分组交换通信技术

3.4.2.1　分组交换通信技术概述

分组交换通信技术（General Packet Radio Service，GPRS）也称为通用分组无线服务技术，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理技术，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。虽然GPRS是作为GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）方式来传输的，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56kB/s甚至114kB/s。

使用了GPRS后，数据实现分组发送和接收，这同时意味着用户总是在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。如果将电路交换数据（CSD，即通常说的拨号数据，欧亚WAP业务所采用的承载方式）承载改为在GPRS上实现，则意味着由数十人共同来承担原来一人的成本。

GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通信技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，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来实现分组交换，这种改造的投人相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络（VRN）上的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。在GPRS分组交换通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接，而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送方和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作由所有的用户共享使用。

由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。例如一个进行WWW浏览的用户，大部分时间处于浏览状态，而真正用于数据传送的时间只占很小的比例。这种情况下若采用固定占用信道的方式，将会造成较大的资源浪费。图3-12所示是基于分组的通信过程示意。

图3-12　基于分组的通信过程示意

GPRS系统采用的是分组通信技术，用户在数据通信过程中并不固定占用无线信道，因此对信道资源能够更合理地应用。由于使用了分组技术，利用GPRS下载资料和通话可以同时进行，从技术上来说，声音的传送（即通话）继续使用GSM，而数据的传送便可使用GPRS，这样就把移动电话的应用提升到一个更高的层次。发展GPRS技术也十分“经济”，因为只需沿用GSM网络来发展即可。GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览网页等。

在GSM移动通信的发展路标中，GPRS是移动业务和分组业务相结合的第一步，也是采用GSM技术体制的第二代移动通信技术向第三代移动通信技术发展的重要里程碑。

3.4.2.2　GPRS的特点

GPRS可全面解决手机上网的问题，这项全新技术可以在任何时间、任何地点都能快速方便地实现连接，同时费用又很合理。简单地说：速度上去了，内容丰富了，应用增加了，而费用却更加合理了。

GPRS应用上的特点包括：①高速数据传输，速度10倍于GSM，还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件，数据实现分组发送和接收，按流量计费。GPRS有56～115kB/s的传输速度，甚至可达171.2kB/s（GSM的访问速度为9.6kB/s），GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求。②永远在线，由于建立新的连接几乎无需任何时间（即无需为每次数据的访问建立呼叫连接），因而用户随时都可与网络保持联系。③仅按数据流量计费，即根据用户传输的数据量来计费，而不是如GSM一样按上网时间计费，也就是说，只要不进行数据传输，哪怕用户一直“在线”，也无需付费，GPRS对于网络资源的利用率远远高于GSM。

GPRS作为GSM分组数据的一种业务，在很大程度上拓展了GSM无线数据业务空间，GPRS业务主要包括Internet接人、WAP、专网接人、基于终端的安装业务、专线接人、GPRS短消息7种业务。由于GPRS具有相对低廉的连接费用及传输速率高、接人时间短等技术优势，其应用范围广泛，包括移动办公、移动商务、移动信息服务、移动互联网、多媒体业务等。

3.4.2.3　GPRS的网络结构

GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。GPRS网络的主要实体包括GPRS骨干网、网关GPRS支持节点（Gateway GPRS Supporting Node，GGSN）、服务GPRS支持节点（SGSN）、本地位置寄存器（HLR）、移动交换中心［MSC，含拜访位置寄存器（VLR）］、移动台、分组数据网络（PDN）、短消息业务网关移动交换中心（SMS）、GMSC和短消息业务互通移动交换中心（SMS）、IWMSC等。

GPRS网络引人了分组交换和分组传输的概念，这样使得GSM网络对数据业务的支持从网络体系上得到了加强。图3-13给出了GPRS网络的组成及接口示意。GPRS其实是叠加在现有的GSM网络上的另一网络，GPRS网络在原有的GSM网络的基础上增加了服务GPRS支持节点SGSN（Serving GSN）、网关GPRS支持节点GGSN等功能实体。GPRS共用现有的GSM网络的BSS系统，但要对软硬件进行相应的更新；同时对GPRS和GSM网络各实体的接口必须作相应的界定；另外，移动台要求提供对GPRS业务的支持。GPRS支持通过GGSN实现的和PSPDN的互联，接口协议可以是X.75或者X.25，同时GPRS还支持和IP网络的直接互联。

图3-13　GPRS网络的组成及接口示意

SGSN和GGSN是GSN的两种类型。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。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也称为GPRS路由器，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。GGSN可以对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。

SGSN为MS提供服务，与MSC/VLR/EIR配合完成移动性管理功能，包括漫游、登记、切换、鉴权等，对逻辑链路进行管理，包括逻辑链路的建立、维护和释放，对无线资源进行管理。SGSN为MS主叫或被叫提供管理功能，完成分组数据的转发、地址翻译、加密及压缩功能。SGSN能完成Gb接口SNDCP、LLC和Gn接口IP协议间的转换。

GGSN实际上就是网关或路由器，它提供GPRS和公共分组数据网以X.25或X.75协议互联，也支持GPRS和其他GPRS互联。GGSN和SGSN一样都具有IP地址，GGSN和SGSN一起完成了GPRS的路由功能。GGSN支持X.121编址方案和IP协议，可以IP协议接人Internet，也可以接人ISDN网。

基站系统（BSS）包括BSC和BTS，它除具有完成原话音需求所具备的功能外，尚要求具备和SGSN间的Gb接口、对多时隙捆绑分配的信道管理功能、对分组逻辑信道的管理功能。

3.4.2.4　GPRS网络接口及协议

1）GPRS网络接口

GPRS系统中存在各种不同的接口种类。GPRS接口涉及帧中继规程、7号信令协议、IP协议等不同规程。

GPRS系统的接口内容非常多，主要有Gb接口、Gr接口、Gn/Gp接口、Gi接口、Gs接口、Ga接口等。

（1）Gb接口：Gb链路提供BSS与SGSN之间的连接，用以传送小区管理和路由区切换信息，并进行MS与SGSN之间的数据传送，通过该接口SGSN完成移动性管理、无线资源管理、逻辑链路管理及分组数据呼叫转发管理功能。

（2）Gr接口：Gr接口指GPRS系统中SGSN与HLR之间的接口，它用于传送MS的加密信息、鉴权信息和用户数据库信息等。Gr接口采用7号信令MAP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HLR中的数据有变动时，也将通过SGSN，SGSN会进行相关的处理。

（3）Gn/Gp接口：Gn是GRPS支持节点间的接口，同一个PLMN内部GSN之间的接口，Gp是不同PLMN中GSN之间的接口。Gn与Gp接口都采用基于IP的GTP协议规程，提供协议规程的数据包在GSN节点间通过GTP隧道协议传送，是SGSN间、GGSN间、SGSN和GGSN间的接口，该接口采用TCP/IP协议。Gn接口一般支持域内静态或动态路由协议，而Gp接口由于经由PLMN之间的路由传送，所以它必须支持域间路由协议，如边界网关协议BGP。GTP规程仅在SGSN与GGSN之间实现，其他系统单元不涉及GTP规程的处理，不同GPRS网络间采用Gp接口互连，其由网关和防火墙组成。

（4）Gi接口：Gi接口是GPRS网络与外部数据网络的接口，它可以用X.25协议、X.75协议或IP协议等与各种公众分组网实现互联。在IP网络中，子网的链接一般通过路由器进行。因此，外部IP网认为GGSN就是一台路由器，它们之间可根据客户的需要考虑采用何种IP路由协议。另外，根据协议和IP网络的基本要求，可由运营商在Gi接口上配置防火墙，进行数据和网络安全性管理；配置域名服务器进行域名解析；配置动态地址服务器进行MS地址的分配；配置Radius服务器进行用户接人鉴权等。

（5）Gs接口：Gs接口为SGSN与MSC/VLR之间的接口，在Gs接口存在的情况下，MS可通过SGSN进行IMSI/GPRS联合附着、LA/RA联合更新，并采用寻呼协调，通过SGSN进行GPRS附着用户的电路寻呼，从而降低系统无线资源的利用，减少系统信令链路的负荷，有效提高网络性能。Gs接口采用7号信令MAP方式。SGSN通过GS接口和MSC配合完成对MS的移动性管理功能，SGSN传送位置信息到MSC，接收从MSC来的寻呼信息。

（6）Ga接口：SGSN/GGSN与计费网关CG之间的接口用于传送计费信息，它采用类似GTP的GTP协议。

（7）Gd接口：它是SMS_GMSC、SMS_INMSC和SGSN间的接口。通过该接口，SGSN能接收短消息，并将它转发给MS、SGSN和短消息业务中心——GMSC，从而完成在GPRS上的短消息业务。

2）GPRS协议及协议模型

（1）GPRS协议规程。

GPRS协议规程体现了无线和网络相结合的特征。其中既包含类似局域网技术中的逻辑链路控制LLC子层和媒体接人控制MAC子层，又包含RLC和BSSGP等新引人的特定规程，并且各种网络单元所包含的协议层次也有所不同，如PCU中的规程体系与无线接人相关，GGSN中的规程体系完全与数据应用相关，而SGSN规程体系则涉及两个方面，它既要连接PCU进行无线系统和用户管理，又要连接GGSN进行数据单元的传送。SGSN的PCU侧的Gb接口采用帧中继规程，GGSN侧的Gn接口则采用TCP/IP规程，SGSN中的协议低层部分，如NS和BSSGP层与无线管理相关，高层部分，如LLC和SNDCP则与数据管理相关。

由GPRS系统的端到端之间的应用协议结构可知，GPRS网络是存在于应用层之下的承载网络，它用于承载IP或X.25等数据业务。由于GPRS本身采用IP数据网络结构，所以基于GPRS网络的IP应用规程结构可理解为两层IP结构，即应用级的IP协议以及采用IP协议的GPRS系统本身。

GPRS分为传输面和控制面两个方面。传输面提供用户信息及其相关信息传送控制过程（如流量控制、错误检测和恢复等）的分层规程。控制面则包括控制和支持用户面功能的规程，如分组域网络接人连接控制（附着与去激活过程）、网络接人连接特性（PDP上下文激活和去激活）、网络接人连接的路由选择（用户移动性支持）、网络资源的设定控制等。

（2）GPRS协议模型。

Um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（Medium Access Control）层、LLC（Logical Link Control）层、SNDC（Sub Network Dependant Convergence）层和网络层。

Um接口的物理层为射频接口部分，而物理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200kB/s。考虑前向纠错码的开销，最终的数据速率可达164kB/s左右。

MAC层为媒质接人控制层。MAC层的主要作用是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。GPRS的逻辑信道共有3类，分别是公共控制信道、分组业务信道和GPRS广播信道。公共控制信道用来传送数据通信的控制信令，具体又分为寻呼和应答等信道。分组业务信道用来传送分组数据。广播信道则用来给移动台发送网络信息。

LLC层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议。LLC层负责在高层（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。另外，LLC层可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。

BSS中的LLR层是逻辑链路传递层。这一层负责转送MS和SGSN之间的LLC帧。LLR层对于SNDC数据单元来说是透明的，即不负责处理SNDC数据。

SNDC层被称为子网依赖结合层。它的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。

网络层的协议目前主要是Phase 1阶段提供的TCP/IP和L25协议。TCP/IP和X.25协议对于传统的GSM网络设备（如BSS和NSS等设备）是透明的。

3.4.2.5　GPRS封包（Packet）技术

所谓的封包（Packet）就是将数据封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为像Internet这类的数据传输大多数时候频宽是闲置的。此外，在GSM phase 2的标准里，GPRS可以提供4种不同的编码方式，这些编码方式也分别提供不同的错误保护（Error Protection）能力。利用4种不同的编码方式，每个时槽可提供的传输速率为CS-1（9.05kB/s）、CS-2（13.4kB/s）、CS-3（15.6kB/s）及CS-4（21.4kB/s），其中CS-1的保护最为严密，CS-4则是完全未加以任何保护。每个用户最多可同时使用8个时槽，所以GPRS号称最高传输速率为171.2kB/s。

3.4.2.6　GPRS的路由管理与IP

1）GPRS的路由管理

GPRS的路由管理是指GPRS网络如何进行寻址和建立数据传送路由。GPRS的路由管理表现在以下3个方面：移动台发送数据的路由建立、移动台接收数据的路由建立，以及移动台处于漫游时数据路由的建立。

对于第一种情况，当移动台产生了一个分组数据单元（PDU），这个PDU经过SNDC层处理，称为SNDC数据单元。然后经过LLC层处理为LLC帧，通过空中接口送到GSM网络中移动台所处的SGSN。SGSN把数据送到GGSN。GGSN对收到的消息进行解装处理，将其转换为可在公用数据网中传送的格式（如PSPDN的PDU），最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据作压缩和加密处理。

在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动台时，首先通过数据网的标准协议建立数据网和GGSN之间的路由。数据网用户通过建立好的路由把数据单元PDU送给GGSN，而GGSN再把PDU送给移动台所在的SGSN，把PDU封装成SNDC数据单元，再经过LLC层处理为LLC帧单元，最终通过空中接口送给移动台。

第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。其数据必须要经过归属地的GGSN，然后送到移动用户。空中接口的信道构成如下：分组数据业务信道（Packet Data Trafic Channel，PDTCH），这种信道用来传送空中接口的GPRS分组数据；分组寻呼信道（Packet Paging Channel，PPCH），用来寻呼GPRS被叫用户；分组随机接人信道（Packet Randem Access Channel，PRACH），GPRS用户通过PRACH向基站发出信道请求；分组接人应答信道（Packet Access Grant Channel，PAGCH），PAGCH是一种应答信道，对PRACH作出应答；分组随路控制信道（Packet Asscrchted Control Channel，PACCH），这种信道用来传送实现GPRS数据业务的信令。

2）GPRS与IP

GPRS技术的引进，把电信网络和计算机网络有机地连接在一起，朝未来的全IP网络平台发展。从GPRS的结构可以看出，基站与SGSN设备之间一般通过帧中继连接，SGSN与GGSN设备之间通过IP网络连接。

GGSN可以由具有网络地址翻译（NAT）功能的路由器承担内部IP地址与外部网络IP地址的转换，MS可以访问GPRS内部的网络，也可以通过外部网络接人点名（APN）访问外部的PDN/Internet网络。

在标识GPRS设备中，如手机MS的标识，除了在GSM中使用的IMSI、MSISDN等号码外，还需要分配IP地址。网元设备SGSN、GGSN的标识既有7号信令地址，又有数据GGSN的IP地址，GSN（SGSN或GGSN）之间的通信采用IP地址，而GSN与MSC、HLR等实体的通信采用7号信令地址。在GPRS系统中，有两个重要的数据库记录信息，一个是用户移动性管理上下文，用于管理移动用户的位置信息，另一个是用户的PDP上下文（分组数据协议上下文），用于管理从手机MS到网关GGSN及到ISP（Internet服务提供商）之间的数据路由信息。当MS访问GPRS内部网络或外部PDN/Internet网络时，MS向SGSN发激活PDP上下文请求的消息，MS可以与运营商签约选择固定服务的GGSN，或根据APN选择规则，由SGSN选择服务的GGSN，SGSN再向GGSN发建立PDP上下文请求的消息。GGSN分配给MS一个IP地址（静态或动态、公用或私有），在建立PDP上下文的过程中，需要对用户的身份、需要的服务质量进行鉴权和论证，在成功地建立和激活PDP上下文后，MS、SGSN和GGSN都存储了用户的PDP上下文信息。有了用户的位置信息和数据的路由信息，MS就可以访问该网络的资源。