GPRS協(xié)議棧中GMM協(xié)議的研究和實現(xiàn)

摘　要　GPRS協(xié)議棧技術(shù)是移動通信軟件的關(guān)鍵技術(shù)，本文基于GPRS協(xié)議棧中的GPRS移動性管理層協(xié)議（GMM），對GMM層所實現(xiàn)的功能、過程、狀態(tài)控制、安全機制進行了深入地研究，并通過一個工程項目對GPRS協(xié)議棧中的GMM層進行了設(shè)計和實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞　通用分組無線業(yè)務(wù)　GPRS移動性管理　路由區(qū)　狀態(tài)控制

1　引言

近年來，移動通信產(chǎn)業(yè)已成為發(fā)展最迅速、最具活力的產(chǎn)業(yè)之一。隨著用戶對通信質(zhì)量，通信業(yè)務(wù)的要求越來越高，通信技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，通過采用GPRS技術(shù)，可使現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)輕易地實現(xiàn)與高速數(shù)據(jù)分組的簡便接入，從而使運營商能夠?qū)σ苿邮袌鲂枨笞鞒隹焖俜磻�并獲得競爭優(yōu)勢。

GPRS協(xié)議棧技術(shù)是移動通信軟件的關(guān)鍵技術(shù)，所以目前對GPRS技術(shù)的研究主要集中在GPRS協(xié)議棧技術(shù)上。本文正是基于這一點，通過對GPRS協(xié)議棧中的關(guān)鍵層——GPRS移動性管理（GMM）層的深入研究，對GMM層中所實現(xiàn)的功能、過程、狀態(tài)控制、安全機制進行了闡述和分析，最后通過一個實際的GPRS工程項目把對GMM研究應用到實際中去，表明研究的價值和意義。

本文是如下安排的：第2節(jié)介紹了一些基本概念和原理；第3節(jié)研究了GMM所實現(xiàn)的功能、過程、狀態(tài)控制、安全機制，并對它們之間的相互關(guān)系進行了闡述；第4節(jié)把對GMM的研究應用到一個實際的工程中；第5節(jié)對全文進行了總結(jié)。

2　基本概念

GPRS協(xié)議棧是由傳輸協(xié)議棧和信令協(xié)議棧組成的，傳輸協(xié)議棧是用于用戶信息的傳輸（用戶數(shù)據(jù)的傳輸）和相關(guān)控制過程的信息傳輸；而信令協(xié)議棧是提供對傳輸協(xié)議棧的支持，完成對GPRS網(wǎng)絡(luò)接入的控制，以及對分組數(shù)據(jù)協(xié)議的關(guān)聯(lián)等等。

GPRS信令協(xié)議棧如圖1所示。從圖1可以看出在GPRS的無線接口（Um）中，對照ISO（國際標準化組織）的參考模型，GPRS的信令協(xié)議棧從下到上可以分為三層：L1層是物理層，它是由GSM RF構(gòu)成的；L2層是數(shù)據(jù)鏈路層，它是由媒質(zhì)接入控制層（MAC）、無線鏈路控制層（RLC）、邏輯鏈路控制層（LLC）三層一起實現(xiàn)其功能的；L3層是信令層，通過下層（L1層，L2層）提供的分組信道傳輸信令消息，來達到對GPRS協(xié)議棧的控制作用。

GMM作為GPRS信令協(xié)議棧L3層中的一層，利用下層（L1層，L2層）提供的分組信道傳輸GMM的信令消息。GMM的這些信令信息的主要作用是支持用戶終端的移動，將用戶的位置信息通知網(wǎng)絡(luò)，以及提供用戶識別信息的機密性。

3　GMM功能實現(xiàn)

上節(jié)已經(jīng)對GPRS協(xié)議棧進行了系統(tǒng)地概括和介紹，GMM層的主要功能就是上節(jié)所說的，支持用戶終端的移動，將用戶的位置信息通知網(wǎng)絡(luò)，以及提供用戶識別信息的機密性，而這些功能是通過GMM的過程來實現(xiàn)的。下面首先研究一下GMM的過程，通過這些過程實現(xiàn)了GMM的功能：GMM的安全機制是通過GMM的公共過程來實現(xiàn)的，GMM的位置信息是通過實現(xiàn)GMM的特定過程來完成的；最后研究和說明GMM如何通過它的狀態(tài)管理來實現(xiàn)GMM的過程，進而實現(xiàn)GMM的功能。

3.1　GMM的過程

依賴于GMM過程是如何啟動的，把該層的過程分為兩大類：GMM公共過程和GMM特定過程。我們正是通過執(zhí)行這些過程來實現(xiàn)GMM層的特定功能。

3.1.1　GMM的公共過程

當建立了GMM上下文環(huán)境時，由網(wǎng)絡(luò)發(fā)起并完成以下功能：

1. GPRS加密和鑒權(quán)過程；

2. P-TMSI分配或重新分配過程；

3. GPRS識別過程；

4. GPRS信息過程。

GPRS 采用GMM 的公共過程—— GPRS鑒權(quán)過程來實現(xiàn)GPRS終端的安全。GPRS采用如下的方法：網(wǎng)絡(luò)通過信令發(fā)來一個隨機數(shù)（RAND），GPRS終端把該隨機數(shù)送到SIM卡，由SIM卡把鑒權(quán)密鑰（Ki），隨機數(shù)作為輸入，通過鑒權(quán)算法得到符號響應（SERS），然后GPRS終端通過信令把該符號響應送到網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)會把GPRS終端送來的符號響應跟自己采用相同的算法和相同的輸入算出來的符號響應進行比對，如果相同，則鑒權(quán)成功，否則失敗。這里Ki和IMSI是緊密相聯(lián)的，即一個IMSI對應一個Ki，不同的IMSI對應不同的Ki。這里Ki的機密性保證了用戶的安全。

作為用戶身份標識的IMSI應盡量少用，防止非法用戶通過各種途徑竊聽無線鏈路上的信令交互而得到GPRS終端的IMSI，P-TMSI引入正是基于此目的。

臨時鏈路邏輯標識（TLLI）和路由區(qū)標識共同作用，可唯一確定GPRS終端，而TLLI正是源自GPRS網(wǎng)絡(luò)的SGSN節(jié)點分配給終端的P-TMSI。P-TMSI的分配由GMM的公共過程（P-TMSI分配或重新分配過程）來完成的。

3.1.2　GMM的特定過程

1. GPRS去附著過程（GPRS Detach）；

2. GPRS附著過程（GPRS Attach）；

3. 當存在GMM上下文環(huán)境時，由GPRS終端發(fā)起的路由區(qū)更新過程。

通過GMM的特定過程的實現(xiàn)把GPRS終端的位置信息告訴網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)會發(fā)起相應的過程來更新GPRS終端在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中的信息，并且GMM的公共過程可包含在GMM的特定過程來實現(xiàn)。

3.2　GMM的狀態(tài)管理

GMM過程的實現(xiàn)必須有序的進行，也就是說GMM過程必須得到有效地控制，通過GMM的狀態(tài)管理可實現(xiàn)GMM終端過程和網(wǎng)絡(luò)同步，來實現(xiàn)GMM在協(xié)議棧中應起的作用。GMM層的狀態(tài)管理是由GMM狀態(tài)、與SIM卡相關(guān)的GPRS更新狀態(tài)、MM狀態(tài)三個有限狀態(tài)機（FSM）相互配合，相互影響進行管理的。例如：當由于某個GMM過程使GMM層狀態(tài)從已注冊狀態(tài)切換到GMM去注冊狀態(tài)的子狀態(tài)限制服務(wù)時，就要把GPRS更新狀態(tài)置為漫游不容許狀態(tài)，同時把MM狀態(tài)從備用態(tài)（STANDBY）或就緒態(tài)（READY）置為空閑態(tài)（IDLE（GPRS）），這時GPRS終端不能提供正常的服務(wù)。

3.2.1　GMM的狀態(tài)

GMM狀態(tài)主要分為：

1. GMM空狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端喪失了GPRS能力，GPRS的移動性管理功能不可用；

2. GMM去注冊狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端的GPRS能力可用，但GMM上下文環(huán)境沒有建立，GPRS終端可通過發(fā)起GPRS附著過程來建立GMM上下文環(huán)境；

3. GMM注冊已開始狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端已發(fā)起GPRS附著過程，并正在等待網(wǎng)絡(luò)的應答；

4. GMM已注冊狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GMM上下文環(huán)境已經(jīng)建立完成——也就是說GPRS終端發(fā)起的GPRS附著過程已成功完成，GMM可進行任何GMM過程，并可進行激活PDP業(yè)務(wù)等一系列正常操作；

5. GMM去注冊已開始狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端已發(fā)起GPRS去附著過程，并正在等待網(wǎng)絡(luò)的應答；

6. GMM路由區(qū)更新已開始狀態(tài)：在此狀態(tài)下，GPRS終端已發(fā)起路由區(qū)更新過程，并正在等待網(wǎng)絡(luò)的應答。

從以上狀態(tài)的介紹中，我們可以看出GMM狀態(tài)對GMM過程的管理，在某種狀態(tài)下，GMM可實現(xiàn)或正在實現(xiàn)GMM的某種過程或某幾種過程，通過這些過程，來實現(xiàn)GMM的功能。

3.2.2　GPRS更新狀態(tài)

GPRS更新狀態(tài)是跟SIM卡緊密相關(guān)的，它存儲在SIM卡的非易失內(nèi)存中，GPRS更新狀態(tài)只在GMM執(zhí)行GPRS附著過程、路由區(qū)更新過程、GPRS去附著過程、GPRS鑒權(quán)過程時發(fā)生改變。GPRS更新狀態(tài)可分為：更新狀態(tài)、非更新狀態(tài)、漫游不容許狀態(tài)三種狀態(tài)。并且在更新狀態(tài)、非更新狀態(tài)（路由區(qū)標識（RAI）有效時）下，路由區(qū)標識、P-TMSI、GPRS密鑰、GPRS密鑰序列數(shù)（CKSN）等，可能都是有效的；在非更新狀態(tài)（路由區(qū)標識（RAI）被刪除時）、漫游不容許狀態(tài)下，上述提到的P-TMSI，GPRS密鑰等都是無效的，在SIM卡中這些數(shù)據(jù)都被置為刪除狀態(tài)。

路由區(qū)標識、P-TMSI、 GPRS密鑰、GPRS密鑰序列數(shù)等數(shù)據(jù)，在GMM的各種過程中，都會或多或少的用到，它們的存在與否會使GPRS網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行GMM的過程時，采取不同的流程。例如：當執(zhí)行GPRS附著過程時，如果P-TMSI有效存在，則采用P-TMSI作為身份標識；如果P-TMSI無效時，則只能采用IMSI作為身份標識，并且GPRS網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行附著過程時，對這兩種情況分別采用了不同的流程。

3.2.3　MM狀態(tài)

MM狀態(tài)分為三種狀態(tài)：空閑態(tài)（IDLE（GPRS））、備用態(tài)（STANDBY）、就緒態(tài)（READY）。當GPRS終端執(zhí)行GPRS附著過程時， MM狀態(tài)從空閑態(tài)切換到就緒態(tài)；當GPRS終端執(zhí)行GPRS去附著過程時，MM狀態(tài)從就緒態(tài)切換到空閑態(tài)；
 
　　當終端GMM Ready定時器超時或終端收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的消息中STANDBY標志置為TRUE時，MM狀態(tài)從就緒態(tài)切換到備用態(tài)；當GPRS終端發(fā)送LLC PDU到網(wǎng)絡(luò)時，MM狀態(tài)如果此時處于備用態(tài)，那么就從備用態(tài)切換到就緒態(tài)。當MM狀態(tài)處于備用態(tài)時,只有GPRS終端跨路由區(qū)時，它才通知網(wǎng)絡(luò)，在同一路由區(qū)進行小區(qū)切換時，不需要通知網(wǎng)絡(luò)；當MM狀態(tài)處于就緒態(tài)時,無論是否在同一路由區(qū)進行小區(qū)切換時，都需要通知網(wǎng)絡(luò)，或由網(wǎng)絡(luò)主動發(fā)起GPRS終端的小區(qū)切換。所以，GPRS終端通過GMM層的MM狀態(tài)來控制什么時機將用戶的位置信息通知網(wǎng)絡(luò)的功能的實現(xiàn)。

4　實際工程應用

前文深入地研究了GMM的過程、狀態(tài)控制，并且通過GMM過程實現(xiàn)了GMM的功能，基于上述內(nèi)容，我們通過一個實際的工程來說明GMM層是如何應用到實際生活當中去的。在介紹實際應用之前，首先介紹一下終端的分類。GPRS終端分為A、B、C三類：A類終端是指該終端支持GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)同時工作；B類終端是指在該終端上GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)不可同時工作，但可通過信令使這兩種業(yè)務(wù)交替工作；C類終端是指只支持GPRS業(yè)務(wù)的終端。

南京雙電科技公司開發(fā)的GPRS無線上網(wǎng)卡支持GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)交替工作，具有上網(wǎng)，電話，短消息功能，是GPRS的B類終端。本上網(wǎng)卡從技術(shù)層面上講主要在于突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，在TI C55 DSP硬件平臺上，完全以我們自主研發(fā)的軟件模塊為核心實現(xiàn)完整的GSM、GPRS及EDGE終端協(xié)議棧。圖2是雙電公司的GPRS無線網(wǎng)卡的協(xié)議棧分布圖。

說該卡是B類終端，除了在硬件上提供足夠和有效的資源外，在軟件協(xié)議棧上，我們主要是通過實現(xiàn)B類終端GMM層所特定的過程來實現(xiàn)的。

主要實現(xiàn)以下特定過程：

1. 當網(wǎng)絡(luò)運行在模式I時，由網(wǎng)絡(luò)或GPRS終端發(fā)起去附著GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)的過程，并且釋放GMM上下文環(huán)境；

2. 當網(wǎng)絡(luò)運行在模式I時，由GPRS終端發(fā)起附著GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)的過程，并且建立GMM上下文環(huán)境；

3. 當網(wǎng)絡(luò)運行在模式I時，由GPRS終端發(fā)起聯(lián)合路由區(qū)更新過程。

通過實現(xiàn)這些特定的過程，可實現(xiàn)GPRS的B類終端所具備的同時監(jiān)控GPRS和GSM業(yè)務(wù)，并通過信令實現(xiàn)二種業(yè)務(wù)的自由切換的功能。

經(jīng)測試對比驗證，在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，我公司自主研發(fā)的該款卡的GMM層的各項性能指標均達到了國內(nèi)外同類型產(chǎn)品。

5　結(jié)束語

本文系統(tǒng)地研究了GPRS協(xié)議棧中的GMM層協(xié)議，首先深入研究了GMM層中所實現(xiàn)的功能、過程、狀態(tài)控制、安全機制等，在此基礎(chǔ)上，通過一個工程，把對GMM層的研究應用到實際中去，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟效益和社會影響。

作為GPRS信令協(xié)議棧的GMM是在整個協(xié)議體系中起著非常重要的作用。由于第三代（WCDMA）無線終端協(xié)議棧L3層和GPRS終端協(xié)議棧L3層非常相似，因而對GPRS 終端協(xié)議棧GMM層協(xié)議所進行的研究和實現(xiàn)無論是對于現(xiàn)在還是將來，都具有很重要的意義。

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