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GPRS数据传输设计（二）GPRS原理1

已有 2252 次阅读| 2011-5-31 21:22 |个人分类:通讯技术

GPRS系统是在GSM网络的基础上发展起来的数据传输网络，为了支持数据传输，GPRS在GSM系统中增加了很多支持节点。要使用GPRS进行数据传输，必须掌握GPRS的工作过程。本章主要介绍GPRS系统结构及数据传输过程，首先介绍了移动数据网络的发展过程，其次介绍了GPRS系统的结构，接着讨论了GPRS数据传输的过程，最后分析了GPRS系统存在的问题以及向3G系统过渡的过程。

2.1移动数据网络发展过程

公共数据网是伴随着移动通信网发展起来的,目前投入商用的移动数据网络已经经历了两个发展阶段[13-15]。20世纪90年代中期的叠加在模拟蜂窝网AMPS(Advaced Mobile Phone System, 高级移动电话系统)上的第一代公共数据网称为蜂窝数字分组数据（Cellular Digital Packet Data, CDPD）,该网络利用AMPS中的语音空闲信道传输分组数据，但是随着第二代数字蜂窝网GSM的快速发展，CDPD在我国并没有得到大范围的推广。2000年初，在GSM网的基础上建立了GPRS,GSM/GPRS是GSM网络的升级，成为继第一代公共移动数据网AMPS/CDPD之后的第二代移动数据网络，同时也是第二代数字移动通信网向第三代演进的重要阶段。

CDPD网络叠加在AMPS上，采用数字调制技术（GMSK），提供分组数据增值业务。CDPD分组传送方式有两种：固定的专用信道和调频方式。1992年4月美国的IBM和8个最大的蜂窝电话运营公司宣布联合研发CDPD系统，他们模拟网覆盖占美国的95%地区。到1999年下半年，美国CDPD网覆盖地区人口达1.4亿，占总人口的55%。我国在1997年在北京、上海、广州等6个城市建立了CDPD网络。

模拟蜂窝电话网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。实际上，早在70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。1995年我国的GSM网络正式开通，开始了我国的数字移动通信网。

GPRS作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信（3G）的过渡技术，是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+ (1997年)规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。GPRS在原有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加一些硬件设备，并对软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，它以分组交换技术为基础，用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发E-mail、进行因特网浏览等。GPRS是一种新的GSM数据业务，它在移动用户和数据网络之间提供一种连接，为移动用户提供高速无线IP和X.25服务。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。GPRS技术160Kbps的高速传送几乎能让无线上网达到公网ISDN的效果，实现"随身'携带'互联网"。使用GPRS，数据实现分组发送和接收，按流量计费的方式使得用户可以永远在线，这些都降低了服务成本。

当然，作为一种过渡技术，GPRS还存在很多不足，特别是数据传输速率与理论值差别较大等。为了更好的满足移动宽带通信的要求，早在GSM刚投入商用时人们就提出了第三代移动通信（3G）的概念，3G的目标是实现全球统一频段、统一制式，全球无缝漫游；高频谱效率；支持移动多媒体业务，即室内环境支持2Mbps、步行/室外到室内支持384kbps、车速环境支持144kbps等高速的移动数据通信。

2.2 GPRS系统结构

GSM系统主要由移动台（MS）、基站子系统（BSS）和网络子系统组成。基站子系统由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统包括：移动交换中心（MSC）、操作维护中心（OMC）、归属位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AuC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。GPRS数据网是在GSM系统的基础上增加了完成数据通信的功能实体构成的，这些改动具体包括：增加服务GPRS支持节点（SGSN）、网关GPRS支持节点（GGSN）、计费网关（CG）以及域名服务器（DNS）等，GPRS与GSM共用基站系统，但是增加了数据包控制单元（PCU）并对基站子系统进行软件升级。GSM系统中的所有数据库都要求进行软件升级来处理由GPRS引进的新呼叫模型和功能。HLR和VLR特别需要对GPRS业务进行功能的升级，因为GPRS必须监控和跟踪移动台。另外，为了控制移动台开户入网的安全性和鉴权，必须提高EIR和Auc数据库的性能。同时，为了连接两个公共陆地移动通信网，在网络边界上增加了边界网关（BG）。图2-1为叠加了GPRS业务的GSM网络结构图。

2.2.1 GPRS网络的主要实体

GPRS网络中的实体包括GSM网络的原有实体和为支持GPRS业务而新增加的实体。GSM网络原有实体支持传统的电路交换业务，而GPRS实体支持分组交换业务。

（一）GSM电路交换业务实体[12]

1.移动台(Mobile Station,MS）

移动台是GSM系统中用户使用的设备，按类型可分为车载台、便携终端和手机。移动台通过无线接口接入GSM系统，具有无线传输与处理功能。此外，移动台还提供与使用者之间的接口，比如话筒、扬声器等，或者提供与终端设备之间的接口，如串行口、无线红外线接口等。移动台中重要的组成部分是用户识别模块（SIM）,即SIM卡,其中包含了与用户有关的无线接口信息以及鉴权和加密信息。GSM系统是通过SIM卡识别用户的，使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡。

2.基站子系统(Base Station Subsystem,BSS)

基站子系统主要由基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）构成。基站控制器控制由基站收发信机、天线共用器和天线组成的无线部分以及各种接口组成的部分。基站子系统一方面通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源管理，另一方面基站子系统与网络子系统中的MSC相连，实现移动用户与固定网络用户或移动用户之间的通信连接。

3.网络子系统(Network Subsystem,NSS)

网络子系统的主要功能包括：数据交换、移动性管理与安全性管理等。它主要完成移动用户与移动用户、移动用户与固定用户之间的通信管理。网络子系统包括很多通信实体，下面介绍主要的实体。

1) 归属位置寄存器(Home Location Register, HLR)

HLR可以看作是GSM系统的中央数据库，因为其中存储了该HLR管辖区内的所有移动用户的有关数据，其中，静态数据有用户号码、访问能力、用户类别和补充业务等，动态数据包括用户漫游时的有关信息。

2) 访问位置寄存器(Visiting Location Register, VLR)

VLR中存储的是进入其控制区域内的来访移动用户的有关数据，这些数据是从该移动用户的原籍位置寄存器获取并进行暂存的，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则临时存储的该移动用户的数据就会被删除。

3) 鉴权中心(Authentication Center, AuC)

GSM系统中采取了特别的通信安全措施，包括对移动用户鉴权、对无线链路上的话音、数据和信令进行保密等。这些鉴权信息和加密密匙存储在鉴权中心，用来防止无权用户接入系统和保证无线通信安全。

4) 移动交换中心(Mobile Switching Center, MSC)

移动交换中心是网络的核心，它提供交换功能并连接BSS、HLR、VLR、AuC和固定网等实体，从而把移动用户与固定网用户、移动用户与移动用户之间互相连接起来。MSC从三种数据库（HLR、VLR和AuC）中获取有关处理用户位置登记和呼叫请求等所需的全部数据。作为网络的核心，MSC还支持位置登记和更新、越区切换和漫游服务等多项功能。

（二）GPRS分组交换业务实体[3]

1．GPRS支持节点(GPRS Support Node, GSN)

GPRS的支持节点GSN是GPRS中最重要的网络节点，包含了支持GPRS所需的主要功能。GSN具有移动路由管理功能，可以连接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS寄存器。GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与GSM中的MSC集成在一起。GSN有两种类型：GPRS业务支持节点（Serving GPRS Support Node, SGSN）和GRPS网关支持节点（Gateway GPRS Support Node,GGSN）。

SGSN是为移动终端提供GPRS业务的支持节点。SGSN的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和SGSN之间完成移动分组数据的发送和接收，同时SGSN跟踪相连的网关GPRS支持节点（GGSN），并用此来确定哪些GGSN可以用来与IP网络、企业内联网、因特网或X.25网络连接。在激活GPRS业务时，SGSN建立一个移动性管理环境，其中包含关于这个移动终端的移动性和安全性方面的信息。
GGSN是SGSN和外部分组数据网之间的连接点，它同时在GPRS网络系统自身内提供隧道能力。GGSN的主要功能是与外部数据网进行交互。GGSN利用由SGSN记录的有关移动台位置的路由信息适时更新位置目录，并把GPRS骨干网上压缩的外部数据网协议分组发送到当前正在为移动台服务的SGSN上。它也把外部数据网分组解压并传输到合适的数据网中，并收集发送到计费网关上的计费数据。

SGSN与GGSN的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以在不同的物理节点上分别实现。它们都应有IP路由功能，并能与IP路由器相连。当SGSN与GGSN位于不同的公共陆地移动通信网（Public Land Mobile Network, PLMN）时，通过Gp接口互联。SGSN可以通过任意Gs接口向MSC/VLR发送定位信息，并可以经Gs接口接收来自MSC/VLR的寻呼请求。有关网络接口（Gp、Gs）的详细信息见2.2.2节。

2．GPRS骨干网在GSM系统中增加GPRS业务时，必须增加GPRS骨干网来支持数据传输。GPRS中有内部PLMN骨干网和外部PLMN骨干网。内部PLMN骨干网是指位于同一个PLMN上的并与多个GSN互联的IP网。外部PLMN骨干网是指位于不同的PLMN上的并与GSN和内部PLMN骨干网互联的IP网，如图2-2所示。每一个内部PLMN骨干网都是一个IP专网，且仅用于传送GPRS数据和GPRS信令。IP专网是采用一定访问控制机制以达到所需安全级别的IP网。两个内部PLMN骨干网是使用边界网关(Border Gateways,BG)和一个外部PLMN骨干网并经Gp接口相连的，外部PLMN骨干网的选择取决于包含有BG安全功能的漫游协定，BG不在GPRS的规范之列。外部PLMN可以是一个分组数据网。在GPRS骨干网内部，各GSN实体之间通过Gn接口相连，它们之间的信令和数据传输都是在同一传输平台中进行的，利用的传输平台可以在ATM、以太网、DDN、ISDN、帧中继等现有传输网中选择。2.2.3中讨论了传输平台。

3．GSM实体更新

为了支持GPRS业务，GSM原有的部分系统需要进行升级，它们包括：

基站子系统中必须增加两个单元：信道编码解码单元（Channel Code Unit, CCU）和分组控制单元（Packet Control Unit, PCU）。其中，CCU处理新的编码方案以及任何压缩编码技术；PCU负责提供与GPRS网的接口并管理时隙分配。CCU位于基站收发信台中，而PCU可以位于网络服务子系统或基站控制器中，但PCU总是BSS的一部分。
移动台MS必须进行升级以支持GPRS。移动台MS必须能以三个运行模式中的一个进行操作，其操作模式的选定由MS所申请的服务所决定：即仅有GPRS服务，同时具有GPRS和其它GSM服务，或依据MS的实际性能同时运行GPRS和其他GSM服务。A类(Class-A)操作模式：MS申请有GPRS和其他GSM服务，而且MS能同时运行GPRS和其它GSM服务。B类(Class-B)操作模式：一个MS可同时监测GPRS和其他GSM业务的控制信道，但同一时刻只能运行一种业务。C类(Class-C)操作模式：MS只能使用GPRS服务。

2.2.2 GPRS逻辑体系结构

从逻辑上来讲，GPRS是在原来的GSM系统中增加了SGSN和GGSN两个节点后形成的，如图2-3所示。

由于GSM通信网络的规模和运营环境的不同，GSM系统的设备可能会来自很多不同的设备生产厂商，为了保证各个厂家生产的设备可以通用，GSM/GPRS系统中规定了多个标准接口，如下所述：

A: 网络子系统（NSS,图中以MSC/VLR表示）与BSS之间的通信接口，此接口传送的信息包括对移动台及基站管理、移动性及呼叫接续管理等。

C: 定义为MSC与HLR之间的接口，用于传递路由选择和管理信息。

D: VLR与HLR之间的接口，用于交换移动台位置和用户管理信息，保证移动台在整个服务区内能建立和接受呼叫。

E: 相邻区域的不同移动交换中心之间的接口。用于移动台从一个MSC控制区到另一个MSC控制区时交换有关信息，完成越区切换。

R: 非ISDN终端与GPRS终端间的参考点。

Gb: SGSN与BSS之间的接口，用于帧中继。

Gc: GGSN与HLR之间的接口，读取位置寄存器内容。

Gd: SMS与SGSN之间的接口，支持通过GPRS传送SMS消息。

Gi: GPRS的分组数据与外部分组数据交换接口。

Gn:同一个GSM网络中的两个GSN之间的接口，用于隧道协议（GTP）。

Gp:不同GSM网络间GSN间的接口。

Gr: SNSG与HLR之间的接口，用于移动应用部分的扩展。

Gs: SGSN与MSC/VLR之间的接口，用于支持同步的GPRS和GSM操作。

Gf: SGSN与EIR之间的接口，用于交换相关的管理信息。

Um:MS与GPRS移动基站间的无线通信接口，此接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。

除上图标识的接口外，还有一些内部接口没有在上图中标出，包括：

Abis：BSC与BTS之间的接口，用于BTS与BSC之间的远端互连方式。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。

B：MSC与VLR之间的内部接口，用于MSC向VLR询问有关移动台MS当前位置信息或通知VLR有关MS的位置更新信息等。

F：MSC与移动设备识别寄存器（EIR）之间的接口，用于交换相关的管理信息。

G：两个VLR之间的接口。当采用临时移动用户识别码（TMSI）时，此接口用于向分配TMSI的VLR询问此移动用户的国际移动识别码（IMSI）的信息。另外，GSM系统电路交换部分与公用电信网之间的接口采用7号信令系统，有关7号信令的详细信息，见参考文献[12]。

2.2.3 GPRS协议结构

在GPRS网络中传输的数据分为用户数据和控制信令，前者用来传输用户数据，后者用来控制和支持用户数据的传输。相应的，在GPRS网络中的节点上也有用户和控制两个平面的协议栈。

在GPRS骨干网中的GSN节点之间，使用GPRS隧道协议（GTP）传送数据分组。用户平面的GTP称为GTP-u,信令平面的GTP称为GTP-c,两者分别用来传输用户数据和控制信息。GTP提供报头，此报头加上UDP/TCP和IP报头一起来确定目标GSN，并且在目标处处理分组。所以，隧道协议的数据是在TCP或UDP的控制下以IP包的形式发送的。由此可见，GPRS骨干网的传输面是一个三层协议栈（GTP/TCP/IP）,外部分组数据网（Packet Data NetWok, PDN）的IP/X.25分组数据以IP/X.25->TCP->IP的模式在GPRS IP骨干网中传送。在信令平面中，GTP-c是隧道控制和管理协议，它用于创建、修改和删除GSN之间的隧道，这些信令程序称为分组数据协议（Packet Data Protocol, PDP）上下文请求、PDP上下文更新和PDP上下文删除。这些程序作为SGSN和MS之间的会话建立或移动性管理的一部分来调用。在用户平面，GTP-u为用户平面隧道提供GTP头和按顺序传送和数据流的复用等特性。GTP头由20个字节组成，包括了GTP版本、消息类型、序列号、隧道标识号等[3]。

1．用户平面

GGSN和SGSN之间传送的数据分组核心是GTP数据，可能采用UDP或TCP传输。在GPRS骨干网中GTP数据在GSN节点间传输。而MS的分组数据通过SGDCP(子网络决定的数据汇聚协议)与SGSN交互。为了保证GPRS网络层协议的透明性，SGSN在网络层和逻辑链路层(LLC)之间提供了SNDCP层，SNDCP提供了对网络协议的透明性以支持各种各样的网络协议。SNDCP使用LLC层提供的业务，把要发送的来自不同源的数据进行合路、压缩和分段，然后将数据交给LLC层进行处理。LLC提供可靠的SGSN到MS的加密逻辑链路，通过BSS GPRS协议（BSSGP）在SGSN和BSS之间使用基于帧中继的称为网络业务（NS）的连接来传送BSSGP PDU。BSS与MS间的空中接口使用无线链路控制（RLC）来提供分段以及将无线块重新组合成LLC帧，而位于LLC下的媒体接入控制层（MAC）则提供向物理信道的映射。用户平面协议栈如图2-4所示。

2．信令平面信令平面由用于控制和支持用户平面功能的协议组成，如图2-5所示。GGSN和SGSN使用GTP-c传送用于GTP管理的控制信息，这些信息由UDP控制传送。SGSN使用会话管理协议来建立和管理与MS的分组数据会话，而GPRS移动管理协议（GPRS Mobility Management, GMM）用来管理MS的移动性，它为MS在访问的GPRS网络中进行注册和认证定义了相应的过程。LLC为信令平面在无线接口上提供可靠的加密逻辑链路。SGSN和BSS使用BSSGP来管理它们之间的信令连接。在空中接口上使用RLC来提供GSM的与无线有关的可靠链路。MAC层控制无线信道的接入信令（请求和准许）过程，并且提供向物理信道的映射。

2.2.4 GPRS信道

GSM系统采用FDMA和TDMA混合技术,即将25MHZ的频段用FDMA技术分成间隔200KHZ的125个载频,其中,第一个载频作为干扰保护带,因此系统总共可用的载频为124个。然后，采用TDMA技术将每一载频按时间进行分割，以进行时分复用。GSM中将信道分为8个时隙，每个时隙为577us,一个TDMA数据帧由8个时隙构成并持续4.615ms。

在GSM/GPRS系统中，物理信道是指一个载波中若干个重复的时隙构成的信道，而逻辑信道只是表示特定的信息流，它在物理信道上实现。GSM中的信道根据用途分为两种，即用于传送语音和数据信息的业务信道和用于传送网络管理信息的控制信道。在引入GPRS业务后，GSM中增加了用于传送GPRS分组的分组业务信道（Packet Data Channel, PDCH），下面介绍PDCH中信道的分类和各信道的具体用途。

1）分组广播控制信道（Packet Broadcast Control Channel, PBCCH）

用于向小区中移动台播送系统信息，下行链路。

2）分组公共控制信道（Packet Common Control Channel, PCCCH）

PCCCH是一种公共控制信道，包括以下用于分组数据的公共控制信道：

分组随机接入信道（PRACH）：上行链路，用来进行随机接入。移动台利用它发起上行链路传输，发送数据或信令信息。移动台为了传送起始的分组信道请求信号也可以使用PRACH。PRACH上可以使用8信息比特和11信息比特接入突发序列，后者增加了优先级信息。
分组寻呼信道（PPCH）：下行链路，用于为移动终端通信寻呼移动台。PPCH可为寻呼移动台共享分组数据和电路数据业务。
分组接入允许信道（PAGCH）：下行链路，用于在呼叫建立中向移动台分配无线资源。
分组通知信道（PNCH）：下行链路，用于在发送数据之前将多点传送发送给一组移动台的点对多点的通知。

3）分组数据业务信道（Packet Data Traffic Channel, PDTCH）

用于传送用户数据业务的上、下行链路。PDTCH临时专门分配给一个用户或者一组用户（对多点传输）使用。上行链路的PDTCH和下行链路的PDTCH都是单向的，分别用于支持非对称用户业务流。

4）分组专用控制信道（Packet Data Control Channel,PDCCH）