GPRS基本原理

1、GPRS基本原理课程目的n学习完本课程，你将能够：l了解GPRS的网络特点和结构l理解GPRS的各种接口和协议目录nGPRS网络概述网络概述nGPRS无线接口原理什么是GPRS？n GPRS General Packet Radio Servicel 分组交换在数据应用方面对频率利用的效率则高得多l GPRS移动IP，是GSM的无线接入技术和Internet分组交换技术的结合GPRS的产生与发展nGPRS 产生与发展l GPRS是在现有的GSM移动通信系统基础之上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS系统可以看作是对原有的GSM电路交换系统进行的业务扩充，以满足用户利用移动终端接入Inter

2、net或其它分组数据网络的需求。l GPRS通过在原GSM网络基础上增加一系列功能实体来实现对分组数据的传输，新增功能实体和软件升级后的原GSM功能实体组成GSM-GPRS网络，作为独立的网络实体完成GPRS数据业务，原GSM网络则完成电路业务。l 优势l 充分利用现有网络l Internet 实现l 频谱效率高l 按流量计费CS-19.05 kbit/sCS-213.4 kbit/sCS-315.6 kbit/sCS-421.4 kbit/sCoding schemeBit rate1/2 2/3 3/41Code rate184274318440Radio block excl. BCS4

3、0161616BCS444-Tail456588676456Coded bits01322200Punctured bitsGPRS特点nGPRS特点l 适用于非周期性的突发数据业务l 上下行链路可不对称，数据速率可变l 灵活的资源管理方式n 无线口资源被GSM语音和GPRS数据业务动态共享n 信道分配灵活，MS与信道的多种映射关系n 一个MS可同时进行多个数据会话l 编码方案CS-1CS-4，数据速率：9.05171.2kbit/sl 支持主要的接口定义包括Internet，X.25和SMSl 和GSM基础设施共享，网络运营费用降低，按数据量收费GPRS业务n承载业务lWWW浏览、FTP、W

4、AP、E-mail。l PTPn无连接的PTP业务(PTP-CLNS)：如IPn面向连接的PTP业务(PTP-CONS）：如X.25lPTM：GPRS第二阶段提供n PTM-M（组播）n PTM-G（群呼）n IP-M（组播）GPRS业务n电信业务l PTP: E-mail、电子监控、在线游戏l PTM：天气预报l 移动IPn 补充业务l 适用于GPRS的GSM phase2补充业务l GPRS特定的补充业务GPRS业务与现有业务的关系n与GSM SMS业务的关系n与电路交换业务的关系l三种网络工作模式l三类终端n 两种业务配合工作的几种情形l联合的GPRS/IMSI附着以及分离功能l联合的路

5、由区/位置区更新功能lB类MS的悬置/恢复程序功能l经过GPRS网络实现电路交换业务寻呼功能GPRS业务质量nQoS（Quality of Service）n优先等级 Service precedence (priority) l可靠性等级 Reliabilityl延时等级 delayl峰值吞吐量等级 Peak Throughputl平均吞吐量等级 Average Throughput系统消息系统消息系统消息1系统消息3系统消息5系统消息13系统消息4系统消息2测量报告干扰测量干扰测量邻小区邻小区BCCH小区接入小区选择与控制小区选择与控制频率与分配频率与分配其他系统消息GPRS主要系统消息R

6、RBSSMSCPSTNSS7 NetworkEIRHLR/AUCSMS-GMSCFirewallFirewallFirewallRouterRouterServerServerSGSNInter-PLMN networkPTM-SCGGSNBorderGatewayGPRSBackboneIP basedGPRSInfrastructureData Network(Internet)Data Network X.25UmR/SPCUGPRS网络结构RLC/MAC层功能层功能完成无线资源管理功能完成无线资源管理功能l下行链路上：LLC层的PDU分割成RLC数据块；l上行链路上：RLC数据块重组成

7、LLC层的PDU；lPDCH上行链路ARQ协议，包括RLC块的ACK/NAKlPDCH下行链路ARQ协议，包括RLC块的缓冲和重传lPDCH安排上行和下行数据传送的时隙资源；l信道接入控制功能，如接入请求、接入准许；l无线信道管理功能，如功率控制、拥塞控制、广播控制消息等。无线接口处理无线接口处理lGb接口处理lAbis接口处理功能PCU功能网络接入控制网络接入控制l鉴权加密lIMEI检查路径管理路径管理lSGSN-BSS之间数据传输路径管理l移动性管理l会话管理逻辑链路管理逻辑链路管理lSGSN-MS之间逻辑链路的管理l支持确认/不确认传输路由路由和隧道和隧道传输传输l压缩与解压l用户数据的

8、存储转发l路由选择l地址翻译和映射l封装与隧道传输用户信息管理用户信息管理l移动性信息l签约信息计费管理计费管理l收集无线资源使用情况SGSN功能网络接入控制网络接入控制l消息过滤l计费信息收集动态分配动态分配IP地址地址移动性移动性和和会话会话管理管理业务管理业务管理l用户数据的存储转发l对APN进行管理路由选择与转发路由选择与转发l移动性信息l签约信息计费管理计费管理l对外部网络的使用信息收集GGSN功能HLR功能n保存GPRS用户签约数据n用户鉴权n提供移动性管理和路由选择所需的位置/路由信息及相关处理， 如：l保存和更新用户服务SGSN号码和地址lGPRS用户位置删除指示lMS是否可及

9、标志l用户跟踪（可选）MSC/VLR附加功能nSGSN通过Gs接口与MSC相连（Gs接口可选）l联合IMSI/GPRS附着/分离l联合位置区/路由区更新l电路寻呼协调功能n提高无线资源利用率qCG功能功能m实时采集GPRS话单m临时存储和缓冲GPRS话单mGPRS话单预处理m向计费中心传送GPRS话单mCG重定向qBG功能功能m BG实现以下运营商互通必须的协议l安全性协议：推荐使用IPSec和防火墙l 路由协议：推荐使用BGPl 计费协议：运营商协商确定，也许需要BG收集计费信息m 一般基于路由器m可与GGSN合设GPRS网络结构和功能GPRS对SMS的支持nSGSN通过Gd接口与短信中心相

10、连能够通过GPRS发送短消息，减少对SDCCH的占用，从而减少 nSMS业务对话音业务的影响l原有短消息信息源可以共享l可以由运营者来选择优先通过MSC还是SGSN来传送SMSGPRS PLMNGGSN防火墙外部IP网GiISP企业网DNS服务器Radius服务器WWW/Email/FTP服务器DHCP服务器透明接入透明接入非透明接入非透明接入与外部PDN相连BTSSGSNGGSNBSCMSC/VLRGi GnGrGsGb GnAHLRIP NetworkGPRSBackbone BGOther PLMNGpPCUSGSNGGSN Gn GnBGSS7GPRS网络接口MSUmAbis主要接口功

11、能nUm接口lMS完成与GPRS网络的通信，完成分组数据传送、移动性管理、会话管理、无线资源管理等多方面的功能。nGb接口l通过该接口SGSN完成同BSS系统、MS之间的通信，以完成分组数据传送、移动性管理、会话管理方面的功能。该接口是GPRS组网的必选接口。nGi接口lGi接口是GPRS与外部分组数据网之间的接口。GPRS通过Gi接口和各种公众分组网如Internet或ISDN网实现互联，在Gi接口上需要进行协议的封装/解封装、地址转换、用户接入时的鉴权和认证等操作。主要接口功能nGn接口lGn接口是GRPS支持节点间接口，即同一个PLMN内部SGSN间、SGSN和GGSN间接口，该接口采用

12、在TCP/UDP协议之上承载GTP的方式进行通信。nGs接口lSGSN通过Gs接口和MSC配合完成对MS的移动性管理功能，包括联合的Attach/Detach、联合的路由区/位置区更新等操作。SGSN还将接收从MSC来的电路型寻呼信息，并通过PCU下发到MS。n其他接口lGr、Gd、GP、Gc、Gf。GSM RFMACRLCLLCSNDCPIP/X.25ApplicationGSM RFMACRLCL1 bisNetworkServiceBSSGPRelayL1 bisNetworkServiceBSSGPL1L2IPL1L2IPUDP/TCPGTPIP/X.25LLCSNDCPUDP/TCP

13、GTPRelayMSBSS/PCUSGSNGGSNUmGbGnGiGPRS数据传输平台GPRS数据传输平台n物理层l分为无线射频层和物理链路层nL1bis、L1、L2协议l在GPRS规范中没有规定，各厂商的解决办法可能不同。nRLC/MAClRLC为上层业务提供可靠的无线链路，MAC层负责处理信道定位和复用，RLC/MAC层共同形成了具有Um接口的OSI第二层协议，使用物理链路层提供的业务。GPRS数据传输平台nNSlNS属于传输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，并且可以穿越帧中继交换节点网络。nBSSGPl在下行链路中，由SGSN向BSS提供实现RLC

14、/MAC功能所需的无线信息；在上行链路中，由BSS向SGSN提供从RLC/MAC得到的无线信息，并使两个不同的节点（BSS和SGSN）实现节点管理功能。该层传送BSS和SGSN之间的路由相关和Qos相关信息，不执行纠错。nRelaylBSS里的Relay的功能是中继Um和Gb接口之间的LLC PDU。SGSN里的Relay的功能是中继Gb和Gn接口之间的PDP PDU。GPRS数据传输平台nLLCl提供移动台和SGSN之间可靠保密的逻辑链路，该层独立于下层无线接口协议，LLC层有确认模式和非确认模式两种转发模式。nSNDCPl承担了在网络层和底层之间映射和压缩以及分段，排序和复用，属于网络层协

15、议。主要功能有：复用多个PDP；压缩/解压缩用户数据和协议控制信息；将网络协议数据单元（N-PDU）分割成逻辑链路控制协议数据单元（LL-PDU），或是反向重装。GPRS数据传输平台nGTPl该协议支持GPRS骨干网各支持节点之间的数据和信令传输，所有的PTP PDU PD都要用GTP封装。nUDP/TCPl传输层协议，建立端到端连接的可靠链路，TCP具有保护和流量控制功能，确保数据传输的准确，TCP是面向连接的协议。UDP则是面向非连接的协议，UDP不提供错误恢复能力，也不关心是否已正确接收了报文，只充当数据报的发送者和接收者。nIPl用于路由用户数据和控制信令的GPRS骨干网协议。GPRS

16、骨干网最初会基于IP版本4协议，最终会用版本6。目录nGPRS网络概述nGPRS无线接口原理无线接口原理逻辑信道分组业务信道分组控制信道PBCCH（下行）PCCCHPRACH(上行)PAGCH(下行)PPCH（下行）PDCCHPACCHPTCCH/D（下行）PSCSPDTCH/CS1PDTCH/CS2PDTCH/CS3PDTCH/CS4PNCH（下行）PTCCH/U（上行）GPRS逻辑信道类型GPRS逻辑信道类型n分组数据信道（PDCH）l分为分组业务信道和分组控制信道n分组业务信道(PDTCH) l单向业务信道：PDTCH/U，PDTCH/D n分组控制信道l广播控制信道：PBCCHl公共控

17、制信道：PPCH，PRACH，PAGCH，PNCH（发送通知信息）l专用控制信道：PACCH，PTCCH/U（用来估计TA），PTCCH/D（发送TA更新信息）分组逻辑信道组合方式n分组逻辑信道（PDCH）组合l方式1：PBCCHPCCCHPDTCHPACCHPTCCH；l方式2：PCCCHPDTCHPACCHPTCCH；l方式3：PDTCHPACCHPTCCH。l 其中 PCCCH = PPCH + PRACH + PAGCH + PNCH。n小业务量l在GPRS业务量不大的情况下，一般小区内GPRS与电路业务共用BCCH和CCCH，此时小区内仅需要信道组合方式3。n随着业务量的增大l小区内

18、需要配置分组公共信道，需要增加信道组合方式1和2。MS的多时隙能力nMS多时隙能力的概念l定义要素：最大接收时隙数（下行时隙）、最大发射时隙数（上行时隙）、最大总时隙数l定义：多时隙能力等级129；等级数越大，多时隙能力越强n影响MS多时隙能力的因素l是否能同时发送和接收l考虑MS做邻近小区测量、收发信机发射和接收准备等时间要求l跳频对时间要求影响的考虑l实现时的目标市场细化的考虑nBSS应根据MS的多时隙能力、请求的QoS以及当前资源配置情况进行最优资源分配。MS手机能力分类nA类l可同时附着在GPRS网络和GSM网络上，并可同时进行分组交换业务和电路交换业务。nB类l可同时附着在GPRS网

19、络和GSM网络上，但不能同时进行电路交换和分组交换业务。nC类l不能同时附着在GPRS网络和GSM网络上，GPRS业务和电路交换业务仅能选择其中一种业务，未选中业务的状态是断开状态，不能实现连接。T = PTCCH,I= Idle frameB0 - B11 = Radio blocks52 TDMA FramesB0B1B2TB3B4B5IB6B7B8TB9B10B11I0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7TDMA frameRLC Block 除了分组随机接入信道和PTCCH/U外，其他分组逻辑信道的基本组

20、成单位都是BLOCK，BLOCK的占用次序是这样规定的：(B0, B6, B3, B9, B1, B7, B4, B10, B2, B8, B5, B11)。分组逻辑信道的映射52复帧描述nPDCH 帧结构l一个52复帧包括12个无线块l电路域中一个TDMA帧分为8个时隙l分配给GPRS 的时隙称为PDCHl多个时隙可组合为一个PDCH组，每PDCH组最多可包含8个时隙l无线资源分配和无线传输以无线块（BLOCK）为基本单位l一个无线块时长包括4个TDMA帧，为用户占用的最小单位l剩下4个burst用于测量、上报TAl若干用户争抢这些数据块，从宏观上实现分组共享目的RLC / MAC head

21、erRLC DataBCSRLC / MAC layerRadio blockCS-19.05 kbit/sCS-213.4 kbit/sCS-315.6 kbit/sCS-421.4 kbit/sCoding schemeBit rate1/2 2/3 3/41Code rate184274318440Radio block excl. BCS40161616BCS444-Tail456588676456Coded bits01322200Punctured bitsConvolutional codingPuncturing456 bits4 burstsPhysical layerCS编

22、码方案Add BCSAdd BCS加块检查序列加块检查序列Add precoded USFAdd precoded USF加预编码的上行状态标识符加预编码的上行状态标识符Add tail bitsAdd tail bits加结尾码加结尾码CodingCoding编码编码PuncturePuncture穿孔减码穿孔减码456456bitsbits有效负有效负载载 BCS : Block Check SequenceBCS : Block Check Sequence USF : Uplink State Flag USF : Uplink State FlagCS编码流程rate 1/2 con

23、volutional codingpuncturing456 bitsUSFBCSRadio BlockB0B1B2TB3B4B5XB6B7B8TB9B10B11X52 TDMA Frames12 Radio Block Periods = 240 ms*InterleavingCS1-3的信道编码blockcodeno coding456 bitsUSFBCSRadio Block*InterleavingB0B1B2TB3B4B5XB6B7B8TB9B10B11X52 TDMA Frames12 Radio Block Periods = 240 msCS4的信道编码PDTCH信道分配n几

24、个概念n USFl控制不同的MS在上行PDCH上复用无线块。USF用于动态和扩展动态媒介接入模式。在PCCCH上，一个USF值用于标注PRACH（USF = 空闲），其余的留给7个不同的MS使用（USF = R1/R2 R7）。n TBFlTBF是被两个RR实体用来在分组数据无线信道上单向传输LLC PDU的物理连接。它是分派在一个或多个PDCH上的无线资源，其上传输的是携带了一个或数个LLC PDU的一些RLC/MAC块。nTFIl每个TBF由网络分配一个TFI，在不同方向可以使用同一个TFI，TFI先于LLC帧的传输在资源分配消息中分派下来。与一个特定TBF相关的RLC/MAC块必须包含一

25、个TFI。RLC/MAC功能nRLC/MAC层提供物理层以上信息传递的服务，具体功能是：l MAC主要负责：n提供上下行数据和控制信令的有效多路复用，这是由网络侧控制的。在下行方向，复用控制利用计划表实现；在上行方向，复用控制利用对单个用户的媒介安排（即对服务请求的响应）来实现。n对手机主动发起的信道接入，解决信道争用问题，包括冲突检测和恢复。n对手机终止的信道接入，安排接入尝试，包括分组接入的排队。n优先级处理。lRLC主要负责：n在LLC和MAC之间用接口原语传递LLC-PDU。n将LLC-PDU分割、重组成RLC数据块。n后向纠错（BEC）过程（用选择性ARQ协议）可选择性重传不能纠正的

26、码字。媒体接入模式n GPRS与GSM共用空中接口物理信道n 无线资源分配有三种方式：l 固定分配 l 动态分配（USF）l 扩展动态分配方式RLC/MAC确认和非确认模式n确认模式l由一个ARQ机制和一个TBF中的RLC数据块编号控制，用确认模式时，发送方在一个窗口64块范围内发送块，接收方响应Packet Uplink Ack/Nack或Packet Downlink Ack/Nack消息，每个消息用于证实全部正确接收RLC块并指示块的号码，这时就能“移动”发送端窗口的起始位置。被错误接收的RLC数据块可以被重发。n不确认模式l由一个TBF中的RLC数据块编号控制，没有重发机制。接收方通过在丢失信息的数据块里填充虚构信息来保持用户信息长度。分组模式n分组空闲模式l在空闲模式下，没有TBF存在，上层可以要求传输LLC PDU，从而激发TBF的建立，转入传输模式；MS在空闲模式下侦听PBCCH和PPCH或PCH（当没有分组信道时）。n 分组传输模式l在传输模式下，MS分配到有TBF的物理信道，能连续传输一个或多个RLC确认模式或不确认模式下的LLC PDU。该模式下的小区重选参见GSM05.08。当MS切到新小区后，从分组传输模式转到分组空闲模式