chap8 gprs

8/18/2019 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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- 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

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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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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

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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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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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Classe de terminaux GPRS


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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


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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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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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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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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-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

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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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

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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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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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-5 Interface Radio GPRS


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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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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)

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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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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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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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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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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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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)

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