| 对于一个技术人员而言，GPRS是一个美丽而又复杂的系统，它继承了无线领域几代技术的精华，又吸收了数据网络数十年成功的经验。如此种种，决非一篇文章可以尽数。本文试图从原理角度介绍GPRS网络元素、数据传输协议和操作流程，希望能揭开冰山的一角，为大家了解GPRS技术提供帮助。 |
| 作为一个用户，他所见到GPRS网络是一个承载网，与以太网，帧中继网无异。而从系统工程师的角度看，这个网络就复杂多了，为了提供二层承载，GPRS网络引入了许多新的网络元素和数据处理方法。 |
| 数据由用户的手机到因特网要经过四个设备，MS（Mobile Station，手机）、BSS（Base Station System，基站系统）、SGSN（Serving GPRS Support Node，服务GPRS节点）和GGSN（Gateway GPRS Support Node，网关GPRS节点）。其中，SGSN和GGSN是新增设备，而MS和BSS需要进行设备的软硬件升级。 |
| MS：一方面，处理空中接口的上下行传输；另一方面，将数据信息发给与之连接的计算机。 |
| BSS：通常包括一系列设备。负责分配空中的信道资源，并在手机和SGSN之间转发信息。 |
| SGSN：是无线部分和数据网部分的分界线，负责管理手机的移动，并与GGSN协作完成用户数据在Gn网络上的传输。 |
| GGSN：是GPRS网络与外网的分界线，对内负责Gn网络的传输，对外是一台因特网路由器。其中的BGGSN（Border GGSN）负责连接不同运营商之间的Gn网络，实现网间漫游。上述四个设备将用户的计算机和因特网连接起来，完成了无线上网的数据传输工作。这之间用到的接口有： |
| R：计算机与GPRS手机之间的接口。可以基于多种传输方法，如RS232、红外等等。 |
| Um：空中接口，在手机与BSS之间。接口上的传输格式与GSM无异，但逻辑信道的定义和分配有很大差别。 |
| Gb：BSS和SGSN之间的接口。可以是租用的帧中继网络或者是运行帧中继封装协议的专线。 |
| Gn：SGSN和GGSN之间的接口。所有的SGSN和GGSN构成了GPRS的骨干网，这个网络是运营商的私有网络，与外网之间没有路由。GGSN将外网的信息封装后在Gn网络上传输。 |
| Gi：GGSN和外网之间的接口。在这个接口上可以设置隧道（Tunnel），以保证用户到企业内部网之间的安全性。 除此之外，还有Gp接口，在BGGSN和其他运营商的网络之间，以便实现网间漫游。所有这些设备和接口如图所示（双线标出的是数据通路）： |
| 在上图中，还包括一些传统的GSM设备，如MSC（Mobile Switch Center，移动交换中心）、HLR（Home Location Register，用户位置寄存器）、SMS（Short Message Service，短消息服务中心）等等。这些设备与GPRS网络元素之间的接口主要是信令接口。比如： |
| Gr接口，在SGSN和HLR之间。用户向SGSN登录时，SGSN在HLR中获得用户的登记信息和鉴权信息。 |
| Gs接口，在SGSN和MSC之间。主要为了便于一些组合的操作，例如，一个用户要同时登录GPRS和GSM两个网络，SGSN就要通过这个接口将对GSM网络的登录请求转发给MSC。 |
| Gd接口，在SGSN和SMS之间。有了这个接口，短消息就可以通过GPRS网络传送，而不必占用GSM的资源。 |
| Gc接口，在GGSN和HLR之间。设置它的目的是为了支持外网主机发起连接。通常连接是由手机发起的，SGSN在对用户鉴权之后，找到指定的GGSN，并与之建立数据通路。如果联接是由外网主机发起的，信息到达GGSN之后，GGSN就需要通过Gc接口查询HLR：（1）目的IP对应哪一台手机；（2）这台手机现在由哪一个SGSN控制。这个接口目前还没有实现。 |
| 上面的所有这些设备和接口是从网络功能上讲的。在现实的GPRS网络中，还需要一些其它的辅助设备。例如网络管理设备、Gn网络的路由器、交换机和应用支持设备（DNS和DHCP服务所在的主机）等等。 |
| 了解一个系统，除了它的组成之外，我们最关心的莫过于系统中所使用的协议。GPRS引入了许多新的协议，它们大多出现在数据传输通路上，如下图所示： |
| 数据包从外网传到手机要经过四个接口，Gi、Gn、Gb和Um。下面我们就顺序介绍在这个过程中所使用到的传输协议。 |
| 在这个接口上没有新的协议。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PDP Context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。 |
| 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。隧道的优点有二，一是便于手机的移动，当手机由一个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；二来，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。 |
| Gn网络本身是一个TCP/IP网络，Gn网络中的元素都是靠IP来寻址的。GTP协议数据包对于Gn网络来说是高层的应用数据，需要由TCP或UDP承载，对应GTP应用的四层端口号是3386。之后， TCP或UDP的数据包进一步封装成IP包，此包的目的地址即为目标SGSN的地址。 |
| Gn网络中的IP包传送也是靠一系列的路由器和交换机来完成的。注意，这时传送的是运营商内网IP（或者内层IP、下层IP），与此相对应，封装在GTP协议内部的IP叫做外网IP（或者外层IP、上层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。 |
| 首先，SNDCP（Sub-Network Dependent Convergence Protocol）对IP数据包做同一化处理，这一步的目的是提高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。它的服务对象有三，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。 |
| BSSGP（Base Station System GPRS Protocol）是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）等等。 |
| NS（Network Service）提供网络传输服务，目前，这个服务是基于帧中继PVC的。也就是说，Gb接口是帧中继接口，可以租用帧中继服务商的线路，也可以在专线上运行帧中继协议。 |
| 数据到达BSS之后，同样是层层解封，最终得到的是LLC数据帧，BSS并不对LLC帧做处理，而只是透明转发。 |
| 任何由空中接口传输的数据，必须先经过两个协议的处理，RLC（Radio Link Control）和MAC（Media Access Control）。 RLC将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。数据块的大小依Coding Scheme的不同，可能是181bits、268bits、312bits和428bits。 |
| MAC的功能是控制空中资源的使用，由于一个用户可以使用多个信道，多个用户也可以使用一个信道，而且，资源的分配是动态的，所以下行传输时，MAC必须标识当前的数据块是给哪一个手机的，上行传输时，必须指定当前资源由谁使用。 |
| 加上LLC和MAC头之后，数据块被卷积（Convolutional Coding）和交织（Interleaving）。卷积指在数据中添加冗余信息，以减少非连续比特错误。卷积处理之后的数据块统一为456比特。交织是将数据块交叉分散到四个突发序列（Normal Burst）中，可以抵抗连续比特错误。 |
| 经过上述处理，最终得到的突发序列与GSM无异，每个包含114比特的数据信息。它们采用和GSM同样的方式，通过空中接口，到达手机。手机做如图的解封之后，还原出IP数据包。至此，IP包通过了GPRS网络，承载的功能完成了。 |
| 控制GPRS操作的有两个重要的Context，在SGSN之前（靠近手机一侧）有MM Context，SGSN之后（靠近网络一侧）有PDP Context。 |
| MM Context负责移动管理，它有三种状态，空闲（Idle）、就绪（Ready）和守候（Standby）。手机开机，执行登录网络操作，手机的状态由空闲转至就绪。在就绪状态下，手机可以收发数据。一段时间没有数据收发，手机将转入守候状态。这时，网络中有手机的注册信息，但手机基本不占用网络资源。在守候状态下，手机可以申请资源进行上行传输，位置更新；网络方也可以通过Paging发起下行传输，传输一旦开始，手机就返回就序状态。在正常状态下，手机的MM Context在就绪和守候两者之间。也就是说，无论网络还是手机都随时可以发起数据传输，这就是GPRS宣称的一直在线（Always Online）功能，与传统的上网方法相比，效率着实提高不少。 |
| PDP Context负责数据的传输，任何数据传送之前，手机要建立PDP Context，必备的参数包括手机的IP地址，APN（Access Point Name，访问点名字）等等。有了这些参数，SGSN可以发起建立一条到GGSN的数据传输通路。IP地址的动态分配也是在这个过程中完成的。 |
- 可靠性。GPRS从四个方面评价可靠性，GTP是否重传，LLC是否重传，LLC是否带数据校验和空中接口是否重传。目前的实现大多是GTP、LLC不重传，LLC带数据校验，空中接口有重传。
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- 延迟。协议规定了三种量化的延迟标准和尽最大可能传输。目前实现的是尽最大可能传输。所有的延迟测量都是在Gi和R接口之间进行的。
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- 突发速率。分为九级，从8Kbps到未来的2Mbps。
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| 合理的数据传输计费方法应该综合考虑数据量与服务质量。不过，计费并不是GPRS协议规定的内容，它的方式将由系统运营商决定。 |
| 正如本文开篇所言，GPRS是一个非常复杂的系统，决非一篇文章可以尽述。如果你想更加系统地了解GPRS，最好的方法莫过于阅读ETSI的GSM 03.60协议 GPRS Service Description。 |
posted on 2006-09-07 11:45
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