GPRS：移动数据业务的一次革命

饶学伟 蓝文峰

　　移动通信自２０世纪９０年代以来进入了大发展阶段，全球用户数每２０个月翻一番，目前全球用户数已经超过７亿，到２００１年底估计要突破１０亿。我国移动用户也在高速增长，2001年第一季度就已成为世界上突破１亿大关的第二个国家，据ＩＴＵ预测，全球移动用户数在２００１年到２００７年之间的某个时候将超过固定用户。随着移动通信的大发展，移动数据通信日益受到重视，其地位变得越来越重要，其应用也越来越广泛。GPRS （通用分组无线业务）正是迎合GSM移动通信市场和全球因特网的迅猛发展和日益融合而推出的，它为GSM运营商由仅提供话音业务向提供综合信息服务业务领域拓展提供了重要的网络平台，它使GSM数据业务由原来基于电路交换提升为采用分组交换的数据处理形式，是移动数据业务的一次革命。

二、移动数据业务的演进

　　由GSM系统中数据业务演进我们可以看到：移动数据业务是一个不断发展的业务，主要分为电路型数据业务和分组型数据业务。GSM移动数据业务GSM第一阶段提供的9600bit/s 以下数据业务及Phase 2+阶段提出的HSCSD都属于电路型数据业务。Phase 2+阶段提出的GPRS，则属于分组型数据业务，后者相对于前者具有很显著的优越性。

　　九十年代初开始的最初GSM数据业务是基于电路交换的数据业务，提供9.6kbit/s的接入速率，这也是目前网上设备都支持的一种业务。
　　HSCSD（High Speed Circuit Switched Data高速电路型数据业务）是GSM电路型数据业务的最近进展（1998），它提供多个时隙的捆绑能力，支持上行和下行非对称的资源分配，提供最高64Kbit/s的接入速率。

　　EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution增强数据速率改进)是类似GPRS但带宽更大的网络技术，允许最高384Kbit/s的传输速度，也是GSM的进化版。营运商将可以提供高速多媒体应用；与GPRS不同，EDGE需要不同于目前GSM的调制技术，投入将较大。EDGE技术 可以说是GSM系统的边缘技术，一些营运商视EDGE为GPRS发展到3G/UMTS(Universal Mobile Telecommunication System通用移动通信系统)的过渡技术，它是否会被广泛采用取决于设备、终端和相关应用在时间上能否配合。EDGE提供GSM数据业务时具有资源利用率低、使用成本高等不可避免的问题。

　　GPRS（general packets radio service）：全称为通用无线分组业务，在世纪之交应运而生，利用GPRS技术理论上最高能够达到171.2kbit/s。这个数字是现在的固定电信网络的数据传输速率的3倍，是当前GSM网络上电路交换数据服务速率的10倍。随着GPRS的出现，人们第一次能够真正通过移动设备享受完全的Internet访问功能。GPRS可以使终端同时进行话音通信业务和数据通信业务，支持各类多媒体业务。由于可以更有效地利用无线资源，GPRS可以允许大约50到100个用户共享同样的带宽。

三、GPRS移动数据传输原理

　　1．GPRS系统工作原理

　　GPRS网络结构中引入了下列新的网络接口：

　　Gn，GSN（SGSN和GGSN）主干网接口，用于各种GSN之间。

　　Gb，BSS和SGSN之间的接口。

　　Gr，SGSN和HLR之间的接口。

　　Gp，不同的GSM网络（不同的PLMN）之间的接口。

　　Gs，SGSN和MSC之间的接口。

　　实际上在BSC部分还有一个PCU（Packet control Unit）,称为分组控制单元，主要用于完成RLC/MAC功能和与Gb的转换。

　　GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。在900／1800MHzGSM数字蜂窝移动通信系统中完成GPRS业务的网络设备及其相应的连接，网络设备主要包括：

　　(1) GPRS交换设备如GPRS网关支持节点GGSN(Gate GPRS Supporting Node)和GPRS业务支持节点(Serving GPRS Support Node)，以及其他一些功能实体(域名服务器DNS、计费网关CG和边界网关BG)。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN、PSPDN和LAN等。有的文献中，把GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP／IP或X.25网络。

　　(2) GPRS基站子系统附加设备主要包括引入GPRS业务后，在基站子系统BSS或基站收发信机BTS中新增加的硬件单元(PCU)。

　　(3) 其它设备如本地位置寄存器HLR、访问位置寄存器VLR、移动交换中心MSC、SMS—GMSC和SMS—IWMSC等GSM系统原有设备被升级以支持相应的与GPRS有关的功能。

　　(4) 要实现GPRS网络，移动台也必须是GPRS移动台或GPRS／GSM双模移动台。

　　 2.GPRS的网络特性

　　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）之间的分组数据传送，GPRS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提供了非常灵活的波特率，从小于100bit/s到大于171.2kbit/s，因此能处理从低速短消息到浏览复杂网站所需的高速传输。少于一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。不过，GPRS将要求空中接口和基站分系统两方面作更动，以便能进行此种分组模式的传输。另外GPRS需要新的网络组成部分，SGSN和GGSN，GPRS IP骨干网，以及新型终端。GPRS对电子信箱和数据库接入业务较理想，用户不必为短暂的传输付出高费用。由于基于TCP/IP协议，GPRS可提供与因特网更有效的连接。

　　(1) 分组交换

　　分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输“共用”传输带宽：有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。同时分组交换可以提供灵活的差错控制和流量控制，主要是在端到端的高层进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销；也可以在网络部分环节上增加控制，提高安全性。另外通过设置服务等级QoS等手段，可以有效的控制和分配延时、带宽等性能，所以分组交换非常适用于数据应用。

　　(2) 频谱效率

　　在GSM无线系统中，无线信道资源非常宝贵。如采用电路交换，通信需要建立端到端的连接，在通信过程中要独占信道，每条GSM信道只能提供9.6kbit/s或14.4kbit／s传输速率。如果多个组合在一起(最多8个时隙)，虽可提供更高的速率，但只能被一个用户独占，在成本效率上显然缺乏可行性。而采用分组交换的GPRS则可灵活运用无线信道，每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由几个用户共享，从而极大地提高了无线资源的利用率。在理论上，GPRS可以将最多8个时隙组合在一起，给用户提供高达171.2kbit/s的带宽，从14.4kbit/s～171kbit/s，足足比以前超出了10倍的传输速度，保证了更大数据的传输，更快的因特网接入。由于GPRS用户的数据通信费是以数据量为基础，而不考虑通信时长，所以GPRS用于IP业务的接入将更为用户所接受。GPRS最大的特点就是“永远在线”。人们可以随时获得即时的更新结果，只要移动设备打开，就会一直收到信息，这使它成为理想的数据传输方法。从无线系统本身的特点来看，GPRS使GSM系统实现无线数据业务的能力产生了本质的飞跃。

　　(3) Internet识别

　　典型的互联网连接是：用户通过拨号接入某一ISP，通过ISP的网络访问互联网。因此用户需要付拨号电话费和网络使用费两部分费用，而GSM做无线接入时付无线网络电话费。如果通过GPRS接入互联网则有很大的不同，因为GPRS是无线分组数据系统，只要用户一打开GPRS终端，就已经附着到GPRS网络上，GPRS通过允许现存的Internet和新的GPRS网络的互通首次完全实现了移动Internet功能。也就是用户通过GPRS系统的网关GGSN连接到互联网，GGSN还提供相应的动态地址分配、路由、名称解析、安全和计费等互联网功能。目前任何一种在固定Internet上的业务（如文件传输协议、网页浏览、交谈、信函、遥信）通过利用GPRS将同样能在移动网络上实现。所以，移动业务运营商同时也是互联网业务的提供商。

　　3．GPRS分组数据路由及传输原理

　　LLC(Logical Link Control)协议基于HDLC(高级数据链路控制规程)协议，LLC帧包含帧头、临时地址字段、可变长度信息字段和帧检测序列，为MS和SGSN之间提供高可靠的逻辑链路，可传输确认帧和非确认帧，对中断帧可检测重发，支持点对点和点对多点数据传输。利用同一个物理信道实现网络和多个MS之间传输信息，LLC层允许信息传送有不同优先级。

　　SNDCP(SubNetwork Dependent Convergence Protocol)协议属于网络层协议，从移动台MS到SGSN，数据分组被分成几个子网相关的收敛数据单元，SNDCP协议执行用户数据的分段处理、用户数据的压缩、TCP/IP头的压缩和加密功能。

　　BSSGP(Base SubSystem GPRS Protocol)协议支持基站和SGSN之间传送路由信息和QoS信息，及执行SGSN和BSC(基站控制器)之间信令管理和分组确认功能。Network Service(NS)网络服务层用来传输BSSGP PDUs，它是基于BSS和SGSN间的帧中继连接，可以采用直联方式，也可经过帧中继网络进行连接。

　　GTP(GPRS Tunnelling Protocol)协议在GPRS骨干网中在GSNs之间(如SGSN和GGSN)提供协议信道，所有的PTP分组数据协议的PDUs应由GTP协议进行封装。

　　TCP/UDP，其中TCP是承载需要可靠数据链路(如X.25)的GPRS骨干网的GTP PDUs的协议，而UDP是承载不需可靠数据链路 (如IP)的GPRS骨干网的GPT PDUs的协议。TCP提供流量控制和保护GTP PDUs避免数据丢失和崩溃功能，而UDP仅提供避免GTP PDUs崩溃的功能。

　　IP是GPRS骨干网协议，用于用户数据和控制信令的路由协议，GPRS第一阶段采用Ipv4，最终要采用Ipv6协议。

　　L1bis，L1，L2底层协议，在GPRS规范中没有明确规定，各厂商的解决方法可能不同。

　　在MS和SGSN之间，由SNDCP/LLC协议来路由转发分组数据单元PDU，通过TLLI/NSAPI标识来唯一识别特定用户的PDU。在SGSN和GGSN之间，利用GTP头中的TID和IP头中的GSN地址来唯一标识特定用户的PDU传输隧道。GPRS中的分组数据传输主要分为MS-PDN、MS-MS两种类型。

四、移动数据业务的应用和发展展望

　　通过使用GPRS技术，传统的GSM可以在原有的网络上提供许多新的服务。与现在的电路交换数据服务不同的是，它是一种面向非连接的技术，平时用户并不需要一直占用无线资源，一旦有信息发送或接收需求时可以立即进行连接。与传统的电路交换数据服务相比，面向非连接是GPRS的主要优势之一，这种方式可以允许多个用户同时共享同样的带宽，因而大大提高了无线资源的利用率，这种特性对于远程信用卡认证等具有时间敏感性的关键应用是十分重要的。

　　目前运营商提供的GPRS为基础的无线数据的应用有：

　　◆ GPRS手机可作为无线MODEM使用，并使个人电脑进行互联网浏览，包括WEB浏览、电子邮件、FTP、TELNET等；VPN（虚拟专用网）/移动办公;

　　◆ 不间断WAP接入业务;浏览WAP信息,包括新闻、证券消息、天气预报、生活咨讯；

　　◆ 轻松下载铃声图片，可下载FLASH图片和多和弦铃声；

　　◆ 移动商务、移动银行；

　　◆ 收发E-MAIL；

　　◆ 综合定位技术，提供个性化移动定位服务；

　　◆ 移动QQ，网上聊天；

　　◆ JAVA游戏下载，玩最IN的互动游戏；

　　◆ 移动炒股，在线交易。

　　从广义来说：GPRS技术可以应用的领域有：

　　◆通过GPRS接入独立的Internet业务提供者(ISP)；

　　◆社团的连接（与企业内部Intranet互通，使用户能无线接入内部局域网）；

　　◆声频数据流；

　　◆多媒体；

　　◆信息通知——E-mail和无线E-mail；

　　◆个人事务（如控制家庭设备）

　　◆结合定位技术，提供个性化移动定位服务及车队管理；

　　◆信息业务（信息点播：新闻、证券消息、天气预报、生活资讯）；

　　◆银行业务；

　　◆电子商务；

　　◆遥测；

　　◆自动售货机报告；

　　◆基于网络的多用户游戏；

　　◆预付费数据业务；

　　◆智能数据和话音；

　　◆远程LAN接入。

　　虽然WAP业务的受阻曾一度让移动数据业务市场低迷，但GPRS的出现，较之GSM在数据的传输上产生了由电路交换到分组交换这样一个质的飞跃，这使得移动互联网和数据业务产生许多崭新的应用。移动数据业务作为移动通信与数据通信的结合点，能使移动用户随时随地得到话音、文本、图像信息的服务，移动和数据的完美结合使得人们能够实现“任何地点的任何人在任何时间”连接到“任何信息”的美好设想。对于运营商而言，GPRS带来的移动数据业务意味着无限的商机和发展的未来，GPRS是第二代向第三代网络演进的一个非常重要、不可或缺的一个步骤和里程碑。

----《通信世界》