GPRS关键技术及展望

刘雪娟　李建东　　西安电子科技大学
摘要：目前通用分组无线业务（GPRS）已成为GSM过渡到UMTS的最佳方案。文章在概述GPRS特点和业务的基础上，介绍其网络结构、协议模型、无线接口、网络运行模式和路由管理等关键技术，并根据GPRS技术的国内外状况，展望其在国内的发展。

关键词：GPRS　网络结构　协议模型　无线接口

　　目前，移动通信领域内最令人关注的问题是如何从2G网络演进到３Ｇ。在２Ｇ网络中，９０％以上的业务是话音和增值业务，３Ｇ网络是为多媒本通信设计的，话音业务为其子业务，因此２Ｇ与３Ｇ之间存在巨大的差异。在３Ｇ的技术发展和市场需求都不很成熟的情况下，考虑到２Ｇ网络在全球形成的巨额投资和继续保持高速成长的情况，业界的共识是：通过技术的平滑过渡来提供业务的平滑过渡，而不是以３Ｇ技术另起炉灶。显然，基于ＧＳＭ系统提出的GPRS方案，具备技术上的前后向兼容性、在核心网引入分组交换网，以及在提供部分３Ｇ业务的同时培育３Ｇ业务市场等诸多优点，其标准在２０００年下半年已比较成熟，因此最迎合平滑过渡策略的最佳方案。引入GPRS设备后，在３Ｇ网络（Ｒ９９）到来时，不仅能够实现核心网络的平滑过渡，而且能实现现有ＧＳＭ与未来ＵＭＴＳ互联互通，以保证终端在不同网络之间无缝漫游。

　　１　GPRS的特点和提供的业务

　　与原有ＧＳＭ比较，GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：多个用户共享一个信道，更有效地利用网络资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；按照用户的需求提供带宽，无线接口采用宽带ＣＤＭＡ技术，大幅度提高数据传输速率，数据速率最高可达164kb/s；计费方式更加灵活，支持按数据流量进行计费；支持在数据传输的同时进行话音通话等。它使移动通信与数据网络合二为一，用户使用数据和多媒体业务更加便利。GPRS可提供三类交互式业务：端到端分组传输模式下数据业务的发送和接收、点对点和点对多点两种方式的承载业务、补充业务。一个网络具体采取何种类型提供交互式业务支持，可视特殊的用户需求而定，也可分阶段提供。

　　2　GPRS网络结构

　　2.1实现GPRS所需增加的功能模块

　　在ＧＳＭ数字蜂窝移动通信系统中完成GPRS业务，需要增加一些网络设备和相应的连接，主要包括：（１）在核心网络引入分组交换平台（ＧＳＮ）、GPRS业务支持节点（ＳＧＳＮ）和GPRS网关支持节点（ＧＧＳＮ），以及其它一些功能实体，包括域名服务器（ＤＮＳ）、计费网关（ＣＧ）和边界网关（ＢＧ）；（2）GPRS基站系统作相应的软硬件扩展，在ＢＳＣ上增加硬件单元（ＰＣＵ），在ＢＴＳ上增加软件单元（ＣＣＵ）；（3）其它ＨＬＲ、ＶＬＲ、ＭＳＣ、ＳＭＳ－ＧＭＳＣ和ＳＭＳ－ＩＷＭＳＣ等ＧＳＭ系统原有设备升级，以支持相应的GPRS功能；（４）移动台（ＭＳ）必须是GPRS或GPRS/ＧＳＭ双模移动台；（５）其它技术改进：如定位GPRS移动台的移动管理、新的安全特性和GPRS专用信令。

　　2.2GPRS网络中的主要模块

　　ＧＳＮ是GPRS网络中最重要的网络设备，各主要模块的功能如下：ＳＧＳＮ记录移动台的当前位置信息，完成移动台与ＧＧＳＮ之间移动分组数据的发送和接收；ＧＧＳＮ主要起网关作用，把ＧＳＭ网中的GPRS分组数据包进行协议转换后，传送到远端的ＴＣＰ／ＩＰ或Ｘ．２５网络；安装Ｇｓ接口后，ＭＳＣ／ＶＬＲ可支持与GPRS的联合位置更新和联合寻呼等功能；ＢＳＳ的功能包括无线端的接入控制、分组数据的路由和传输，以及无线资源管理。

　　GPRS的ＭＳ按操作模式分为三类：（1）Ａ类，GPRS和ＧＳＭ电路型业务可同时工作；（２）Ｂ类，可附着GPRS和ＧＳＭ电路型业务上，但两者不能同时工作；（３）Ｃ类，只能附着在GPRS业务上。Ａ、Ｂ类ＭＳ都能进行数据业务与话音业务的切换，区别在于：当ＭＳ在数据传送期间，用普通ＭＳ拨打GPRS　ＭＳ，Ａ类Ｍｓ能应答呼叫并通话，通话过程中继续保持数据传送；Ｂ类ＭＳ应答后切换至话音业务，数据业务被悬置，待话音业务结束后，才可切换回数据业务。

　　３GPRS协议模型

　　GPRS引入的新协议大多出现在数据传输通路上，数据包从外部网络传到ＭＳ要经过四个接口：Ｇｉ、Ｇｎ、Ｇｂ和Ｕｍ。

　　3.1Ｇｉ接口（外网与ＧＧＳＮ之间的接口）

　　在该接口上没有新协议。ＧＧＳＮ作帧处理后，得到ＩＰ数据包，分析该ＩＰ包的目的地址，若恰为本地ＰＤＰ　ｃｏｎｔｅｘｔ所标示的某一ＭＳ地址，则把该数据包送至Ｇｎ接口的软件模块，作进一步处理。

　　3.2　Ｇｎ接口（ＧＧＳＮ与ＳＧＳＮ之间的接口）

　　最先对数据包作处理的ＧＴＰ协议，可实现从ＧＧＳＮ到ＳＧＳＮ的虚拟传输通路（即隧道）。隧道的优点有：（１）当ＭＳ由一个ＳＧＳＮ转移到另一个ＳＧＳＮ的控制下，只需改变ＧＴＰ的配置即可，对于被承载的ＩＰ数据包来说是透明的；（２）在Ｇｉ与Ｇｎ两个网络之间不存在路由，只有封装关系，安全性得到保障。

　　ＧＴＰ协议包由ＴＣＰ或ＵＤＰ承载后，进一步封装成Ｉｐ包，该包的目的地址即为目标ＳＧＳＮ的地址。这时传送的是运营商内ＩＰ，与此相应，封装在ＧＴＰ协议内部的ＩＰ称为外网ＩＰ。数据到达ＳＧＳＮ之后，层层解封，最终还原出用户的ＩＰ数据包，交给ＩＰ　Ｒｅｌａｙ软件模块。

　　3.3 Gb接口（ＳＧＳＮ与ＢＳＳ之间的接口）

　　（1）ＳＮＤＣＰ（ｓｕｂ－ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ）对ＩＰ数据包作同一处理，包括数据的分组和打包，确定ＴＣＰ／ＩＰ地址和加密方式，还对数据进行压缩和分段，以节约空中接口带宽，适应下层ＬＬＣ的最大传输单元，ＳＮＤＣＰ数据包单元生成后被放置到ＬＬＣ帧内；（2）ＬＬＣ（logical link control）协议负责从ＳＧＳＮ到ＭＳ的数据传输，在ＳＮＤＣＰ数据单元上形成ＬＬＣ地址和帧字段，生成完整的ＬＬＣ帧，还可以实现一点对多点的寻址和数据帧重发控制，它以面向连接或无连接的方式服务于ＳＮＤＣＰ数据包（即用户数据）、用户信令和短消息；（3）ＢＳＳＧＰ（ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ＧＰＲＳ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ）是ＳＧＳＮ和ＢＳＳ通信的最上层协议，它不但发送上层的ＬＬＣ数据，还传输ＳＧＳＮ对ＢＳＳ的控制信息，如对ＭＳ的呼叫等；（4）ＮＳ（ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｅｒｖｉｃｅ）提供网络传输服务。

　　数据到达ＢＳＳ之后，同样是层层解封，最终得到ＬＬＣ数据帧。ＢＳＳ中的ＬＬＲ层是逻辑链路传递层，对于ＳＮＤＣＰ数据单元来说是透明的，即不负责处理ＳＮＤＣ数据，只是透明转发。

　　3.4Ｕｍ接口（ＢＳＳ与ＭＳ之间的接口）

　　Ｕｍ接口的物理层为射频接口部分，物理链路层负责提供空中的各种逻辑信道。空中接口传输的数据先经ＲＬＣ（radio accesss control）两个协议处理，ＲＬＣ把ＬＬＣ数据帧拆分成便于空中传输的数据块，并负责空中接口的可靠性保障；ＭＡＣ的作用是定义和分配空中接口的ＧＰＲＳ逻辑信道，即下行传输时标识当前的数据块是给那一个ＭＳ的，上行传输时指定当前资源由谁使用。加上ＬＬＣ和ＭＡＣ头之后，与ＧＳＭ系统一样，数据块被卷积和交织成包含114bit的数据流，通过空中接口到达ＭＳ。ＭＳ作解封之后，还原出ＩＰ数据包，ＧＰＲＳ网络承载的功能至此完成。

　　4　GPRS无线接口

　　4.1　新型网络接口

　　GPRS网络结构中引入用于分组业务的新型网络接口：Ｇｎ、Ｇｂ、Ｇｒ、Ｇｃ、Ｇｉ、Ｇｐ和Ｇｓ。不同的ＧＳＭ网络通过Ｇｐ接口相连；通过基于帧中继的Ｇｂ接口，一个或多个ＢＳＳ被连至ＳＧＳＮ；ＳＧＳＮ通过ＧＳ接口连至ＭＳＣ，通过ＧＮ接口连至ＧＧＳＮ；ＧＧＳＮ通过Ｇｉ接口提供与外部分组交换网络的交互工作；ＳＧＳＮ和ＧＧＳＮ均可与ＨＬＲ通信，并各自通过Ｇｒ和Ｇｃ接口获得路由信息和用户详细资料。

　　4.2逻辑信道

　　GPRS无线信道逻辑上分为业务信道和控制信道两类。业务信道即分组数据传送信道；控制信道分为分组公共控制信道、分组广播控制信道和分组专用信道。

　　分组数据传送信道（PDTCH）用于数据传送，它临时分配给一个移动台或一组移动台。

　　分组公共控制信道（PCCCH）包括四种信道：分组随机接入信道（PRACH）用于移动发送上行数据和信令；分组寻呼信道（PPCH）用于下行链路，在开始传送数据之前寻呼移动台；分组接入允许信道（PAGCH）用于分组传送建立阶段，对MS发送资源分配消息；分组通知信道（PNCH）在开始PTM-M分组传送前，向一组MS发送PTM－Ｍ通知。分组广播控制信道（PBCCH）向小区内所有GPRS终端广播分组数据的系统信息。分组专用控制信道（PACCH）用于传送指定MS的资源分配信息和再分配信息，以及允许的PDTCH数量信息，PACCH与PDTCH共享资源，它们同时分配给一个MS；分组定时控制信道（PTCCH）中PTCCH/U用于传送随机接入突发，BSS以此为一个MS在分组传送方式中设立时间提前，PTCCH/D用于传送时间提前信息刷新消息给MS。

　　4.2.1逻辑信道与物理信道的映射

　　逻辑信道在无线接口中被映射成相应的物理信道，共有三种信道组合方式：PDTCH+PACCH+PTCCH（方式1）、PDTCH+PACCH+PTCCH+PCCCH（方式2）和PDTCH+PACCH+PTCCH+PCCCH+PBCCH（方式3）。当GPRS业务量不大时，允许GPRS与电路业务共用BCCH和CCCH；只有当共用PBCCH时才采用方式2；当GPRS业务量增大时，采用方式3或方式1+方式3。

　　4.2.2信道编码方式

　　GPRS有CS-1--CS-4四种编码方式，数据速率分别为9.05kb/s、13.4kb/s、15.6kb/s和21.4kb/s，以满足不同传输速率需求，其中CS-3和CS-4的C/I要求比电路型业务、CS-1和CS-2更高。在GPRS网络中，网络可根据实时监测结果，动态地选择信道编码方式，以达到最大的无线吞吐量。不同时隙可选择不同的信道编码，当网络传输质量较好时，可采用较高速的编码方式，反之采用较低速的编码方式。

　　由于GPRS允许一个用户最多可同时获得8个PDTCH的服务，因此在理想环境下，该用户可以得到最高21.4kb/s×8=171.2kb/s的速率。由于制订规范和产品开发的原因，目前的商用GPRS系统均采用CS-1和CS-2编码方式，而且在建设初期，每小区只提供少量的PDTCH（3-4个），所以提供的速率不会特别高。

　　5　GPRS工作模式

　　GPRS网络有三种工作模式：（1）话音业务的寻呼信息可通过GPRS寻呼信道或GPRS业务信道发送，MS只监视寻呼信道，若MS分配到分组数据信道，它就在该信道上接收电路业务的寻呼消息；（2）话音业务寻呼和GPRS寻呼都使用CCCH寻呼信道，MS只需监视CCCＨ寻呼信道；（3）话音业务寻呼在CCCH寻呼信道上发送，而GPRS寻呼在分组数据信道或CCCH寻呼信道上发送，MS需要监视CCCH寻呼和分组寻呼两个信道。

　　6　GPRS路由管理

　　GPRS的路由管理就是MS发送或接收数据时建立路由和MS处于漫游时建立数据路由的过程。当移动台产生一个分组数据单元，经过SNDC层，处理为SNDC PDU，再经过LLC，处理为LLC帧，然后通过空中接口送到GSM网络中MS所处的SGSN。SGSN把数据送到GGSN,GGSN把收到的消息进行解封处理，转换为可在公用数据网中传送的格式，最终送至公用数据网中传送的格式，最终送至公用数据网的用户。公用数据网用户传送数据给移动台，首先通过数据网的标准协议建立数据网与GGSN之间的路由，数据网用户发出数据单元，通过已建立的路由把PDU送至GGSN，GGSN再把PDU送至MS所在的SGSN，GSN将其封装成SNDC PDU，经LLC层处理为LLC帧单元，最后经空中接口送至MS。数据网用户传送数据给正在漫游的移动用户，其数据必须经过归属地的GGSN，然后送到移动用户。

　　7　国内外GPRS的发展概况与展望

　　目前，全球已有近百家运营商开通了GPRS商用系统、试商用系统或实验系统。仅在欧洲，2000年-2001年间就有40多个GPRS网络投入使用。GPRS技术已开始在全球的GSM网络中广泛部署。国际上有名的电信设备制造商诺　基亚、西门子、摩托罗拉和爱立信等都在积极开发GPRS相关产品，提出一系列解决方案。国外制造商已开发出Ｂ和Ｃ类终端，Ａ类终端的开发还在研制中，并已推出相关的无线和网络设备。2001年6月，GSM联合会宣布了一套有关GPRS系统提供文字及其它多媒体服务的标准，这是又一重要转折点。

　　在我国，尽管移动市场与数据通信市场发展不平衡，造成中国移动数据业务的近期市场尚不明朗，但中国移动通信集团还是陆续开展了移动数据业务的实验工作。2001年7月，中国移动开始为全国16个省25个城市挑选出的3000名移动用户提供GPRS网络的试商用服务。GPRS二期工程同年7月基本完成，预计覆盖160个本地网200多个省会城市和大中城市，在77个本地网范围内实现漫游服务，并扩容169万户。目前，中国移动正在进一步扩大试商用用户范围，不断进行网络优化和产品改进，以期正式推出时能为消费者提供成熟的服务。国内电信设备制造商更是不甘落后，TCL、中兴、康佳、东信、厦新和波导等绝大多数国产手机定点企业均宣布已开始研制GPRS手机。2000年4月，华为GPRS设备通过相关测试，2001年4月，中兴GPRS全套设备也通过中国移动联合测试小组的测试，标志着国产GPRS设备已具备商用化能力。

　　GPRS在中国市场能否成功，除技术因素外，很大程度上取决于能否开发出适合中国市场的应用业务。GPRS商用分为两个部分：移动Internet/Intranet和作为WAP业务的载体，目前能够开展的主要是WAP业务。通过GPRS手机上网，可用无线移动方式浏览普通的Internet网页，比用普通电脑上网更方便、更快捷；与基于GSM网络的WAP相比，不仅上网内容丰富，而且速度上也快得多，使WAP有更大的发挥空间；按流量收费更容易被用户接受。我国的运营者是否能充分发挥GPRS的优势，提供更多更好的业务，这将是GPRS是否能成功的关键。总之，具备超过100kb/s分组传输能力的GPRS技术是GSM向3G移动通信系统平滑过渡的一个重要环节，在3G移动通信网络实现之前，它将是移动通信信息服务的主要解决方案。

摘自《电信快报》2002.4