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GPRS中网络结构与信令研究施万青马洪涛摘要: 本文首先介绍了GPRS网络的总体逻辑结构，然后重点介绍了在GPRS网络中各个接口上的信令协议过程。 关键词：GPRS；网络；信令一、引言 GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，它是一种基于分组交换传输数据的高效率方式。GPRS将深刻地改变终端用户使用移动数据业务的方式，GPRS能够提供比现有GSM网（96kbit/s）更高的数据率，可达115kbit/s。巨大的吞吐量改变了单一的面向文本的无线应用，使得包括图片、话音和视频的多媒业务成为现实。GPRS还能根据用户需要灵活地动态分配无线资源，从而实现多用户共享，提高频率利用率。同时计费也将由传统的按时方式改为根据用户数据的传输量来计费。因此，GPRS在第二代移动通信系统向第三代移动通信系统演进中起了重要的作用。二、GPRS的网络结构 为了实现分组数据的传输功能，GPRS在PLMN（公共陆地移动网）中引入了两个新的节点：SGSN（GPRS业务支持节点）和GGSN（GPRS网关节点）。GPRS的网络结构如图1所示。在图中我们可以看出，在不同的功能实体之间有专门的接口用来传输信令和数据。其中，实线表示此接口可以传数据，也可以传信令；虚线表示此接口只用来传信令。在功能实体中，原GSM网络中的实体仍然存在，只是增加了一些GPRS的功能。在新增加的功能实体中，SGSN负责跟踪SGSN服务区域内的MS的位置并提供安全功能和接入控制；GGSN负责控制用户的路由信息，用于实现GPRS网络和其它网络的互通，起到网关作用。 GPRS的网络结构从下到上可以分为三层：L1层、L2层、L3层。在GPRS网络中，数据和信令传输过程中涉及到的功能实体主要有：MS（移动台）、BSS（基站服务子系统）、SGSN（GPRS服务支持节点）、GGSN（GPRS网关支持节点）、HLR（归属位置登记器）、MSCVLR（移动业务交换中心拜访位置登记器）。这些功能实体之间则由功能接口来连接，用来传数据或信令。 与GPRS数据和信令传输有关的接口主要有： Um接口：MS和SGSN之间的接口。 Gb接口：BSS和SGSN之间的接口。Gr接口：SGSN和HLR之间的接口。 Gs接口：SGSN和MSC/VLR之间的接口。 Gn接口：GSN（SGSN或GGSN）和GSN之间的接口。三、各个接口的信令协议 1MSSGSN图2为MS和SGSN之间接口上的信令协议。在Um接口上，L1层是GSM RF层，L2层是RLC/MAC层。而在Gb接口上，L1层则变为L1bis层，L2层包括两个子层，BSSGP层和NS层。RLC/MAC层实现两个功能：RLC和MAC。RLC功能提供非独立于无线资源的可靠信道，MAC功能则负责无线信道的存取信令控制，同时将LLC的数据帧映射到GSM的物理信道上。NS建立于BSS和SGSN之间的FR（帧中继）连接基础之上，用于传输BSSGPPDUs。BSSGP用于在BSS和SGSN之间传输路由和QoS（服务质量）信息，它不对传输的数据进行错误纠正。L1、L2这两层同时也属于GPRS的传输面。这是因为GPRS主要用于传输分组数据，而GPRS的信令属于分组数据的一种，所以GPRS的信令和分组数据在同一数据信道上传输。具体表现为，GPRS信令的L1、L2层既属于信令面，又属于传输面。LLC（逻辑链路控制）层用于提供高可靠性的加密逻辑信道。这一信道独立于下层的非独立逻辑信道，即在同一非独立逻辑信道上可以建立多条LLC信道。GPRS引入的这一层次可以提高信道的利用率，便于分组数据的传输。在BSS中，Relay功能模块用于将上层的LLCPDUs在RLC和BSSGP之间进行中继，使得MS和SGSN的LLC层之间建立起一条虚信道。L3层包括RR（无线资源管理）、MM（移动性管理）和SM（会话管理）。RR建立于RLC/MAC信道之上，用来对无线信道进行管理。GMM/SM（GPRS移动性管理/会话管理）建立于LLC信道之上，用于提供GPRS激活、安全、PDP上下文激活等等功能。2SGSNMSC/VLR图3为SGSN和MSCVLR之间接口上的信令协议。Gs接口上，采用了BSSAP信令协议，这是BSSAP信令协议的一个子集。在GPRS中，BSSAP用于支持SGSN和MSCVLR之间的信令传输。在VLR中主要是对电路交换业务进行控制，在SGSN中主要是对分组数据业务进行控制。Gs接口将这两种功能联系起来，用来支持既有电路交换业务又有分组数据业务的MS。SCCP定义了几种业务类型，其中两种为：类型0（基本无连接模式）和类型2（面向连接模式）。BSSAP只用到其中的类型0服务。BSSAP信令的消息格式是固定的，前8比特是消息类型元素，用来区分不同的信令消息，这里我们将所有的消息都表示为BSSAP消息。在信令消息的交换过程中，形成了一定的功能。这里SGSN和MSCVLR都有自己的状态转移图，不同的状态表明实体可以执行哪些过程。寻呼和位置更新过程用来支持通过GPRS网络的电路交换功能，MS信息过程被VLR用来向SGSN询问MS的参数信息，IMSI去附着过程用于网络端发起的去附着功能。这些过程很多并不单独执行，而是GPRS所实现的具体某个功能的一部分。3SGSNHLR图4为SGSN和HLR之间接口上的信令协议。在Gr接口上，TCAP、SCCP、MTP3和MTP2与GSM网络中原来所采用的协议完全一样。MAP则是对GSM中原有的MAP功能的增强，增加了用于在SGSN和HLR之间的GPRS信令传输部分。在这里，我们知道在NSS（网络子系统）中不同设备之间的信令消息传输方式是比较规范的，都采用了CCC7信令标准。MTP协议分为MTP2和MTP3两部分，MTP2集中了MTP中全部的链路层协议，MTP3则包含了网络层的部分协议。SCCP位于MTP协议之上，与MTP3共同构成网络层的协议。在CCC7信令系统中有两个层次的网络概念，一个是MTP3协议构成的国家网，另一个是基于SCCP的全球网。在MTP3中的编址记为SPC（信令点编码），只能在同一国家网中的通信实体之间进行正确的信令消息传递。要在全球网中进行信令消息传递，必须采用SCCP编址。SCCP信令消息的编址分为两个部分，全球标识部分和SPC部分。全球标识部分用来区分不同的国家网，SPC用来区分国家网内的不同通信实体，由此实现了全球的不同通信实体之间的信令消息传递。在SCCP上面的是TCAP（事件处理能力应用部分），这一协议通常不是作为传输协议，而是被看成一个应用协议。TCAP在每个信令消息上附加一个事件指示，用于区分不同的事件消息。这样在同一虚链路中可以传输并行的多个消息流，在接收端通过事件指示值将属于不同事件的消息区分开来。MAP协议在GSM中的多个通信实体间采用，但在不同的接口上有不同的变形。在下层协议已经建立好的链路上，MAP协议通过在两个通信实体间交换一定格式的信令消息，实现一定的功能。MAP协议将这些信令的交换过程合在一起，称为MAP服务。MAP服务的共同服务有建立、清除等MAP协议实体间的状态转移图，状态转移图的每个状态确定MAP协议可以执行哪些服务。MAP在不同的接口上还有自己的特殊服务，在Gr接口上增加了支持GPRS业务的特殊服务。通过在SGSN和HLR之间交换一定格式的信令消息，SGSN可以存取和更新HLR中的用户GPRS数据。HLR中的这些用户GPRS数据也可以通过其它接口被与HLR相连的其它通信实体，如GGSN存取。这些信令消息的交换过程是GPRS业务的激活、去激活等过程中的一部分。4GSNGSN图5为GSN和GSN之间接口上的信令协议。Gn接口上采用了GTP（GPRS隧道协议），这一协议位于GPRS的骨干网上，用于SGSN和GGSN（或SGSN和SGSN）之间的信令消息和用户数据的传输。图中的UDPIP是骨干网中标准的传输协议，用来提供无连接的分组数据传输业务。GTP协议既属于传输面，又属于信令面。在传输面上，GTP应用隧道机制传输用户的分组数据；在信令面上，GTP定义了隧道的控制和管理协议，用来支持SGSN为MS提供GPRS访问服务。其中的一部分信令用来创建、修改和删除隧道。GTP的信令消息包括固定20字节长的消息头和消息体部分。消息头中的长度标识部分决定消息体的长度，消息类型部分决定消息的种类。GTP协议中还包括一部分信令交换过程，这些过程用以支持GPRS移动性管理和会话管理的一部分，如GPRS附着、GPRS路由更新、PDP上下文激活等。GTP信令消息头中的TID（隧道标识符）用于识别PDP上下文。TID中包括IMSI（国际移动台标识）和NSAPI（网络子系统服务接入点标识），这一对IMSINSAPI唯一地确定了PDP上下文。在匿名访问时，GTP则使用AATID，AATID包括ATLLI和NSAPI，这一对ATLLINSAPI唯一地确定了一个临时PDP上下文。四、结束语 GPRS是一种能够提供高速率数据的无线分组业务。作为GSM向第三代移动通信过渡的技术，它在各国都受到了