GPRS技术方案解析

上海宸特科技专业技术文章密级：31GPRS技术方案解析上海宸特电子科技有限公司密级：32GPRS技术及其解决方案概览上海宸特科技杨建国编者按：随着第三代移动通信标准的出台和用户对移动多媒体业务的需求的急剧增长，现有的GSM网络将不可避免地向W-CDMA（宽带码分多址）演变，这种演进的过程据估计大约需要2-3年，主要的无线网络设备供应商最早也要到2002年之后才能提供可供商用的W-CDMA系统。但这并不意味着移动运营商们只能等待，通过采用GPRS（通用分组无线业务）技术，可使现有GSM网络轻易地实现与高速数据分组的简便接入，从而使运营商能够对移动市场需求作出快速反应并获得竞争优势。GPRS将是通向3G的一个重要里程碑。GPRS技术：通向3G的桥梁迄今为止，移动通信的发展还是围绕话音（话音质量和漫游范围）进行的。对非话音通信的需求仍处于初期阶段，但正稳步上升，去年短消息（SMS）业务量的迅速增长正说明了这一点。与此同时，国际互联网的迅猛增长，为基于网页内容的服务拓展了机遇，且很可能在下一代网络中占据支配地位。对新型无线数据服务的预期需求令GSM运营商对运营环境中的重大变革充满期待，考虑到对更复杂应用的需求，通用分组无线业务（GPRS）作为一种改进GSM网数据传输方式的标准已得到欧洲电信标准委员会（ETSI）的确认，其基本原理是：当有数据传送需要时，将利用分组在网络中传送数据，而非利用当前承载服务所采用的固定电路连接。这促进了多用户间对网络资源的共享，并允许运营商最优地使用现有设备，同时利用已安装的设备创造新的收入来源。GPRS将促进多种数据应用的出现，这些应用将比当前的GSM数据服务好得多。在一定意义上，能够提供界面友好的屏幕和菜单的新型手机将推动此类应用的发展，并鼓励更多的用户享受这些应用带来的方便。GPRS的部署GPRS系统结构的灵活性令部署费用很低，可根据预期的数据业务量的增长安排部署，为网络演进提供了一条全新的途径。在引入GPRS时，可将其叠加在现有的GSM网上，而GSM无线资源则可在电路交换的话音和GPRS数据之间共享。在无线接口内，多个用户可共享一个时隙，或者一个用户最多可使用八个时隙。在传输时，数据信息被包封到很短的分组里，每一分组都含有一个报头，报头中包括了分组的始发地址和目标地址。来自多用户的分组可交错传输，所以可按需分配传输容量，并在没有分组可传时释放容量。GSM无线资源也可在电路交换模式（数据和话音）业务与GPRS之间共享。在空中接口上，可分配给GPRS业务使用的时隙（根据O&M程序）必须能够工作在业务信道（一个全速率语音信道或两个半速率语音信道），或工作在GPRS模式的分组数据业务信道。这里，我们定义一种新的物理信道类型--分组数据信道（PDCH），它由几个新的逻辑分组信道映射而成。在一个小区中，若没有分配物理分组信道资源，则逻辑分组信道被映射到普通的GSM物理信道上。新的分组信道可被复用，这是在当前的GSM中引入分组技术后带来的主要不同。图1给出了GPRS叠加到GSM网上的高级网络结构。首先，通过对基站子系统（BSS）进行软件升级，一种被称为分组控制单元（PCU）的新型GPRS实体将被用来处理数据业务量，并将数据业务量从GSM话音业务量中分离出来。PCU增加了分组功能，可控制无线链上海宸特科技专业技术文章密级：33路，并允许多用户接入同一无线资源。图1GPRS叠加在GSM网上然后，GPRS数据分组被GPRS骨干系统（GBS）传送出去。这一过程将涉及两个GPRS网元，分别称为GPRS业务支持节点（SGSN）和GPRS网关支持节点（GGSN）。根据地理条件和用户号码情况，GPRS各节点可分布在网络中的不同位置或位于同一局址。图2GSM/GPRS网络的高层结构SGSN将为所服务的手机提供移动性管理、安全性（数据加密和压缩）、管理控制、计费数据收集、鉴权以及逻辑链路和路径的管理。SGSN还将为用户和某些GGSN提供分组路由和隧道功能。SGSN的容量由路由范围和用户的数量决定，并采取可伸缩和模块化的结构。标准规定了一些新型接口，如图2所示。通过基于帧中继的Gb接口，一个或多个BSS被连至SGSN。SGSN通过Gn接口连至GGSN。GGSN通过Gi接口提供与外部分组交换网络的交互工作。SGSN和GGSN均可与归属位置寄存器（HLR）通信，并各自通过Gr和Gc接口获得路由信息和用户详细资料。上海宸特科技专业技术文章密级：34根据现有和预期的数据业务增长量，GPRS系统结构的灵活性将保证成本获得最优的部署。GBS（SGSN，GGSN）的不同网元结构将确保可获得多厂商支持。采取何种类型提供交互工作支持，可视特殊的客户要求而定，也可分阶段提供。网络结构的解决方案将与逻辑结构和传输规划保持一致。GPRS服务可与若干结构解决方案一起实施，其分组控制功能可有不同选项，这些选项可以内置的形式或作为独立单元存在。尽管需要更新访问位置寄存器（VLR），但移动交换中心（MSC）并不一定要变更硬件，这样电路交换呼叫和GPRS分组数据服务之间便可进行有效的协调。与GSM用户一样，HLR数据库也将存储GPRS的用户资料。更高的数据速率GPRS提供的数据速率取决于所采用的编码方案，在标准中有四种编码数据速率，分别为每信道9.05、13.4、15.6和21.4kbit/s。由于能在一个频率上提供全部8个业务信道，最大的数据吞吐量可高达每用户171kbit/s，不过，由于信道编码和多时隙分配所需的开销，更现实的最高吞吐量为115kbit/s。在服务质量尚可的条件下，多数应用的传输速率可以低得多。下表给出了一些适于用GPRS传送的应用所要求的数据速率的大约值。数据应用视频监视三类传真遥测视频会议位置管理数据库接入国际互联网浏览典型数据速率2.4kb/s14.4kb/s9.6kb/s28.8kb/s9.6kb/s28.8kb/s28.8kb/s数据应用数据传送(UDI)低速视频电子商务(金融)电子邮件多用户游戏电子报纸音频可视(MPEG-4)典型数据速率64kb/s19.2kb/s64kb/s28.8kb/s64kb/s28.8kb/s64kb/s由于GPRS将以可变的比特率提供数据连接，且具有较高的带宽效率，因此可以预言在GSM网络上将出现一系列新的应用。通过使用同一分组传输技术，GGSN可为与GPRS相连的其他公共数据网络（PDNs）提供一个网关，以在不同网络间提供无缝的服务。有了GPRS，用户的呼叫建立时间大为缩短，且任何呼叫只需建立一次。一旦通话经由一个叫做“附着”的过程建立起来，用户便成为网络的服务对象，且只是在收发数据时才需用到网络资源。若某数据流的最后一个数据块已被送出并得到确认，或者计时器到达计时限制，则其使用的资源将被释放并重新分配。当需要收发新的数据块时，GPRS通话仍然开放并可重新建立。与目前的电路交换服务相比，重新接入的延迟很短，因而提高了网络资源的利用效率。许多运营商已目睹了短消息服务（SMS）日益受欢迎的势头。SMS为非话音的移动通信开了一个先河。GPRS具有双重优势：一方面，它可以为每个单独的用户提供更多的带宽，另一方面，它又允许一个网络承载更多的用户。GPRS令每个用户的服务成本更低，而基于分组的收费方式无疑更具灵活性，因而采用GPRS令运营商得以为用户提供更高的带宽和更低的费率。在竞争性的市场环境中，这一点是至关重要的，对于新应用类型的更新换代和成败与否也具有重要意义。基于分组的技术鼓励更具创造性的资费手段的出现，为根据不同的应用类型订立收费标准提供了可能。*包月制计费--如国际互联网的接入。*根据数据流量（收发字节数）计费--如文件传送。*按使用时间计费--如发电子邮件。*按使用次数计费--如金融数据传送或电子明信片。其他因素如位置、呼叫持续时间和接入手段也会对所采用的计费算法带来影响。所有这些给了运营商根据服务认知价值进行计费的空间，为通过服务促销创造最高收入提供了可能。上海宸特科技专业技术文章密级：35分组与电路互联网高潮把人们的目光引向作为组网协议的IP。IP原本是为数据专用，如今却越来越广泛地被应用于语音（VoIP）。这项技术正不断地被加以改进，用来提高传送质量。IP被应用于GPRS网络是因为GPRS被设计为承载业务支持基于标准数据协议的应用。分组交换同传统电路交换相比有许多优势，其中主要一点是分组交换允许众多用户共用同一物理设施，而一条电路只能由当前用户专用。这一优势尤其适用于突发性极强、对延迟变化不敏感的数据业务。因此当链路带宽允许时就能够实现数据的缓冲和传送。这种功能通常被称作“统计复用”，可以通过带宽的共用节省基础设施供应的成本。而且，运营商还可以通过同时支持语音和数据两种业务开始向单一网络发展，从而支持这两种业务，并进一步节约运营成本。同电路交换相比，分组交换将大大降低每比特的成本。分组交换可扩展性强，非常适合用户/服务器结构，这种结构反之又促进它本身未来的发展和提高。例如，可以引入新服务器承载新的业务和应用而不会干扰现有业务。现有基础设施可被用做基础平台来增加语音业务和数据业务的数量和类型，同时支持现有用户增长率。分组传输优越于互连电路的一般趋势与各类运营商和各类业务都有关。基于分组的新技术，如异步传输模式（ATM），已开始展现该概念在增大容量、提高运营速度时是多么有效。结果，网络基础设施将融合到一起，为语音和数据提供互动功能和端到端的服务质量（QoS）。对于W-CDMA和其他3代网络来说，ATM通过综合不同媒体和提供额外带宽、可选择的服务质量以及传输特性实现了更广泛的、曾经被视为不可能实现的应用。这就是下一代服务传输的实质，而不管采用哪种接入技术。GPRS解决方案朗讯（Lucent）PacketGSM是朗讯公司基于GSM的分组技术（包括GPRS）的产品品牌，随着朗讯PacketGSM解决方案的出台，GSM开始了向GPRS过渡继而沿革至下一代的进程，移动网运营商将得以更充分地享受到技术发展带来的好处。在这一演进过程中，分组交换技术扮演着重要角色，而朗讯目前正在帮助运营商实现向基础设施和服务的更新。同时，借助GPRS的PacketGSM技术也将为运营商提供崭新的收入来源，亦为下一代网络的建设奠定了坚实的基础。“基于分组的技术将为下一代网络奠定坚实的基础”朗讯公司的PacketGSM是面向现有运营商以及新打入市场的GSM运营商而开发的。由于分组交换结构将成为第三代（3G）网络的基础，PacketGSM在用户需求和频谱可用性允许时为整个3G网络提供灵活的路径。对于没有3G许可证的运营商来说是同样适用的--他们可以在现有网络上提供同样的服务。PacketGSM技术可与GSM和GPRS和谐共存，改进亦可成为多厂商综合环境的一部分。由于PacketGSM技术可与GSM所演进的增强数据速率系统（EDGE）以及宽带码分多址（WCDMA）等下一代系统相兼容，所以它能把业务带入下一代。由于分组交换技术可被用于任何网络，它也可以被用于多标准结构中。这一点非常重要，因为模块网络为运营商提供最灵活的选择，并且，诸如GPRS和WCDMA等新技术可在最初阶段被用于“岛屿覆盖”。安装能够支持多标准的设施为经营2代和3代无线网的运营商们提供了一个典范。这在未来几年中将由于若干项新技术的引进和无缝隙地支持业务的需要而变得至关重要。IP是ATM的补充，这两个协议可能由于各自操作于不同的网络层上而能够得以共存。IP可能被用来提供路由，路由又通过ATM传送。这里，ATM被用作基础传上海宸特科技专业技术文章密级：36输协议，具有高速交换、多种业务以及服务质量等优点。无论何时何地安装都会使运营商拥有两种技术的优势。将来，移动IP能实现语音和数据的合二为一，