《GPRS基本原理》PPT课件.ppt

GPRS基本原理,移动研究所网规网优部,课程目的,学习完本课程，你将能够： 了解GPRS的网络特点和结构 理解GPRS的各种接口和协议 理解GPRS的无线空中接口原理 掌握GPRS的业务流程 了解GPRS至3G的发展演进,目录,GPRS网络概述 GPRS无线接口原理 GPRS移动性管理 GPRS会话管理 GPRS数据传输过程 GPRS至3G的发展演进,什么是GPRS？,GPRS网络概述,GPRS General Packet Radio Service 分组交换在数据应用方面对频率利用的效率则高得多 GPRS移动IP，是GSM的无线接入技术和Internet分组交换技术的结合,GPRS的产生与发展,GPRS网络概述,GPRS 产生与发展 GPRS是在现有的GSM移动通信系统基础之上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS系统可以看作是对原有的GSM电路交换系统进行的业务扩充，以满足用户利用移动终端接入Internet或其它分组数据网络的需求。 GPRS通过在原GSM网络基础上增加一系列功能实体来实现对分组数据的传输，新增功能实体和软件升级后的原GSM功能实体组成GSM-GPRS网络，作为独立的网络实体完成GPRS数据业务，原GSM网络则完成电路业务。,GPRS特点,GPRS网络概述,GPRS特点 适用于非周期性的突发数据业务 上下行链路可不对称，数据速率可变 灵活的资源管理方式 无线口资源被GSM语音和GPRS数据业务动态共享 信道分配灵活，MS与信道的多种映射关系 一个MS可同时进行多个数据会话 编码方案CS-1CS-4，数据速率：9.05171.2kbit/s 支持主要的接口定义包括Internet，X.25和SMS 和GSM基础设施共享，网络运营费用降低，按数据量收费,GPRS业务,GPRS网络概述,承载业务 WWW浏览、FTP、WAP、E-mail。 PTP 无连接的PTP业务(PTP-CLNS)：如IP 面向连接的PTP业务(PTP-CONS）：如X.25 PTM：GPRS第二阶段提供 PTM-M（组播） PTM-G（群呼） IP-M（组播）,GPRS业务,GPRS网络概述,电信业务 PTP: E-mail、电子监控、在线游戏 PTM：天气预报 移动IP 补充业务 适用于GPRS的GSM phase2补充业务 GPRS特定的补充业务,GPRS业务与现有业务的关系,GPRS网络概述,与GSM SMS业务的关系 与电路交换业务的关系 三种网络工作模式 三类终端 两种业务配合工作的几种情形 联合的GPRS/IMSI附着以及分离功能 联合的路由区/位置区更新功能 B类MS的悬置/恢复程序功能 经过GPRS网络实现电路交换业务寻呼功能,GPRS网络概述,GPRS系统消息,系统消息,系统消息1,系统消息3,系统消息5,系统消息13,系统消息4,系统消息2,GPRS网络概述,GPRS网络结构,GPRS网络概述,PCU功能,RLC/MAC层功能,完成无线资源管理功能,下行链路上：LLC层的PDU分割成RLC数据块； 上行链路上：RLC数据块重组成LLC层的PDU； PDCH上行链路ARQ协议，包括RLC块的ACK/NAK PDCH下行链路ARQ协议，包括RLC块的缓冲和重传 PDCH安排上行和下行数据传送的时隙资源；,信道接入控制功能，如接入请求、接入准许； 无线信道管理功能，如功率控制、拥塞控制、广播控制消息等。,GPRS网络概述,SGSN功能,网络接入控制,鉴权加密 IMEI检查,路径管理,SGSN-BSS之间数据传输路径管理 SGSN-GGSN/SGSN-SGSN间的路径管理,逻辑链路管理,SGSN-MS之间逻辑链路的管理 支持确认/不确认传输,路由和隧道传输,用户数据的存储转发 路由选择 地址翻译和映射 封装与隧道传输,用户信息管理,移动性信息 签约信息,计费管理,GPRS网络概述,GGSN功能,网络接入控制,消息过滤 计费信息收集,动态分配IP地址,SGSN-BSS之间数据传输路径管理 SGSN-GGSN/SGSN-SGSN间的路径管理,移动性和会话管理,业务管理,用户数据的存储转发 对APN进行管理,路由选择与转发,移动性信息 签约信息,计费管理,CG计费 Radius计费,保存GPRS用户签约数据 用户鉴权 提供移动性管理和路由选择所需的位置/路由信息及相关处理， 如： 保存和更新用户服务SGSN号码和地址 GPRS用户位置删除指示 MS是否可及标志 用户跟踪（可选）,GPRS网络概述,HLR功能,SGSN通过Gs接口与MSC相连（Gs接口可选） 联合IMSI/GPRS附着/分离 联合位置区/路由区更新 电路寻呼协调功能 提高无线资源利用率,GPRS网络概述,MSC/VLR附加功能,SGSN通过Gd接口与短信中心相连能够通过GPRS发送短消息，减少对SDCCH的占用，从而减少 SMS业务对话音业务的影响 原有短消息信息源可以共享 可以由运营者来选择优先通过MSC还是SGSN来传送SMS,GPRS网络概述,GPRS对SMS的支持,GPRS PLMN,GGSN,防火墙,外部IP网,Gi,ISP,企业网,非透明接入,GPRS网络概述,与外部PDN相连,BTS,SGSN,GGSN,BSC,MSC/VLR,Gi,Gn,Gr,Gs,Gb,Gn,A,HLR,IP Network,GPRS Backbone,BG,Other PLMN,Gp,PCU,SGSN,GGSN,Gn,Gn,BG,SS7,MS,GPRS网络概述,GPRS网络接口,Um,Abis,Um接口 MS完成与GPRS网络的通信，完成分组数据传送、移动性管理、会话管理、无线资源管理等多方面的功能。 Gb接口 通过该接口SGSN完成同BSS系统、MS之间的通信，以完成分组数据传送、移动性管理、会话管理方面的功能。该接口是GPRS组网的必选接口。 Gi接口 Gi接口是GPRS与外部分组数据网之间的接口。GPRS通过Gi接口和各种公众分组网如Internet或ISDN网实现互联，在Gi接口上需要进行协议的封装/解封装、地址转换、用户接入时的鉴权和认证等操作。,GPRS网络概述,主要接口功能,GPRS网络概述,Gn接口 Gn接口是GRPS支持节点间接口，即同一个PLMN内部SGSN间、SGSN和GGSN间接口，该接口采用在TCP/UDP协议之上承载GTP的方式进行通信。 Gs接口 SGSN通过Gs接口和MSC配合完成对MS的移动性管理功能，包括联合的Attach/Detach、联合的路由区/位置区更新等操作。SGSN还将接收从MSC来的电路型寻呼信息，并通过PCU下发到MS。 其他接口 Gr、Gd、GP、Gc、Gf。,主要接口功能,GPRS网络概述,GPRS数据传输平台,物理层 分为无线射频层和物理链路层 L1bis、L1、L2协议 在GPRS规范中没有规定，各厂商的解决办法可能不同。 RLC/MAC RLC为上层业务提供可靠的无线链路，MAC层负责处理信道定位和复用，RLC/MAC层共同形成了具有Um接口的OSI第二层协议，使用物理链路层提供的业务。,GPRS网络概述,GPRS数据传输平台,NS NS属于传输BSSGP协议数据单元。它建立在BSS和SGSN之间帧中继连接的基础之上，并且可以穿越帧中继交换节点网络。 BSSGP 在下行链路中，由SGSN向BSS提供实现RLC/MAC功能所需的无线信息；在上行链路中，由BSS向SGSN提供从RLC/MAC得到的无线信息，并使两个不同的节点（BSS和SGSN）实现节点管理功能。该层传送BSS和SGSN之间的路由相关和Qos相关信息，不执行纠错。 Relay BSS里的Relay的功能是中继Um和Gb接口之间的LLC PDU。SGSN里的Relay的功能是中继Gb和Gn接口之间的PDP PDU。,GPRS网络概述,GPRS数据传输平台,LLC 提供移动台和SGSN之间可靠保密的逻辑链路，该层独立于下层无线接口协议，LLC层有确认模式和非确认模式两种转发模式。 SNDCP 承担了在网络层和底层之间映射和压缩以及分段，排序和复用，属于网络层协议。主要功能有：复用多个PDP；压缩/解压缩用户数据和协议控制信息；将网络协议数据单元（N-PDU）分割成逻辑链路控制协议数据单元（LL-PDU），或是反向重装。,GPRS网络概述,GPRS数据传输平台,GTP 该协议支持GPRS骨干网各支持节点之间的数据和信令传输，所有的PTP PDU PD都要用GTP封装。 UDP/TCP 传输层协议，建立端到端连接的可靠链路，TCP具有保护和流量控制功能，确保数据传输的准确，TCP是面向连接的协议。UDP则是面向非连接的协议，UDP不提供错误恢复能力，也不关心是否已正确接收了报文，只充当数据报的发送者和接收者。 IP 用于路由用户数据和控制信令的GPRS骨干网协议。GPRS骨干网最初会基于IP版本4协议，最终会用版本6。,GPRS网络概述,GPRS数据传输平台,GPRS网络概述,GPRS信令平台,目录,GPRS网络概述 GPRS无线接口原理 GPRS移动性管理 GPRS会话管理 GPRS数据传输过程 GPRS至3G的发展演进,GPRS无线接口原理,GPRS逻辑信道类型,分组数据信道（PDCH） 分为分组业务信道和分组控制信道 分组业务信道(PDTCH) 单向业务信道：PDTCH/U，PDTCH/D 分组控制信道 广播控制信道：PBCCH 公共控制信道：PPCH，PRACH，PAGCH，PNCH（发送通知信息） 专用控制信道：PACCH，PTCCH/U（用来估计TA），PTCCH/D（发送TA更新信息）,GPRS无线接口原理,GPRS逻辑信道类型,分组逻辑信道（PDCH）组合 方式1：PBCCHPCCCHPDTCHPACCHPTCCH； 方式2：PCCCHPDTCHPACCHPTCCH； 方式3：PDTCHPACCHPTCCH。 其中 PCCCH = PPCH + PRACH + PAGCH + PNCH。 小业务量 在GPRS业务量不大的情况下，一般小区内GPRS与电路业务共用BCCH和CCCH，此时小区内仅需要信道组合方式3。 随着业务量的增大 小区内需要配置分组公共信道，需要增加信道组合方式1和2。,GPRS无线接口原理,分组逻辑信道组合方式,MS多时隙能力的概念 定义要素：最大接收时隙数（下行时隙）、最大发射时隙数（上行时隙）、最大总时隙数 定义：多时隙能力等级129；等级数越大，多时隙能力越强 影响MS多时隙能力的因素 是否能同时发送和接收 考虑MS做邻近小区测量、收发信机发射和接收准备等时间要求 跳频对时间要求影响的考虑 实现时的目标市场细化的考虑 BSS应根据MS的多时隙能力、请求的QoS以及当前资源配置情况进行最优资源分配。,GPRS无线接口原理,MS的多时隙能力,A类 可同时附着在GPRS网络和GSM网络上，并可同时进行分组交换业务和电路交换业务。 B类 可同时附着在GPRS网络和GSM网络上，但不能同时进行电路交换和分组交换业务。 C类 不能同时附着在GPRS网络和GSM网络上，GPRS业务和电路交换业务仅能选择其中一种业务，未选中业务的状态是断开状态，不能实现连接。,GPRS无线接口原理,MS手机能力分类,T = PTCCH, I= Idle frame B0 - B11 = Radio blocks,GPRS无线接口原理,分组逻辑信道的映射,除了分组随机接入信道和PTCCH/U外，其他分组逻辑信道的基本组成单位都是BLOCK，BLOCK的占用次序是这样规定的：(B0, B6, B3, B9, B1, B7, B4, B10, B2, B8, B5, B11)。,PDCH 帧结构 一个52复帧包括12个无线块 电路域中一个TDMA帧分为8个时隙 分配给GPRS 的时隙称为PDCH 多个时隙可组合为一个PDCH组，每PDCH组最多可包含8个时隙 无线资源分配和无线传输以无线块（BLOCK）为基本单位 一个无线块时长包括4个TDMA帧，为用户占用的最小单位 剩下4个burst用于测量、上报TA 若干用户争抢这些数据块，从宏观上实现分组共享目的,UM接口帧结构,GPRS无线接口原理,52复帧描述,GPRS无线接口原理,CS编码方案,RLC / MAC layer,Radio block,Convolutional coding,Puncturing,456 bits,4 bursts,Physical layer,GPRS四种定义了CS-1至CS-4四种信道编码方式 数据速率依次为9.05 Kbps, 13.4 Kbps, 15.6 Kbps，21.4 Kbps CS-1与SDCCH的信道编码相同；CS-1，CS-2所要求的C/I与电路型基本相同，可覆盖小区的90100；CS-3较高；CS-4对C/I要求很高，需要良好的无线环境 网络根据对无线传输的实时监测结果调整信道编码模式 不同的时隙可选择不同的信道编码方式 当无线传输质量较好时，应采用效率更高的编码方式,GPRS无线接口原理,CS编码方案,几个概念 USF 控制不同的MS在上行PDCH上复用无线块。USF用于动态和扩展动态媒介接入模式。在PCCCH上，一个USF值用于标注PRACH（USF = 空闲），其余的留给7个不同的MS使用（USF = R1/R2 R7）。 TBF TBF是被两个RR实体用来在分组数据无线信道上单向传输LLC PDU的物理连接。它是分派在一个或多个PDCH上的无线资源，其上传输的是携带了一个或数个LLC PDU的一些RLC/MAC块。 TFI 每个TBF由网络分配一个TFI，在不同方向可以使用同一个TFI，TFI先于LLC帧的传输在资源分配消息中分派下来。与一个特定TBF相关的RLC/MAC块必须包含一个TFI。,GPRS无线接口原理,PDTCH信道分配,GPRS与GSM共用空中接口物理信道 无线资源分配有三种方式： 固定分配 动态分配 扩展动态分配方式,GPRS无线接口原理,PDTCH信道分配,CS PS PS PS CS CS PS CS,Speech call 1,Speech call 2,Speech call 3,GPRS user 1,GPRS user 2,GPRS user 3,GPRS user 4,TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7,GPRS user 5,GPRS user 6,Idle,GPRS无线接口原理,PDTCH信道分配,P表示分组信道，C表示话音信道,GPRS无线接口原理,PDTCH信道分配,采用静态PDCH的原因 保证小区中的GPRS MS时常在线 保证GPRS业务一定的QoS 采用动态PDCH的原因 GPRS与GSM共享无线资源 优先保证话音业务的QoS的情况下考虑无线资源的最优利用 一个小区中的分组交换业务与电路交换业务的比例时常在变化 动态PDCH对话音业务不可见,GPRS无线接口原理,PDTCH信道分配,C/I载干比(dB),典型城区,移动速度每小时3公里,GPRS无线接口原理,分组数据传输,一个PDCH可以为多个MS使用；一个MS可以同时使用多个PDCH,B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9,B10,B11,B0,B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9,B10,B11,B0,B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9,B10,B11,B0,GPRS无线接口原理,分组数据传输,每个IP包可分成一个或多个SNDCP层的Block, 每个SNDCP PDU按1:1映射到LLC层. LLC Frame 转换成许多RLC Block RLC Block 加上MAC header 后通过4个burst送到空中.,GPRS无线接口原理,分组数据传输,RLC Blocks,4 x TDMA Frames = 4 Bursts = 1RLC block 20 ms,GPRS无线接口原理,分组数据传输,目录,GPRS网络概述 GPRS无线接口原理 GPRS移动性管理 GPRS会话管理 GPRS数据传输过程 GPRS至3G的发展演进,移动性管理专用流程 附着/分离 周期性位置/路由区更新 正常的位置区/路由区更新 移动性管理通用流程 鉴权 P-TMSI重分配 身份识别 移动性管理连接管理流程 连接的建立和释放,GPRS移动性管理,移动性管理概念和流程,一般功能 GPRS附着：建立起MM上下文，MM状态转为就绪 GPRS分离：删除MM上下文，MM状态转为空闲（ MS发起或网络发起） 安全功能：鉴权、加密、标识校验等 位置管理：正常/周期性路由区更新、小区更新 网络特定功能 与HLR配合进行GMM上下文清除 用户数据管理 MS类标处理 与MSC/VLR配合进行联合位置更新、联合寻呼等,GPRS移动性管理,移动性管理的主要功能,GPRS移动性管理,GMM状态迁移模型,GMM状态 空闲：GMM上下文未建立，MS不可及 待命：GMM上下文已建立，MS可接收寻呼，但不能进行数据传送；知道手机所在路由区 就绪：MS可以进行数据传送；知道手机所在小区 GMM上下文 MS相关标识 GMM状态 MS的位置信息（路由区标识、小区标识） 当前服务SGSN的地址、VLR编号(MS only) 加密算法、鉴权参数,GPRS无线接口原理,GMM状态转化,GPRS无线接口原理,GMM状态转化,空闲状态（Idle） 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通过执行GPRS激活过程在MS和SGSN中建立MM环境。,等待状态（Standby） 在等待状态下，在MS和SGSN中的MM环境已经创建了用户的IMSI，此时可以接收寻呼消息，不能发送分组数据。 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。 当Ready state timer超时； SGSN 知道MS的路由信息； MS可以接收寻呼消息； MS可以进行路由更新,GPRS无线接口原理,GMM状态转化,就绪状态（Ready） 在就绪状态下，SGSN MM环境会包含MS所在的小区信息。在就绪状态下，MS可以收发PTP PDU。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。 当完成GPRS附着时； SGSN知道MS的CELL ID； MS可以接收和发送PTP数据； MS可以进行小区更新,GPRS无线接口原理,GMM状态转化,GPRS无线接口原理,GPRS附着流程,GPRS无线接口原理,GMM鉴权流程,GMM鉴权流程,GMM标识检验,GPRS无线接口原理,Detach信令流程,手机发起,SGSN发起,HLR发起,GPRS无线接口原理,位置管理,小区更新：小区标识改变而路由区标识未改变 路由区更新：路由区标识改变 SGSN内的路由区更新 跨SGSN的路由更新 联合路由区/位置区更新 SGSN内的联合RA/LA更新 跨SGSN的RA/LA更新 周期性位置更新,GPRS无线接口原理,路由更新流程（Intra SGSN）,GPRS无线接口原理,路由更新流程（Inter SGSN）,GPRS无线接口原理,联合位置更新流程,GPRS无线接口原理,小区更新流程,目录,GPRS网络概述 GPRS无线接口原理 GPRS移动性管理 GPRS会话管理 GPRS数据传输过程 GPRS至3G的发展演进,GPRS签约数据中可以包括一个或多个PDP地址，每个PDP地址对应有一个PDP上下文 SM管理实体： SGSN、GGSN和MS PDP内容： PDP类型、地址(动态/静态)、状态 APN NSAPI 激活/未激活两种状态 PDP上下文与MM上下文的关联唯一性,GPRS会话管理,SM的概念,GPRS会话管理,PDP上下文状态迁移,PDP上下文激活：MS发起或网络发起，PDP上下文状态迁移为ACTIVE 鉴权 SGSN经过APN分析推导出GGSN地址 QoS协商、地址分配、启动计费等 PDP上下文修改 PDP上下文中的某些参数（如服务SGSN、QoS）需要改变时执行该规程 PDP上下文去激活 MS发起或网络发起，PDP上下文状态迁移为INACTIVE 删除PDP上下文 回收动态PDP地址 二次激活 在一个PDP地址上可以有多个通过而起激活流程产生的PDP上下文，这些上下文用TFT进行区分和标识,GPRS会话管理,SM管理主要功能,PDP激活流程：MS发起,GPRS会话管理,MS发起,网络发起,PDP上下文的去激活,GPRS会话管理,MS发起,GGSN发起,MS发送“PDP激活请求”到SGSN SGSN 检验用户数据 接入点名APN 动态/静态IP地址,BTS,BSC,SGSN,GGSN,HLR,DNS,1.,Access Point,PDP上下文激活场景 - 1,GPRS会话管理,SGSN从DNS得到GGSN 地址 SGSN 发送“建立PDP上下文 请求”到GGSN,PDP上下文激活场景 - 2,GPRS会话管理,APN标识用户希望使用的外部数据网 动态地址分配：由GGSN内部地址池或外 部DHCP服务器分配。 GGSN返回“创建PDP上下文响应”到SGSN SGSN向手机返回“激活PDP上下文” SGSN可建立手机与GGSN间的路由,PDP上下文激活场景 - 3,GPRS会话管理,目录,GPRS网络概述 GPRS无线接口原理 GPRS移动性管理 GPRS会话管理 GPRS数据传输过程 GPRS至3G的发展演进,三种信道上起始上行TBF建立过程 CCCH PCCCH PACCH 接入方式 一步接入（ONE PHASE） 指网络接收到信道请求后，第一次就分配足够的资源。 二步（TWO PHASE） 指网络第一次只是指派单个RLC/MAC块，然后等待MS提出资源请求，按资源请求的内容再分配相应的无线资源。,上行TBF接入,GPRS数据传输过程,CCCH一步接入,GPRS数据传输过程,CCCH两步接入,GPRS数据传输过程,GPRS上行数据传输,GPRS数据传输过程,GPRS寻呼,GPRS数据传输过程,GPRS下行数据传输,GPRS数据传输过程,TA初始化 在Immediate Assignment中不发送初始TA值，并指示MS在从连续的TA更新过程中获得TA值之前不进行上行数据的发送； 系统发送Packet Polling Message 要求MS上发access burst用于初始TA值的估算； 使用默认的TA值作为初始TA，这适用于小区半径不是很大区域。 连续TA更新 在8x52multi-frame (1920ms, 接近2 second)更新一次。,GPRS数据传输中 TA