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4.GPRS系统的信令流程27
4.1GPRS系统的信令流程27
1.GPRS工作原理
1.1GPRS系统的基本概念
重点
Ø
掌握GPRS系统的基本概念：
BVCI、TLLI等
GPRS（GeneralPacketRadioService）是通用分组无线业务的简称。
GPRS是GSMPhase2.1规范实现的内容之一，是以端对端的分组传输与交换方式为用户提供的发送和接收高速数据、低速数据以及信令的多种业务集合。
与电路传输与交换方式相比，GPRS不仅能够经济有效地利用网络资源，而且能够优化利用更为稀缺的无线资源，能提供比现有GSM网9.6kbit/s更高的数据率。
GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。
GPRS的系统由无线分系统和网络分系统组成，两者之间严谨定义的界面可以使其网络分系统为其它无线接入系统所利用。
从逻辑机制方面来看，GPRS系统可以通过增加两种网络节点在GSM结构基础上实现，即GPRS业务支持节点（SGSN）和GPRS网关支持节点（GGSN）。
同时，还有必要命名若干新的接口，以表明GPRS、GSM及其它外部网络的各实体之间的逻辑关系。
不难看出，GPRS网络分系统无需强行改变已建的GSM网络和交换分系统，两者重叠，各司其职。
GPRS无线分系统与网络分系统之间的接口仍称无线接口（Um），但定义了新的GPRS无线信道。
这些信道的划分十分灵活：
可以由每个TDMA帧的1个时隙、2个时隙、……直至8个时隙组成8种不同速率的GPRS信道，各信道均可由各在线用户共享；
上行链路和下行链路可分别地划分为时隙数目不等的信道，满足上下行流量不对称的数据业务；
在话音业务和数据业务之间可以根据业务负荷加实际情况动态共享无线资源；
可以规定各种不同的无线信道编码方案，使每用户的比特速率在9kb/s至150kb/s之间。
GPRS支持基于标准数据协议的各种应用，并规定了与IP网络和X.25网络互连互通的功能。
GPRS定义了两种不同类型的承载业务，一是点对点（PTP）业务，二是点对多点（PTM）。
PTP可以包括检索业务，如从因特网的万维网下载数据文件；
消息存储转发业务和消息处理业务，如电子邮件、消息编辑和变换；
双向实时通信业务，如因特网的远程登录（Telnet）；
远程监控业务，如信用卡确认、远程读表等。
PTM可以包括消息发布业务，如新闻、广告、天气预报等；
调度业务、如出租车辆及其它公用服务的调度；
实时会议业务，如分散相关用户间的多方向通信；
此外，PTM业务还可以附加地域选取和限制能力，定期发送和重复发送能力。
GPRS系统采用了GSM系统的部分编码计划，但也增加了一些新的编号计划，其新增部分分述如下：
TID：
即Tunnelidentification，相当于IMSI+NSAPI。
Gn口上数据的传送通过Tunnel（GTP隧道协议）进行，不同的IMSI或相同IMSI的不同业务（NSAPI）具有唯一的标识，从而保证了数据传送的独立性和准确性。
NSAPI：
网络业务接入点标识，表示一对PDP类型和PDP地址的组合，相当于用户的不同进程标识。
不同协议如X.25和IP的NSAPI不同。
其取值范围为0~15。
P-TMSI：
为了保证用户身份的保密性，VLR和SGSN可以对访问用户分配临时移动用户身份识别TMSI，并将TMSI与用户的IMSI信息相关联。
一个移动用户可以被分配两个TMSI，一个用于电路域MSC提供的业务，即TMSI，另一个用于分组域SGSN提供的业务，简称为P-TMSI。
TMSI和P-TMSI之间的区别为：
1）P-TMSI可以采用非加密模式分配，而TMSI则必须采用加密模式分配；
2）P-TMSI的高两位为11，而TMSI的高两位为00、01或10；
3）P-TMSI仅在它分配的路由区中唯一，一旦出了这个路由区，则需采用P-TMSI与RAI一起唯一标定MS。
SGSN另外分配一个P-TMSI签名（3比特）来表示MS的GMM上下文，在下一次附着或者路由区更新过程中P-TMSI签名将与P-TMSI一起传送到网络。
（注：
P-TMSI通常在路由区变化时进行重新分配，但如果发生SGSN变化，则必须重新分配。
）
BVCI：
用以标定BSSGP上的一条虚电路，在NSEI中编号唯一；
NCVC：
对应Gb口上的PVC（永久虚电路）；
DLCI：
NSVC的本地标识号；
NSEI：
控制Gb口上一组NSVC之间的链路分担和广播消息的发送；
RAI：
路由区标识，RAI=LAI+RAC=MCC+MNC+LAC+RAC；
TLLI：
用以表示特定的一条逻辑链路。
在一个RA内，TLLI与IMSI一一对应，
RA区域内部网络层路由选择是通过NSAPI和TLLI共同进行的。
TLLI为32比特，GPRS系统中存在4种不同TLLI，它们从P-MSI中产生或者直接产生。
1）本地TLLI：
由MS产生，最高两位为11，其余30比特与P-TMSI相应位置上的信息相同。
它只在与此P-TMSI相关的路由区中有效。
两种情况下MS使用本地TLLI表示逻辑链路标识，即在新的路由区中进行路由更新后没分配P-TMSI或者在周期性路由更新过程中。
2）外部TLLI：
由MS产生，最高两位为10，其余30比特与P-TMSI相应位置上的信息相同。
MS在GPRS附着或者进行非周期性路由更新时使用外部TLLI。
3）随机TLLI：
由MS产生，最高五位为01111，其余27比特随机选择。
MS在进行匿名PDP上下文激活或者MS中不存在P-TMSI时使用随即TLLI。
4）辅助TLLI：
由SGSN产生，最高五位为01110，其余27比特独立设定。
在收到MS发起匿名PDP激活请求时SGSN分配辅助TLLI，以防止在一个SGSN区域内使用匿名PDP上下文时随机TLLI的不明确性。
1.2GPRS系统结构、协议栈、网元间接口
掌握GPRS系统结构、协议栈、网元间接口
1.2.1.1GPRSMS
终端设备
TE（TeminalEquipment，终端设备）是终端用户操作和使用的计算机终端设备，在GPRS系统中用于发送和接收终端用户的分组数据。
TE可以是独立的桌面计算机，也可以将TE的功能集成到手持的移动终端设备上，同MT（MobileTerminal）合二为一。
从某种程度上说，GPRS网络所提供的所有功能都是为了在TE和外部数据网络之间建立起分组数据传送的通路。
移动终端
MT（MobileTerminal，移动终端）一方面同TE通信，另一方面通过空中接口同BTS通信，并可以建立到SGSN的逻辑链路。
GPRS的MT必须配置GPRS功能软件，以支持GPRS系统业务。
在数据通信过程中，从TE的观点来看，MT的作用就相当于将TE连接到GPRS系统的Modem。
MT和TE的功能可以集成在同一个物理设备中。
移动台
MS（MobileStation，移动台）可以看作是MT和TE功能的集成实体，物理上可以是一个实体，也可以是两个实体（TE+MT）。
MS有三种类型：
●A类GPRSMS：
能同时连接到GSM和GPRS网络，能在两个网络中同时激活，同时侦听两个系统的信息，并能同时启用，同时提供GPRS业务和GSM电路交换业务，包括短消息业务。
A类移动台用户能在两种业务上同时发起和/或接收呼叫，自动进行分组数据业务和电路业务之间的切换。
●B类GPRSMS：
能同时连接到GSM网络和GPRS网络，可用于GPRS分组业务和GSM电路交换业务，但两者不能同时工作，即在某一时刻，它或者使用电路交换业务，或者使用分组交换业务。
B类移动台也能自动进行业务切换。
●C类GPRSMS：
在某一时刻只能连接到GSM网络或GPRS网络。
如果它能够支持分组交换和电路交换两种业务，只能人工进行业务切换，不能同时进行两种操作。
1.2.1.2PCU（PacketControlUnit，分组控制单元）
PCU是在BSS侧增加的一个处理单元，主要完成BSS侧的分组业务处理和分组无线信道资源的管理，目前PCU一般在BSC和SGSN之间实现。
1.2.1.3SGSN（ServiceGPRSSupportNode，服务GPRS支持节点）
SGSN是GPRS网络的一个基本组成网元，是为了提供GPRS业务而在GSM网络中引进的一个新的网元设备。
其主要的作用就是为本SGSN服务区域的MS转发输入/输出的IP分组，其地位类似于GSM电路网中的VMSC。
SGSN提供以下功能：
●本SGSN区域内的分组数据包的路由与转发功能，为本SGSN区域内的所有GPRS用户提供服务。
●加密与鉴权功能
●会话管理功能
●移动性管理功能
●逻辑链路管理功能
●同GPRSBSS、GGSN、HLR、MSC、SMS-GMSC、SMS-IWMSC的接口功能
●话单产生和输出功能，主要收集用户对无线资源的使用情况
此外，SGSN中还集成了类似于GSM网络中VLR的功能，当用户处于GPRSAttach（GPRS附着）状态时，SGSN中存储了同分组相关的用户信息和位置信息。
同VLR相似，SGSN中的大部分用户信息在位置更新过程中从HLR获取。
1.2.1.4GGSN（GatewayGPRSSupportNode，关口GPRS支持节点）
GGSN也是为了在GSM网络中提供GPRS业务功能而引入的一个新的网元功能实体，提供数据包在GPRS网和外部数据网之间的路由和封装。
用户选择哪一个GGSN作为网关，是在PDP上下文激活过程中根据用户的签约信息以及用户请求的APN（AccessPointName，接入点名）来确定的。
GGSN主要提供以下功能：
●同外部数据IP分组网络（IP、X.25）的接口功能，GGSN需要提供MS接入外部分组网络的关口功能，从外部网的观点来看，GGSN就好象是可寻址GPRS网络中所有用户IP地址的路由器，需要同外部网络交换路由信息；
●GPRS会话管理，完成MS同外部网的通信建立过程；
●将移动用户的分组数据发往正确的SGSN；
●话单的产生和输出功能，主要体现用户对外部网络的使用情况。
1.2.1.5CG（ChargingGateway，计费网关）
CG主要完成对各SGSN/GGSN产生的话单的收集、合并、预处理工作，并完成同计费中心之间的通信接口。
CG是GPRS网络中新增加的设备。
GPRS用户一次上网过程的话单会从多个网元实体中产生，而且每一个网元设备中都会产生多张话单。
引入CG是为了在话单送往计费中心之前对话单进行合并与预处理，以减少计费中心的负担；
同时SGSN、GGSN这样的网元设备也不需要实现同计费中心的接口功能。
1.2.1.6RADIUS服务器
在非透明接入的时候，需要对用户的身份进行认证，相关的认证、授权信息就存储在RADIUS服务器（RemoteAuthenticationDialInUserServiceServer，远程接入鉴权与认证服务器）上。
该功能实体并非GPRS所专有的设备实体。
1.2.1.7DNS（DomainNameSystem，域名服务器）
GPRS网络中存在两种域名服务器：
一种是GGSN同外部网之间的DNS，主要功能是对外部网的域名进行解析，其作用完全等同于固定Internet网络上的普通DNS；
另一种是GPRS骨干网上的DNS，其作用主要有两点：
●在PDP上下文激活过程中根据确定的APN（AccessPointName，接入点名）解析出GGSN的IP地址；
●在SGSN间的路由区更新过程中，根据旧的路由区号码，解析出老的SGSN的IP地址。
1.2.1.8BG（BorderGateway，边缘网关）
BG实际上就是一个路由器，主要完成分属不同GPRS网络的SGSN、GGSN之间的路由功能，以及安全性管理功能。
移动台（MS）和SGSN之间的GPRS分层协议模型如图所示。
Um接口是GSM的空中接口。
Um接口上的通信协议有5层，自下面上依次为物理层、MAC（MdiumAcceSSControl）层、LLC（LogicalLinkControl）层、SNDC（SubnetworkDependantConvergence）层和网络层。
1.GPRS隧道协议（GTP）
GPRS骨干网中GSN间的用户数据和信令利用GTP进行隧道传输。
所有的点对点PDP协议数据单元（PDU）将由GTP协议进行封装。
GTP是GPRS骨干网中GSN节点之间的互联协议，它是为Gn接口和Gp接口定义的协议。
在GSM09.60中对GTP作了规范。
2.TCP
在GPRS骨干网中需要一个可靠的数据链路（如X.25）进行GTPPDU的传输时，所用的传输协议是TCP协仪。
如果不要求一个可靠的数据链路（如IP），就使用UDP协议来承载GTPPDU。
TCP提供流量控制功能和防止GTPPDU丢失或破坏的功能。
UDP提供防护GTPPDU受到破坏的功能。
3.IP
这是GPRS骨干网络协议，用以用户数据和控制信令的选路。
GPRS骨干网最初是建立在IPv4协议基础上的，随着IPv6的广泛使用，GPRS会最终采用IPv6协议。
4.子网相关融合协议（SNDCP）
这个传输功能将网络级特性映射到底层网络特性中去。
它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定TCP/IP地址和加密方式。
在SNDC层，移动台和SGSN之间传送的数据被分割为一个或多个SNDC数据包单元。
SNDC数据包单元生成后被放置到LLC帧内。
4.逻辑链路控制（LLC）
LLC是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议，能够提供高可靠的加密逻辑链路。
LLC层负责从高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧。
另外，LLC可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。
LLC独立于底层无线接口协议，这是为了在引入其他可选择的GPRS无线解决方案时，对网络子系统NSS的改动程度最小。
GSM04.64对LLC进行了规范。
5.中继转发（Relay）
在BSS中，这项功能中继转发Um和Gb接口间的LLCPDU，在SGSNN中，这项功能是转发Gb和Gn接口间的PDPPDU。
6.GPRS基站系统协议（BSSGP）
这个层用来传输在BSS和SGSN之间与选路服务质量有关的信息。
BSSGP没有纠错功能。
GSM08.18对BSSGP进行了规范。
7.网络服务（NS）
这个层传输BSSGPPDU。
NS以BSS和SGSN之间的帧中继连接为基础，而且有多跳功能，并能横贯有帧中继交换节点的网络。
GSM08.16对NS进行了规范。
9.无线链路控制（RLC）/介质访问控制（MAC）
这个层具备两个功能：
一是无线链路控制功能，它能提供一条独立于无线解决方案的可靠链路。
二是介质访问控制功能，它的主要作用是定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。
MAC除了控制着信令传输所用无线信道外，还将LLC帧映射到GSM物理信道中去。
10.GSMRF
Um接口的物理层为射频接口部分，而逻辑链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。
GSM空中接口的载频带宽为200kHz，一个载频分为8个物理信道。
如果8个物理信道都分配为传送GPRS数据，则原始数据速率可达200kbit/s。
考虑前向纠错码的开销，最终的数据速率可达164kbit/s左右。
1.2.2.1MS与SGSN间信令平面
MS与SGSN间信令平面
上图中，GPRS移动性管理（GMM）和会话管理（SM）协议支持移动性管理功能，例如GPRS附着/分离、RA/LA更新、PDP上下文激活/去激活等。
1.2.2.2SGSN与HLR间信令平面
SGSN和HLR之间的信令平面
上图中，移动应用部分（MAP）协议支持与HLR的信令交换，增强GPRS性能。
TCAP、SCCP、MTP3和MTP2用来支持GPRSGSMPLMN的移动应用部分。
1.2.2.3SGSN与MSC/VLR间信令平面
SGSN与MSC/VLR之间的信令平面
上图中，基站应用部分＋（BSSAP＋）支持SGSN与MSC/VLR之间的信令。
1.2.2.4SGSN与EIR间信令平面
SGSN与EIR之间的信令平面
上图中，MAP协议支持SGSN与EIR之间的信令。
1.2.2.5SGSN与SMS-GMSC、SMS-IWMSC间信令平面
SGSN与SMS-GMSC、SMS-IWMSC间信令平面
上图中，MAP协议支持SGSN与SMS-GMSC之间或SGSN与SMS-IWMSC之间的信令。
1.2.2.6GPRS支持节点间信令平面
GPRS支持节点间信令平面
上图中，GPRS隧道协议（GTP）在GPRS骨干网络内，支持SGSN与GGSN之间或SGSN与SGSN之间的用户数据和信令消息以隧道方式传输。
用户数据报协议（UDP）传递GSN与GSN之间的信令消息。
1.2.2.7GGSN与HLR间信令平面
GGSN和HLR之间的信令通道是可选的，它允许GGSN与HLR交换信令消息。
有两种可选的方法，实现该信令通道：
●如果在GGSN内安装SS7接口，可以在GGSN和HLR之间使用MAP协议；
●如果在GGSN内没有安装SS7接口，在PLMN内，安装了SS7接口的任何GSN均可以用作GTP至MAP之间的协议转换器，允许GGSN与HLR之间的信令交换。
1.2.2.7.1建立在MAP基础上的GGSN与HLR之间的信令平面
GGSN与HLR采用MAP的信令平面
上图中，MAP协议支持GGSN与HLR之间的信令。
1.2.2.7.2建立在GTP和MAP之上的GGSN与HLR之间的信令
GGSN与HLR之间采用GTP和MAP的信令平面
上图中，GPRS隧道协议（GTP）在GPRS骨干网络内，支持GGSN与协议转换的GSN之间的信令消息隧道传输。
“Interworking”在GTP和MAP之间提供互联互通，MAP用于GGSN与HLR之间的信令。
1.2.3.1Um接口
Um接口是GPRSMS与GPRS网络间的接口，通过MS完成与GPRS网络的通信，完成分组数据传送、移动性管理、会话管理、无线资源管理等多方面的功能。
1.2.3.2Gb接口
Gb接口是SGSN和BSS间接口（在华为的GPRS系统中，Gb接口是SGSN和PCU之间的接口），通过该接口SGSN完成同BSS系统、MS之间的通信，以完成分组数据传送、移动性管理、会话管理方面的功能。
该接口是GPRS组网的必选接口。
在目前的GPRS标准协议中，指定Gb接口采用帧中继作为底层的传输协议，SGSN同BSS之间可以采用帧中继网进行通信，也可以采用点到点的帧中继连接进行通信。
1.2.3.3Gi接口
Gi接口是GPRS与外部分组数据网之间的接口。
GPRS通过Gi接口和各种公众分组网如Internet或ISDN网实现互联，在Gi接口上需要进行协议的封装/解封装、地址转换（如私有网IP地址转换为公有网IP地址）、用户接入时的鉴权和认证等操作。
1.2.3.4Gn接口
Gn接口是GRPS支持节点间接口，即同一个PLMN内部SGSN间、SGSN和GGSN间接口，该接口采用在TCP/UDP协议之上承载GTP（GPRS隧道协议）的方式进行通信。
1.2.3.5Gs接口
Gs接口是SGSN与MSC/VLR之间接口，Gs接口采用No.7信令上承载BSSAP+协议。
SGSN通过Gs接口和MSC配合完成对MS的移动性管理功能，包括联合的Attach/Detach、联合的路由区/位置区更新等操作。
SGSN还将接收从MSC来的电路型寻呼信息，并通过PCU下发到MS。
如果不提供Gs接口，则无法进行寻呼协调，不利于提高系统接通率和无线资源利用率；
并且无法进行联合位置区/路由区更新，不利于减轻系统信令负荷。
1.2.3.6Gr接口
Gr接口是SGSN与HLR之间的接口，Gr接口采用7号信令上承载MAP+协议的方式。
SGSN通过Gr接口从HLR取得关于MS的数据，HLR保存GPRS用户数据和路由信息。
当发生SGSN间的路由区更新时，SGSN将更新HLR中相应的位置信息；
当HLR中数据有变动时，也将通知SGSN，SGSN会进行相关的处理。
1.2.3.7Gd接口
Gd接口是SGSN与SMS-GMSC、SMS-IWMSC之间的接口。
通过该接口，SGSN能接收短消息，并将它转发给MS、SGSN和SMS_GMSC、SMS_IWMSC。
短消息中心之间通过Gd接口配合完成在GPRS上的短消息业务。
如果不提供Gd接口，当C类手机附着在GPRS网络上时，它将无法收发短消息。
另外，随着短消息业务量的增大，如果提供Gd接口，则可减少短消息业务对SDCCH的占有，从而减少对电路话音业务的冲击。
1.2.3.8Gp接口
Gp接口是GPRS网络间接口，是不同PLMN网的SGSN之间采用的接口，在通信协议上与Gn接口相同，但是增加了边缘网关（BG，BorderGateway）和防火墙，通过BG来提供边缘网关路由协议，以完成归属于不同PLMN的GPRS支持节点之间的通信。
1.2.3.9Gc接口
Gc接口是GGSN与HLR之间的接口，当网络侧主动发起对手机的业务请求时，由GGSN用IMSI向HLR请求用户当前SGSN地址信息。
由于移动数据业务中很少会有网络侧主动向手机发起业务请求的情况，因此Gc接口目前作用不大。
在Gc接口不存在的情况下，GGSN也可以通过与其在同一PLMN中有SS7相关接口的SGSN，经过GTP-to-MAP协议转换来实现该GGSN与HLR的信令信息交互。
1.2.3.10Gf接口
Gf接口是SGSN与EIR之间的接口。
1.3GPRS系统和GSM系统的区别和融合
了解GPRS系统和GSM系统的区别和融合
1.GSM是全球移动通讯系统（GlobalSystemforMobileCommunications）的简称。
2.
GPRS是通用分组无线业务（G
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