GPRS系统基础知识

2.1 GPRS网络总体结构
GPRS网络是在现有GSM网络中增加 GGSN和SGSN 来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图2-1所示。 
 
图2-1 GPRS系统结构
    图中，笔记本电脑通过串行或无线方式连接到GPRS蜂窝电话上；GPRS蜂窝电话与GSM基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN)，而不是通过移动交换中心(MSC)连接到语音网络上。SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信；GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或X.25网络。
    来自因特网标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。
    SGSN是GSM网络结构中的一个节点，它与MSC处于网络体系的同一层。SGSN通过帧中继与BTS相连，是GSM网络结构与移动台之间的接口。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通过基于IP协议的GPRS骨干网连接到SGSN， 是连接GSM网络和外部分组交换网(如因特网和局域网)的网关。GGSN主要是起网关作用，也有将GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把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2－2给出了GPRS网络结构的接入与参考点的简图。
 
图2-2 GPRS总体结构及接入接口和参考点
    GGSN到外部分组网络是通过Gi参考点连通的，而其他GPRS网络是通过Gp接口连通的。另外，从MS端到GPRS网络有两个接入点，Um接口用于无线通信接入而R参考点用于信息的产生或接收。移动终端MT(例如手机)通过Um接口接入GPRS PLMN，R则是MT和TE(如笔记本电脑)之间的参考点。这里的MS由TE和MT两部分组成，它们通过R参考点组成一个整体，另外，MS也可单独由一个移动终端(MT)组成。
    对于一个支持GPRS 的公共陆地移动网络(PLMN)，当它运行GPRS业务时可能涉及到任何其他网络，这时就产生了网络互通的需求。GPRS网络通过Gi参考点和Gp接口实现同其他网络的互通。
    对于具有GPRS业务功能的移动终端，它本身具有GSM和GPRS业务运营商提供的地址，这样，分组公共数据网的终端利用数据网识别码即可向GPRS终端直接发送数据。另外GPRS支持与基于IP的网络互通，当在TCP连接中使用数据报时，GPRS提供TCP/IP报头的压缩功能。
    由于GPRS是GSM系统中提供分组业务的一种方式，所以它能广泛应用于IP域。其移动终端通过GSM网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通协议实现全球网间通信。

2.2 GPRS逻辑体系结构
    从逻辑上来说，GPRS通过在GSM网络结构中增添SGSN和GGSN两个新的网络节点来实现。由于增加了这两个网络节点，需要命名新的接口。图2-3说明了GPRS逻辑体系结构。表2-1给出了GPRS体系结构中的接口及参考点。
 
图2-3 GPRS逻辑体系结构一览
 

    除了这些接口和参考点之外，GPRS还新增加了分组控制单元(PCU, Packet Control Unit)和Gb接口单元(GBIU, Gb Interface Unit)。
    其中PCU使BSS提供数据功能、控制无线接口、使多个用户使用相同的无线资源。GBIU提供从BSS到SGSN的标准接口。可以和PCU合并在同一个物理实体中。
    由于GPRS在GSM网络中引入了两个GPRS支持节点和新的接口及单元， 会对GSM网络设备产生以下的影响。

•  HLR现有软件需更新，以支持Gc、Gr接口；
•  MSC现有软件需更新，以支持Gs接口；
•  在BSC中引入PCU，并且软件需要升级；
•  BTS配合BCF进行相应的软件升级。

2.3 GPRS网络主要实体
GPRS网络主要实体包括GPRS支持节点、GPRS骨干网、本地位置寄存器HLR、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)、移动台、移动交换中心(MSC)/拜访位置寄存器(VLR)、分组数据网络(PDN)等。

1. GPRS支持节点(GSN)
    GPRS的支持节点GSN是GPRS网络中最重要的网络节点，包含了支持GPRS所需的功能。GSN具有移动路由管理功能，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是一种类似于路由器的独立设备，也与GSM中的MSC集成在一起。在一个GSM网络中允许存在多个GSN。GSN有两种类型：SGSN和GGSN。
    SGSN是为移动终端(MS)提供业务的节点(即Gb接口由SGSN支持)。在激活GPRS业务时，SGSN建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端(MS)的移动性和安全性方面的信息。SGSN的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和SGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。
    GGSN通过配置一个PDP地址被分组数据网接入。它存储属于这个节点的GPRS业务用户的路由信息，并根据该信息将PDU利用隧道技术发送到MS的当前的业务接入点，即SGSN。GGSN可以经Gc接口从HLR查询该移动用户当前的地址信息。GGSN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和LAN等。另外，GGSN也又被称作GPRS路由器。GGSN可以把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与GGSN的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以在不同的物理节点上分别实现。它们都应有IP路由功能，并能与IP路由器相连。当SGSN与GGSN位于不同的PLMN时，通过Gp接口互联。SGSN可以通过任意Gs接口向MSC/VLR发送定位信息，并可以经Gs接口接收来自MSC/VLR的寻呼请求。

2. GPRS骨干网
    GPRS中有内部PLMN骨干网和外部PLMN骨干网两种。
    内部门PLMN骨干网是指位于同一个PLMN上的并与多个GSN互联的IP网。外部PLMN骨干网是指位于不同的PLMN上的并与GSN和内部PLMN骨干网互联的IP网，如图2-4所示。
 
图2-4 内部PLMN骨干网和外部PLMN骨干网
    每一个内部PLMN骨干网都是一个IP专网，且仅用于传送GPRS数据和GPRS信令。IP专网是采用一定访问控制机制以达到所需安全级别的IP网。两个内部PIMN骨干网是使用边界网关(BG，Border Gateways)和一个外部PLMN骨干网并经Gp接口相连的，外部PLMN骨干网的选择取决于包含有BG安全功能的漫游协定，BG不在GPRS的规范之列。外部PLMN可以是一个分组数据网。
    在同一个PLMN骨干网内，骨干网是图2-5中虚线方框内的部分。在GPRS骨干网内部，各GSN实体之间通过Gn接口相连，它们之间的信令和数据传输都是在同一传输平台中进行的，所利用的传输平台可以在ATM、以太网、DDN、ISDN、帧中继等现有传输网中选择。
 
图2-5 GPRS网络骨干网的组成

3. 本地位置寄存器(HLR)
在HLR中有GPRS用户数据和路由信息。从SGSN经Gn接口或GGSN经Gc接口均都可访问HLR，对于漫游的MS来说，HLR可能位于另一个不同的PLMN中，而不是当前的PLMN中。

4. 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）
SMS-GMSC和SMS-IWMSC经Gd接口连接到SGSN上，这样就能让GPRS MS通过GPRS无线信道收发短消息(SM)。

5. GPRS移动台
GPRS MS能以三个运行模式中的一个进行操作，其操作模式的选定由MS所申请的服务所决定：即仅有GPRS服务，同时具有GPRS和其他GSM服务，或依据MS的实际性能同时运行GPRS和其他GSM服务。
A类(Class-A)操作模式：MS申请有GPRS和其他GSM服务，而且MS能同时运行GPRS和其他GSM服务。
B类(Class-B)操作模式：一个MS可同时监测GPRS和其他GSM业务的控制信道，但同一时刻只能运行一种业务。
C类(Class-C)操作模式：MS只能应用于GPRS服务。

6. 移动交换中心(MSC)和拜访位置寄存器(VLR)
在需要GPRS网络与其他GSM业务进行配合时选用Gs接口，如利用GPRS网络实现电路交换业务的寻呼，GPRS网络与GSM网络联合进行位置更新，以及GPRS网络的SGSN节点接收MSC/VLR发来的寻呼请求等。同时MSC/VLR存储MS(此MS同时接入GPRS业务和GSM电路业务)的IMSI以及MS相连接的SGSN号码。

7. 分组数据网络(PDN)
PDN提供分组数据业务的外部网络。移动终端通过GPRS接入不同的PDN时，采用不同的分组数据协议地址。
 

3.1 传输平台
传输平台由一个分层协议结构组成，如图3-1所示。其用于用户信息传输以及与此相关的信息传输中的过程控制(例如：流量控制、检错、纠错和错误恢复等)。传输平台通过底层无线接口和网络子系统(NSS)平台连接，这种独立性是通过保留Gb接口来实现的。
 
图3-1 传输平台
其中：
1. GPRS隧道协议(GTP)
GPRS骨干网中GSN间的用户数据和信令利用GTP进行隧道传输。所有的点对点PDP协议数据单元(PDU)将由GTP协议进行封装。GTP是GPRS骨干网中GSN节点之间的互联协议，它是为Gn接口和 Gp接口定义的协议。在GSM09.60中对GTP作了规范。
2. TCP
在GPRS骨干网中需要一个可靠的数据链路(如X.25)进行GTP PDU的传输时，所用的传输协议是TCP协仪。如果不要求一个可靠的数据链路(如IP)，就使用UDP协议来承载GTP PDU。TCP提供流量控制功能和防止GTP PDU丢失或破坏的功能。UDP提供防护GTP PDU受到破坏的功能。
3. IP
这是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。
4. 子网相关融合协议(SNDCP)
这个传输功能将网络级特性映射到底层网络特性中去。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。SNDCP在GSM04.65中有说明。
5. 逻辑链路控制(LLC)
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。另外，LLC可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。LLC独立于底层无线接口协议，这是为了在引入其他可选择的GPRS无线解决方案时，对网络子系统NSS的改动程度最小。GSM04.64对LLC进行了规范。
6. 中继转发(Relay)
在BSS中，这项功能中继转发Um和Gb接口间的LLC PDU，在SGSNN中，这项功能是转发Gb和Gn接口间的PDP PDU。
7. GPRS基站系统协议(BSSGP)
这个层用来传输在BSS和SGSN之间与选路服务质量有关的信息。BSSGP没有纠错功能。GSM08.18对BSSGP进行了规范。
8. 网络服务(NS)
这个层传输BSSGP PDU。NS以BSS和SGSN之间的帧中继连接为基础，而且有多跳功能，并能横贯有帧中继交换节点的网络。GSM08.16 对NS进行了规范。
9. 无线链路控制(RLC)/介质访问控制(MAC)
这个层具备两个功能：一是无线链路控制功能，它能提供一条独立于无线解决方案的可靠链路。二是介质访问控制功能，它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。MAC除了控制着信令传输所用无线信道外，还将LLC帧映射到GSM物理信道中去。GSM04.60对RLC/MAC进行了规范。
10. GSM RF
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。

3.2 信令平台
信令平台描述了信令传输的层次结构，由一些用于控制和支持传输平台功能的协议组成。信令平台按其应用可以分为7个种类。
1. MS-SGSN
如图3-2所示。图中的GMM/SM是指GPRS移动性管理和会话管理，支持移动性管理，如GPRS服务连接、GPRS服务断开。安全、路由区更新、定位更新、PDP环境激活、PDP环境去活等。 
 
图3-2 信令平台 MS-SGSN

2. SGSN-HLR
如图3-3所示。图中，MAP表示移动应用部分(MAP, Mobile Application Part)，这个协议支持与HLR的信令交换。
 
图3-3 信令平台 SGSN-HLR

3. SGSN-MSC/VLR
如图3-4所示。图中BSSAP+表示基站系统应用部分(BSSAP, Base Station System Application+),它是BSSAP过程的一个子集，支持SGSN与MSC/VLR之间的信令传送。
 
图3-4 信令平台 SGSN-MSC/VLR

4. SGSN-EIR
如图3-5所示的信令平台表示移动应用部分支持SGSN与EIR间的信令传送。
 
图3-5 信令平台 SGSN-EIR

5. SGSN-SMS-GMSC或SMS-IWMSC
如图3-6所示的信令平台表示移动应用部分支持SGSN与SMS-GMSC或SMS-IWMSC之间的信令传送。
 
图3-6 信令平台 SGSN-SMS-GMSC或SMS-IWMSC

6. GSN-GSN
如图3-7所示。图中GTP表示GPRS隧道协议，在GPRS骨干网中，利用GTP隧道传输SGSN与GGSN之间或两个SGSN之间的用户数据和信令信息。用户数据报协议(UDP)用来传输两个GPRS支持节点之间的信令信息。
 
图3-7 信令平台 SGSN-GSN

7. GGSN-HLR
当任选信令路径时，允许一个GGSN与一个HLR交换信令信息。通常有两种可供选择的信令路径实现方法：

•  基于MAP的GGSN-HLR信令
  如果在GGSN上安装有SS7接口，则在GGSN和HLR之间就可以使用MAP协议。如图3-8所示表示了移动应用协议支持HLR的信令交换。
   
  图3-8 信令平台使用MAP的GGSN-HLR
•  基于GTP和MAP的GGSN-HLR信令
  如果在GGSN上没有安装SS7接口，与GGSN在同一PLMN中的任一具备SS7接口的GSN都能用作一个GTP到MAP协议的转换器，以便在GPRS骨干网中，在GGSN和有协议转换功能的GSN之间通过隧道传输信令信息。图中的互联(Interworking)功能提供GTP和MAP间的互联，以进行GGSN-HLR间的信令传输。
   
  图3-9 信令平台 应用GTP的SGSN-HLR和MAP

    在GPRS网络中执行的逻辑功能中，主要有网络访问控制功能、分组选路和传输功能、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7个功能组，每一个功能组都包含许多相对独立的功能。
 

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