從2G到3G演進的中介技術GPRS

2019-11-03 09:25:10

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供稿：網友

劉彩霞1，劉波粒2，李新民3

1.河北師范大學物理學院河北石家莊050016

2.河北師范大學職技學院電子系河北石家莊050031

3.河北化工醫藥職業技術學院機電工程系河北石家莊050016

　　摘　要：從GSM的網絡設施出發，闡述了GPRS的網絡構成以及相應的業務特性和服務質量，分析了從2 G到3G的演進中GPRS所處的地位及其發展前景。

　　關鍵詞：2G；3G；GPRS；網絡結構；演進方式

　　Abstract： Based on the GSM network installations, the article introduced the network compo nents of GPRS, its relevant professional property and service quality,analyzed t he status and development prospects of the GPRS in the evaluation from 2G to 3G

　　KeyWords：2G；3G；GPRS；network structure；evaluation way

　　1 引言

　　在全球所有的第二代移動通信中，GSM通信網絡的使用人數最多，中國目前的大部分移動通信網絡就是GSM系統。由于最初的GSM標準主要是考慮支持語音業務和少量電路交換方式的數據業務，因此GSM網絡的語音通信是電路交換方式。20世紀90年代以后，隨著互聯網技術的迅猛發展，人們開始想到了移動互聯網，希望能通過手機享受各種高速數據業務(包括收發Email、進行Internet瀏覽等)。正是在這樣的社會需求下，歐洲電信標準化組織(ETSI)及時在GSM系統的基礎上制定了一套移動數據通信技術標準，使GSM與Internet相結合，重組的新網絡稱為通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）。顯然該網絡既有電路交換又有分組交換，后稱2.5G系統。2000年以后，該技術的標準化工作被轉移到3GPP。

　　由于GPRS只是在現有GSM網絡的基礎上疊加了一個新的網絡，通過在新的網絡上增加一些硬件設備并同時對原有網絡進行軟件升級，形成了一個新的網絡邏輯實體，以提供端到端、廣域的無線ip連接。因此，筆者從人們熟知的GSM網絡（如圖1所示）入手，進而討論GPRS網絡（如圖2所示）的形成，最后分析了GPRS網絡技術在移動通信的演進過程中所處的地位及其發展前景。

　　2 GPRS網絡的形成及特點

　　2.1 GSM的網絡設施

　　圖1給出了GSM系統的典型網絡結構。



　　圖1中網絡構成的實體為：

　　(1)MS：移動臺，用戶的移動終端。

　　(2)BSS：基站子系統，包括一個基站控制器BSC和多個基站收發臺BTS。其中BTS負責與移動臺通過空中接口進行通信；BSC負責控制一個或多個BTS。

　　(3)MSC：移動交換中心，負責一個或多個BSS。完成對MS的移動性管理和業務以及與PSTN的交換。

　　(4)HLR，VLR：分別負責記錄在本地注冊的用戶信息和漫游到本地的外地用戶信息。MSC通過這2個數據庫來實現對用戶移動性的管理和對用戶業務的正確交換。

　　(5)EIR，AUC：移動設備和用戶認證中心，負責對用戶權限的管理。

　　顯而易見，GSM無線網絡的核心為MSC，并由MSC，VLR和HLR完成語音通話的電路交換業務的移動臺接入和移動性管理。

　　2.2 GSM的重組新網絡GPRS網絡系統

　　GPRS移動通信系統是針對GSM進行改進而來，而這種改進并不徹底，他們對空中接口并不改動，只是通過一些新的定義對核心網進行了大的改動，使得第二代系統能夠支持分組業務接入Internet。

　　2.2.1 GPRS的網絡結構

　　為了實現“GSM+Internet”的方略，形成了圖2所示的網絡結構。

　　新增的功能模塊主要包括：

　　（1）移動臺(MS) 必須是GPRS或GPRS/GSM雙模移動臺。因為原有的GSM網絡只作為語音通話來用；將GSM升級到GPRS網絡后，由于GPRS網絡內的MS具備傳輸語音的電路交換以及傳輸數據的分組交換兩種方式，為此功能與用途更加多樣化。

　　（2）將原有的GSM基站(BSS)子系統作了相應的軟硬件擴展。由于基站收發臺BTS仍只與基站控制器BSC連接，沒有增加新的硬件接口，僅在BTS上增加了軟件單元(CCU)，顯然GSM網絡原有的BTS能同時用于GPRS網絡。BSC仍然同時連接許多BTS，為增設數據分組的處理能力，B SC不僅需要軟件升級，還要增加與SGSN連接的新的分組控制單元 (PCU) 硬件接口。

　　在GPRS網絡中，MS發出的無線信號為數據或語音兩種方式，此時由BTS負責識別信號的數據形態：若僅為語音信息，則由BSC將數據傳輸到MSC(他扮演著語音交換機的角色)；若含有數據信息，則由BSC中的PCU新接口，從話音業務中分離出數據業務，并將數據傳輸到SGSN，以控制無線信道的分配。

　　（3）對于交換機(SS)子系統(如HLR，VLR，MSC等)，只需在原有的設備中加入支持GPRS網絡的軟件。

　　（4）在核心網絡引入SGSN（Serving GPRS Support Node，GPRS業務支持節點）和GGSN（ Gataway GPRS Support Node，GPRS網關支持節點）兩個新的網絡設備節點，進而在以語音業務為主的基礎上增加了數據業務。在GPRS網絡中，通常由單一的SGSN負責某一區域網絡的服務，電信運營商的PLMN中包括許多的SGSN，但只有很少數的GGSN，SGSN的數量遠多于GGSN。GGSN對GPRS核心網的功能是根據分組IP地址找到MS的位置并為移動臺分配一個合適的SGSN。

　　從圖2中明顯看出，無線網絡的核心已經由MSC變成了SGSN，而MSC，VLR和HLR只是負責傳統電路交換業務的移動臺接入和移動性管理；而核心網絡本身已經是在IP的基礎上，通過GG SN接入Internet和其他的網絡。

　　2.2.2 GPRS的無線接口

　　圖2中，除了原有BSS與MS之間的接口Um外，其他的新增接口皆為GPRS新型網絡接口，主要有：SGSN通過Gs接口連接MSC(以幫助GPRS網絡更有效率地處理電路與數據交換的呼叫信號)，通過Gn接口連至GGSN；不同的GSM網絡通過Gp接口相連；通過基于幀中繼的Gb接口，一個或多個BSS被連至SGSN；GGSN通過Gi參考點提供與外部分組交換網絡的交互工作；SGSN和GGS N均可與HLR通信，并各自通過Gr和Gc接口獲得路由信息和用戶詳細資料；Gd是SGSN連接SMS- GMSC及SMSIWMSC之間的接口，通過該接口可使SGSN發送短消息。

　　可見，GPRS業務的實現可以無需變更GSM網絡的基礎設施，運營商只需根據數據業務的需求，將蜂窩小區原來用于語音業務的某些頻點分給GPRS用戶使用，將該頻點的8個信道劃分為語音、數據、交換(語音和數據共用)等三種信道進行靈活配置，使語音業務的處理仍沿用MSC/GMSC，對于新增的數據業務采用SGSN/GGSN來實現。為了處理數據業務，GPRS在基站子系統定義了專用的分組信道，采用了新的編碼方式，提高了空中接口的數據傳輸速率；在核心網部分引入了分組域，采用了分組交換的方式，突破了電路交換網64 kb/s的限制。以充分體現GPRS網絡的2個關鍵特性：有效的利用無線資源和網絡，支持完全的透明IP傳輸。

　　2.3GPRS的業務特性及服務質量

　　GPRS是一組新的GSM承載業務，可劃分為點到點(PTP)和多點到多點(PTM)兩種類型。點到點業務是在兩個用戶之間提供一個或多個分組的傳輸，由業務請求者啟動，被接收者接收，他包括PTP無連接型網絡業務(PTPCLNS)和PTP面向連接的網絡業務(PTPCON S)。點到多點業務將單一信息傳送到多個用戶，有點到多點廣播(PTMM)、點到多點群呼(PTMG)和IP多點傳播業務3類PTM業務。用戶終端業務可以分為基于PTP的用戶終端業務和基于PTM的用戶終端業務，具體的用戶終端業務分類如表1所示。

　　GPRS的服務質量的好壞在移動圖像傳輸方面比在文件傳輸方面更容易影響用戶的感受，視頻傳輸需要更高的帶寬和固定的分組傳輸延遲，而文件傳輸通過FTP方式對實現時只需要保障一定的吞吐量就可以處理一些分組延遲的情況。GPRS的3種不同等級的服務質量的具體描述以及他們各自對應的用戶群如表2所示。

　　3 3G演進方式及GPRS的發展前景

　　隨著技術的成熟和網絡的發展，人們已不再滿足于第二代移動通信系統(2G)內單調的語音服務，而對移動數據業務的需求日益迫切。第三代移動通信(3G)雖然描繪了一幅美好的圖畫，卻由于2G與3G標準之間的規格技術存在許多差異和其他種種原因而全面推遲商用，致使業界訂出過渡的解決方案，即所謂25G技術，以漸進的方式將2G升級到3G。

　　3.1 2G向3G的演進途徑

　　目前2G的每踴個標準都有一套方法將2G網絡升級到3G，即：

　　（1）向CDMA 2000的演進方式可能的路線是IS95(或CDMA One) → CDMA20001x (CDMA 2000單載波系統) → CDMA 2000-3x (CDMA 2000三載波系統)或WCDMA。

　　（2）向WCDMA的演進方式可能的路線是GSM→GPRS→EDGE→WCDM A。

　　（3）向TDSCDMA的演進方式路線尚不明朗，可能基于GSM MAP網實現平滑過渡，同時也兼容ANSI41向3G過渡。

　　3.2 中國對標準的選擇

　　中國聯通公司在全國范圍內建設了CDMA網絡，采用了基于ANSI41的IS95 CDMA核心網絡，今后的發展趨勢是向著3GPP2制定的CDMA 2000標準過渡。

　　中國移動公司是基于GSM/GPRS網絡的演進，選擇WCDMA還是TDSCDMA是建設面臨的首要問題。由于兩方面并不是互相排斥的，為此中國移動曾表示，各種標準交互使用是國際認同趨勢。

　　3.3 GPRS的發展前景

　　在2G通信標準上，CDMA One比GSM標準慢了7年，這7年間，歐洲大廠諾基亞與愛立信遍布全球，GSM取得空前勝利。由于市場受限，美國CDMA大廠高通和韓國的三星、LG始終無法獲得更大的商機。

　　從演進方式上看，由于GSM的規模優勢，也使得更多的國家優先考慮WCDMA或TDSCDMA的演進方略。而該演進方略的2.5G過渡技術是GPRS，為此GPRS技術就顯得尤為耀眼。目前，全球已有上百家運營商開通了GPRS商用系統、試商用系統或實驗系統。GPRS技術已開始在全球的GSM網絡中廣泛部署。國際上有名的電信設備制造商諾基亞、西門子、愛立信、摩托羅拉等都在積極開發GPRS相關產品，提出一系列解決方案。

　　鑒于我國城市人口密集、具有全球最大商業潛能的特點，應率先在我國高數據業務量的熱點地區，島嶼式地自主建設TDSCDMA無線接入網絡，以解決容量和業務量問題，逐步實現由我國自主研發的基于GSM/GPRS網絡的TDSCDMA的演進方式。

　　顯見，GPRS是第二代移動通信邁向第三代移動通信（3G）的過渡，是通往第三代移動通信網絡的階梯。

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摘自《現代電子技術》

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