2.3 GPRS数据业务接入及分组传送过程

2.3.1 连接阶段

MS在能够向相应主机发送数据之前，它必须首先在物理层上与GPRS网络建立连接，其次必须与某个SGSN建立连接，以使GPRS网络能够管理MS，再次通过SGSN在GGSN中注册，以获得MS的PDP地址并建立分组传送的路由。以上三步分别称为物理连接、GMM连接和SM连接。

1.物理连接

物理连接是在MS和BSS之间建立的RLC/MAC层的连接。在这个过程中，移动台需要发起分组信道请求，以获得进行分组数据传输所需要的上行和下行链路。

• 分组上行链路分配

首先移动台在PRACH信道上发送分组信道请求，信息包括：接入类型（一阶段还是二阶段接入）、标识比特（随机比特、优先级比特）等。BSS在接收到分组信道请求后，在PAGCH信道上利用实时分配消息做出应答，应答消息中包括了分配给移动台的一个唯一数据块。移动台在接收到分组实时分配消息后，就能在已分配给自己的PACCH信道上发送分组资源请求，该请求信息包括：移动台的无线通信容量、用户数据字节数、LLC-PDU类型、临时逻辑链路号（TLLI）以及RLC模式（应答还是无应答）等。BSS根据收到的这些信息，在PDCH上发送无线资源分配消息对资源请求做出回应，该回应作为移动台的PACCH上分组上行链路分配消息中的临时块流。该消息包括：记录全部的射频信道数目的参数、所有时隙的数目、临时块流（TBF）的开始时间、临时块流标识（TBFI）、时间超前（TA）、信道编码方案（CS1、CS2、CS3、CS4）、竞争机制中的临时逻辑链路号等。除此之外，如果使用静态分配，还包括分配位图以及下行控制时隙等，如果使用动态分配，则还包含上行链路状态标识（USF）等。经过这些交互后，移动台就获得了用于上行传输分组数据的无线资源。

在GPRS中，一个移动台进行一次分组传输最多分到8个PDCH信道，但是也可能8个移动台复用同一个PDCH信道。因此，当多个移动台共享同一个PDCH信道时，必须有方法管理移动台，以避免移动台同时在上行链路上发送数据造成冲突。BSS中的PCU负责信道复用管理，在PCU中利用位图来管理复用，位图由PCU生成并对哪一个移动台使用哪一个块进行说明，这样每一个移动台使用不同的位图，因此即使它们使用相同的信道也不会产生发送冲突。但是，位图并不总是要发送给移动台。在上行分组传送中，如果采用静态信道分配，位图在分组资源分配消息中传送，移动台根据位图确定发送数据的时机；如果采用动态分配，在下行链路中不发送位图，移动台根据下一个下行链路块中发送的USF标记确定自己的发送时刻。而在下行分组传输中，不发送位图，共用同一个PDCH下行信道的移动台必须监听在这个时隙传输的所有下行块，通过解释临时流标志（TFI）移动台可以知道该块指定给了哪个移动台。

• 分组下行链路分配

下行资源是根据分组下行分配消息分配给移动台的。该消息详细的描述了移动台可以接收数据的所有时隙。每一次完整的数据传输都分配一个临时块流标识。移动台必须接收和解释被分配的时隙上的所有RLC/MAC块，以便确定包含在块中的临时流标识（TFI）是否是自己的标识。

•  移动台状态模式

当移动台被激活时，它可能处于两个状态之一，分别是分组空闲模式和分组传输模式。在分组传输模式中，移动台被分配了射频资源（RR）,RR提供临时块流（TBF），它能在一个或多个物理信道上进行点对点的连接。这样，LLC帧就能在网络和移动台间单向传输。在空闲模式中，没有给TBF提供RR，移动台在分组公共控制信道上检测相关寻呼子信道。任何时刻，只要上一层需要传输LLC帧，就会引起空闲模式向传输模式的转变。这一特性使得分组数据传输具有不连续、短突发、高度交织、周期空闲的特点。

2.GMM连接

GPRS Mobile Manager(GMM)是指GPRS移动性管理，该连接是通过GPRS附着规程实现的。其目的是激活移动管理上下文（Mobile Manager, MM）、在MS与SGSN之间建立逻辑链路和鉴权加密。

通过物理连接过程，移动台已经获得了必要的传输分组数据的无线资源，但是移动台必须与某个SGSN建立连接后才能与GGSN进行分组数据协议（PDP）的协商。一个GPRS用户有三种移动管理状态，每个状态都描述了一定的功能级别和分配的信息。

•  空闲模式状态(Idle)

此时移动台不连接GPRS移动管理，即在SGSN中没有该移动台的链路信息，必须执行一个GPRS连接过程才可以进入GPRS连接状态。

•  准备就绪状态(Ready)

在准备就绪状态，移动台连接GPRS移动管理（GMM）并定位到小区一级。移动台可以接收和发送所有相关业务类型的数据，如果移动台或SGSN的准备就绪定时器终止，移动台将转入等待状态。

GPRS连接过程如下：

（1）    移动台向SGSN发送一个附带自身识别码（TMSI）的连接请求，这个消息也包含一个网络服务区域点标识（NSAPI），NSAPI对移动台的一个特定的网络应用是专用的。子网依赖汇集协议（SNDCP）层使用NSAPI与网络应用进行通信。几个NSAPI可以与一个独立的移动台相连。

（2）    SGSN通过检查移动台的HLR，验证用户是否已被授权和有权使用该特定业务。

（3）    授权后，SGSN向移动台发送一个带TLLI的回复信号。TLLI对该移动台是专用的，并被协议栈中的逻辑链路层(TLLI)使用。TLLI的作用是向移动台提供一个临时用于数据通信的ID。

（4）    在SGSN中有一个数据库，它完成分配给移动台的TLLI到移动台标识的映射。NSAPI涉及到应用要求的服务质量（QoS）描述参数。此时SGSN的关系表如表2-1:     

表2-1 GMM连接后SGSN中的关系表

•  等待状态(Wait）

在等待状态，用户连接GPRS移动管理并定位到路由区域级。移动台执行本地GPRS路由选择区域（RA）的更新和GPRS小区的选择和重选。此时要发送或接收数据，移动台要进入准备就绪状态。

3. SM连接

Session Manager(SM)是指会话连接过程，该连接通过分组数据协议（PDP）上下文激活规程实现。MS请求激活PDP上下文，作为传送分组数据路由的上下文。PDP激活后，就建立了GPRS会话，即可进行MS收发分组数据。移动台在PDP前后关系激活中使用一种方式，把自己与GPRS公共陆地移动网的SGSN连接起来。移动台在GMM连接时被分配了一个无线网络已知的TLLI，但是外部的网络节点（IP或X.25）仍然不知道移动台。因此，移动台必须与GGSN一起建立一个PDP前后关系，使用PDP前后关系实现GPRS网的路由选择。SGSN和GGSN通过IP地址区分，两者之间存在一对多的关系。多个隧道可以存在于一对SGSN和GGSN之间，每个隧道都具有一个特定的隧道标识（TID）。PDP前后关系激活过程如下：

（1）移动台向SGSN发送一个PDP前后关系激活请求，PDP中包括QoS、数据是否压缩、TCP/IP、PDP地址和类型等内容。

（2）SGSN根据移动台提供的信息和其它配置选择GGSN，请求GGSN为移动台创建一个前后关系。SGSN将选择一个GGSN，该GGSN提供所需的特定类型的前后关系（比如IP网络和X.25网络）。

（3）GGSN向SGSN发送带TID信息的回复信号，更新自身所带的表，在表中完成TID和SGSN IP地址和与之相关的特定移动台的映射。

（4）SGSN向移动台发送一条消息，通知移动台SGSN已经为MS创建了一个前后关系。SGSN也更新包含TID和GGSN IP地址的表，并已经用这些TID和GGSN IP为移动台建立了隧道。更新后的SGSN和GGSN表中的映射关系表如表2-2：

2.3.2 数据交换阶段

在连接SGSN和激活PDP前后关系后，移动台就能够向网络发送和接收来自网络的分组数据。由移动台发起的数据传输过程如图2-8所示，具体过程如下：

1．移动台的一个应用产生一个IP分组数据包，包括源地址、目标地址和信息，该IP分组交给移动台的SNDCP层。

2．SNDCP取得原始的IP分组后，根据MS保存的TLLI和NSAPI信息，加入包含TLLI和NSAPI信息的头信息，然后将这些信息发送到SGSN。

3．SGSN收到信息后，在关系表中查找对应的TLLI和NSAPI的GTP标识和GGSN的IP，然后将数据帧中的TLLI和NSAPI的头信息替换为TID和GGSN IP地址的GTP头，形成隧道协议数据包。

4．SGSN将隧道协议数据封装成IP数据包，其中目标地址是GGSN的IP地址，源地址是SGSN的IP地址。

5．GGSN收到信息后，去除分组头，得到原始的IP分组数据，将该信息发送到外部分组网上，此时信息与用户应用程序发送的信息是完全相同的，数据被送到指定的目标地址。

由网络发起的数据传输过程与上述过程类似，来自外部的数据首先传输到GGSN上，GGSN查找自己的关系表寻找与该移动台连接的SGSN的IP地址和隧道标识TID，然后将数据通过隧道传送到SGSN，SGSN把TID和SGSN映射为表中相应的TLLI和NSAPI值，然后将TLLI和NSAPI加到分组数据上，通过BSS将数据发送的移动台，移动台的SNDCP层将接收到的数据中的TLLI和NSAPI去掉，将数据传送的应用层。

2.3.3 分离阶段

GPRS的分离有两种，一种是PDP的去激活，即删除PDP前后关系；另一种是断开同GPRS的连接，即移动台的移动性管理转移到空闲状态。其中后者把移动台的所有被激活的PDP前后关系去激活。

1．PDP前后关系的去激活

•  移动台发起的去激活过程

移动台向SGSN发送一个去激活PDP前后关系请求（NSAPI）消息，并可能执行安全功能，SGSN收到请求后向GGSN发送一个删除PDP前后关系请求（TID）消息，GGSN删除PDP前后关系并返回一个PDP前后关系响应（TID）消息给SGSN,SGSN收到消息后向移动台发送去激活PDP前后关系确认,并删除自己保存的该移动台的PDP前后关系。

• 网络发起的去激活过程

GGSN首先发送一个删除PDP前后关系请求（TID）消息给SGSN,SGSN发送一个去激活PDP前后关系请求（NSAPI）消息给移动台。移动台删除PDP前后关系，返回一个去激活PDP前后关系确认（NSAPI）给SGSN，然后SGSN向GGSN返回删除PDP前后关系确认消息。

2．GPRS去激活

• 移动台发起的GPRS去激活

当移动台由准备就绪状态转入空闲状态时，移动台就要发起一个GPRS去连接过程，这个过程的主要任务就是通知SGSN删除MS的PDP前后关系，其过程与PDP前后关系去激活相同。

• 网络发起的GPRS去激活

与PDP前后关系去激活不同的是，网络发起的GPRS去激活是由SGSN发起的。SGSN首先向移动台发送去连接请求，通知移动台已经被解除连接，然后SGSN向GGSN发送PDP去激活请求，删除该用户的PDP前后关系。

2.4 GPRS存在的问题及向3G过渡过程

1．GPRS存在的问题

虽然GPRS有很多优点，但是在实际使用过程中，GPRS还是存在一些问题：

• GPRS会发生丢包现象。

由于GPRS采用分组交换的技术，而分组交换没有电路交换稳定性高，所以，可能会造成丢失数据包现象。 

•  实际速率比理论值低。

GPRS数据传输速率要达到理论上的最大值172.2kbps，就必须一个用户占用所有的8个时隙，并且没有任何差错控制。运营商将所有的8个时隙都给一个用户使用显然是不太可能的。另外，最初的GPRS终端预计可能仅支持1个、2个或3个时隙，一个GPRS用户的带宽因此将会受到严重的限制，所以，理论上的GPRS最大速率将会受到网络和终端现实条件的制约。事实上，移动网络的数据传输速率似乎总是比固定网络要低。

•  终端不支持无线终止功能。 

目前还没有任何一家主要手机制造厂家宣称其GPRS终端支持无线终止接收来电的功能，这将是对GPRS市场是否可以成功地从其他非语音服务市场抢夺用户的核心问题。启用GPRS服务时，用户将根据服务内容的流量支付费用，GPRS终端会装载WAP浏览器。但是，未经授权的内容也会发送给终端用户，更糟糕的是用户要为这些垃圾内容付费。

•  调制方式不是最优。 

GPRS采用基于高斯滤波的最小移频键控(Gaussian Minimum-Shift Keying，GMSK)的调制技术，相比之下， EDGE基于一种新的调制方法8PSK (eight-phase-shift keying)，它允许无线接口支持更高的速率。8PSK也用于UMTS。网络营运商如果要过渡到第三代，必须在某一阶段改用新的调制方式。 

•  存在转接时延 

GPRS分组通过不同的方向发送数据，最终达到相同的目的地，那么数据在通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出错的情况。有关标准组织认识到了无线分组技术的固有特性，因此引入了数据完整性和重发策略，不过也由此产生了潜在的转接时延问题。

2．GPRS向3G的过渡

GPRS是GSM移动电话系统向第三代移动通信迈进的一个重要步骤，根据欧洲电信标准化协会对GPRS发展的建议，GPRS从试验到投入商用后，分为两个发展阶段，第一阶段可以向用户提供电子邮件、因特网浏览等数据业务；第二阶段是EDGE的GPRS，简称E-GPRS，EDGE是GSM增强数据速率改进的技术，它通过改变GSM调制方法，应用8个信道，使每一个无线信道的速率达到48kbit／s，既可以分别使用，也可以合起来使用。例如，用一个信道可以通IP电话，用两个信道可以上网浏览，用4～8个信道可以开电视会议等等。8个信道合起来可使一个收发机支持384kbit／s。它是向第三代移动通信——通用移动通信系统（UMTS）过渡的台阶。

??UMTS是在GSM系统的基础上开发的，是欧洲开发的第三代移动通信，虽然现在还没有确定最后统一的标准，但是世界上已经有很多国家在致力这方面的研究和开发，UMTS是基于IP协议的通信结构体系，集成了语音、数据及多媒体网络，可以在世界上任何地方为任何人提供通用的个人通信业务，包括电视会议、因特网接入和其他的宽带业务。这种由现有的GSM系统通过增设GPRS，再由GPRS平滑地过渡到UMTS第三代移动通信系统的解决方案，可以充分地利用现有的移动通信设备。

2.5小结

GPRS系统在GSM系统中增加两类GPRS支持节点即SGSN和GGSN节点，并在系统内部建立了GPRS骨干网，GSN节点间通过GPRS骨干网采用隧道协议进行数据传输。通过这些元素的引入，使得移动台可以通过无线接口与SGSN相连，并根据建立的PDP前后关系路由GGSN，然后通过GGSN来访问外部数据网络，这些特性使得GPRS具有了接入互联网的能力。GPRS的这种可以无线接入互联网的特性就是我们要使用的功能，利用这一功能，我们可以在工业上建立数据采集系统，将分散的、偏远的数据采集点的信息传输到接入互联网的主机上，本文从下一章开始讨论利用GPRS进行数据采集和监控的实现方法。

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