GPRS系统基础知识

4.2 分组选路和传输功能
路由是一个有序的节点列表，用于在PLMNN内或PLMN之间传递信息。每一个路由均由源节点、零个或多个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。如表4-2说明了分组选路和传输功能中的主要项目功能说明。

1. 移动性管理状态的定义
与GPRS用户相关的移动性管理定义了空闲(Idle)、等待(Standby)、就绪(Ready)三种不同的移动性管理状态，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作移动性管理环境。

1.  空闲状态
       在GPRS空闲状态中，用户没有激活GPRS移动性管理。MS和SGSN环境中没有存储与这个用户相关的有效的位置信息或路由信息。因此在这个状态下不能进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
       在等待状态下，用户可进行GPRS移动性管理。在MS和SGSN中的MM环境已经创建了用户的IMSI，此时MS可以接收PTM-M和PTM-G数据，也可以接收对PTP或PTM-G数据传输所进行的寻呼，以及经由SGSN发送的CS寻呼。但在这个状态下，不能进行PTP数据收发和PTM-G数据的发送。
       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SGSN MM环境中的位置信息仅包含MS的GPRS路由区标识(GPRS RAI)。
   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环境己被激活，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，MS中的MM伽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
       在就绪状态下，SGSN MM环境会对在相应的等待状态下的MM环境进行扩充，它扩充了在蜂窝级的用户位置信息。MS执行移动性管理过程向网络提供实际所选择的蜂窝，GPRS的蜂窝选择和重选由MS在本地完成，或可以选择由网络控制来完成。
       在就绪状态下，MS可以收发PTP PDU。在此状态下，网络启动对MS的GPRS业务寻呼，但对其他业务的寻呼由SGSN来完成。SGSN传送下行链路数据到当前负责用户蜂窝的BSS。
       在就绪状态下，MS能收到PTM-M和PTM-G数据，而且MS还可以激活或去活PDP环境。
       不管某一无线资源是否已分配给了用户，即使没有数据传送，MM环境也总保持就绪状态。就绪状态由一个计时器监控，当就绪状态计时器超时时，MM环境就会从就绪状态转移到等待状态。MS可以启动一个GPRS业务断开过程，来实现从就绪状态向空闲状态的转移。

2. 状态转移和功能
一个状态向另一个状态的转移，主要依据的是当前状态(空闲、等待或就绪)和当前所发生的事件(例如接入GPRS业务)，如图4-1描述了下列状态的变化。
图4-1 移动性管理状态模型

1. 从空闲状态转移到就绪状态
   MS请求接入GPRS业务，开始建立一个到SGSN的逻辑链路，在MS和SGSN中分别建立了MM环境。
2.  从等待状态转移到空闲状态
   等待状态计时器超时，在MS和SGSN中的MM环境和PDP环境均返回到空闲状态即非激活状态。在SGSN中的MM和PDP环境可能被删除，而GGSN PDP环境将一定被删除。
   位置取消时，SGSN收到一个来自HLR的MAP位置取消消息，它的MM和PDP环境会被删除。
3.  从等待状态转移到就绪状态
   PDU发送时，为了响应一个呼叫，MS会向SGSN发送一个LLC PDU。PDU接收时，SGSN接收来自MS的LLC PDU。
4.  从就绪状态转移到等待状态
   就绪状态计时器超时时，MS和SGSN中的MM环境均返回到等待状态。
   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。
   当RLC条件异常是， SGSN的MM环境也会返回到等待状态。
5.  从就绪状态转移到空闲状态
   GPRS业务断开(Detach)时，MS请求SGSN中的MM环境返回到空闲状态，以及SGSN中的PDP环境返回到非激活状态。
   位置取消时，SGSN收到一个来自HLR的MAP定位取消消息，它的MM和PDP环境会被删除。
   对于匿名访问的情况，使用了一个简化了的MM状态模型，它只由空闲状态和就绪状态所组成。MS和网络会单独处理匿名访问移动性管理(AA MM)状态机制，并且它可与基于IMSI的MM状态机制共存。在同一MS和SGSN中，多个AA MML状态机制可以同时共存。

3. 移动性管理(MM)流程
GPRS的MM流程将使用LLC和RLC/MAC协议，经Um接口来传输信息。MM流程将为底层提供信息，使得MM消息在Um接口可靠传输。此外，MM流程将MAP接口用于SGSN和VLR之间(Gr)以及SGSN和EIR之间(Gf)，并且还将BSSAP+接口用于SGSN和MSC/VLR之间(Gs)。
用户数据一般在MM信令过程期间传输。在业务接入、身份认证和路由区更新过程中，用户数据可能会丢失也因而需要重传。
移动管理流程包括：

•  业务接入功能
•  业务断开功能
•  清除功能
•  安全功能
•  位置管理功能
•  位置管理过程

4.4 逻辑链路管理功能
MS通过无线接口参与与维护某个MS与PLMN之间的通信通道。逻辑链路管理功能包括协调MS与PLMN之间的链路状态信息，同时监管这个逻辑链路上的数据传输活动性。逻辑链路管理功能如表4-3所示。
 

4.5 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。无线资源管理功能说明如表4-4所示。详细信息请参考GSM03.64。
 

4.6 网络管理功能
网络管理功能提供相应的机制，支持与GPRS相关的O＆M功能。
 

5.1 GPRS的无线接口Um
无线接口Um是移动台(MS)与基站(BTS)之间的连接接口，GPRS中接口标准遵循GSM系统的标准。
与GSM系统相同，在GPRS系统的空中接口中，一个TDMA帧分为8个时隙，每个时陈发送的信息称为一个"突发脉冲串"(Burst)，每个TDMA帧的一个时隙构成一个物理信道。物理信道被定义成不同的逻辑信道。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。
MS与BTS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。

1. 分组数据链路逻辑信道
(1) 分组公共控制信道(PCCCH,Packet Common Control Channel)
它包括如下一组传输公共控制信令的逻辑信道。

•  分组随机接入信道(PRACH, Packet Randem Access Channel)：
  只存在与上行链路，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。
•  分组寻呼信道(PPCH, Packet Paging Channe1)：
  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。
•  分组接入许可信道(PAGCH，Packet Access Grant Channel)：
  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。
•  分组通知信道(PNCH,Packet Notification Channel)：
  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, Packet Broadcast Control Channel)
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, Pachet Traffic Channe1 )
 分组数据业务信道(PDTCH，Pachet Data Traffic Channe1：
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)。
 分组相关控制信道(PACCH, Packet Associate Control Channel)：
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5-1所示。
 

2. 无线接口Um
    GPRS的无线接口Um可以用图5-1 GPRS MS-网络参考模型来描述。MS与网络之间的通信涉及了物理射频(RF)、物理链路、无线链路控制/媒体接入控制(RLC/MAC)、逻辑链路控制和子网依赖的汇聚层几个层次。
 
图5-1 GPRS MS-网络参考模型
    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。
    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。

(1) 物理射频(RF)层
物理RF层由GSM05系列标准定义，包括如下的内容：载波频率的特点和GSM信道结构；发送波形的调制方式和GSM信道的数据速； 发射机和接收机的特性及其要求。
(2) 物理链路层
物理链路层运行在物理RF层的上面，在MS和网络之间提供物理链路。其目标是通过GSM的无线接口传输信息，包括RLC/MAC层的信息。物理链路层支持多个MS共享一个物理信道。
物理链路层的控制功能提供维持通信能力所需要的服务。在GPRS中不使用网络控制的越区切换，而是由MS执行小区的重新选择。
 层功能
a. 物理链路层职责
前向纠错编码、检测和纠正发送的码字并提供错误码字的指示、块交织、在TDMA帧的连续四个突发上进行正交交织和提供检测物理链路层拥塞的过程。
b. 物理链路层的控制功能

•  同步过程包括决定和调整MS定时提前的方法；
•  无线链路信号质量的监视和评估过程；
•  小区选择和重选的过程；
•  发射机的功率控制过程；
•  电池功率管理过程，例如非连续接收(DRX)过程。

 无线块结构
传输不同的数据和控制信息有不同的无线块结构，块结构包含MAC层头部、RLC数据块或RLC/MAC层控制块，一般情况下包括4个正常的突发，如图5-2所示。
 
图5-2 无线块结构
    MAC层的头部包含控制域，8比特的固定长度，上行和下行不同。
    RLC头部包含上行和下行方向不同的控制域，RLC是可变长度的。RLC数据域包含一个或多个LLC PDU数据字(8比特)。块校验序列(BCS)用于错误检测。
    RLC/MAC控制信息域包含一个RLC/MAC控制信息。

 信道编码
分组数据信道定义了4种分组数据编码方案，CS-1到CS-4。编码块结构如图5-3和图5-4所示。除了PRACH、PTACH/U, 其它所有的分组控制信道一般使用CS-1。对于PRACH的接入突发，指定了两种编码方案。MS都必须提供所有的编码方案，而网络端只需提供CS-1。
 
图5-3 CS-1、CS-2、CS-3的块结构
 
图5-4 CS-4的块结构

a. PDTCH的信道编码
对于携带RLC的无线块，定义了4种编码方案。
编码过程的第一步是附加块校验序列(BCS)。
对于CS-1、CS-2和CS-3，第二步包括：上行链路状态标志(USF)预编码(除CS-1)，附加4比特的尾码，半速率卷积码，之后进行截短以便提供希望的编码速率。
对于CS4，不对纠错码进行编码。 
 

b. PACCH、PBCCH、PAGCH、PPCH、PNCH和PTCCH信道编码
它们使用CS-1的编码方案。
c. PARCH信道编码
PARCH可以使用两种突发：8比特信息的接入突发或11比特信息的扩展接入突发。MS支持两种突发。
对于8比特的突发，信道编码方案使用与GSM05.03中定义的随机接入信道的编码方案相同。
11比特的突发编码方案使用8比特编码的截短码方案。

 时间提前
时间提前过程用于导出正确的时间提前值，以便MS在上行链路传输无线块。它包括两个部分：初始时间提前估计和连续时间提前更新。
 初始时间提前估计是根据携带分组信道请求的单个接入突发作出。分组上行链路分配或分组下行链路分配之后携带这些估计的时间值到MS。MS使用该值在上行链路上进行传输直到连续时间提前更新过程提供一个新值。
 连续提前更新在分组传输模式MS使用连续时间提前更新过程。连续时间提前更新过程由分配给MS的PTCCH携带。在上行(下行)分组传输，在分组上行(下行)链路分配信息中，分配给MS时间提前指示和PTCCH。

(3) 媒体介入控制和无线链路控制层(MAC/RLC)
    MAC层的功能定义了多个MS共享传输媒体的过程，共享媒体由几个物理信道组成。其提供了对多个MS的竞争仲裁过程、冲突避免、检测和恢复方法。MAC层功能还允许单个的MS并行地使用几个物理信道。
    RLC功能定义了选择性重传未成功发送的RLC数据块的过程。RLC/MAC功能提供了非确认和确认两种操作模式。

 层功能
GPRS的MAC层功能主要负责：
 提供在上行和下行链路高效的数据和信令的复用功能，复用的控制留给网络端。在下行链路，复用根据调度机制来控制；在上行链路，复用通过分配媒体到单个用户来控制。

•  对于移动发起的信道接入，进行竞争裁决，包括冲突的检测和恢复。
•  对于移动终止的信道接入，包括分组接入的排队。
•  优先级处理。

 操作模式
    一般地，在GPRS中，多个MS和网络共享媒体资源，即PDCH。GPRS无线接口由非对称的和独立的上行和下行链路组成。下行链路是从网络到多个MS 的传输，不需要竞争裁决。上行链路是在多个MS之间共享的媒体之间进行，需要竞争裁决过程。
    PLMN分配无线资源和MS使用这些资源能分割成两个部分：PLMN按对称的方式对GPRS分配无线资源(上行和下行)。对点到点、点到多点组播和组呼呼叫服务使用上行和行链路的无线资源是独立的，也允许上行和下行相关的分配方式，以便支持少数MS在两个方向上同时传输数据。一个MS也可分配几个PDTCH。

 媒体接入模式
    支持三种媒体接入模式：动态分配、扩展动态分配和固定分配。其中，支持GPRS的所有网络都支持动态媒体接入模式和固定接入模式，扩展动态媒体接入模式是可选的。
    MS应该支持动态媒体接入模式和固定媒体接入模式。

 移动端发起的分组传输
a. 移动端发起的分组传输包括：

•  上行链路接入
  MS通过在取PRACH或RACH上发送分组信道的请求发起分组的传输过程。网络分别在PRACCH或AGCH信道上进行响应。如图5-5 示出了上行链路接入图。
   
  图5-5 上行链路接入图
•  动态/扩展动态分配
  上行链路的分组传输过程。分组上行链路分配信息包括PDCH列表和每个PDCH的相应的USF值，分配一个唯一的TFI值，并用在之后的临时块流的RLC数据和控制块中。MS在分配的PDCH上监视USF，并在其上传输无线块。
•  固定分配
  固定分配使用分组上行链路分配通知MS详细的分组上行链路资源分配。固定分配包括开始帧、时隙分配和块分配的比特映像(每个时隙的块的分配)。
•  竞争解析
  竞争的解析是RLC/MAC层的一个重要的部分，特别是因为一个信道分配可以用于传送一些数据帧。在动态信道分配和固定信道分配方案中都使用竞争解析。

b. 移动端终止的分组传输包括

•  分组寻呼
  网络端启动的分组传输是在等待状态时在下行PPCH或PCH信道上发送一个分组寻呼请求信息。MS通过启动一个分组响应过程来响应分组寻呼请求。RLC/MAC分组寻呼响应信息包含TLLI，同样，完整的LLC帧也包含TLLI信息。在分组寻呼响应后，MS的移动性管理状态进入准备好状态。如图5-6 示出了下行链路分组传输的寻呼信道的信息序列。
   
  图5-6 下行链路分组传输的寻呼信道的信息序列
•  下行链路的分组传输
  网络在准备好状态下使用分组下行链路分配信息启动向MS的传输。当小区中已经分配PCCCH时，分组下行链路分配在PAGCH传输；在没有PCCCH时，在AGCH上发送分配信息。
•  资源的释放
  资源的释放由网络端完成，网络终止下行链路的传输，并轮询MS，要求最后的分组进行下行链路的确认和非确认。
•  上行和下行链路同时进行分组传输
  在进行上行链路的临时流块的传输时，MS监视下行链路的PDCH，查看在PACCH中是否含有分组下行链路的分配信息。
  当MS在接收下行链路的临时块信息时想要进行上行链路的传输，只要在确认信道上发送一个指示信息就可以。这样做时不需要向网络发送专门的分组信道的请求。

(4) 子网相关融合协议(SNDCP)
在MS和SGSN中SNDCP位于网络层之下，逻辑链路控制层之上。它支持多种网络层，这些网络层分组数据协议共享同一个SNDCP，由此，来自不同数据源的多元数据都能通过LLC层。
SNDC实现了下列功能：

•  将接收自网络层的SNDC原语映射到要传递到LLC层的LLC原语，反之亦然。
•  采用多路技术，将来自一个或多个NSAPI的N-PDUs复用到一个LLC SAPI上。
•  对冗余控制信息和用户数据的压缩。
•  分段和重组。

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