GSM高速移动数据业务GPRS

GSM高速移动数据业务GPRS（张强）
摘  要   本文介绍GSM移动数据业务的进展，着重讨论GPRS的系统组成，GPRS技术的空
中接口，以及网络工作原理和业务类型及特点
关键词   GSM  GPRS  协议结构  资源管理
    GSM标准自1992年投入商用以来，得到不断验证和发展，现已发展到phase2十阶段，
这一阶段的核心问题就是高速移动数据通信。近年来越来越多的GSM网络运营商引入移动
数据业务，不仅使GSM网络实现无线互连网功能，而且积累了无线多媒体业务运营经验，
为向第三代移动通信网络的过渡作好准备。在当前GSM系统的基础上提供第三代业务，并
将网络服务最终过渡到第三代的途径是：通过高速电路交换数据（HSCSD）业务和通用分
组无线业务（GPRS）提供除实时图像业务以外的其它第三代业务，还可演进到增强型数
据速率GSM系统（EDGE），最终与第三代系统接轨。GPRS的出现为GSM运营商提供了开展
高速无线数据业务的机会，运营商可以通过在现有的 GSM网络中增加 GPRS支持接点GSN，
同时开展GSM和GPRS业务，实现部分第三代的业务，也为向UMTS平滑过渡作准备。
1 GSM的电路型数据业务和分组型数据业务
    GSM系统一开始就是从数字化的角度进行设计的，若提供电路型数据业务，则只要进
行版本升级，不用进行大的网络重新规划。在GSM的第一阶段即提出了电路型数据业务的
实现方式，为了适应种类繁多的数据业务，GSM网络两端分别设置了两个功能单元TAF和
IWF，使得无论开展何种数据业务，在GSM网内传输数据的方式是一致的。由于受到无线
接口的单个业务信道数据传送速率最高不能超过12kbit／s的限制，与其它网络数据通信
速率最高为9.6kbit／s。为了提高数据速率， ETSI于1997年2月批准了HSCSD技术，采用
一种新的信道编码方案，通过截短校验比特将时隙比特率从9.6kbit／s增加到
14.4kbit／s。HSCSD还能使多个时隙结合在一起，从而使比特率最高达到57.6kbit／s，
等效于一条无线ISDN线路。GPRS是GSM提供的分组交换和分组传输方式的新的承载业务，
可以应用在PLMN内部或应用在GPRS网与外部互联分组数据网（IP，X.25）之间的分组数
据传输，能提供到现有数据业务的无缝连接。使用GPRS时，数据封装进每个分组并在网
上发送。网络容量仅在需要时分配，提供了即时连接和高通过率。GPRS提供了非常灵活
的比特率，从小于100bit／s到大于171.2kbit／s，因此能处理从低速短消息到别览复
杂网站所需的高速传输。少于1时隙的各种应用可从GPRS的功能中得到好处，可使几个用
户共享一个时隙。GPRS允许用户在收发数据资料的同时接收电话。由于基于TCO／IP协议，
GPRS可提供与因特网更有效的连接。
2 GPRS系统综述
    GSM是专为电路交换型的传输而设计的，现有GSM网不足以提供支持分组数据路由的
功能。作为一种分组技术，GPRS具有如下优势：采用多时隙技术，数据传输速率可高达
115kbit／S；小区内所有GPRS用户可以共享相同的频谱资源，有效利用有限的频谱资源。
引入GPRS技术时需要添加新的网络逻辑实体GSN（GPRS支持节点）和PCU（分组控制单元）
，并对HLR、BSC、BTS进行升级。其中GSN包括SGSN（GPRS服务支持接点）和GGSN（GPRS
网关支持接点）。
    SGSN和GGSN是支持无线连接的路由器，SGSN和GGSN的功能可以集成在同一物理节点
，也可以分别位于不同的物理节点。SGSN为它区域内的所有GPRS用户提供分组数据路由
和转发。数据从SGSN路由到BSC，再通过BTS到达移动台，或按此路径反向传输。BSC中
增加了控制分组信道的PCU，处理 BSC与SGSN之间的新型业务及信令接口。BTS实行新型
协议，支持空中接口中的分组数据，并分配时隙和信道等资源。现有GSM业务和GPRS之
间存在着一些通用信令，在物理层资源可以重复使用。协议数据单元PDU在源GSN被封装
，由目的GSN拆包，在GSN之间，GPRS骨干网采用IP协议来传送PDU，这个过程称为隧道
（Tunneling）进程。GGSN将SGSN连接到外部数据网络或其它的GPRS网络，具有移动管
理和接人服务器的功能。GGSN是GPRS网与外部PDN的逻辑接口，它负责将PDU通过隧道进
程传送到为MS服务的当前SGSN。GGSN还包括PTM业务中心（PTM-SC）处理PTM业务的功能
。将GSM SMS-MSC与SGSN相连，还可以通过GPRS网交换短消息。
3 GPRS的空中接口协议
3.1  无线接口的分层结构及数据流的封装
    GPRS无线接口被构造成一些特殊功能的逻辑分层。
    物理层分为两个子层Physical RF Layer和Physical Link Layer。Physical RF 
Layer的作用是对来自Physical Link Layer的数据进行物理波形的调制和将无线接口上
的物理波形进行解调。Physi-cal Link Layer的作用是对数据结构单元编码、数据泽码
、探测和纠正在物理媒质中的传送错误。链路层（RLC／MAC Layer）的功能包括MAC子
层提供多移动台共事物理信道、移动台的同时呼叫冲突解决、单一移动台并行使用多物
理信道的功能。RLC子层提供对差错数据块进行选择重发后向纠错、将LLC-PDU数据分割
和装配进入RLC的功能。网络层（SNDCP／LLC Layer）的功能包括提供 MS和SGSN的可靠
逻辑信道连接，支持层层数据传输，支持不同长度数据结构的传输，支持确认和非确认
的数据传输，保证用户身份的保密性。
    数据流的封装过程为：来自网络层的协议数据单元（N－PDU或分组）使用LLC协议经
空中接口在MS与SGSN之间传送。首先，由SNDCP将分组装入LLC帧中。这个过程包括：选
择字头／数据压缩，分段，加密。LLC 1帧的最大用户数据量为1600字节。然后LLC帧被
分为几个RLC数据块，分别适配到物理层。每个数据块由连续 TDMA帧中的4个普通突发构
成。
3.2  分组数据逻辑信道
    分组公共控制信道（PCCCH）包括以下四种信道。分组随机接入信道（PRACH）被用
于移动台发送上行数据和信令。移动台在这个信道上发送的接入突发具有较长的保护时
间。分组寻呼信道（PPCH）被用于下行链路，在开始传送数据之前寻呼移动台，它既可
用于分组交换数据服务也可用于电路交换数据服务。分组接入允许信道（PAGCH）是用于
分组传送建立阶段，在开始传送分组数据之前，对MS发送资源分配消息。分组通知信道
（PNCH）被用于下行链路，在开始PTM-M分组传送之前，向一组MS发送PTM-M通知。该通
知有用于分组传送的资源分配格式。
    分组广播控制信道（PBCCH）。PBCCH向小区内所有GPRS终端广播分组数据详细的系
统信息。如果小区内没有分配PBCCH，分组数据详细的系统信息在BCCH上广播。
    分组传送信道（PTCH）。分组数据传送信道PDTCH用于数据的传送。它临时地分配给
一个移动台或一组移动台。在PTM方式时在多时隙操作中一个移动台可以并行使用多个
PDTCH来进行分组数据传送。所有的PDTCH都是双向的。PDTCH／U为移动台发起的传送，
PDTCH／D为移动台接收的传送。
    分组专用控制信道（PDCCH）包括以下三种信道。分组伴随控制信道（PACCH）用于传
送指定的移动台的信令信息，如确认和功率控制信息。PACCH携带资源分配信息和再分配
信息以及允许的PDTCH数量信息。PACCH和PDTCH共享资源，它们同时分配给一个移动台，
并且移动台在进行分组数据传送时也能在 PACCH 上被寻呼电路交换服务。分组定时提前
控制信道（PTCCH），PTCCH／U用于传送随机接入突发，BSS以此为一个移动台在分组传送
方式设立时间提前，PTCCH／D用于传送时间提前信息刷新消息给移动台，一个PTCCH／D可
对应几个PTCCH／U。
    以上逻辑信道在无线接口中被映射成相应的物理信道。
3.3  无线资源的管理原则
    用于分组数据业务的物理信道称为分组数据信道PDCH。一个支持GPRS的小区可以分配
一个或更多的PDCH用以支持GPRS。这些PDCH来自可供小区使用的物理信道公共资源，这些
资源包括传送信道TCH和分组数据信道PDCH。电路交换服务和GPRS的物理信道公共资源的分
配根据“按需分配容量”原则动态进行。在无线接口上的两个资源管理概念：“主一从概
念”至少分配一个PDCH作为主信道容纳分组公共控制信道PCCCH携带发起分组传送必要的控
制信令。其它的PDCH作为从信道，传送用户数据和专用信令。“按需分配容量”GPRS不要
求分配永久的PDCH，因此被分配的公共资源量依靠于实际的分组传送需求。当GPRS的PCCCH
非常拥挤时且小区中尚有未被TCH占用的资源，网络就把一些物理资源信道分配为PDCH。在
一个小区内当没有分配PCCCH时，具有GPRS功能的移动台留守在CCCH上。MS在CCCH上发出分
组通道求发送GPRS分组，网络分配资源给PDCH作为上行链路，发送结束MS回到CCCH上。当
分组数据传送需求量增加或小区中出现足够可用的物理信道时小区内可分配PCCCH，此时具
有GPRS功能的移动台留守在PCCCH上。MAC子层完成对PDCH上负载的监测，然后PCCCH可根据
需要增加或减少小区内分配的PDCH数目以增加GPRS的QoS。如果出现更高优先级的其它业务
请求使用资源，将释放PDCH。如果网络释放PCCCH，MS将返回CCCH。
4 结论:GPRS具有广阔的应用前景
    GSM网络是由ETSI进行了多年积累详细规范的结构体系，因此它具有技术的规范性和开
放性，更容易使开发者在对规范正确理解的基础上对电路终端业务及承载业务进行开发。
同时整个系统对IWF和TAF两个功能群的明确划分，使各种业务的接入方式十分清晰。开发
者可以在较短的时间内开发出适用的系统完成第三代的部分业务。GPRS可满足多种第三代移
动通信业务。目前我国存在着大规模的GSM网络，引进GPRS后只需在交换平台上加一些软件
就可以实现第三代移动通信初期的业务。将来第三代的网络也可以通过与GSM网络的双模/双
频终端实现全网漫游。
摘自《中国数据通讯网络》