GPRS關鍵技術及展望

2019-11-03 09:31:19

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劉雪娟　李建東　　西安電子科技大學摘要：目前通用分組無線業務（GPRS）已成為GSM過渡到UMTS的最佳方案。文章在概述GPRS特點和業務的基礎上，介紹其網絡結構、協議模型、無線接口、網絡運行模式和路由管理等關鍵技術，并根據GPRS技術的國內外狀況，展望其在國內的發展。

關鍵詞：GPRS　網絡結構　協議模型　無線接口

　　目前，移動通信領域內最令人關注的問題是如何從2G網絡演進到３Ｇ。在２Ｇ網絡中，９０％以上的業務是話音和增值業務，３Ｇ網絡是為多媒本通信設計的，話音業務為其子業務，因此２Ｇ與３Ｇ之間存在巨大的差異。在３Ｇ的技術發展和市場需求都不很成熟的情況下，考慮到２Ｇ網絡在全球形成的巨額投資和繼續保持高速成長的情況，業界的共識是：通過技術的平滑過渡來提供業務的平滑過渡，而不是以３Ｇ技術另起爐灶。顯然，基于ＧＳＭ系統提出的GPRS方案，具備技術上的前后向兼容性、在核心網引入分組交換網，以及在提供部分３Ｇ業務的同時培育３Ｇ業務市場等諸多優點，其標準在２０００年下半年已比較成熟，因此最迎合平滑過渡策略的最佳方案。引入GPRS設備后，在３Ｇ網絡（Ｒ９９）到來時，不僅能夠實現核心網絡的平滑過渡，而且能實現現有ＧＳＭ與未來ＵＭＴＳ互聯互通，以保證終端在不同網絡之間無縫漫游。

　　１　GPRS的特點和提供的業務

　　與原有ＧＳＭ比較，GPRS在數據業務的承載和支持上具有非常明顯的優勢：多個用戶共享一個信道，更有效地利用網絡資源，特別適合突發性、頻繁的小流量數據傳輸；按照用戶的需求提供帶寬，無線接口采用寬帶ＣＤＭＡ技術，大幅度提高數據傳輸速率，數據速率最高可達164kb/s；計費方式更加靈活，支持按數據流量進行計費；支持在數據傳輸的同時進行話音通話等。它使移動通信與數據網絡合二為一，用戶使用數據和多媒體業務更加便利。GPRS可提供三類交互式業務：端到端分組傳輸模式下數據業務的發送和接收、點對點和點對多點兩種方式的承載業務、補充業務。一個網絡具體采取何種類型提供交互式業務支持，可視特殊的用戶需求而定，也可分階段提供。

　　2　GPRS網絡結構

　　2.1實現GPRS所需增加的功能模塊

　　在ＧＳＭ數字蜂窩移動通信系統中完成GPRS業務，需要增加一些網絡設備和相應的連接，主要包括：（１）在核心網絡引入分組交換平臺（ＧＳＮ）、GPRS業務支持節點（ＳＧＳＮ）和GPRS網關支持節點（ＧＧＳＮ），以及其它一些功能實體，包括域名服務器（ＤＮＳ）、計費網關（ＣＧ）和邊界網關（ＢＧ）；（2）GPRS基站系統作相應的軟硬件擴展，在ＢＳＣ上增加硬件單元（ＰＣＵ），在ＢＴＳ上增加軟件單元（ＣＣＵ）；（3）其它ＨＬＲ、ＶＬＲ、ＭＳＣ、ＳＭＳ－ＧＭＳＣ和ＳＭＳ－ＩＷＭＳＣ等ＧＳＭ系統原有設備升級，以支持相應的GPRS功能；（４）移動臺（ＭＳ）必須是GPRS或GPRS/ＧＳＭ雙模移動臺；（５）其它技術改進：如定位GPRS移動臺的移動管理、新的安全特性和GPRS專用信令。

　　2.2GPRS網絡中的主要模塊

　　ＧＳＮ是GPRS網絡中最重要的網絡設備，各主要模塊的功能如下：ＳＧＳＮ記錄移動臺的當前位置信息，完成移動臺與ＧＧＳＮ之間移動分組數據的發送和接收；ＧＧＳＮ主要起網關作用，把ＧＳＭ網中的GPRS分組數據包進行協議轉換后，傳送到遠端的ＴＣＰ／ＩＰ或Ｘ．２５網絡；安裝Ｇｓ接口后，ＭＳＣ／ＶＬＲ可支持與GPRS的聯合位置更新和聯合尋呼等功能；ＢＳＳ的功能包括無線端的接入控制、分組數據的路由和傳輸，以及無線資源管理。

　　GPRS的ＭＳ按操作模式分為三類：（1）Ａ類，GPRS和ＧＳＭ電路型業務可同時工作；（２）Ｂ類，可附著GPRS和ＧＳＭ電路型業務上，但兩者不能同時工作；（３）Ｃ類，只能附著在GPRS業務上。Ａ、Ｂ類ＭＳ都能進行數據業務與話音業務的切換，區別在于：當ＭＳ在數據傳送期間，用普通ＭＳ撥打GPRS　ＭＳ，Ａ類Ｍｓ能應答呼叫并通話，通話過程中繼續保持數據傳送；Ｂ類ＭＳ應答后切換至話音業務，數據業務被懸置，待話音業務結束后，才可切換回數據業務。

　　３GPRS協議模型

　　GPRS引入的新協議大多出現在數據傳輸通路上，數據包從外部網絡傳到ＭＳ要經過四個接口：Ｇｉ、Ｇｎ、Ｇｂ和Ｕｍ。

　　3.1Ｇｉ接口（外網與ＧＧＳＮ之間的接口）

　　在該接口上沒有新協議。ＧＧＳＮ作幀處理后，得到ＩＰ數據包，分析該ＩＰ包的目的地址，若恰為本地ＰＤＰ　ｃｏｎｔｅｘｔ所標示的某一ＭＳ地址，則把該數據包送至Ｇｎ接口的軟件模塊，作進一步處理。

　　3.2　Ｇｎ接口（ＧＧＳＮ與ＳＧＳＮ之間的接口）

　　最先對數據包作處理的ＧＴＰ協議，可實現從ＧＧＳＮ到ＳＧＳＮ的虛擬傳輸通路（即隧道）。隧道的優點有：（１）當ＭＳ由一個ＳＧＳＮ轉移到另一個ＳＧＳＮ的控制下，只需改變ＧＴＰ的配置即可，對于被承載的ＩＰ數據包來說是透明的；（２）在Ｇｉ與Ｇｎ兩個網絡之間不存在路由，只有封裝關系，安全性得到保障。

　　ＧＴＰ協議包由ＴＣＰ或ＵＤＰ承載后，進一步封裝成Ｉｐ包，該包的目的地址即為目標ＳＧＳＮ的地址。這時傳送的是運營商內ＩＰ，與此相應，封裝在ＧＴＰ協議內部的ＩＰ稱為外網ＩＰ。數據到達ＳＧＳＮ之后，層層解封，最終還原出用戶的ＩＰ數據包，交給ＩＰ　Ｒｅｌａｙ軟件模塊。

　　3.3 Gb接口（ＳＧＳＮ與ＢＳＳ之間的接口）

　　（1）ＳＮＤＣＰ（ｓｕｂ－ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ）對ＩＰ數據包作同一處理，包括數據的分組和打包，確定ＴＣＰ／ＩＰ地址和加密方式，還對數據進行壓縮和分段，以節約空中接口帶寬，適應下層ＬＬＣ的最大傳輸單元，ＳＮＤＣＰ數據包單元生成后被放置到ＬＬＣ幀內；（2）ＬＬＣ（logical link control）協議負責從ＳＧＳＮ到ＭＳ的數據傳輸，在ＳＮＤＣＰ數據單元上形成ＬＬＣ地址和幀字段，生成完整的ＬＬＣ幀，還可以實現一點對多點的尋址和數據幀重發控制，它以面向連接或無連接的方式服務于ＳＮＤＣＰ數據包（即用戶數據）、用戶信令和短消息；（3）ＢＳＳＧＰ（ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ＧＰＲＳ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ）是ＳＧＳＮ和ＢＳＳ通信的最上層協議，它不但發送上層的ＬＬＣ數據，還傳輸ＳＧＳＮ對ＢＳＳ的控制信息，如對ＭＳ的呼叫等；（4）ＮＳ（ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｅｒｖｉｃｅ）提供網絡傳輸服務。

　　數據到達ＢＳＳ之后，同樣是層層解封，最終得到ＬＬＣ數據幀。ＢＳＳ中的ＬＬＲ層是邏輯鏈路傳遞層，對于ＳＮＤＣＰ數據單元來說是透明的，即不負責處理ＳＮＤＣ數據，只是透明轉發。

　　3.4Ｕｍ接口（ＢＳＳ與ＭＳ之間的接口）

　　Ｕｍ接口的物理層為射頻接口部分，物理鏈路層負責提供空中的各種邏輯信道。空中接口傳輸的數據先經ＲＬＣ（radio accesss control）兩個協議處理，ＲＬＣ把ＬＬＣ數據幀拆分成便于空中傳輸的數據塊，并負責空中接口的可靠性保障；ＭＡＣ的作用是定義和分配空中接口的ＧＰＲＳ邏輯信道，即下行傳輸時標識當前的數據塊是給那一個ＭＳ的，上行傳輸時指定當前資源由誰使用。加上ＬＬＣ和ＭＡＣ頭之后，與ＧＳＭ系統一樣，數據塊被卷積和交織成包含114bit的數據流，通過空中接口到達ＭＳ。ＭＳ作解封之后，還原出ＩＰ數據包，ＧＰＲＳ網絡承載的功能至此完成。

　　4　GPRS無線接口

　　4.1　新型網絡接口

　　GPRS網絡結構中引入用于分組業務的新型網絡接口：Ｇｎ、Ｇｂ、Ｇｒ、Ｇｃ、Ｇｉ、Ｇｐ和Ｇｓ。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；ＳＧＳＮ通過ＧＳ接口連至ＭＳＣ，通過ＧＮ接口連至ＧＧＳＮ；ＧＧＳＮ通過Ｇｉ接口提供與外部分組交換網絡的交互工作；ＳＧＳＮ和ＧＧＳＮ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。

　　4.2邏輯信道

　　GPRS無線信道邏輯上分為業務信道和控制信道兩類。業務信道即分組數據傳送信道；控制信道分為分組公共控制信道、分組廣播控制信道和分組專用信道。

　　分組數據傳送信道（PDTCH）用于數據傳送，它臨時分配給一個移動臺或一組移動臺。

　　分組公共控制信道（PCCCH）包括四種信道：分組隨機接入信道（PRACH）用于移動發送上行數據和信令；分組尋呼信道（PPCH）用于下行鏈路，在開始傳送數據之前尋呼移動臺；分組接入允許信道（PAGCH）用于分組傳送建立階段，對MS發送資源分配消息；分組通知信道（PNCH）在開始PTM-M分組傳送前，向一組MS發送PTM－Ｍ通知。分組廣播控制信道（PBCCH）向小區內所有GPRS終端廣播分組數據的系統信息。分組專用控制信道（PACCH）用于傳送指定MS的資源分配信息和再分配信息，以及允許的PDTCH數量信息，PACCH與PDTCH共享資源，它們同時分配給一個MS；分組定時控制信道（PTCCH）中PTCCH/U用于傳送隨機接入突發，BSS以此為一個MS在分組傳送方式中設立時間提前，PTCCH/D用于傳送時間提前信息刷新消息給MS。

　　4.2.1邏輯信道與物理信道的映射

　　邏輯信道在無線接口中被映射成相應的物理信道，共有三種信道組合方式：PDTCH+PACCH+PTCCH（方式1）、PDTCH+PACCH+PTCCH+PCCCH（方式2）和PDTCH+PACCH+PTCCH+PCCCH+PBCCH（方式3）。當GPRS業務量不大時，允許GPRS與電路業務共用BCCH和CCCH；只有當共用PBCCH時才采用方式2；當GPRS業務量增大時，采用方式3或方式1+方式3。

　　4.2.2信道編碼方式

　　GPRS有CS-1--CS-4四種編碼方式，數據速率分別為9.05kb/s、13.4kb/s、15.6kb/s和21.4kb/s，以滿足不同傳輸速率需求，其中CS-3和CS-4的C/I要求比電路型業務、CS-1和CS-2更高。在GPRS網絡中，網絡可根據實時監測結果，動態地選擇信道編碼方式，以達到最大的無線吞吐量。不同時隙可選擇不同的信道編碼，當網絡傳輸質量較好時，可采用較高速的編碼方式，反之采用較低速的編碼方式。

　　由于GPRS允許一個用戶最多可同時獲得8個PDTCH的服務，因此在理想環境下，該用戶可以得到最高21.4kb/s×8=171.2kb/s的速率。由于制訂規范和產品開發的原因，目前的商用GPRS系統均采用CS-1和CS-2編碼方式，而且在建設初期，每小區只提供少量的PDTCH（3-4個），所以提供的速率不會特別高。

　　5　GPRS工作模式

　　GPRS網絡有三種工作模式：（1）話音業務的尋呼信息可通過GPRS尋呼信道或GPRS業務信道發送，MS只監視尋呼信道，若MS分配到分組數據信道，它就在該信道上接收電路業務的尋呼消息；（2）話音業務尋呼和GPRS尋呼都使用CCCH尋呼信道，MS只需監視CCCＨ尋呼信道；（3）話音業務尋呼在CCCH尋呼信道上發送，而GPRS尋呼在分組數據信道或CCCH尋呼信道上發送，MS需要監視CCCH尋呼和分組尋呼兩個信道。

　　6　GPRS路由管理

　　GPRS的路由管理就是MS發送或接收數據時建立路由和MS處于漫游時建立數據路由的過程。當移動臺產生一個分組數據單元，經過SNDC層，處理為SNDC PDU，再經過LLC，處理為LLC幀，然后通過空中接口送到GSM網絡中MS所處的SGSN。SGSN把數據送到GGSN,GGSN把收到的消息進行解封處理，轉換為可在公用數據網中傳送的格式，最終送至公用數據網中傳送的格式，最終送至公用數據網的用戶。公用數據網用戶傳送數據給移動臺，首先通過數據網的標準協議建立數據網與GGSN之間的路由，數據網用戶發出數據單元，通過已建立的路由把PDU送至GGSN，GGSN再把PDU送至MS所在的SGSN，GSN將其封裝成SNDC PDU，經LLC層處理為LLC幀單元，最后經空中接口送至MS。數據網用戶傳送數據給正在漫游的移動用戶，其數據必須經過歸屬地的GGSN，然后送到移動用戶。

　　7　國內外GPRS的發展概況與展望

　　目前，全球已有近百家運營商開通了GPRS商用系統、試商用系統或實驗系統。僅在歐洲，2000年-2001年間就有40多個GPRS網絡投入使用。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、摩托羅拉和愛立信等都在積極開發GPRS相關產品，提出一系列解決方案。國外制造商已開發出Ｂ和Ｃ類終端，Ａ類終端的開發還在研制中，并已推出相關的無線和網絡設備。2001年6月，GSM聯合會宣布了一套有關GPRS系統提供文字及其它多媒體服務的標準，這是又一重要轉折點。

　　在我國，盡管移動市場與數據通信市場發展不平衡，造成中國移動數據業務的近期市場尚不明朗，但中國移動通信集團還是陸續開展了移動數據業務的實驗工作。2001年7月，中國移動開始為全國16個省25個城市挑選出的3000名移動用戶提供GPRS網絡的試商用服務。GPRS二期工程同年7月基本完成，預計覆蓋160個本地網200多個省會城市和大中城市，在77個本地網范圍內實現漫游服務，并擴容169萬戶。目前，中國移動正在進一步擴大試商用用戶范圍，不斷進行網絡優化和產品改進，以期正式推出時能為消費者提供成熟的服務。國內電信設備制造商更是不甘落后，TCL、中興、康佳、東信、廈新和波導等絕大多數國產手機定點企業均宣布已開始研制GPRS手機。2000年4月，華為GPRS設備通過相關測試，2001年4月，中興GPRS全套設備也通過中國移動聯合測試小組的測試，標志著國產GPRS設備已具備商用化能力。

　　GPRS在中國市場能否成功，除技術因素外，很大程度上取決于能否開發出適合中國市場的應用業務。GPRS商用分為兩個部分：移動Internet/Intranet和作為WAP業務的載體，目前能夠開展的主要是WAP業務。通過GPRS手機上網，可用無線移動方式瀏覽普通的Internet網頁，比用普通電腦上網更方便、更快捷；與基于GSM網絡的WAP相比，不僅上網內容豐富，而且速度上也快得多，使WAP有更大的發揮空間；按流量收費更容易被用戶接受。我國的運營者是否能充分發揮GPRS的優勢，提供更多更好的業務，這將是GPRS是否能成功的關鍵。總之，具備超過100kb/s分組傳輸能力的GPRS技術是GSM向3G移動通信系統平滑過渡的一個重要環節，在3G移動通信網絡實現之前，它將是移動通信信息服務的主要解決方案。

摘自《電信快報》2002.4

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