| 對于一個技術人員而言，GPRS是一個美麗而又復雜的系統，它繼承了無線領域幾代技術的精華，又吸收了數據網絡數十年成功的經驗。如此種種，決非一篇文章可以盡數。本文試圖從原理角度介紹GPRS網絡元素、數據傳輸協議和操作流程，希望能揭開冰山的一角，為大家了解GPRS技術提供幫助。 |
| 作為一個用戶，他所見到GPRS網絡是一個承載網，與以太網，幀中繼網無異。而從系統工程師的角度看，這個網絡就復雜多了，為了提供二層承載，GPRS網絡引入了許多新的網絡元素和數據處理方法。 |
| 數據由用戶的手機到因特網要經過四個設備，MS（Mobile Station，手機）、BSS（Base Station System，基站系統）、SGSN（Serving GPRS Support Node，服務GPRS節點）和GGSN（Gateway GPRS Support Node，網關GPRS節點）。其中，SGSN和GGSN是新增設備，而MS和BSS需要進行設備的軟硬件升級。 |
| MS：一方面，處理空中接口的上下行傳輸；另一方面，將數據信息發給與之連接的計算機。 |
| BSS：通常包括一系列設備。負責分配空中的信道資源，并在手機和SGSN之間轉發信息。 |
| SGSN：是無線部分和數據網部分的分界線，負責管理手機的移動，并與GGSN協作完成用戶數據在Gn網絡上的傳輸。 |
| GGSN：是GPRS網絡與外網的分界線，對內負責Gn網絡的傳輸，對外是一臺因特網路由器。其中的BGGSN（Border GGSN）負責連接不同運營商之間的Gn網絡，實現網間漫游。上述四個設備將用戶的計算機和因特網連接起來，完成了無線上網的數據傳輸工作。這之間用到的接口有： |
| R：計算機與GPRS手機之間的接口。可以基于多種傳輸方法，如RS232、紅外等等。 |
| Um：空中接口，在手機與BSS之間。接口上的傳輸格式與GSM無異，但邏輯信道的定義和分配有很大差別。 |
| Gb：BSS和SGSN之間的接口。可以是租用的幀中繼網絡或者是運行幀中繼封裝協議的專線。 |
| Gn：SGSN和GGSN之間的接口。所有的SGSN和GGSN構成了GPRS的骨干網，這個網絡是運營商的私有網絡，與外網之間沒有路由。GGSN將外網的信息封裝后在Gn網絡上傳輸。 |
| Gi：GGSN和外網之間的接口。在這個接口上可以設置隧道（Tunnel），以保證用戶到企業內部網之間的安全性。 除此之外，還有Gp接口，在BGGSN和其他運營商的網絡之間，以便實現網間漫游。所有這些設備和接口如圖所示（雙線標出的是數據通路）： |
| 在上圖中，還包括一些傳統的GSM設備，如MSC（Mobile Switch Center，移動交換中心）、HLR（Home Location Register，用戶位置寄存器）、SMS（Short Message Service，短消息服務中心）等等。這些設備與GPRS網絡元素之間的接口主要是信令接口。比如： |
| Gr接口，在SGSN和HLR之間。用戶向SGSN登錄時，SGSN在HLR中獲得用戶的登記信息和鑒權信息。 |
| Gs接口，在SGSN和MSC之間。主要為了便于一些組合的操作，例如，一個用戶要同時登錄GPRS和GSM兩個網絡，SGSN就要通過這個接口將對GSM網絡的登錄請求轉發給MSC。 |
| Gd接口，在SGSN和SMS之間。有了這個接口，短消息就可以通過GPRS網絡傳送，而不必占用GSM的資源。 |
| Gc接口，在GGSN和HLR之間。設置它的目的是為了支持外網主機發起連接。通常連接是由手機發起的，SGSN在對用戶鑒權之后，找到指定的GGSN，并與之建立數據通路。如果聯接是由外網主機發起的，信息到達GGSN之后，GGSN就需要通過Gc接口查詢HLR：（1）目的IP對應哪一臺手機；（2）這臺手機現在由哪一個SGSN控制。這個接口目前還沒有實現。 |
| 上面的所有這些設備和接口是從網絡功能上講的。在現實的GPRS網絡中，還需要一些其它的輔助設備。例如網絡管理設備、Gn網絡的路由器、交換機和應用支持設備（DNS和DHCP服務所在的主機）等等。 |
| 了解一個系統，除了它的組成之外，我們最關心的莫過于系統中所使用的協議。GPRS引入了許多新的協議，它們大多出現在數據傳輸通路上，如下圖所示： |
| 數據包從外網傳到手機要經過四個接口，Gi、Gn、Gb和Um。下面我們就順序介紹在這個過程中所使用到的傳輸協議。 |
| 在這個接口上沒有新的協議。與普通的路由器一樣，GGSN利用現有的傳輸方法，接收二層數據幀。之后，做幀處理，得到IP數據包。分析該IP包的目的地址，恰為本地PDP Context所標示的某一手機地址，則將此數據包送至Gn接口的軟件模塊，做進一步處理。 |
| 最先對數據包做處理的GTP（GPRS Tunneling Protocol）協議，它實現了從GGSN到SGSN的虛擬傳輸通路，即隧道。隧道的優點有二，一是便于手機的移動，當手機由一個SGSN轉移到另外一個SGSN的控制下時，只需改變GTP的配置，使隧道的末端發生變化即可，對于被承載的IP數據包來說是透明的；二來，在Gi和Gn兩個網絡之間，即外網和運營商網絡之間不存在路由，只有封裝關系，安全性得到了保障。 |
| Gn網絡本身是一個TCP/IP網絡，Gn網絡中的元素都是靠IP來尋址的。GTP協議數據包對于Gn網絡來說是高層的應用數據，需要由TCP或UDP承載，對應GTP應用的四層端口號是3386。之后， TCP或UDP的數據包進一步封裝成IP包，此包的目的地址即為目標SGSN的地址。 |
| Gn網絡中的IP包傳送也是靠一系列的路由器和交換機來完成的。注意，這時傳送的是運營商內網IP（或者內層IP、下層IP），與此相對應，封裝在GTP協議內部的IP叫做外網IP（或者外層IP、上層IP）。 |
| 數據到達SGSN之后，層層解封，最終還原出用戶的IP數據包，交給IP Relay軟件模塊。 |
| 首先，SNDCP（Sub-Network Dependent Convergence Protocol）對IP數據包做同一化處理，這一步的目的是提高GPRS的可擴展性，未來，只需改變SNDCP就可以適應新的三層協議，比如IPv6。除此之外，SNDCP還負責數據的壓縮和分段，壓縮的目的是節約空中接口帶寬，分段的目的是適應下層LLC的MTU（Maximum Transmission Unit，最大傳輸單元）。 |
| LLC（Logical Link Control）協議負責從SGSN到手機的數據傳輸。它的服務對象有三，SNDCP數據包（即用戶數據）、用戶信令和短消息。服務的類型有面向連接和無連接兩種，用戶可以根據QoS要求選擇。 |
| BSSGP（Base Station System GPRS Protocol）是SGSN與BSS通訊的最上層協議，故而它不但發送上層的LLC數據，還傳輸SGSN對BSS的控制信息，如對手機的呼叫（Paging）等等。 |
| NS（Network Service）提供網絡傳輸服務，目前，這個服務是基于幀中繼PVC的。也就是說，Gb接口是幀中繼接口，可以租用幀中繼服務商的線路，也可以在專線上運行幀中繼協議。 |
| 數據到達BSS之后，同樣是層層解封，最終得到的是LLC數據幀，BSS并不對LLC幀做處理，而只是透明轉發。 |
| 任何由空中接口傳輸的數據，必須先經過兩個協議的處理，RLC（Radio Link Control）和MAC（Media Access Control）。 RLC將LLC數據幀拆分成便于空中傳輸的數據塊，并負責空中接口的可靠性保障。數據塊的大小依Coding Scheme的不同，可能是181bits、268bits、312bits和428bits。 |
| MAC的功能是控制空中資源的使用，由于一個用戶可以使用多個信道，多個用戶也可以使用一個信道，而且，資源的分配是動態的，所以下行傳輸時，MAC必須標識當前的數據塊是給哪一個手機的，上行傳輸時，必須指定當前資源由誰使用。 |
| 加上LLC和MAC頭之后，數據塊被卷積（Convolutional Coding）和交織（Interleaving）。卷積指在數據中添加冗余信息，以減少非連續比特錯誤。卷積處理之后的數據塊統一為456比特。交織是將數據塊交叉分散到四個突發序列（Normal Burst）中，可以抵抗連續比特錯誤。 |
| 經過上述處理，最終得到的突發序列與GSM無異，每個包含114比特的數據信息。它們采用和GSM同樣的方式，通過空中接口，到達手機。手機做如圖的解封之后，還原出IP數據包。至此，IP包通過了GPRS網絡，承載的功能完成了。 |
| 控制GPRS操作的有兩個重要的Context，在SGSN之前（靠近手機一側）有MM Context，SGSN之后（靠近網絡一側）有PDP Context。 |
| MM Context負責移動管理，它有三種狀態，空閑（Idle）、就緒（Ready）和守候（Standby）。手機開機，執行登錄網絡操作，手機的狀態由空閑轉至就緒。在就緒狀態下，手機可以收發數據。一段時間沒有數據收發，手機將轉入守候狀態。這時，網絡中有手機的注冊信息，但手機基本不占用網絡資源。在守候狀態下，手機可以申請資源進行上行傳輸，位置更新；網絡方也可以通過Paging發起下行傳輸，傳輸一旦開始，手機就返回就序狀態。在正常狀態下，手機的MM Context在就緒和守候兩者之間。也就是說，無論網絡還是手機都隨時可以發起數據傳輸，這就是GPRS宣稱的一直在線（Always Online）功能，與傳統的上網方法相比，效率著實提高不少。 |
| PDP Context負責數據的傳輸，任何數據傳送之前，手機要建立PDP Context，必備的參數包括手機的IP地址，APN（Access Point Name，訪問點名字）等等。有了這些參數，SGSN可以發起建立一條到GGSN的數據傳輸通路。IP地址的動態分配也是在這個過程中完成的。 |
- 可靠性。GPRS從四個方面評價可靠性，GTP是否重傳，LLC是否重傳，LLC是否帶數據校驗和空中接口是否重傳。目前的實現大多是GTP、LLC不重傳，LLC帶數據校驗，空中接口有重傳。
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- 延遲。協議規定了三種量化的延遲標準和盡最大可能傳輸。目前實現的是盡最大可能傳輸。所有的延遲測量都是在Gi和R接口之間進行的。
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- 突發速率。分為九級，從8Kbps到未來的2Mbps。
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| 合理的數據傳輸計費方法應該綜合考慮數據量與服務質量。不過，計費并不是GPRS協議規定的內容，它的方式將由系統運營商決定。 |
| 正如本文開篇所言，GPRS是一個非常復雜的系統，決非一篇文章可以盡述。如果你想更加系統地了解GPRS，最好的方法莫過于閱讀ETSI的GSM 03.60協議 GPRS Service Description。 |
posted on 2006-09-07 11:45
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