GSM高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS

GSM高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS（張強）
摘  要   本文介紹GSM移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的進(jìn)展，著重討論GPRS的系統(tǒng)組成，GPRS技術(shù)的空
中接口，以及網(wǎng)絡(luò)工作原理和業(yè)務(wù)類型及特點
關(guān)鍵詞   GSM  GPRS  協(xié)議結(jié)構(gòu)  資源管理
    GSM標(biāo)準(zhǔn)自1992年投入商用以來，得到不斷驗證和發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展到phase2十階段，
這一階段的核心問題就是高速移動數(shù)據(jù)通信。近年來越來越多的GSM網(wǎng)絡(luò)運營商引入移動
數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不僅使GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線互連網(wǎng)功能，而且積累了無線多媒體業(yè)務(wù)運營經(jīng)驗，
為向第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)的過渡作好準(zhǔn)備。在當(dāng)前GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提供第三代業(yè)務(wù)，并
將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)最終過渡到第三代的途徑是：通過高速電路交換數(shù)據(jù)（HSCSD）業(yè)務(wù)和通用分
組無線業(yè)務(wù)（GPRS）提供除實時圖像業(yè)務(wù)以外的其它第三代業(yè)務(wù)，還可演進(jìn)到增強型數(shù)
據(jù)速率GSM系統(tǒng)（EDGE），最終與第三代系統(tǒng)接軌。GPRS的出現(xiàn)為GSM運營商提供了開展
高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的機會，運營商可以通過在現(xiàn)有的 GSM網(wǎng)絡(luò)中增加 GPRS支持接點GSN，
同時開展GSM和GPRS業(yè)務(wù)，實現(xiàn)部分第三代的業(yè)務(wù)，也為向UMTS平滑過渡作準(zhǔn)備。
1 GSM的電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和分組型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)
    GSM系統(tǒng)一開始就是從數(shù)字化的角度進(jìn)行設(shè)計的，若提供電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，則只要進(jìn)
行版本升級，不用進(jìn)行大的網(wǎng)絡(luò)重新規(guī)劃。在GSM的第一階段即提出了電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的
實現(xiàn)方式，為了適應(yīng)種類繁多的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GSM網(wǎng)絡(luò)兩端分別設(shè)置了兩個功能單元TAF和
IWF，使得無論開展何種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在GSM網(wǎng)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的方式是一致的。由于受到無線
接口的單個業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)傳送速率最高不能超過12kbit／s的限制，與其它網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信
速率最高為9.6kbit／s。為了提高數(shù)據(jù)速率， ETSI于1997年2月批準(zhǔn)了HSCSD技術(shù)，采用
一種新的信道編碼方案，通過截短校驗比特將時隙比特率從9.6kbit／s增加到
14.4kbit／s。HSCSD還能使多個時隙結(jié)合在一起，從而使比特率最高達(dá)到57.6kbit／s，
等效于一條無線ISDN線路。GPRS是GSM提供的分組交換和分組傳輸方式的新的承載業(yè)務(wù)，
可以應(yīng)用在PLMN內(nèi)部或應(yīng)用在GPRS網(wǎng)與外部互聯(lián)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（IP，X.25）之間的分組數(shù)
據(jù)傳輸，能提供到現(xiàn)有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的無縫連接。使用GPRS時，數(shù)據(jù)封裝進(jìn)每個分組并在網(wǎng)
上發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)容量僅在需要時分配，提供了即時連接和高通過率。GPRS提供了非常靈活
的比特率，從小于100bit／s到大于171.2kbit／s，因此能處理從低速短消息到別覽復(fù)
雜網(wǎng)站所需的高速傳輸。少于1時隙的各種應(yīng)用可從GPRS的功能中得到好處，可使幾個用
戶共享一個時隙。GPRS允許用戶在收發(fā)數(shù)據(jù)資料的同時接收電話。由于基于TCO／IP協(xié)議，
GPRS可提供與因特網(wǎng)更有效的連接。
2 GPRS系統(tǒng)綜述
    GSM是專為電路交換型的傳輸而設(shè)計的，現(xiàn)有GSM網(wǎng)不足以提供支持分組數(shù)據(jù)路由的
功能。作為一種分組技術(shù)，GPRS具有如下優(yōu)勢：采用多時隙技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)
115kbit／S；小區(qū)內(nèi)所有GPRS用戶可以共享相同的頻譜資源，有效利用有限的頻譜資源。
引入GPRS技術(shù)時需要添加新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體GSN（GPRS支持節(jié)點）和PCU（分組控制單元）
，并對HLR、BSC、BTS進(jìn)行升級。其中GSN包括SGSN（GPRS服務(wù)支持接點）和GGSN（GPRS
網(wǎng)關(guān)支持接點）。
    SGSN和GGSN是支持無線連接的路由器，SGSN和GGSN的功能可以集成在同一物理節(jié)點
，也可以分別位于不同的物理節(jié)點。SGSN為它區(qū)域內(nèi)的所有GPRS用戶提供分組數(shù)據(jù)路由
和轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)從SGSN路由到BSC，再通過BTS到達(dá)移動臺，或按此路徑反向傳輸。BSC中
增加了控制分組信道的PCU，處理 BSC與SGSN之間的新型業(yè)務(wù)及信令接口。BTS實行新型
協(xié)議，支持空中接口中的分組數(shù)據(jù)，并分配時隙和信道等資源�，F(xiàn)有GSM業(yè)務(wù)和GPRS之
間存在著一些通用信令，在物理層資源可以重復(fù)使用。協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU在源GSN被封裝
，由目的GSN拆包，在GSN之間，GPRS骨干網(wǎng)采用IP協(xié)議來傳送PDU，這個過程稱為隧道
（Tunneling）進(jìn)程。GGSN將SGSN連接到外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或其它的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有移動管
理和接人服務(wù)器的功能。GGSN是GPRS網(wǎng)與外部PDN的邏輯接口，它負(fù)責(zé)將PDU通過隧道進(jìn)
程傳送到為MS服務(wù)的當(dāng)前SGSN。GGSN還包括PTM業(yè)務(wù)中心（PTM-SC）處理PTM業(yè)務(wù)的功能
。將GSM SMS-MSC與SGSN相連，還可以通過GPRS網(wǎng)交換短消息。
3 GPRS的空中接口協(xié)議
3.1  無線接口的分層結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流的封裝
    GPRS無線接口被構(gòu)造成一些特殊功能的邏輯分層。
    物理層分為兩個子層Physical RF Layer和Physical Link Layer。Physical RF 
Layer的作用是對來自Physical Link Layer的數(shù)據(jù)進(jìn)行物理波形的調(diào)制和將無線接口上
的物理波形進(jìn)行解調(diào)。Physi-cal Link Layer的作用是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單元編碼、數(shù)據(jù)澤碼
、探測和糾正在物理媒質(zhì)中的傳送錯誤。鏈路層（RLC／MAC Layer）的功能包括MAC子
層提供多移動臺共事物理信道、移動臺的同時呼叫沖突解決、單一移動臺并行使用多物
理信道的功能。RLC子層提供對差錯數(shù)據(jù)塊進(jìn)行選擇重發(fā)后向糾錯、將LLC-PDU數(shù)據(jù)分割
和裝配進(jìn)入RLC的功能。網(wǎng)絡(luò)層（SNDCP／LLC Layer）的功能包括提供 MS和SGSN的可靠
邏輯信道連接，支持層層數(shù)據(jù)傳輸，支持不同長度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的傳輸，支持確認(rèn)和非確認(rèn)
的數(shù)據(jù)傳輸，保證用戶身份的保密性。
    數(shù)據(jù)流的封裝過程為：來自網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（N－PDU或分組）使用LLC協(xié)議經(jīng)
空中接口在MS與SGSN之間傳送。首先，由SNDCP將分組裝入LLC幀中。這個過程包括：選
擇字頭／數(shù)據(jù)壓縮，分段，加密。LLC 1幀的最大用戶數(shù)據(jù)量為1600字節(jié)。然后LLC幀被
分為幾個RLC數(shù)據(jù)塊，分別適配到物理層。每個數(shù)據(jù)塊由連續(xù) TDMA幀中的4個普通突發(fā)構(gòu)
成。
3.2  分組數(shù)據(jù)邏輯信道
    分組公共控制信道（PCCCH）包括以下四種信道。分組隨機接入信道（PRACH）被用
于移動臺發(fā)送上行數(shù)據(jù)和信令。移動臺在這個信道上發(fā)送的接入突發(fā)具有較長的保護(hù)時
間。分組尋呼信道（PPCH）被用于下行鏈路，在開始傳送數(shù)據(jù)之前尋呼移動臺，它既可
用于分組交換數(shù)據(jù)服務(wù)也可用于電路交換數(shù)據(jù)服務(wù)。分組接入允許信道（PAGCH）是用于
分組傳送建立階段，在開始傳送分組數(shù)據(jù)之前，對MS發(fā)送資源分配消息。分組通知信道
（PNCH）被用于下行鏈路，在開始PTM-M分組傳送之前，向一組MS發(fā)送PTM-M通知。該通
知有用于分組傳送的資源分配格式。
    分組廣播控制信道（PBCCH）。PBCCH向小區(qū)內(nèi)所有GPRS終端廣播分組數(shù)據(jù)詳細(xì)的系
統(tǒng)信息。如果小區(qū)內(nèi)沒有分配PBCCH，分組數(shù)據(jù)詳細(xì)的系統(tǒng)信息在BCCH上廣播。
    分組傳送信道（PTCH）。分組數(shù)據(jù)傳送信道PDTCH用于數(shù)據(jù)的傳送。它臨時地分配給
一個移動臺或一組移動臺。在PTM方式時在多時隙操作中一個移動臺可以并行使用多個
PDTCH來進(jìn)行分組數(shù)據(jù)傳送。所有的PDTCH都是雙向的。PDTCH／U為移動臺發(fā)起的傳送，
PDTCH／D為移動臺接收的傳送。
    分組專用控制信道（PDCCH）包括以下三種信道。分組伴隨控制信道（PACCH）用于傳
送指定的移動臺的信令信息，如確認(rèn)和功率控制信息。PACCH攜帶資源分配信息和再分配
信息以及允許的PDTCH數(shù)量信息。PACCH和PDTCH共享資源，它們同時分配給一個移動臺，
并且移動臺在進(jìn)行分組數(shù)據(jù)傳送時也能在 PACCH 上被尋呼電路交換服務(wù)。分組定時提前
控制信道（PTCCH），PTCCH／U用于傳送隨機接入突發(fā)，BSS以此為一個移動臺在分組傳送
方式設(shè)立時間提前，PTCCH／D用于傳送時間提前信息刷新消息給移動臺，一個PTCCH／D可
對應(yīng)幾個PTCCH／U。
    以上邏輯信道在無線接口中被映射成相應(yīng)的物理信道。
3.3  無線資源的管理原則
    用于分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的物理信道稱為分組數(shù)據(jù)信道PDCH。一個支持GPRS的小區(qū)可以分配
一個或更多的PDCH用以支持GPRS。這些PDCH來自可供小區(qū)使用的物理信道公共資源，這些
資源包括傳送信道TCH和分組數(shù)據(jù)信道PDCH。電路交換服務(wù)和GPRS的物理信道公共資源的分
配根據(jù)“按需分配容量”原則動態(tài)進(jìn)行。在無線接口上的兩個資源管理概念：“主一從概
念”至少分配一個PDCH作為主信道容納分組公共控制信道PCCCH攜帶發(fā)起分組傳送必要的控
制信令。其它的PDCH作為從信道，傳送用戶數(shù)據(jù)和專用信令�！鞍葱璺峙淙萘俊盙PRS不要
求分配永久的PDCH，因此被分配的公共資源量依靠于實際的分組傳送需求。當(dāng)GPRS的PCCCH
非常擁擠時且小區(qū)中尚有未被TCH占用的資源，網(wǎng)絡(luò)就把一些物理資源信道分配為PDCH。在
一個小區(qū)內(nèi)當(dāng)沒有分配PCCCH時，具有GPRS功能的移動臺留守在CCCH上。MS在CCCH上發(fā)出分
組通道求發(fā)送GPRS分組，網(wǎng)絡(luò)分配資源給PDCH作為上行鏈路，發(fā)送結(jié)束MS回到CCCH上。當(dāng)
分組數(shù)據(jù)傳送需求量增加或小區(qū)中出現(xiàn)足夠可用的物理信道時小區(qū)內(nèi)可分配PCCCH，此時具
有GPRS功能的移動臺留守在PCCCH上。MAC子層完成對PDCH上負(fù)載的監(jiān)測，然后PCCCH可根據(jù)
需要增加或減少小區(qū)內(nèi)分配的PDCH數(shù)目以增加GPRS的QoS。如果出現(xiàn)更高優(yōu)先級的其它業(yè)務(wù)
請求使用資源，將釋放PDCH。如果網(wǎng)絡(luò)釋放PCCCH，MS將返回CCCH。
4 結(jié)論:GPRS具有廣闊的應(yīng)用前景
    GSM網(wǎng)絡(luò)是由ETSI進(jìn)行了多年積累詳細(xì)規(guī)范的結(jié)構(gòu)體系，因此它具有技術(shù)的規(guī)范性和開
放性，更容易使開發(fā)者在對規(guī)范正確理解的基礎(chǔ)上對電路終端業(yè)務(wù)及承載業(yè)務(wù)進(jìn)行開發(fā)。
同時整個系統(tǒng)對IWF和TAF兩個功能群的明確劃分，使各種業(yè)務(wù)的接入方式十分清晰。開發(fā)
者可以在較短的時間內(nèi)開發(fā)出適用的系統(tǒng)完成第三代的部分業(yè)務(wù)。GPRS可滿足多種第三代移
動通信業(yè)務(wù)。目前我國存在著大規(guī)模的GSM網(wǎng)絡(luò)，引進(jìn)GPRS后只需在交換平臺上加一些軟件
就可以實現(xiàn)第三代移動通信初期的業(yè)務(wù)。將來第三代的網(wǎng)絡(luò)也可以通過與GSM網(wǎng)絡(luò)的雙模/雙
頻終端實現(xiàn)全網(wǎng)漫游。
摘自《中國數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)》