GPRS基本原理.docx
《GPRS基本原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPRS基本原理.docx（54页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
GPRS基本原理
GPRS基本原理
ISSUE2.0
第1章GPRS基本原理
1.1GPRS概述
GPRS—GeneralPacketRadioService，为通用分组无线业务的简称。
GPRS网络引入了分组交换和分组传输的概念，为GSM用户提供了数据通讯应用，如E-mail、internet等。
GPRS是GSMPhase2.1规范实现的内容之一，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，具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。
1.2GPRS标准和业务的发展
GSM作为第二代数字移动蜂窝通信系统，在全世界范围内已经得到了广泛的应用。
但随着移动通信技术的发展和业务的多样化，人们对数据业务的需求不断增加。
为了满足人们的需求，以支持话音业务为主的GSM系统在其PHASE2和PHASE2+规范中提出了两种高速数据业务的模型，即基于高速数据比特率和电路交换的HSCSD（高速电路交换数据）和基于分组交换电路数据的GPRS（通用分组无线业务）。
欧洲最早是在1993年就提出了在GSM网上开通GPRS业务，1997年GPRS的标准化工作取得重大进展，10月份ETSI发布了GSM02.60GPRSPhase1业务描述。
1999年底完成GPRSPhase2的工作。
GPRS的标准分3个阶段，这3个阶段分别制订了18个新的标准并对几十个现有标准进行修订，以实现GPRS。
表1-1列出了这3个阶段。
表1-1GPRS的标准的3个阶段
阶段1
阶段2
阶段3
主要修改标准
02.60业务描述
03.60系统描述和网络结构
04.60RLC/MAC协议
01.61加密要求，SAGE算法，合法监听
03.20等等安全方面
03.22空闲模式程序
04.04－07GPRS，系统和时间安排信息
04.08MAC、RLC和层3移动性管理
05系列无线接口物理层
08.58&08.60Abis接和TRAU帧结构改变
09.02MAP增加Gr和Gd接口协议
11.10TBR-19MS测试
11.2XBSS测试
11.11SIM
12.XXO&M
03.64无线接口描述
04.61PTM-M业务
03.61点对多点-广播业务
04.62PTM-G业务
03.62点对多点-群呼
04.64LLC
04.65SNDCP
07.60用户互通
08.14Gb层1
08.16Gb层网络业务
08.18BSSGP、Gb接口
09.16Gb层2
09.18Gb层3
09.60Gn&Gp接口
09.61外部网路互通
GPRS是GSM向3G迈进的一个重要步骤，根据ETSI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。
从移动通信市场的走势来看，国外移动通信运营商已开始涉及多媒体服务的领域，使用户可以用手机在股票市场上进行交易，办理银行转账业务等。
2000年12月21日，中国移动通信集团公司在京宣布：
正式启动称为"移动梦网"的GPRS网络建设。
截止目前，中国移动已经完成了GPRS两期工程的建设，在全国多个城市商用。
1.3GPRS与HSCSD业务的比较
表1-1HSCSD与GPRS的比较
比较项目
HSCSD
GPRS
提供的业务
适合于实时性强的应用，例如会议电视
应用更加广泛，适用于突发性的数据业务，小数据量的频繁传送，偶然的出现的大数据量业务，如网页浏览等
业务质量和性能
数据业务的建链时间长，大于20秒
数据业务的建链时间短，小于3秒
数据速率
4*14.4kb/s=57.6kb/s
6*9.6kb/s=57.6kb/s
（受限于64kb/s的交换矩阵）
CS-2最大速率为107.2kb/s
（受限于16kb/s的TRAU子速率）
CS-4最大速率为171kb/s
无线资源管理
一个用户可分配多个信道，用户接入后即占用了该业务信道，无线资源的利用率较差
可动态分配资源，一个用户可分配多个时隙，一个时隙也可多个MS共享，用户可一直与网络连接，但仅当传送数据时才占用无线信道资源
网络设施的改造
初期投资少，对于TRAU、IWF等速率适配设备需要硬件升级，不需要增加新的网络单元，其他部分主要是软件升级
初期投资大，需增加SGSN、GGSN网络设施，BSC需增加硬件设备，BTS、HLR、SMC等需软件升级
计费
连接的时间，占用的信道数等
数据量，连接时间和QoS等
网络规划
基于原有电路型业务的模型，无线和网络易于规划设计
在无线方面缺乏经验，数据业务量增加后，网络规划困难
HSCSD（HighSpeedCircuitSwitchingData）业务是将多个全速业务信道复用在一起，以提高无线接口数据传输速率的一种方式。
由于目前MSC的交换矩阵为64kb/s，为了避免对MSC进行大的改动，限定入交换速率小于64kb/s。
这样，GSM网络在引入HSCSD之后，可支持的用户数据速率将达到38.4kb/s（4时隙），57.6kb/s（4时隙，14.4kb/s信道编码）或57.6kb/s（6时隙－透明数据业务）。
HSCSD适合提供实时性强的业务如会议电视，而GPRS则适合于突发性的业务，业务应用范围较广。
HSCSD作为电路型数据业务在无线接口上虽然也有无线资源的协商和调整（非透明业务），但对于一个连接来说，无论是否有实时数据的传送，至少需要保持一个时隙的无线连接。
当数据业务量增加时，需增设新的基站或大量的无线信道。
而对于GPRS业务来说，用户只有需要发送信息时才申请无线资源，其他时间MS随时保持PDP上下文激活状态，而不需要任何无线资源。
在上行链路上网络需要对MS进行争抢判决，多个MS可共享一个时隙的无线资源，且随着USF的变化，上行资源的复用可以改变，在下行信道上采用排队的机制，多个MS可共享多时隙的下行资源，以TFI进行区分。
虽然在网络建设上GPRS相对HSCSD对于网络的改动更大，但对于无线资源的利用来说却是占用最小的爱而兰负荷，在最大程度上减少了BTS的投资，即使在不增加频率资源和小区的情况下也可以提供业务。
运营者可以根据业务负荷和实际需要在话音和数据业务之间动态分配无线信道。
尤其是由于电路型呼叫的建立、结束和阻塞使得空闲信道表现为“空隙”和“突发”时，可被GPRS业务所利用，而HSCSD业务无法使用。
HSCSD除了一些数据速率适配所必须的硬件更换之外几乎不需要对硬件设备进行改动，GPRS则需要增加SGSN和GGSN两个网络实体，HLR等网络设备需要软件升级。
但从发展的眼光开看，GPRS的网络结构为第三代移动通信网络的建设打下了良好的基础。
第一阶段的第三代核心网络将主要采用GPRS网络。
1.4EDGE概述
虽然HSCSD和GPRS采用了多时隙的操作模式，已在一定程度上提高了数据传输速率，然而它们仍然是采用了GMSK（高斯最小频移键控）的调制方式，与第三代移动通信系统的384kbit/s数据速率的广域覆盖和大约2Mbit/s数据速率的局域覆盖还相去甚远，因此有必要采用更为先进的通信和信号处理技术，以进一步扩大GSM系统的容量。
ETSI（欧洲电信标准协会）决定发展增强数据速率的GSM演进方案——EDGE（EnhancedDataRatesForGSMEvolution）作为GSM未来的演进方向。
EDGE包括EGPRS和ECSD，在引入EDGE时充分考虑了和原GMS网络的兼容性和继承性，因此ECSD和EGPRS对核心网影响很小。
EGPRS是对GPRS的增强，EGPRS对系统的影响主要包括：
（1）在RF层采用了8PSK调制方式，极大提高了单信道的速率。
（2）对链路层RLC/MAC做了修改，并且定义了更完善的链路控制算法。
ECSD是对HSCSD的增强。
HSCSD提供57.6k的业务需要捆绑4个时隙，而ECSD只需要2个，提高CSD的实用性。
由于MSC通常都是基于64K电路交换的，所以ECSD总速率设计没有限于64K以内。
ECSD必须要解决BSS内部64K传输的问题，这是通过帧编号，接收端重组来实现的，类似于数据报的概念。
1.5GPRS的技术优势和局限
（3）GPRS的技术优势
GPRS引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化，具有以下的技术优势。
●资源利用率高
按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。
而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。
●传输速率高
GPRS可提供高达115kbit/s的传输速率（最高值为171.2kbit/s，不包括FEC）。
而电路交换数据业务速率为每秒9.6K比特，因此电路交换数据业务（简称CSD）与GPRS的关系就象是9.6K猫和33.6K、56K猫的区别一样，这意味着通过便携式电脑，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。
●永远在线
GPRS具有"永远在线"的特点，即用户随时与网络保持联系。
用户访问互联网时，手机就在无线信道上发送和接受数据，没有数据传送时，手机就进入一种"准休眠"状态，手机释放所用的无线信道给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次点击，手机立即向网络请求无线信道用来传送数据，而不象普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网冲浪。
●接入时间短
分组交换接入时间缩短为少于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务（如信用卡核对、远程监控等）的效率，并可使已有的Internet应用（如E-mail、网页浏览等）操作更加便捷、流畅。
（4）GPRS的局限
相对于现在的非语音数据服务，GPRS大幅提高了频谱的利用和开发，是一种重要的移动数据服务。
但仍存在一些限制，如：
●实际传输速度比理论低：
达到理论上的最高传输速度171.2Kbps的条件是，只一个用户占用全部八个时隙并且没有任何错误保护程序。
现实中，运营商不可能允许单个GPRS用户占用全部时隙。
另外，GPRS终端时隙支持能力受很大局限。
因此，理论上最大速度要考虑到现实环境的约束而重新检验。
●终端不支持无线终止功能：
启用GPRS服务时，用户确认就服务内容的流量支付费用。
用户就要为不想收取的垃圾内容付费。
GPRS终端是否支持无线终止，威胁GPRS的应用和市场开拓。
●调制方式不是最优：
GPRS使用名为GMSK（GaussianMinimum-ShiftKeying）的调制技术。
EDGE基于一种新的调制方法8PSK（eight-phase-shiftkeying），允许无线接口有更高的比特率。
8PSK也用于UMTS。
●传输延迟：
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数据丢失或出错的情况。
第2章GPRS的网络体系结构
2.1GPRS总体结构
在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级。
构成GPRS系统的方法是：
（1）在GSM系统中引入3个主要组件：
GPRS服务支持节点（SGSN，ServingGPRSSupportingNode），GPRS网关支持节点（GGSN，GatewayGPRSSupportNode），分组控制单元（PCU）；
（2）对GSM的相关部件进行软件升级。
GPRS总体结构如下图所示：
图2-1GPRS系统结构
图中，笔记本电脑通过串行或无线方式连接到GPRS蜂窝电话上；GPRS蜂窝电话与基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到GPRS服务支持节点（SGSN），而不是通过移动交换中心（MSC）连接到语音网络上。
SGSN与GPRS网关支持节点（GGSN）进行通信；GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或X.25网络。
来自因特网标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。
2.2GPRS逻辑体系结构
从逻辑上来说，GPRS通过在GSM网络结构中增添SGSN和GGSN两个新的网络节点和分组控制单元（PCU，PacketControlUnit）来实现。
由于增加了这些网络节点，需要命名新的接口。
图2-2说明了GPRS逻辑体系结构。
图2-1GPRS逻辑体系结构
表2-1给出了GPRS体系结构中的接口。
表2-1GPRS体系结构中的接口
接口
说明
R
是移动终端MT（例如手机）和TE（如笔记本电脑）之间的参考点。
Gb
SGSN与BSS之间的接口
Gc
GGSN与HLR之间的接口
Gd
SMS-GMSC之间的接口，SMS-IWMSC与SGSN之间的接口
Gi
GPRS与外部分组数据之间的接口
Gn
PLMN内部SGSN间、SGSN和GGSN间接口
Gp
是不同PLMN网的GSN之间采用的接口
Gr
SGSN与HLR之间的接口
Gs
SGSN与MSC/VLR之间的接口
Gf
SGSN与EIR之间的接口
Um
MS与GPRS网络侧的接口
2.3GPRS网络主要实体
GPRS网络主要实体包括GPRS移动台MS、分组控制单元PCU、GPRS支持节点GSN、计费网关CG，边缘网关BG，DNS域名服务器、RADIUS服务器等。
（5）GPRS移动台
GPRS移动台MS可以由TE和MT两部分组成：
TE（TerminalEquipment，终端设备）和MT（MobileTerminal，移动终端）。
当TE的功能集成到MT移动终端设备上的时候MS就是一个集成的移动终端（MT）。
●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一个分组数据传送的通路。
●移动终端
MT（MobileTermianl，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，以使用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（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根据移动台和网络的能力不同，而分为以下3类：
A类GPRS移动台：
可同时连接到GSM和GPRS系统，能在2个系统中同时激活、收听系统消息，能同时进行分组交换业务和电路交换业务。
B类GPRS移动台：
可同时附着在GPRS网络和GSM网络上，可提供GPRS分组交换业务和GSM电路交换业务，但不能同时进行电路交换和分组交换业务。
当B类MS在GPRS业务期间，如果有一个电路交换呼叫接入，MSC/VLR送一个“挂起”通知，SGSN收到通知后，就“挂起”（临时中断）GPRS的连接，电路交换完成后，MSC/VLR发给SGSN“恢复”通知，GPRS就恢复连接。
C类GPRS移动台：
不能同时附着在GPRS网络和GSM网络上，只能通过手工操作切换业务。
（6）分组控制单元（PCU）
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组网结构有以下三种，分别集成在基站，BSC或者以独立设备存在，如图1-3所示。
华为GPRS采用C种组网方式。
图2-1PCU组网方式
（7）GPRS支持节点（GSN）
GPRS的支持节点GSN是GPRS网络中最重要的网络节点，包含了支持GPRS所需的功能。
在一个GSM网络中允许存在多个GSN。
GSN有两种类型：
SGSN和GGSN。
SGSN是为移动终端（MS）提供业务的节点（即Gb接口由SGSN支持）。
在激活GPRS业务时，SGSN建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端（MS）的移动性和安全性方面的信息。
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。
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。
GGSN是GPRS网络与外部PDN相连的网关。
它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN和LAN等。
GGSN又被称作GPRS路由器。
GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。
GGSN通过配置一个PDP地址被分组数据网接入。
它存储属于这个节点的GPRS业务用户的路由信息，并根据该信息将PDU利用隧道技术发送到MS的当前的业务接入点，即SGSN。
GGSN可以经Gc接口从HLR查询该移动用户当前的地址信息。
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PLMN时，通过Gp接口互联。
（8）计费网关（CG）
CG主要完成从各GSN的话单收集、合并、预处理工作，并完成同计费中心之间的通信接口。
在GSM原有网络中并没有这样一个设备，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的目的就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。
（9）边缘网关（BG）
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。
该功能实体并非GPRS所专有的设备实体。
（10）域名服务器（DNS）
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：
其一是在PDP上下文激活过程中根据确定的APN（AccessPointName）解析出GGSN的IP地址，另一是在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。
该功能实体并非GPRS所专有的设备实体。
（11）RADIUS服务器
在非透明接入的时候，需要对用户的身份进行认证，RADIUS服务器（RemoteAuthenticationDialInUserServiceServer，远程授权拨入用户服务服务器）上存储有用户的认证、授权信息。
该功能实体并非GPRS所专有的设备实体。
第3章GPRS网络协议平台
和GSM相比，GPRS体现出了分组交换和分组传输的特点，即数据和信令是基于统一的传输平面，在数据传输所经过的几个接口，传输层（LLC）以下的协议结构对于数据和信令是相同的。
而在GSM中，数据和信令只是在物理层上相同。
3.1GPRS数据传输协议平台
传输协议平台提供用户信息的传递，主要由GTP、IP、LLC、RLC等分别构成GPRS网络各段的传输模式。
图3-1传输协议平台
对其中的功能实体说明如下：
（12）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。
（13）RLC/MAC：
无线链路控制/介质访问控制，该层提供无线链路控制功能和媒体接入控制功能，RLC层可支持MS与BSS之间的有确认和无确认两种模式的传输，可提供一条独立于无线解决方案的可靠链路。
MAC层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还将LLC帧映射到GSM物理信道中去。
GSM04.60对RLC/MAC进行了规范。
（14）SNDCP：
执行用户数据的分段、压缩功能等。
SNDCP在GSM04.65中有说明。
（15）LLC：
传输层协议，提供端到端的可靠无差错的逻辑数据链路。
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，并可支持多种QoS延时登记。
GSM04.64对LLC进行了规范。
（16）BSSGP：
GPRS基站系统协议，该层包含了网络层和一部分传输层功能，主要解释路由信息和服务质量信息。
GSM08.18对BSSGP进行了规范。
（17）NetworkService：
数据链路层协议，采用帧中继方式。
GSM08.16对NS进行了规范。
（18）L1：
物理层。
（19）L2：
数据链路层协议，可采用一般以太网协议。
（20）IP：
网络层协议。
用以用户数据和控制信令的选路。
（21）UDP/TCP：
传输层协议，建立端到端连接的可靠链路，TCP具有保护和流量控制功能，确保数据传输的准确，TCP面向连接的协议。
UDP则是面向非连接的协议，UPP不提供错误恢复能力，也不关心是否已正确接收了报文，只充当数据报的发送者和接收者。
（22）GTP：
GPRS燧道协议。
在传输平台，GTP利用GSN之间建立的隧道机制传输用户分组数据。
在GSM09.60中对GTP作了规范。
3.2GPRS信令协议平台
信令协议平台描述了信令传输的层次结构，包括用于控制和支持传输平台的协议。
信令协议平台按其应用可以分为7个种类。
图3-2~图3-7分别表示了这七种信令协议平台。
表3-1信令平面实现功能
信令平面分类
实现功能
MS-SGSN-GGSN
GMM/SM是指GPRS移动性管理和会话管理，如GPRS服务连接、GPRS服务断开。
安全、路由区更新、定位更新、PDP环境激活、PDP环境去活等。
SGSN-HLR
SGSN-EIR
SGSN-SMS-GMSC/SMS-IWMSC
采用MAP（MAP，MobileApplicationPart）协议实现鉴权、登记、移动性管理及短消息等功能
SGSN-MSC/VLR
采用BSSAP+（BaseStationSystemApplication+）协议实现联合的移动性管理、寻呼等功能，使用SS7传送
GSN-GSN
采用GTP协议来传送骨干网的相关信令消息，利用下层的UDP来提供无确认的传送。
规定了移动台MS接入GPRS网络的隧道机制和管理协议要求.信令主要执行建立、修改和
升级会员 