基于GPRS无线通信数据传输系统的设计与应用浙江大学.doc

xxxxxx学院毕业设计 题 目 基于GPRS无限通讯数据系统的设计与应用姓 名 xxx学 号 xxx专业班级 xxx分 院 xxx指导教师 xxxxxxx年xxx月xxx日基于GPRS无限通讯数据系统的设计与应用摘 要:随着数据业务的蓬勃发展，许多传统电话业务均不同程度上融合了传输数据的功能，目前以GSM, CDMA为主的数字蜂窝移动通信也不例外。在继续发展语音业务的同时，对IP和高速数据业务的支持已经成为第二代移动通信系统演进的方向，而且也已经成为第三代移动通信系统的主要业务特征。GPRS(通用分组无线业务)是第二代移动通信系统向第三代移动通信系统平滑过渡的主要方案。基于GPRS方式的GPS定位信息传输系统，是高速移动数据通信成为移动通信发展趋势的体现，具有实时在线、成本低廉、信息容量大、传输速率高、提供IP服务等优点。论文首先介绍了GSM的网络结构以及GPRS在GSM结构体系上的升级设备，然后论述了GPRS的移动性管理、会话管理、传输协议和数据传输。关于GPRS的网络性能，前人在建立模型仿真时，只是考虑了单时情况。本文建立了二维连续时间的马尔可夫模型，此模型不仅考虑了多时隙操作和单时隙被多用户复用的情况，还考虑了用户切换带来的影响。论文在运用排队论知识得出公式解后，在信道动态分配情况下，研究了GPRS网络的语音呼叫与数据呼叫的阻塞率、分组延迟、分组到达率等性能指标，仿真结果验证了马尔可夫模型的正确性和有效性，理论证明该模型对网络参数优化具有较好的辅助作用。最后介绍了基于GPRS的GPS数据传输系统的设计。此应用系统由移动终端、GPRS网络、信息管理中心服务器三部分组成。移动终端由嵌入式系统实现，软件采用NClinux操作系统。信息管理中心服务器的软件由VC编程实现。在分析了该应用系统的归一化时延后，探讨了它的应用前景。目录摘要11 绪论41. 1 GPRS的概念41. 2 GPRS的产生背景51. 3 GPRS的技术优势 51. 4 GPRS课题研究的发展51. 4. 1 GPRS的业务模型研究5 1.4.2信道资源的动态分配7 1.4.3与话音业务的结合71. 5本论文的主要工作72 GPRS系统结构及数据传输72. 1 GPRS网络结构7 2. 1. 1GSM网络结构72. 1. 2 GPRS的网络结构112. 2 GPRS的移动性管理132. 2. 1 GSM的移动性管理132. 2. 2 GPRS的移动性管理152. 3 GPRS的会话管理162. 4 GPRS的传输协议172. 5 GPRS编码方式192. 6 GPRS的数据传输212.6. 1从N-PDU到SN-PDU 212.6. 2从SN-PDU到LL-PDU 212. 6. 3 GPRS的媒质接入方式与RLC ARQ协议213 GPRS的信道分配与性能分析253. 1 GPRS的信道253. 1. 1 GPRS的物理资源253. 1. 2 GPRS的突发序列253. 1. 3 GPRS的无线块结构253. 1. 4 GPRS的复帧结构 253. 1. 5 GPRS的逻辑信道253. 2用二维马尔可夫模型分析GPRS的网络性能263.2. 1构建排队模型的原则283.2.2马尔可夫模型294 基于GPRS方式传输GPS数据的应用系统及性能分析354. 1 GPS简介354. 1. 1 GPS的定位原理354. 1. 2 GPS的结构组成364.1.3 Jupiter oem板介绍364. 1. 4 GPS定位数据的数据格式364. 2 GPRS方式传输GPS数据系统介绍364.2. 1系统总体介绍374.2.2系统的硬件结构374.2.3系统的软件结构384.3应用系统性能分析384.3. 1移动终端的数据流量384.3.2调度中心的信息流量414.4基于GPRS的地理信息系统的优越性简析475 GPRS向3G过渡455. 1 GPRS的局限性455. 2 3G系统485. 2. 1第三代移动通信的基本要求485. 2. 2 GSM向第三代移动通信系统演进. 49全文总结51致谢51参考文献52 1. 绪论1.1 GPRS的概念GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务。是GSM网络向第三代移动通信演进的第一步，这一步有两点重要意义，一是在GSM网络中引入分组交换能力，二是将速率提高到100kbit/s以上。通过在GSM数字移动通信网中引入分组交换的实体组成GSM-GPRS网络，实现以分组方式进行的数据传输，同时，尽量减少对GSM网络的改动。GPRS可以看作是原有的GSM电路交换系统的基础上进行的业务扩充:由新增的网络实体对GSM数据进行旁路，支持移动用户利用分组数据移动终端接入工nternet或其他分组数据网络，原GSM网络完成语音功能。1.2 GPRS的产生背景1. IP技术己成为未来发展的方向电路交换、报文交换和分组交换是目前通信网上的三大交换技术。电路交换技术最基本的特点是: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，这部分带宽由通话双方独享，不能再为别的用户使用，这对频率资源是一种极大的浪费。报文交换源于电报通信，其最大的贡献在于提出了存储转发的概念。报文交换的传输单元为整个报文，由于报文长度差异很大，转发过程中用于临时存储报文的缓冲区的分配比较困难，而且长报文可能导致很大的时延。而分组交换。在此基础上，采用了长度较为固定的分组进行传输，采用存储转发机制。分组交换方式在通信之前不需要为通信双方分配一条独占的链路，可根据用户需要以及网络能够提供的带宽，为用户动态分配网络资源，从而极大地提高了网络带宽的利用率，因此，分组交换方式是数据通信的理想选择。以TCP/工尸为核心的Internet是世界上最大的分组交换网络，第三代移动通信的核心网也将采用分组交换方式。2.移动数据市场的形成，蜂窝移动通信自20世纪80年代大规模投入使用以来，经过多年的发展，已呈现出日趋繁荣的局面。移动通信业务至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的激增，运营商之间竞争将加剧，单一的语音业务的收益增长空间己经越来越有限，发展移动数据业务就成了移动通信运营商的战略发展方向。随着Internet的发展，人们看到了数据通信的巨大潜力，移动与数据的结合已经成为移动通信发展的趋势。GM)技术的出现，加快了移动通信承载数据业务方面的发展。据预测，到2005年移动通信业务量中语音所占的比例约为30%，其余70%将是移动数据业务。移动数据通信开始进入快速发展阶段。3.向第三代移动通信迈进。现在，第二代移动通信(GSM)仍在迅猛发展之中，但人们已经开始有了对第三代移动通信业务主要是对高速移动数据的需求。人们希望在移动状态下，通过便携式计算机或移动手机也能进行数据通信和接入因特网，这就形成了当前移动通信网发展的新趋势。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，这就要求网络必须能够提供快速分组交换能力。除此之外，人们最关注的问题当然是第二代移动通信网络如何接近到第三代。在第二代移动通信网络中，90%以上的业务都是语音及其增值业务，而第三代技术则为综合媒体通信而设计，语音业务为其子业务。如此巨大的反差应考虑两代网络之间如何平滑过渡，权衡再三的结论是:通过技术的平滑过渡，而不是用第三代技术直接另起炉灶。基于GSM系统提出的GPRS方案，是迎合平滑过渡策略的最主要的方案。1. 3 GPRS的技术优势1.资源利用率高。GPRS首先在GSM网络中引入了分组交换传输模式，使原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化。对于电路交换模式，在整个连接期间，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道，在会话期间，许多应用往往有不少空闲时段，如上工nternet浏览，收发E-mail等。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，GPRS用户可能连接的时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。2.传输速率高。通过同时使用8个时隙,GPRS理论上可获得的最大数据传输速率为171. 2kbit/s,这是当前固定电信网络速度(56. 2kbit/s)的3倍，GSM网络中电路数据交换业务速度(CSD, 9. 6kbit/s)的10倍。这意味着在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能以与ISDN用户一样快的速度上网浏览，同时也使一些对速率敏感的移动多媒体应用成为可能。3.接入时间短。分组交换接入时间缩短，少于1秒。在首次建立连接后，可以在其有效覆盖范围内实现即时收发数据，一旦有需求就可以立即发送或接收信息，不需要再拨号建立连接，可大幅度提高一些事务(如信用卡核对、远程监控等)的效率，并可使已有的Internet应用(如E-mail、网页浏览等)操作更加便捷、流畅。4.支持IP协议和X. 25协议，推动移动和数据网络的融合。GPRS支持工nternet上应用最广泛的IP协议和X. 25协议。越来越多的公司将Internet作为职员访问公司工ntranet的媒介，因此支持IP协议显得尤为重要。由于存在大量的分组数据网(PDN)，支持X. 25协议可使己存在的X. 25应用能在GSM网络上继续使用。由于GSM网络覆盖面广，所以它能提供工nternet和其它分组网络的全球性无线接人。GPRS加强了移动和数据网络的融合。1.4 GPRS课题研究的发展1. 4. 1 GPRS的业务模型研究GPRS是一种分组交换数据业务，它非常适合承载突发性强、对时延不太敏感的中、小量数据业务，对于大量数据的传送，则宜采用ETSI建议的另一种高速电路交换数据方式HSCSD. GPRS的主要应用方式包括:Internet浏览、文件传送、电子邮件、远端监控仪表、铁路系统、交通运输系统(传送交通路况信息、车队调度管理等)、在线点对点通信和点对多点通信、交易过程(数据库查询、信用卡鉴别、信息查询)等不同的应用情况，分组大小和到达速率不尽相同。有些是短分组的频繁传送，如车辆调度指令;有些是中等大小分组的中速到达服务，如铁路业务模型;有些则是较大分组的偶而发送。ETSI为了评价GPRS的性能，建议了3种典型的业务模型。FUNET模型:该模型是根据宾西法尼亚大学科研网上email的使用统计情况建立起来的。分组大小的概率分布近似为柯西分布Cauchy (0. 8, 1)，分组大小限定在(0,10kbyte)。(1 .1)Mobitex模型:该模型是根据瑞典分组无线数据网Mobitex上的车队管理应用的统计数据建立的。上行和下行的分组长度都近似为均匀分布。上行:30+uniform (-15, 15) bytes下行:115+uniform (-57, 57) bytes (1.2)Railway模型:该模型是根据铁路业务的应用情况统计得到的，概率分布近似为指数分布，平均分组长度为170bytes，最大分组长度为1000byteso文献11用c编写的软件进行仿真。作者研究了不同业务模型对上行呼叫连接三 研究得出的结论为，GPRS承载短分组时，吞吐量较低，信道大量浪费在比特开销和信令交换上。在产生相同输入负载的前提下，显然短分组的用户请求要多于长分组，在接入信道数量相同的情况下，短分组的接入请求更容易发生碰撞，随机接入阶段成为短数据传输的瓶颈。短分组本身用在数据传输上的时间并不多，大量的时间浪费在随机接入上。相反，在相同前提下，长分组的接入请求不多，容易接入，但是在资源的预留阶段，由于长分组要占用的资源较多，当负载较大，资源较少时，由于没有足够可用的信道，长分组业务将滞留在等待资源分配阶段，最后被阻塞掉。长分组业务和短分组业务的信道安排应该是不同的，要灵活适应于高层的业务特性，以达到网络性能最优。1.4.2信道资源的动态分配GSM属于窄带通信，它现在提供的数据业务只有9. 6kb i t/s，属于电路交换方式。GPRS是在此基础上提出来的分组数据交换业务。它的独到之处是允许将多个时隙(1-8个)分配给一个用户使用，从而提高了数据率;资源是动态分配的，有数据要发送的用户首先在系统安排的随机接入信道上发出接入请求，系统接受用户的请求后，将根据情况分配用户请求的资源数，数据发送完毕后系统又将资源收回，再给别的用户使用。文献7利用OPNET仿真平台，比较了多时隙与单时隙方式下，GPRS吞吐量、时延、阻塞率的性能。最后得出结论:与分配8个时隙相比，单时隙方式下，因为只有一个信道既要携带用户数据又要携带控制信息，所以单位时间内传送的用户数据要少，数据需要等待更长的时间才能获得服务。单时隙情况下服务率更低，时延更长，阻塞率更大，吞吐量更低。GPRS的信道分为Master-Slave两种，master上安排有PRACH, PPCH, PAGCH等逻辑信道，既承载信令又承载用户数据;Slave只承载用户数据。用户在多时隙方式下工作时，能够获得较大的数据率，减少帧传送延迟。接入信道与用户数据信道的安排要结合网络负荷和业务特性统筹考虑，使随机接入阶段和资源预留阶段的信道资源都得到充分利用，避免在某个阶段出现资源空闲，而另一个阶段出现严重阻塞。另一个方面，一味单纯增加SPDCH的数目，当增加到一定数量时，MPDCH会成为接入瓶颈，每个用户获得的吞吐量并不大，因此不必为用户再多分配SPDCH 1.4.3与话音业务的结合GPRS的频率资源、多址接入方式与GSM一样。在实际应用中，运营商既可以拿出单独的频率资源来提供GPRS业务，也可以是共享GSM的资源，即在每个200KHz载波的8个时隙信道中，固定留出一部分供GSM话音使用，一部分专用于GPRS业务，还有一部分供话音和数据共用，但话音业务的优先级高于数据，有话音业务请求时，先满足话音业务。实际上，几乎没有专门拿出频率来完全用在GPRS上的做法，一般的做法都是数据业务与语音业务相结合。文献8从理论上推导了GPRS业务与GSM话音业务共享系统资源情况下，单时隙服务方式下系统的平均阻塞率、吞吐量和平均排队时间。建立的系统分析模型为:有m个物理信道的系统，其中m，个由话音与GPRS共享，and个专用于GPRS业务。话音业务具有强占GPRS业务的优先级，也就是当话音业务需要使用正在被GPRS使用的共享信道时，GPRS马上终止传输，直到再出现可用信道。被中断的数据用户在等待分配资源的队列中优先级最高。文章将数值分析的结果与仿真结果比较后，得出结论:这种分析方法的适用原则是，数据分组的服务时间远小于话音分组的服务时间。例如：1.5本论文的主要工作本论文主要目的在于研究GPRS的数据传输应用，分析基于GPRS方式下传送GPS数据的系统性能。主要作了以下几方面工作:1.本文介绍了GPRS的网络结构，和GPRS的系统功能，在分析GSM网络基础上，深入研究了GPRS的会话管理及移动性管理的改善与提高。重点阐述GPRS网络中数据的基本传输过程。分析了在移动管理上下文和PDP上下文建立之后，移动台和外部数据网络之间的传输数据。2.前人的研究成果，多采用单时隙模型，或在分析多时隙传输时，没有考虑一个时隙被多个用户同时使用的情况。本文采用二维马尔可夫模型，对仿真模型作如下改进:每个呼叫申请的信道数为，包含多时隙和单时隙两种可能。考虑越区切换情况，语音呼叫的到达率设为兄，从相邻的小区切换过来的语音呼叫到达率设为凡，。考虑了多用户使用一个时隙的可能，每一信道复用的GPRS分组呼叫数最大为d，研究d不同的取值下的仿真结果。3.在上文的仿真条件下，探讨了GPRS数据的阻塞率、传输速率、信道利用率、分组延迟与专用信道、与分组呼叫到达率的关系。得出的结论与前人的研究成果是一致的:专用GPRS信道的增加使GPRS数据传输阻塞率减小;单时隙的阻塞率大于多时隙情况;一个时隙被多用户复用时，用户越多，系统的阻塞率越小。仿真结果表明，采用本文的二维马尔可夫模型，来分析GPRS网络的性能指标是可靠而且有效的。此模型在PC机上用matlab即可仿真实现，对比在某些价格昂贵的专用仿真软件上搭建的仿真器，本文的模型建立及求解相对简单，仿真时间短。本文的仿真结果对网络参数的选取、优化也将具有借鉴意义。4.应用系统硬件设计。基于GPRS业务的GPS数据的传输应用系统由移动管理中心服务器、移动终端和GPRS网络组成。移动终端由嵌入式系统构成，CPU采用高性能芯片S3C4510B，软件采用PC linux操作系统。NClinux的内核小，并且提供TCP/IP协议的支持，轻松实现了GPRS移动终端的网络功能。5.完成了信息管理中心的控制平台设计。信息管理中心软件部分主要由WINDOWS下的VC+ 6. 0的编程实现。由两部分组成:(DGPS数据的接收处理平台，提取出需要的地理信息GPRS网络的的用户通信程序，将GPS的数据或者控制信息通过GPRS网络传送到移动终端。2 GPRS系统结构及数据传输2.1 GPRS网络结构2.1 .1 GSM网络结构GSM公共陆地移动网(PLMN)如图2. 1所示。移动台用MS表示，一个基站收发信台(BTS )覆盖的无线区域称为一个小区。一个基站控制器(BSC)控制多个BTS,所有这些BTS和控制它们的BSC一起称为基站子系统(BSS)。位于各自小区的移动台之间的业务通过移动交换中心(MSC)交换信息，而与固定网络(如ISDN)的连接是通过移动交换中心网关(GMSC)控制的。GSM网络是按层次结构组织起来的，每一个网络至少包含一个管理域，此功能一般与MSc集成在一起。每一个MSc至少管理一至多个位置区域(LA)，而LA是由几个小区组构成的。BTSBTS基站收发器 MS移动台 BSC基站控制器 EIR设备标示器 BSS基站子系统 HLR归属位置寄存器 MSC移动交换中心 VLR访问位置寄存器 GMSC网关MSC AUC鉴权中心图2. 1 GSM的网络结构呼叫控制和网络管理需要下列几个数据库:归属位置寄存器(HLR)，访问位置寄存器(VLR)，验证中心(AUC)及设备识别器(EIR)o MSC/VLR的主要功能是完成呼叫交换，并控制移动台的位置更新和越区切换过程。其中，MY,主要负责呼叫的建立(包括鉴权程序)，呼叫控制和计费等功能;而VLR主要负责存储和更新用户数据，这些移动用户即是漫游到该VLR所管辖的地区中的移动用户。为了找到漫游中的移动用户，通常需要向HLR查询该移动用户的所有信息、，因此必须在移动通信网的入口处(即与固定网相连点)使用一个关口移动交换中心(GMSC )来提供所有入网呼叫的查询和转接能力。GMSC应该有从HLR(移动用户所属的)中查询该移动用户当前位置信息的功能，并能根据该信息重选呼叫该移动用户路由以转接该呼叫的能力。在GSM系统中，允许每个用户可以在整个GSM网内漫游，但是移动用户需要向其中一个国家的一个运营者登记，签约及付费。这个运营者就是该移动用户的归属局，归属局存放所有用户签约信息的寄存器就称为归属位置寄存器(HLR)a HLR除了存放全部归属用户的信息，还存储每个归属用户的动态数据信息，如用户目前所在的MSC/VLR地址和分配给用户的补充业务。鉴权中心(AUC )是为了防止非法用户接入GSM系统而设置的安全措施。AUC可以不断的向每一个用户提供一组参数，该参数组可视为每个用户相关的数据。在每次呼叫过程中，通过检查系统提供的和用户响应的该组参数是否一致，来鉴别用户身份的合法性。2. 1. 2 GPRS的网络结构在GSM体系结构的基础上实现GPRS，必须对BTS, BSC, HLR进行升级，并在现存的GSM体系结构布署新型网络结点GGSN(网关GPRS支持点)和SGSN (GPRS服务支持点)。这两个网络实体间相互通信，以及其它网络实体的通信，是通过新增接口来完成，实现GPRS的新功能，如图2.2所示。GPRS网络结构中引入得新的网络接口如下： Gb接口:PCU与SGSN之间的接口。Gn/GP接口:SGSV与GGSN之间的接口，当SGSN与GGSN位于不同的PLMN时为JP，否则为GnoGi接口:GGSN与外部数据网之间的接口。Gd接口:SGSN与SMS-GMSC(短消息业务的网关MSC) /SMS-IVYMSC(短消息业务的网间MSC)之间的接口。Gr接口:SGSN与HLR之间的接口。Gs接口:SGSN与MSC(移动交换中心)/VLR(访问位置寄存器)Gc接口:GGSN与HLR之间的接口。Ga接口:GGSN / SOSN与CGF(计费网关)之间的接口。Gf接口:SGSN与EIR(设备标识寄存器)之间的接口。图2. 2 GPRS的网络结构在GSM分组无线服务中，SGSN主要负责为在其服务区域的移动台收发数据包，此外还负责为数据包选路、移动管理、逻辑链路管理、验证和收费。SGSN中的本地寄存器存储所有已注册的GPRS用户的位置信息(如当前小区标志，当前YLR地址)和用户注册信息(如IMSI，用于分组数据网的地址)。GGSN主要功能是在公共数据网和GPRS PLMN之间转发数据分组。它将从SGSN收到的GPRS数据包转化成适合的分组数据协议(PDP)格式，并把它们发送到相应的公共数据网。当相反方向通信时，将接收到的公共数据网的数据包的PDP地址转化成目前用户的UM)地址格式，再将它们转发到正在为此移动台服务的SGSN中，最后由SGSN发送到移动台。因此GGSN中保存了正在为用户提供服务的SGSN地址和用户注册信息。除了选路和数据传输功能外，GGSN和SGSN还收集收费统计数据，同时为了能为任何位置的移动台提供路由功能，它们还具有处理信令的功能。一般来说，一台GGSN可作为多台SGSN访问外部分组数据网的接口，为了把分组传送到不同的分组数据网，一台SGSN可将这些分组选路到不同的GGSN。图2. 2显示了新网络结点与GSM各网络间的接口。由图可以看出SGSN通过Gb接口与BSC相连。用户数据和信令通过Gn和Gp接口在GSN之间传送。如果SGSN和GGSN位于同一个PLMN中，它们通过Gn接口互连;如果二者位于不同的PLMN，则通过Gp接口互连。当移动台从一个SGSN服务区移动到另一个SGSN服务区时，两个SGSN通过Gn和Gp接口交换用户注册信息(当前移动台首次向网络注册时，SGSN可能通过Gf接口查询移动台的IMEI，以确定移动台的合法性)。而GGSN结点通过Gi接口与X. 25网和Internet相连。HLR中除了保存用户注册信息外，还保存每一个移动台当前正在使用的SGSN地址及PLMN中每一个GPRS用户的PDP地址。当SGSN需要这些信息时，通过Gr接口与HLR交换这些信息。例如SGSN向HLR报告移动台的当前位置，及当移动台向新SGSN注册，HLR向新SGSN发送用户注册信息等就是通过Gr接口进行的。此外，为了使得GPRS分组交换业务和传统的电路交换业务有效地融合在一起，将MSC/VLR的功能扩展，与SGSN之间通过Gs接口交换信息。如综合GPRS路由区域(RA)更新和GSM位置(LA)更新及GPRS业务和GSM业务的同时激活，还有当利用电路交换执行传统的GSM业务时，通过SGSN传送寻呼请求，将大大节省空中资源。为了通过GPRS系统交换短信息业务(SMS), SGSN通过Gd接口短信息网关移动交换中心(SMS-GMSC)互连。2.2 GPRS的移动性管理图2. 3 GSM的呼叫建立在GSM系统中，移动台通过GMSC与固定电话网络交换信息。GMSC除了记录收费信息外，还根据MSISDN获取移动台的HLR位置，并从HLR中获取用户漫游信息。呼叫建立过程如上图2. 3所示。根据用户拨叫号码，PSTN将地址信息传送到位于移动台HPLMN中的GMSC中。为了能把呼叫信息传送到移动台，GMSC必须知道移动台的漫游号码。因此GMSC根据拨叫号码计算出相应的HLR位置，并向HLR发出请求。HLR寄存器中保存正在为移动台提供服务的VLR的地址信息。HLR通过查询VLR，便可知移动台的漫游号码。HLr将获得的漫游号码发送到GMSC，随后GMSC将呼叫信息传送到拜访MSc。拜访MSc根据查询HLR所得到的信息与移动台建立端到端连接。在整个呼叫建立过程中，信令是通过七号信令系统传输的。在通话过程中，移动台可能从一个小区移动到另一个小区，此时在移动台与网络之间发生越区切换过程。越区切换过程是网络根据移动台周期性发送的测量报告而出发的。2. 2. 2 GPRS的移动性管理移动性管理(GMM)是无线网络的重要环节，它的功能是实现对移动终端的位置管理，能够将MS的当前位置报告给网络。移动性管理是GPRS会话管理(SM)的基础。要执行会话管理，首先需要执行移动性管理。GPRS移动管理和现有GSM系统移动管理非常相似，都是用于跟踪一个移动台在PLMN网内的当前位置。不同的是，GPRS引用了一个新的和位置有关的概念:路由区域(RA)。路由区域由一个或多个小区(cell)组成，路由区域的范围不能比定位区域(LA)大，也就是说，路由区域包含在定位区域，最大可以和其所在的定位区域一样大。路由区域可以被认为是一个IP子网。下面将分析移动台如何向GPRS网络注册及外部分组数据网(PDN)如何知道移动台的存在，接着分析数据分组如何在移动台与外部网之间选路及网络如何跟踪移动用户。2. 2. 2. 1移动管理状态GPRS定义了三种移动管理状态:IDLE, STANDBY, READY。某个时刻，MS总处于其中一种状态下。如下图2. 4示:图2.4移动管理状态转移模型当移动台还未开机或者没有进行GPRS连接(attch)时，处于工DLE状态;当移动台正在进行数据传输时，处于READY状态;移动台己完成GPRS连接，但是没有传输数据时，处于STANDBY状态。三种移动管理状态之间的相互转移依赖于事件激活或者超时，当移动台处于STANDBY状态时，SGSN知道移动台所在的路由区域;当移动台处于READY状态时，SGSN知道移动台所在的小区(cell) o1.IDLE状态当用户的手机处于关机状态时，它处于工DLE状态，网络移动台此时所在的位置一无所知。用户开机以后，移动台所做的第一件事是执行attch连接，完成以后，移动台处于READY状态。此时，移动台可以收发端消息:如果网络中实现了VLR和SGSN之间的接口，用户还可以通过SGSN接收电路交换业务的寻呼消息;但是这时用户还不可以上网浏览，也不能从外部网络收发数据包，因为此时用户和外部网络之间还没有可用的PDP上下文，移动台尚未建立与外部数据网络的连接。2. READY状态GPRS attch过程己经执行过了，移动台和SGSN之间的移动管理上下文也己经建立，网络知道此时移动台在哪个小区中(定位精确到小区)。移动台可以接收和发送数据，如果移动台要向外部IP网络发送数据，还需要激活一个PDP上下文。SGSN无需进行寻呼就可以随时向移动台传送数据，移动台也可以随时向SGSN发送数据。移动台可以“激活”或者“去激活”rut,上下文。在READY状态下，移动台只有在发送或接收数据时才占用无线资源，移动台采用非连续的传输方式。用户进入READY状态之后，启动一个定时器，当该定时器超时时，移动台从READY转移到STANDBY状态。3. STANDBY状态移动管理上下文已经建立(即己经执行了GPRS连接过程)，网络知道此时在哪个路由区域(定位精确到路由区域)。一旦移动台发送数据或接收数据，移动管理状态就转移到READY状态。移动台可以通过SGSN接收电路交换服务的寻呼信息。此时还不能进行数据传输(一旦进行数据传输，就不是STANDBY状态，而是READY状态了)。STANDY状态中有一个移动台可达定时器，从移动台进入STANDY状态起，该定时器开始计时，如果定时器超时，网络就可以执行“去连接”过程，移动台进入工DLE状态，移动管理上下文被删除。2.2.2.2 Attach过程任何用户要获取GPRS网络提供的服务，首先就必须让网络端知道这个用户的存在，也就是用户必须向网络中的SGSN注册。网络验证用户是否被授权，将HLR中的用户注册信息拷贝到SGSN中，并为用户分配一个分组临时移动用户标识(P-TMS I ),该过程叫做GPRS Attach过程。如果用户同时使用电路交换业务和分组交换业务，可执行组合GPRS/IMSI Attach过程。图2. 5显示了Attach过程。Attach过程因移动台的状态的不同可分为几种情况:1.移动台首次激活attach。移动台首先向SGSN提出attach请求，SGSN从归属位置寄存器取得所需的验证和加密参数，对移动台进行验证并对数据的加密方式进行初始化，同时还进行设备校验。然后SGSN向HLR发送“update location”消息，消息中包含SGSN地址及IMSI。接着HLR向SGSN发送包含用户注册信息的“InsertSubscriber Data”消息，通知SGSN为此移动台建立MM Context. SGSN验证该RA是否允许移动台Attach，如果允许，则为移动台建立MM Context(如IMSI, P-MSI,路由区(RA), SGSN地址等)，并向HLR发送应答消息“Insert Subscriber DataAck”。否则发回“拒绝”消息。HLR收到应答消息后，为移动台建立MM Context(如IMSI, MSISDN, SGSN地址等)，随后向SGSN发送“Update Location Ack”消息。上述一系列过程称为路由区域(RA)更新过程(RA: Route Area由区域操作员定义的一组小区，包含于LA内)。2.移动台去激活GPRS，为移动台提供服务的SGSN发生改变。在这种情况下，SUNNI收到请求后，可能会忽略安全和设备校验。路由更新过程中，除了建立移动管理环境，HLR还通知原来的SGSN删除关于移动台的路由信息。3.移动台同时激活GPRS服务和GSM服务。在类似上面情况的过程之后，还要执行位置区域(LA)更新过程。图2.5GPRS ATTCH”建立过程经过这一过程，移动台和SGSN之间就建立了逻辑链路控制环境，其中包括临时逻辑链路标识(T比工)。这时，移动台就可以与SGSN协商数据分组的路由环境(PDPContext)。2. 2. 2. 3去连接Detach过程如果GPRS用户希望结束一个连接，则启动GPRS“去连接”过程，GPRS“去连接”过程将移动管理状态置为工DLE，同时删除SGSN和移动台中的移动管理上下文。当ATANDBY状态的定时器超时时，也会隐式执行GPRS“去连接”过程。2. 3 GPRS的会话管理GPRS会话管理是指GPRS移动台和外部数据网之间的连接控制管理。PDP上下文有两种状态:ACTIVE和INAVTIVE，它们之间的相互转换关系如图2. 6所示: 图2.6 PDP上下文状态激活成功注册到GPRS网络后，为了与外部网络交换数据分组，移动台需要申请一个或多个PDN地址(如果PDN为IP网络，则为工P地址)，该地址成为PDP地址，每一次会话都要建立PDP Context，用来描述会话特性。PDP Context中包括PDP类型(例如IPV4)，分配给移动台的PDP地址(例如200.24.12.12)，请求的QOS，及其为访问外部数据网提供接口的GGSN的地址等。PDP Context分别保存在移动台、SGSN及GGSN中。当PDP Context处于激活状态，移动台对外部网络来讲是可见的，此时移动台能接收和发送数据分组。GGSN将PDP和IMSI两种地址作映射，从而使GGSN可在移动台和外部数据网之间转发数据分组。PDP地址有静态分配和动态分配两种方法。静态地址是由用户本地PLMN网络管理员分配，而动态地址是在激活PDP Context时，由用户本地PLMN网络管理员或访问网络管理员负责分配。动态地址的分配，PDP Context激活及去激活均由GGSN负责。本地网络管理员决定移动台最终使用哪一种地址。PDP Context的建立过程如图2.7所示.图2. 7 PDP上下文激活过程移动台向网络发送“ACTIVATE PDP Context Request”消息，通知SGSN移动台要建立PDP Context。如果要求分配动态PDP地址，则将消息中的PDP地址域保留为空。随后执行通常的安全验证功能。如果允许移动台接入，SGSN则向相应的GGSN发送“Create PDP Context Request”消息，收到消息后，GGSN在其内部创建PDPContext, GGSN就是利用此中的信息为外部网络和SGSN之间的数据分组传输提供路由功能。随后GGSN向SGSN发送“Create PDP Context Response”应答消息。如果用户要求分配动态PDP地址，则在此消息中包含新分配的PDP地址。GGSN更新其内部的PDP Context并向移动台发送应答消息。2. 4 GPRS的传输协议GPRS是在GSM的基础上发展起来的，但二者具有不同的传输方式，即分组交换方式和电路交换方式。这是通过二者不同的协议结构实现的。GPRS系统象大多数系统一样，传输平面由分层的协议结构组成，提供用户信息传递，采用信息传递控制过程，例如，流量控制、差错检测、差错纠正和错误恢复等。传输平面独立于网络子系统平台。在GPRS中使用如图2.8所示的传输平面201.传输平面具体包括: GPRS隧道协议(GTP):该协议在GPRS骨干网内部的GPRS支持节点采用隧道方式传输用户数据和信令，GTP对信令消息和用户数据N-PDU添加GTP协议头，封装成G-PDU之后，在SGSN和GGSN之间传送。传输可靠数据链路的协议和传输不可靠数据链路的协议。TCP提供流量控制、对损失和被破坏的GTP分组数据单元的保护。UDP提供对被破坏的GTP分组数据单元的保护。图2. 8 GPRS的传输协议IP:GPRS骨干网协议，用于用户数据和控制信令的路由选择。子网汇聚协议(SNDCP:它能实现对外部网络数据单元的透明传输。SNDCP还有一个数据压缩功能以提高信道效率。SNDCP有acknowledged和unacknowledged两种数据传递方式。在unacknowledged方式下，发端N-PDU在被传递给LLC层之后立即删除;收端SNDCP实体负责检出丢失的SN-PDU，如有可能，还负责丢弃重复的SN-PDU，将SN_ PDU进行重组、解压缩，重新构成N_ PDU后递交给SNDCP的用户。在acknowledged方式下，SN-PDU实体将缓存N-PDU，直到组成该N-PDU的所有SN-PDU被正确接收。逻辑链路控制(LLC):该层负责提供加密的高可靠性逻辑链路。中继(relay):在基站子系统，该功能在U，和G。接口中继LLC分组数据单元。在SGSN中该功能在G。和G。接口之间中继符合PDP分组数据单元。基站子系统GPRS协议(BSSGP):这一层在BSS和SGSN之间传递与路由、QOS有关的信息。BSSGP并不执行差错纠正。网络业务(NS):这一层传输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，可以穿越帧中继交换节点网络。RLC/MAC:这一层包含两个功能，一是无线链路控制功能，RLC负责LL-PDU的拆装和重组，并提供的可靠的无线链路;二是媒质接入控制功能，MAC控制无线信道的接入信令过程(请求和允许以及将LLC帧映射成GSM物理信道。GSM RF:空中无线接口。在发送方，它对上层的RLC/MAC block进行数据编码、交织、经波形调制后以突发Burst)的结构发送出去;接收方则进行相反的过程，即波形解调、解交织、实现差错检测和校正的解码。编码过程如图所示：: 图2. 9 GPRS编码过程经编码、码收缩后得到的Block为456bit，在连续4个T DMA帧的突发中发送出去。网络层的用户应用数据在GPRS传输平台上的数据封装流程如图2. 10所示。N-PDU装载了用户数据的X. 25网数据包或I f包，N-PDU封装在一个或多个LLC帧中，一个LLC帧最大可以容纳1520字节的用户数据。LL-PDU再分割成多个RLC/MAC Block,最后形成的基本数据单元在连续4个数据突发中发送出去。编码、收缩后的数据block 456bit.。图2.10用户数据封装过程2. 5 GPRS编码方式GPRS定义了四种编码方式，根据位分组中的有效数据载荷提供不同等级的保护，提供了4种不同的数据速率(见表1)。分组数据在空中接口传输的优先权和完整性受编码方式选择的控制。完整性校验越强，每块分组传送的数据就越少。例如，方式1 (CSI)保护最强、有效载荷最少;方式4保护最差、有效载荷最多。无线环境越好，就能够使用越高的编码方式，从而获得更高的数据速率。方式的选择由分组控制单元(PCU)来决定，该网络实体负责决定基站用何种编码方式向移动台发送数据。图2. 11编码方式比较GPRS的每一种编码方式都有自己的最佳适用范围，应根据无线条件动态地选择，在下行方向由网络控制，而上行方向则由移动台控制。采用哪一种编码方式取决于信道上的干扰和噪声，干扰直接与频率复用系数和多普勒频移有关。如果能在应用中实现链路的动态适配，由系统命令移动台根据C/工的变化调整CS方式，将获得最佳吞吐量。在系统允许的情况下，得到较好的频率效率。2. 6 GPRS的数据传输在移动管理上下文和PDP上下文建立之后，就可以在移动台和外部数据网络之间传输数据了。移动台和外部数据网络之间传输的数据为PDP协议数据单元(PDU), PDP，PDU在移动台和GGSN之间传输时，是以N-PDU的形式传输的，每个N-PDU最大为1500字节。如果比1500字节小，可以正常传输，如果比1500字节长，则传输时必须将其分段，如果不支持分段功能，就只能将其丢弃。GGSN和SGSN之间，PDP PDU经过封装后，利用隧道协议传输，GTP PDU头中有GSN的地址，便于