GPRS協(xié)議棧功能解析

1、張冰濤張冰濤，現(xiàn)任廣州金鵬集團工程技術(shù)中心技術(shù)支持部經(jīng)理兼高級系統(tǒng)工程師。1998 年4月畢業(yè)于東北大學(xué)連軋自動化國家重點實驗室，并獲工學(xué)碩士學(xué)位。同年加入金鵬 集團有限公司，主要負責(zé)GSM、GPRS、CDMA的售前、售后技術(shù)支持工作和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 優(yōu)化工作，曾先后負責(zé)江西聯(lián)通GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)的多期工程建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和項目管 理工作和金鵬CDMA1X山西太原試驗局的設(shè)計、工程建設(shè)、系統(tǒng)測試和驗收工作。目 前就讀于華中科技大學(xué)電子與通信專業(yè)工程碩士。一、移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通用承載模型圖一移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通用承載模型GPRS、WCDMA、CDMA2000都屬于可漫游移動用戶的承載網(wǎng)絡(luò)，都是在移動用 戶和遠

2、端數(shù)據(jù)網(wǎng)之間提供數(shù)據(jù)連接。本文將對作為一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載網(wǎng)并且基于 GSM的GPRS技術(shù)從協(xié)議棧的角度進行深入剖析。二、GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)元功能（1）GPRS的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) GPRS各個網(wǎng)元的功能PCU的功能:該功能實體可以和BSC合設(shè)，也可以作為一個單獨的網(wǎng)元，其和SGSN 之間的Gb接口為規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，和BSC之間的接口為內(nèi)部接口。負責(zé)處理無線 信道的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；無線數(shù)據(jù)信道的管理和分配，允許多個用戶接入同一無線資源；用戶 數(shù)據(jù)的壓縮、加密和轉(zhuǎn)發(fā)；同時還具有功率控制、質(zhì)量控制和選擇信道編碼方案的功能， 其向GPRS數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)屏蔽使用的無線技術(shù)。圖二GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)SGSN的功能

3、：是GPRS骨干網(wǎng)的重要組成部份，是分組交換的核心部分，通過幀 中繼和PCU相連。功能類同于GSM系統(tǒng)的MSC/VLR功能，SGSN不僅處理分組交換 中的信令傳輸，同時也進行數(shù)據(jù)包的處理和傳送。面向MS執(zhí)行移動性管理、安全管理、 介入控制和路由選擇功能。即記錄當(dāng)前活動在該SGSN區(qū)域內(nèi)的移動數(shù)據(jù)用戶的有關(guān)信 息，如位置信息，可以對當(dāng)前用戶信息進行修改、刪除等；負責(zé)數(shù)據(jù)用戶的Attach和 Detach、位置更新、尋呼、鑒權(quán)、加密等；負責(zé)MS和SGSN之間邏輯鏈路的建立、維 護和釋放；負責(zé)路由的選擇和信息的存儲轉(zhuǎn)發(fā)；產(chǎn)生原始計費數(shù)據(jù)。GGSN的功能:GGSN內(nèi)部維護GPRS骨干網(wǎng)，外部可以連接多

4、個數(shù)據(jù)網(wǎng)如Internet、 企業(yè)網(wǎng)、X.25網(wǎng)等，是GPRS骨干網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)；在GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)中的地位 很類同于傳統(tǒng)GSM網(wǎng)中的GMSC的地位；負責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的原始計費數(shù)據(jù)。三、GPRS各個接口協(xié)議棧的功能所謂協(xié)議棧就是對信息進行多次封裝和解封的過程，以便能夠在不同的實體間傳送 信息。MAC媒體訪問控制：MAC定義和分配空中接口的邏輯信道，并控制移動臺接入 這些共享的邏輯信道；MAC定義的邏輯信道有公共控制信道PCCCH:控制信令；分組 廣播信道PBCCH：廣播系統(tǒng)消息；分組業(yè)務(wù)信道PTCH：傳輸分組數(shù)據(jù)；分組專用控 制信道：功率控制、定時等。圖三GPRS協(xié)議棧RLC無線鏈路控制：

5、RLC將上層LLC的數(shù)據(jù)分段和重組以便在邏輯信道上傳送 RLC通過選擇性重傳，向上層提供一個可靠的鏈路；它根據(jù)無線鏈路的傳輸能力將1527 個字節(jié)（LLC幀的最大長度）按CS（coding scheme）切成不同的小塊，以便進行卷積、 交織等信道編碼。LLC邏輯鏈路控制:LLC是MS和SGSN之間的協(xié)議?；贖DLC無線鏈路協(xié)議 傳輸能力1520個字節(jié)，加上7個開銷字節(jié)，總共1527個字節(jié)；LLC向上層提供一個 或多個由SAPI區(qū)別的、高度可靠無差錯的、加密的邏輯鏈路（GMM，SM，SNDCP 等）；LLC與下層使用的無線接口協(xié)議無關(guān)，向下隔離無線網(wǎng)；下層GPRS無線接口協(xié) 議的改變不會影響上

6、層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)；對中斷的幀可以進行錯誤檢測和恢復(fù)；可以 實現(xiàn)一對多點尋址（向多個MS發(fā)信息）；傳送的信息可以有不同的優(yōu)先級即順序控制； 流量控制等。LLC實現(xiàn)了下層不同協(xié)議的向上統(tǒng)一，是保證向3G平滑過渡的一個關(guān)鍵 點。它（LLC）和SNDCP協(xié)議一起類同于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)中MS和PDSN之間的PPP協(xié)議的功能。SNDCP子網(wǎng)聚合協(xié)議：將外網(wǎng)的各種協(xié)議（IPv4、Ipv6、X.25等）格式統(tǒng)一為一 種協(xié)議格式；用NSAPI區(qū)分不同的應(yīng)用；移動臺和SGSN之間的IP數(shù)據(jù)包或X.25報 文被分割成多個SNDC數(shù)據(jù)包單元以適應(yīng)LLC的MTU的大小，數(shù)據(jù)包單元被放置到 LLC幀內(nèi)；完成數(shù)據(jù)的分段和

7、重裝;對數(shù)據(jù)進行壓縮，以節(jié)約空中接口帶寬；負責(zé)TCP/IP 頭的壓縮；對數(shù)據(jù)進行加密等。NS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議是基于幀中繼網(wǎng)絡(luò)的，包括網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層功能； 在PCU和SGSN之間傳送BSSGP協(xié)議的數(shù)據(jù)單元；PCU和SGSN可能經(jīng)過多跳幀中 繼網(wǎng)；在BSS和SGSN之間要建立通過NSVC識別的邏輯幀中繼鏈路，多個用戶的 LLC-PDU按負荷分擔(dān)方式復(fù)用在這些虛電路上；該層還負責(zé)NS-VC的閉鎖、解鎖、復(fù) 位、測試等NS-VC管理功能。在PCU和SGSN的數(shù)據(jù)庫中需要定義NSVCI和GBL、 DLCI的映射關(guān)系。BSSGP（BSS GPRS應(yīng)用協(xié)議）：提供PCU和SGSN間的無連接鏈路；

8、承載上層數(shù) 據(jù)信息即LLC信息，在下行方向上向BSS提供RLC/MAC功能實用的無線相關(guān)的信息， 在上行方向上向SGSN提供從RLC/MAC功能獲得的無線相關(guān)的信息；承載SGSN和 PCU之間的路由信息和QOS信息；支持SGSN和PCU之間信令管理和分組確認(rèn)；通過 BVCI識別小區(qū)；通過NSEI識別PCU，所以通過NSEI+BVCI可以唯一地識別每個 BSSGP虛連接。BSSGP的業(yè)務(wù)模型圖四BSSGP的業(yè)務(wù)模型GMM業(yè)務(wù)接入點的功能：負責(zé)GPRS移動性管理。指示BSS尋呼MS；請求SGSN 向BSS發(fā)送MS當(dāng)前的無線接入能力；BSS向SGSN發(fā)送有關(guān)無線接口的狀態(tài)信息如 鏈路質(zhì)量差等；MS的

9、AttachDetach操作等。NM網(wǎng)絡(luò)管理的功能：完成FLUCH操作，當(dāng)手機從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)時， SGSN通知BSS刪除原BVCI相關(guān)數(shù)據(jù)，并向新的BVCI發(fā)送數(shù)據(jù)；BVC的閉鎖、解鎖 和復(fù)位；對每一個BVC實行下行方向的流量控制，BSS向SGSN發(fā)送有關(guān)流量控制的 信息，SGSN控制向BSS的業(yè)務(wù)流量。L2協(xié)議：可以是以太網(wǎng)、也可以是ATM等。IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，主要完成路由功能，用于用戶數(shù)據(jù)和信令的路由。目前采用的是IPv4。IP的開放性使得上層的應(yīng)用和下層的承載網(wǎng)絡(luò)沒有必然的聯(lián)系， 使得應(yīng)用服務(wù)和承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照其獨立的方向發(fā)展，加快了技術(shù)發(fā)展的速度。TCP傳輸控

10、制協(xié)議：提供面向連接的可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，在數(shù)據(jù)傳輸之前需要建 立連接。TCP用來承載需要可靠數(shù)據(jù)鏈路（如X.25）的GTP PDU。TCP提供流量控制的 功能。UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議：提供非面向連接的，不可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，在數(shù)據(jù)傳輸之 前不需要先建立連接，傳輸數(shù)據(jù)的可靠性需要上層應(yīng)用軟件來保證。UDP用來承載不需 要可靠數(shù)據(jù)鏈路（如IP）的GTP PDU。UDP不提供流量控制的功能。GTP即GPRS隧道協(xié)議：由SGSN和GGSN組成的GPRS骨干網(wǎng)是一個純粹的IP 網(wǎng)；GPRS骨干網(wǎng)可以使用與因特網(wǎng)相同的方法構(gòu)建，或在現(xiàn)有IP網(wǎng)上通過VPN來構(gòu) 建。GPRS骨干網(wǎng)中，GTP可以傳用戶分組數(shù)據(jù)

11、；可以傳有關(guān)隧道建立、維護、釋放的 隧道管理信息；可以傳有關(guān)回應(yīng)請求、回應(yīng)相應(yīng)、版本不支持的路經(jīng)管理信息，這些 GTP信令消息是依靠每個消息都有一個序列號、每個請求消息都對應(yīng)有響應(yīng)消息以及相 關(guān)Timer來保證傳輸?shù)目煽啃?。GTP允許多種協(xié)議包如IP包或X.25包等在GSN組件 間用隧道方式穿過。由于每個用戶同時只能有一個管道，所以用于區(qū)分不同GTP的TID 必須用區(qū)分不同用戶的IMSI和區(qū)分不同應(yīng)用的NSAPI 一起加以區(qū)分。在現(xiàn)有的IP網(wǎng) 上通過VPN來構(gòu)建GPRS的骨干網(wǎng)可以保證來自網(wǎng)外的IP報文不在骨干網(wǎng)內(nèi)路由，增 加了系統(tǒng)的隱蔽性和報文的保密性；因為隧道可以封裝任意數(shù)據(jù)，這樣就可實現(xiàn)

12、GPRS 骨干網(wǎng)與多種外部數(shù)據(jù)網(wǎng)互通。在GPRS骨干網(wǎng)中，GTP依靠下層的UDP/IP協(xié)議來實 現(xiàn)，端口號為3386,使用GTP協(xié)議的接口有同一 PLMN內(nèi)部GSN節(jié)點間的Gn接口和 不同PLMN之間GSN節(jié)點間的Gp接口，還有GSN和計費網(wǎng)管CG之間的Ga接口。四、GPRS的應(yīng)用情況和演進路線作為2.5G的GPRS網(wǎng)絡(luò)的下載傳輸速率遠遠低于所期望的速率，GPRS理論上可以 達到的最大速率為171.2Kbps，但這是在全部采用CS-4編碼方式且MS有8個時隙同時 接受情況下得到的，在實際應(yīng)用中這是不可能實現(xiàn)的。一方面是由于目前移動終端不支 持占用太多的時隙（目前中國國內(nèi)的GPRS手機一般支持3

13、個下行時隙），另外盡管GPRS 引入了 4種Coding Schedeme的編碼方案，但對于CS-4碼率將近1： 1，幾乎沒有用于 檢錯和糾錯的容余信息，即沒有糾錯能力，這對于無線傳輸來說是不可能做到的，所以 目前實際使用的速率一般為20Kbps左右，在無線環(huán)境比較差和網(wǎng)絡(luò)繁忙的情況下有時還 比不上通過固定電話撥號的速率。GPRS空中接口的調(diào)制技術(shù)也比較落后，仍為GMSK 方式，等等。所有這些因素從技術(shù)的角度就制約了 GPRS的發(fā)展。3GPP進行標(biāo)準(zhǔn)化的 WCDMA、TD-SCDMA 是 GPRS的演進方向。WCDMA、 TD-SCDMA就無線接口和無線接入網(wǎng)來講，是全新的。無線接入網(wǎng)將采用基

14、于ATM或 IP的傳輸技術(shù)，代替目前基于幀中繼的傳輸技術(shù);無線接口采用WCDMA.TD-SCDMA， 代替目前單一的TDMA技術(shù)，也就是說Um接口將發(fā)生”革命”性的變化，所有承載平 面將有WCDMA或TD- SCDMA的協(xié)議棧來代替，而網(wǎng)絡(luò)層及其上層應(yīng)用并不發(fā)生變 化。同時為了適應(yīng)更高速率的要求，Gb接口將引入技術(shù)更加先進的，速度更快的ATM 或IP傳輸技術(shù)來取代目前的FR技術(shù)。同時數(shù)據(jù)核心網(wǎng)是基本不變的。可以看出在網(wǎng)絡(luò) 演進的過程中，協(xié)議棧的基本結(jié)構(gòu)和功能是不變的，只是在各種接口的每個協(xié)議層次上 引入了更加先進的技術(shù)，功能得到了進一步的增強，效率得到了進一步的提到。3GPP2標(biāo)準(zhǔn)化的cdma2000-1x，相對于IS-95無線接口和無線接入網(wǎng)都是”演進”式 的。3GPP2制定的CDMA1X Release 0與3GPP的R99類似，實現(xiàn)了電路和分組業(yè)務(wù)的 分離，引入了 PCF （分組控制功能）和PDSN （分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點）等新的網(wǎng)元和相應(yīng) 的接口，無線側(cè)采用CDMA2000-1X技術(shù)，與IS-95是兼容的，因為它們都是基于CDMA 的技術(shù)。從目前全球電信運營商的情況來看，CDMA1X的發(fā)展速度很快。這不僅取決于該 技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)比較成熟，而且在更大程度上取決于CDM