GPRS若干关键技术的分析与研究

GPRS 若干关键技术的分析与研究 1 引言 随着通信技术的发展和用户需求的个性化 多样化 人们对移动网络所提 供的服务提出了更高的要求 但现有第二代移动网 GSM 远不能满足用户和移动 运营商开展数据业务的需求 对用户而言 由于数据传输速度慢 连接建立时 间长 数据业务的服务费用对多数用户来讲仍然太贵 从技术的角度来分析 现有的无线数据业务是基于电路交换的方式进行的 在 GSM 系统中 为了提高 频谱资源利用率 只在用户需要时才分配一条业务信道 TCH 用毕后即释放 这给一些突发性 大数据量业务的传输带来很大的困难 如果能在无线信道上 对突发性的数据传输按需分配 TCH 实现多时隙的捆绑 就能明显提高信道利 用率和传输速度 对移动运营商而言 现有的计费方法是针对话音业务的 以 通话时间长度为计量单位 这种方法是不适应数据业务的开展的 针对 GSM 网中存在的不足 国际电信联盟 ITU 提出发展第三代移动通信 IMT 2000 实现宽带数据业务以达到全球无缝覆盖 从根本上解决 GSM 在数据 应用领域中存在的问题 目前对第二代移动通信的研究尽管有了很大进展 但 最终的应用标准仍没有统一 而 GPRS 作为 GSM 一种新承载服务 极大地提高和 简化了无线网进入分组数据网络的途径 它在无线信道上采用新的编码和多时 隙捆绑技术 同时在骨干网中采用分组技术 较好地克服了 GSM 网络中所存在 的上述问题 用户采用 GPRS 的好处在于可以缩短入网时间 获得更高的数据传 送速度 在 GSM 上 建立连接的时间通常比较长 数据传送速度不会超过 9 6Kb s 而 GPRS 所需建立连接的时间比 GSM 要短 采用 CS1 和 CS2 编码所获 得的 实际数据传送速度能达到几十 Kbit s 而且 使用 GPRS 其费用只同网 上所传送的数据量有关 同上网时间无关 该特点可以保证用户长时间附着在 网上 只有当数据传送时 才进行计费 因而更能保障用户的利益 总之 GPRS 能有效地提高无线和网络资源的利用率 达到更高的数据传送 速度 以更简捷的方法实现从无线数据网进入分组数据网 并且提供了基于流 量的计费系统 2 GPRS 移动性管理 在 GPRS 中 移动性管理处理类似 GSM 网络 每个 GPRS 位置区 LA 可包括 若干个路由区 RA 每个路由区是由一个或几个小区组成的 MS 移动台 在 GPRS 网中 通常处于空闲 IDLE 待命 STANDBY 或准备就绪 READY 三种状 态之一 MS 这三种状态的转换过程 当 MS 处于 STANDBY 和 READY 两种状态时 均有内部定时器对这 2 种状态进行监视 若无数据包的传送 MS 可由 READY 态 经 STANDBY 态 进入 IDLE 态 而在 IDLE 态和 READY 态之间 用户可通过发起 GPRS attach 或 GPRS detach 对 MS 移动性管理主要涉及两类位置更新 一是小区 Cell 级的移动性管理 涉及 MS 在同一路由区中不同小区间位置更新的处理 二是路由区 RA 级的移动 性更新 涉及 MS 在不同路由区位置更新的处理 系统能否对这两种情况进行有 效管理同 MS 当前所处的状态密切相关 MS 处于 IDLE 空闲 状态时 表明其不在 GPRS 网络覆盖区 SGSN 服务 GSN 不 存在 MS 的有效位置及路由信息 因此和用户相关的移动性管理不能执行 若用 户想从 MS 空网状态进入准备就绪态 必须执行 GPRS attach 操作 若该操作成 功 表明 MS 进入准备就绪态 MS 处于 READY 准备就绪 状态时 MS 可以进行小区级的移动性管理 每当 MS 进行小区路由更新时 将主动通知 SGSN MS 进入新的路由区时 将发一个 路由更新请求给相应的 SGSN 该消息中包含旧的 RAI BSS 将新的小区标识 CI 发回 SGSN SGSN 据此产生一个新的 RAI 给 SGSN 若 MS 处于 STANDBY 待命 状态时 表明其已成功附着在 GPRS 网中 MS 只 进行 RAI 路由区的移动性管理 当 MS 进行路由区更新时 应通知 SGSN 而在 同一路由区内的小区更新 只有通过 SGSN 发寻呼消息使 MS 进入 READY 态 才 能得到 MS 新的小区消息 无论 MS 处于准备就绪态还是待命态 MS 进入新的路由区时 将发一个路 由更新请求给相应的 SGSN 该消息中包含旧的 RAI BSS 将新的小区标识 CI 发给 SGSN SGSN 据此产生一个新的 RAI 给 SGSN 总之 GPRS 路由区更新包括 2 种情况 一是新旧路由区在同一个 SGSN 的管辖范围内 这时由于新旧 RAI 在同 一个 SGSN 中 SGSN 已经保存了必要的用户文档 不必通知其它网元设备如 SGSN 关口 GPRS 支持节点 和 HLR 归属位置寄存器 只需分配一个新的 P TMSI 给用户 二是新旧路由区的管辖属于不同的 SGSN 新的 SGSN 实现 MS 的改变 并要求旧的 SGSN 发一个 PDP 上下文给 MS 然后旧的 SGSN 通知 GGSN 有关新的 路由 此外在该过程中路由信息的变化情况也 应通知 HLR 和 MSC VLR 综上所述 GPRS 移动性管理涉及到两个层次的管理 宏观上是 HLR 和 MSC VLR 及对 MS 关联的 SGSN 跟踪 微观上是对 MS 所附着的小区和路由区的 跟踪 3 GPRS 无线资源管理 在物理层上 GSM 采用 FDMA TDMA 的接入方式 上 下行采用不同的频带 间隔为 45MHz 890 915MHz 用于上行数据传送 935 960MHz 用于 BTS 的下行数 据传送 上 下行频带各占 25MHz 带宽 分成 124 个载 频 载频间隔为 200kHz 一个物理信道可由帧号 时隙号和跳频序列来定义 基本的无线资源 为一个时隙 长度为 576 9 s 调制速率为 270 833kbit s 因此每时隙包 含 156 25bit GPRS 在信道上分配不同于 GSM 一个 TDWA 中可分配 l 到 8 个时隙给一个 MS 而且上下行信道是分开的 也就是说 GPRS 允许一个手机占用多个时隙进行 数据传送 这是一种非常灵活的信道分配方法 有利于非对称数据业务的传送 传统 GSM 在一个通话过程中 MS 要占用一个固定的信道 而 GPRS 只在数据 传送时申请分配信道 传送完成后就将信道释放 这对突发性数据业务来讲能 更好地分配无线信道资源 根据这特点 多个用户可共享同一个时隙 一个小区若支持 GPRS 就可以为 GPRS 业务分配多个物理信道 该物理信 道称为分组数据信道 PDCH PDCH 可以从一个小区的所有信道中进行分配 并 且 GPRS 可以根据当前业务负荷和优先级进行动态调整 而且这些小区中可同时 支持 GPRS 和非 GPRS 的承载业务 3 1GPRS 的逻辑信道 在逻辑上可对物理信道定义一系列的逻辑信道来实现功能 例如信令信道 广播信道 寻呼信道等等 PDTCH 用于数据业务的传送 每个手机可同时使用多个 PDTCH PDTCH 是 BSS 到 MS 单向的 点对多点信令通道 BSS 通过该信道将特定的 信息传送给小区内的 GPRS 手机 除 GBPS 信息外 PBCCH 也可以广播重要的电 路交换服务信息 因此 GPRS GSM 手机可以不必接受 BCCH 信道消息 PCCCH 是双向的 点到多点信令通道 用于对 MS 入网信令的传递 如对无 线资源的分配和寻呼等消息 它由 PRACH PAGCH PPCH 和 PNCH4 个子信令组成 PRACH 用于给 MS 请求一个或多个 PDTCH 以及对寻呼消息的响 应 PAGCH 用于 给 MS 分配一个或多个 PDTCH PPCH 用于给 MS 发寻呼消息 该消息优先级高于 下行数据业务的传送 PNCH 用于通知 MS 将有 PIM 消息的传送 独立控制信道是双向的 点对点信令通道 包括 PACCH 和 PTCCH 其中 PACCH 总是和一个或多个 PDTCH 一起同时分配给一个 MS 并且将信令消息 如 确认或功率控制信息 传给一个特定的 MS PTCCH 用于自适应定时同步 电路交换和分组交换逻辑信道的协调是十分重要的 在一个小区中 当小 区中 PCCCH 无效时 MS 可利用 GSM 的 CCCH 信道来发起分组数据包的传送 当 无 PBCCH 时 MS 可通过 GSM 网中 BCCH 信道来得到无线网络信息 3 2 逻辑信道和物理信道的映射 逻辑信道和物理信道的映射涉及到两个方面 一是频率映射 另一个是时 间映射 频率映射是基于 TDMA 帧号的 频率是预先分配给 BTS 的 时间映射 是基于 TDMA 帧基础上定义一个复帧结构 一个 PDCH 由 52 个 TDMA 帧组成 4 个连续 TDMA 帧形成了一个区块 共有 12 个区块 编号为 B0 Bll 其中 2 个 TDMA 保留给 PTCCH 剩余 2 个 TDMA 为空闲帧 逻辑信道如何映射到 B0 Bll 是由 PBCCH 中广播信道中的参数决定的 在 GPRS 中除了由 52 个 TDMA 帧所组成的复帧外 还有由 51 个 TDMA 帧组成 的复帧 如 PDCH 携带的 PCCCH 和 PBCCH 4 GPRS 计费策略 GPRS 使 GSM 可以同局域网一样和外部的专用或 Internet 相连 GPRS 用户 可以长 期在网上附着 但在某一给定时间内可占用或不占用网络资源 若采用 传统的基于时长计费的原则 就会使用户在发送完数据后尽快退网 限制了人 们的使用 GPRS 采用基于流量的新的计费原则 为了更好地满足用户的需要 GPRS 计费应在该原则的基础上 有必要对以下几个方面做进一步研究 上 下行数据量采用不同的计费原则 GPRS 能很清楚地知道数据是从用 户到网络 还是从网络到用户 这给我们提供了新的计费策略 如只对下行数 据进行收费 而对用户上行接入可考虑不收费 根据服务质量 QoS 的计费原则 用户可根据系统所提供的不同服务质量 获得不同的折扣 网络的服务质量主要以可靠性 优先级 吞吐量和延迟时间 等指标进行评估 对大多数用户来说 根据 MS 所获得的服务质量来决定折扣率 是非常困难的 他们往往只是关心能否正常入网使用 而不太关心服务质量 QoS 但一些大的通讯公司会对网络的运行质量提出一些要求 一旦这些要求 达不到就会要求运营公司给予相应的折扣 能否根据传送内容计费 目前 GPRS 网络只能识别用户接入点名 APN 如一个 Internet 端口 而从该端口所传输的内容通常是无法知道的 理论上 虽可以采用一种粗略的对 APN 划分来达到这一目的 但实际上是十分困难的 更好的方法是通过基于 TCP IP 的应用软件对内容做进一步分析来获得 根据 MS 位置信息计费 在传统 GSM 计费方式中 根据位置信息收费是一 个很重要的标准 而 GPRS 用户