《移动通信系统与应用》课件-第4章

第4章通用分组无线业务—GPRS

4.1GPRS概述4.2GPRS的网络结构4.3GPRS的高层管理功能4.4GPRS的服务4.5GPRS系统组网的原则及典型组网方案本章小结习题与思考题

4.1GPRS概述

4.1.1GPRS的概念

GPRS网络是在GSM网络的基础上发展起来的移动数据网，它通过在GSM网络中引入分组交换功能实体，完成用分组方式进行高速数据传输的功能。GPRS业务也可以看做是对原有的GSM电路交换系统进行的业务扩充，其目的是满足移动用户利用分组数据移动终端接入Internet或其他分组数据网络的需求。GPRS作为第二代向第三代过渡的技术，被称为第二代半(或称2.5代)技术。以GSM、CDMA为主的数字蜂窝移动通信和以Internet为主的分组数据通信是目前信息领域增长最为迅猛的两大产业，两者正呈现出相互融合的趋势。GPRS可以看做是移动通信和分组数据通信融合的第一步。移动通信在目前的语音业务继续保持发展势头的同时，对IP和高速数据业务的支持是向第三代移动通信系统演进的方向，而且也将成为第三代移动通信系统的主要业务特征。

GPRS包含丰富的数据业务，如PTP点对点数据业务、PTM-M点对多点广播数据业务、PTM-G点对多点群呼数据业务、IP-M广播业务。这些业务已具有了一定的调度功能，再加上GSMPhase2+中定义的语音广播及语音组呼业务，GPRS已能完成一些调度功能。

GPRS主要的应用领域有E-mail电子邮件、WWW浏览、WAP业务、电子商务、信息查询、远程监控等。4.1.2GPRS的主要特点

GPRS系统有如下几个特点：

(1)以灵活的方式与GSM语音业务共享无线与网络资源，采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用，提高了资源利用率。

(2)定义了新的GPRS无线信道，且分配方式十分灵活：每个TDMA帧可分配1～8个无线接口时隙。时隙能为在线用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的。

(3) GPRS采用了与GSM不同的信道编码方案，定义了CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种编码方案，用来支持中、高速数据传输，可提供9.05～171.2kb/s的数据传输速率(每用户)。

(4) GPRS的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据传输。它支持四种不同的服务质量等级(QoS)级别。GPRS能在0.5～1 s之内恢复数据的重新传输。GPRS的计费一般以数据传输量为依据。

(5) GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样。其密码设置程序的算法、密钥和标准与目前GSM中的一样，不过GPRS使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。GPRS移动设备(ME)可通过SIM访问GPRS业务，不管这个SIM是否具有GPRS功能。

(6) GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级(QoS)的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。

(7) GPRS的核心网络层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接。

(8) GPRS有“永远在线”的特点，即用户可随时与网络保持联系，且只要不下载、传输数据，一直在线也不需要另外付费。4.1.3GPRS的技术参数及优势

1. GPRS的主要技术参数

GPRS的主要技术参数如下：

(1)工作频段：

890～915MHz，935～960MHz；

1710～1780MHz，1800～1880MHz。

(2)频道间隔：200kHz。

(3)频率复用方式：4×3方式。

(4)每载波信道数：8个时隙。

(5)每信道数据速率：

(6)单终端多信道能力：同一载波下的1～8个时隙。

(7)调制方式：GMSK。

(8)信道占用方式：按需分配。

(9)信道前向纠错编码：卷积码(10)移动台类别：三类(A、B、C)。对应四种编码方案

2. GPRS技术优势

GPRS技术优势如下：

(1)资源利用率高。GPRS引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。

(2)传输速率高。GPRS可提供高达115kb/s的传输速率(最高值为171.2kb/s，不包括纠错检错编码FEC)。这意味着通过移动PC等，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率高的移动多媒体应用成为可能。

(3)接入时间短。分组交换接入时间缩短为少于1 s，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务(如信用卡核对、远程监控等)的效率，并可使已有的Internet应用(如

E-mail、网页浏览等)操作更加便捷、流畅。

(4)支持IP协议和X.25协议。GPRS支持因特网上应用最广泛的IP协议和分组网X.25协议。而且由于GSM网络覆盖面广，GPRS能提供Internet和其他分组网络的全球性无线接入。4.1.4GPRS标准的发展

1．ETSI的标准指定工作

欧洲最早于1993年就提出了在GSM网上开通GPRS业务，1997年GPRS的标准化工作取得重大进展，10月份ETSI发布了GSM02.60GPRSPhase1业务描述。1999年底完成GPRSPhase2的工作。

GPRS的标准的发展分3个阶段，这3个阶段分别制定了18个新的标准并对几十个现有标准进行修订，以实现GPRS。表4.1列出了这3个阶段的内容。按照ETSI的设想，GPRS应首先实现：

(1) PTP(点对点)业务；

(2) PTPTCP/IP的用户互通；

(3)从MS至GGSN的X.28协议，GGSN至外部PDN(数据通信网络)的X.25协议；

(4) Gn、Gb、Gr、Gp、Gs、Gi接口；

(5)对PTP和漫游的安全保障；

(6)运营者决定的呼叫闭锁和呼叫终止,运营者呼叫过滤;

(7)为PTM无线接口做准备工作；

(8)匿名接入和计费；

(9)通过对GPRS支持SMS-MO和SMS-MT。

2．我国GPRS标准化工作的进展情况

我国从1996年开始跟踪研究GPRS的相关标准，着重组织开展了一系列GPRS相关标准研究工作，并于2000年4月完成了“900/1800MHzTDMA数字蜂窝移动通信网GPRS隧道协议(GTP)规范”，由信息产业部电信传输所提出了“GPRS业务研究”的前期预研成果。从1998年开始，我国运营者开始酝酿在国内兴建GPRS的试验网络工作，加快了标准化工作的进程。在2000年内和2001年上半年，已颁布900/

1800MHzTDMA蜂窝移动通信网通用分组无线业务相关的系列标准。

4.2GPRS的网络结构

4.2.1GPRS网络的总体结构

GPRS是基于现有的GSM网络实现的，需要在现有的GSM网络中增加一些新节点：网关GPRS支持节点(GGSN)、服务GPRS支持节点(SGSN)。GGSN在GPRS网络和公用数据网之间起关口站的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN和LAN等。SGSN记录MS的当前位置信息，并在MS和各种数据网之间完成移动分组数据的发送和接收，为服务区内所有用户提供双向的分组路由。GPRS和GSM系统共用GSM基站，最大限度地保护了现有投资，但基站要进行软件更新，并采用新的GPRSMS。GPRS要增加新的移动性管理程序，通过路由器实现GPRS与主干网互连。同时，原GSM的NSS部分要进行软件更新和增加新的MAP信令与GPRS信令。如图4-1所示是GPRS的网络结构。数据终端通过串行或无线方式连接到GPRSMS上；GPRSMS与GSM基站通信，但与电路交换方式数据传输不同，GPRS分组数据是从基站发送到服务GPRS支持节点(SGSN)，而不是通过移动业务交换中心(MSC)连接到语音网络上。SGSN与网关GPRS支持节点(GGSN)进行通信；GGSN对GPRS分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如IP网或X.25网络。来自外部PDN的IP数据包(含有MS地址的标识)由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到GPRSMS上。

SGSN是GPRS/GSM网络结构中的一个节点，它与MSC处于网络体系中的同一层。SGSN通过帧中继与BSS相连，是GPRS网络结构与MS之间的接口。GGSN通过基于IP协议的GPRS主干网连接到SGSN，是连接GPRS网络和外部分组交换网的网关。GGSN主要起网关作用，也可将GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GPRS网络中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以将这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。SGSN和GGSN利用GPRS隧道协议(GTP)对IP或X.25分组进行封装，实现二者之间的数据传输。图4-1GPRS的网络结构4.2.2GPRS系统组成及接口

GPRS网络在原有的GSM网络的基础上增加了SGSN、GGSN等功能实体。因此，GPRS和GSM网络各实体的接口必须作相应的界定；另外，移动台则要求提供对GPRS业务的支持。GPRS系统组成及接口模型如图4-2所示。图4-2GPRS系统组成及接口模型

1．各模块介绍

1) GPRSMS

(1)终端设备(TeminalEquipment，TE)：终端用户操作和使用的计算机终端设备，在GPRS系统中用于发送和接收终端用户的分组数据。TE可以是独立的桌面计算机，也可以将TE的功能集成到手持的移动终端设备上，同MT(MobileTerminal)合二为一。从某种程度上说，GPRS网络所提供的所有功能都是为了在TE和外部数据网络之间建立起一个分组数据传送的通路。

(2)移动终端(MobileTermianl，MT)：一方面同TE通信，另一方面通过空中接口同BTS通信，并可以建立到SGSN的逻辑链路。GPRS的MT必须配置GPRS功能软件，以使用GPRS系统业务。在数据通信过程中，从TE的观点来看，MT的作用就相当于将TE连接到GPRS系统的Modem。MT和TE的功能可以集成在同一个物理设备中。

(3)移动台(MS)：可以看做是MT和TE功能的集成实体，物理上可以是一个实体，也可以是两个实体(TE+MT)。

2)分组控制单元

PCU是在BSS侧增加的一个处理单元，主要完成BSS侧的分组业务处理和分组无线信道资源的管理，目前PCU一般实现在BSC和SGSN之间。

3)服务GPRS支持节点

SGSN是GPRS网络的一个基本的组成网元，是为了提供GPRS业务而在GSM网络中引进的一个新的网元设备。其主要的作用就是为本SGSN服务区域的MS转发输入/输出的IP分组，其地位类似于GSM电路网中的VMSC。

4)网关GPRS支持节点

GGSN也是为了在GSM网络中提供GPRS业务功能而引入的网络功能实体，它负责在GPRS网络和外部数据网络之间提供数据包转发的路由、协议转换、封装等事宜，对外部网络来讲它相当于一个路由器，对移动用户来说它相当于一个网关。另外，它还具有地址分配、计费、防火墙等功能。用户选择哪一个GGSN作为网关，是在PDP上下文激活过程中根据用户的签约信息以及用户请求的接入点站点所确定的。

5)计费网关

CG主要完成从各GSN的话单收集、合并、预处理工作，并完成同计费中心之间的通信接口。在GSM原有网络中并没有这样一个设备，GPRS用户一次上网过程的话单会从多个网元实体中产生，而且每一个网元设备中都会产生多张话单。引入CG的目的就在话单送往计费中心之前对话单进行合并与预处理，以减少计费中心的负担；同时SGSN、GGSN这样的网元设备也不需要实现同计费中心的接口功能。

6) RADIUS服务器

在非透明接入的时候，需要对用户的身份进行认证，RADIUS服务器(RemoteAuthenticationDialInUserServiceServer，远程接入鉴权与认证服务器)上存储有用户的认证、授权。该功能实体并非GPRS所专有的设备实体。

7)域名服务器

GPRS网络中存在两种域名服务器：一种是GGSN同外部网之间的DNS，主要功能是对外部网的域名进行解析，其作用完全等同于固定Internet网络上的普通DNS；另一种是GPRS骨干网上的DNS，其作用主要有两点，一是在PDP上下文激活过程中根据确定的APN(AccessPointName)解析出GGSN的IP地址，二是在SGSN间的路由区更新过程中，根据旧的路由区号码，解析出老的SGSN的IP地址。该功能实体并非GPRS所专有的设备实体。

8)边缘网关

边缘网关(BorderGateway，BG)实际上就是一个路由器，主要完成分属不同GPRS网络的SGSN、GGSN之间的路由功能，以及安全性管理功能。该功能实体并非GPRS所专有的设备实体。

2．各接口介绍

1) Um接口

Um接口是GPRSMS与GPRS网络侧的接口，MS通过它完成与网络侧的通信，包括分组数据传送、移动性管理、会话管理、无线资源管理等多方面的功能。

2) Gb接口

Gb接口是SGSN和BSS间的接口(在华为的GPRS系统中，Gb接口是SGSN和PCU之间的接口)。通过Gb接口，SGSN完成同BSS系统、MS之间的通信，以完成分组数据传送、移动性管理、会话管理方面的功能。Gb接口是GPRS组网的必选接口。在目前的GPRS标准协议中，指定Gb接口采用帧中继作为底层的传输协议，SGSN同BSS之间可以采用帧中继网进行通信，也可以采用点到点的帧中继连接进行通信。

3) Gi接口

Gi接口是GPRS与外部分组数据网之间的接口。GPRS通过Gi接口和各种公众分组网(如Internet或ISDN网)实现互连，在Gi接口上需要进行协议的封装/解封装、地址转换(如私有网IP地址转换为公有网IP地址)、用户接入时的鉴权和认证等操作。

4) Gn接口

Gn接口是GRPS支持节点间的接口，即同一个PLMN内部SGSN间、SGSN和GGSN间的接口。Gn接口采用在TCP/UDP协议之上承载GTP(GPRS隧道协议)的方式进行通信。

5) Gs接口

Gs接口是SGSN与MSC/VLR之间的接口。Gs接口采用7号信令上承载BSSAP+协议的方式。SGSN通过Gs接口和MSC配合完成对MS的移动性管理功能，包括联合的Attach/Detach、联合的路由区/位置区更新等操作。SGSN还将接收从MSC来的电路型寻呼信息，并通过PCU下发到MS。如果不提供Gs接口，则无法进行寻呼协调，网络只能工作在操作模式II或III，不利于提高系统接通率；如果不提供Gs接口，则无法进行联合位置路由更新，不利于减轻系统信令负荷。

6) Gr接口

Gr接口是SGSN与HLR之间的接口。Gr接口采用7号信令上承载MAP+协议的方式。SGSN通过Gr接口从HLR取得关于MS的数据，HLR保存GPRS用户数据和路由信息，当发生SGSN间的路由区更新时，SGSN将会更新HLR中相应的位置信息；当HLR中数据有变动时，也将通知SGSN，SGSN会进行相关的处理。

7) Gd接口

Gd接口是SGSN与SMS-GMSC、SMS-IWMSC之间的接口。通过Gd接口，SGSN能接收短消息，并将它转发给MS、SGSN和SMS-GMSC、SMS-IWMSC。短消息中心之间通过Gd接口配合完成在GPRS上的短消息业务。如果不提供Gd接口，当C类手机附着在GPRS网络上时，它将无法收/发短消息。另外，随着短消息业务量的增加，如果提供Gd接口，则可减少短消息业务对SDCCH的占有，从而减少对电路语音业务的冲击。

8) Gp接口

Gp接口是GPRS网间的接口，是不同PLMN网的GSN之间采用的接口，在通信协议上与Gn接口相同，但是增加了边缘网关(BorderGateway，BG)和防火墙，通过BG来提供边缘网关路由协议，以完成归属于不同PLMN的GPRS支持节点之间的通信。

9) Gc接口

Gc接口是GGSN与HLR之间的接口，当网络侧主动发起对手机的业务请求时，由GGSN用IMSI向HLR请求用户当前SGSN地址信息。由于移动数据业务中很少会有网络侧主动向手机发起业务请求的情况，因此Gc接口目前作用不大。在Gc接口不存在的情况下，GGSN也可以通过与其在同一PLMN中有SS7相关接口的SGSN，经过GTP-to-MAP协议转换来实现该GGSN与HLR的信令信息交互。

10) Gf接口

Gf接口是SGSN与EIR之间的接口。由于目前网上一般都没有EIR，因此Gf接口作用不大。4.2.3GPRS空中接口及信道组成

1．空中接口

空中接口Um是MS和BSS之间的连接接口，GPRS的Um接口遵循GSM系统的标准，其射频部分与GSM系统相同。在GPRS系统的Um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“突发脉冲序列(Burst)”，每个TDMA帧的一个时隙构成一个物理信道。根据使用功能可定义不同的逻辑信道，MS与BSS之间需要传送大量的用户数据和控制信令，不同种类的信息由不同的逻辑信道传送。逻辑信道映射到物理信道上与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。GPRSUm空中接口的逻辑结构可以用功能分层的参考模型表示出来，如图4-3所示。MS与网络之间的通信涉及到物理RF层、物理链路层、无线链路控制/媒体接入控制层、逻辑链路控制层和子网相关汇聚层。物理层分为物理RF层和物理链路层两个子层。物理RF层执行物理波形的调制和解调功能，把物理链路层接收到的比特序列调制成波形，或把接收的波形解调成物理链路层所需要的比特序列。物理链路层提供在MS和网络之间的物理信道上进行信息传输的服务。这些功能包括数据单元成帧、数据编码、检测和纠正物理介质上传输错误。物理链路层使用物理RF层提供的服务。图4-3GPRS空中接口Um参考模型数据链路层包括RLC和MAC两个子层。RLC/MAC层提供通过GPRS无线接口传输信息的服务。这些功能包括后向纠错过程。MAC层提供多个MS接入共享媒体的方法。RLC/MAC层使用物理链路层提供的服务，并向上层(LLC)提供服务。SNDCP协议的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，MS和SGSN之间传送的数据被分割为一个或多个SNDC数据单元。SNDC数据包单元生成后被放置到LLC帧内。

2．分组数据逻辑信道组成

1)分组公共控制信道(PCCCH)

分组公共控制信道(PCCCH)包括如下一组传输公共控制信令的逻辑信道。

(1)分组随机接入信道(PRACH)：只存在于上行链路，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。

(2)分组寻呼信道(PPCH)：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。

(3)分组接入许可信道(PAGCH)：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。

(4)分组通知信道(PNCH)：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。

2)分组广播控制信道(PBCCH)

分组广播控制信道(PBCCH)只存在于下行链路，广播分组数据特有的系统信息。

3)分组业务信道(PTCH)

分组业务信道(PTCH)主要包括以下两个信道。

(1)分组数据业务信道(PDTCH)：用于传输分组数据。在PTM-M方式，该信道在某个时间只能属于一个MS或者一组MS。在多时隙操作方式时，一个MS可以使用多个PDTCH并行地传输单个分组。所有的数据分组信道都是单向的，对于移动发起的传输就是上行链路(PDTCH/U)，对于移动终止分组传输就是下行链路(PDTCH/D)。

(2)分组相关控制信道(PACCH)：它携带与特定MS有关的信令信息，这些信令信息包括确认、功率控制等内容；它还携带资源分配和重分配消息，包括分配的PDTCH的容量和将要分配的PACCH的容量。当PACCH与PDTCH共享时，就是共享时已经分配给MS的资源。另外，当一个MS正在进行分组传输时，可以使用PACCH进行电路交换业务的传输。

总之，GPRS系统定义了为分组数据而优化的逻辑信道，如表4.2所示。4.2.4GPRS的编号

GPRS除了与GSM相同的一部分编号(如MSISDN、IMEI、IMSI、TMSI、LAI及CGI等)外，还有一些特有的编号，下面仅对GPRS中特有的一些编号进行简单介绍。

1．分组临时移动用户识别码(P-TMSI)

为了支持用户安全保密业务，SGSN可以给访问的GPRS用户提供分组临时移动用户识别码(P-TMSI)，而且SGSN必须把P-TMSI和用户的IMSI联系起来。在一个具有电路型和分组型结合的网络中，一个移动台可被看做分配了两个身份：TMSI和P-TMSI。为了避免混淆规定：在MSC和SGSN都覆盖的区域内，SGSN分配的P-TMSI最高两比特为“11”，MSC分配的TMSI最高两比特为“00”、“01”、“10”。

2.路由区标识(RAI)

路由区标识(RoutingAreaIdentity，RAI)是由运营商定义的。在PBCCH中广播，一个路由区可包括若干个小区，移动终端离开一个RAI范围，就会进行一个RAI更新过程。RAI和LAI的功能相似，但比LAI更精确，若把RAI和LAI看成某些小区的集合，则RAI的覆盖范围是LAI的一个子集。RAI的结构为RAI=LAI+RAC，RAC为路由区寻址区代码。

3.网络层业务接入点标识(NSAPI)

当移动台请求激活PDP上下文时，移动台选择未被使用的NSAPI。NSAPI在MS中用于标识分组数据协议的接入点，即用户接入哪种网络业务(如X.25或IP)；在SGSN和GGSN之间，NSAPI作为TID的组成部分用于标识与一个PDP地址相对应的PDP上下文。

在同一个路由区中有一个NSAPI/TLLI对即可明确选路。

NSAPI的值规定为0～15，其中：“0”为将来的扩展设置的跳转机制；“1”为点对多点(PTM-M)的信息；“2～4”为保留将来使用；“5～15”为动态分配NSAPI值。

4.临时逻辑链路标识(TLLI)

P-TMSI是一个较短的标识，在相同的SGSN下，可区分出两个移动台。然而P-TMSI只有当MS接入GPRS网络后才被分配，而在接入的起始阶段，移动台应与SGSN交换信令，以便与另外一些移动台区分开来，但并不发送IMSI。为此，规范采用了临时逻辑链路识别码(TLLI)。

NSAPI用于标识MS的报文，TLLI用于定义一个路由区RA内MS与SGSN之间的一对一关系，它在MS和SGSN之间唯一地表示逻辑链路。

TLLI由移动台/SGSN直接或在P-TMSI的基础上生成。如果网络分配了一个新的P-TMSI，那么TLLI也随之而更新。TLLI包括32个比特位，0比特为最低有效比特。

5.隧道标识符(TID)

隧道技术用于将不同地点的两个相同网络类型的网络相连，在节点间快速传输数据包，在传输过程中，节点对信息内容不作任何处理。

隧道协议用隧道标识符(TID)来标识一个PDP上下文。TID是IMSI和NSAPI的组合，可唯一标识一个PDP报文。

一旦PDP上下文被激活，即把TID转移给GGSN；并用于GGSN和SGSN间的用户数据隧道传输，识别出SGSN和GGSN内MS的PDP上下文，在SGSN间RA内更新时或更新后；也用来将N-PDU从旧的SGSN转移出新的SGSN。

6. PDP地址

在高层，一个GPRS用户可以用一个IMSI来唯一标识。但在网络层，是通过一个或多个网络层地址来标识用户的，PDP地址即用户网络层地址。PDP地址可临时或永久性地分配给一个用户，可以是IPv4、IPv6或X.121地址。一个GPRS用户能同时打开几个网络对话。因此，系统定义了PDP分组数据协议，它通过移动终端中存储的一组信息及SGSN和GGSN来实现，这组信息使得数据可在分组交换数据网中传输。相应的PDP报文具有以下特征：PDP网络类型(如IP、X.25)；终端PDP地址(如IP地址)，可在对话期间进行动态分配；当前SGSN的IP地址；网络服务接入点标识符；服务质量。

PDP报文的激活、修改和清除是移动管理的一部分，也即PDP地址激活和失效的过程。

7. GSN的编号与地址

1) SGSN

(1) SGSN利用No.7编号与HLR、MSC/VLR、短消息中心等GSM网络实体进行通信。

(2) SGSN利用IP地址与GPRS骨干网中其他SGSN和GGSN进行通信。其IP地址现阶段支持IPv4，将来支持IPv6。

2) GGSN

(1)在配置Gc接口时，GGSN利用No.7编号与HLR进行通信。

(2) GGSN利用IP地址与GPRS骨干网中的SGSN进行通信。

(3) GGSN利用外部数据网分配的PDP地址与该外部数据网进行通信。

3) GSN地址的结构

GSN地址的结构如图4-4所示。图4-4GSN地址的结构图4-4中的地址字段的长度可变，它包含一个IPv4/IPv6地址或者是一个逻辑名称，该逻辑名称可以通过DNS转换成为相应的IP地址。各种地址类型的相应参数如表4.3所示。

4.3GPRS的高层管理功能

GPRS网络的高层管理功能主要有如下6个功能组：网络接入控制功能、分组路由和转发功能、移动性管理功能、逻辑链路管理功能、无线资源管理功能和网络管理功能。每个功能组都包含许多相对独立的功能。4.3.1网络接入控制功能

网络接入控制功能就是用户连接到电信网中使用由这个网络所提供的服务或者设施的途径。GPRS网络接入控制功能包含如下几个组成部分：

(1)注册功能。注册功能是指将用户的移动ID和在PLMN范围内的分组数据协议以及其他地址联系起来，还要与连到外部分组数据网络的用户的访问接入点联系起来。这种联系可以作为静态形式存储在HLR中，也可以是根据需要动态分配。

(2)鉴权功能。此功能是指向用户授予使用某种特定网络服务的权利和对特定用户的申请进行鉴权。鉴权的实现是和移动性管理联系在一起的。

(3)许可控制功能。该功能的目的是为了计算需要哪些网络资源以提供所要求的服务质量，并判断这些资源是否可用，然后预定这些资源。许可控制功能与无线资源管理功能相辅相成，以估计每一个蜂窝对无线资源的需求程度。

(4)消息屏蔽功能。此功能是指通过包过滤功能将未被授权的和多余的消息滤除。在GPRS的第一阶段，支持网络控制的和预约的消息屏蔽功能，在第二阶段，支持用户控制的消息屏蔽功能。

(5)分组终端适配功能。该功能使从终端设备接收或向终端设备发送的数据分组经过适配，以适合于在GPRS网络中传输。

(6)计费数据收集功能。此功能用于收集有关按用户计费和按流量计费的必要数据。4.3.2分组路由和转发功能

路由是一个有序的节点列表，用于在公用陆地移动通信网(PLMN)内或PLMN之间传递信息。每一个路由均由源节点、中继节点和目的节点所组成。路由选择是指根据一定规则，判断或选择在PLMN之内或之间传输消息所用路由的过程。

分组路由功能和转发功能主要包括以下几种：

(1)转发功能(中继功能)。转发功能是指将数据包从一个节点送到路由中的下一个节点的功能。

(2)路由功能。路由功能是指利用数据包消息中提供的目的地址决定该数据包消息应该发往哪个节点以及发送过程中应使用的下层服务的过程。

(3)地址翻译和映射功能。地址翻译功能是指将一种网络地址转换为另外一种网络地址的功能。GPRS的地址翻译可以将外部网络协议地址转换为内部网络协议地址，以便于数据包在不同类型的网络之间进行路由选择和传输。

地址映射功能是指将一个网络地址映射为另一个同类型的网络地址。地址映射功能用于在GPRSPLMN内部或GPRSPLMN之间的路由选择和数据包的传输。

(4)封装功能。为了正确地传输数据包，而在数据包的头部增加地址信息和控制信息，这就是封装的功能；将这些地址信息和控制信息去除，从而解出数据包，这就是去封装的功能。

(5)隧道功能。隧道功能是指将封装后的数据包在GPRSPLMN内部或GPRSPLMN之间透明地从封装点传输到去封装点之间的功能。

(6)压缩功能。通过压缩功能，可最大限度地利用无线传输能力。

(7)加密功能。加密功能用于提高在无线接口上传输的用户数据和信令的保密性。它也用于保护GPRSPLMN不受外来的非法入侵。

(8) DNS功能。DNS功能将SGSN/GGSN的逻辑名字翻译成它的IP地址。4.3.3移动性管理(MM)功能

当用户在移动业务运营商那里办理了GPRS业务后，第一次使用GPRS手机必须注册到PLMN网络上，这与GSM手机一样，所不同的是，GPRS手机要将位置更新信息存储到SGSN中。分布在GPRS不同网络单元的用户信息分为4类：认证信息、位置信息、业务信息和鉴权数据。表4.4给出了用户信息类型、信息元素及所存储的位置。

GPRS类似于一台PC，它要上网不仅需要有一个账号，而且还要一个连接到数据网的地址。当前最常用的、大多数运营商所支持的地址为IP地址。

一部新的GPRS手机用户首先要注册到网络，网络侧要为这一用户分配一个IP地址。其注册过程类似于GSM的位置更新，这一过程称为GPRS附着过程。网络为移动台分配IP地址，使其成为外部IP网络的一部分，这一过程称为PDP移动关联激活。GPRS手机结束与GPRS网络的连接，结束与SGSN建立的PDP移动关联的连接，这一过程称为去附着。通常GPRS手机连接到网络需要两个阶段：

(1)连接到GPRS网络(GPRS附着)。GPRS手机开机后，要向网络发送附着信息。SGSN从HLR收集用户数据，对用户进行鉴权，然后与GPRS附着。

(2)连接到IP网络(PDP关联)。GPRS手机与网络关联后，向网络请求一个IP地址(比如：6)。一个用户可能有的IP地址如下：

①静态IP地址：分配给用户固定的IP地址；

②动态IP地址：每次会话都分配给用户一个新地址。

1．移动性管理状态的定义

GPRS移动性管理的主要作用与GSM一样，就是确定GPRS移动台的位置，在GPRS网络中的移动性管理涉及新增的网络节点和接口以及参考点，这与GSM网中的有很大的不同。它定义了3种移动性管理状态。每一种状态都描述了一定的功能性级别和分配的信息。这些由MS和SGSN所拥有的信息集合称做移动性管理环境。

1)空闲状态

移动台没有开机或没有进行连接时，称为空闲状态。此时，移动用户没有附着GPRS网络，即没有附着GPRS移动性管理。移动台和SGSN均未保留有效的用户位置或路由信息，并且不执行与用户有关的移动性管理过程。在这个状态下，MS完成PLMN选择、GPRS选择和重选择过程。MS除了只能收到PTM-M的信息外，移动用户不能进行PTP数据的接收或发送，也不能进行PTM-G数据的传输，对用户的寻呼等功能也是不可用的。

MS通过执行GPRS激活过程在MS和SGSN中建立MM环境。

2)等待状态

移动台与网络建立了连接时，称为等待状态，此时，用户与GPRS移动性管理建立连接，移动台和SGSN已经为用户的IMSI建立了移动性管理关联。移动台可以接收点对多点的业务数据，并且可以接收点对点或点对多点群呼业务数据的寻呼或对信令消息传递的寻呼。通过SGSN也可以接收电路交换业务的寻呼，但在此状态下不能进行点对点数据接收和传送。

MS执行GPRS路由区(RA)选择、GPRS蜂窝选择和本地重选功能。当MS进入一个新的路由区时，MS会执行移动性管理过程来通知SGSN。而在同一路由区中改变蜂窝时就不需通知SGSN。因此，在等待状态下，SGSNMM环境中的位置信息仅包含MS的GPRS路由区标识(GPRSRAI)。

在等待状态时，MS启动PDP环境的激活或去活。一个PDP环境将会在数据发送或接收前被激活。如果PDP环境已被激活，则SGSN可在MM等待状态下接收移动终端的PTP或PTM-G分组，并且SGSN会在这个MS所处的路由区中发送一个寻呼请求。当MS响应了这个寻呼时，MS中的MM状态就会转变到就绪(Ready)状态。在SGSN中，如果它收到了MS对寻呼的回应信息，其MM状态也会转变到就绪状态。同样，当数据或信令从MS处发送时，MS的MM状态会改变到就绪状态。相应地，当SGSN收到MS发来的数据和信令时，其MM状态也会改变到就绪状态。

MS可以运行GPRS断开(Detach)过程进入空闲状态。

3)就绪状态

移动台进行数据传输时，称为就绪状态，此时，移动台与GPRS移动性管理建立了PDP关联，移动台可以接收/发送数据。另外，网络不会发起对就绪状态的移动台寻呼，其他业务的寻呼可以通过SGSN进行。在任何时候，只要没有寻呼，SGSN就可以向移动台发送数据，移动台也可以向SGSN发送数据。就绪状态由一个定时器控制，如果定时器超时，MM关联就会从就绪状态变为等待状态。

2.移动性管理状态转移

从一个状态变成下一个状态与当前的状态(空闲、等待、就绪)和发生的事件(例如GPRS附着)有关。移动性管理状态迁移模型如图4-5所示。图4-5移动性管理状态迁移模型

1)从空闲向就绪状态迁移(附着)

MS请求接入，并且发起至SGSN的逻辑连接，MS激活GPRS的移动性管理关联，进入就绪状态。

2)从等待向空闲状态转移

在等待状态下，不发送数据，定时器超时就会进入空闲状态，从等待向就绪状态转移。

3)从就绪向等待状态转移

就绪定时器超时返回等待状态。

强制返回等待状态时，在就绪状态计时器超时之前，MS或SGSN可能会发出一个返回到等待状态的信号，然后其MM环境会立即返回到等待状态。

4)从就绪向空闲状态转移(去附着)

MS请求网络断开GPRS业务后，就进入空闲状态。4.3.4逻辑链路管理功能

逻辑链路指MS到GPRS网络间所建立、传送分组数据所需的逻辑链路。逻辑链路管理功能是指在MS与PLMN之间、在无线接口上维持一个通信渠道。当逻辑链路建立后，MS与逻辑链路具有一一对应的关系。4.3.5无线资源管理功能

无线资源管理功能参与无线通信路径的分配和维护。GSM无线资源能被电路模式(语音和数据)服务和GPRS服务之间所共享。其路径管理功能用于管理基站无线子系统(BSS)与SGSN节点之间的分组数据通信路径。可根据数据流量动态建立和释放这些路径，又可根据每一蜂窝中的最大期望载荷静态地建立和释放这些路径。4.3.6网络管理功能

网络管理功能即GPRS系统的操作维护功能，支持与GPRS相关的运行和维护中心(OMC)功能。

4.4GPRS的服务

4.4.1GPRS的安全保证

无线网络没有固定网络安全，因为任何人都可以在不影响运营商设备的同时，侦听和发射无线电波。为了改进这种状况，使网络可以防止欺骗性接入，保证用户传输信息的保密性，GSM中定义了许多安全保证措施。GPRS继承并采纳了以下这些措施：移动终端鉴别；接入控制；用户识别号(IMSI)的保密性；用户信息加密。和GSM一样，GPRS中所有的安全功能几乎都涉及SIM卡。GPRS手机使用的SIM卡和GSM手机一样，用户可以在GPRS手机上使用原GSM手机的SIM卡，所用的安全措施为：用户个人身份号码、鉴权、加密、使用临时移动用户识别码。

GSM所有的安全功能都与SIM卡有关，实际上鉴权的主体是SIM卡而不是用户(或MS)。由于SIM卡很难被复制或伪造，因此可以为网络和用户提供可靠的安全保障。4.4.2GPRS移动终端

为满足不同用户的需要，GPRS定义了三种不同的移动终端类别：A类(classA)、B类(classB)和C类(classC)。

A类：该类终端可同时使用GSM电路交换服务和GPRS服务。用户可在通话的同时，通过GPRS链路收/发数据；还允许传统GSM服务和GPRS服务的同时接入、激活和监控。

B类：该类终端允许传统GSM业务和GPRS业务的同时接入、激活和监控，但不允许GSM和GPRS服务同时进行。例如，一个用户建立了GPRS数据连接，并正在收/发数据，若这时MS有来话，并且接听了该呼叫，则在用户通话时，GPRS虚拟连接被“挂起”或“示忙”，不能进行数据传输，当用户通话结束后，该虚拟连接才可继续传输数据。

C类：该类终端是一个纯粹的GPRS终端(只能支持GPRS)，或既可支持GSM电路交换服务，又可支持GPRS，但该MS必须在GSM和GPRS两种模式间来回切换，当切换到GPRS模式下时，用户可使用该终端发送或接收GPRS呼叫，但不能用其发送或接收GSM呼叫；同样，切换至GSM模式下时，用户可使用该终端发送或接收GSM呼叫，但不能用其收/发GPRS呼叫。4.4.3GPRS的具体应用

GPRS业务主要有以下应用：

(1)信息业务。传送给移动电话用户的信息内容广泛，如股票价格、体育新闻、天气预报、航班信息、新闻标题、娱乐、交通信息等。

(2)交流。由于GPRS与因特网的协同工作，GPRS将允许移动用户完全参与到现有的因特网聊天组中，而不需要建立属于移动用户自己的讨论组。因此，GPRS在这方面具有很大的优势。

(3)网页浏览。移动用户使用电路交换数据进行网页浏览无法获得持久的应用。由于电路交换传输速率比较低，因此数据从因特网服务器到浏览器需要很长的一段时间。所以，GPRS更适合于因特网浏览。

(4)文件共享及协同工作。移动数据使文件共享和远程协同性工作变得更加便利，这就可以使在不同地方工作的人们可以同时使用相同的文件工作。

(5) E-mail。GPRS能力的扩展，可使移动终端接转PC上的E-mail，扩大E-mail应用范围。E-mail可以转变成为一种信息不能存储的网关业务，或能存储信息的信箱业务。在网关业务的情况下，无线E-mail平台将信息从SMTP转化成SMS，然后发送到SMS中心。

(6)交通工具定位。该应用综合了无线定位系统，该系统告诉人们所处的位置，并且利用短消息业务转告他人其所处的位置。任何一个具有GPS接收器的人都可以接收他们的卫星定位信息以确定他们的位置，且可对被盗车辆进行跟踪。

(7)分派工作。非语音移动业务能够用来给外出的员工分派新的任务，并与他们保持联系；同时，业务工程师或销售人员还可以利用它使总部及时了解用户需求的完成情况。

(8)静态图像。例如，照片、图片、明信片、贺卡和演讲稿等静态图像能在移动网络上发送和接收。使用GPRS可以将图像从与一个GPRS无线设备相连接的数字相机直接传送到因特网站点或其他接收设备，并且可以实时打印。

(9)远程局域网接入。当员工离开办公桌外出工作时，他们需要与自己办公室的局域网保持连接。远程局域网包括所有应用的接入。4.4.4GPRS存在的问题

GPRS存在以下问题：

(1)可靠性稍差。由于分组交换连接比电路交换连接质量要差一些，因此使用GPRS会发生一些数据包丢失现象，导致可靠性下降，而且，由于语音和GPRS无法同时使用相同的网络资源，因此，用于专门提供GPRS使用的时隙数量越多，能够提供给语音通信的网络资源就越少。比如，语音和GPRS呼叫都分配相同的网络资源，这势必会对语音业务产生一些影响。其对业务影响的程度主要取决于时隙的数量安排。当然，GPRS可以对信道采取动态管理，并且能够通过在GPRS信道上发送短信息来减少高峰时信令信道的拥塞情况。

(2)实际传输速率比理论值低。GPRS理论的数据传输速率最大值是171.2kb/s，但要求只有一个用户占用所有的8个时隙，并且没有任何防错保护。运营商将所有的8个时隙都给一个用户使用，显然是不大可能的。另外，最初的GPRS终端预计可能仅支持1个、2个或3个时隙，一个GPRS用户的带宽因此将会受到严重的限制，所以，理论上的GPRS最大传输速率将会受到网络和终端现实条件的制约。

(3)对所有用户来说小区容量有限。GPRS并不能增加网络现存小区的总容量，即不能创造资源，只能更有效地使用现有资源。对于不同的用途只有有限的无线资源可供使用。GPRS的容量取决于系统预留给GPRS使用的时隙数。

(4)存在转接时延。GPRS用户采用不同的路由发送分组数据，最终到达相同的目的地。这样，数据在通过无线链路传输过程中可能会出现一个或几个分组数据包丢失现象或发生错误。针对无线分组技术这一固有特性，引入了数据完整性和重发策略，由此也产生了潜在的转接时延。

(5)终端不支持无线终止功能。目前，还没有任何一家主要手机制造厂家宣称其GPRS终端支持无线终止接收来电的功能，这将是对GPRS市场是否可以成功地从其他非语音服务市场抢夺用户的核心问题。启用GPRS服务时，用户将根据服务内容的流量支付费用，GPRS终端会装载WAP浏览器。但是，未经授权的内容也会发送给终端用户，更糟糕的是用户要为这些垃圾内容付费。

4.5GPRS系统组网的原则及典型组网方案

4.5.1GPRS组网原则

GPRS无线组网时有以下原则：

(1)充分利用现有GSM