通往3G的捷徑----GPRS技術(shù)

　　王海濤　鄭少仁
　　摘要：目前移動通信技術(shù)正處于一個變革的時代，ＧＰＲＳ是這個轉(zhuǎn)變過程中至關(guān)重要的一步，它是在ＧＳＭ網(wǎng)基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)分組交換和傳送技術(shù)革新。介紹ＧＰＲＳ技術(shù)革新的特點和優(yōu)勢，說明ＧＰＲＳ的性能和體系結(jié)構(gòu)，給出ＧＰＲＳ的應(yīng)用指出它存在的問題。


　　關(guān)鍵詞：GPRS技術(shù) 通用分組無線業(yè)務(wù) 全球移動系統(tǒng)；第三代移動通信；無線應(yīng)用協(xié)議


　　1引言


　　傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)僅能9.6Kbit/s速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，這遠遠不能滿足用戶對高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù)）是構(gòu)架在傳統(tǒng)ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)之上的一種標準化的分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它可以提供高達115kbit/s速率的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從而使得包括圖片、話音和視頻的多媒體業(yè)務(wù)在無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸成為現(xiàn)實。GPRS采用分組交換技術(shù)、在通信的過程中不需要建立和保持電路，符合數(shù)據(jù)通信突發(fā)性的特點，并且呼叫建立時間很短。GPRS不再根據(jù)用戶實際的數(shù)據(jù)流量來計費，這樣就允許用戶始終在線，享受方便快捷的服務(wù)。因此，GPRS被認為是第二代移動通信系統(tǒng)向第三代移動通信演進的重要一步。


　　2GPRS的優(yōu)勢


　　GPRS系統(tǒng)利用現(xiàn)有的GSM體系結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)分組，只需要進行很少的硬件和軟件升級。一個GPRS終端用戶可以同時占用8個無線信道，多個GPRS終端用戶可以共享一個無線信道，無線部分可按需分配話音和分組信道，從而可以再為有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。GPRS采用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，理想情況下，GPRS網(wǎng)絡(luò)中傳送一個最小的分組的時延約為100ms。并且由于GPRS網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建在GSM網(wǎng)絡(luò)之上的，所以可以吸引大量的用戶群。


　　2.1GPRS為GSM服務(wù)提供者帶來的好處


　�。�1）向第三代移動通信系統(tǒng)平穩(wěn)過渡。


　�。�2）在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)中增加分組交換結(jié)點，達到分組交換業(yè)務(wù)快速覆蓋的目的。


　�。�3）底層基于TCP/IP協(xié)議，可與Internet無縫連接。


　�。�4）能夠在分組交換業(yè)務(wù)和電路交換業(yè)務(wù)間動態(tài)地分配無線信道。


　　（5）作為一種為多種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供服務(wù)的承載業(yè)務(wù)，可以方便有效地提供短消息、WAP等業(yè)務(wù)。


　　2.2　GPRS為服務(wù)使用者帶來的好處


　�。�1）隨時隨地接入Internet或Intranet。


　�。�2）終端用戶可永遠在線，無需撥號上網(wǎng)。


　�。�3）向用戶提供更高的接入速率和更短的接入時間。


　�。�4）可提供按時間、流量、內(nèi)容等更加靈活的計費方式。


　　3　GPRS網(wǎng)絡(luò)的性能


　　表1　GPRS、Modem、和LAN通信的比較


　　　　　　　　GPRS　　　　Modem　　　　LAN


　Bandwidth　　115kbit/s　　50kbit/s　　10Mbit/s


　Delay(ms)　　100　　　　　100　　　　　1







　　表2　GPRS、Modem和LAN的典型性能


　　　　　　　　GPRS　　　　Modem　　　　LAN


　Bandwidth　　50kbit/s　　30kbit/s　　8Mbit/s


　Delay(ms)　　200　　　　　150　　　　　5






　　表1給出了理想狀態(tài)下GPRS、Modem和LAN的通信性能。表2的各項性能參數(shù)是從大量的模擬測試中得出的結(jié)果。比較而言，在實際應(yīng)用當中，LAN的性能通常接近于它的理想狀態(tài)，而由于GPRS的性能受許多環(huán)境因素的影響，例如小區(qū)的用戶數(shù)，應(yīng)用的類型以及可用的網(wǎng)絡(luò)資源等，所以GPRS的性能很難達到理想的情況。


　　4　GPRS的體系結(jié)構(gòu)


　　GPRS網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)中引入了3個新的組件：PCU（Packet Control Unit：分組控制單元），SGSN（Serving GPRS Support Node：GPRS服務(wù)支持節(jié)點）和GGSN（Gateway GPRS Support Node：GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）。SGSN和GGSN相當于移動數(shù)據(jù)路由器，它們既可以被組合在同一個物理結(jié)點中，也可以處在不同的物理結(jié)點中，兩者之間通過一個IP骨干網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。GSM和GPRS能夠復(fù)用和相同的傳輸鏈路，例如BTS（Base Transceiver Station：基站收發(fā)器）和BSC（Base Station Controller：級站控制器）之間的鏈路。SGSN主要完成分組的路由尋址和轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)用戶所處的位置不同，由相應(yīng)服務(wù)區(qū)內(nèi)的SGSN完成用戶的服務(wù)請求。通過BTS，SGSN將業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)到MS（Mobile Station）。SGSN還有以下的功能：


　　（1）身份驗證，加密和差錯校驗；


　　（2）負責(zé)管理GSM的移動性和到MS的邏輯鏈路；


　　（3）分組的路由尋址和轉(zhuǎn)發(fā)；


　　（4）進行數(shù)據(jù)計費（Charging data）；


　　（5）連接HLR（Home Location Register：歸屬位置寄存器）、MSC（Mobile Switching Center：移動交換中心）和BSC。


　　GGSN是GSM網(wǎng)絡(luò)和外部公共數(shù)據(jù)網(wǎng)（如Inernet和X.25網(wǎng)絡(luò)）之間的網(wǎng)關(guān)，GPRS協(xié)議在MS與GGSN之間建立一條基于IP協(xié)議的邏輯鏈路。GGSN完成不同網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)格式、信令協(xié)議和地址信息的轉(zhuǎn)換，以確保不同網(wǎng)絡(luò)之間能夠通信。所有GPRS網(wǎng)絡(luò)用戶的IP地址都存儲在GGSN當中，路由計算與更新同樣由GGSN來完成。GPRS在MSC與SGSN之間提供了一個接口，用來協(xié)調(diào)同時具有電路交換與分組交換能力的終端的信令。HLR包含GPRS的預(yù)約數(shù)據(jù)與路由信息，同時HLR將每個用戶映射到一個或多個GGSN，從SGSN可以訪問HLR。需要注意的是，對于漫游的終端，HLR可能處于與其當前所處SGSN不同的PLMN（Public land Mobile Network：公共陸地移動網(wǎng)）之中。


　　BSC增加了一個新的功能模塊：一個分組控制單元，用來控制分組信道。另外，BSC還有GPRS移動管理和GPRS尋呼的功能，同時也增加了與SGSN的業(yè)務(wù)和信令接口。GPRS可以使用相同的物理信道群為話音業(yè)務(wù)服務(wù)，這樣在一個小區(qū)內(nèi)便同時存在著GPRS信道和電路交換信道，其中一個電路交換信道分配給一個用戶，而一個GPRS信道可以被多個用戶共享。


　　5　GPRS的終端


　　GPRS中主要定義了如下3類終端：


　�。�1）A類終端能夠同時處理電路交換和分組交換業(yè)務(wù)，并且兩種業(yè)務(wù)相互獨立。


　　（2）B類終端在某一時刻只能處理電路交換或分組交換業(yè)務(wù)當中的一種，但是具備在兩種模式間自動切換的能力。當一個基于電路交換的呼叫到達時，B類終端能夠暫停對分組數(shù)據(jù)的處理，而后再恢復(fù)處理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。


　�。�3）C類終端必須被人工設(shè)置為電路交換模式或分組交換模式，當它處于電路交換模式時，無法接收分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，反之亦然，還包括如下一些終端：


　　1）運行支持TCP/IP協(xié)議的操作系統(tǒng)的膝上電腦和掌上電腦。


　　2）基于WAP協(xié)議（無線應(yīng)用協(xié)議），并且具有微瀏覽器的蜂窩電話。


　　3）與一個中心系統(tǒng)通信的專用設(shè)備，比如自動售票機，天氣觀測站，交通監(jiān)視系統(tǒng)等；


　　4）出租車公司或運輸公司的嵌入式支持系統(tǒng)。


　　6　GPRS應(yīng)用


　　GPRS有許多應(yīng)用，總體上可以將它們分為水平應(yīng)和垂直應(yīng)用。垂直應(yīng)用是為了滿足用戶特殊的商業(yè)需要，水平應(yīng)肜則是普通的應(yīng)用。垂直應(yīng)用與水平應(yīng)用有著不同的市場驅(qū)動力。


　　水平應(yīng)用主要是移動Internet和Intranet的訪問。Intranet的發(fā)展非�？欤�目前許多公司內(nèi)部的通信越來越多地依賴于Intranet。許多大公司已經(jīng)安裝了內(nèi)部的WEB服務(wù)器，或者正地考慮建立一個這樣的服務(wù)器。最常見的Intranet應(yīng)用包括：訪問公司的電子郵件、共享的文檔和數(shù)據(jù)；進行售后服務(wù)和客戶支持；實施多媒體的雇員培訓(xùn)；發(fā)布公司新聞、價格清單和訂貨信息等。


　　垂直應(yīng)用主要是面向一個公司或一個特殊的用戶群，GPRS給垂直應(yīng)用的開發(fā)帶來了巨大的機遇。垂直應(yīng)用包括：售貨機、彩票機和自動售票機；動態(tài)交通管理，動態(tài)交通信號管理；警力調(diào)度；醫(yī)療急診；報警和監(jiān)控系統(tǒng)；遙測技術(shù)；工業(yè)過程測量；金融、股票信息服務(wù)等。垂直應(yīng)用的投資所產(chǎn)生的效益很明顯，并能能夠顯著提高生產(chǎn)效率；水平應(yīng)用雖然擁有巨大的用戶群，但投資效益不明顯。


　　在我國，1999年11月第一個GPRS/WAP實驗網(wǎng)在杭州宣告成立。目前，該網(wǎng)已正式投入商業(yè)試運行。通過該網(wǎng)，手機、手提電腦、掌上電腦等終端設(shè)備可以訪問浙江移動內(nèi)部網(wǎng)、因特網(wǎng)、收發(fā)E-mail、進行網(wǎng)上交易、傳送文件等，真正實現(xiàn)了端到端的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而且該試驗網(wǎng)已和WAP網(wǎng)關(guān)相通，可通過GPRS技術(shù)用支持WAP的手機瀏覽浙江移動內(nèi)部服務(wù)器上的WAP主頁。GPRS試驗為GPRS網(wǎng)絡(luò)的全面商用打下了良好的基礎(chǔ)，并為GSM網(wǎng)絡(luò)向3G過渡創(chuàng)造了有利的條件。


　　7　GPRS存在的問題及其對策


　　在GPRS系統(tǒng)中，通信帶寬是一種寶貴的資源，因此應(yīng)盡量減少應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間的通信業(yè)務(wù)量。為了有效利用GPRS的通信信道，可以采取如下的措施。


　�。�1）盡量減少業(yè)務(wù)很小的會話：GPRS的時延較長，有時可達500ms，所以請求/應(yīng)答的次數(shù)應(yīng)盡可能少。例如，裝入一頁包含10幅小圖像的主頁，僅僅是等待服務(wù)器的響應(yīng)應(yīng)可能浪費5s。一種解決方法是將多少個少量數(shù)據(jù)包封裝到一個分組中并一次發(fā)送給客戶端。


　�。�2）數(shù)據(jù)壓縮：數(shù)據(jù)壓縮可以顯著提高帶寬的利用率。壓縮率與數(shù)據(jù)的類型有關(guān)，例如，純英文文本可以被壓縮到原來大小的20％。但是數(shù)據(jù)壓縮要求發(fā)送者必須壓縮數(shù)據(jù)，接收者必須解壓數(shù)據(jù)，這對移動終端來說也許是一個難題，因為移動終端的處理能力有限，存儲容量也有限。


　�。�3）在本地緩存常用的信息：在本地高速緩存中存儲信息是一種非常有效的減少響應(yīng)時間的做法，但是需要采取一些方法來保證信息及時的得到更新。目前很多瀏覽器都已使用這種技術(shù)，一些服務(wù)器將其數(shù)據(jù)庫的一個備份存儲在本地，當服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫被修改后它也能自動地更新，這對GPRS來說非常理想，因為GPRS應(yīng)用的一個客戶端總是處于在線狀態(tài)。


　　（4）使用代理服務(wù)器：GPRS協(xié)議要求客戶端與服務(wù)器之間進行大量的通信，如果使用代理服務(wù)器，那么這種情況能夠得到明顯的緩解。在代理服務(wù)器的方式下，主要的處理過程在代理服務(wù)器與服務(wù)器之間完成，而不象以前是在服務(wù)器與移動臺之間完成。一旦處理結(jié)束，操作結(jié)果被返回給移動臺。這極大地減少了客戶端與服務(wù)器之間的通信量，由此也節(jié)約了寶貴的無線資源。同時通過代理服務(wù)器能夠完全地訪問公共資源。但是需要注意的是，代理服務(wù)器運行在局域網(wǎng)上，使用的局域網(wǎng)協(xié)議可能不支持GPRS連接。


　�。�5）后臺處理（多線程）：采用后臺處理的方法能夠使用戶并行處理數(shù)據(jù)和開展業(yè)務(wù)。例如，用戶在發(fā)電子郵件的同時，還可以發(fā)送其他信息。


　�。�6）重視應(yīng)用程序的總體設(shè)計：如果設(shè)計應(yīng)用程序時考慮到了GPRS的一些特性，那么GPRS通信中的缺點就可以減少，設(shè)計時考慮的主要因素是通信的時延、帶寬和中斷率。


　　8　結(jié)束語


　　移動通信與Internet的飛速發(fā)展及相互融合，預(yù)示著3Ｇ時代的即將來臨。GPRS使無線高速接入Internet的理想變成現(xiàn)實，移動用戶從而可以享受到Internet的服務(wù)。作為一種基于IP的技術(shù)，GPRS將分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)引入了GSM網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)運營商和用戶都帶來了巨大的好擤。相對于3G而言，GPRS方案是對現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的升級，極大地保護了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的投資。GPRS能夠充分利用無線資源并且可以實施靈活的收費方式，也為GPRS的商業(yè)應(yīng)用奠定了更為堅實的基礎(chǔ)。此外，移動數(shù)據(jù)在中國的發(fā)展具有特殊的意義，因為中國移動終端用戶數(shù)量遠大于計算機用戶數(shù)量，可以預(yù)見GPRS在中國的發(fā)展有著美好的前景。


摘自《廣東通信技術(shù)》2001.10