GPRS幾種狀態(tài)的分析

我們通過研讀GPRS規(guī)范，并結合測試工具的實際驗證，從原理上對一些問題嘗試進行分析和解釋。本篇先對GPRS協(xié)議棧不同層面的狀態(tài)進行分析，理解了這些狀態(tài)后，有些問題就迎刃而解了。

在分析狀態(tài)前，先對目前GPRS網(wǎng)絡的有關配置進行說明：

 -規(guī)范定義了3種GPRS網(wǎng)絡工作模式（I, II, 及 III），系統(tǒng)信息中指明了網(wǎng)絡的實際工作模式，目前我省的網(wǎng)絡工作模式為II，具體定義為：

Network operation mode II: the network sends a CS paging message for a GPRS-attached MS on the CCCH paging channel, and this channel is also used for GPRS paging. This means that the MS needs only to monitor the CCCH paging channel, but that CS paging continues on this paging channel even if the MS has been assigned a packet data channel.

 -MSC/VLR和SGSN之間的互動通過Gs接口實現(xiàn)，這種互動主要用來協(xié)調(diào)同時處于 GPRS-attached和IMSI-attached 手機的Combined RA/LA Updating和CS Paging動作。在網(wǎng)絡工作模式I下Gs接口才有意義。目前我省GPRS網(wǎng)絡未啟用Gs接口，也就是RA Updating、LA Updating分別進行，CS Paging不能通過SGSN進行。

 -小區(qū)未設置PCCCH，根據(jù)規(guī)范：小區(qū)不設置PCCCH時，GPRS-attached和IMSI-attached下手機都停留在CCCH并通過BCCH接收所有系統(tǒng)信息（包括GPRS系統(tǒng)信息）。CS Channel Request和 Packet Channel Request都在CCCH 發(fā)送，這點也是與網(wǎng)絡處于工作模式II相適應的。小區(qū)設置PCCCH時， GPRS attached手機停留在PCCCH。

 -規(guī)范定義了3種GPRS MS工作模式（A, B, 及 C），目前市面上GPRS手機基本上為B模式手機（或稱為B類手機）。GPRS MS工作模式B的含義為：PS/CS mode of operation(GPRS B mode of operation): The MS is attached to both the PS domain and CS domain, but the MS is not capable of simultaneously operating PS services and CS services.

1. RR（Radio Resource）工作模式

GPRS系統(tǒng)中無線資源指PDCH，PDCH是小區(qū)內(nèi)所有GPRS attached手機共享和動態(tài)分配的，以TBF（Temporary Block Flow）形式進行劃分、按需分配，當數(shù)據(jù)（確切來說指RLC/MAC塊）需要傳送時分配TBF，傳送完畢后TBF就要釋放。TBF以TFI表示（上下行TBF是獨立的）。TBF用5位編碼，因此在一個PDTCH上最多同時存在32個TBF，也就是說可以有32個手機同時傳送數(shù)據(jù)（但不是每個廠家都能支持那么多的用戶共享一個物理信道）。

對B類手機，RR工作模式有三種：

- (Packet) idle mode for CS/GPRS，未分配TBF，不占用PDCH資源
- Packet transfer mode for GPRS，分配TBF，占用PDCH資源
- Dedicated mode for CS，電路方式，占用TCH或SDCCH

其模式間的遷移如圖所示：

Figure 1: RR operating modes and transitions for classes B

1.1 Packet idle mode

packet idle mode下手機沒有分配到TBF。如果協(xié)議上層需要傳送LLC PDU 就會啟動建立TBF，然后進入packet transfer mode。此狀態(tài)下MS 監(jiān)聽BCCH 和CCCH（小區(qū)無PCCCH 設置）以獲取系統(tǒng)信息和響應尋呼（包括CS Paging、PS paging）。

1.2 Packet transfer mode

packet transfer mode下, MS分配到TBF，此時可以傳送LLC PDUs。當選擇一個新小區(qū)時, 如果手機正在進行LLC PDU傳送，那么MS首先要離開packet transfer mode回到packet idle mode，然后在packet idle mode下切換到新小區(qū), 讀取系統(tǒng)信息，再在新小區(qū)進入packet transfer mode，恢復數(shù)據(jù)傳送。

1.3 與Dedicated mode的關系

對B類手機來說不能同時處于packet transfer mode和dedicated mode，因此：

- 工作在packet transfer mode的手機在進入dedicated mode 前，必須先離開packet idle mode和packet transfer modes。

- 手機在CS連接期間，不能執(zhí)行GPRS attach 和RA update。

- （小區(qū)無PCCCH 設置）網(wǎng)絡工作模式II下CS paging始終在CCCH發(fā)送，因此處于packet transfer mode的手機不能響應CS paging。這是由網(wǎng)絡工作模式II決定的。

2. GMM（GPRS Mobile Management）工作狀態(tài)

 
        Figure 2: Functional Mobility Management State Model

規(guī)范設立Ready和Standby狀態(tài)是出于折中考慮，因為在移動環(huán)境下，網(wǎng)絡側對手機發(fā)起連接建立就必須知道手機的確切位置（以小區(qū)表示）。

- Ready狀態(tài)下，網(wǎng)絡知道手機的確切位置，網(wǎng)絡可以直接對手機發(fā)起連接建立請求。但Ready狀態(tài)每當小區(qū)改變時都要即使通知網(wǎng)絡，這將造成大量的信令負荷。

- Standby狀態(tài)，此時網(wǎng)絡只知道手機的RA位置，不知道手機的確切位置，手機只在RA改變時才通知網(wǎng)絡，減少信令負荷。但網(wǎng)絡對手機發(fā)起連接建立請求時必須先在RA內(nèi)進行尋呼，通過手機的尋呼相應得到手機的確切位置，然后才可以對手機發(fā)起連接建立請求。

- 手機處于Ready和Standby造成的不同是在網(wǎng)絡對手機發(fā)起連接建立請求時是否需要事先尋呼手機。

以下是規(guī)范對GMM狀態(tài)變化的具體解釋：

Moving from IDLE to READY:

- GPRS Attach: The MS requests access and a logical link to an SGSN is initiated. MM contexts are established at the MS and SGSN.

Moving from STANDBY to IDLE:

- Implicit Detach: The MM and PDP contexts in the SGSN shall return to IDLE and INACTIVE state. The MM and PDP contexts in the SGSN may be deleted. The GGSN PDP contexts shall be deleted.

- Cancel Location: The SGSN receives a MAP Cancel Location message from the HLR, and removes the MM and PDP contexts.

Moving from STANDBY to READY:

- PDU transmission: The MS sends an LLC PDU to the SGSN, possibly in response to a page.

- PDU reception: The SGSN receives an LLC PDU from the MS.

- READY timer expiry: The MS and the SGSN MM contexts return to STANDBY state.

- Force to STANDBY: The SGSN indicates an immediate return to STANDBY state before the READY timer expires.

- Abnormal RLC condition: The SGSN MM context returns to STANDBY state in case of delivery problems on the radio interface or in case of irrecoverable disruption of a radio transmission.

Moving from READY to IDLE:

- GPRS Detach: The MS or the network requests that the MM contexts to IDLE state and that the PDP contexts return to INACTIVE state. The SGSN may delete the MM and PDP contexts. The PDP contexts in the GGSN shall be deleted.

- Cancel Location: The SGSN receives a MAP Cancel Location message from the HLR, and removes the MM and PDP contexts.

3. RR工作模式和MM狀態(tài)之間的對應關系

Table 1: RR工作模式和MM狀態(tài)之間的對應關系(B類MS)       

注：MM狀態(tài)由定時器監(jiān)控，手機和網(wǎng)絡側都有定時器。Packet transfer mode 也由RLC 定時器監(jiān)控。

4. PDP工作狀態(tài)

 
        Figure 3: Functional PDP State Model

PDP狀態(tài)用來指示PDP地址是否激活可以傳送數(shù)據(jù)。PDP地址是否激活實際用“對應該PDP地址的PDP context是否建立并包含MS-GGSN間的路由信息”來描述。

- PDP地址的INACTIVE 狀態(tài)表明對應該PDP地址的PDP context 未建立，該地址沒有路由信息，無法處理與該PDP地址有關的PDUs.，因此沒有數(shù)據(jù)可以傳送。

- PDP地址的ACTIVE 狀態(tài)表明對應該PDP地址的PDP context已經(jīng)在MS, SGSN 和 GGSN建立， 包含了路由信息，因此可以在MS 和 GGSN間傳送PDUs。 PDP ACTIVE state僅當GMM為STANDBY 或 READY 時才允許激活。

5. MM狀態(tài)和PDP狀態(tài)之間的對應關系

Table 2: MM狀態(tài)和PDP狀態(tài)之間的對應關系       

6. 幾種狀態(tài)/模式間的組合關系

以上幾種狀態(tài)/模式是分別針對協(xié)議棧的不同層面：RR、MM、SM，SM協(xié)議層面最高、MM協(xié)議層面次之、RR協(xié)議層面最低。各種狀態(tài)之間沒有一一對應關系，是相對獨立又有聯(lián)系，但高協(xié)議層面狀態(tài)的變化需要低協(xié)議層面狀態(tài)變化的支持。不同狀態(tài)組合下，空中信令流程有些不同，尤其是發(fā)起數(shù)據(jù)傳送時空中接口上的第一條信令。

- RR規(guī)程管理空中資源，因此涉及MS、BSS、SGSN，主要是MS、BSS（MAC、RLC）
- MM規(guī)程管理MS的位置，涉及MS、BSS、SGSN。
- SM規(guī)程管理PDP地址的路由信息，涉及MS、BSS、SGSN、GGSN，使得該PDP地址相關的PDUs能夠在MS、GGSN之間傳送。

根據(jù)上述狀態(tài)分析，采用TEMS測試工具采集空中信令，以對上述狀態(tài)的組合可能及變換關系進行實際驗證測試（即在不同狀態(tài)下，MS或網(wǎng)絡發(fā)起數(shù)據(jù)傳送時空中接口上的第一條信令，第一條信令后的信令流程在圖中也有顯示，但完整過程請參考協(xié)議）。

- RR（Idle）、MM（Ready）組合狀態(tài)下，由MS發(fā)起數(shù)據(jù)傳送的信令流程，此時手機的SM狀態(tài)由PDP Context InActive到PDP Context Active�？罩薪涌谏系牡谝粭l信令為“Channel Request”。

Figure 4: 手機接入GPRS業(yè)務的信令流程（1）

- RR（Idle）、MM（Ready）組合狀態(tài)下，由網(wǎng)絡側發(fā)起數(shù)據(jù)傳送的信令流程，此時手機的SM狀態(tài)由PDP Context InActive到PDP Context Active�？罩薪涌谏系牡谝粭l信令為“Immediate Assignment”，因為網(wǎng)絡知道MS所在的小區(qū)位置，不必尋呼。

Figure 5: 手機接入GPRS業(yè)務的信令流程（2）

- RR（Idle）、MM（Standby）組合狀態(tài)下，由MS發(fā)起數(shù)據(jù)傳送的信令流程，此時手機的SM狀態(tài)由PDP Context InActive到PDP Context Active。空中接口上的第一條信令為“Channel Request”。

Figure 6: 手機接入GPRS業(yè)務的信令流程（3）

- RR（Idle）、MM（Standby）組合狀態(tài)下，由網(wǎng)絡側發(fā)起數(shù)據(jù)傳送的信令流程，此時手機的SM狀態(tài)由PDP Context InActive到PDP Context Active�？罩薪涌谏系牡谝粭l信令為“Paging Request”，因為網(wǎng)絡不知道MS所在的小區(qū)位置，需要尋呼。

Figure 7: 手機接入GPRS業(yè)務的信令流程（4）

7. 問題解釋

以下問題的解釋是針對目前GPRS網(wǎng)絡設置。

7.1 GPRS手機上網(wǎng)期間，有時能打通電話，有時卻不能

由于MAC/RLC資源是動態(tài)分配的，需要傳輸數(shù)據(jù)時，會臨時分配一個TFI，然后在PDTCH上傳輸數(shù)據(jù)，此時MS處在Packet transfer mode，。由于目前GPRS網(wǎng)絡工作模式為II以及未開通Gs接口，當MSC需要對GPRS手機發(fā)起CS呼叫（被叫）時，CS Paging只能在CCCH發(fā)送，不能通過SGSN在PDCH上發(fā)送。因此如果GPRS手機被叫時，恰好處在Packet transfer mode，由于目前的B類手機都不支持同時監(jiān)聽CCCH，GPRS手機不能響應尋呼，實際現(xiàn)象為GPRS手機尋呼不到。但如果GPRS手機被叫時，已經(jīng)回到(Packet) idle mode（即臨時數(shù)據(jù)傳輸完畢，TBF已經(jīng)釋放），繼續(xù)監(jiān)聽CCCH，那么GPRS手機可以響應尋呼，實際現(xiàn)象為GPRS手機被叫振鈴。由此隨著GPRS業(yè)務的展開會影響B(tài)SC的CS尋呼成功率。

7.2 GPRS手機的分組尋呼是如何產(chǎn)生的

在GSM下，如果手機idle mode下做被叫，就要進行尋呼，小區(qū)有尋呼成功率統(tǒng)計指標可以衡量。GPRS手機如果分配靜態(tài)PDP地址，那么可以執(zhí)行由網(wǎng)絡側發(fā)起PDP激活規(guī)程，此規(guī)程中包含了手機做GPRS被叫的過程。但目前網(wǎng)絡設置是GPRS手機只分配動態(tài)PDP地址，不存在網(wǎng)絡側發(fā)起PDP激活規(guī)程的可能性，由此GPRS小區(qū)的分組尋呼成功率統(tǒng)計指標是如何產(chǎn)生的？

由上述的狀態(tài)描述可以得到：GMM狀態(tài)的變化可以由定時器的溢出來觸發(fā)，但PDP的變化要必定通過規(guī)程實現(xiàn)，因此手機主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳送并分配到一個PDP地址后，該PDP地址在PDP context激活后、PDP context去激活前一直保持不變。但期間GMM狀態(tài)會由于定時器的溢出由READY變化到STANDBY后，網(wǎng)絡如有數(shù)據(jù)回送給手機時，就必須先在RA內(nèi)進行尋呼（如圖6所示），由此產(chǎn)生了分組尋呼。

7.3 GPRS業(yè)務如何產(chǎn)生新的CCCH負荷

GSM手機在idle mode下，CCCH上的負荷主要由位置更新、CS尋呼、主叫、SMS等產(chǎn)生，GPRS手機在(Packet) idle mode下，CCCH上的負荷增加了PS尋呼、分組接入，由于PDCH的TBF是臨時分配的，數(shù)據(jù)傳輸具有突發(fā)性的特點，因此(Packet) idle mode與Packet transfer mode的狀態(tài)變化是很頻繁的，應用層的一次數(shù)據(jù)會話產(chǎn)生的CCCH負荷會遠大于一次GSM呼叫產(chǎn)生的CCCH負荷。