GPRS關(guān)鍵技術(shù)及展望

劉雪娟　李建東　　西安電子科技大學(xué)
摘要：目前通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）已成為GSM過渡到UMTS的最佳方案。文章在概述GPRS特點(diǎn)和業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，介紹其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議模型、無線接口、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式和路由管理等關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)GPRS技術(shù)的國內(nèi)外狀況，展望其在國內(nèi)的發(fā)展。


關(guān)鍵詞：GPRS　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)　協(xié)議模型　無線接口


　　目前，移動通信領(lǐng)域內(nèi)最令人關(guān)注的問題是如何從2G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到３Ｇ。在２Ｇ網(wǎng)絡(luò)中，９０％以上的業(yè)務(wù)是話音和增值業(yè)務(wù)，３Ｇ網(wǎng)絡(luò)是為多媒本通信設(shè)計的，話音業(yè)務(wù)為其子業(yè)務(wù)，因此２Ｇ與３Ｇ之間存在巨大的差異。在３Ｇ的技術(shù)發(fā)展和市場需求都不很成熟的情況下，考慮到２Ｇ網(wǎng)絡(luò)在全球形成的巨額投資和繼續(xù)保持高速成長的情況，業(yè)界的共識是：通過技術(shù)的平滑過渡來提供業(yè)務(wù)的平滑過渡，而不是以３Ｇ技術(shù)另起爐灶。顯然，基于ＧＳＭ系統(tǒng)提出的GPRS方案，具備技術(shù)上的前后向兼容性、在核心網(wǎng)引入分組交換網(wǎng)，以及在提供部分３Ｇ業(yè)務(wù)的同時培育３Ｇ業(yè)務(wù)市場等諸多優(yōu)點(diǎn)，其標(biāo)準(zhǔn)在２０００年下半年已比較成熟，因此最迎合平滑過渡策略的最佳方案。引入GPRS設(shè)備后，在３Ｇ網(wǎng)絡(luò)（Ｒ９９）到來時，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)核心網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡，而且能實現(xiàn)現(xiàn)有ＧＳＭ與未來ＵＭＴＳ互聯(lián)互通，以保證終端在不同網(wǎng)絡(luò)之間無縫漫游。


　�。薄�GPRS的特點(diǎn)和提供的業(yè)務(wù)


　　與原有ＧＳＭ比較，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢：多個用戶共享一個信道，更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸；按照用戶的需求提供帶寬，無線接口采用寬帶ＣＤＭＡ技術(shù)，大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)164kb/s；計費(fèi)方式更加靈活，支持按數(shù)據(jù)流量進(jìn)行計費(fèi)；支持在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r進(jìn)行話音通話等。它使移動通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合二為一，用戶使用數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)更加便利。GPRS可提供三類交互式業(yè)務(wù)：端到端分組傳輸模式下數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送和接收、點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)兩種方式的承載業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)。一個網(wǎng)絡(luò)具體采取何種類型提供交互式業(yè)務(wù)支持，可視特殊的用戶需求而定，也可分階段提供。


　　2　GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)


　　2.1實現(xiàn)GPRS所需增加的功能模塊


　　在ＧＳＭ數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中完成GPRS業(yè)務(wù)，需要增加一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相應(yīng)的連接，主要包括：（１）在核心網(wǎng)絡(luò)引入分組交換平臺（ＧＳＮ）、GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（ＳＧＳＮ）和GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（ＧＧＳＮ），以及其它一些功能實體，包括域名服務(wù)器（ＤＮＳ）、計費(fèi)網(wǎng)關(guān)（ＣＧ）和邊界網(wǎng)關(guān)（ＢＧ）；（2）GPRS基站系統(tǒng)作相應(yīng)的軟硬件擴(kuò)展，在ＢＳＣ上增加硬件單元（ＰＣＵ），在ＢＴＳ上增加軟件單元（ＣＣＵ）；（3）其它ＨＬＲ、ＶＬＲ、ＭＳＣ、ＳＭＳ－ＧＭＳＣ和ＳＭＳ－ＩＷＭＳＣ等ＧＳＭ系統(tǒng)原有設(shè)備升級，以支持相應(yīng)的GPRS功能；（４）移動臺（ＭＳ）必須是GPRS或GPRS/ＧＳＭ雙模移動臺；（５）其它技術(shù)改進(jìn)：如定位GPRS移動臺的移動管理、新的安全特性和GPRS專用信令。


　　2.2GPRS網(wǎng)絡(luò)中的主要模塊


　　ＧＳＮ是GPRS網(wǎng)絡(luò)中最重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各主要模塊的功能如下：ＳＧＳＮ記錄移動臺的當(dāng)前位置信息，完成移動臺與ＧＧＳＮ之間移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；ＧＧＳＮ主要起網(wǎng)關(guān)作用，把ＧＳＭ網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，傳送到遠(yuǎn)端的ＴＣＰ／ＩＰ或Ｘ．２５網(wǎng)絡(luò)；安裝Ｇｓ接口后，ＭＳＣ／ＶＬＲ可支持與GPRS的聯(lián)合位置更新和聯(lián)合尋呼等功能；ＢＳＳ的功能包括無線端的接入控制、分組數(shù)據(jù)的路由和傳輸，以及無線資源管理。


　　GPRS的ＭＳ按操作模式分為三類：（1）Ａ類，GPRS和ＧＳＭ電路型業(yè)務(wù)可同時工作；（２）Ｂ類，可附著GPRS和ＧＳＭ電路型業(yè)務(wù)上，但兩者不能同時工作；（３）Ｃ類，只能附著在GPRS業(yè)務(wù)上。Ａ、Ｂ類ＭＳ都能進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與話音業(yè)務(wù)的切換，區(qū)別在于：當(dāng)ＭＳ在數(shù)據(jù)傳送期間，用普通ＭＳ撥打GPRS�。停樱�Ａ類Ｍｓ能應(yīng)答呼叫并通話，通話過程中繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)傳送；Ｂ類ＭＳ應(yīng)答后切換至話音業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)被懸置，待話音業(yè)務(wù)結(jié)束后，才可切換回數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。


　�。矴PRS協(xié)議模型


　　GPRS引入的新協(xié)議大多出現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸通路上，數(shù)據(jù)包從外部網(wǎng)絡(luò)傳到ＭＳ要經(jīng)過四個接口：Ｇｉ、Ｇｎ、Ｇｂ和Ｕｍ。


　　3.1Ｇｉ接口（外網(wǎng)與ＧＧＳＮ之間的接口）


　　在該接口上沒有新協(xié)議。ＧＧＳＮ作幀處理后，得到ＩＰ數(shù)據(jù)包，分析該ＩＰ包的目的地址，若恰為本地ＰＤＰ�。悖铮睿簦澹�ｔ所標(biāo)示的某一ＭＳ地址，則把該數(shù)據(jù)包送至Ｇｎ接口的軟件模塊，作進(jìn)一步處理。


　　3.2�。牵罱涌冢ǎ牵牵樱闻cＳＧＳＮ之間的接口）


　　最先對數(shù)據(jù)包作處理的ＧＴＰ協(xié)議，可實現(xiàn)從ＧＧＳＮ到ＳＧＳＮ的虛擬傳輸通路（即隧道）。隧道的優(yōu)點(diǎn)有：（１）當(dāng)ＭＳ由一個ＳＧＳＮ轉(zhuǎn)移到另一個ＳＧＳＮ的控制下，只需改變ＧＴＰ的配置即可，對于被承載的ＩＰ數(shù)據(jù)包來說是透明的；（２）在Ｇｉ與Ｇｎ兩個網(wǎng)絡(luò)之間不存在路由，只有封裝關(guān)系，安全性得到保障。


　�。牵裕袇f(xié)議包由ＴＣＰ或ＵＤＰ承載后，進(jìn)一步封裝成Ｉｐ包，該包的目的地址即為目標(biāo)ＳＧＳＮ的地址。這時傳送的是運(yùn)營商內(nèi)ＩＰ，與此相應(yīng)，封裝在ＧＴＰ協(xié)議內(nèi)部的ＩＰ稱為外網(wǎng)ＩＰ。數(shù)據(jù)到達(dá)ＳＧＳＮ之后，層層解封，最終還原出用戶的ＩＰ數(shù)據(jù)包，交給ＩＰ�。遥澹欤幔�軟件模塊。


　　3.3 Gb接口（ＳＧＳＮ與ＢＳＳ之間的接口）


　�。�1）ＳＮＤＣＰ（ｓｕｂ－ｎｅｔｗｏｒｋ�。洌澹穑澹睿洌澹睿簟。悖铮睿觯澹颍纾澹睿悖濉。穑颍铮簦铮悖铮欤�對ＩＰ數(shù)據(jù)包作同一處理，包括數(shù)據(jù)的分組和打包，確定ＴＣＰ／ＩＰ地址和加密方式，還對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和分段，以節(jié)約空中接口帶寬，適應(yīng)下層ＬＬＣ的最大傳輸單元，ＳＮＤＣＰ數(shù)據(jù)包單元生成后被放置到ＬＬＣ幀內(nèi)；（2）ＬＬＣ（logical link control）協(xié)議負(fù)責(zé)從ＳＧＳＮ到ＭＳ的數(shù)據(jù)傳輸，在ＳＮＤＣＰ數(shù)據(jù)單元上形成ＬＬＣ地址和幀字段，生成完整的ＬＬＣ幀，還可以實現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)的尋址和數(shù)據(jù)幀重發(fā)控制，它以面向連接或無連接的方式服務(wù)于ＳＮＤＣＰ數(shù)據(jù)包（即用戶數(shù)據(jù)）、用戶信令和短消息；（3）ＢＳＳＧＰ（ｂａｓｅ�。螅簦幔簦椋铮睢。螅�ｓｔｅｍ�。牵校遥印。穑颍铮簦铮悖铮欤┦牵樱牵樱魏停拢樱油ㄐ诺淖钌蠈訁f(xié)議，它不但發(fā)送上層的ＬＬＣ數(shù)據(jù)，還傳輸ＳＧＳＮ對ＢＳＳ的控制信息，如對ＭＳ的呼叫等；（4）ＮＳ（ｎｅｔｗｏｒｋ�。螅澹颍觯椋悖澹┨峁┚W(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)。


　　數(shù)據(jù)到達(dá)ＢＳＳ之后，同樣是層層解封，最終得到ＬＬＣ數(shù)據(jù)幀。ＢＳＳ中的ＬＬＲ層是邏輯鏈路傳遞層，對于ＳＮＤＣＰ數(shù)據(jù)單元來說是透明的，即不負(fù)責(zé)處理ＳＮＤＣ數(shù)據(jù)，只是透明轉(zhuǎn)發(fā)。


　　3.4Ｕｍ接口（ＢＳＳ與ＭＳ之間的接口）


　　Ｕｍ接口的物理層為射頻接口部分，物理鏈路層負(fù)責(zé)提供空中的各種邏輯信道�？罩薪涌趥鬏�?shù)臄?shù)據(jù)先經(jīng)ＲＬＣ（radio accesss control）兩個協(xié)議處理，ＲＬＣ把ＬＬＣ數(shù)據(jù)幀拆分成便于空中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，并負(fù)責(zé)空中接口的可靠性保障；ＭＡＣ的作用是定義和分配空中接口的ＧＰＲＳ邏輯信道，即下行傳輸時標(biāo)識當(dāng)前的數(shù)據(jù)塊是給那一個ＭＳ的，上行傳輸時指定當(dāng)前資源由誰使用。加上ＬＬＣ和ＭＡＣ頭之后，與ＧＳＭ系統(tǒng)一樣，數(shù)據(jù)塊被卷積和交織成包含114bit的數(shù)據(jù)流，通過空中接口到達(dá)ＭＳ。ＭＳ作解封之后，還原出ＩＰ數(shù)據(jù)包，ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)承載的功能至此完成。


　　4　GPRS無線接口


　　4.1　新型網(wǎng)絡(luò)接口


　　GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入用于分組業(yè)務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)接口：Ｇｎ、Ｇｂ、Ｇｒ、Ｇｃ、Ｇｉ、Ｇｐ和Ｇｓ。不同的ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)通過Ｇｐ接口相連；通過基于幀中繼的Ｇｂ接口，一個或多個ＢＳＳ被連至ＳＧＳＮ；ＳＧＳＮ通過ＧＳ接口連至ＭＳＣ，通過ＧＮ接口連至ＧＧＳＮ；ＧＧＳＮ通過Ｇｉ接口提供與外部分組交換網(wǎng)絡(luò)的交互工作；ＳＧＳＮ和ＧＧＳＮ均可與ＨＬＲ通信，并各自通過Ｇｒ和Ｇｃ接口獲得路由信息和用戶詳細(xì)資料。


　　4.2邏輯信道


　　GPRS無線信道邏輯上分為業(yè)務(wù)信道和控制信道兩類。業(yè)務(wù)信道即分組數(shù)據(jù)傳送信道；控制信道分為分組公共控制信道、分組廣播控制信道和分組專用信道。


　　分組數(shù)據(jù)傳送信道（PDTCH）用于數(shù)據(jù)傳送，它臨時分配給一個移動臺或一組移動臺。


　　分組公共控制信道（PCCCH）包括四種信道：分組隨機(jī)接入信道（PRACH）用于移動發(fā)送上行數(shù)據(jù)和信令；分組尋呼信道（PPCH）用于下行鏈路，在開始傳送數(shù)據(jù)之前尋呼移動臺；分組接入允許信道（PAGCH）用于分組傳送建立階段，對MS發(fā)送資源分配消息；分組通知信道（PNCH）在開始PTM-M分組傳送前，向一組MS發(fā)送PTM－Ｍ通知。分組廣播控制信道（PBCCH）向小區(qū)內(nèi)所有GPRS終端廣播分組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)信息。分組專用控制信道（PACCH）用于傳送指定MS的資源分配信息和再分配信息，以及允許的PDTCH數(shù)量信息，PACCH與PDTCH共享資源，它們同時分配給一個MS；分組定時控制信道（PTCCH）中PTCCH/U用于傳送隨機(jī)接入突發(fā)，BSS以此為一個MS在分組傳送方式中設(shè)立時間提前，PTCCH/D用于傳送時間提前信息刷新消息給MS。


　　4.2.1邏輯信道與物理信道的映射


　　邏輯信道在無線接口中被映射成相應(yīng)的物理信道，共有三種信道組合方式：PDTCH+PACCH+PTCCH（方式1）、PDTCH+PACCH+PTCCH+PCCCH（方式2）和PDTCH+PACCH+PTCCH+PCCCH+PBCCH（方式3）。當(dāng)GPRS業(yè)務(wù)量不大時，允許GPRS與電路業(yè)務(wù)共用BCCH和CCCH；只有當(dāng)共用PBCCH時才采用方式2；當(dāng)GPRS業(yè)務(wù)量增大時，采用方式3或方式1+方式3。


　　4.2.2信道編碼方式


　　GPRS有CS-1--CS-4四種編碼方式，數(shù)據(jù)速率分別為9.05kb/s、13.4kb/s、15.6kb/s和21.4kb/s，以滿足不同傳輸速率需求，其中CS-3和CS-4的C/I要求比電路型業(yè)務(wù)、CS-1和CS-2更高。在GPRS網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)實時監(jiān)測結(jié)果，動態(tài)地選擇信道編碼方式，以達(dá)到最大的無線吞吐量。不同時隙可選擇不同的信道編碼，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量較好時，可采用較高速的編碼方式，反之采用較低速的編碼方式。


　　由于GPRS允許一個用戶最多可同時獲得8個PDTCH的服務(wù)，因此在理想環(huán)境下，該用戶可以得到最高21.4kb/s×8=171.2kb/s的速率。由于制訂規(guī)范和產(chǎn)品開發(fā)的原因，目前的商用GPRS系統(tǒng)均采用CS-1和CS-2編碼方式，而且在建設(shè)初期，每小區(qū)只提供少量的PDTCH（3-4個），所以提供的速率不會特別高。


　　5　GPRS工作模式


　　GPRS網(wǎng)絡(luò)有三種工作模式：（1）話音業(yè)務(wù)的尋呼信息可通過GPRS尋呼信道或GPRS業(yè)務(wù)信道發(fā)送，MS只監(jiān)視尋呼信道，若MS分配到分組數(shù)據(jù)信道，它就在該信道上接收電路業(yè)務(wù)的尋呼消息；（2）話音業(yè)務(wù)尋呼和GPRS尋呼都使用CCCH尋呼信道，MS只需監(jiān)視CCCＨ尋呼信道；（3）話音業(yè)務(wù)尋呼在CCCH尋呼信道上發(fā)送，而GPRS尋呼在分組數(shù)據(jù)信道或CCCH尋呼信道上發(fā)送，MS需要監(jiān)視CCCH尋呼和分組尋呼兩個信道。


　　6　GPRS路由管理


　　GPRS的路由管理就是MS發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時建立路由和MS處于漫游時建立數(shù)據(jù)路由的過程。當(dāng)移動臺產(chǎn)生一個分組數(shù)據(jù)單元，經(jīng)過SNDC層，處理為SNDC PDU，再經(jīng)過LLC，處理為LLC幀，然后通過空中接口送到GSM網(wǎng)絡(luò)中MS所處的SGSN。SGSN把數(shù)據(jù)送到GGSN,GGSN把收到的消息進(jìn)行解封處理，轉(zhuǎn)換為可在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的格式，最終送至公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的格式，最終送至公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的用戶。公用數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)給移動臺，首先通過數(shù)據(jù)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立數(shù)據(jù)網(wǎng)與GGSN之間的路由，數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶發(fā)出數(shù)據(jù)單元，通過已建立的路由把PDU送至GGSN，GGSN再把PDU送至MS所在的SGSN，GSN將其封裝成SNDC PDU，經(jīng)LLC層處理為LLC幀單元，最后經(jīng)空中接口送至MS。數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)給正在漫游的移動用戶，其數(shù)據(jù)必須經(jīng)過歸屬地的GGSN，然后送到移動用戶。


　　7　國內(nèi)外GPRS的發(fā)展概況與展望


　　目前，全球已有近百家運(yùn)營商開通了GPRS商用系統(tǒng)、試商用系統(tǒng)或?qū)嶒炏到y(tǒng)。僅在歐洲，2000年-2001年間就有40多個GPRS網(wǎng)絡(luò)投入使用。GPRS技術(shù)已開始在全球的GSM網(wǎng)絡(luò)中廣泛部署。國際上有名的電信設(shè)備制造商諾　基亞、西門子、摩托羅拉和愛立信等都在積極開發(fā)GPRS相關(guān)產(chǎn)品，提出一系列解決方案。國外制造商已開發(fā)出Ｂ和Ｃ類終端，Ａ類終端的開發(fā)還在研制中，并已推出相關(guān)的無線和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。2001年6月，GSM聯(lián)合會宣布了一套有關(guān)GPRS系統(tǒng)提供文字及其它多媒體服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)，這是又一重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。


　　在我國，盡管移動市場與數(shù)據(jù)通信市場發(fā)展不平衡，造成中國移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的近期市場尚不明朗，但中國移動通信集團(tuán)還是陸續(xù)開展了移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實驗工作。2001年7月，中國移動開始為全國16個省25個城市挑選出的3000名移動用戶提供GPRS網(wǎng)絡(luò)的試商用服務(wù)。GPRS二期工程同年7月基本完成，預(yù)計覆蓋160個本地網(wǎng)200多個省會城市和大中城市，在77個本地網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)漫游服務(wù)，并擴(kuò)容169萬戶。目前，中國移動正在進(jìn)一步擴(kuò)大試商用用戶范圍，不斷進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和產(chǎn)品改進(jìn)，以期正式推出時能為消費(fèi)者提供成熟的服務(wù)。國內(nèi)電信設(shè)備制造商更是不甘落后，TCL、中興、康佳、東信、廈新和波導(dǎo)等絕大多數(shù)國產(chǎn)手機(jī)定點(diǎn)企業(yè)均宣布已開始研制GPRS手機(jī)。2000年4月，華為GPRS設(shè)備通過相關(guān)測試，2001年4月，中興GPRS全套設(shè)備也通過中國移動聯(lián)合測試小組的測試，標(biāo)志著國產(chǎn)GPRS設(shè)備已具備商用化能力。


　　GPRS在中國市場能否成功，除技術(shù)因素外，很大程度上取決于能否開發(fā)出適合中國市場的應(yīng)用業(yè)務(wù)。GPRS商用分為兩個部分：移動Internet/Intranet和作為WAP業(yè)務(wù)的載體，目前能夠開展的主要是WAP業(yè)務(wù)。通過GPRS手機(jī)上網(wǎng)，可用無線移動方式瀏覽普通的Internet網(wǎng)頁，比用普通電腦上網(wǎng)更方便、更快捷；與基于GSM網(wǎng)絡(luò)的WAP相比，不僅上網(wǎng)內(nèi)容豐富，而且速度上也快得多，使WAP有更大的發(fā)揮空間；按流量收費(fèi)更容易被用戶接受。我國的運(yùn)營者是否能充分發(fā)揮GPRS的優(yōu)勢，提供更多更好的業(yè)務(wù)，這將是GPRS是否能成功的關(guān)鍵�？傊�，具備超過100kb/s分組傳輸能力的GPRS技術(shù)是GSM向3G移動通信系統(tǒng)平滑過渡的一個重要環(huán)節(jié)，在3G移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)之前，它將是移動通信信息服務(wù)的主要解決方案。


摘自《電信快報》2002.4