GSM高速移動數據業務GPRS

2019-11-03 09:41:13

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GSM高速移動數據業務GPRS（張強）摘要本文介紹GSM移動數據業務的進展，著重討論GPRS的系統組成，GPRS技術的空中接口，以及網絡工作原理和業務類型及特點關鍵詞 GSM GPRS 協議結構資源管理 GSM標準自1992年投入商用以來，得到不斷驗證和發展，現已發展到phase2十階段，這一階段的核心問題就是高速移動數據通信。近年來越來越多的GSM網絡運營商引入移動數據業務，不僅使GSM網絡實現無線互連網功能，而且積累了無線多媒體業務運營經驗，為向第三代移動通信網絡的過渡作好準備。在當前GSM系統的基礎上提供第三代業務，并將網絡服務最終過渡到第三代的途徑是：通過高速電路交換數據（HSCSD）業務和通用分組無線業務（GPRS）提供除實時圖像業務以外的其它第三代業務，還可演進到增強型數據速率GSM系統（EDGE），最終與第三代系統接軌。GPRS的出現為GSM運營商提供了開展高速無線數據業務的機會，運營商可以通過在現有的 GSM網絡中增加 GPRS支持接點GSN，同時開展GSM和GPRS業務，實現部分第三代的業務，也為向UMTS平滑過渡作準備。1 GSM的電路型數據業務和分組型數據業務 GSM系統一開始就是從數字化的角度進行設計的，若提供電路型數據業務，則只要進行版本升級，不用進行大的網絡重新規劃。在GSM的第一階段即提出了電路型數據業務的實現方式，為了適應種類繁多的數據業務，GSM網絡兩端分別設置了兩個功能單元TAF和IWF，使得無論開展何種數據業務，在GSM網內傳輸數據的方式是一致的。由于受到無線接口的單個業務信道數據傳送速率最高不能超過12kbit／s的限制，與其它網絡數據通信速率最高為9.6kbit／s。為了提高數據速率， ETSI于1997年2月批準了HSCSD技術，采用一種新的信道編碼方案，通過截短校驗比特將時隙比特率從9.6kbit／s增加到14.4kbit／s。HSCSD還能使多個時隙結合在一起，從而使比特率最高達到57.6kbit／s，等效于一條無線ISDN線路。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）之間的分組數據傳輸，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提供了非常靈活的比特率，從小于100bit／s到大于171.2kbit／s，因此能處理從低速短消息到別覽復雜網站所需的高速傳輸。少于1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。由于基于TCO／IP協議，GPRS可提供與因特網更有效的連接。2 GPRS系統綜述 GSM是專為電路交換型的傳輸而設計的，現有GSM網不足以提供支持分組數據路由的功能。作為一種分組技術，GPRS具有如下優勢：采用多時隙技術，數據傳輸速率可高達115kbit／S；小區內所有GPRS用戶可以共享相同的頻譜資源，有效利用有限的頻譜資源。引入GPRS技術時需要添加新的網絡邏輯實體GSN（GPRS支持節點）和PCU（分組控制單元），并對HLR、BSC、BTS進行升級。其中GSN包括SGSN（GPRS服務支持接點）和GGSN（GPRS網關支持接點）。 SGSN和GGSN是支持無線連接的路由器，SGSN和GGSN的功能可以集成在同一物理節點，也可以分別位于不同的物理節點。SGSN為它區域內的所有GPRS用戶提供分組數據路由和轉發。數據從SGSN路由到BSC，再通過BTS到達移動臺，或按此路徑反向傳輸。BSC中增加了控制分組信道的PCU，處理 BSC與SGSN之間的新型業務及信令接口。BTS實行新型協議，支持空中接口中的分組數據，并分配時隙和信道等資源。現有GSM業務和GPRS之間存在著一些通用信令，在物理層資源可以重復使用。協議數據單元PDU在源GSN被封裝，由目的GSN拆包，在GSN之間，GPRS骨干網采用IP協議來傳送PDU，這個過程稱為隧道（Tunneling）進程。GGSN將SGSN連接到外部數據網絡或其它的GPRS網絡，具有移動管理和接人服務器的功能。GGSN是GPRS網與外部PDN的邏輯接口，它負責將PDU通過隧道進程傳送到為MS服務的當前SGSN。GGSN還包括PTM業務中心（PTM-SC）處理PTM業務的功能。將GSM SMS-MSC與SGSN相連，還可以通過GPRS網交換短消息。3 GPRS的空中接口協議3.1 無線接口的分層結構及數據流的封裝 GPRS無線接口被構造成一些特殊功能的邏輯分層。物理層分為兩個子層Physical RF Layer和Physical Link Layer。Physical RF Layer的作用是對來自Physical Link Layer的數據進行物理波形的調制和將無線接口上的物理波形進行解調。Physi-cal Link Layer的作用是對數據結構單元編碼、數據澤碼、探測和糾正在物理媒質中的傳送錯誤。鏈路層（RLC／MAC Layer）的功能包括MAC子層提供多移動臺共事物理信道、移動臺的同時呼叫沖突解決、單一移動臺并行使用多物理信道的功能。RLC子層提供對差錯數據塊進行選擇重發后向糾錯、將LLC-PDU數據分割和裝配進入RLC的功能。網絡層（SNDCP／LLC Layer）的功能包括提供 MS和SGSN的可靠邏輯信道連接，支持層層數據傳輸，支持不同長度數據結構的傳輸，支持確認和非確認的數據傳輸，保證用戶身份的保密性。數據流的封裝過程為：來自網絡層的協議數據單元（N－PDU或分組）使用LLC協議經空中接口在MS與SGSN之間傳送。首先，由SNDCP將分組裝入LLC幀中。這個過程包括：選擇字頭／數據壓縮，分段，加密。LLC 1幀的最大用戶數據量為1600字節。然后LLC幀被分為幾個RLC數據塊，分別適配到物理層。每個數據塊由連續 TDMA幀中的4個普通突發構成。3.2 分組數據邏輯信道分組公共控制信道（PCCCH）包括以下四種信道。分組隨機接入信道（PRACH）被用于移動臺發送上行數據和信令。移動臺在這個信道上發送的接入突發具有較長的保護時間。分組尋呼信道（PPCH）被用于下行鏈路，在開始傳送數據之前尋呼移動臺，它既可用于分組交換數據服務也可用于電路交換數據服務。分組接入允許信道（PAGCH）是用于分組傳送建立階段，在開始傳送分組數據之前，對MS發送資源分配消息。分組通知信道（PNCH）被用于下行鏈路，在開始PTM-M分組傳送之前，向一組MS發送PTM-M通知。該通知有用于分組傳送的資源分配格式。分組廣播控制信道（PBCCH）。PBCCH向小區內所有GPRS終端廣播分組數據詳細的系統信息。如果小區內沒有分配PBCCH，分組數據詳細的系統信息在BCCH上廣播。分組傳送信道（PTCH）。分組數據傳送信道PDTCH用于數據的傳送。它臨時地分配給一個移動臺或一組移動臺。在PTM方式時在多時隙操作中一個移動臺可以并行使用多個PDTCH來進行分組數據傳送。所有的PDTCH都是雙向的。PDTCH／U為移動臺發起的傳送，PDTCH／D為移動臺接收的傳送。分組專用控制信道（PDCCH）包括以下三種信道。分組伴隨控制信道（PACCH）用于傳送指定的移動臺的信令信息，如確認和功率控制信息。PACCH攜帶資源分配信息和再分配信息以及允許的PDTCH數量信息。PACCH和PDTCH共享資源，它們同時分配給一個移動臺，并且移動臺在進行分組數據傳送時也能在 PACCH 上被尋呼電路交換服務。分組定時提前控制信道（PTCCH），PTCCH／U用于傳送隨機接入突發，BSS以此為一個移動臺在分組傳送方式設立時間提前，PTCCH／D用于傳送時間提前信息刷新消息給移動臺，一個PTCCH／D可對應幾個PTCCH／U。以上邏輯信道在無線接口中被映射成相應的物理信道。3.3 無線資源的管理原則用于分組數據業務的物理信道稱為分組數據信道PDCH。一個支持GPRS的小區可以分配一個或更多的PDCH用以支持GPRS。這些PDCH來自可供小區使用的物理信道公共資源，這些資源包括傳送信道TCH和分組數據信道PDCH。電路交換服務和GPRS的物理信道公共資源的分配根據“按需分配容量”原則動態進行。在無線接口上的兩個資源管理概念：“主一從概念”至少分配一個PDCH作為主信道容納分組公共控制信道PCCCH攜帶發起分組傳送必要的控制信令。其它的PDCH作為從信道，傳送用戶數據和專用信令。“按需分配容量”GPRS不要求分配永久的PDCH，因此被分配的公共資源量依靠于實際的分組傳送需求。當GPRS的PCCCH非常擁擠時且小區中尚有未被TCH占用的資源，網絡就把一些物理資源信道分配為PDCH。在一個小區內當沒有分配PCCCH時，具有GPRS功能的移動臺留守在CCCH上。MS在CCCH上發出分組通道求發送GPRS分組，網絡分配資源給PDCH作為上行鏈路，發送結束MS回到CCCH上。當分組數據傳送需求量增加或小區中出現足夠可用的物理信道時小區內可分配PCCCH，此時具有GPRS功能的移動臺留守在PCCCH上。MAC子層完成對PDCH上負載的監測，然后PCCCH可根據需要增加或減少小區內分配的PDCH數目以增加GPRS的QoS。如果出現更高優先級的其它業務請求使用資源，將釋放PDCH。如果網絡釋放PCCCH，MS將返回CCCH。4 結論:GPRS具有廣闊的應用前景 GSM網絡是由ETSI進行了多年積累詳細規范的結構體系，因此它具有技術的規范性和開放性，更容易使開發者在對規范正確理解的基礎上對電路終端業務及承載業務進行開發。同時整個系統對IWF和TAF兩個功能群的明確劃分，使各種業務的接入方式十分清晰。開發者可以在較短的時間內開發出適用的系統完成第三代的部分業務。GPRS可滿足多種第三代移動通信業務。目前我國存在著大規模的GSM網絡，引進GPRS后只需在交換平臺上加一些軟件就可以實現第三代移動通信初期的業務。將來第三代的網絡也可以通過與GSM網絡的雙模/雙頻終端實現全網漫游。摘自《中國數據通訊網絡》

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