chp6TDMA数字蜂窝网GPRS技术

6.5GPRS技术,第六章TDMA数字蜂窝网,电路交换和分组交换,GPRS:GeneralPacketRadioService,GPRS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是GSM向3G系统演进的重要一环，它既考虑了向第三代系统的过渡，同时又兼顾了现有的第二代系统。,GPRS:GeneralPacketRadioService,GPRS是GSMPhase2.1规范实现的内容之一，能提供比现有GSM网9.6kbit/s更高的数据率。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级。,GPRS移动通信网络与因特网最大的区别，就是GPRS网络增加了手机或终端的移动性管理（MobilityManagement），同GSM网一样，GPRS网络同样有针对数据传输的鉴权、加密功能,GPRS的特点,GPRS的应用,GPRS网络结构,SGSN:GPRS服务支持结点GGSN:GPRS网关支持结点PCU:分组控制单元,GPRS网络结构,PCU,GPRS服务支持结点:对移动终端进行定位和跟踪,实现和移动终端之间的分组发送和接收.,GPRS网关支持结点,分组控制单元,GPRS网络结构,1、与GSM相比,GPRS新增的主要设备:GPRS服务支持结点(SGSN,ServingGPRSSupportingNode)负责传输GPRS网络内的数据分组,类似通信网络内的路由器,将BSC送出的数据分组路由到其他的SGSN，或是由GGSN将分组传递到外部的因特网.除此之外，SGSN还包括所有管理数据传输有关的功能。GPRS网关支持结点(GGSN,GatewayGPRSSupportNode)是GPRS网络连接外部因特网的一个网关，负责GPRS网络与外部网的数据交换。将来自SGSN的分组按照其他分组协议(如IP,X.25)发送到其他非GPRS网络,或者将来自其他网络的分组转发相应的SGSN.分组控制单元(PCU)用于分组数据的信道管理和信道接入控制.,GPRS网络结构,2、GSM中需要进行改造的设备BTS：需软件升级支持新的逻辑信道结构和编码方式。BSC：需要增加新的分组数据处理单元PCU，PCU可以作为BSC中的一个单元，也可以是一台单独的设备。HLR：需要软件升级支持GPRS的用户数据和路由信息以及与SGSN的Gr接口。MSC/VLR：软件升级支持MSC与SGSN的Gs接口。OMC：需要增加对新的网络单元进行网络管理的功能。计费系统：软件升级支持按流量计费终端：GPRS和GSM采用不同的数据类型，需要采用支持GPRS的终端。,GPRS逻辑体系结构,从逻辑上来说，GPRS通过在GSM网络结构中增添SGSN和GGSN两个新的网络节点来实现。由于增加了这两个网络节点，需要命名新的接口。,GPRS逻辑体系结构GPRS体系结构中的接口及参考点,R：非ISDN终端与移动终端之间的参考点Gb：SGSN与BSS之间的接口Gc：GGSN与HLR之间的接口Gd：SMS-GMSC之间的接口，SMS-IWMSC与SGSN之间的接口Gi：GPRS与外部分组数据之间的参考点Gn：同一GSM网络中两个GSN之间的接口Gp：不同GSM网络中两个GSN之间的接口Gr：SGSN与HLR之间的接口Gs：SGSN与MSC/VLR之间的接口Gf：SGSN与EIR之间的接口Um：MS与GPRS固定网部分之间的无线接口,GPRSlogicalarchitecture,GPRS网络的分层结构,RA:路由区是一群小区的集合是位置区LA的子集P-TMSI:在路由区中有效为了保密SGSN使用P-TMSI寻呼手机,GPRS网络的分层结构,SGSN路径区域RA（RoutingArea）在GSM网络内，进行语音通话的手机用户在同一个位置区（LA）区域移动时，不需要进行位置更新。同样，在GPRS网络内，SGSN负责记录追踪MS目前所在的SGSN路径区域标识码，以确保数据分组能发送到正确的MS上，多个蜂窝小区可共同组成一个SGSN路径区域（RA），进行数据传输的MS（处于Standby状态）在同一个RA区域内移动时，也不必更新在SGSN路径区域内MS的位置记录。,GPRS网络的分层结构,SGSN路径区域RA（RoutingArea）GSM网络内的LA区域范围与GPRS网络内的RA区域范围并不需要完全相同，通常一个RA区域范围包含许多的LA区，通常与电信营运商对网络的规划有关。,SGSN服务区域（ServiceArea）在GSM网络内，多个LA区域共同组成一个MSCVLR区域，MSCVLR区域内包含一个MSC。同样，在GPRS网络内，多个SGSN路径区域RA共同组成一个SGSN服务区域（ServiceArea），SGSN服务区域包含一个SGSN。SGSN服务区域的范围并不需要与MSCVLR区域的涵盖范围相同。,GPRS网络的分层结构,GPRS协议体系,GPRS隧道协议(GTP，GPRSTunnelingProtocol)用来在GPRS支持节点（GSN）之间传送数据和信令。它在GPRS的骨干网中通过隧道的方式来传输PDU。隧道，是在GSN之间建立的一条路由，使得所有由源GSN和目的GSN服务的分组都通过该路由进行传输。,GPRS协议体系,GTP的下层是基于TCP/IP协议簇的标准IP骨干网。在SGSN和MS之间，依赖子网的汇聚协议（SNDCP，SubnetworkDependentConvergenceProtocol）将网络层的协议映射到下面的逻辑链路控制(LLC)层,提供网络层业务的复接、加密、分段、压缩等功能。,GPRS协议体系,逻辑链路控制(LLC，LogicalLinkControl)层在移动台和SGSN之间向上层提供可靠、保密的逻辑链路，它独立于下层而存在。LLC层有两种转发模式：确认模式和非确认模式。LLC协议的功能是基于LAPD(链路接入步骤-D)协议的。,GPRS协议体系,RLCMAC层通过GPRS无线接口物理层提供信息传输服务，它定义了多个用户共享信道的步骤。RLC负责数据块的传输，采用选择式ARQ协议来纠正传输错误。MAC层基于时隙ALOHA协议，控制移动台的接入请求，进行冲突分解，仲裁来自不同移动台的业务请求和进行信道资源分配。,GPRS协议体系,物理链路子层（PLL）负责前向纠错、交织、帧的定界和检测物理层的拥塞等；物理射频子层（RFL）完成调制解调、物理信道结构和传输速率的确定、收发信机的工作频率和特性确定等。,GPRS协议体系,LLC分为两段，在BSS处，将逻辑链路协议数据单元从Gb接口中继到空中接口Um。在SGSN处，SGSN实现分组协议数据单元在Gb接口和Gn接口间的中继工作。,GPRS空中接口,-分组数据链路逻辑信道,GPRS空中接口,-分组数据链路逻辑信道,(1)分组公共控制信道(PCCCH,PacketCommonControlChannel)分组随机接入信道(PRACH,PacketRandemAccessChannel)：只存在于上行链路，MS用来发起上行传输数据和信令信息。分组接入突发和扩展分组接入突发使用该信道。分组寻呼信道(PPCH,PacketPagingChanne1)：只存在于下行链路。在下行数据传输之前用于寻呼MS。可以用来寻呼电路交换业务。分组接入许可信道(PAGCH，PacketAccessGrantChannel)：只存在于下行链路。在发送分组之前，网络在分组传输建立阶段向MS发送资源分配信息。分组通知信道(PNCH,PacketNotificationChannel)：只存在于下行链路。当发送点到多点-组播(PTM-M)分组之前，网络使用该信道向MS发送通知信息。,GPRS空中接口,-分组数据链路逻辑信道,(2)分组广播控制信道(PBCCH,PacketBroadcastControlChannel)只存在于下行链路。广播分组数据特有的系统信息。(3)分组业务信道(PTCH,PachetTrafficChanne1)分组数据业务信道(PDTCH，PachetDataTrafficChanne1：用于传输分组数据。在PTM-M方式，该信道在某个时间只能属于一个MS或者一组MS。在多时隙操作方式时，一个MS可以使用多个PDTCH并行地传输单个分组。所有的数据分组信道都是单向的，对于移动发起的传输就是上行链路(PDTCH/U)，对于移动终止分组传输就是下行链路(PDTCH/D)。分组相关控制信道(PACCH,PacketAssociateControlChannel)：它携带与特定MS有关的信令信息。这些信令信息包括确认、功率控制等内容。它还携带资源分配和重分配消息，包括分配的PDTCH的容量和将要分配的PACCH的容量。当PACCH与PDTCH共享时，就是共享时已经分配给MS的资源。另外，当一个MS正在进行分组传输时，可以使用PACCH进行电路交换业务的传输,GPRS空中接口,-空中接口复帧的结构,（1）GPRS空中接口建立在与GSM空中接口相同的基础上-具有相同的200KHz射频载波以及每个载波8个时隙。因此GPRS和有GSM共享相同的射频资源。（2）同一时刻有些时隙正被用于传送GSM业务，而另一些时隙可用于传送GPRS业务。同一时隙可交替使用。GPRS空中接口数据信道PDCH的帧采用了不同于GSM信道26复帧结构的52复帧结构。,GPRS空中接口,-空中接口复帧的结构,PDCH的复帧结构包括52个TDMA帧，划分为12个数据块(每个数据块包含4帧)、2个空闲帧（可用于信号测量）和为PTCCH保留的2帧。,GPRS空中接口,-空中接口复帧的结构,无线数据块分为用户数据块和控制块。在RLC数据块中包括RLC头和RLC数据。MAC头包括上行状态标志域（USF）、块类型指示域（T）和功率控制域（PC）。,上行状态标志域（USF）：网络使用的一个指示符，指明特定移动台何时可以使用某一上行链路资源。,GPRS空中接口,-信道编码,（1）GPRS空中接口与GSM空中接口具有相同的200KHz射频载波以及每个载波8个时隙。（2）在GPRS下，MS可接入到多个时隙。（3）GPRS有多种信道编码方案（CS，CodingScheme）,其中CS-2是普遍采用的一种方案。,GPRS空中接口,-信道编码,（4）GPRS的编码过程,GPRS空中接口,（5）GPRS的空中接口中的数据流,-信道编码,(采用SS7号信令),GPRS网络信令-SS7号信令,GPRS呼叫流程,GPRS呼叫流程,GPRS呼叫流程,GPRS呼叫流程,GPRS呼叫流程-开启PDPContext,当MS登录到GPRS网络后，在传输数据信息前，必须先建立一传输信道，这一过程称为会话管理（SessionManagement）。在该过程中，GPRS网络将经历MS的PDPContext开启，MS与SGSN协商出一个服务品质（QoS），MS向GGSN登录，MS从网络上得到一个IP地址等过程，经过这些过程后，MS即可经过GGSN传送与接收外部网络的数据信息。PDP是指分组数据协议（PacketDataProtocol）。,GPRS呼叫流程,MS开启PDPContext时的信号交换程序,MS开启PDPContext时的信号交换程序,蜂窝小区更新,GPRS网络内MS的操作模式分为三种状态:第一种是闲置状态（IdleState）:此时的MS尚未向GPRS网络系统登录（Attach），不能使用GPRS网络的数据传输业务，GSM网络内手机的闲置状态也是手机刚开机后尚未以IMSI向GSM网络登录。,蜂窝小区更新,GPRS网络内MS的操作模式分为三种状态:第二种状态是等待状态（StandbyState）:此时的MS已经向GPRS网络系统登录，网络储存MS目前所在的RA，这种状态的MS只能收到部分的数据信息，但尚无法接收与传送点对点（PointtoPoint）的数据信息。,蜂窝小区更新,GPRS网络内MS的操作模式分为三种状态:第三种状态是准备状态（ReadyState）:此时的MS已经向GPRS网络系统登录，网络不仅储存MS目前所在的路径区域（RoutingArea），还储存MS目前所在的蜂窝小区，这种状态的MS能接收与传送点对点的数据信息等功能。,用户鉴权,数据加密,GPRS网络为了保证数据传输上的安全性，对数据信息进行加密，定义出另一种特殊的加密算法GEA(GPRSEncryptionAlgorithm），业务GPRS网络支持结点SGSN与MS都必须同时支持这种算法。在GSM网络内，介于BSC与手机间的语音信号都经过加密处理；在GPRS网络内，则是介于SGSN与MS间的数据信息经过加密的处理。,登录GPRS网络的用户,运行模式可相应地分成以下三类：（1）A类(Class-A)操作模式：MS申请有GPRS和其他GSM服务，而且MS能同时运行GPRS和其他GSM服务。（2）B类(Class-B)操作模式：一个MS可同时监测GPRS和其他GSM业务的控制信道，但同一时刻只能运行一种业务。（3）C类(Class-C)操作模式：MS只能应用于GPRS服务。,MS登录GPRS网络时的信令交换过程,无线通信协议WAP,WAP协议在无线网络上的运作方式与因特网基本相同，采用Client/Server（客户机-服务器）的数据连接方式，最重要的改变是在网络内安装一部WAP网关，WAP网关一边连接因特网（Internet）或公司企业内部网络（Intranet），另一边连接营运商的PLMN无线网络，无线终端设备通过WAP网关存取位于因特网的资源。所有支持WAP协议的无线终端设备内都有一个微浏览器（Microbrowser），浏览器具备WML与WML脚本（Script）编译器，WAP协议的设计使浏览器的操作只占用无线设备少量的ROM、RAM、CPU等资源。,将MS连接上WAP网站,将MS连接上WAP网站,将MS连接上WAP网站,将MS连接上WAP网站,服务品质QoS,服务品质QoS在GPRS网络内尤其重要，因为无线频道资源有限，在蜂窝小区（Cell）内的所有用户彼此都经过相同的无线频道传输数据，每位手机用户所分配到的传输速率变化相当大，有时可能因为蜂窝小区内用户人数的突然增加，而使传输速率急速降低，造成应用上的困扰，若能根据不同的传输速率与不同类型的手机用户签订不同传输服务的合约，不仅能为电信营运商带来可观的收益，还能避免某些用户对GPRS网络过度的使用（如下载大量的电子文件）而造成的网络拥塞。,GPRS的五大优点,永远在线客户随时都与网络保持联系，即使没有数据传送时,客户仍然在网上与网络之间还保持一种连接。当客户需要重新浏览互联网时，GPRS手机立即向网络发出请示并下载互联网信息。快速登录连接时间很快。GPRS手机一开机，就已经与GPRS网络建立了连接，每次登录互互联网，只需要一个激活过程，一般仅需1到3秒。高速传输GPRS手机采取分组交换技术，数据传输最高理论值可达171.2kb/s。按量收费按照客户接收和发送数据包的数量来收取费用。自由切换GPRS手机客户可以一边享受打电话的乐趣，一边轻松愉快方便地上网冲浪。,GPRS网络商用时存在的问题和对策,实际