radio channel management (e.g., power control, congestion control, broadcast control information).

•PCU 可以放在 BTS, BSC 或 SGSN 上.

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Remote Packet Control Unit Positions

BTSCCU

PCU

CCU

BTSCCU

CCU

BTSCCU

CCU

Um

BSC site

BSC site

PCU

BSC site

Abis

GSN site

GSN site

GSN site

PCU

Gb

Gb

Key : Circuit-switch function(16 or 64kbit/s)

Packet-switching function

A

B

C

•如果 PCU 放在 BSC 或 SGSN, 則 BTS 與 BSC 間的介面 A-bis就不用修改, 可延用 GSM 時代的 A-bis. 送到 BTS 的 GPRS data 與 signaling 會透過修改後的 TRAU frames 傳送 (320 bits/frame, 20ms).•各家 GPRS 設計 PCU 的方法:

•Nortel 使用現有的 GSM BTS 與 2G BSC 12000, 只有 software 有些許修改. PCU 和 Gb放在 PCUSN, 可支援到 12 個 BSC. •Alcatel 和 Nortel 相似, PCU 和 Gb放在 multifunctional server, 可連到22 BSS.•Ericsson 設計一個 BSC 含有一個 PCU. 一個 PCU 可支援 512 BTS.

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Serving GPRS Support Node (SGSN)

SGSN provides• Ciphering• Mobility Management• Charging• Statistics collection

SGSN establishes an MM context for each MS• Mobility and security information

SGSN established a PDP context at PDP context activation.

•SGSN 的角色相當於 GSM 網路裡的MSC/VLR, 它提供的功能包括:•編碼 (Ciphering)•行動管理 (Mobility Management) (e.g., SGSN routing area update and inter-PLMN roaming)•收費 (Charging)•統計資料蒐集 (Statistics collection) , 可以作為計費紀錄 (billing record) 的依據.

•對於每一個MS, 為了追蹤MS 的位置, 做Mobiilty Management, SGSN 在GPRS-attached 時會建立MM Context, MM Context 會含有MS 行動管理及安全性的相關資訊.•當MS 要傳送 data, 要建立起傳輸的連結 (做 PDP context activation), SGSN 建立 PDP context 並 activate PDP context, 以用於繞送資料到MS 及 GGSN.•當MS 在 STANDBY 或 READY 等MM state時, SGSN 會維護MM/PDP context information.

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SGSN MM Context (1/2)

IMSI, P-TMSI, P-TMSI Signature, MSISDN, IMEIMM state (Mobility Management state: IDLE, STANDBY, or READY)Routing AreaCell IdentityCell Identity ageVLR Number

•SGSN MM Context 含有下列資訊:•IMSI (the main reference key in SGSN), P-TMSI (Packet-TMSI) , P-TMSI Signature (used for identification checking purposes), MSISDN, IMEI (International Mobile Equipment Identity)•MM state (Mobility Management state：可以是 IDLE, STANDBY, or READY)•Routing Area: MS 目前所在的 Routing Area•Cell Identity: 若MS 是 READY, 則 cell identity 是目前所在的 Cell ID, 若MS 是 STANDBY 或是 IDLE, 則 cell identity 是最後一次READY 得到的 cell ID.•Cell Identity age: 最後一個MS 送到 SGSN 的 LLC PDU 到目前已經過的時間

•VLR Number:正在負責MS 的 VLR 的號碼•接下頁.

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SGSN MM Context (2/2)

New SGSN Address Authentication, Ciphering Parameters, Current Ciphering key Kc, and the selected ciphering algorithm.Radio Access ClassmarkSGSN ClassmarkMobile station Not Reachable for GPRS flag (MNRG)Non-GPRS Alert Flag (NGAF) Paging Proceed Flag (PPF)

•對每一個MS 使用者, 會有一相對應的MM context.•SGSN MM Context 含有下列資訊:

•New SGSN Address (The IP address of the new SGSN where buffered and not sent N-PDUs should be forwarded to).•Authentication, Ciphering Parameters, Current Ciphering key Kc, and the selected ciphering algorithm.•Radio Access Classmark (MS radio access capabilities)•SGSN Classmark (MS network capabilities)•Mobile station Not Reachable for GPRS flag (MNRG) (indicates whether activity from the MS shall be reported to the HLR).•Non-GPRS Alert Flag (NGAF) (Indicates whether activity from the MS shall be reported to the MSC/VLR).•Paging Proceed Flag (PPF) (Indicates whether paging for GPRS and non-GPRS services can be initiated).

35

SGSN PDP Context

PDP context Identifier (Index of PDP context), PDP type (e.g., X.25, PPP or IP), PDP address (e.g., an X.25 address), PDP state(Active, or Inactive).Access Point Name (APN)QoS Profile Subscribed, QoS Profile Requested, QoS Profile Negotiated.GGSN Address in UseCharging ID (Charging identifier, identifies charging record generated by SGSN and GGSN)

•對每一個MM context (一個 user), 可能會有 0 或多個 PDP context.•SGSN PDP Context 含有下列資訊:•PDP context Identifier (Index of PDP context), PDP type (e.g., X.25, PPP or IP), PDP address (e.g., an X.25 address), PDP state (Active, or Inactive).•Access Point Name (APN) to the external data network.•QoS Profile Subscribed, QoS Profile Requested, QoS Profile Negotiated.•GGSN Address in Use (IP Address of the GGSN currently used by the activated PDP context).•Charging ID (Charging identifier, identifies charging record generated by SGSN and GGSN)

36

Gateway GPRS Support Node (GGSN)

The GGSN is primarily provisioned by a router, which supports traditional gateway functionality, • Publishing Subscriber Addresses, Mapping

Addresses, Routing and Tunneling Packets, Screening Messages, and Counting Packets

GGSN may contain• DNS (Domain Name Server) • DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

GGSN maintains an activated PDP context.

•GGSN 基本上像是 router, 支援許多傳統上 gateway 應該要有的功能, 例如:•Publishing Subscriber Addresses•Mapping Addresses•Routing and Tunneling Packets•Screening Messages•Counting Packets

•由於做 routing 的動作, GGSN 可能會包含•DNS (Domain Name Server) 的功能,找出 routing area identifier 與serving SGSNs間的對應.•DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 的功能,用於動態分配IP addresses 給MSs.

•GGSN 會維護 an activated PDP context, 將要給MS 的 packet 已 tunnel 的技術傳給和相對應 SGSN.

37

An Activated PDP Context in GGSN

IMSIPDP Type, PDP AddressDynamic Address (Indicates whether PDP Address is static or dynamic).QoS Profile Negotiated SGSN AddressAccess Point Name (APN) MNRG Charging ID

•IMSI•PDP Type (e.g., X.25, PPP or IP), PDP Address•Dynamic Address (Indicates whether PDP Address is static or dynamic).•QoS Profile Negotiated (The quality of service profile negotiated).•SGSN Address (The IP address of the SGSN currently serving this MS).•Access Point Name (APN) (The APN requested by the MS).•MNRG (Indicates whether the MS is marked as not reachable for GPRS at the HLR).•Charging ID (Charging Identifier) (identifies charging records generated by SGSN and GGSN).

38

SGSN (Errion)

•SGSN solution•Lucent’s solution supports 40,000 attached users and 4,000 simultaneous active GPRS data sessions.•Nortel’s Passport 8380G and Symmetry’s UWS-GMS support 50,000 attached users and 20,000 simultaneous active GPRS data sessions.•Alcatel’s SGSN supports 52,000-96,000 attached users.

•GGSN solution•大多電信業者使用既存的路由平台設備來提供 GGSN 的服務功能.•Alcatel 的 GGSN 是以 Cisco 7200 系列路由器為基礎所發展的.•Nokia 的 GGSN 則是以 Nokia 自己的商業 IP routing 平台為基礎發展的.•現有 GGSN 的設計一般可以支援同時 5000 至 48000 個資料通道, 以及同時 25000 至 48000 個 attached 上 GPRS 網路的使用者.

39

Home Location Register (HLR)

New fields in MS record are introduced in HLR.• To map an MS to one or more GGSNs• Update the SGSN of the MS at attach and detach• Store the fixed IP address and QoS profile for a

transmission path

•為調整加入 GPRS 用戶及路由資訊, HLR 裡的MS record 需增加一些新欄位, 這些欄位提供 SGSN 及 GGSN 可用 IMSI 作索引時來存取.•這些欄位用於

•作為MS 與一或多個 GGSN 之間的對應聯繫•當發生 GPRS attach 及 detach 時, 能更新MS 所在的 SGSN.•存放MS 使用的固定式 IP address 和 QoS profile, 以最為傳送 data 的路徑

40

The GSN-Related Information in HLR

IMSIMSISDNSGSN NumberSGSN AddressMS Purged for GPRS MNRGGGSN-list• (GSN number, , optional IP address) related to the

GGSN that shall be contacted when activity from the MS is detected and MNRG is set.

•對於每一個MS, HLR 所存放與 GPRS network 相關的資訊有•IMSI (the main reference key), MSISDN•SGSN Number (The SS7 number of the SGSN currently serving this MS)•SGSN Address (The IP addresses of the SGSN currently serving this MS).•MS Purged for GPRS MNRG (Indicates that the MM and PDP contexts of the MS are deleted from the SGSN).•MNRG (indicates whether the MS is not reachable for GPRS service).•GGSN-list

•(GSN number, , optional IP address) related to the GGSN that shall be contacted when activity from the MS is detected and MNRG is set.

41

Each IMSI contains 0 or More PDP Contexts in HLR

PDP Context IdentifierPDP TypeQoS Profile SubscribedVPLMN Address AllowedAccess Point Name

•每一個MS, 都是用 IMSI 做為其主要 key. 每一個 IMSI 可能有 0 或多個PCP contexts.•每一筆 PDP context 會包含下面的資訊:

•PDP Context Identifier (Index of PDP Context)•PDP Type (e.g., X.25, PPP, or IP)•QoS Profile Subscribed (QoS Profile Subscribed is the default level if a particular QoS profile is not requested)•VPLMN Address Allowed (Specifies if the MS is allowed to use the APN in the domain of the HPLMN only, or additionally the APN in the domain of the VPLMN).•Access Point Name (A label according to DNS naming conventions describing the access point to the external packet data network).

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MSC/VLR

MSC/VLR may store• IMSI• SGSN Number• SGSN number of GPRS-attached MSs that are

also IMSI-attachedThe MSC/VLR may contact SGSN • Request location information • Paging for voice call.

•MSC/VLR 可存放•已同時完成 GPRS-attached 及 IMSI-attached 手機, 它所在的 SGSN 位址.•手機的 IMSI.•正服務該手機之 SGSN 的 SGSN SS7 number.

•MSC/VLR 可向 SGSN 詢問 location information 或有 voice call 時呼叫手機.

43

GPRS Interfaces

44

GPRS Architecture

Other PLMN

PDNSGSN

SMS-GMSCSMS-IWMSC SM-SC

GGSN

FIR

HLRMSC/VLR

BSSMTTE

SGSN GGSN

TEGi

Gf

Gn

GcGr

Gd

Gs

Gb

Gn

Gp

UmR

A

CE

D

Signalling InterfaceSignalling and Data Transfer Interface See GPRS-Interface.ppt

•Um (BSS<->MS)•Gb (BSS<->SGSN)•Gn (SGSN<->GGSN)•Gp (SGSN<->GGSN in Other GPRS Network)•Gs (SGSN<->MSC/VLR)•Gi (GGSN<->PDN)

45

GPRS Procedures

46

GPRS Procedures

GPRS AttachGPRS DetachPDP context procedureRA/LA Update

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

PhysicalMTP1

L2

IP

UDP

GTP

Relay

Relay Interworking

MAP

TCAP

SCCP

MTP3

Um Gb Gn

•這個章節以許多 GPRS procedures 來說明 GPRS 各個節點與 interface, 如何相互作用, 相互影響.•我們將會說明下面的 4 種 GPRS 程序所需的message flow:

•GPRS Attach: MS與 GPRS network 進行第一次的接觸•GPRS Detach: MS 決定結束與 GPRS network 的連繫 (再 attach 與detach 間稱為一個 session)•PDP context procedure: 當MS 與 GPRS network 想要傳送資料, 先建立起 PDP context 的管道•RA/LA Update: GPRS network 追蹤MS 的所在, 當MS 移動到新的RA/LA 就要修改 location information.

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GPRS Attach Procedure

MS BSS New SGSN Old SGSN GGSN HLR VLR

RA/LA Updata

1.1. Attach Request

1.2. Identification_Request

1.2. Identification_Response

1.3. Attach Accept

Um Gb Gn

•參考 GPRS signaling plane. •這是 GPRS attached 屬於MS 與 SGSN 之間 GMM layer 的工作.由MS 進行attach 的動作.•假設MS 最後一次在 old SGSN 有傳送資料, 完成 detach. 今天MS 來到 new SGSN, 也想傳送資料, 因此進行 GPRS Attach 的動作.•Step 1.1. MS 的 GMM layer 送出一個 Attach Request給 SGSN.•Step 1.2. New SGSN 的 GTP Mobility Management 送出Identification_Request(old P-TMSI)給 old SGSN, 想要得到MS 的 IMSI.

•Case 1: Old SGSN 利用收到的 P-TMSI 找出MS 的 IMSI, 並回傳Identification_Response(IMSI)給 new SGSN. 接著 new SGSN 對MS 進行包含認證 (authentication) 與加解密(ciphering)等 security procedures.•Case 2: 相反的, 如果 old SGSN 找不到MS 的資料, 則傳 error 給 new SGSN. New SGSN 只好透過 Air interface 來尋問MS 的 IMSI.•不管是MS 第一次做 attach, 或者MS 移動到 new SGSN, new SGSN 都會進行 RA (and possibly the LA) update.

•Step 1.3. New SGSN 選一個簡訊的 radio priority, New SGSN 的 GMM layer 送 Attach Accept(P-TMSI, VLR TMSI, P-TMSI Signature, Radio Priority SMS) 給MS.

•當MS 得到 new P-TMSI, MS 會送 an acknowledge 給相關的 VLR.

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GPRS Detach

GPRS detach can be initiated by MS, SGSN, or HLR.The different types of detach are:• IMSI detach• GPRS detach• Combined GPRS / IMSI detach (MS-initiated only)

•GPRS detach 可以是由 HLR 發起 (HLR-initiated), 由 SGSN 發起(SGSN-initiated)與由MS 發起 (MS-initiated).•當想進行 GPRS detach, 有下面幾種選擇:

• IMSI detach: 只與 GSM network 結束連結• GPRS detach: 只與 GPRS network 結束連結• Combined GPRS/IMSI detach: 同時與 GSM 與 GPRS network 結束連結

•只有MS 可以啟動 Combined GPRS/IMSI detach, 如關機.•下面一張投影片說明如果是 HLR 要求MS 離開, 所需要的訊號流程.•如果是由 SGSN 發起程序與由 HLR 發起的相類似, 除了 Steps 2.1 與 2.6 不會執行.•如果是由MS 發起程序與由 SGSN 發起的相類似, 除了 Steps 2.2 與 Step 2.5 Detach Accept的方向相反: Detach Request (MS→SGSN) 而 Detach Accept(SGSM→MS).

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GPRS Detach: HLR-Initiated Detach Procedure (Message Flow)

MS BSS SGSN GGSN HLR VLR

2.1. MAP_CANCEL_LOCATION

2.3. Delete_PDP_Context Request

2.3. Delete_PDP_Context Respone

2.4. GPRS_Detach_Indication

2.5. Detach Accept

2.6. MAP_CANCEL_LOCATION_ack

2.2. Detach Request

Um Gb Gn Gr D

•HLR 要求做 detach:•Step 2.1. HLR 依據標準的 GSM MAP, 透過 Gr介面, 送出MAP_CANCEL_LOCATION(IMSI, Cancellation Type)訊息給 SGSN, 要求客戶撤離.•Step 2.2. SGSN 的 GMM 送出 Detach Request給MS. 此訊息中的 detach type parameter 指出為什麼MS 無法 attach和 PDP context activation. 這裡的detach type parameter依發送的來源不同有不同的含意:

•(1) 若是 SGSN-initiated detach, the SGSN 可能會要求MS 重新進行attach.•(2) 若是MS-initiated detach, 則MS 的 detach type 會指出這是 GPRS-detach, IMSI-detach, 還是 GPRS 與 IMSI 同時 detach.

•Step 2.3. SGSN 和 GGSN 的 GTP tunnel management 交換Delete_PDP_Context_Request(TID)和 Response(TID)以取消MS 在 GGSN 的 PDP context.•Step 2.4.如果MS 是 GPRS/IMSI-attached, SGSN BSSAP+ 會由 Gs 介面送GPRS_Detach_Indication(IMSI)給 VLR. VLR 會移去與此MS 相關的SGSN 資料, 之後所有 paging, location update 等, 再不會從 GPRS network 來完成.•Step 2.5. MS GMM 傳回 Detach Accept且離開 GPRS network.•Step 2.6.當MS 已經在 Step 2.5 做完 detach, SGSN 的 GSM MAP 會透過 Gr介面送MAP_CANCEL_LOCATION_ack給 HLR, 通知 HLR 已經消去MM and PDP contexts.

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PDP Context Procedures

PDP Context Activation• MS-initiated• Network-requested

PDP Context ModificationPDP Context Deactivation• SGSN-initiated• MS-initiated• GGSN-initiated

•注意: 在MS, SGSN, GGSN 三個地方都有 PDP context. 所有 PDP context procedure 的動作一定要通知到這三者.•以下介紹 PDP Context 的三種步驟.

•PDP Context Activation•執行完 PDP Context activation, MS 與外面 PSDN/PDN 網路的連結才建立起來. SGSN 開始可以將封包在MS 與 GGSN 間繞送, 並進行計費的動作.•PDP Context Activation 可由MS, 及 network 另一端的 party (GGSN 負責)來發動.

•PDP Context Modification•如果 PDP Context 有資料要修改, 則會執行 PDP Context update message flow.

•PDP Context Deactivation•PDP Context Deactivation 可由 SGSN, MS, 及 GGSN 來發動.

•SGSN 與 GGSN 間的訊號大部份是在 Gn interface 的 GTP tunnel management 這層的 request/response pair.•SGNS 與MS 間的訊息大部份是在 Um /Gb interfaces 的 GMM 這層的request/accept pair.

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MS-initiated PDP Context Activation Procedure

MS BSS SGSN GGSN

1.1. Active PDP Context Request

1.3. Active PDP Context Accept

1.2. Create_PDP_Context_Request

1.2. Create_PDP_Context_Respones

•MS 想要建立與外界 network 的連結, 啟動 PDP context activation 的程序.•Step 1.1. MS的 GMM 送出 Activate PDP Context Request (NSAPI, TI, PDP Type, PDP Address, Access Point Name, QoS Requested, PDP Configuration Options)給 SGSN

•指出MS 是使用 static 或 dynamic PDP addresses.•指出MS 所要相連的網路, 與想要 QoS. SGSN 會檢查使用者的資料與 QoS的要求.•在這個步驟後, SGSN 與MS 也許會進行認證等 security functions.

•Step 1.2. SGSN 的 GTP tunnel management 透過 Gn介面送出Create_PDP_Context_Request訊息給 GGSN.

•SGSN 與 GGSN 各有一個MS 的 PDP context, 此時 PDP contexts 間會建立起一個 tunnel/logical link.•GGSN 會從 external network 取得 IP address 並再底下的步驟傳給MS.•GGSN 回傳 SGSN 正面的 Create_PDP_Context_Response訊息, SGSN 之後就 activates the PDP context 且可以開始在MS 和 GGSN 傳送封包.

•Step 1.3. SGSN 會在 PDP context 中儲存 GGSN address與 dynamic PDP address. SGSN 依據 negotiated QoS選擇 radio priority, 並在 GMM layer 回傳Activate PDP Context Accept給MS.

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Network-Requested PDP Context Activation Procedure

MS SGSN GGSN

3. PDU Notification Request

HLR

1. PDP PDU

2. Send Routeing Info for GPRS

2. Send Routeing Info for GPRS Ack

4. Request PDP Context Activation

5. PDP Context Activation procedure

3. PDU Notification Response

•GGSN 收到一個 external network 送來的 PDP PDU 時, 代表 Network 端主動要求 activate PDP context, 以下為其程序.

•Step 1. 當收到一個 PDP PDU 時, GGSN 會決定是否啟動 Network-Requested PDP Context Activation procedure. GGSN 會儲存連續從同一個 PDP address 所收到的 PDP PDUs.•Step 2. GGSN 送出 Send Routeing Information for GPRS (IMSI)到HLR. 若 HLR 決定可以服務此一請求, HLR 會回應 Send Routeing Information for GPRS Ack (IMSI, SGSN Address, Mobile Station Not Reachable Reason)給 GGSN. 若 HLR 決定無法提供服務 (e.g. IMSI unknown in HLR), HLR 會回應 Send Routeing Information for GPRS Ack (IMSI, MAP Error Cause) 給GGSN.

•Map Error Cause 指出無法提供服務的原因.•Step 3.若 SGSN address 存在, 而且Mobile Station Not Reachable Reason 不存在, 或Mobile Station Not Reachable Reason 表示 “No Paging Response”, GGSN 會送出 PDU Notification Request (IMSI, PDP Type, PDP Address, APN) message 到 SGSN. SGSN 會回應 PDU Notification Response (Cause) message 給 GGSN 表示允許 GGSN 的請求.•Step 4. SGSN 送出 Request PDP Context Activation (TI, PDP Type, PDP Address, APN) message 給MS 要求 activate 特定的 PDP context.•Step 5. MS 便依循前述的 PDP Context Activation procedure 將此 PDP context activated.

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PDP Context Modification

MS BSS SGSN GGSN

2.2. Modify PDP Context Request

2.2. Modify PDP Context Accept

2.1. Update_PDP_Context_Request

2.1. Update_PDP_Context_Respones

•SGSN 想要修改 PDP Context 的訊息流程, 先改 GGSN 再改MS 的.•Step 2.1 (GTP tunnel management on Gn interface).

•SGSN 和 GGSN 交換 Update_PDP_Context_Request和Response.

•Step 2.2 (GMM/Um and Gb interfaces).•SGSN 和MS 交換Modify PDP Context Request和 Accept以修改位於MS 的 PDP context.•如果MS 不同意 SGSN 要求的 QoS, MS 必須取消 (deactivate) 這一個 PDP context.

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SGSN-initiated PDP Context Deactivation

MS BSS SGSN GGSN

3.2. Deactivate PDP Context Request

3.2. Deactiveate PDP Context Accept

3.1. Delete_PDP_Context_Request

3.1. Delete_PDP_Context_Respones

•由 SGSN 發起 PDP context deactivation 的程序•Step 3.1 (GTP tunnel management on Gn interface).

•SGSN 和 GGSN 交換 Delete_PDP_Context_Request和Response.•GGSN 將 PDP context 消去且重新宣告動態 PDP address.

•Step 3.2 (GMM/Um and Gb interfaces).•SGSN 和MS 交換 Deactivate PDP Context Request和Accept.•MS 消去 PDP context.

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MS-initiated PDP Context Deactivation

GGSN

4. Deactivate PDP Context Accept

3. Delete PDP Context Response

3. Delete PDP Context Request

1. Deactivate PDP Context Request

SGSN MS

2. Security Functions

• 由MS 發起 PDP context deactivation 的程序, 與上面兩個 deactivation 最大不同的地方在於要做認證.

• Step 1. MS 送出 Deactivate PDP Context Request (TI: Transaction Identifier) 到 SGSN 要求deactivate PDP context.

• Step 2. MS 與 SGSN 執行 Security functions 作安全性驗證.• Step 3. SGSN 經 Gn interface 的 GTP 送出 Delete PDP

Context Request (TID: Tunnel Identifier) 到 GGSN. GGSN 移除PDP context 並回應 Delete PDP Context Response (TID)給 SGSN. 若MS 使用的是動態的 PDP address, 那麼 GGSN 會釋放此 PDP address 並可供給以後需要 PDP context activation 的MSs使用.

• Step 4. SGSN 回應 Deactivate PDP Context Accept (TI)message 給MS, 完成 PDP context deactivation.

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GGSN-initiated PDP Context Deactivation

GGSN

1. Delete PDP Context Request

SGSN

3. Delete PDP Context Response 2. Deactivate PDP Context Accept

2. Deactivate PDP Context Request

MS

•由 GGSN 發起 PDP Context deactivation 的程序•Step 1. GGSN 經 Gn interface 的 GTP 送出 Delete PDP Context Request (TID) message 到 SGSN, 要求 delete PDP context.•Step 2. SGSN 送出 Deactivate PDP Context Request (TI) message 到MS. MS 移除 PDP context, 並且回應 Deactivate PDP Context Accept (TI) message 給 SGSN.•Step 3. SGSN 回應 Delete PDP Context Response (TID)message 給 GGSN.若MS 使用的是動態的 PDP address, 那麼 GGSN 會釋放此 PDP address 並可供給以後需要 PDP context activation 的MSs使用. SGSN 有可能還沒等到MS 回應之前, 便會送出 Delete PDP Context Response message 給 GGSN.

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The Combined RA/LA Update Procedure (1/2)

MS BSS new SGSN old SGSN GGSN new VLR HLR1. Routing Area Update Request

2. SGSN_Context_Request

2. SGSN_Context_Response

2. SGSN_Context_Acknowledge

(Packet forwarding)

3. Update_PDP_Context_Request

3. Update_PDP_Context_Response

4. MAP_UPDATE_LOCATION

4. MAP_CANCEL_LOCATION

4. MAP_CANCEL_LOCATION_ack

4. MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA

4. MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA_ack

4. MAP_UPDATE_LOCATION_ack

5. GPRS_Location_Updating_Request

Standard GSM Inter-VLR Location Update

5. GPRS_Location_Updating_Accept

6. Routing Area Update Accept

•當MS 移動到新的 RA/LA, RA 屬於新的 SGSN, 而且 LA 也屬於新的MSC/VLR 所負責, 向 network 修改 location information.

•先做 RA update, 再做 LA update.•Step 1 (GMM on Um and Gb interfaces).

•MS 的 GMM layer 送給 SGSN 一個 Routing Area Update Request (Old RA ID, P-TMSI, update type (RA/LA))•BSS 在轉送給 SGSN 之前, BSS 會加入 cell 的 global ID.

•Step 2 (GTP Mobility Management on Gn Interfaces).•新的 SGSN 與舊的 SGSN 交換 SGSN_Context_Request and Response, 取得MM 和 PDP contexts.•Security functions may be performed to support ciphering mode in the new connection.•新的 SGSN 以 SGSN_Context_Acknowledge通知舊的 SGSN, 表示新的 SGSN 已經準備好可以接受封包.•舊的 SGSN 將被暫存在 buffer 中要送給MS 的封包, 轉送給新的SGSN.

•Step 3 (GTP tunnel management on Gn interface).•新的 SGSN 與所有相關的 GGSN (有建立 PDP-context 的 GGSN) 交換 Update_PDP_Context_Request and Response.•每個 GGSN 修改他們的 PDP context 的相關欄位.

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The Combined RA/LA Update Procedure (2/2)

MS BSS new SGSN old SGSN GGSN new VLR HLR1. Routing Area Update Request

2. SGSN_Context_Request

2. SGSN_Context_Response

2. SGSN_Context_Acknowledge

(Packet forwarding)

3. Update_PDP_Context_Request

3. Update_PDP_Context_Response

4. MAP_UPDATE_LOCATION

4. MAP_CANCEL_LOCATION

4. MAP_CANCEL_LOCATION_ack

4. MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA

4. MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA_ack

4. MAP_UPDATE_LOCATION_ack

5. GPRS_Location_Updating_Request

Standard GSM Inter-VLR Location Update

5. GPRS_Location_Updating_Accept

6. Routing Area Update Accept

•Step 4 (GSM MAP on Gr interface).•依據標準的 GSM 註冊(registration)程序, 新的 SGSN 和 HLR交換MAP_UPDATE_LOCATION and acknowledgement以更改在 HLR 中的 SGSN number.•HLR 與舊的 SGSN交換MAP_CANCEL_LOCATION and acknowledgement, 舊的 SGSN 此時才將MS 的 PDP 和MM contexts 消除.•HLR 接下來再與新的 SGSN 交換MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA and acknowledgement, 將一些GPRS 用戶的資料送到新的 SGSN. •依據收到的用戶資料, 新的 SGSN 決定MS 是否可以獲得轉送資料服務.

•如果不可以 (例如沒有足夠的資源), SGSN 傳給 HLR 一個MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA_Ack,註明錯誤的原因“GSN Area Restricted”, 此次 update 失敗.•如果 SGSN 決定可以服務MS, SGSN 為MS 建立一個MM context.

•Step 5 (BSSAP+ on Gs interface 和 GSM MAP on D interfaces).•當 SGSN 收到第一個MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA, 新的SGSN 便以查表方式用 new RA ID 找到新的 VLR, 然後送一個GPRS_Location_Updateing_Request給 VLR.•新的 VLR 修改MS 的 SGSN number, 然後 VLR 進行一個 GSM Inter-VLR location update 的標準程序.•當 LA location update 執行完畢, 新的 VLR 回覆新的 SGSN 一個GPRS_Location_Updating_Accept訊息.

•Step 6 (GMM/Um and Gb interfaces).

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GPRS Billing

•這個部份說明 GPRS 的計費系統. 我們會說明在 GGSN, SGSN 分別要收集那一些資料, 以產生 CDR. 以及 GPRS 計費上的困難點.

60

GPRS Charging Nodes

Charging information is collected by SGSNs and GGSNs.In SGSN• Radio resource usage by an MS.

In external/internal GGSNs• Network usage

The charging of the visited GPRS is gathered and sent to the home GPRS network.

•GPRS 的計費資訊是由 SGSN 及 GGSN 所收集.•SGSN 收集MS 的 radio resource usage.•GGSN 收集MS 的 network usage.

•這是由 GPRS network 與 external network 兩造協商計費的事宜.•如果MS 到其他 GPRS network 使用資源, 則若到訪的 GPRS network 使用dynamic address to an MS, 則計費資料會送到 home GPRS network.

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The Charging Info in SGSN

Location informationThe amount of data transmittedThe amount of timeThe amount of GPRS-related network resources..The GPRS activity (e.g., MM)Note that the data volume counted is at SNDCP level in SGSN.

•在 SGSN 所搜集的計費相關資訊:•Location information指出MS 是在 home network 還是在 visited network, 以及 cell location 等等.•分別計算Mobile origination, mobile termination 的資料傳輸量, 使用者指定的 QoS profile, 所使用的通訊協定.•MS 使用到 PDP context 的整段時間.•MS 使用與 GPRS 網路相關資源的總量.•對於特定MS, 所有 GPRS activity (e.g., MM).

•Note: 資料量是在 SGSN 的 SNDCP level 所測出的資料量.

62

The Charging Info in GGSN

The addresses of the destination and source The amount of data deliveredThe periodNote that the data volume counted is at the GTP level in GGSN.

•在 GGSN 所搜集的計費相關資訊:•Destination 和 source 的 addresses (這些 address 是由 GPRS operator 自行定義的).•MS 與 external data network 之間所使用的資料傳輸量.•MS 使用到 PDP address 的整段時間.

•Note: 資料量是在 GGSN 的 GTP level 所測出的資料量.

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Types of Call Detailed Records (CDRs)

S-CDR for the radio usage by SGSNG-CDR for external data network usage by GGSNM-CDR for Mobility Management activity by SGSN

•SGSN 與 GGSN 收集到的計費資料會轉成 Call Detailed Records (CDR).•Call Detailed Record (CDR) 分成

•S-CDR (SGSN PDP context generated-CDR): 由 SGSN 所產生, 是記錄MS 的無線電資訊的使用量.•G-CDR (GGSN generated-CDR): 由 GGSN 所產生, 是記錄MS 所使用的 GGSN 的外部網路.•M-CDR (Mobility Management generated-CDR): 由 SGSN 所產生, 是記錄MS 行動管理的相關資料.

64

Fields in S-CDR

MO data volumeMT data volumeLocation InformationSMS MOSMS MTAssociated QoSRecord Duration

•S-CDR (SGSN PDP context generated-CDR) 中包含的欄位:•Mobile Originating (MO) data volume: 手機撥出資料量•Mobile Terminating (MT) data volume: 手機接收資料量•Location Information: 手機的位置資訊•SMS MO: SGSN Mobile originated SMS record•SMS MT: SGSN Mobile terminated SMS record•Associated QoS: 相關的 QoS資訊•Record Duration: 相關 record 存在 SGSN 中的時間

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Fields in G-CDR

Destination AddressSource AddressData Received Data SentAssociated QoSRecord Duration

•G-CDR (GGSN generated-CDR)的欄位包含:•目的位址•來源位址•收到外部網路的資料量•送到外部網路的資料量•相關的 QoS資訊•Record Duration: record 存在 GGSN 中的時間

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The Generation of CDRs

Every CDR is associated with an active PDP context.A CDR is generated by the following criteria:• End-of-Call Accounting Schedule• Time-of-Day Accounting Schedule• Inter-SGSN routing area update

Charging for packet-switched is more difficult.• The cost of measuring packet is large.• Existing GSM billing system may not able to handle

GPRS real time CDR information.Charging gateway

•每一個使用者的 PDP context, 就會產生一個 CDR. 每個 PDP context 則可能產生數筆 S-CDRs及 G-CDRs.

•啟動(activate) PDP context 時, 就會開始產生相對應的 CDR. •CDR 的生成則可以依據下列三種方式:

•End-of-Call Accounting Schedule: 通話結束時產生•Time-of-Day Accounting Schedule: 一天中的某時刻產生•Inter-SGSN Routing Area Update: 跨 SGSN RA 移動時產生

•當手機在通訊狀態下移動到不同 GSN, 則數個 CDRs可由不同的 GSNs及外部資料網路而生成.•GPRS 中會有數個使用者共用資源的情形, 特別是當一個 PDP context 已被activated 一段長時間, 卻只偶有零星的封包需要傳輸時.•計算封包數 (packet-switched) 計費遠較 circuit-switched 為困難, 原因有:

1.量測封包數量所花的成本, 可能比因傳送封包賺到的金額還高.2.原有的 GSM 計費系統無法處理 GPRS 即時 CDR 資訊.•系統中通常會有所謂的 Charging gateway, 專門根據 SGSNs/GGSNs所提供的資訊來執行帳務調整.

67

Evolving From GSM to GPRS

•當 2G 的 GSM 網路已佈建好, 希望能演進成 2.5 G 的 GPRS, 所需要考慮的事項, 將在此章節說明.

68

Evolving from GSM to GPRS

Reusing the GSM infrastructure• Software-related cost

GPRS software is remotely downloaded to BTSs.

• Hardware costPCU-module to BSC, GGSN and SGSN

MS development• Resolve the power consumption• Multiple time-slot transmission (much more power)

•希望能夠盡可能不要更改而重複使用 GSM 的架構, 就能演進成 2.5 G 的GPRS, 因此, 在 GPRS 系統方面:

•如果是使用既有 GSM 設備, GPRS 的建置盡可以是以軟體來達成, 換言之, 建置成本是大部份屬於軟體部分.

•修改 software 並不需要到各個 site, 只要 remote control 即可.•主要硬體方面的更動, 需有要在 BSC 加上 PCU (Packet Control Unit), 以及添置 GGSN 和 SGSN.

•在手機開發方面主要的挑戰是解決省電的問題.•GPRS 手機為支援與資料相關的特性(例如多重時槽的資料傳輸), 會比 GSM 手機消耗較多的電能.

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GSM Network Elements Impact by GPRS

ELEMENT SOFTWARE HARDWARE

MS Upgrate Upgrate

BTS Upgrate No Change

BSC Upgrate PCU Interface

TRAU No Change No Change

MSC/VLR Upgrate No Change

HLR Upgrate No Change

SGSN New New

GGSN New New

•從 GSM 演進至 GPRS, 網路系統設備軟體及硬體需要升級或新增的部分

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GPRS Phase 1 Implementation

Standard Packet Services Delivery CS-1 and CS-2 Channel Coding SchemeGn, Gb, Gp, Gs interfacesFlexible Radio Resource AllocationClasses B and C MSsGPRS Charging IP and X.25 interfaces to packet data networkStatic and dynamic IP Address AllocationAnonymous AccessSecurity

•GPRS 的建置分為 Phase 1 與 Phase 2.•GPRS Phase 1 完成項目有:

•標準封包傳送服務 (Point to Point packet bearer service)•達成 CS-1 及 CS-2 通道編碼技術•建置 Gn, Gb, Gp, Gs 等介面•彈性的無線電資源配置•Class B 與 Class C 手機的規範•GPRS 計費, 如達成以封包計費及 QoS計費•建立與外界封包資料網路的 IP, X.25 的介面•提供靜態及動態 IP address 配置•匿名存取•安全性

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GPRS Phase 2 Implementation

Enhanced QoS support in GPRSUnstructured octet stream GPRS PDP typeAccess to ISPs and IntranetsGPRS PrepaidGPRS Advice of ChargeGroup CallPoint-to-multipoint services

•GPRS Phase 2 完成項目有:•加強 GPRS 的 QoS支援•無格式化位元組資料流的 GPRS PDP type•對 ISP 及 Intranet 的接取•GPRS 預付機制•GPRS 收費建議 (AoC) 機制•群體通話•點對多點的 multicast 服務

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Applications in GPRS

Specific Data Communication Requirement of Companies: • Traffic Management (Fleet Management, Vehicle

Tracking, Vehicle Control, Guidance)• Monitoring Automation (Telemetry and Security)

Applications for Individual Users• Entertainment (Games and Music)• Location Information (Restaurants, Cinema,

Hotels, Parking)• Commerce Transactions (Banking, Airlines, trains,

Online Shopping.)

•GPRS 的應用方面:•公司行號對於特定資料傳輸的需求:

•交通管理: 例如車隊管理, 車輛行跡追蹤, 車輛導航控制等等.•自動監控: 例如測量及安全性的用途方面.

•個別使用者的應用方面•娛樂: 遊戲及音樂.•位置資訊的提供: 像是餐廳, 戲院, 旅館, 停車場等.•商務交易: 如銀行, 機位, 火車位預訂, 線上購物等.