Mobile Core Network

Mobile Core
Network
Ing. Claudio Avallone
[email protected]
Agenda


Introduccion
Circuit Switched Core Network (GSM CN)




Packet Switched Core Network (GPRS CN)







Arquitectura e interfases
Protocolos
Identificadores geográficos
Arquitectura
Support Nodes
Interfases
GRPS Tunneling Protocol
Access Point y PDP Context
Procedimientos
Evolución a UMTS

Arquitectura e interfases
Agenda


Introduccion
Circuit Switched Core Network (GSM CN)




Packet Switched Core Network (GPRS CN)







Arquitectura e interfases
Protocolos
Identificadores geográficos
Arquitectura
Support Nodes
Interfases
GRPS Tunneling Protocol
Access Point y PDP Context
Procedimientos
Evolución a UMTS

Arquitectura e interfases
Introduccion

¿Qué es el Mobile Core Network?




El Mobile Core Network es parte medular de una red celular.
Encargada de realizar el ruteo y switcheo de las comunicaciones
(aka “llamadas”), y de gestionar de varias de las funciones de
movilidad y admisión, es “usuario” de la Red de Acceso que
provee el acceso al medio en sí.
Al igual que las tecnologías de acceso celular, el CN ha ido
evolucionando a lo largo de los años y estándares.
Sin embargo, los cambios en el CN entre familias de tecnologías
celulares sucesivas pueden no ser tan significativos.
Es necesario hablar primero sobre las tecnologías celulares…
Introduccion

Sobre las tecnologías celulares..

Las tecnologías celulares pueden ser rápidamente agrupadas
en “grandes familias” o generaciones

1G: AMPS


2G: GSM, GPRS, EDGE, IS-95


‘90s, digital, orientada a circuitos inicialmente (voz!)
3G: UMTS, HSPA, CDMA2000, EvxDO


‘70s, analógica
‘2005 en adelante. Mejor espectralmente, pero más cara
4G: LTE

Orientada a datos desde su concepción
Introduccion

Sobre las tecnologías celulares..

Típicamente el factor diferenciador entre generaciones ha sido
el acceso al medio
 El espectro es un recurso muy caro y por tanto escaso
 Los saltos generacionales entonces se han referido a



Mayor eficiencia espectral
Mayor factor de multiplexación en el acceso
Sin embargo, con la masificación de los dispositivos celulares y
explosión de los datos móviles, ya no es suficiente ser eficiente
espectralmente.

La tecnología debe tener ahora un rápidisimo time-to market,
permitiendo a su vez introducir nuevos VAS
Introduccion

Sobre las tecnologías celulares..

Así es como por ejemplo, GSM le gana la pulseada a IS-95 (2G
ambas)
 IS-95: mejor espectralmente, pero con estándar era
propietario (Qualcomm)
 GSM: estándar abierto (3GPP) y fabricación de móviles más
sencilla (y por tanto más económica y fácil de masificar)

Así es como LTE desplaza totalmente a WiMax como tecnología
de cuarta generación
 Mucho menor time to market, evolucionando a partir de
UMTS/GPRS
Introduccion

Sobre las tecnologías celulares..

Estos dos factores también impulsan a que dentro de
una misma “familia”, se propongan evoluciones a los
estándares:


Centrados en mejorar la interfaz de aire respecto a cierto
servicio, sí, pero por sobre todo de fácil introducción
Sin grandes migraciones
 GPRS  Edge
 UMTS  HSDPA  HSUPA HSPA R7/8/9
Introduccion

Sobre las tecnologías celulares..

Estos dos factores también impulsan a que dentro de
una misma “familia”, se propongan evoluciones a los
estándares:


Centrados en mejorar la interfaz de aire respecto a cierto
servicio, sí, pero por sobre todo de fácil introducción
Sin grandes migraciones
 GPRS  Edge
 UMTS  HSDPA  HSUPA HSPA R7/8/9
Por mayor detalle de tecnologías de acceso celular, recomendamos cursar Redes
De Acceso en el 2do semestre: https://eva.fing.edu.uy/course/view.php?id=528
Introduccion

A nivel de Core Network, poco importa cuan eficiente
sea el acceso al medio.


Sin embargo, con cada nuevo grupo de estándares (con la
introducción una nueva tecnología), se dispone de la
oportunidad de introducir cambios significativos en el Core
En un primer acercamiento, estudiaremos como evoluciona el
Core Network desde GSM (aka 2G) hasta UMTS /HSPA (aka
3.XG)
Introduccion

Como siempre, los órganos estándarizadores..
Agenda


Introduccion
Circuit Switched Core Network (GSM CN)




Packet Switched Core Network (GPRS CN)







Arquitectura e interfases
Protocolos
Identificadores geográficos
Arquitectura
Support Nodes
Interfases
GRPS Tunneling Protocol
Access Point y PDP Context
Procedimientos
Evolución a UMTS

Arquitectura e interfases
Circuit Switched CN

GSM (Global System for Mobile Communication) es una
tecnología celular digital estandarizada a fines de los ’90


Toma su nombre del work group conformado por la ETSI para
crear el estándar.
Como comentamos anteriormente, parte de la
popularidad y éxito del estándar se debió a su eficiencia
espectral y prestaciones respecto de AMPS.


Pero también tuvo competencia desde IS-95, también digital y
considerada 2G. Incluso mejor espectralmente hablando.
¿Cómo ganó GSM? Pues definida dentro de un estándar
abierto, solucionó además el problema del roaming internacional
e introdujo la SIM Card
Circuit Switched CN
Arquitectura

GSM introduce una nueva arquitectura de red,
segmentada en 4 partes:





NSS: Network Sub-System
BSS: Base Station Sub-System
NMS: Network Management Sub-System
MS: Mobile Subscriber Sub-System
El NSS es la primer versión de un Mobile Core Network
como hoy lo conocemos.
Circuit Switched CN
Arquitectura
Circuit Switched CN
Arquitectura: Identificadores


GSM define determinados identificadores de usuario..
El IMSI (Int’l Mobile Subscribe Identity) es un ID único
global del usuario.

Está compuesto de 3 segmentos:




Mobile Country Code (MCC): 3 dígitos (dec.), ID del país, estandarizado
Mobile Network Code (MNC): 2 o 3 digitos (dec.). ID de la PLMN, asignada
localmente por cada entidad reguladora.
Mobile Subscriber Identification Number (MSIN) : Máximo de 10 dígitos
(dec). ID del usuario dentro de la PLMN
La concatenación de los 3 segmentos produce un
identificador único global.
Circuit Switched CN
Arquitectura: Identificadores

El T-IMSI (Temporary IMSI) es un ID único temporal del
usuario y es válido solo en una zona acotada de influencia
dentro de una PLMN.


El MS-ISDN (Mobile Subscriber ISDN Number )



Su único propósito es suplantar al IMSI como ID del subscriptor
para los mensajes intercambiados entre MS y NSS, por seguridad
Es el número efectivamente discado para llamar al abonado
Un MS-ISDN está ligado a solo un IMSI
El MS-RN (Mobile Station Roaming Number )

Es análogo al MS-ISDN, pero asignado localmente por la red
visitada en caso de roaming. Utilizado para ruteo intra-PLMN.
Circuit Switched CN
Arquitectura: Identificadores


Y también identificador de equipo..
El IMEI (Int’l Mobile Equipment Identity) es un
identificador único de equipo.


Es el ID que permite localizar móviles robados
Asignado globalmente
Circuit Switched CN
Arquitectura: MS


Finalmente, el MS está compuesto por dos elementos
El Subscriber Identity Module (SIM), que posee
información almacenada identificando al usuario y otras






IMSI
PIN (Personal Identity Number)
PUK (Pin Unlock Key)
LAI (Location Area Identity): última LAI conocida
Home PLMN: Public Land Mobile Network de origen del sub
El Mobile Equipment (ME), que es el terminal,
identificado por el IMEI
Circuit Switched CN
Arquitectura: BSS

Cada segmento tiene funciones, roles e interfaces
estandarizadas y claramente definidas.

El BSS (redefinido posteriormente como GERAN:
GSM/Edge Radio Access Network) gestiona el acceso



Acceso al canal de radio compartido (colisiones, asignación de
recursos dedicados, etc)
Acceso a canales (señalización/tráfico) dedicados entre MS y el
NS
Genéricamente, una RAN contiene y gestiona todos los
elementos relacionados con la transmisión y recepción
sobre la interfaz de aire
Circuit Switched CN
Arquitectura: BSS

Una parte esencial es su eficiencia gestionando el múltiple
acceso, el call admission, la congestión y la movilidad.

Para dotar a la GERAN de inteligencia centralizada, sigue una
arquitectura estrella:



Una BTS tipo (Base Transceiver Station) con funciones básicas
Un controlador centralizado (BSC : Base Station Controller), gestionando varias
BTS en su zona de influencia, concentrando la “inteligencia” de la RAN y
oficiando como punto de anclaje hacia otras BSSs o RANes
Por todo esto, una RAN está fuertemente correlacionada
con la tecnología de acceso al medio.
Circuit Switched CN
Arquitectura: NSS

En contrapartida, el NSS o Mobile Core Network asume
funciones que son agnósticas de la tecnología de acceso
(conceptualmente al menos)




Ruteo de llamadas entre el MS y el destino final: otro MS de la
misma PLMN, otra PLMN, una PSTN, etc.
Tarificación
Gestión de movilidad interPLMN o inter-BSC
Roaming
Circuit Switched CN
Arquitectura: NSS

En líneas generales, el NSS es un “usuario” del BSS

El BSS se encarga de establecer las conexiones de señalización y
tráfico entre MS y NSS.





Con la QoS acordada entre MS<>NSS
Con los parámetros de llamada indicados por el NSS
Con la autorización expresa del NSS
Luego el NSS debe enrutar la información hacia el destinatario
adecuado.
Pero previo a eso, el NSS debe autenticar al usuario en
cuestión: está habilitado a usar el servicio? Tiene “saldo”?
Etc etc.
Circuit Switched CN
Arquitectura: NSS

Así, mientras es la RAN la que impulsa nuevas
tecnologías y estándares, el Core concentra las bases de
datos y servicios de valor agregado

El NSS definido inicialmente para GSM provee funciones
de ruteo para llamadas de voz (Circuit Switched) y SMSs.

El Packet Core se introduce junto con GPRS, más
adelante.
Circuit Switched CN
Arquitectura: NSS

Las siguientes entidades son definidas:







Mobile switching center (MSC)
Gateway MSC (GMSC)
Visitor location register (VLR)
Home location register (HLR)
Authentication center (AuC)
SMS Serving Center (SMS SC)
Equipment Identity Register (EIR)
Circuit Switched CN
Arquitectura: MSC


El MSC (Mobile Switching Center) es el enrutador de
“llamadas”.
Las funciones básicas son:






Registración/De-registración
Enrutamiento intra-PLMN
Autenticación y tarificación
Terminación de las interfases con el BSS (con las BSCs
directamente conectadas)
Servicio de localización
Punto de anclaje de movilidad inter-BSC o inter-RAT
Circuit Switched CN
Arquitectura: MSC

Es el elemento del NSS más “cercano” a la BSS y por
tanto al MS.

Un MSC puede tomar diferentes roles, dependiendo de
cada escenario:

Un Gateway MSC (G-MSC) es un MSC de borde de core.




Es el encargado de determinar hacia que red destino hay que enrutar la
llamada por ejemplo en casos de interconexion con PSTN o roaming celular
Es el unico MSC visible hacia el exterior del Core para Roaming Celular
El Visited MSC en caso de roaming celular, es el MSC de la red
‘visitada’ (Roamer PLMN) que ancla el contexto del móvil
En caso de handover inter MSC, existe el source y target MSC
Circuit Switched CN
Arquitectura: MSC

Es importante notar que el MSC implementa un split entre
el plano de control (señalización) y el de usuario (tráfico de
voz)


Solo la señalización es enrutada por el MSC
El camino del audio típicamente es anclado en un M-GW
(Media Gateway)


Básicamente es un transcoder de medios: TDM/IP/ATM
Localizado geográficamente más “cerca” del BSC, para reducir
costos de transporte y mejorar la calidad del audio
Circuit Switched CN
Arquitectura: VLR


El VLR (Visitor Location Register) es una base de datos
de subscriptores de alcance temporal
Siempre anexada a un MSC, le sirve de repositorio de
datos de usuario necesaria para que el MSC ejecute sus
diversas funciones


Típicamente integrada al MSC, implementación más popular
La información registrada incluye:



IMSI, MS-ISDN
Data de autenticación
Estado del subscriptor (registrado, deregistrado, etc)
Circuit Switched CN
Arquitectura: HLR

Hay dos posibles fuentes de información para el VLR





Proporcionada por el MS vía señalización NAS
Obtenida desde el HLR
El Home Location Register (HLR) es la base de datos de
subscriptores de la PLMN
Puede estar centralizada o distribuida en varias “cajas”,
pero un IMSI puede estar asociado a solo un HLR
La información guardada en el HLR es persistente y
abarca a todos los usuarios existentes en una PLMN
Circuit Switched CN
Arquitectura: HLR


El primary key del HLR es el IMSI
Ejemplos de la información guardada en el HLR son

Servicios de GSM que el usuario tiene subscriptos






Voz?
SMS?
Pre-pay?
QoS negociada como parte del SLA
MS-ISDN correspondiente al usuario
Última ubicación reportada por el MSC/VLR
Circuit Switched CN
Arquitectura: VLR vs HLR


Lógicamente, el VLR y HLR interactúan frecuentemente
entre sí
Casos de ejemplo son





EL VLR informando al HLR de un cambio de zona de registración
del sub
El VLR obteniendo info de subscriptor para autorizar o no un
servicio al MSC.
El VLR registrando MS-RN en el HLR para un roamer
El VLR purgando la información de localización del usuario en el
HLR, luego de un time-out
etc
Circuit Switched CN
Arquitectura: AuC

Previo que el HLR decida entregar info del subscriptor a
VLR/MSC, es preciso autenticar el pedido.


Es el usuario “IMSI : 1234..” realmente quien dice ser?
El Authentication Center (AuC) es una BdeD anexada al
HLR, cuyo único propósito es autenticar al usuario en
base a su IMSI



Esto ocurre durante el acceso inicial (registro en la red), o cuanto
el MSC/VLR purga su registro y se decide pedir la re-autenticación
La primary-key nuevamente es el IMSI
Como parte del proceso de AuC, se realiza un desafío respuesta
(hacia el MS) que de resultar exitoso, termina en el cifrado de toda
la señalización entre MS y MSC
Circuit Switched CN
Arquitectura: EIR, SMS-C

El Equipment Identity Register (EIR)



Usualmente integrada al HLR, mantiene una black-list de
terminales que tienen acceso restringido a la PLMN
En general la información se intercambia entre EIRs de distintos
operadores.
El Short Messaging Service Center (SMS-C) es un
elemento que implementa la lógica de servicio de SMSs


Almacenamiento y conversión de SMSs
Entrega y forward de SMSs desde/hacia MSCs asociados
Circuit Switched CN
Arquitectura
Circuit Switched CN
Interfases



La interfaz Um (radio), delimita la frontera entre BSS y MS
La interfaz Abis une BSC y BTSs asociadas
La interfaz A delimita la frontera entre NSS y BSS
Circuit Switched CN
Interfases del CS CN


La mayoría de las interfases del CS CN implementa
protocolos que corren sobre SS7
Interfaz A:



Señalización. Interconecta BSS/GERAN con el serving MSC.
Implementa MAP sobre SS7
Interfaz B:


Señalización. Interconecta MSC con su VLR asociado (en casos
donde no convivan en el mismo HW),
Implementa MAP sobre SS7
Circuit Switched CN
Interfases del CS CN

Interfaz C:



Señalización. Interconecta MSC con el/los HLR(s) de la PLMN
Implementa MAP sobre SS7
Interfaz D:


Señalización. Interconecta VLRs con el/los HLR(s) de la PLMN
Implementa MAP sobre SS7
Circuit Switched CN
Interfases del CS CN

Interfaz E:





Señalización. Tráfico opcional (recordar que típicamente el path de
tráfico no traversa el MSC, sino que se ancla en los MGWs)
Interconecta MSCs.
Típicamente participa solo en el Handover inter-MSC
Implementa MAP e ISUP/TUP sobre SS7
Interfaz F:


Señalización. Interconecta MSCs y EIRs.
Implementa MAP sobre SS7
Circuit Switched CN
Protocolos: MAP

El NSS mapea la mayoría de sus funciones sobre
protocolos que corren sobre SS7

Las interacciones entre conmutadores y BdeD, o entre
BdeD entre sí, se dan sobre MAP

Mobile Application Part (MAP), estandarizado en la TS
09.02 (v2, GSM) y TS 29.002 (v3, UMTS) provee una
capa de aplicación para MSC, VLR, HLR, AuC, EIR, para
dialogar entre sí
Circuit Switched CN
Protocolos: MAP

MAP es usuario de TCAP. Por ello, las redes de
señalización SS7 pueden entonces ser reutilizadas para
transportarlo

Sobre MAP se implementan los protocolos de alto nivel de
GSM, que actúan directamente sobre el control de la
llamada y su movilidad

Estos protocolos terminan en el MS
Circuit Switched CN
Protocolos: MAP

MAP permite implementar funciones básicas en las redes
celulares como ser:




Servicios de movilidad, localización, etc (Mobility Management)
Gestión de la llamada: establecimiento, liberación, roaming, etc
(Call Management)
SMSs
Roaming, etc
Circuit Switched CN
Protocolos: ISUP/TUP

En casos en los que un G-MSC debe terminar/enrutar una
llamada desde/hacia una PSTN, se señaliza hacia ella con
ISUP/TUP

La utilización de SS7 para transportar la señalización entre
centrales/Conmutadores/BdeD no es casual


Uno de los objetivos de GSM y su NSS era posibilitar la
escalabilidad del roaming celular y su despliegue masivo
La alta penetración de redes SS7 interconectando PSTNs facilitó
este objetivo
Circuit Switched CN
Protocolos
Circuit Switched CN
Identificadores geográficos

LAI (Location Area Identification)


Engloba un conjunto de celdas, a ser gestionadas en conjunto en
términos de llamadas terminadas y pagings.
Engloba el LAC (Location Area Code) único por PLMN, y los
MNC/MCCs ya presentados.



LAI = MCC + MNC + LAC
Este es el identificador de localización almacenado por el
MSC/VLR, y reportado al HLR.
Hay un “último LAI conocido” válido para cualquier móvil registrado
en la red (aka “Registered State”)
Circuit Switched CN
Identificadores geográficos

CGI (Cell Global Identifier)



Es el identificador único de la celda en la PLMN
Implícitamente, define un área de cobertura; el de los móviles
servidos por un sector (celda) de una BTS dada
A nivel de comunicación MS<>NSS, tiene sentido para el MSC
conocer el CGI de la celda que sirve al móvil solo si este tiene una
conexión activa (aka “Connected State”)
Circuit Switched CN
Identificadores geográficos

MSC/VLR Service Area



Es el área geográfica de influencia de un MSC/VLR, y puede
abarcar varios LACs.
Finalmente, una PLMN puede disponer de varios
MSCs/VLRs en su CS CN.
Pueden trabajar en pool (misma área de influencia) o no.


Por tanto los MSC Service Area pueden ser no tener solape
La interfaz E inter-MSC garantiza la movilidad en frontera
Agenda


Introduccion
Circuit Switched Core Network (GSM CN)




Packet Switched Core Network (GPRS CN)







Arquitectura e interfases
Protocolos
Identificadores geográficos
Arquitectura
Support Nodes
Interfases
GRPS Tunneling Protocol
Access Point y PDP Context
Procedimientos
Evolución a UMTS

Arquitectura e interfases
Packet Switched CN



El concepto de Packet Switched Core Network fue
introducido por GPRS
GPRS (General Packet Radio Service) es un estándar
de la ETSI, que introduce servicios orientados a
paquetes IP en dispositivos celulares
Diseñado para ser un overlay de las redes GSM
existentes, se masificó muy rápidamente y disparó la
introducción de diversos servicios de valor agregado



Comunicaciones (email, IM, Web browsing)
E-commerce, juegos, apuestas.
Push to talk, MMS, etc
Packet Switched CN


Si bien los data rates introducidos en las primeras
revisiones de GPRS distaron mucho de lo que hoy
consideramos aceptable (hasta 144/256kbps) fue un
salto gigantesco vs GSM.
Las principales mejoras introducidas por GPRS fueron:




Diseñado para soportar tráfico en ráfagas (email/web browsing,
etc)
Introdujo el concepto de always-on (aka siempre conectado)
Definió un stack de protocolos consistente con el mundo IP
exterior a la PLMN
Permitió introducir nuevos esquemas de tarificación (duración de
llamada > volumen consumido de datos)
Packet Switched CN

A nivel de Core, GPRS introdujo una nueva arquitectura
y varios elementos adicionales al NSS

Es el GPRS Packet Switched Core

Varias de las entidades introducidas en el GPRS PS CN
tienen funciones análogas a las de elementos en el NSS

Sin entrar en detalle en la RAN o los terminales,
examinaremos la arquitectura del GPRS CN, overlay al
CS Core (NSS) existente.
Packet Switched CN
Arquitectura
 El GRPS CN provee esencialmente las mismas
funciones que su par “NSS”:





Ruteo de “llamadas” de datos
Tarificación
Gestión de movilidad interPLMN o inter-BSC
Roaming
Solo que en el caso de GPRS, el ruteo de la “llamada”
de datos implica conectividad entre el móvil y el mundo
IP “exterior”

Fuera del caso del P2P, uno de los peers será típicamente un
servidor web o de aplicaciones
Packet Switched CN
Arquitectura
 El GRPS CN introduce dos nuevos elementos



Serving GPRS Support Node (SGSN) que se conecta a la
GERAN (BSC)
Gateway GPRS Support Node (GGSN) , el cual se conecta al
mundo “exterior “ ÏP
En cierta forma, el SGSN es un elemento análogo al
MSC, y el GGSN al G-MSC, pero con algunas
diferencias sustanciales
Packet Switched CN
Arquitectura
 Arquitectura GSM tradicional
Packet Switched CN
Arquitectura
 Arquitectura GSM / GPRS (Edge)
Packet Switched CN
Support Nodes: SGSN
 El Serving GPRS Support Node (SGSN) es el
elemento del Packect Core más cercano a la RAN
 Interfasea con varios BSSs y cumple funciones de:







Registración / De.registración
Enrutamiento de la “llamada” de datos
Autenticación del usuario
Tarificación de la llamada
Terminación de las interfases con el BSS (con las BSCs
directamente conectadas)
Servicio de localización
Gestión de la movilidad inter-BSC o intra-RAT
Packet Switched CN
Support Nodes: SGSN
 Puede ser desplegado por área geográfica o en pool
 Al igual que el MSC, el SGSN interactúa con la base de
datos de subscriptor persistente de la red, el HLR, para
obtener información de la cuenta del sub




Tiene o no servicio de datos contratado?
Que tipo de billing? Plano, prepago?
Que QoS debe brindar el sistema? Pool de IPs a utilizar? etc
Esta información es almacenada en una BdeD temporal,
el VLR, que al igual que con el MSC, típicamente reside
junto con el SGSN.
Packet Switched CN
Support Nodes: SGSN
 El SGSN/VLR almacena información relevante respecto
de la ubicación, estado y atributos del usuario
 El estado del usuario está definido por el “GMM State:

Activo (GMM Ready)



Stand-by (GMM Stand-By)




El MS está registrado en la red GPRS, y es capaz de traficar datos
La ubicación del MS es conocida por el SGSN a nivel de celda (CGI)
El MS está registrado en la red para servicios GPRS
A diferencia del estado anterior, no se le permite traficar datos
Su ubicación es conocida a nivel de Routing Area (RA)
Idle (GMM Idle)

El MS está de-registrado respecto de servicios GPRS
Packet Switched CN
Support Nodes: SGSN
 Los GMM-state definen dos máquinas de estados
Packet Switched CN
Support Nodes: SGSN


Un MS transiciona al estado GMM-Idle al de-registrarse
de la red
Un MS transiciona al estado GMM-Ready



Al registrarse en la red (desde Idle)
Al reanudar el tráfico de datos (desde Stand By)
Un MS transiciona al estado Stand By desde Ready por
diversos motivos. Típicamente:


Al detectar que el MS ya no requiere traficar datos (se liberan
los canales de señalización para ser ocupados por nuevos
usuarios)
Debido a congestión en la red (Downgrade)
Packet Switched CN
Support Nodes: SGSN


Respecto a la información de ubicación del MS, se
define un nuevo identificador geográfico: Routing Area
El Routing Area es análogo al Location Area del NSS

Tiene como finalidad reducir la carga de pagings para MSs que
están en el estado GMM-Stand-By



Debid0 a que el SGSN/VLR no conoce su ubicación a nivel de celda
Para alcanzar al MS, es necesario enviar un aviso de broadcast
de “llamada” entrante
Para reducir la carga de broadcast en la interfaz de aire, se
definen zonas de broadcast de pagings PS. Esto es un Routing
Area
Packet Switched CN
Support Nodes: SGSN


En base al LAI y RAC se conforma el RAI, único pues
contiene al MNC y MCC
Al igual que con un cambio de LAC, el MS está obligado
a notificar al SGSN de un cambio de RAC, si así ocurre
Packet Switched CN
Support Nodes: GGSN
 El Gateway GPRS Support Node (GGSN) por otro lado
es el elemento del PC encargado de interconectar el
GPRS CN y las redes externas IP
 Sus principales funciones son






Gestionar pooles de direcciones IP y la QoS a brindar en el e2e
Anclar la IP “pública” del móvil hacia el exterior
Oficiar de punto de anclaje para movilidad inter-RAT
Rutear la información internamente, hacia los SGSNs
directamente conectados, tunelizándola mediante GTP
Billing
Shaping de tráfico, NAT de IP, etc.
Packet Switched CN
Support Nodes: GGSN

A diferencia del SGSN, no participa directamente de los
procedimientos de autenticación y registración en la red

Sin embargo, el GGSN debe autorizar el acceso al
servicio de datos (y todos sus variables asociadas),
como veremos adelante

A continuación reseñaremos las interfases más
importantes del GPRS CN.
Packet Switched CN
Interfases del GPRS CN

Interfaz Gn:



Interfaz entre dos GPRS Support Nodes (SGSNs, GGSNs)
dentro de una misma PLMN
Basada en IP para transporte, es la principal interfaz del GPRS
CN. El protocolo manejado entre GSNs es GTP
Interfaz Gr:


Interfaz entre el SGSN y el HLR/AuC
Está implementada en MAP (over TCAP)
Packet Switched CN
Interfases del GPRS CN

Interfaz Gp:


Interfaz entre un Visited SGSN y un GGSN externo
También implementada sobre GTP, es necesaria para brindar
servicios de roaming (el GGSN a utilizar como salida a Internet
es típicamente el de la Home PLMN)


El “internet break-out” es una excepción a lo anterior
Interfaz Gi:

Interfaz entre el entre el GGSN y la red de datos IP exterior
Packet Switched CN
Interfases del GPRS CN

Interfaz Gb:



Interfaz de frontera entre el GPRS CN y la RAN.
O sea, entre el SGSN y sus BSCs asociadas
Interfaz Ga:


Interfaz entre un GSN y un Charging Gateway, encargado de
colectar almacenar los registros para consolidiar CDRs para
tarificación
Implementada sobre GTP’
Packet Switched CN
Interfases del GPRS CN
Packet Switched CN
GPRS Tunneling Protocol



El Core GPRS encapsula toda la información útil, ya
sean flujos de datos o señalización, en su propio
protocolo de encapsulación: GTP
Siendo en realidad un grupo de protocolos, GTP
simplica el ruteo de los paquetes IP/PPP desde las
redes externas hacia el MS
Esencialmente, GTP:




Implementa encapsulación entre GSNs
Separa streams de información en “túneles”
La información viaja encriptada
Agrega información “extra” de ruteo para simplicidad
Packet Switched CN
GPRS Tunneling Protocol

GTP se implementa sobre transporte UDP



A nivel de IP, las IPs de origen/destino identifican los GSNs que
se comunican entre sí
A nivel de UDP, el puerto destino identifica la versión/uso de
GTP (GTP-U/GTP-C/GTP’)
A nivel de header GTP, se define el TEID

Tunnel End-point ID: permite diferenciar una conexión particular del resto de
flujos de intercambio dentro de un mismo túnel
Packet Switched CN
GPRS Tunneling Protocol

A un nivel funcional, se puede descomponer GTP en
tres protocolos con similitudes

GTP-C




Usado para señalizar entre GSNs, utiliza el puerto de UDP 2123.
Esto permite al SGSN iniciar una sesíón en nombre del usuario.
Permite a ambos GSNs negociar cualquier parámetro de la sesión, y
modificarlo en instancias posteriores
GTP-U



Utilizado para tunelizar el tráfico útil (User Plane) entre la red de acceso y el
GPRS CN, y entre GSNs
A diferencia de lo que ocurre en el NSS con el G-MSC, el GGSN sí
implementa ambos planos, Control y Usuario.
Utiliza el puerto 2152 a nivel de UDP.
Packet Switched CN
GPRS Tunneling Protocol

A un nivel funcional, se puede descomponer GTP en
tres protocolos con similitudos

GTP’




Utiliza el puerto 3386 a nivel de UDP
Si bien implementa una estructura similar a GTP-C/U, implementa funciones
completamente distintas.
La finalidad de GTP’ es entregar información de charging a un Charging
Gateway, encargado de consolidar los CDRs
Típicamente , todos los GSNs implementan la interfaz Ga (sobre GTP’)
contra un CGW, que consolide los registros de la llamada en los distintos
niveles.
Packet Switched CN
GPRS Tunneling Protocol

Stack de protocolo GTP
Application Protocols
IP (user)
GTP
UDP
IP
Layer 2 (e.g., WAN or Ethernet)
Packet Switched CN
Access Point


El Access Point identifica una PDN (Packet Data
Network) accesible desde un GGSN, y por tanto desde
el MS
Representa




Una red IP externa elegible para el móvil, y su pool de IPs
asociado en el GGSN
Un conjunto de seteos utilizados para obtener la conectividad
necesaria (IP/Mask, DNSs, QoS, etc)
El Acess Point se identifica con un nombre, el APN
Dentro del GPRS CN, el APN apunta al GGSN que sirve
dicha PDN (pueden ser varios..)
Packet Switched CN
Packet Data Protocol


El contexto PDP (Packet Data Protocol) representa una
estructura de datos presente en ambos GSNs para un
móvil registrado en la red
Contiene información de la sesión del subscriptor, tal
como






Dirección IP de PDP
IMSI
TEID en GGSN y SGSN
QoS negociada
APN requerido por el usuario
GMM state del usuario
Packet Switched CN
Packet Data Protocol

Si bien el registro está presente en ambos GSNs, está
anclado en el GGSN.

El GGSN es el único capaz de interpretar los paquetes IP con
destino al usuario (a la IP de PDP del usuario) que se reciben
desde la red IP pública o Internet
Packet Switched CN
Packet Data Protocol

El GGSN tiene también la función de ocultar la topología
del GPRS CN.


Desde el exterior, no se tiene visibilidad sobre los tuneles GTP
que permiten transportar el flujo IP hasta el móvil.
¿Qué pasa cuando un MS quiere traficar datos?

En este entonces, se precisa transicionar hacia GMM_Ready, y
se ejecuta la “Activación de contexto PDP”



Es un procedimiento entre el MS y el GGSN
El GGSN asocia al contexto PDP del usuario una IP alcanzable desde el
exterior ( y atributos de sesión acordes )
El GGSN y SGSN acuerdan los TEIDs a utilizar en la sesión. El flujo de
datos puede entonces comenzar.
Packet Switched CN
Procedimientos

Attachment (1/2)
Packet Switched CN
Procedimientos

Attachment (2/2)
Packet Switched CN
Procedimientos

Activate PDP Context
Packet Switched CN
Procedimientos

MS Initiated Detach
Agenda


Introduccion
Circuit Switched Core Network (GSM CN)




Packet Switched Core Network (GPRS CN)







Arquitectura e interfases
Protocolos
Identificadores geográficos
Arquitectura
Support Nodes
Interfases
GRPS Tunneling Protocol
Access Point y PDP Context
Procedimientos
Evolución a UMTS

Arquitectura e interfases
UMTS
Introducción



Universal Mobile Telecommunications System
(UMTS) es un estándar de telefonía celular de 3ra
generación.
Estandarizado por la 3GPP en 1999 (R99), permite
acceso a servicios de datos a mayores tasas que en 2G
mientras mantiene los servicios de voz (sobre circuitos)
La piedra fundamental del éxito y penetración de UMTS,
es que se desarrolló para ser el sucesor de GSM


Son compatibles a nivel funcional.
El camino de upgrade GSM > UMTS se prevee en el estándar
UMTS
Introducción

UMTS introduce una nueva interfaz de radio respecto de
GSM




GSM implementa FDMA/TDMA
UMTS implementa W-CDMA
Sin embargo, a nivel de Core Network, los cambios son
muy pocos.
Si bien con UMTS se agregan interfases y redefinen
algunos procedimientos, los elementos de red del NSS
y GPRS CN esencialmente se mantienen.

El camino de upgrade de un Core GSM/GPRS hacia UMTS
termina siendo, en líneas generales, un upgrade de SW
UMTS
Arquitectura

UMTS segmenta la red en


Red de acceso (UTRAN)
Core Network , el cual se compone de dos dominios
 Circuit Switched CN
 Packet Switched CN
UMTS
Arquitectura
UMTS
Arquitectura - UTRAN

La UTRAN consiste en RNCs y nodos B



Radio Network Controller (RNC) <> BSC en GSM
Nodo B <> BTS en GSM
Un RNC y nodos B asociados forman un RNS (Radio
Network Sub-system)
UMTS
Arquitectura - UTRAN
• Radio Network Controller (RNC)


Es el componente ’inteligente’ de la UTRAN.
Controla los recursos de radio en su dominio (de todos los
Nodos B asociados a él).




Control de potencia de RF.
Asignación de códigos, etc.
Maneja los recursos de transporte de todos los NodosB
asociados a él.
Controla la conexión de los usuarios


Control de admisión.
Control de congestión, etc.
UMTS
Arquitectura - UTRAN
• Radio Network Controller (RNC)




Establecimiento y liberación de los servicios (Radio
AccessBearers).
Provee los servicios al Core.
Gestiona la movilidad de los usuarios
Control del Handover y SoftHandover
• Nodo B

Es el responsable de la tx/rx de radio en varias celdas.



Modulación/demodulación, spreading/despreading. Sincronización.
Rate Matching.
Participa en el manejo de los recursos de radio, y el control de
potencia
UMTS
Arquitectura - CN


A nivel de CN, se portan y reutilizan las entidades
introducidas en GSM / GPRS
El mayor cambio es la introducción de las interfases Iu-CS &
Iu-PS en sustitución de la interfaz A
UMTS


Arquitectura – CN: RANAP
Para las interfases Iu, se introduce un nuevo protocolo de
plano de control en sustitución de MAP.
RANAP (Radio Access Application Part)
Referencias






“Global System for Mobile Communications”, curso de Redes de
Acceso, IIE, FING.
“Introducción a UMTS”, curso de Redes de Acceso, IIE, FING
http://www.3gpp.org/specifications-groups/ran-plenary
http://www.3gpp.org/specifications-groups/tsg-geran
https://en.wikipedia.org/wiki/GPRS_core_network
http://etutorials.org/Mobile+devices/gprs+mobile+internet/Chapter+3
+Overview+of+GPRS/Mobility/