基于GSM网的GPRS

一 GPRS系统组成

　　GPRS系统是通过在现有GSM网基础上增加新的功能实体来实现的。将GPRS业务引入到现有的GSM网络，无需对现有的GSM网作很大的改造。GPRS在GSM原有网络的基础上叠加了一层网络，组成GSM/GPRS网络，增加了服务GPRS支持节点(Serving GPRS Support Node，SGSN)、网关GPRS支持节点(Gateway GPRS Support Node，GG SN)、分组控制单元(PCU)、计费网关(CG)、域名服务器(DNS)和边界网关(BG)等实体，同时通过GPRS骨干网实现各实体之间的连接。它可采用类似智能网的方法来实现，为推广GPRS业务带来方便。GPRS的逻辑结构如图1所示。

1. GSN网络节点

　　SGSN和GGSN是实现GPRS业务的核心实体，可统称为GPRS支持节点(GSN)。它是GPRS网络中最重要的网络节点，分布于GPRS骨干网的周围。GSN具有移动路由管理功能，同各种类型的数据网络相连接，并可连到GPRS寄存器。GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。它可以与GSM中的MSC集成在一起，也可是一种类似于路由器的设备。

2. GPRS的相关接口

　　(1)Gb接口是SGSN和BSS中的PCU之间的接口，承载SGSN与BSS间GPRS业务和信令，可以采用基于2.048Mb/s的E1帧中继链路。

　　(2)Gn接口是同一PLMN中GGSN与SGSN之间的接口，它在PLMN内提供数据和信令接口。基于IP骨干网，使用GPRS隧道协议(GTP)。

　　(3)Gp接口是不同PLMN中GGSN与SGSN之间的接口，也基于IP骨干网，提供与Gn相同的功能，同时与BG、防火墙一起完成跨PLMN通信的所有功能，包括安全和路由等。

　　(4)Gs接口是可选接口，它用于SGSN向MSC/VLR发送地址信息，并从MSC/VLR接收寻呼请求，实现分组型业务和非分组型业务的关联。

　　(5)Gc接口也是SGSN与MSC/VLR之间的可选接口，GGSN通过Gc接口可直接从HLR获取位置信息，否则GGSN需通过其他SGSN或GGSN从HLR获取位置信息。

　　(6)Gr是SGSN与HLR之间的接口，它向SGSN提供了接入HLR中用户数据的能力。

　　(7)GGSN通过它与外部数据之间的Gi接口实现GPRS网与外部分组数据网的互联。

　　(8)Gc、Gd、Gf和Gs接口都是2.048Mb/s的E1接口，运行基于SS7协议。

3. GPRS的终端

　　目前，GPRS支持3种类型的移动终端。

　　(1)A类终端(全双模)。同时支持电路(话音)和分组(数据)交换通信，两种业务互相独立，互不影响。A类终端能进行业务切换：PS→CS→PS。其中PS指数据业务，CS指话音业务。

　　(2)B类终端(准双模)。支持电路或分组交换通信，不同时支持两种通信，B类终端在收到一个电路呼叫请求时，可暂时挂起分组业务，之后可自动恢复。B类终端也能进行业务切换：PS→CS→PS。

　　(3)C类终端(单模)。只支持电路或分组交换通信，不能同时接入GPRS和GSM的移动性管理系统。

二 GPRS传输协议和信令平台

1. GPRS传输协议

　　在两个GSN之间， 由GTP通过对协议数据单元(PDU)添加路由信息把PDU送入GPRS骨干网内的隧道进程。GTP以下，可以使用TCP/UDP、IP作为GPRS骨干网络层协议。在IP以下各运营商可以使用不同的协议。GPRS传输协议平面如图2所示。

　　其中GPT(GPRS传输协议)、LLC(逻辑链路控制层)、RLC(无线链路控制层)协议分别构成GPRS网各段的传输模式。

　　GPT协议用于SGSN至GGSN之间的数据传输。所有点对点分组数据协议的PDU用GTP字头封装标识特定用户，并利用其下层的UDP/IP或TCP/IP协议来分别提供无确认或有确认的数据传输。

　　LLC协议用于MS与SGSN之间，提供高速可靠的加密逻辑链路，以进行数据传输。LLC与其下层的无线接口协议是相对独立的，LLC承载信令、SMS和SNDCP包。LLC层有两种传输模式：确认模式和非确认模式。

　　RLC协议用于MS与BSS之间无线接口Um上的数据传输，也可支持确认和非确认两种模式。

2. 信令协议平台

　　GPRS信令协议平台由控制协议以及支持传输协议平台组成。GPRS中主要有MS与SGSN之间、SGSN与HLR之间、SGSN与MSC/VLR之间、GSN之间的信令协议平台。在GPRS中还有其他一些信令，如SGSN与EIR之间的MAP信令、SGSN与SMS和SC之间的MAP信令等。

三 GPRS空中接口协议

　　GPRS的空中接口协议与MS和BSS在物理层、MAC、RLC协议层上的通信一样。RLC/MAC子层允许在共享的分组数据信道(PDCH)上进行高效的多用户复用。PDCH映射到单个时隙上，使用和GSM信道相同的物理信道结构。所有的无线资源都由BSC进行管理。通过分组交换的统计复用，小区中的所有GPRS用户都可以共享已分配的PDCH。小区中的PDCH的数量可以固定不变，也可以根据通信量的需求动态分配。

1. PDCH的逻辑信道

　　PDCH的逻辑信道可以分为业务信道和控制信道两大类。

　　分组数据业务信道(PDTCH)是在分组交换模式下承载用户数据。一个MS可以并行使用一个以上的PDTCH(多时隙工作)来传送单个用户的分组。由于不同的逻辑信道可以复用在一个物理信道上，PDTCH可承载0～21.4kb/s的纯数据速率(包括RLC字头)。

　　控制信道用于承载信令或同步数据。它可分为分组广播控制信道(PBCCH)、分组公共控制信道(PCCCH)和分组专业控制信道。PBCCH用于向小区内所有GPRS终端发送系统信息；PCCCH用于分组数据公共控制信令的逻辑信息；而分组专用信道用于传送随机突发脉冲以估计分组传送模式下的时间提前量，向多个移动台传送定时提前、功率控制、测量等信息。

2. 信道编码

　　为最佳利用信道，GPRS标准定义了4种不同的编码方案，GPRS网可根据数据速率要求和无线传输的质量来动态选择编码类型。承载RLC数据块可采用CS1～CS4不同的编码方式。CS1拥有最高的纠错能力和最低的速率，而CS4没有纠错能力，但可提供最高的速率。GPRS的编码方案如表1所示。

四 GPRS业务及其特点

1. GPRS业务

　　GPRS是针对数据通信特发性的特点而研发的一种新业务。通常GPRS业务分为点对点业务(PTP)和点对多点业务(PTM)。前者可以分为点对点无连接网络业务(PTP-CLNS)和点对点面向连接网络业务(PTP-CONS)。后者提供一对多或多对多业务，分为点对多点多播业务(PTM-M)、点对多点群呼业务(PTM-G)和IP多播业务(IP-M)。

2. GPRS业务特点

　　(1)能以可变的比特率提供数据连接，且具有较高的带宽效率。GPRS提供的速率取决于所采用的编码方案。由于能在一个频率上提供全部8个业务信道，其最大数据吞吐量可高达171kb/s。

　　(2)由于采用了分组交换技术，特别适合于不连续的、突发性的或频繁的、少量数据传送，也适用于偶而的大数据量传送。

　　(3)GPRS用户的呼叫建立时间大为缩短，且任何呼叫只需建立一次。与目前的电路交换相比，GPRS重新接入的延迟很短，提高了网络资源的利用效率。

　　(4)同现有的GSM电路交换相比，GPRS的分组交换大大降低了每比特的成本，其业务的费率更低廉。

　　(5)若费用只按数据传送量支付，GPRS用户可以一直连接在数据网络中(即总是在线)。

　　(6)可以提供灵活的计费方式。如按数据流量、连接时长或月租等方式计费。

　　(7)能够和GSM共存于同一网络中提供语音和数据业务，最大限度地扩展了GSM业务。

五 GPRS的应用

　　GPRS结合了移动通信和分组交换的优点，将信息业最为火爆的IP应用引入到了移动领域，顺应了信息业发展的浪潮。在3G系统成熟之前，作为向3G过渡的主要移动数据通信技术，有广泛的实际应用。

　　(1)实现移动上网。GPRS移动终端可实现诸如收发E-mail、图像发送、www浏览等功能。(2)无线接入。GPRS可以给智能电话、掌上电脑等设备提供高达171kb/s的无线接入速率，而目前最快的无线接入速度只有19.2kb/s。这大大拓宽了无线接入带宽。(3)设备的远端控制和维护。GPRS使得机—机通信和人—机通信成为可能，使得遥控、遥测及设备的远端控制和维护可以借助GPRS网来实现。(4)车辆调度。通过GPRS可以实现交通工具的定位、道路信息的获取，从而有效地调度车辆。(5)GPRS电子支付。随着GPRS网安全保障的不断提高，GPRS电子商务、GPRS电子银行都将会引入到移动通信网中来。(6)基于WAP的应用。通过GPRS可使基于WAP的业务应用的开发变得更加容易，其WAP业务应用可兼容各种GPRS终端。(7)以GPRS承载业务为基础的网络应用。VPN业务通过与企业内部Intranet互通，使用户能无线接入内部局域网，实现移动办公等。

一 GPRS系统组成

　　GPRS系统是通过在现有GSM网基础上增加新的功能实体来实现的。将GPRS业务引入到现有的GSM网络，无需对现有的GSM网作很大的改造。GPRS在GSM原有网络的基础上叠加了一层网络，组成GSM/GPRS网络，增加了服务GPRS支持节点(Serving GPRS Support Node，SGSN)、网关GPRS支持节点(Gateway GPRS Support Node，GG SN)、分组控制单元(PCU)、计费网关(CG)、域名服务器(DNS)和边界网关(BG)等实体，同时通过GPRS骨干网实现各实体之间的连接。它可采用类似智能网的方法来实现，为推广GPRS业务带来方便。GPRS的逻辑结构如图1所示。

1. GSN网络节点

　　SGSN和GGSN是实现GPRS业务的核心实体，可统称为GPRS支持节点(GSN)。它是GPRS网络中最重要的网络节点，分布于GPRS骨干网的周围。GSN具有移动路由管理功能，同各种类型的数据网络相连接，并可连到GPRS寄存器。GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。它可以与GSM中的MSC集成在一起，也可是一种类似于路由器的设备。

2. GPRS的相关接口

　　(1)Gb接口是SGSN和BSS中的PCU之间的接口，承载SGSN与BSS间GPRS业务和信令，可以采用基于2.048Mb/s的E1帧中继链路。

　　(2)Gn接口是同一PLMN中GGSN与SGSN之间的接口，它在PLMN内提供数据和信令接口。基于IP骨干网，使用GPRS隧道协议(GTP)。

　　(3)Gp接口是不同PLMN中GGSN与SGSN之间的接口，也基于IP骨干网，提供与Gn相同的功能，同时与BG、防火墙一起完成跨PLMN通信的所有功能，包括安全和路由等。

　　(4)Gs接口是可选接口，它用于SGSN向MSC/VLR发送地址信息，并从MSC/VLR接收寻呼请求，实现分组型业务和非分组型业务的关联。

　　(5)Gc接口也是SGSN与MSC/VLR之间的可选接口，GGSN通过Gc接口可直接从HLR获取位置信息，否则GGSN需通过其他SGSN或GGSN从HLR获取位置信息。

　　(6)Gr是SGSN与HLR之间的接口，它向SGSN提供了接入HLR中用户数据的能力。

　　(7)GGSN通过它与外部数据之间的Gi接口实现GPRS网与外部分组数据网的互联。

　　(8)Gc、Gd、Gf和Gs接口都是2.048Mb/s的E1接口，运行基于SS7协议。

3. GPRS的终端

　　目前，GPRS支持3种类型的移动终端。

　　(1)A类终端(全双模)。同时支持电路(话音)和分组(数据)交换通信，两种业务互相独立，互不影响。A类终端能进行业务切换：PS→CS→PS。其中PS指数据业务，CS指话音业务。

　　(2)B类终端(准双模)。支持电路或分组交换通信，不同时支持两种通信，B类终端在收到一个电路呼叫请求时，可暂时挂起分组业务，之后可自动恢复。B类终端也能进行业务切换：PS→CS→PS。

　　(3)C类终端(单模)。只支持电路或分组交换通信，不能同时接入GPRS和GSM的移动性管理系统。

二 GPRS传输协议和信令平台

1. GPRS传输协议

　　在两个GSN之间， 由GTP通过对协议数据单元(PDU)添加路由信息把PDU送入GPRS骨干网内的隧道进程。GTP以下，可以使用TCP/UDP、IP作为GPRS骨干网络层协议。在IP以下各运营商可以使用不同的协议。GPRS传输协议平面如图2所示。

　　其中GPT(GPRS传输协议)、LLC(逻辑链路控制层)、RLC(无线链路控制层)协议分别构成GPRS网各段的传输模式。

　　GPT协议用于SGSN至GGSN之间的数据传输。所有点对点分组数据协议的PDU用GTP字头封装标识特定用户，并利用其下层的UDP/IP或TCP/IP协议来分别提供无确认或有确认的数据传输。

　　LLC协议用于MS与SGSN之间，提供高速可靠的加密逻辑链路，以进行数据传输。LLC与其下层的无线接口协议是相对独立的，LLC承载信令、SMS和SNDCP包。LLC层有两种传输模式：确认模式和非确认模式。

　　RLC协议用于MS与BSS之间无线接口Um上的数据传输，也可支持确认和非确认两种模式。

2. 信令协议平台

　　GPRS信令协议平台由控制协议以及支持传输协议平台组成。GPRS中主要有MS与SGSN之间、SGSN与HLR之间、SGSN与MSC/VLR之间、GSN之间的信令协议平台。在GPRS中还有其他一些信令，如SGSN与EIR之间的MAP信令、SGSN与SMS和SC之间的MAP信令等。

三 GPRS空中接口协议

　　GPRS的空中接口协议与MS和BSS在物理层、MAC、RLC协议层上的通信一样。RLC/MAC子层允许在共享的分组数据信道(PDCH)上进行高效的多用户复用。PDCH映射到单个时隙上，使用和GSM信道相同的物理信道结构。所有的无线资源都由BSC进行管理。通过分组交换的统计复用，小区中的所有GPRS用户都可以共享已分配的PDCH。小区中的PDCH的数量可以固定不变，也可以根据通信量的需求动态分配。

1. PDCH的逻辑信道

　　PDCH的逻辑信道可以分为业务信道和控制信道两大类。

　　分组数据业务信道(PDTCH)是在分组交换模式下承载用户数据。一个MS可以并行使用一个以上的PDTCH(多时隙工作)来传送单个用户的分组。由于不同的逻辑信道可以复用在一个物理信道上，PDTCH可承载0～21.4kb/s的纯数据速率(包括RLC字头)。

　　控制信道用于承载信令或同步数据。它可分为分组广播控制信道(PBCCH)、分组公共控制信道(PCCCH)和分组专业控制信道。PBCCH用于向小区内所有GPRS终端发送系统信息；PCCCH用于分组数据公共控制信令的逻辑信息；而分组专用信道用于传送随机突发脉冲以估计分组传送模式下的时间提前量，向多个移动台传送定时提前、功率控制、测量等信息。

2. 信道编码

　　为最佳利用信道，GPRS标准定义了4种不同的编码方案，GPRS网可根据数据速率要求和无线传输的质量来动态选择编码类型。承载RLC数据块可采用CS1～CS4不同的编码方式。CS1拥有最高的纠错能力和最低的速率，而CS4没有纠错能力，但可提供最高的速率。GPRS的编码方案如表1所示。

四 GPRS业务及其特点

1. GPRS业务

　　GPRS是针对数据通信特发性的特点而研发的一种新业务。通常GPRS业务分为点对点业务(PTP)和点对多点业务(PTM)。前者可以分为点对点无连接网络业务(PTP-CLNS)和点对点面向连接网络业务(PTP-CONS)。后者提供一对多或多对多业务，分为点对多点多播业务(PTM-M)、点对多点群呼业务(PTM-G)和IP多播业务(IP-M)。

2. GPRS业务特点

　　(1)能以可变的比特率提供数据连接，且具有较高的带宽效率。GPRS提供的速率取决于所采用的编码方案。由于能在一个频率上提供全部8个业务信道，其最大数据吞吐量可高达171kb/s。

　　(2)由于采用了分组交换技术，特别适合于不连续的、突发性的或频繁的、少量数据传送，也适用于偶而的大数据量传送。

　　(3)GPRS用户的呼叫建立时间大为缩短，且任何呼叫只需建立一次。与目前的电路交换相比，GPRS重新接入的延迟很短，提高了网络资源的利用效率。

　　(4)同现有的GSM电路交换相比，GPRS的分组交换大大降低了每比特的成本，其业务的费率更低廉。

　　(5)若费用只按数据传送量支付，GPRS用户可以一直连接在数据网络中(即总是在线)。

　　(6)可以提供灵活的计费方式。如按数据流量、连接时长或月租等方式计费。

　　(7)能够和GSM共存于同一网络中提供语音和数据业务，最大限度地扩展了GSM业务。

五 GPRS的应用

　　GPRS结合了移动通信和分组交换的优点，将信息业最为火爆的IP应用引入到了移动领域，顺应了信息业发展的浪潮。在3G系统成熟之前，作为向3G过渡的主要移动数据通信技术，有广泛的实际应用。

　　(1)实现移动上网。GPRS移动终端可实现诸如收发E-mail、图像发送、www浏览等功能。(2)无线接入。GPRS可以给智能电话、掌上电脑等设备提供高达171kb/s的无线接入速率，而目前最快的无线接入速度只有19.2kb/s。这大大拓宽了无线接入带宽。(3)设备的远端控制和维护。GPRS使得机—机通信和人—机通信成为可能，使得遥控、遥测及设备的远端控制和维护可以借助GPRS网来实现。(4)车辆调度。通过GPRS可以实现交通工具的定位、道路信息的获取，从而有效地调度车辆。(5)GPRS电子支付。随着GPRS网安全保障的不断提高，GPRS电子商务、GPRS电子银行都将会引入到移动通信网中来。(6)基于WAP的应用。通过GPRS可使基于WAP的业务应用的开发变得更加容易，其WAP业务应用可兼容各种GPRS终端。(7)以GPRS承载业务为基础的网络应用。VPN业务通过与企业内部Intranet互通，使用户能无线接入内部局域网，实现移动办公等。