移动通信技术与网络优化(第2版)第5章-通用分组无线业务GPRS课件

移动通信技术第5章通用分组无线业务GPRS2023/6/815.1GPRS概述5.2GPRS网络第5章通用分组无线业务GPRS2023/6/825.1GPRS概述5.1.1GPRS产生的背景1IP技术已成为发展方向•交换方式•IP传输技术在未来通信中占有重要地位移动数据市场的形成•移动通信业务仍是传统的话音通信占主导地位•发展移动数据业务是各运营商的战略发展方向GSM向第三代移动通信系统的演进•3G的主要特征：具有宽带数据通信和多媒体通信能力，提供快速分组交换能力。2023/6/83图

电路交换方式的示意图

电路交换过程示意图2023/6/86（2）电路交换机特点面向连接：呼叫建立、信息传递和连接释放在连接建立过程中，有一定的连接建立时延。实现实时信息传送，传输时延小(呼叫建立时延)。数字程控电话交换采用同步时分交换通信信道独享，线路的利用率低。采用串行传输方式，任何故障均可能引起中断。信息“透明”传输(不存储、不分析、不处理)，对信息传输不采用控制机制，可靠性不高(透明传输)，存在着严重的呼损。网络互连困难：不同速率、协议、代码的终端互通难。5.1GPRS概述2023/6/872分组交换

①分组交换原理分组交换的基本原理是存储—转发的方式。把报文分成若干个比较短的、具有一定格式的“分组”（或称为数据包）进行交换和传输。即节点交换机采用以“分组”为单位的存储－转发机制，完成不同终端间的信息交换。如图所示。②分组的组成分组是由分组头和用户数据部分组成的，如图所示。分组头包含收发地址和一些控制信息其长度为3～10个字节；用户数据部分长度一般为128字节，最大不超过256字节。5.1GPRS概述2023/6/885.1GPRS概述图

分组交换机工作原理图说明：①来自不同终端的不同分组可以去往分组交换机的同一出线，②NPT需经PAD才能接入分组交换网。③分组交换采用的方法是STDM。2023/6/89将数据信息分割成若干个数据段，加上分组头，以“存储---转发”的方式传送，到达收信端，再把数据段组合还原成原数据信息。图

分组的组成5.1GPRS概述2023/6/8105.1.3GPRS概念GPRS（GeneralPacketRadioService）是通用分组无线业务的简称.GPRS仅通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造，增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体来实现分组交换，使现有的移动通信网和数据网结合起来。GPRS被认为是2G向3G演进的重要一步，为2.5G，可被GSM支持。GPRS系统与现有的GSM语音系统最根本的区别是：GPRS是一种分组交换系统，而原有的GSM系统是一种电路交换系统。5.1GPRS概述2023/6/811GPRS系统以分组交换技术为基础，是一种基于GSM的移动分组数据业务GPRS手机以传输资料量计费，而不是以传送的时间计费。小区内多个用户可共享一条无线信道同时通信。

某用户所需所传输的数据量大而信道尚有空闲时，可同时占用同一载波的多个时隙通信，满足了数据业务的突发性要求。5.1GPRS概述2023/6/8121GPRS支持中高速数据传输•最高速率理论值可达21.4×8=171.2kbit/s。但需一个载频的8个时隙同时提供给同一用户，且不能采用任何形式的纠错措施，并需对现有的GSM网络作较大的改动。•对GSM网络不作太多改动的情况下，只能采用14.4kbit/s×8=115.2kbit/s的最高理论速率•GPRS的传输速率取决于GSM为其预留的信道数•GPRS的实际速率介于14.4～3.2kbit/s，上下行非对称5.1GPRS概述2023/6/8132GPRS的技术及参数工作频段：上行890～915MHz；1710～1780MHz下行935～960MHz；1805～1880MHz频道间隔：200KHz频率复用：4×3方式每载波信道数：8（时隙）每信道数据率(对应四种编码方案）CS-1：9.05kbit/sCS-2：13.4kbit/sCS-3：15.6kbit/sCS-4：21.4kbit/s5.1GPRS概述2023/6/8145.1GPRS概述单终端多信道能力：同一载波下的1～8个时隙调制方式：GMSK信道占用方式：按需分配信道前向纠错编码：卷积码移动台类别：三类（A、B、C）ARQ（自动重发请求）功能；鉴权和加密实现QoS保证；功率控制；点对点PTP业务可无连接或面向连接；有点对多点PTM业务；与话音业务共享无线资源；计费灵活，可根据流量、时间或QoS进行。2023/6/8155.2.1GPRS的网络结构GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。GPRS网络参考模型如图5.1所示。GSN（GPRSSupportingNode，GSN）是GPRS网络中最重要的网络节点。GSN具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连接到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。GSN可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与GSM中的MSC集成在一起。GSN有两种类型：一种为服务GSN（ServicingGSN，SGSN），另一种为网关GSN（GatewayGSN，GGSN）。5.2GPRS网络2023/6/8165.2GPRS网络图5.1GPRS网络参考模型2023/6/817在现有的GSM网络中需要增加一些节点，如网关GPRS支持节点（GatewayGPRSSupportingNode，GGSN）和服务GPRS支持节点（ServicingGSMSupportingNode，SGSN）,使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。GPRS新增的主要设备PCU、SGSN、GGSN。1服务GPRS支持节点(SGSN)

对移动终端进行鉴权和移动性管理。主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台（MS）和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收；集成计费网关、边缘网关（负责实现不同GPRS网络之间的互连）和防火墙的功能。5.2GPRS网络2023/6/8182网关GPRS支持节点(GGSN)连接GPRS网络与外部数据网络的节点，主要是起网关作用，相当于一个路由器。可和多种不同的数据网络连接，如ISDN、PSPDN和LAN等。3分组控制单元（PCU）用于分组数据的信道管理和信道接入控制。4GSM网络侧需要增加新节点、接口，对部分设备软件升级。BTS：对于目前使用的CS-1和CS-2，只需软件升级。BSC：需要增加新的分组数据处理单元PCU模块。5.2GPRS网络2023/6/819MSC/VLR如需实现MSC与SGSN的Gs接口，则需要对MSC做软件升级，否则无需对MSC进行改造。MSC可以与SGSN/GGSN安装在一起，并逐步用GPRS核心网取代MSC的功能。HLR：需要软件升级支持GPRS的用户数据和路由信息以及与SGSN的Gr接口。OMC：需增加对新的网络单元进行网络管理的功能计费系统：需升级计费系统采用按数据流量而不是按时长计费终端：采用支持GPRS的终端。5.2GPRS网络2023/6/8205.2.2GPRS接口1GPRS主要接口（1）Gi接口——GGSN与外部数据网之间的接口。与普通的路由器一样，GGSN利用现有的传输方法，接收二层数据帧之后，做帧处理，得到IP数据包。分析该IP包的目的地址，恰为本地分组数据协议的内容

（PDPContext）所标示的某一手机地址，则将此数据包送至Gn接口的软件模块，做进一步处理。5.2GPRS网络2023/6/821（2）Gn接口——GGSN与SGSN之间的接口最先对数据包做处理的GTP（GPRS

Tunneling

Protocol）协议，它实现了从GGSN到SGSN的虚拟传输通路，即隧道；优点：便于手机的移动，当手机由一个服务GPRS支持节点（SGSN）转移到另外一个SGSN的控制下时，只需改变GTP的配置，使隧道的末端发生变化即可，对于被承载的IP数据包来说是透明的；在Gi和Gn两个网络之间，即外网和运营商网络之间不存在路由，只有封装关系，安全性得到了保障。5.2GPRS网络2023/6/8225.2GPRS网络GPRS接口示意图2023/6/823（3）Gb接口——SGSN和BSS之间的接口子网相关融合协议（SNDCP：Sub-Network

Dependent

Convergence

Protocol）对IP数据包做同一化处理；目的。提高GPRS的可扩展性，未来，只需改变SNDCP就可以适应新的三层协议，比如IPv6。除此之外，SNDCP还负责数据的压缩和分段，压缩的目的是节约空中接口带宽，分段的目的是适应下层LLC的MTU（Maximum

Transmission

Unit，最大传输单元）；LLC（Logical

Link

Control）协议负责从SGSN到手机的数据传输；服务对象有三种：SNDCP数据包（即用户数据）、用户信令和短消息；服务的类型有面向连接和无连接两种，用户可以根据QoS要求选择。5.2GPRS网络2023/6/824基站子系统GPRS协议（BSSGP：Base

Station

System

GPRS

Protocol）是服务GPRS支持节点（SGSN）与BSS通讯的最上层协议，故而它不但发送上层的LLC数据，还传输SGSN对BSS的控制信息，如对手机的呼叫（Paging）等；主要功能。提供与无线相关的数据、QoS和选路信息，以满足在BSS和SGSN之间传输用户数据时的需要。在BSS中，它用作LLC帧和RLC/MAC块之间的接口；在SGSN中，它形成一个在源于RLC/MAC的信息和LLC帧之间的接口。（4）Um接口——空中接口其射频部分与GSM相同，但逻辑信道增加了分组数据信道，采用了多种编码，支持多时隙传输方式，最多到8时隙，后介绍。5.2GPRS网络2023/6/8255其他Gs：SGSN和MSC/VLR之间的接口Gr：SGSN和HLR之间的接口GD：不同的GSM网络（不同的PLNM）通过GD接口相联。5.2GPRS网络2023/6/8265.2GPRS网络5.2.3GPRS协议1GPRS的协议模型①移动台（MS）和SGSN之间的GPRS分层协议模型；②Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC（MdiumAccessControl）层、LLC（LogicalLinkControl）层、SNDC（SubnetworkDependantConvergence）层和网络层。物理层：Um接口的物理层为射频接口部分，而逻辑链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。GSM空中接口的载频带宽为200kHz，一个载频分为8个物理信道。如果8个物理信道都分配为传送GPRS数据，则原始数据速率可达200kbit/s。考虑前向纠错码的开销，最终的数据速率可达164kbit/s左右。2023/6/8275.2GPRS网络2023/6/828无线链路控制(RLC)/介质访问控制(MAC)层无线链路控制（RLC）功能，它定义了选择性重传未成功发送的RLC数据块的过程，可提供一条独立于无线解决方案的可靠链路；介质访问控制功能，它定义了多个移动台（MS）共享传输媒体的过程，共享媒体由几个物理信道组成。

逻辑链路控制(LLC)层LLC是一种基于高速数据链路规程（HDLC）的无线链路协议，能够提供高可靠的加密逻辑链路；LLC层负责从高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧；LLC可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。5.2GPRS网络2023/6/829子网相关融合协议(SNDC)将网络级特性映射到底层网络特性中去；主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定TCP/IP地址和加密方式。在SNDC层，移动台（MS）和SGSN之间传送的数据被分割为一个或多个SNDC数据包单元。SNDC数据包单元生成后被放置到LLC帧内。5.2GPRS网络2023/6/830网络协议GPRS骨干网GSN（GPRS支持节点）中的用户数据和信令利用GTP（GPRS隧道协议）进行隧道传输；GTP是GPRS骨干网中GSN节点之间的互联协议，是为Gn接口和Gp接口定义的协议。GPRS网中所有的点对点PDP协议数据单元(PDU)将由GTP协议进行封装；IP是GPRS骨干网络协议，用以用户数据和控制信令的选路。GPRS骨干网最初是建立在IPv4协议基础上的，随着IPv6的广泛使用，GPRS会最终采用IPv6协议。5.2GPRS网络2023/6/8315.2.4GPRS空中接口GPRS空中接口在改进GSM系统的同时，仍需要完成系统的信令功能，比如功率控制测量，小区选择，信道编码等。1GPRS空中接口与GSM相关部分由物理层和数据链路层的低层组成。不考虑MS和SGSN间的关系，由物理层、媒体接入控制层MAC和无线链路控制层RLC组成。如图所示。LLC-逻辑链路控制SNDCP-子网依赖汇聚协议5.2GPRS网络2023/6/832图空中接口的组成5.2GPRS网络2023/6/833（1）物理层物理层分两个子层：物理射频子层和物理链路子层。射频子层包括载波频率特性、GSM无线信道结构、物理电波的调制与解调、发射机和接收机特性和性能要求。物理链路子层实现了信息通过物理信道在BTS和MS之间传递。（2）媒体接入层MAC和无线链路控制层RLCMAC用于定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。MAC负责无线链路的用户数据及控制信令的有效复用、MS发起的信道接入（特别是有冲突和碰撞时）、MS终止的信道接入、优先级处理。RLC负责LLC与MAC功能的接口、LLC-PDU的分割与重组、后向纠错BEC5.2GPRS网络2023/6/834MAC/RLC层为GPRS空中接口数据链路层的低层，需用物理链路层提供的功能。（3）逻辑链路控制层LLCLLC在同一层的MAC/RLC上，当MAC与RLC在MS和BSS间交互工作时，LLC在MS和SGSN间协同工作。负责在高层子网依赖汇聚层SNDCP的SNDCP数据单元上形成LLC地址、帧字段，生成完整的LLC帧，需要使用MAC/RLC层的功能。

5.2GPRS网络2023/6/8352空中接口的信道构成GPRS中接口标准遵循GSM系统的标准。在GPRS系统的空中接口中，一个TDMA帧分为8个时隙，每个时隙发送的信息称为一个“突发脉冲串”(Burst)；每个TDMA帧的一个时隙构成一个物理信道。物理信道被定义成不同的逻辑信道；与GSM系统不同，在GPRS系统中，一个物理信道既可以定义为一个逻辑信道，也可以定义为一个逻辑信道的一部分，即一个逻辑信道可以由一个或几个物理信道构成；空中接口的信道由分组公用控制信道(PCCCH)、分组广播控制信道(PBCCH)和分组业务信道（PTCH）等构成。5.2GPRS网络2023/6/836（1）分组数据逻辑信道GPRS信道完成类似GSM逻辑信道的功能。GPRS系统传递如鉴权、同步等信令，可使用GSM系统的逻辑信道。对分组数据及相关信令的传递，GPRS依据GSM逻辑信道划分方法定义分组信道。如图所示。5.2GPRS网络2023/6/837①分组业务信道（PTCH）包括全速率PDTCH-F和半速率PDTCH-H分组业务信道。用于传输分组数据，当提供点到多点业务时可分配给小区内一个MS或一组MS。系统支持一个用户使用多个PDTCH

。②分组控制信道（PCCH）：包括PBCCH、PCCCH、PDCCH。分组广播控制信道（PBCCH）：用于下行链路广播分组数据传输。是可选的，用BCCH来指示存在与否，如果不存在，用BCCH为分组数据传输发送广播信息。5.2GPRS网络2023/6/838分组公用控制信道(PCCCH，PacketCommonControlChannel)分组寻呼信道（PPCH）：PPCH（PacketPagingChanne1），用来寻呼GPRS被叫用户。只存在于下行链路。在下行数据传输之前用于寻呼MS。可以用来寻呼电路交换业务。分组随机接入信道（PRACH）：PRACH（PacketRandemAccessChannel）。GPRS用户通过PRACH向基站发出信道请求。只存在与上行链路，MS用来发起上行传输数据和信令信息。分组接入突发和扩展分组接入突发使用该信道。5.2GPRS网络2023/6/839分组准许接入信道（PAGCH）：PAGCH（PacketAccessGrantChannel）。PAGCH是一种应答信道，对PRACH作出应答。只存在于下行链路。在发送分组之前，网络在分组传输建立阶段向MS发送资源分配信息。分组通知信道(PNCH)：PNCH（PacketNotificationChannel）。只存在于下行链路。当发送点到多点-组播(PTM-M)分组之前，网络使用该信道向MS发送通知信息。③专用控制信道PDCCH分组随路控制信道PACCH为单向信道，PACCH/U用于上行链路，PACCH/D用于下行链路。PACCH用于在MS和基站间交换专用信令信息。包括功率控制和定时提前信息、资源分配和再分配消息等。即使一个MS分配了多个PDCCH，仅需一个PACCH。5.2GPRS网络2023/6/840上行链路分组定时提前控制信道PTCCH/U：用于发送随机接入突发序列，使MS可估计定时提前量。下行链路分组定时提前控制信道PTCCH/D：用于向多个MS发送定时提前量更新。一个PTCCH/D与多个PTCCH/U成对使用。移动台发送、接收数据时的信道使用过程如下图所示。5.2GPRS网络2023/6/841图

移动台发送数据时的信道使用过程图移动台接收数据时的信道使用过程5.2GPRS网络2023/6/842（2）GPRS物理信道①突发脉冲序列：包括普通突发序列NB、频率校正突发序列FB、同步突发序列SB、接入突发序列AB和空闲突发序列DB。每一突发中都有与GSM中相同的保护间隔。②无线块结构GPRS共享物理信道通过无线块实现。GPRS在GSM时隙基础上构造了无线块结构。无线块是空中接口传输用户数据和信令的物理信道基本单位。多个用户逻辑信道数据可以复用在一个物理信道即PDCH中。5.2GPRS网络2023/6/843无线块组成，传输不同的数据和控制信息有不同的无线块结构，三部分组成。块结构包含MAC层头部、RLC数据块或RLC/MAC，层控制块，一般情况下包括4个正常的突发。如下图所示。MAC头：信息有上行链路状态标志USF(仅用在下行链路DL中)，用来指出下个上行链路UL无线块的所有者、内容类型(数据或信令)；用来标识无线块的所有者的临时块标识TFI。信息单元：含用户数据或信令信息。RLC数据由RLC头和RLC数据组成，RLC头用于向接收端标识发送的MS，RLC数据来自1个或几个逻辑链路控制层的协议数据单元(LLCPDU)；信令信息内容是RLC/MAC层信令信息，称为RLC/MAC控制块。5.2GPRS网络2023/6/8445.2GPRS网络图GPRS无线块结构2023/6/845块校验序列BCS：当MAC头和内容在物理层与高层间切换时，需计算块校验序列BCS用于检错。（3）复帧结构物理信道所承载分组逻辑信道可动态地映射到52帧的复帧上，对应于GSM系统中TCH的2个26帧的复帧。每个复帧含12个无线块和4个空闲帧，一个无线块由4个连续TDMA帧中的4个突发序列组成。复帧中，逻辑信道使用无线块结构传输信息，除了PRACH信道使用接入突发序列外，其他信道均使用普通突发序列。5.2GPRS网络2023/6/846复帧中，消息类型利用无线块头判断，以区别不同的逻辑信道。（4）无线块的复用在上行复用时通常是PDTCH和PACCH或者是PDTCH、PACCH和PRACH的复用。在下行