（通信与信息系统专业论文）gprs数据通信研究与应用设计.pdf

i 摘 要 gsm 移动通信业务自推出后发展非常迅速，尤其是数据相关业务猛增，在一些 经济发达的国家和地区，其数据传输慢的缺点很快显露出来。因此，人们开始寻求 如何在现有的 gsm 网络上升级满足当前的业务要求，gprs 技术 (general packet radio service)就是在此背景下诞生的。数据通信是 gprs 最广泛的应用，本文主要 分析其数据传输时的通信协议，并在移动终端上进行软件实现。 本文开始先介绍了 gprs 产生的历史、系统特点以及数字移动通信技术中蜂窝 技术的相关知识，着重描述了 gprs 的典型体系结构，给出了其网络结构图，各个 子系统，各通信实体间的接口和协议，逻辑信道及相关业务。 第 3 章中介绍了 gprs 移动终端平台的实现。首先就移动终端的硬件体系和软 件体系的设计思想作了介绍，接着描述了在手机上的具体实现方案。 第 4 章讲述了终端软件的 gprs 功能的软件实现，以及相关的应用。首先就终 端中底层封装的 gprs 协议的相关函数接口做了说明，然后分析了终端与网络连接 时的信令过程。接着介绍了终端中 gprs modem 功能的实现，分析了使用 gprs modem传送数据时的相关信令流程，并对异常情况做了分析和处理。本文最后利用 已经实现 gprs modem功能的手机实现了两台移动终端间的数据传输，并且对传输 系统的数据传输性能进行了测试，就测试结果做了相关分析，证实了 gprs 传输数 据的可靠性。 关键词：通用分组无线业务 数字通信技术 无线信道 数据传输 信令 移动终端 ii abstract the gsm mobile communication business developed very quickly, especially the data- related service. however, as the business increased, the data transfer speed becomes insufficient in some developed countries. therefore, people began to seek a new mobile communication technology to increase the data transfer speed in current gsm systems. gprs was born in such circumstances. the data communication is the most widely gprs application. this article analyzes the communication protocol in data transfer and presents the realization of the software system for mobile terminals. firstly the gprs development history is introduced, both the gprs system structure and the cellular technology related knowledge. then the gprs typical architecture is featured, including the structure map, subsystems, communication interfaces and protocols between the entities, logical channel and related services. the realization of the gprs mobile terminal platform is presented in chapter iii. firstly, the design method about software and hardware structure is introduced. then the special solution for the mobile phone is described. the realization and application of gprs function in mobile software system is described in the last part. firstly the function interface about the gprs protocol in the lower layer of the mobile system is introduced, including signal process about the attach and detach between mobile terminal and gprs networks. next the realization of gprs modem is presented, also the normal and unusual data transfer signal process about the gprs modem. finally, the application about gprs modem used to transfer data between two mobile terminals is described, and the test about the data transfer will be also introduced. the test result is analyzed and the reliability of the gprs data transfer is confirmed. key words: gprs data communication technology wireless channel data transfer signal mobile terminal i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期：2007 年 2 月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 言 1.1 gprs 出现的背景 1.1.1 ip技术已成为未来发展的方向 电信业在采用电路交换通信模式近一个世纪后，其趋势正逐渐向分组交换模式 演化，ip 技术在未来的通信网络中将占有更加重要的地位。 电路交换，报文交换，分组交换是通信网上的三大交换技术1。 报文交换的传输单元为整个报文，由于报文长度差异很大，转发时用于存储临 时报文的缓冲区分配起来比较困难，而且长报文可能导致很大的时延，因此报文交 换的应用范围比较有限。 电路交换技术的基本特点是：通话前必须为通话双方分配一条固定带宽的通信 电路，通话期间，这部分带宽由双方独享，不能再被别的用户使用。优点是可以保 证低时延，高可靠的通话质量，缺点是网络带宽利用率低。据统计，正常通话时只 有 40%处于有声期，其他时间都处于空闲，这对频率资源是一种极大的浪费。这一 问题对数据通信来说尤为严重。 首先，数据通信有很强的突发性。突发性可定量描述为峰值比特率和平均比特 率之比，一般的数据传输，突发性可高达 50。如果采用电路方式，按峰值速率分配 带宽，显然会造成严重的浪费，按平均速率分配带宽，则会造成大量数据丢失。 其次，数据通信中，数据终端的形式多种多样，各种终端对传输率要求相差很 大，电路交换只能定义有限的几种标准带宽电路，很难用有限类型的电路将不同类 型的速率的数据终端连接起来。 另外，数据通信的基本要求是数据无差错的传输到对端用户，对差错率要求比 较高，对传输时延没有特别严格的要求。 分组交换方式采用长度一定，结构统一的数据分组作为数据传输的基本单位。 每个分组头都带有地址，序号校验码等信息，用于纠错，排队，选路等处理。此外， 分组交换采用存储转发机制，节点收到分组后先存起来，然后根据分组头中的地址 信息寻找下个节点。 分组交换方式在通信前不需要为用户分配一条固定线路，可根据用户需要及网 2 络带宽，动态的分配网络资源；同时，由于采用了存储转发机制，可以动态的选择 路由，从而提高了通信的可靠性。 gprs(general packet radio service) 是gsm(global system for mobile communication)在 phase 2+阶段引进的速率的数据及信令。 1.1.2 移动数据通信市场的形成 移动通信业务迄今为止仍是传统的语音通信占主导地位，但随着用户量和业务 量激增，竞争加剧，发展移动数据业务就成了运营商的战略发展方向。 移动数据通信大致包括下面两种2： 单向移动数据通信：单向移动数据通信广播，单向无线寻呼； 双向移动数据通信：基于蜂窝电话系统的分组交换技术，蜂窝电话网增值业务， 专用蜂窝移动数据网，无线局域网及家庭无线电技术，移动卫星通信系统等。 1.1.3 向第三代移动通信系统迈进 近几年信息技术的迅猛发展，使得人们已经开始有了第三代移动通信业务 主要是对高速移动数据通信的需求。具有宽带数据通信和多媒体通信能力是第三代 移动通信的主要特征，这就要求网络必须提供快速分组交换能力。如何平稳到第三 代移动通信系统就成了问题，权衡再三的结论是：通过技术的平滑过渡来提供业务 的平滑过渡，基于 gsm 系统提供的 gprs 方案，是迎合平滑过渡策略的最主要的方 案。 1.2 gprs 的基本特点 gprs 只是一种移动通信技术，是对 gsm 系统的一个升级。因此，它也具有 gsm 系统的一般特点： gsm/gprs 系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网(pstn、 isdn、pdn 等)互连互通。各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确 和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的 gsm/gprs 系统或子系统能互 连； gsm/gprs 系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对于全部 gsm/gprs 移动用户都可进入 gsm/gprs 系统而与国别无关； 3 gsm/gprs 系统除了可以开放话音业务，还可以开放各种承载业务、补充业 务和与 isdn 相关的业务； gsm/gprs 系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全； gsm/gprs 系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务 交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户 对大容量、高密度业务的要求； gsm/gprs 系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高； 同时它还有 gsm 系统所没有的优势： 底层基于 tcp/ip 协议，可与 internet 无缝连接； 能够在分组交换业务和电路交换业务间动态地分配无线信道； 作为一种为多种移动数据业务提供服务的承载业务，可以方便有效地提供短 消息、wap 等业务； 1.3 研究背景和目的 传统移动通信终端主要作为话音通讯工具使用，功能比较单一，硬件结构相对 简单，且其硬件和软件之间存在着很强的相关性。这类终端的硬件都是围绕单一的 基带处理器搭建的，该处理器执行电信和其它简单的应用任务，目前这些硬件电路 的集成度在逐渐提高。随着各个终端厂家设计能力的提高，更经济灵活的技术方案 逐渐占据了主流，这就是硬件平台整体解决方案，即提供关键芯片组及相关软件的 解决方案。gsm/gprs 标准的方案包括ti公司的calypso和omap、agere 公司的 sceptre 系列、 philips 公司的nexperia、 infineon 公司的黄金系列、 st公司的nomadik、 adi 公司的softfone 等。 无线移动终端的复杂性更显著地体现在软件技术的复杂性和多样性上，无线移 动终端上的软件主要包括嵌入式操作系统、应用运行平台、应用程序等。用户对业 务的需求需要支撑技术的支持，支撑技术的运行需要操作系统的协调管理，操作系 统的运作需要底层硬件强大的处理能力支撑。任何一个环节弱化都可能影响到用户 的体验，最终影响移动业务的推广。目前市场上主流的普通终端操作系统主要有 symbian、windows ce、palm os、linux等。除以上这些操作系统和应用运行平台 外，软件还包括一些支撑技术平台，如基于移动互联网的wap技术，基于在线视频 的流媒体技术等等。 4 鉴于终端软件的复杂和多样，本课题主要针对 gprs 数据通信协议进行研究， 并且在 ti 提供的 calypso 硬件方案下，c 语言环境下完成 gprs 数据通信的实现， 并对数据通信过程信令分析基础上进行设计实现，包括正常状况和异常处理，最终 达到在移动终端上实现 gprs 数据传输的目的。 5 2 gprs 通信原理 2.1 数字移动通信技术 2.1.1 蜂窝技术 现代移动通信系统都采用蜂窝结构4， 蜂窝概念本身就是移动通信系统的一大进 步，相对于以往大区制通信系统，它代表了一种先进的无线电话组网方式， 这种方 式大大提高了系统的容量。 大区制移动通信系统 早期的移动通信系统采用大区制的场强覆盖，即由一个基站覆盖较大的服务区。 特点是网络结构简单，直接与市话交换局相连，不需无线交换。但它也有其局限性， 首先是覆盖范围有限，其次是限制了系统容量。图 2- 1 和 2- 2 分别是大区制和蜂窝通 信的示意图。 p s t nbsms 图 2- 1 大区制移动通信系统 bs bs bs bs bs bs bs msc pstn 图 2- 2 蜂窝移动电话系统的示意图 6 蜂窝系统 为了解决大区制系统的问题， 提出了蜂窝移动通信系统的概念， 如上图 2- 2 所示。 它将一个大区覆盖的范围划分为若干个小区，用小功率发射机覆盖每个小区，与用 户移动终端建立通信，小区的覆盖半径比较短，一般在 120km，许多小区就可以覆 盖整个服务区；同时通过在不同小区使用相同频率，使系统的总容量大大提高。蜂 窝系统由移动交换机，基站，移动终端组成，典型结构如图 2- 3 所示。基站设于各个 小区，通过无线信道与用户移动终端进行通信。移动终端包括车载台和手持机。从 基站到移动终端的方向称为前向链路，从移动终端到激战的方向称为反向链路，通 信协议采用空中接口标准。移动交换机对其覆盖范围内移动终端进行控制，并完成 与其它公用通信网之间的连接，通过有线方式与基站和公用通信网进行信息传输。 市话局 长话局 msc ms ms bsc bsc 其它msc bts bts 图 2- 3 蜂窝移动通信系统的典型结构 (1) 频率再用与同信道干扰 表面上看，如果服务区内划分 100 个小区，可供使用的所有频率都能作用于每个 小区，每个小区能同时容纳 12 个信道服务，那整个服务区就是 1200 个信道可以同 时通话。事实并非如此，因为在一个小区附近使用与此小区相同的载波频率，会彼 此间产生干扰，这种干扰成为同信道干扰。相同频率不能作用于每个小区，只能隔 一定距离或者隔几个小区才能使用相同频率。为实现这点，可以将若干小区组成一 个群，将可使用的无线频道分成若干组，区群内的小区使用不同的频道组，每个区 群可以使用全部频道。无线区群的构成应满足两个基本条件：若干个单位无线区群 彼此邻接组成蜂窝式服务区域，邻接单位无线区群中的同频无线小区的中心间距相 7 等。一个系统中有许多同信道的小区，整个频谱分配被划分为 k 个频率复用5的模 式，即单位无线区群中小区的个数，如图 2- 4 所示，其中k=3、4、7，当然还有其它 复用方式，如 k=9、12 等。 a3 a1 a2 b3 b1 b2 c3 c1 c2 a3 a1 a2 a3 a1 a2 b3 b1 b2 c3 c1 c2 c3 c1 c2 a3 a1 a2 b3 b1 b2 c3 c1 c2 a3 a1 a2 a3 a1 a2 b3 b1 b2 c3 c1 c2 c3 c1 c2 a3 a1 a2 b3 b1 b2 c3 c1 c2 a3 a1 a2 a3 a1 a2 b3 b1 b2 c3 c1 c2 c3 c1 c2 k=3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 k=4 1 1 1 12 1345 671 1 k=7 图 2- 4 n 小区复用模式 (2) 越区切换 将服务区划分为若干小区带来的问题是并非所有通话都能在一个小区内完成。 因为移动终端在小区内用所分配的频率与基站建立无线链路，通过基站连接到移动 交换中心，再连接到其他小区的用户时，所使用的工作频率和接续服务都不同，需 要在一次通话过程中将移动终端的工作频率和接续控制交给正在进入的小区，这叫 做越区切换。 (3) 小区分裂 当蜂窝系统覆盖地区内部分地区通信业务增长时，可将该地区的蜂窝小区分裂 成若干个较小的区域，这叫做区域分裂。 8 最简单的分裂方法就是将小区半径缩小并增加新的基站，另一种方法是小区分 成几个区，每个区的设备仅仅是天线，放大器，变频器，他们只起信号发射和接收 作用，并与基站相连。 2.1.2 多址技术 多址技术6 7基本有三种方式：频分多址(fdma)，码分多址(cdma)，时分多 址(tdma)。 频分多址(fdma) 频分多址系统中，把可以使用的总频道分成若干占用较小带宽的频道，这些频 道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。在接收设备 中使用带通滤波器允许指定频道通过，从而限制邻近信道之间的干扰。 这种方式的特点是技术成熟，易于模拟系统兼容，缺点是系统设计时要有周密 的频率规划，设备多容易产生信道间干扰。模拟蜂窝系统是 fdma 结构的一个典型 例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用 fdma，只是不会采用纯频分的方式，比如 gsm 系统就采用了 fdma。 时分多址(tdma) 时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧分割成若干时隙，每一个时 隙就是一个通信信道，分配给一个用户。此多址方式在数字蜂窝系统中采用，gsm 系统也采用了此种方式。 tdma 是一种较复杂的结构，最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时 隙，每个时隙传输一路猝发式信息。tdma 中关键部分为用户部分，每一个用户分 配给一个时隙(在呼叫开始时分配)，用户与基站之间进行同步通信，并对时隙进行计 数。当自己的时隙到来时，终端就启动接收和解调电路，对基站发来的猝发式信息 进行解码。同样，当用户要发送信息时，首先将信息进行缓存，等到自己时隙的到 来。在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去，然后又开始积累下一次猝发 式传输。 码分多址(cdma) 码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像 fdma、tdma 那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同 时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传 9 输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正 交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的 代码(伪随机码)，同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接 收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码(这个过程称为解扩)。 2.2 gprs 系统结构 2.2.1 gprs 系统网络结构及相关功能 gprs 是基于 gsm 系统的一种改进的通信技术，它的网络结构8如下： ms btsbsc msc/vlr pstn eir hlr/ gr 七号信令网 pcu sms中心 sgsn bc cg internet ggsn intranet gprs骨干网 ip网 dns bg 外部plmn网 计费中心 计费网关 域名系统边缘网关 vlr：来访用户位置寄存器 hlr：归属用户位置寄存器 eir：移动设备识别寄存器 bsc：基站控制器 bts：基站收发信台 bg： 边缘网关 sgsn：gprs 业务支持节点 ggsn：gprs 网关支持节点 pstn：公用电话网 dns：域名解析系统 pcu：分组控制单元 ms：移动台图 图 2- 5 grps 网络结构图 由图 2- 5 可以看出 gprs 系统保留了 gsm 系统原有的结构，增加了一条新的支 路用来实现分组交换的功能。在 gprs 网络中，逻辑网络结点 ggsn，ssgn 支持分 10 组数据在 plmn 上独立路由和传输。ggsn 作为外部分组数据网络的逻辑借口， sgsn 则负责把分组数据传送到其服务区内的 ms。协议数据单元 pdu 在源 gsn 中 打包，在目的 gsn 中拆包，在 gsn 之间，骨干网使用 ip 协议传送 pdu 包，整个 过程定义为隧道过程。用于对 pdu 封装和拆包的协议称为 gtp 协议，它工作与 tcp/ip 之上。ggsn 保留 pdu 传送过程中的路由信息。所有 sgsn 完成路由和数据 传送功能所需的用户相关信息都存储在 hlr 之中的 gr。 终端(ms) gprs 系统是加在 gsm 系统上的增值服务系统，它需要定义新型的 ms 支持 gprs 服务。ms 一般由两部分组成： 移动终端(mt)和终端设备(te)。 mt是具有 te 接口， 含有 gprs 功能软件的移动终端， 它可看作一个 modem， 把 te 连接到 gprs 系统。te 是 gprs 系统用来发送和接收终端用户分组数据的部 件，最常见的是笔记本电脑；gprs 提供 te 与 isp 之间的 ip 连接， 支持企业 lan 连接到 gprs。 mt和 me可以集成在一起成为一体化的 ms。 gprs 定义了三种终端： a类： gprs和gsm电路型业务可同时工作， 这种情况下需要sgsn与msc/vlr 之间配合工作，应选 gs 接口； b 类：可同时附着在 gprs 和 gsm 电路型业务上，但两者不能同时工作，只 能交替工作，可自动在两者模式之间切换； c 类：支持 gprs 和 gsm 电路型两种业务，但某一时刻只能附着在某一业务 上，需要人工在两种业务间切换。 一个专用于分组数据的 ms 可以用于分组交换通信和等待分组交换通信附着； 一个同时用于电路交换和分组交换的 ms 可以用于下面两种情况中的一种：a 等待 电路交换通信的进入； b 等待分组通信的附着。 基站子系统(bss) 基站子系统(bss)是 gsm 系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。 它通过无线接口直接与移动终端相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方 面，基站子系统与网路子系统(nss)中的移动业务交换中心(msc)相连，实现移动用 户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。 当然，要对 bss 部分进行操作维护管理，还要建立 bss 与操作支持子系统(oss)之 11 间的通信连接。 gprs 系统的 bss 是在 gsm 系统基础上升级而来， 它包括基站收发信台(bts)， 基站控制器(bsc)和分组控制单元(pcu)3 个功能实体构成9 10。实际上，一个基站 控制器根据话务量需要可以控制数十个 bts。bts 可以直接与 bsc 相连接，也可以 通过基站接口设备(bie)采用远端控制的连接方式与 bsc 相连接。需要说明的是，基 站子系统还应包括码变换器(tc)和相应的子复用设备(sm)。码变换器在更多的实际 情况下是置于 bsc 和 msc 之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具 有许多优点。 (1) 基站收发信机(bts) bts 在 gprs 的 cs- 1 和 cs- 2 两种编码中不需要做硬件更新， 只需做软件升级。 但在 cs- 3 和 cs- 4 两种编码中，则需要作硬件和软件的更新。 bts 主要处理与基站子系统 bss 有关的无线接续功能，它包括： 发送和接收话音/电路型数据和分组数据信号。 提供与 bsc 的 abis 接口和与 ms 的 um接口，实现这些接口的信令协议。 无线信道管理。gprs 与 gsm 一样，定义了两种无线信道资源：武力信道 和逻辑信道。逻辑信道是由 bsc 来分配和管理，bts 对逻辑信道是透明的。逻辑信 道到物理信道的映射则是由 bts 来完成的。gprs 采用与 gsm 相同的跳频，功率控 制和天线分集接收等提高无线通信质量的技术， 这些技术功能都是由 bts 来完成的。 bts 对无线信道的管理还包括对 ms 随机接入和越区切换的检测，无线信道的编码 解码，信道调制，交织和去交织，数据的加密和解密，tdma 帧建立，寻呼消息的 发送，码型转换和速率适配等功能。bts 还能对 ms 和 bts 间上下行无线链路的传 输质量测量结果进行预处理，以及向 bsc 定期报告无线资源状态。 操作维护功能。bts 主要处理对其设备内部各部分的操作维护功能，如收集 从 bts 内部各模块单元来的告警，滤出由同一出错引起的多个告警信号，将从 bsc 来的操作维护命令传给 bts 内部各单元设备，提供本地人机接口(mmi)管理以及所 有内部接续协议等。 (2) 基站控制中心(bsc) 为了使 bsc 具有 gprs 功能，需要对 bsc 进行软件更新，不需要更新硬件。如 果 pcu 不做成独立的组件，而是与 bsc 集成在一起，则 bsc 需要增加 pcu 模块， 这也可以认为是 bsc 的硬件升级11。 12 bsc 具有如下功能： gprs 移动管理功能。 pdch分配。gprs 与 gsm 共网时，在无线接口上使用共同的物理资，这意 味着在一个小区中，把 gprs 信道和电路交换信道混合在一起使用是可能的，bsc 完成 gprs 信道和电路交换信道的分配。电路交换信道具有较高的优先级。bsc 能 在两次电路交换的间隙动态的分配 gprs 信道，以提高整个频谱的利用率。一个信 道可以分配各多个 gprs 用户同时共享，多个信道又可以同时分配各一个用户使用， 而且只有数据传输时才分配 gprs 信道。 ms 功率控制。通过对上行信道的测量，计算出 ms 的功率，实施对 ms 的 功率控制。对 msc 的功率控制可以在 bsc 中进行计算，也可以放在 bts 中。 无线信道管理。bsc 的无线信道管理包括：a 执行对无线信道结构的管理； b 跳频管理，包括分配每个无线时隙所使用的跳频序列等；c pdch管理，包括无 线资源管理， 信道分配， 链路监视， 信道释放， 功率控制决定等功能； d pbchh/pchh 管理，包括对这些信道的安排，处理随机接入信道的用户接入请求，通过接入允许 信道向用户分配专用信道；e 对基站和 ms 送来的有关上，下行信道测量作处理， 以作为射频功率控制和越区切换决定的依据；f 加密管理功能，bsc 负责在正常呼 叫和越区切换期间从 msc 取得有关该次呼叫的加密参数，存储并送到 bts，也负责 在 bsc 内部越区切换期间修改 kc。 寻呼及系统信息广播。bsc 负责从 msc 接收 ms 的 imsi 号码，并据此计算 出该 ms 所在的寻呼块和寻呼分组，然后经过寻呼信道 ppch 向用户寻呼。 操作维护功能。这些功能包括性能管理，出错管理，和配置管理。性能管理 包括对业务的测量，对信令行为的测量和对某一 ms 的观察。这些观察和测量功能 都在 bsc 中，bsc 控制着这些观察和测量的触发，取样，收集数据，建立文件和传 输文件都 omc 配置管理包括 bss 软件下载，bcc/bts 参数的处理，bsc 的硬件结 构修改等等，以及支持小区分裂和增减 bts 设备等功能。出错管理包括对 bsc 内部 的维护功能如故障测试，定位，防护和结构重组等。 接口和协议转换功能。bsc 和 bts 的接口是 abis 接口，而与 ms 的接口是 a 接口，同时还建立着与 ms 之间的 rlc/mac 接口协议(bts 对 rlc/mac 协议是 透明的)。bsc 与 pcu 的接口是不公开的，不同的厂家有不同的方案。在 msc- bsc 侧使用七号信令，而在 bsc- bts 侧使用 lapd信令，因此，bsc 要实现这两种协议 13 的转换功能。 (3) 分组控制单元(pcu) pcu 是 gprs 新引入的部件。pcu 具有分组功能，允许多个用户使用适当的业 务处理类型接入同一无线资源，当业务处理结束时则释放资源。 pcu 作为独立设备时，可以连接多个 bsc，具有较强的组网灵活性。它可以独 立放置，也可以和其中一个 bsc 放置在一起，或者和网络侧设备放在一起。 pcu 具有以下功能： 将数据业务从 gsm 语音业务中分离出来，传送到 sgsn。 对外提供 gb 接口，建立起到 sgsn 的 bssgp 协议。 网络子系统(nss) 网路子系统(nss)主要包含有 gsm 系统的交换功能和用于用户数据与移动性管 理、安全性管理所需的数据库功能，它对 gsm 移动用户之间通信和 gsm 移动用户 与其它通信网用户之间通信起着管理作用。 (1) 移动交换中心(msc/vlr) msc/vlr 以 gs 接口直接与 sgsn 连接，也可以通过 bsc 以 a 接口和 gb 接口 间接与 sgsn 连接。为了支持 gs 接口，msc/vlr需要作软件升级。msc 主要负责 呼叫建立，呼叫控制和计费功能；而 vlr 则主要负责存储和更新用户数据，这些用 户是指那些漫游到该 vlr 所管辖地区中的移动用户。 在 gprs 系统中，msc/vlr 的功能主要体现在新增的 gs 接口上12： msc/vlr 和 sgsn 中的数据库通过 gs 接口连接，gs 接口用来协调同时附 着到 gprs 和 gsm 网络的 ms 的位置信息。msc/vlr 使用 gs 接口，通过 sgsn 传送某些 cs 进程的一个典型例子： 如果有 gs 接口， 则 a 类和 b 类的 ms 通过 sgsn 组合 cs 和 ps 移动管理进程连接到 msc/vlr。gs 接口不用于挂断/接通管理功能。 gs 接口的本质是支持网络操作模式 i 和 a， b 类 ms， 这包括组合 imsi/gprs 附着和分离，鉴别和移动管理。 网络操作模式 i 允许做两种优化，以节约无线资源和降低终端的电池消耗：a 组合位置区域(la)更新/路由区域(ra)更新。一个移动终端将 msc 的 la 更新和 sgsn 的 ra 更新分开来完成，借助 gs 接口，msc 和 sgsn 能够互相保持对终端的 区域更新，这将节省无线接口上的信令。b gprs 上的电路交换寻呼。网络给 gprs 附着的 ms 发送一个电路交换寻呼消息， 不管是通过 gprs 寻呼信道还是通过 gprs 14 业务信道，ms 只需监测一个寻呼信道就可以在分组数据信道上接收 cs 寻呼信息。 msc/vlr能够命令sgsn通知下一个无线信道与gprs的ms保持联系， 这 一机制可以用于触发传输一个用 cs 没有传送成功的 sms。 msc 和 sgsn 支持 b 类终端的“挂起/重接”功能。当 b 类 ms 正忙于数据 “通话”时又有电路呼叫交换到达，msc 将使用它与 bss 的接口和 bss- sgsn 接口 通报 sgsn。sgsn 于是挂起数据“通话” ，用户可以进行电路交换的呼叫；当呼叫 结束，数据“通话”重新接通。如果没有 gs 接口，将不支持 b 类终端的此类操作。 如果想同时支持 gprs 和 gsm 两类业务，gs 接口是必须的。 (2) 归属位置寄存器/gprs 寄存器(hlr/gr) gprs 寄存器(gr)是专门用来存储 gprs 用户数据的， 包括服务信息和路由信息 等。 物理上， gr 集成于 hlr 中， 通过对 hlr 进行软件升级来实现 gr 功能。 hlr/gr 提供与 sgsn 的 gr 接口。 hlr/gr的信息可以从sgsn存取， 对漫游用户， hlr/gr可能是在不同的plmn 到达它当前的 sgsn。hlr/gr 具有以下的功能： 判断用户是否允许接入 gprs 或 cs gsm 或两者。 记录用户信息：pdp 类型，apn ip 地址，qos。 支持 gprs 短消息。 hlr/gr的结构管理是通过 sog(service order gateway)接口，由 mml命令完 成的，这与 gsm 系统相同。sog 需要软件升级以支持 gprs 业务。 (3) 鉴权中心(auc) gsm 系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据 和信号信息进行保密等。因此，鉴权中心(auc)存储着鉴权信息和加密密钥，用来防 止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。 auc 属于 hlr 的一个功能单元部分，专用于 gsm 系统的安全性管理。 (4) 移动设备识别寄存器(eir) 移动设备识别寄存器(eir)存储着移动设备的国际移动设备识别码(imei)，通过 检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、 出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的 imei识别码，使得运营部门对于不 管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网路正常运行的 ms 设备，都能采取及 时的防范措施，以确保网路内所使用的移动设备的唯一性和安全性。 15 (4) 计费网关(cg) 分组交换的计费标准与电路交换的计费标准是不同的，前者是基于流量而后者 是基于时间。因此 gprs 系统需要引入新的计费网关 cg(charging gateway)用于 gprs 计费。 cg的主要功能是收集， 暂时存储和转传从sgsn和ggsn来的计费信息(cdr)； cg 还具有 cdr 合并，过滤和预处理的功能。cg 采用 ftp 协议把计费数据传送到 计费中心 bc。 gprs 的 计费系统可以独立于 gsm 的计费系统，也可以通过 gsm 计费系统的 升级来实现 gprs 的计费。 操作维护子系统 oms 操作维护子系统(oms)用于对通信系统中的每一个设备实体进行控制和维护， 实 现这些功能的设备实体称为操作维护中心(omc)。 gprs 规范中对于操作和维护部分 的规定通常只给出功能性接口要求，具体实现方法留给各设备制造厂家去完成。 gprs 的操作维护子系统主要是对新组件 gsn 的操作维护，其他 gsm 升级组 件的操作维护通过对 gsm omc 进行软件升级来实现。 操作维护子系统对 gprs gsn 的操作维护功能包括： 接收从 gsn 和骨干路由器发来的警告信号。 配置 gsn 和骨干网的参数。 收集和提供 gsn 及其它单元的性能和计费参数。 管理 gsn 内的软件版本和配置。 备份 gsn 和骨干网路由器的配置。 控制 ap 和 ap/c，以及在这些处理上的应用执行。 2.2.2 主要接口 图 2- 6 给出了 gprs 系统各部件之间连接的接口，省略了一些纯 gsm 连接的接 口13。 16 temtbss um sgsnggsnpdn te msc/vlrhlr sms- gmsc smsiwmsc sm- sc eir sgsn ggsn r gngpgf gngbgi gc grgsa e gd c d 外部plmn网 图 2- 6 gprs 系统的主要接口 g 接口 gprs 系统在引入新部件 gsn 的同时，定义了 g 接口。g 接口是 gsn 节点与 其它部件的物理接口，共有 gb，gn，gs，gr，gi，gp，gc，gd，ga 等 9 种。 gb：pcu(bss)与 sgsn 之间的接口。同时传输分组数据和信令，半永久连接。 支持移动性管理功能和会话功能，如 gprs 附着/分离，安全，路由区更新，数据链 接信息的激活/去激活等；支持 ms 分组数据经 bss 到 sgsn 的传输。数据传输时， 使用帧中继的上层协议 bssgp 协议。 gn：相同 plmn 上的两个 gsn 节点之间的接口。提供内部 plmn 骨干网的数 据和信令接口。采用 gtp 协议。 gr：sgsn 与 hlr/gr之间的接口。sgsn 通过 gr 接口存取 hlr/gr的用户数 据和位置信息，hlr/gr 可以位于一个与 sgsn 不同的 plmn 上。采用 map 协议。 gi：ggsn 与 pdn 之间的接口。这个接口所支持的协议不是由 gprs 标准制定 的，根据所互通的数据网而采用相应的 ip 网或者 x.25 网所适用的协议。 17 gp：不同 plmn 上的两个 gsn 节点之间的接口。提供与 gn 相同的功能，以及 plmn 网络互联所需要的其它功能，如安全，路由等。采用 gtp 协议。 gc：ggsn 与 hlr/gr 之间的接口，是可选接口。支持 ggsn 从 hlr/gr获得 ms 的位置信息，从而实现网络发起的数据业务。采用 map 协议。 gd：sgsn 与 sms- gmsc 之间的接口。支持通过 gprs 的分组业务信道传送短 消息，gd 接口使得 gprs 提供更有效的 sms 服务。采用 map 协议。 ga： cg 与 gsn 之间的接口。 gsn 收集到的计费信息通过 ga 接口送到 cg。 采 用 map 协议。 空中接口 um 空中接口 um，就是 ms 与 bts 之间的连接接口，用于移动终端与 gsm 系统的 固定部分之间的互通，其物理链接通过无线链路实现。此接口传递的信息包括无线 资源管理，移动性管理和接续管理等。gprs 空中接口标准遵循 gsm 系统的标准。 2.2.3 协议结构 gprs 数据通信结构遵循协议分层和两个协议平面区分的著名原理。 信令平面由 控制和支持用户信息传输的协议组成，相关的 gprs 功能包括：连接控制，路由和 移动性管理14。传输平面覆盖用户信息传输，流量控制和错误处理等相关控制过程 的协议。 图 2- 7 是根据 iso/osi 参考模型提出直至网络层的传输平面。在网络层之上，则 可以广泛采用各种标准协议，这些协议的选择不在 gprs 的范围之内。gprs 支持 ms 与 x.25，ip 和基于 clnp 的网络互连。 两个 gsn 之间， gprs 隧道协议把 pdu 以隧道进程通过 gprs 骨干网。在 gtp 下面，可以使用 tcp/udp 和 ip 作为 gprs 骨干网络层的协议。ip 以下，可根据运 营商的网络结构，分别采用基于以太网，atm，isdn 的协议。 在 sgsn 与 ms 之间，子网会聚协议 sndcp(subnetwork dependent covergence protocol)把网络层协议映射到下层逻辑链路控制协议中，并实现以下功能：将网络层 消息复用到一个逻辑虚连接上，对消息进行加密，分段，压缩等。 18 rfl pll mac rlc llc sndcp ip/x.25 应用层 rfl 物理层 pll mac帧中继 中继 物理层物理层 帧中继 bssgp llc tcp/ udp 物理层 l2 ip tcp/ udp gtp ip/x.25 rlcbssgf 中继 sndcpgtp ip ms um bss gb sgsn gm giggsn 图 2- 7 gprs 协议结构 bssgp(bss gprs protocol)协议是由 gsm 系统中使用的 bssmap 协议派生出 来的，用于传送 bss 与 sgsn 之间的路由和 qos 相关信息。 ms 与 gprs 网络之间的无线通信，覆盖物理层和数据链路层功能。根据标准建 议，物理层分裂为一个物理链接子层(pll)和一个物理射频子层(rfl)，rfl 完成物 理波形的调制和解调，pll 为 ms 与网络之间在物理信道上传送信息提供服务，这 些服务包括数据单元成帧，检测和修正物理媒体传输错误等。pll子层利用 rfl子 层提供的服务。 数据链路层分为两个不同的子层： 逻辑链路控制子层(llc)和无线链路控制/媒体 介入控制子层(rlc/mac) 15。 rlc/mac 子层完成数据和信令信息的有效多路复用， qos 控制以及错误处理。rlc/mac 子层提供了一种机制，允许多个 ms 共享一个传 输媒介，该媒介可以由几个物理信道组成。相应地，允许一个 ms 使用多个 pdch 信道来传输数据。rlc 子层负责数据块在空中接口的传送，它采用自动请求重传的 后项差错校正机制。mac 子层本身由时隙 aloha 协议而来，它在 ms 与 bts 间起 作用，负责管理 ms 尝试接入无线信道的接入信令以及网络层的接入控制，负责信 道接入之间的争用解决，对来自不同的 ms 的多个业务进行仲裁，以及响应各用户 的业务请求。 逻辑链接控制(llc)子层在 rlc/mac 子层之上起作用，为 ms 和 sgsn 之间提