GPRS：移動數據業務的一次革命

2019-11-03 09:14:21

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饒學偉藍文峰

　　移動通信自２０世紀９０年代以來進入了大發展階段，全球用戶數每２０個月翻一番，目前全球用戶數已經超過７億，到２００１年底估計要突破１０億。我國移動用戶也在高速增長，2001年第一季度就已成為世界上突破１億大關的第二個國家，據ＩＴＵ預測，全球移動用戶數在２００１年到２００７年之間的某個時候將超過固定用戶。隨著移動通信的大發展，移動數據通信日益受到重視，其地位變得越來越重要，其應用也越來越廣泛。GPRS （通用分組無線業務）正是迎合GSM移動通信市場和全球因特網的迅猛發展和日益融合而推出的，它為GSM運營商由僅提供話音業務向提供綜合信息服務業務領域拓展提供了重要的網絡平臺，它使GSM數據業務由原來基于電路交換提升為采用分組交換的數據處理形式，是移動數據業務的一次革命。

二、移動數據業務的演進

　　由GSM系統中數據業務演進我們可以看到：移動數據業務是一個不斷發展的業務，主要分為電路型數據業務和分組型數據業務。GSM移動數據業務GSM第一階段提供的9600bit/s 以下數據業務及Phase 2+階段提出的HSCSD都屬于電路型數據業務。Phase 2+階段提出的GPRS，則屬于分組型數據業務，后者相對于前者具有很顯著的優越性。

　　九十年代初開始的最初GSM數據業務是基于電路交換的數據業務，提供9.6kbit/s的接入速率，這也是目前網上設備都支持的一種業務。　　HSCSD（High Speed Circuit Switched Data高速電路型數據業務）是GSM電路型數據業務的最近進展（1998），它提供多個時隙的捆綁能力，支持上行和下行非對稱的資源分配，提供最高64Kbit/s的接入速率。

　　EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution增強數據速率改進)是類似GPRS但帶寬更大的網絡技術，允許最高384Kbit/s的傳輸速度，也是GSM的進化版。營運商將可以提供高速多媒體應用；與GPRS不同，EDGE需要不同于目前GSM的調制技術，投入將較大。EDGE技術可以說是GSM系統的邊緣技術，一些營運商視EDGE為GPRS發展到3G/UMTS(Universal Mobile Telecommunication System通用移動通信系統)的過渡技術，它是否會被廣泛采用取決于設備、終端和相關應用在時間上能否配合。EDGE提供GSM數據業務時具有資源利用率低、使用成本高等不可避免的問題。

　　GPRS（general packets radio service）：全稱為通用無線分組業務，在世紀之交應運而生，利用GPRS技術理論上最高能夠達到171.2kbit/s。這個數字是現在的固定電信網絡的數據傳輸速率的3倍，是當前GSM網絡上電路交換數據服務速率的10倍。隨著GPRS的出現，人們第一次能夠真正通過移動設備享受完全的Internet訪問功能。GPRS可以使終端同時進行話音通信業務和數據通信業務，支持各類多媒體業務。由于可以更有效地利用無線資源，GPRS可以允許大約50到100個用戶共享同樣的帶寬。

三、GPRS移動數據傳輸原理

　　1．GPRS系統工作原理

　　GPRS網絡結構中引入了下列新的網絡接口：

　　Gn，GSN（SGSN和GGSN）主干網接口，用于各種GSN之間。

　　Gb，BSS和SGSN之間的接口。

　　Gr，SGSN和HLR之間的接口。

　　Gp，不同的GSM網絡（不同的PLMN）之間的接口。

　　Gs，SGSN和MSC之間的接口。

　　實際上在BSC部分還有一個PCU（Packet control Unit）,稱為分組控制單元，主要用于完成RLC/MAC功能和與Gb的轉換。

　　GPRS網絡是基于現有的GSM網絡來實現的。在900／1800MHzGSM數字蜂窩移動通信系統中完成GPRS業務的網絡設備及其相應的連接，網絡設備主要包括：

　　(1) GPRS交換設備如GPRS網關支持節點GGSN(Gate GPRS Supporting Node)和GPRS業務支持節點(Serving GPRS Support Node)，以及其他一些功能實體(域名服務器DNS、計費網關CG和邊界網關BG)。SGSN的主要作用是記錄移動臺的當前位置信息，并且在移動臺和GGSN之間完成移動分組數據的發送和接收。GGSN主要是起網關作用，它可以和多種不同的數據網絡連接，如ISDN、PSPDN和LAN等。有的文獻中，把GGSN稱為GPRS路由器。GGSN可以把GSM網中的GPRS分組數據包進行協議轉換，從而可以把這些分組數據包傳送到遠端的TCP／ip或X.25網絡。

　　(2) GPRS基站子系統附加設備主要包括引入GPRS業務后，在基站子系統BSS或基站收發信機BTS中新增加的硬件單元(PCU)。

　　(3) 其它設備如本地位置寄存器HLR、訪問位置寄存器VLR、移動交換中心MSC、SMS—GMSC和SMS—IWMSC等GSM系統原有設備被升級以支持相應的與GPRS有關的功能。

　　(4) 要實現GPRS網絡，移動臺也必須是GPRS移動臺或GPRS／GSM雙模移動臺。

　　 2.GPRS的網絡特性

　　GPRS是GSM提供的分組交換和分組傳輸方式的新的承載業務，可以應用在PLMN內部或應用在GPRS網與外部互聯分組數據網（IP、X.25）之間的分組數據傳送，GPRS能提供到現有數據業務的無縫連接。使用GPRS時，數據封裝進每個分組并在網上發送。網絡容量僅在需要時分配，提供了即時連接和高通過率。GPRS提供了非常靈活的波特率，從小于100bit/s到大于171.2kbit/s，因此能處理從低速短消息到瀏覽復雜網站所需的高速傳輸。少于一時隙的各種應用可從GPRS的功能中得到好處，可使幾個用戶共享一個時隙。GPRS允許用戶在收發數據資料的同時接收電話。不過，GPRS將要求空中接口和基站分系統兩方面作更動，以便能進行此種分組模式的傳輸。另外GPRS需要新的網絡組成部分，SGSN和GGSN，GPRS IP骨干網，以及新型終端。GPRS對電子信箱和數據庫接入業務較理想，用戶不必為短暫的傳輸付出高費用。由于基于TCP/IP協議，GPRS可提供與因特網更有效的連接。

　　(1) 分組交換

　　分組交換的基本過程是把數據先分成若干個小的數據包，可通過不同的路由，以存儲轉發的接力方式傳送到目的端，而組裝成完整的數據。分組交換基本上不是實時系統，延時也不固定，但可以使不同的數據傳輸“共用”傳輸帶寬：有數據時占用帶寬，無數據時不占用，從而分享資源。同時分組交換可以提供靈活的差錯控制和流量控制，主要是在端到端的高層進行，以減少中間網絡低層環節不必要的開銷；也可以在網絡部分環節上增加控制，提高安全性。另外通過設置服務等級QoS等手段，可以有效的控制和分配延時、帶寬等性能，所以分組交換非常適用于數據應用。

　　(2) 頻譜效率

　　在GSM無線系統中，無線信道資源非常寶貴。如采用電路交換，通信需要建立端到端的連接，在通信過程中要獨占信道，每條GSM信道只能提供9.6kbit/s或14.4kbit／s傳輸速率。如果多個組合在一起(最多8個時隙)，雖可提供更高的速率，但只能被一個用戶獨占，在成本效率上顯然缺乏可行性。而采用分組交換的GPRS則可靈活運用無線信道，每一個用戶可以有多個無線信道，而同一信道又可以由幾個用戶共享，從而極大地提高了無線資源的利用率。在理論上，GPRS可以將最多8個時隙組合在一起，給用戶提供高達171.2kbit/s的帶寬，從14.4kbit/s～171kbit/s，足足比以前超出了10倍的傳輸速度，保證了更大數據的傳輸，更快的因特網接入。由于GPRS用戶的數據通信費是以數據量為基礎，而不考慮通信時長，所以GPRS用于IP業務的接入將更為用戶所接受。GPRS最大的特點就是“永遠在線”。人們可以隨時獲得即時的更新結果，只要移動設備打開，就會一直收到信息，這使它成為理想的數據傳輸方法。從無線系統本身的特點來看，GPRS使GSM系統實現無線數據業務的能力產生了本質的飛躍。

　　(3) Internet識別

　　典型的互聯網連接是：用戶通過撥號接入某一ISP，通過ISP的網絡訪問互聯網。因此用戶需要付撥號電話費和網絡使用費兩部分費用，而GSM做無線接入時付無線網絡電話費。如果通過GPRS接入互聯網則有很大的不同，因為GPRS是無線分組數據系統，只要用戶一打開GPRS終端，就已經附著到GPRS網絡上，GPRS通過允許現存的Internet和新的GPRS網絡的互通首次完全實現了移動Internet功能。也就是用戶通過GPRS系統的網關GGSN連接到互聯網，GGSN還提供相應的動態地址分配、路由、名稱解析、安全和計費等互聯網功能。目前任何一種在固定Internet上的業務（如文件傳輸協議、網頁瀏覽、交談、信函、遙信）通過利用GPRS將同樣能在移動網絡上實現。所以，移動業務運營商同時也是互聯網業務的提供商。

　　3．GPRS分組數據路由及傳輸原理

　　LLC(Logical Link Control)協議基于HDLC(高級數據鏈路控制規程)協議，LLC幀包含幀頭、臨時地址字段、可變長度信息字段和幀檢測序列，為MS和SGSN之間提供高可靠的邏輯鏈路，可傳輸確認幀和非確認幀，對中斷幀可檢測重發，支持點對點和點對多點數據傳輸。利用同一個物理信道實現網絡和多個MS之間傳輸信息，LLC層允許信息傳送有不同優先級。

　　SNDCP(SubNetwork Dependent Convergence Protocol)協議屬于網絡層協議，從移動臺MS到SGSN，數據分組被分成幾個子網相關的收斂數據單元，SNDCP協議執行用戶數據的分段處理、用戶數據的壓縮、TCP/IP頭的壓縮和加密功能。

　　BSSGP(Base SubSystem GPRS Protocol)協議支持基站和SGSN之間傳送路由信息和QoS信息，及執行SGSN和BSC(基站控制器)之間信令管理和分組確認功能。Network Service(NS)網絡服務層用來傳輸BSSGP PDUs，它是基于BSS和SGSN間的幀中繼連接，可以采用直聯方式，也可經過幀中繼網絡進行連接。

　　GTP(GPRS Tunnelling Protocol)協議在GPRS骨干網中在GSNs之間(如SGSN和GGSN)提供協議信道，所有的PTP分組數據協議的PDUs應由GTP協議進行封裝。

　　TCP/UDP，其中TCP是承載需要可靠數據鏈路(如X.25)的GPRS骨干網的GTP PDUs的協議，而UDP是承載不需可靠數據鏈路 (如IP)的GPRS骨干網的GPT PDUs的協議。TCP提供流量控制和保護GTP PDUs避免數據丟失和崩潰功能，而UDP僅提供避免GTP PDUs崩潰的功能。

　　IP是GPRS骨干網協議，用于用戶數據和控制信令的路由協議，GPRS第一階段采用Ipv4，最終要采用Ipv6協議。

　　L1bis，L1，L2底層協議，在GPRS規范中沒有明確規定，各廠商的解決方法可能不同。

　　在MS和SGSN之間，由SNDCP/LLC協議來路由轉發分組數據單元PDU，通過TLLI/NSAPI標識來唯一識別特定用戶的PDU。在SGSN和GGSN之間，利用GTP頭中的TID和IP頭中的GSN地址來唯一標識特定用戶的PDU傳輸隧道。GPRS中的分組數據傳輸主要分為MS-PDN、MS-MS兩種類型。

四、移動數據業務的應用和發展展望

　　通過使用GPRS技術，傳統的GSM可以在原有的網絡上提供許多新的服務。與現在的電路交換數據服務不同的是，它是一種面向非連接的技術，平時用戶并不需要一直占用無線資源，一旦有信息發送或接收需求時可以立即進行連接。與傳統的電路交換數據服務相比，面向非連接是GPRS的主要優勢之一，這種方式可以允許多個用戶同時共享同樣的帶寬，因而大大提高了無線資源的利用率，這種特性對于遠程信用卡認證等具有時間敏感性的關鍵應用是十分重要的。

　　目前運營商提供的GPRS為基礎的無線數據的應用有：

　　◆ GPRS手機可作為無線MODEM使用，并使個人電腦進行互聯網瀏覽，包括WEB瀏覽、電子郵件、FTP、TELNET等；VPN（虛擬專用網）/移動辦公;

　　◆ 不間斷WAP接入業務;瀏覽WAP信息,包括新聞、證券消息、天氣預報、生活咨訊；

　　◆ 輕松下載鈴聲圖片，可下載Flash圖片和多和弦鈴聲；

　　◆ 移動商務、移動銀行；

　　◆ 收發E-MAIL；

　　◆ 綜合定位技術，提供個性化移動定位服務；

　　◆ 移動QQ，網上聊天；

　　◆ java 游戲下載，玩最IN的互動游戲；

　　◆ 移動炒股，在線交易。

　　從廣義來說：GPRS技術可以應用的領域有：

　　◆通過GPRS接入獨立的Internet業務提供者(ISP)；

　　◆社團的連接（與企業內部Intranet互通，使用戶能無線接入內部局域網）；

　　◆聲頻數據流；

　　◆多媒體；

　　◆信息通知——E-mail和無線E-mail；

　　◆個人事務（如控制家庭設備）

　　◆結合定位技術，提供個性化移動定位服務及車隊管理；

　　◆信息業務（信息點播：新聞、證券消息、天氣預報、生活資訊）；

　　◆銀行業務；

　　◆電子商務；

　　◆遙測；

　　◆自動售貨機報告；

　　◆基于網絡的多用戶游戲；

　　◆預付費數據業務；

　　◆智能數據和話音；

　　◆遠程LAN接入。

　　雖然WAP業務的受阻曾一度讓移動數據業務市場低迷，但GPRS的出現，較之GSM在數據的傳輸上產生了由電路交換到分組交換這樣一個質的飛躍，這使得移動互聯網和數據業務產生許多嶄新的應用。移動數據業務作為移動通信與數據通信的結合點，能使移動用戶隨時隨地得到話音、文本、圖像信息的服務，移動和數據的完美結合使得人們能夠實現“任何地點的任何人在任何時間”連接到“任何信息”的美好設想。對于運營商而言，GPRS帶來的移動數據業務意味著無限的商機和發展的未來，GPRS是第二代向第三代網絡演進的一個非常重要、不可或缺的一個步驟和里程碑。

----《通信世界》