GPRSGeneral Packet Radio Service

Cadeira: Redes Sem FiosDocente: Prof.Doutor Amine Berqia

Elaborado por: Ruben Gomes nº21440José Coimbra nº21792L.E.S.I

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Tópicos Abordados

• GPRS: O que é?• Vantagens do GPRS (utilizador / administrador)

• Limitações do GPRS

• Segurança no GPRS

• Distribuição de Timeslots

• Classes Multislot

• Classes A, B, C dos Terminais GPRS• Quality of Service (QoS) em GPRS • Arquitectura do GPRS

• Interface de Rádio – Um• Protocolos de Dados• Interface de Rádio• Estados da Mobile Station• PDP Context• GPRS Attach• GPRS Detach

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GPRS: O que é?

• Serviço de dados móvel disponível para utilizadores GSM

• Standardizado por ETSI em 1997, agora a cargo da 3GPP

• “2.5G”: tecnologia entre 2G-GSM e 3G-UMTS

• Débito máximo teórico de 171.2 kbit/s

• Transmissões Packet-Switched

• Usa canais livres TDMA no GSM

• Facturamento por bytes transferidos e não por tempo

• Serviço “Always-On”

GSM (Global System for Mobile Communications) UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)TDMA (Time Division Multiple Access) ETSI (European Telecommunications Standards Institute)3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) GPRS (General Packet Radio Service )

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Vantagens do GPRS (utilizador)

• Débito Máximo 171.2 kbps usando os 8 timeslots TDMA GPRS mais rápido e barato que SMS e dados HSCSD

• Conectividade Instantânea (Always Online) Dados transferidos sempre que necessário Relevante para aplicações time-critical

• Novas e Melhores Aplicações Aplicações Internet: web browsing, chat rooms, partilha de ficheiros…

SMS (Short Message Service)HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)

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Vantagens do GPRS (administrador) (1)

• Eficiência do Espectro Packet Switching

Recursos partilhados por vários utilizadores concorrentemente Maximização dinâmica dos recursos Muitos utilizadores servidos pela mesma célula

• Compatibilidade Internet Rede GPRS pode ser vista como sub-rede da Internet Terminais GPRS podem ter endereço IP Permite ftp, http, irc, e-mail, telnet, conexões VPN, etc..

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Vantagens do GPRS (administrador) (2)

• Suporte pelo Standard TDMA e GSM Compatibilidade com IS-136 TDMA (U.S.A) e GSM (Europe)

• Custos ao Operador do GSM GPRS implica upgrade à rede GSM Maioria dos updates do tipo software Updates de hardware são SGSN e GGSN GPRS e GSM funcionam em paralelo Envio de dados (GPRS) e voz (GSM) dá valor às empresas Alto ganho / baixo investimento

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Limitações do GPRS (1)

• Capacidade Limitada da Célula para Todos os Utilizadores Serviço de dados e voz utilizam mesmos recursos rádio GPRS influencia capacidade numa célula da rede Impacto depende do número de timeslots reservados para GPRS

• Velocidades Mais Baixas na Realidade que na Teoria Débito máximo exige 8 timeslots sem protecção de erros (CS4) Operador normalmente não permite esta utilização exaustiva Altos débitos apenas com EDGE (384kbps) ou UMTS (2 Mbps)

CS4 (Coding Scheme 4)EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution)

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Limitações do GPRS (2)

• Modulação Sub-Óptima Modulação do GPRS é o GMSK

Velocidades de transferência mais baixas que EDGE (8 PSK)

• O Tráfego sofre Delays Pacotes enviados por caminhos diferentes para um mesmo destino

Alguns pacotes perdidos ou corrompidos Incorporados esquemas de integridade de dados e retransmissão Resulta em delays no tráfego

Aplicações exigindo vídeo de qualidade podem usar o HSCSD Um utilizador pode usar até quatro canais ao mesmo tempo Conexão end-to-end torna delays menos prováveis

GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying)8PSK (8 Phase Shift Keying)

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Segurança no GPRS

• Ligação à Internet e outras redes externas GPRS exposta aos mesmos problemas de segurança

Vírus, trojans, worms, etc. DoS (Denial of Service) Comprometimento de dados privados Software com bugs exploráveis

Soluções possíveis Firewall Encriptação de dados sensíveis Validação de routers introduzidos na rede

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• GPRS divide recursos de cada canal por vários utilizadores

• Cada frequência do espectro é dividida em 8 timeslots (TDMA frame)

• Cada utilizador pode usar vários timeslots para comunicação

• Débito de timeslot depende do Coding Scheme Ex: 13.6Kbps (CS2)

• Distribuição normal dos timeslots 1 slot para controlo 2 slots para tráfego de voz Restantes slots dependem das classes multislot

Distribuição de Timeslots

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Classes Multislot

• Determinam débito máximo uplink e downlink do equipamento• Ex: 3+1 ou 2+2

1º dígito: nº timeslots downlink (recepção da rede) 2º dígito: nº timeslots uplink (envio para a rede)

• Slots activos: nº máximo usado simultâneamente para uplink e dowlink

Classe Multislot Slots Downlink Slots Uplink Slots Activos

1 1 1 2

2 2 1 3

3 2 2 3

4 3 1 4

5 2 2 4

6 3 2 4

7 3 3 4

8 4 1 5

9 3 2 5

10 4 2 5

11 4 3 5

12 4 4 5

Exemplos:

Classe 2 Dois Downlink, Um Uplink - (2+1) 8-12Kbps Envio16-24Kbps Recepção-Mororola Accompli A008-Trium Mondo -Sirius

Classe 4Três Downlink, Um Uplink - (3+1)8-12Kbps Envio24-36Kbps Recepção -Motorola TimeportT260

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Classes A, B, C dos Terminais GPRS

• Classe A Equipamentos conectados ao GPRS e GSM simultâneamente

• Classe B Equipamento usa serviços GPRS e GSM conectado a um de cada vez Durante chamadas de voz ou SMS, serviços GPRS são suspendidos e de

seguida retomados quando a chamada ou a sessão de SMS termina

• Classe C Equipamentos registados no serviço GPRS ou no serviço GSM de voz Necessário trocar manualmente entre serviços

SMS (Short Message Service)

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Quality of Service (QoS) em GPRS (1)

• Serviços QoS exigem alterações à rede GSM

• Arquitectura de Rede Redes dos operadores devem suportar débito do GPRS Performance do serviço é essencial

• Interface Rádio Equipamento comunica com base station usando um coding scheme CS 1 (standard GSM), lento por ser altamente redundante CS 2 e 3 têm menos redundância CS 4 - sem controlo de erros / máxima taxa de transferência

Timeslots 1 2 3 4 5 6 7 8

CS1(GSM) 9.60 18.40 27.60 36.80 46.00 55.20 64.40 73.60

CS2 13.55 27.10 40.65 54.20 67.75 81.30 94.85 108.40

CS3 15.75 31.50 47.25 63.00 78.75 94.50 110.25 126.00

CS4 21.55 43.10 64.65 86.2 107.75 129.30 150.85 171.2

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Quality of Service (QoS) em GPRS (2)

Classe Intervalo Descrição

Delay Class [1..4]1: Menor atraso possível (aplicações real-time)4: Atraso não tem importância

Reliability Class [1..3]

Fiabilidade dos dados (tolerância a perda de dados)1: Acknowledged RLC (1% perdas pacotes)2: Ack RLC & LLC (10-4 % perdas)3: Ack RLC & LLC & GTP (10-9 % perdas)

Throughput Class (kbps)

Peak Throughput: Define transmissões burst indicando a taxa necessária para essa transmissãoMean Throughput: Define taxa média de transferência de dados por hora

Precedence Class [1..3]

Indica a prioridade do tráfego. 1: Alta Prioridade2: Média Prioridade3: Baixa Prioridade

RLC (Radio Link Control)LLC (Logical Link Control)GTP (GPRS Tunneling Protocol)

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Arquitectura do GPRS

BSC

SGSN

MS

BS

Outros PLMN

GGSN

PDN Rede Externa

IP ou X.25

Gb

Gd

Gp

GnGf

Gs Gc

GGSN

EIR

HLR

MSC/VLR

D

SMS-GMSCSMS-InMSC

Gi

Gr

Um

AuC

Controlo & TráfegoControlo

MS (Mobile Station)BS (Base Station)BSC (Base Station Controller)SGSN (Serving GPRS Support Node)GGSN (Gateway GPRS Support Node)GMSC (Gateway Mobile Switching Center)InMSC (Interworking Mobile Switching Center) PLMN (Public Land Mobile Network) PDN (Packet Data Network)HLR (Home Location Register)AuC (Authentication Center)MSC (Mobile Switching Centre)VLR (Visitors Location Register)EIR (Equipment Identity Register)

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Elementos da arquitectura GPRS

• SGSN – Serving GPRS Support Node Guarda registo do local de um subscriber (equivalente ao MSC no GSM) Gestão da mobilidade Gestão de Links Lógicos Gestão de sessões (criação de túneis) Serviços AAA (authentication, authorization, accounting) Serviços de Billing

• GGSN – Gateway GPRS Support Node Equivalente ao GMSC no GSM Interface entre backbone GPRS e redes de pacotes de dados externas Converte pacotes GPRS para protocolos apropriados (IP, X.25, ..) Serviço Firewall e Filtragem de pacotes, para segurança da rede Também pode executar serviços AAA e Billing

MSC (Mobile Switching Center)GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center) – tipo de MSC que se liga a redes móveis externas

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Interface de Rádio – Um

• Descreve o interface de rádio entre a MS e a BS

• Estrutura dos Canais de Rádio Packet Data Channel (PDCH): Canal físico dedicado a tráfego de dados Um PDCH tem um ou mais canais lógicos de dados

• Métodos de gestão dos canais “Master-Slave”:

Um PDCH faz de Master e acomoda canais lógicos para transportar mensagens de controlo para iniciar a tranferência de pacotes

Os outros PDCHs actuam como Slaves transportando dados do utilizador (PDTCH) e mensagens de controlo dedicadas

“Capacity-on-demand”: PDCHs são alocados dinâmicamente Número de PDCHs alocados numa célula depende do tráfego

PCCCH (Packet Common Control Channel)PDTCH (Packet Data Traffic Channel)Célula – Área abrangida por uma Base Station

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Interface de Rádio – Canais Lógicos (1)

• Packet Data Traffic Channel (PDTCH) Transferência de dados (oito formam um PDCH)

• Packet Dedicated Control Channel (PDCCH) Packet Associated Control Channel (PACCH)

Controlo de potência, alocação de recursos, re-conexão

Packet Timing Advance Control Channel Uplink (PTCCH/U) Serve para transmitir um burst de pacotes e estimar o timing advance

Packet Timing Advance Control Channel Downlink (PTCCH/D) Usado pela BSS para informar MSs sobre o timing advance

BSS (Base Station Subsystem)Timing Advance –Tempo que um pacote demora entre a MS e a BS.

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Interface de Rádio – Canais Lógicos (2)

• Packet Broadcast Control Channel (PBCCH): Broadcast de informação do sistema para transferência de dados

• Packet Common Control Channels (PCCCHs) PCCCHs de uplink

Packet Random Access Channel (PRACH)

• Envia sinal para iniciar transferência uplink de dados ou controlo PCCCHs de downlink

Packet Paging Channel (PPCH)

• Faz pedidos à MS em serviços Circuit e Packet Switched Packet Access Grant Channel (PAGCH)

• Usado para a alocação de recursos Packet Notification Channel (PNCH)

• Envia notificação à MS antes de iniciar a tranferência

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Canais Lógicos GPRS (Um)

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MAC FrameRelay

RLC

Protocolos de Dados

GSM RF

MAC

RLC

LLC

SNDCP

IP / X.25 IP / X.25

GTP

Física

L2

Aplicação

GSM RF

BSSGP BSSGPFrameRelay

LLC

SNDCP GTP

L2

IP

MS BSS SGSN GGSNUm GnGb Gi

IP

UDP/TCP

UDP/TCP

FísicaFísica Física

Relay

Relay

IP (Internet Protocol)SNDCP (Sub Network Dependent Convergence Protocol)LLC (Logical Link Control)RLC (Radio Link Control)MAC (Medium Access Control)RF (Radio Frequency)

GSM RF: PLL (Physical Link Layer) RFL (Physical RF Layer)

BSSGP (BSS GPRS Protocol)BSS (Base Station System)GTP (GPRS Tunneling Protocol)TCP (Transmission Control Protocol)

UDP (User Datagram Protocol)L – Layer X.25 – Standard Packet SwitchingRelay – Conversão dos protocolos

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Componentes dos Protocolos (1)

• SNDCP (Sub Network Dependent Convergence Protocol) Multiplexagem de mensagens da camada de rede para ligação virtual

simples Compressão de cabeçalhos e dados Fragmentação de pacotes grandes

• LLC (Logical Link Control) Estabelece uma ligação entre a estação móvel e o SGSN Responsável pela formatação das frames

• RLC (Radio Link Control) Usa o mecanismo sliding-window para controlo de fluxo Uma sub-camada da interface rádio que assegura fiabilidade

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Componentes dos Protocolos (2)

• BSSGP (BSS GPRS Protocol) Transporta a informação sobre QoS, mas sem controlo de erros Função principal é entregar a informação ao radio link control (RLC) e

ao medium access control (MAC) no interface rádio

• GTP (GPRS Tunneling Protocol) Protocolo que encapsula pacotes IP ou X.25 Assegura a segurança na rede backbone Faz encaminhamento dos PDUs (packet data units) pela rede GPRS

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Estados da Mobile Station (1)

• Estado IDLE Utilizador ainda não fez attach ao SGSN (MM context) Contextos da MS e do SGSN não têm localidade válida ou informação

de routing para o utilizador Procedimentos MM relacionados com o utilizador ainda não executados MS faz selecção da PLMN e célula nesta, e faz re-selecção se necessário Não é possível a transmissão de dados para e da MS nem pedidos do

utilizador

PLMN (Public Land Mobile Network)MM (Mobility Management) – Contexto entre MS e SGSN

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Estados da Mobile Station (2)

• Estado READY Adiciona informação sobre a célula da MS ao contexto MM A selecção e re-selecção da célula é feita através de procedimentos MM,

controlodados pela MS ou controlados pela rede MS pode enviar e receber PDUs do PDP neste estado A rede não envia pedidos a uma MS em estado READY. Os pedidos

para outros serviços podem ser feitos via o SGSN que transfere os dados para a BSS responsável pela célula actual do utilizador.

MS pode activar ou desactivar contextos PDP neste estado

RAC (Routing Area Code) – faz parte do RAILAC (Location Area Code) – identifica uma área dentro de uma PLMNBSS (Base Station System)

PDU (Packet Data Unit)

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Estados da Mobile Station (3)

• Estado STANDBY Podem ser recebidos pedidos de mensagens de dados ou controlo ou

serviços CS via o SGSN MS faz a selecção da routing area (RA) e célula dentro dessa RA

localmente MS executa procedimentos MM para informar a SGSN que entrou numa

nova RA MS não informa a SGSN de uma mudança de célula na mesma RA.

Assim a informação do local da MS no contexto MM da SGSN contém apenas o RAI (RA Identification) e não a célula.

MS pode iniciar activação ou desactivação de contextos PDP. Um contexto PDP deve ser activado antes de dados serem transmitidos ou recebidos nesse contexto.

CS (Circuit Switched)RAI (Routing Area Identification)

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Modelos de Estados (contexto MM)

IDLE

STANDBY

READY

PDUTransmission

READY timer expiredouForce to STANDBY

GPRSDetach

GPRSAttach

GPRS Detach ou

Cancel Location

Implicit Detach ou Cancel Location

PDU Reception

READY timer expiredouForce to STANDBYouAbnormal RLC Condition

IDLE

STANDBY

READY

GPRS Attach

Modelo de Estados da MS Modelo de Estados do SGSN

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Transições de Estado e Funções (1)

• De IDLE para READY: GPRS Attach: MS pede acesso, é iniciada uma ligação lógica ao SGSN.

Cria-se contextos MM (MS e SGSN).

• De STANDBY para IDLE: Implicit Detach: Os contextos MM e PDP no SGSN devem retornar ao

estado IDLE e inactivo. Estes contextos podem então ser apagados. Os contextos PDP da GGSN podem ser eliminados.

Cancel Location: SGSN recebe mensagem “Cancel Location” do HLR e remove contextos MM e PDP.

• De STANDBY para READY: PDU transmission: MS envia um PDU para o SGSN, possivelmente em

resposta a um pedido. PDU reception: SGSN recebe PDU do MS.

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Transições de Estado e Funções (2)

• De READY para STANDBY: READY timer expired: Contextos MM da MS e do SGSN retornam para

o estado STANDBY. Force to STANDBY: SGSN indica retorno imediato para STANDBY

antes do timer READY expirar. Abnormal RLC condition: Contexto MM do SGSN retorna para

STANDBY em caso de problemas de entrega de pacotes na interface rádio ou falha completa na transmissão rádio.

• De READY para IDLE: GPRS Detach: Pode ser iniciado pela MS ou pela rede. Os contextos

MM podems ser apagados da SGSN e os contextos PDP são apagados da SGSN e da GGSN.

Cancel Location: SGSN recebe mensagem “Cancel Location” da HLR, e remove contextos MM e PDP.

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Relação Location/Routing Area

Cell

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PDP Context

• PDP (Packet Data Protocol)• Estrutura de dados presente na SGSN, na GGSN e na MS• Algumas informações guardadas no PDP Context:

PDP Context Identifier Endereço PDP PDP state QoS profile. Endereço IP da GGSN Access Point Name da rede externa

• Para que a MS use GPRS, é necessário activar o PDP Context• Pode existir mais do que um PDP Context por MS

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GPRS Attach (1)

MS BSS new SGSN old SGSN GGSN HLR VLR

1 - Attach Request

2 - Identification_Request

2 - Identification_Response

RA/LA Update

3 - Attach Accept

4 - Attach Complete

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GPRS Attach (2)

1. Attach Request: • MS transmite P-TMSI (caso já lhe tenha sido atribuído um)

• MS transmite IMSI (caso ainda não lhe tenha sido atribuído nenhum)

2. Identification_Request: • Assumindo que a MS se mudou de SGSN e sabe o seu P-TMSI, o novo

SGSN pede o IMSI ao antigo SGSN.

• Caso o antigo SGSN saiba o IMSI, ele é enviado ao novo SGSN na mensagem Identification_Response.

• Se o antigo SGSN não sabe o IMSI da MS, responde ao novo SGSN com uma mensagem de erro. Neste caso, o novo SGSN pede à MS o IMSI para a autenticação.

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GPRS Attach (3)

3. Attach Accept: O SGSN envia a mensagem Attach Accept. Nesta mensagem pode ser enviado um novo P-TMSI.

4. Attach Complete: Caso tenha sido enviado um novo P-TMSI, este responde com um acknowledgment enviando a mensagem Attach Complete.

P-TMSI (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity) • Número aleatório dado à MS cada vez que se liga• Apenas válido dentro da própria área local• Caso a MS se mude, o P-TMSI também muda

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GPRS Detach (1)

MS BSS SGSN GGSN HLR VLR

1 - Detach Request

2 - Delete PDP Context Request

2 - Delete PDP Context Response

3 - IMSI Detach Indication

4 - GPRS Detach Indication

5 - Detach Accept

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GPRS Detach (2)

1. Detach Request: Indica tipo de Detach (GPRS, IMSI ou ambos)

O P-TMSI é enviado para efeitos de autenticação

2. Delete PDP Context Request: É pedida a desactivação do PDP Context. GGSN responde com Delete PDP Context Response

3. IMSI Detach Indication: Enviado caso MS tenha pedido IMSI detach

4. GPRS Detach Indication: Enviada caso MS tenha pedido GPRS detach

5. Detach Accept: Enviado para assinalar que o detach correu bem

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GPRS Detach (3)

MS BSS SGSN GGSN HLR VLR

1 - Detach Request

2 - Delete PDP Context Request

2 - Delete PDP Context Response

3 - GPRS Detach Indication

4 - Detach Accept

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GPRS Detach (4)

1. Detach Request: Pedido de detach da SGSN para a MS

2. Delete PDP Context Request:• Pedido da SGSN à GGSN para desactivar PDP Context da MS

• GGSN responde com mensagem Delete PDP Context Response

3. GPRS Detach Indication: Informa o VLR de um GPRS Detach

4. Detach Accept: Enviada pela MS um tempo indefinido depois de receber a mensagem Detach Request

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GPRS Detach (5)

MS BSS SGSN GGSN HLR VLR

2 - Detach Request

3 - Delete PDP Context Request

3 - Delete PDP Context Response

4 - GPRS Detach Indication

5 - Detach Accept

1 - Cancel Location

6 - Cancel Location Ack

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GPRS Detach (6)

1. Cancel Location: Do HLR para SGSN, para apagar contextos MM e PDP

2. Detach Request: SGSN notifica a MS de que irá ser feito um detach.

3. Delete PDP Context Request: • Pedido à GGSN para desactivar os respectivos PDP Contexts da MS

• Após desactivação, é enviado ao SGSN a resposta Delete PDP Context Response.

4. GPRS Detach Indication: SGSN informa VLR de um GPRS Detach.

5. Detach Accept: Mensagem enviada pela MS um tempo indefinido depois de ter recebido a mensagem Detach Request

6. Cancel Location Ack: SGSN confirma que se apagou contextos MM e PDP

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Referências

• WebPages http://in.mobile.yahoo.com/new/mobile/gprs.html http://www.protocols.com/pbook/gprs.htm http://misnt.indstate.edu/harper/Students/GPRS/GPRS.html http://tct.hut.fi/opetus/s38118/s98/htyo/54/index.shtml http://en.wikipedia.org/wiki/GPRS http://www.cisco.com/en/US/products/sw/wirelssw/ps873/

products_white_paper09186a00800ad645.shtml http://www.gsmworld.com/technology/gprs/intro.shtml

• Papers http://www.rysavy.com/Articles/GPRS/GPRS.htm http://www.it.iitb.ac.in/~it601/dep/paperlist/Bettstetter.pdf http://www.ensc.sfu.ca/people/faculty/ljilja/papers/opnetwork02_ricky.pdf http:// www.mobilein.com/GPRS.pdf

• Documentos http://www.item.ntnu.no/fag/tm8100/Pensumstoff2004/GPRSIVAR.ppt http://www.ececs.uc.edu/~cdmc/course/auluck_gprs.doc http://www.juniper.net/solutions/literature/white_papers/200074.pdf