GPRS協(xié)議棧中GMM協(xié)議的研究和實(shí)現(xiàn)

摘　要　GPRS協(xié)議棧技術(shù)是移動(dòng)通信軟件的關(guān)鍵技術(shù)，本文基于GPRS協(xié)議棧中的GPRS移動(dòng)性管理層協(xié)議（GMM），對(duì)GMM層所實(shí)現(xiàn)的功能、過(guò)程、狀態(tài)控制、安全機(jī)制進(jìn)行了深入地研究，并通過(guò)一個(gè)工程項(xiàng)目對(duì)GPRS協(xié)議棧中的GMM層進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞　通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)　GPRS移動(dòng)性管理　路由區(qū)　狀態(tài)控制

1　引言

近年來(lái)，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)已成為發(fā)展最迅速、最具活力的產(chǎn)業(yè)之一。隨著用戶對(duì)通信質(zhì)量，通信業(yè)務(wù)的要求越來(lái)越高，通信技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，通過(guò)采用GPRS技術(shù)，可使現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)輕易地實(shí)現(xiàn)與高速數(shù)據(jù)分組的簡(jiǎn)便接入，從而使運(yùn)營(yíng)商能夠?qū)σ苿?dòng)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)并獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

GPRS協(xié)議棧技術(shù)是移動(dòng)通信軟件的關(guān)鍵技術(shù)，所以目前對(duì)GPRS技術(shù)的研究主要集中在GPRS協(xié)議棧技術(shù)上。本文正是基于這一點(diǎn)，通過(guò)對(duì)GPRS協(xié)議棧中的關(guān)鍵層——GPRS移動(dòng)性管理（GMM）層的深入研究，對(duì)GMM層中所實(shí)現(xiàn)的功能、過(guò)程、狀態(tài)控制、安全機(jī)制進(jìn)行了闡述和分析，最后通過(guò)一個(gè)實(shí)際的GPRS工程項(xiàng)目把對(duì)GMM研究應(yīng)用到實(shí)際中去，表明研究的價(jià)值和意義。

本文是如下安排的：第2節(jié)介紹了一些基本概念和原理；第3節(jié)研究了GMM所實(shí)現(xiàn)的功能、過(guò)程、狀態(tài)控制、安全機(jī)制，并對(duì)它們之間的相互關(guān)系進(jìn)行了闡述；第4節(jié)把對(duì)GMM的研究應(yīng)用到一個(gè)實(shí)際的工程中；第5節(jié)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

2　基本概念

GPRS協(xié)議棧是由傳輸協(xié)議棧和信令協(xié)議棧組成的，傳輸協(xié)議棧是用于用戶信息的傳輸（用戶數(shù)據(jù)的傳輸）和相關(guān)控制過(guò)程的信息傳輸；而信令協(xié)議棧是提供對(duì)傳輸協(xié)議棧的支持，完成對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)接入的控制，以及對(duì)分組數(shù)據(jù)協(xié)議的關(guān)聯(lián)等等。

GPRS信令協(xié)議棧如圖1所示。從圖1可以看出在GPRS的無(wú)線接口（Um）中，對(duì)照ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）的參考模型，GPRS的信令協(xié)議棧從下到上可以分為三層：L1層是物理層，它是由GSM RF構(gòu)成的；L2層是數(shù)據(jù)鏈路層，它是由媒質(zhì)接入控制層（MAC）、無(wú)線鏈路控制層（RLC）、邏輯鏈路控制層（LLC）三層一起實(shí)現(xiàn)其功能的；L3層是信令層，通過(guò)下層（L1層，L2層）提供的分組信道傳輸信令消息，來(lái)達(dá)到對(duì)GPRS協(xié)議棧的控制作用。

GMM作為GPRS信令協(xié)議棧L3層中的一層，利用下層（L1層，L2層）提供的分組信道傳輸GMM的信令消息。GMM的這些信令信息的主要作用是支持用戶終端的移動(dòng)，將用戶的位置信息通知網(wǎng)絡(luò)，以及提供用戶識(shí)別信息的機(jī)密性。

3　GMM功能實(shí)現(xiàn)

上節(jié)已經(jīng)對(duì)GPRS協(xié)議棧進(jìn)行了系統(tǒng)地概括和介紹，GMM層的主要功能就是上節(jié)所說(shuō)的，支持用戶終端的移動(dòng)，將用戶的位置信息通知網(wǎng)絡(luò)，以及提供用戶識(shí)別信息的機(jī)密性，而這些功能是通過(guò)GMM的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下面首先研究一下GMM的過(guò)程，通過(guò)這些過(guò)程實(shí)現(xiàn)了GMM的功能：GMM的安全機(jī)制是通過(guò)GMM的公共過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，GMM的位置信息是通過(guò)實(shí)現(xiàn)GMM的特定過(guò)程來(lái)完成的；最后研究和說(shuō)明GMM如何通過(guò)它的狀態(tài)管理來(lái)實(shí)現(xiàn)GMM的過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GMM的功能。

3.1　GMM的過(guò)程

依賴于GMM過(guò)程是如何啟動(dòng)的，把該層的過(guò)程分為兩大類：GMM公共過(guò)程和GMM特定過(guò)程。我們正是通過(guò)執(zhí)行這些過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)GMM層的特定功能。

3.1.1　GMM的公共過(guò)程

當(dāng)建立了GMM上下文環(huán)境時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)發(fā)起并完成以下功能：

1. GPRS加密和鑒權(quán)過(guò)程；

2. P-TMSI分配或重新分配過(guò)程；

3. GPRS識(shí)別過(guò)程；

4. GPRS信息過(guò)程。

GPRS 采用GMM 的公共過(guò)程—— GPRS鑒權(quán)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)GPRS終端的安全。GPRS采用如下的方法：網(wǎng)絡(luò)通過(guò)信令發(fā)來(lái)一個(gè)隨機(jī)數(shù)（RAND），GPRS終端把該隨機(jī)數(shù)送到SIM卡，由SIM卡把鑒權(quán)密鑰（Ki），隨機(jī)數(shù)作為輸入，通過(guò)鑒權(quán)算法得到符號(hào)響應(yīng)（SERS），然后GPRS終端通過(guò)信令把該符號(hào)響應(yīng)送到網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)把GPRS終端送來(lái)的符號(hào)響應(yīng)跟自己采用相同的算法和相同的輸入算出來(lái)的符號(hào)響應(yīng)進(jìn)行比對(duì)，如果相同，則鑒權(quán)成功，否則失敗。這里Ki和IMSI是緊密相聯(lián)的，即一個(gè)IMSI對(duì)應(yīng)一個(gè)Ki，不同的IMSI對(duì)應(yīng)不同的Ki。這里Ki的機(jī)密性保證了用戶的安全。

作為用戶身份標(biāo)識(shí)的IMSI應(yīng)盡量少用，防止非法用戶通過(guò)各種途徑竊聽(tīng)無(wú)線鏈路上的信令交互而得到GPRS終端的IMSI，P-TMSI引入正是基于此目的。

臨時(shí)鏈路邏輯標(biāo)識(shí)（TLLI）和路由區(qū)標(biāo)識(shí)共同作用，可唯一確定GPRS終端，而TLLI正是源自GPRS網(wǎng)絡(luò)的SGSN節(jié)點(diǎn)分配給終端的P-TMSI。P-TMSI的分配由GMM的公共過(guò)程（P-TMSI分配或重新分配過(guò)程）來(lái)完成的。

3.1.2　GMM的特定過(guò)程

1. GPRS去附著過(guò)程（GPRS Detach）；

2. GPRS附著過(guò)程（GPRS Attach）；

3. 當(dāng)存在GMM上下文環(huán)境時(shí)，由GPRS終端發(fā)起的路由區(qū)更新過(guò)程。

通過(guò)GMM的特定過(guò)程的實(shí)現(xiàn)把GPRS終端的位置信息告訴網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)起相應(yīng)的過(guò)程來(lái)更新GPRS終端在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，并且GMM的公共過(guò)程可包含在GMM的特定過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2　GMM的狀態(tài)管理

GMM過(guò)程的實(shí)現(xiàn)必須有序的進(jìn)行，也就是說(shuō)GMM過(guò)程必須得到有效地控制，通過(guò)GMM的狀態(tài)管理可實(shí)現(xiàn)GMM終端過(guò)程和網(wǎng)絡(luò)同步，來(lái)實(shí)現(xiàn)GMM在協(xié)議棧中應(yīng)起的作用。GMM層的狀態(tài)管理是由GMM狀態(tài)、與SIM卡相關(guān)的GPRS更新?tīng)顟B(tài)、MM狀態(tài)三個(gè)有限狀態(tài)機(jī)（FSM）相互配合，相互影響進(jìn)行管理的。例如：當(dāng)由于某個(gè)GMM過(guò)程使GMM層狀態(tài)從已注冊(cè)狀態(tài)切換到GMM去注冊(cè)狀態(tài)的子狀態(tài)限制服務(wù)時(shí)，就要把GPRS更新?tīng)顟B(tài)置為漫游不容許狀態(tài)，同時(shí)把MM狀態(tài)從備用態(tài)（STANDBY）或就緒態(tài)（READY）置為空閑態(tài)（IDLE（GPRS）），這時(shí)GPRS終端不能提供正常的服務(wù)。

3.2.1　GMM的狀態(tài)

GMM狀態(tài)主要分為：

1. GMM空狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端喪失了GPRS能力，GPRS的移動(dòng)性管理功能不可用；

2. GMM去注冊(cè)狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端的GPRS能力可用，但GMM上下文環(huán)境沒(méi)有建立，GPRS終端可通過(guò)發(fā)起GPRS附著過(guò)程來(lái)建立GMM上下文環(huán)境；

3. GMM注冊(cè)已開(kāi)始狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端已發(fā)起GPRS附著過(guò)程，并正在等待網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)答；

4. GMM已注冊(cè)狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GMM上下文環(huán)境已經(jīng)建立完成——也就是說(shuō)GPRS終端發(fā)起的GPRS附著過(guò)程已成功完成，GMM可進(jìn)行任何GMM過(guò)程，并可進(jìn)行激活PDP業(yè)務(wù)等一系列正常操作；

5. GMM去注冊(cè)已開(kāi)始狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端已發(fā)起GPRS去附著過(guò)程，并正在等待網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)答；

6. GMM路由區(qū)更新已開(kāi)始狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端已發(fā)起路由區(qū)更新過(guò)程，并正在等待網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)答。

從以上狀態(tài)的介紹中，我們可以看出GMM狀態(tài)對(duì)GMM過(guò)程的管理，在某種狀態(tài)下，GMM可實(shí)現(xiàn)或正在實(shí)現(xiàn)GMM的某種過(guò)程或某幾種過(guò)程，通過(guò)這些過(guò)程，來(lái)實(shí)現(xiàn)GMM的功能。

3.2.2　GPRS更新?tīng)顟B(tài)

GPRS更新?tīng)顟B(tài)是跟SIM卡緊密相關(guān)的，它存儲(chǔ)在SIM卡的非易失內(nèi)存中，GPRS更新?tīng)顟B(tài)只在GMM執(zhí)行GPRS附著過(guò)程、路由區(qū)更新過(guò)程、GPRS去附著過(guò)程、GPRS鑒權(quán)過(guò)程時(shí)發(fā)生改變。GPRS更新?tīng)顟B(tài)可分為：更新?tīng)顟B(tài)、非更新?tīng)顟B(tài)、漫游不容許狀態(tài)三種狀態(tài)。并且在更新?tīng)顟B(tài)、非更新?tīng)顟B(tài)（路由區(qū)標(biāo)識(shí)（RAI）有效時(shí)）下，路由區(qū)標(biāo)識(shí)、P-TMSI、GPRS密鑰、GPRS密鑰序列數(shù)（CKSN）等，可能都是有效的；在非更新?tīng)顟B(tài)（路由區(qū)標(biāo)識(shí)（RAI）被刪除時(shí)）、漫游不容許狀態(tài)下，上述提到的P-TMSI，GPRS密鑰等都是無(wú)效的，在SIM卡中這些數(shù)據(jù)都被置為刪除狀態(tài)。

路由區(qū)標(biāo)識(shí)、P-TMSI、 GPRS密鑰、GPRS密鑰序列數(shù)等數(shù)據(jù)，在GMM的各種過(guò)程中，都會(huì)或多或少的用到，它們的存在與否會(huì)使GPRS網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行GMM的過(guò)程時(shí)，采取不同的流程。例如：當(dāng)執(zhí)行GPRS附著過(guò)程時(shí)，如果P-TMSI有效存在，則采用P-TMSI作為身份標(biāo)識(shí)；如果P-TMSI無(wú)效時(shí)，則只能采用IMSI作為身份標(biāo)識(shí)，并且GPRS網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行附著過(guò)程時(shí)，對(duì)這兩種情況分別采用了不同的流程。

3.2.3　MM狀態(tài)

MM狀態(tài)分為三種狀態(tài)：空閑態(tài)（IDLE（GPRS））、備用態(tài)（STANDBY）、就緒態(tài)（READY）。當(dāng)GPRS終端執(zhí)行GPRS附著過(guò)程時(shí)， MM狀態(tài)從空閑態(tài)切換到就緒態(tài)；當(dāng)GPRS終端執(zhí)行GPRS去附著過(guò)程時(shí)，MM狀態(tài)從就緒態(tài)切換到空閑態(tài)；
 
　　當(dāng)終端GMM Ready定時(shí)器超時(shí)或終端收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的消息中STANDBY標(biāo)志置為TRUE時(shí)，MM狀態(tài)從就緒態(tài)切換到備用態(tài)；當(dāng)GPRS終端發(fā)送LLC PDU到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，MM狀態(tài)如果此時(shí)處于備用態(tài)，那么就從備用態(tài)切換到就緒態(tài)。當(dāng)MM狀態(tài)處于備用態(tài)時(shí),只有GPRS終端跨路由區(qū)時(shí)，它才通知網(wǎng)絡(luò)，在同一路由區(qū)進(jìn)行小區(qū)切換時(shí)，不需要通知網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)MM狀態(tài)處于就緒態(tài)時(shí),無(wú)論是否在同一路由區(qū)進(jìn)行小區(qū)切換時(shí)，都需要通知網(wǎng)絡(luò)，或由網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)發(fā)起GPRS終端的小區(qū)切換。所以，GPRS終端通過(guò)GMM層的MM狀態(tài)來(lái)控制什么時(shí)機(jī)將用戶的位置信息通知網(wǎng)絡(luò)的功能的實(shí)現(xiàn)。

4　實(shí)際工程應(yīng)用

前文深入地研究了GMM的過(guò)程、狀態(tài)控制，并且通過(guò)GMM過(guò)程實(shí)現(xiàn)了GMM的功能，基于上述內(nèi)容，我們通過(guò)一個(gè)實(shí)際的工程來(lái)說(shuō)明GMM層是如何應(yīng)用到實(shí)際生活當(dāng)中去的。在介紹實(shí)際應(yīng)用之前，首先介紹一下終端的分類。GPRS終端分為A、B、C三類：A類終端是指該終端支持GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)同時(shí)工作；B類終端是指在該終端上GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)不可同時(shí)工作，但可通過(guò)信令使這兩種業(yè)務(wù)交替工作；C類終端是指只支持GPRS業(yè)務(wù)的終端。

南京雙電科技公司開(kāi)發(fā)的GPRS無(wú)線上網(wǎng)卡支持GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)交替工作，具有上網(wǎng)，電話，短消息功能，是GPRS的B類終端。本上網(wǎng)卡從技術(shù)層面上講主要在于突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，在TI C55 DSP硬件平臺(tái)上，完全以我們自主研發(fā)的軟件模塊為核心實(shí)現(xiàn)完整的GSM、GPRS及EDGE終端協(xié)議棧。圖2是雙電公司的GPRS無(wú)線網(wǎng)卡的協(xié)議棧分布圖。

說(shuō)該卡是B類終端，除了在硬件上提供足夠和有效的資源外，在軟件協(xié)議棧上，我們主要是通過(guò)實(shí)現(xiàn)B類終端GMM層所特定的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

主要實(shí)現(xiàn)以下特定過(guò)程：

1. 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在模式I時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)或GPRS終端發(fā)起去附著GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)的過(guò)程，并且釋放GMM上下文環(huán)境；

2. 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在模式I時(shí)，由GPRS終端發(fā)起附著GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)的過(guò)程，并且建立GMM上下文環(huán)境；

3. 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在模式I時(shí)，由GPRS終端發(fā)起聯(lián)合路由區(qū)更新過(guò)程。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)這些特定的過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)GPRS的B類終端所具備的同時(shí)監(jiān)控GPRS和GSM業(yè)務(wù)，并通過(guò)信令實(shí)現(xiàn)二種業(yè)務(wù)的自由切換的功能。

經(jīng)測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證，在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，我公司自主研發(fā)的該款卡的GMM層的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)內(nèi)外同類型產(chǎn)品。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)地研究了GPRS協(xié)議棧中的GMM層協(xié)議，首先深入研究了GMM層中所實(shí)現(xiàn)的功能、過(guò)程、狀態(tài)控制、安全機(jī)制等，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)一個(gè)工程，把對(duì)GMM層的研究應(yīng)用到實(shí)際中去，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響。

作為GPRS信令協(xié)議棧的GMM是在整個(gè)協(xié)議體系中起著非常重要的作用。由于第三代（WCDMA）無(wú)線終端協(xié)議棧L3層和GPRS終端協(xié)議棧L3層非常相似，因而對(duì)GPRS 終端協(xié)議棧GMM層協(xié)議所進(jìn)行的研究和實(shí)現(xiàn)無(wú)論是對(duì)于現(xiàn)在還是將來(lái)，都具有很重要的意義。

由于本網(wǎng)頁(yè)不支持圖片與公式效果，如有需要請(qǐng)參閱雜志。