通往3G的捷徑----GPRS技術

2019-11-03 09:34:12

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　　王海濤　鄭少仁　　摘要：目前移動通信技術正處于一個變革的時代，ＧＰＲＳ是這個轉變過程中至關重要的一步，它是在ＧＳＭ網基礎發展起來的一種數據分組交換和傳送技術革新。介紹ＧＰＲＳ技術革新的特點和優勢，說明ＧＰＲＳ的性能和體系結構，給出ＧＰＲＳ的應用指出它存在的問題。

　　關鍵詞：GPRS技術通用分組無線業務全球移動系統；第三代移動通信；無線應用協議

　　1引言

　　傳統的GSM網絡僅能9.6Kbit/s速率的數據傳輸業務，這遠遠不能滿足用戶對高速無線數據業務的需求。GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業務）是構架在傳統ＧＳＭ網絡之上的一種標準化的分組交換數據業務，它可以提供高達115kbit/s速率的分組數據業務，從而使得包括圖片、話音和視頻的多媒體業務在無線網絡中的傳輸成為現實。GPRS采用分組交換技術、在通信的過程中不需要建立和保持電路，符合數據通信突發性的特點，并且呼叫建立時間很短。GPRS不再根據用戶實際的數據流量來計費，這樣就允許用戶始終在線，享受方便快捷的服務。因此，GPRS被認為是第二代移動通信系統向第三代移動通信演進的重要一步。

　　2GPRS的優勢

　　GPRS系統利用現有的GSM體系結構傳輸數據分組，只需要進行很少的硬件和軟件升級。一個GPRS終端用戶可以同時占用8個無線信道，多個GPRS終端用戶可以共享一個無線信道，無線部分可按需分配話音和分組信道，從而可以再為有效地利用網絡資源。GPRS采用TCP/ip協議傳輸數據，理想情況下，GPRS網絡中傳送一個最小的分組的時延約為100ms。并且由于GPRS網絡是構建在GSM網絡之上的，所以可以吸引大量的用戶群。

　　2.1GPRS為GSM服務提供者帶來的好處

　　（1）向第三代移動通信系統平穩過渡。

　　（2）在現有的GSM系統中增加分組交換結點，達到分組交換業務快速覆蓋的目的。

　　（3）底層基于TCP/IP協議，可與Internet無縫連接。

　　（4）能夠在分組交換業務和電路交換業務間動態地分配無線信道。

　　（5）作為一種為多種移動數據業務提供服務的承載業務，可以方便有效地提供短消息、WAP等業務。

　　2.2　GPRS為服務使用者帶來的好處

　　（1）隨時隨地接入Internet或Intranet。

　　（2）終端用戶可永遠在線，無需撥號上網。

　　（3）向用戶提供更高的接入速率和更短的接入時間。

　　（4）可提供按時間、流量、內容等更加靈活的計費方式。

　　3　GPRS網絡的性能

　　表1　GPRS、Modem、和LAN通信的比較

　　　　　　　　GPRS　　　　Modem　　　　LAN

　Bandwidth　　115kbit/s　　50kbit/s　　10Mbit/s

　Delay(ms)　　100　　　　　100　　　　　1

　　表2　GPRS、Modem和LAN的典型性能

　　　　　　　　GPRS　　　　Modem　　　　LAN

　Bandwidth　　50kbit/s　　30kbit/s　　8Mbit/s

　Delay(ms)　　200　　　　　150　　　　　5

　　表1給出了理想狀態下GPRS、Modem和LAN的通信性能。表2的各項性能參數是從大量的模擬測試中得出的結果。比較而言，在實際應用當中，LAN的性能通常接近于它的理想狀態，而由于GPRS的性能受許多環境因素的影響，例如小區的用戶數，應用的類型以及可用的網絡資源等，所以GPRS的性能很難達到理想的情況。

　　4　GPRS的體系結構

　　GPRS網絡在傳統的GSM網絡中引入了3個新的組件：PCU（Packet Control Unit：分組控制單元），SGSN（Serving GPRS Support Node：GPRS服務支持節點）和GGSN（Gateway GPRS Support Node：GPRS網關支持節點）。SGSN和GGSN相當于移動數據路由器，它們既可以被組合在同一個物理結點中，也可以處在不同的物理結點中，兩者之間通過一個IP骨干網絡互聯。GSM和GPRS能夠復用和相同的傳輸鏈路，例如BTS（Base Transceiver Station：基站收發器）和BSC（Base Station Controller：級站控制器）之間的鏈路。SGSN主要完成分組的路由尋址和轉發，根據用戶所處的位置不同，由相應服務區內的SGSN完成用戶的服務請求。通過BTS，SGSN將業務流轉發到MS（Mobile Station）。SGSN還有以下的功能：

　　（1）身份驗證，加密和差錯校驗；

　　（2）負責管理GSM的移動性和到MS的邏輯鏈路；

　　（3）分組的路由尋址和轉發；

　　（4）進行數據計費（Charging data）；

　　（5）連接HLR（Home Location Register：歸屬位置寄存器）、MSC（Mobile Switching Center：移動交換中心）和BSC。

　　GGSN是GSM網絡和外部公共數據網（如Inernet和X.25網絡）之間的網關，GPRS協議在MS與GGSN之間建立一條基于IP協議的邏輯鏈路。GGSN完成不同網絡之間數據格式、信令協議和地址信息的轉換，以確保不同網絡之間能夠通信。所有GPRS網絡用戶的IP地址都存儲在GGSN當中，路由計算與更新同樣由GGSN來完成。GPRS在MSC與SGSN之間提供了一個接口，用來協調同時具有電路交換與分組交換能力的終端的信令。HLR包含GPRS的預約數據與路由信息，同時HLR將每個用戶映射到一個或多個GGSN，從SGSN可以訪問HLR。需要注意的是，對于漫游的終端，HLR可能處于與其當前所處SGSN不同的PLMN（Public land Mobile Network：公共陸地移動網）之中。

　　BSC增加了一個新的功能模塊：一個分組控制單元，用來控制分組信道。另外，BSC還有GPRS移動管理和GPRS尋呼的功能，同時也增加了與SGSN的業務和信令接口。GPRS可以使用相同的物理信道群為話音業務服務，這樣在一個小區內便同時存在著GPRS信道和電路交換信道，其中一個電路交換信道分配給一個用戶，而一個GPRS信道可以被多個用戶共享。

　　5　GPRS的終端

　　GPRS中主要定義了如下3類終端：

　　（1）A類終端能夠同時處理電路交換和分組交換業務，并且兩種業務相互獨立。

　　（2）B類終端在某一時刻只能處理電路交換或分組交換業務當中的一種，但是具備在兩種模式間自動切換的能力。當一個基于電路交換的呼叫到達時，B類終端能夠暫停對分組數據的處理，而后再恢復處理數據業務。

　　（3）C類終端必須被人工設置為電路交換模式或分組交換模式，當它處于電路交換模式時，無法接收分組交換數據業務，反之亦然，還包括如下一些終端：

　　1）運行支持TCP/IP協議的操作系統的膝上電腦和掌上電腦。

　　2）基于WAP協議（無線應用協議），并且具有微瀏覽器的蜂窩電話。

　　3）與一個中心系統通信的專用設備，比如自動售票機，天氣觀測站，交通監視系統等；

　　4）出租車公司或運輸公司的嵌入式支持系統。

　　6　GPRS應用

　　GPRS有許多應用，總體上可以將它們分為水平應和垂直應用。垂直應用是為了滿足用戶特殊的商業需要，水平應肜則是普通的應用。垂直應用與水平應用有著不同的市場驅動力。

　　水平應用主要是移動Internet和Intranet的訪問。Intranet的發展非常快，目前許多公司內部的通信越來越多地依賴于Intranet。許多大公司已經安裝了內部的WEB服務器，或者正地考慮建立一個這樣的服務器。最常見的Intranet應用包括：訪問公司的電子郵件、共享的文檔和數據；進行售后服務和客戶支持；實施多媒體的雇員培訓；發布公司新聞、價格清單和訂貨信息等。

　　垂直應用主要是面向一個公司或一個特殊的用戶群，GPRS給垂直應用的開發帶來了巨大的機遇。垂直應用包括：售貨機、彩票機和自動售票機；動態交通管理，動態交通信號管理；警力調度；醫療急診；報警和監控系統；遙測技術；工業過程測量；金融、股票信息服務等。垂直應用的投資所產生的效益很明顯，并能能夠顯著提高生產效率；水平應用雖然擁有巨大的用戶群，但投資效益不明顯。

　　在我國，1999年11月第一個GPRS/WAP實驗網在杭州宣告成立。目前，該網已正式投入商業試運行。通過該網，手機、手提電腦、掌上電腦等終端設備可以訪問浙江移動內部網、因特網、收發E-mail、進行網上交易、傳送文件等，真正實現了端到端的分組數據業務。而且該試驗網已和WAP網關相通，可通過GPRS技術用支持WAP的手機瀏覽浙江移動內部服務器上的WAP主頁。GPRS試驗為GPRS網絡的全面商用打下了良好的基礎，并為GSM網絡向3G過渡創造了有利的條件。

　　7　GPRS存在的問題及其對策

　　在GPRS系統中，通信帶寬是一種寶貴的資源，因此應盡量減少應用程序與操作系統之間的通信業務量。為了有效利用GPRS的通信信道，可以采取如下的措施。

　　（1）盡量減少業務很小的會話：GPRS的時延較長，有時可達500ms，所以請求/應答的次數應盡可能少。例如，裝入一頁包含10幅小圖像的主頁，僅僅是等待服務器的響應應可能浪費5s。一種解決方法是將多少個少量數據包封裝到一個分組中并一次發送給客戶端。

　　（2）數據壓縮：數據壓縮可以顯著提高帶寬的利用率。壓縮率與數據的類型有關，例如，純英文文本可以被壓縮到原來大小的20％。但是數據壓縮要求發送者必須壓縮數據，接收者必須解壓數據，這對移動終端來說也許是一個難題，因為移動終端的處理能力有限，存儲容量也有限。

　　（3）在本地緩存常用的信息：在本地高速緩存中存儲信息是一種非常有效的減少響應時間的做法，但是需要采取一些方法來保證信息及時的得到更新。目前很多瀏覽器都已使用這種技術，一些服務器將其數據庫的一個備份存儲在本地，當服務器上的數據庫被修改后它也能自動地更新，這對GPRS來說非常理想，因為GPRS應用的一個客戶端總是處于在線狀態。

　　（4）使用代理服務器：GPRS協議要求客戶端與服務器之間進行大量的通信，如果使用代理服務器，那么這種情況能夠得到明顯的緩解。在代理服務器的方式下，主要的處理過程在代理服務器與服務器之間完成，而不象以前是在服務器與移動臺之間完成。一旦處理結束，操作結果被返回給移動臺。這極大地減少了客戶端與服務器之間的通信量，由此也節約了寶貴的無線資源。同時通過代理服務器能夠完全地訪問公共資源。但是需要注意的是，代理服務器運行在局域網上，使用的局域網協議可能不支持GPRS連接。

　　（5）后臺處理（多線程）：采用后臺處理的方法能夠使用戶并行處理數據和開展業務。例如，用戶在發電子郵件的同時，還可以發送其他信息。

　　（6）重視應用程序的總體設計：如果設計應用程序時考慮到了GPRS的一些特性，那么GPRS通信中的缺點就可以減少，設計時考慮的主要因素是通信的時延、帶寬和中斷率。

　　8　結束語

　　移動通信與Internet的飛速發展及相互融合，預示著3Ｇ時代的即將來臨。GPRS使無線高速接入Internet的理想變成現實，移動用戶從而可以享受到Internet的服務。作為一種基于IP的技術，GPRS將分組數據業務引入了GSM網絡，為網絡運營商和用戶都帶來了巨大的好擤。相對于3G而言，GPRS方案是對現有GSM網絡的升級，極大地保護了現有網絡的投資。GPRS能夠充分利用無線資源并且可以實施靈活的收費方式，也為GPRS的商業應用奠定了更為堅實的基礎。此外，移動數據在中國的發展具有特殊的意義，因為中國移動終端用戶數量遠大于計算機用戶數量，可以預見GPRS在中國的發展有著美好的前景。

摘自《廣東通信技術》2001.10

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