L'architecture GPRS 2.5G
L'architecture GPRS
Le GPRS est une extension du protocole GSM : il ajoute par rapport à ce dernier la transmission par paquets (internet). Cette méthode est plus adaptée à la transmission des données. En effet, les ressources ne sont allouées que lorsque des données sont échangées, contrairement au mode « circuit » en GSM où un circuit est établi et les ressources associées pour toute la durée de la communication. Le GPRS a ensuite évolué au début des années 2000 vers la norme Edge également optimisée pour transférer des données et qui utilise les mêmes antennes et les mêmes fréquences radio.
Contrairement à une communication vocale où un seul intervalle temporel (time slot) est alloué pour la transmission de la voix, dans une liaison GPRS, le nombre de TS peut varier, entre un minimum fixé à 2 et le maximum à 8 TS par canal, en fonction de la saturation ou de la disponibilité des ressources radio dans la BTS. Le débit de chaque TS est déterminé par le mode de codage (coding scheme) (CS), qui caractérise la qualité de la transmission radio :CS1 = 9,05 kbit/s (équivalent du GSM « voix ») ;
CS2 = 13,4 kbit/s ;
CS3 = 15,6 kbit/s ;
CS4 = 21,4 kbit/s (cas optimal du mobile à l'arrêt, au pied de l'antenne et seul dans le secteur couvert par l'antenne).
Le débit théorique maximal est de 8 TS × CS4 = 171,2 kbit/s. Mais en pratique le débit maximal est d'environ 50 kbit/s.
Le débit usuel de 2 TS × CS2 × 2⁄3 = 17,9 kbit/s, soit environ 2 ko/s.
Le GPRS permet de fournir une connectivité IP constamment disponible à une station mobile (MS), mais les ressources radio sont allouées uniquement quand des données doivent être transférées, ce qui permet une économie de la ressource radio. Les utilisateurs ont donc un accès bon marché, et les opérateurs économisent la ressource radio. De plus, aucun délai de numérotation n'est nécessaire.
Le PCU (Packet Control Unit) dans l'architecture GPRS
Le PCU est un élément essentiel de l'architecture GPRS (General Packet Radio Service). Il joue un rôle crucial dans la gestion des communications de données entre les stations mobiles et le réseau GPRS.
Fonctions principales du PCU:
- Contrôle d'accès au canal: Le PCU gère l'allocation des ressources radio pour les transmissions de données. Il s'assure qu'il n'y ait pas de collisions entre les différents utilisateurs et optimise l'utilisation du canal radio.
- Segmentation et réassemblage des paquets: Le PCU segmente les paquets de données en blocs de taille appropriée pour la transmission sur le canal radio. Il réassemble ensuite les blocs reçus dans l'ordre correct pour reconstituer les paquets d'origine.
- Gestion des erreurs: Le PCU détecte et corrige les erreurs de transmission qui peuvent survenir sur le canal radio. Il assure ainsi la fiabilité des communications de données.
- Contrôle de la QoS (Qualité de Service): Le PCU peut garantir un certain niveau de qualité de service pour les communications de données, en fonction des besoins de l'application.
- Facturation: Le PCU peut collecter des informations de facturation pour les services de données utilisés par les abonnés.
Positionnement du PCU dans l'architecture GPRS:
Le PCU peut être implémenté à différents endroits dans l'architecture GPRS:
- Dans la station de base (BTS): C'est l'implémentation la plus courante. Le PCU est intégré à la BTS et permet une gestion plus efficace des ressources radio.
- Dans le contrôleur de station de base (BSC): Cette implémentation permet une meilleure centralisation de la gestion des communications de données.
- Dans le nœud de support GPRS de service (SGSN): Cette implémentation offre une plus grande flexibilité et évolutivité.
Avantages du PCU:
- Amélioration de l'efficacité des communications de données
- Réduction des erreurs de transmission
- Garantie de la qualité de service
- Facilite la facturation des services de données
SGSN Serving GPRS Support Node
Le SGSN est une passerelle permettant l'acheminement des données dans les réseaux mobiles Global System GSM GPRS, EDGE et UMTS.
Il gère l'interface avec le réseau de paquets externe via une autre passerelle, le GGSN (Gateway GPRS Support Node) pour les appels sortants (chaque GGSN est identifié par l'Access Point Name fourni dans la demande d'activation du mobile) et vers la station mobile pour les appels entrants. Il maintient les informations identifiant l'abonné et les services utilisés. Il contrôle la localisation du mobile sur une « Routing Area ».
Fonctions principales du SGSN:
- Authentification et sécurité: Le SGSN authentifie les utilisateurs et assure la sécurité des communications de données. Il utilise des algorithmes de cryptage pour protéger les données des utilisateurs contre les accès non autorisés.
- Gestion de la mobilité: Le SGSN suit la localisation des stations mobiles et met à jour les informations de routage en conséquence. Cela permet de garantir que les communications de données sont toujours acheminées vers la bonne destination, même lorsque l'utilisateur se déplace.
- Gestion des sessions de données: Le SGSN gère l'établissement, la maintenance et la terminaison des sessions de données entre les stations mobiles et le réseau GPRS.
- Facturation: Le SGSN peut collecter des informations de facturation pour les services de données utilisés par les abonnés.
Positionnement du SGSN dans l'architecture GPRS:
Le SGSN est généralement situé dans le cœur du réseau GPRS. Il est connecté à la station de base (BTS) via le contrôleur de station de base (BSC).
Avantages du SGSN:
- Amélioration de la sécurité des communications de données
- Gestion efficace de la mobilité des utilisateurs
- Facilite la facturation des services de données
GGSN (Gateway GPRS Support Node)
Le GGSN est une passerelle d’interconnexion entre le réseau paquet mobile (GPRS ou UMTS) et les réseaux IP externes.
Le GGSN transmet le trafic au SGSN actif pour la station mobile (MS) associée à l'adresseIP (l'adresse IP de google par exemple). La structure de données permettant la session entre le SGSN et le GGSN est appelée contexte PDP. La MS (le terminal de l'abonné) peut avoir plusieurs contextes PDP actifs simultanément ou aucun. Le GGSN permet ainsi la mobilité en assurant la transmission des paquets de données vers la MS.
Le GGSN a les fonctions principales suivantes :il contient des informations de routage ;
il gère la session (le contexte PDP qui contient les informations de QoS, login (identifiant) et password (mot de passe) de l'utilisateur) ;
il collecte des données de trafic pour la facturation ;
il fait fonction de pare-feu ;
il est relié au SGSN via une dorsale GPRS.
Le GGSN est un élément essentiel du réseau GPRS. Il est responsable de la connexion du réseau GPRS à l'Internet et aux autres réseaux IP externes.
Fonctions principales du GGSN:
- Routage des paquets: Le GGSN achemine les paquets de données entre le réseau GPRS et les réseaux IP externes. Il utilise des tables de routage pour déterminer le chemin optimal pour chaque paquet.
- Traduction d'adresses: Le GGSN traduit les adresses IP des stations mobiles en adresses IP valides sur le réseau IP externe.
- Authentification et sécurité: Le GGSN peut authentifier les utilisateurs et assurer la sécurité des communications de données. Il utilise des algorithmes de cryptage pour protéger les données des utilisateurs contre les accès non autorisés.
- Facturation: Le GGSN peut collecter des informations de facturation pour les services de données utilisés par les abonnés.
Positionnement du GGSN dans l'architecture GPRS:
Le GGSN est généralement situé à la périphérie du réseau GPRS. Il est connecté au SGSN (Serving GPRS Support Node) via le réseau GPRS.
Avantages du GGSN:
- Permet aux utilisateurs du réseau GPRS d'accéder à l'Internet et aux autres réseaux IP externes.
- Amélioration de la sécurité des communications de données.
- Facilite la facturation des services de données.
Avant le GPRS, l'accès à un réseau se faisait par commutation de circuit, c’est-à-dire que le canal radio était réservé en continu à la connexion (qu'il y ait des données à transmettre ou pas). La connexion suivait le chemin suivant : MS → BTS → BSC → MSC → Réseau. Aucun nouvel équipement n'était nécessaire.
Le GPRS introduit de nouveaux équipements. La connexion suit le chemin suivant : MS → BTS → BSC → SGSN → GGSN → Internet.
La connexion entre le MS et le BSS fait intervenir un protocole de couche 2 (MAC, Medium Access Control) et un protocole de couche 3 (RLC, Radio Link Control). Ces deux couches gèrent les procédures de connexion/déconnexion et le partage de la ressource radio entre les utilisateurs. RLC gère la segmentation et le réassemblage, et supporte deux modes d'utilisation : acknowledged mode qui permet la retransmission d'une trame erronée et unacknowledged mode qui ne le permet pas.
La connexion entre le BSS et le SGSN (Serving GPRS Support Node) a lieu avec le protocole NS (Network Service) en couche 2 et le protocole BSSGP (Base Station Subsystem GPRS Protocol) en couche 3.
La connexion entre le SGSN (Serving GPRS Support Node) et le GGSN (Gateway GPRS Support Node) utilise des protocoles IP, plus précisément le PDP et le GTP.
Les connexions en couche 4 se font avec le protocole LLC (Logical Link Control) entre la MS et le SGSN, et en mode UDP entre le SGSN et le GGSN.
Au-dessus des couches 4 se trouvent deux autres protocoles : SNDCP ((en)Sub Network Dependent Converge Protocol) entre la MS et le SGSN, et GTP ((en) GPRS Tunnelling Protocol) entre le SGSN et le GGSN.
Finalement une connexion TCP/IP peut avoir lieu entre la MS et un serveur distant.
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