解析GPRS 協(xié)議棧功能

張冰濤


　　張冰濤， 現(xiàn)任廣州金鵬集團(tuán)工程技術(shù)中心技術(shù)支持部經(jīng)理兼高級(jí)系統(tǒng)工程師。1998年4月畢業(yè)于東北大學(xué)連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并獲工學(xué)碩士學(xué)位。同年加入金鵬集團(tuán)有限公司，主要負(fù)責(zé)GSM、GPRS、CDMA的售前、售后技術(shù)支持工作和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作，曾先后負(fù)責(zé)江西聯(lián)通GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)的多期工程建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和項(xiàng)目管理工作和金鵬CDMA1X山西太原試驗(yàn)局的設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收工作。目前就讀于華中科技大學(xué)電子與通信專業(yè)工程碩士。


一、移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通用承載模型







　　GPRS、WCDMA、CDMA2000都屬于可漫游移動(dòng)用戶的承載網(wǎng)絡(luò)，都是在移動(dòng)用戶和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)網(wǎng)之間提供數(shù)據(jù)連接。本文將對(duì)作為一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載網(wǎng)并且基于GSM的GPRS技術(shù)從協(xié)議棧的角度進(jìn)行深入剖析。



二、GPRS 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)元功能



（1）GPRS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)



(2) GPRS 各個(gè)網(wǎng)元的功能


　　PCU的功能：該功能實(shí)體可以和BSC合設(shè)，也可以作為一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)元，其和SGSN之間的Gb接口為規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，和BSC之間的接口為內(nèi)部接口。負(fù)責(zé)處理無線信道的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；無線數(shù)據(jù)信道的管理和分配，允許多個(gè)用戶接入同一無線資源；用戶數(shù)據(jù)的壓縮、加密和轉(zhuǎn)發(fā)；同時(shí)還具有功率控制、質(zhì)量控制和選擇信道編碼方案的功能，其向GPRS數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)屏蔽使用的無線技術(shù)。








　　SGSN的功能：是GPRS骨干網(wǎng)的重要組成部份，是分組交換的核心部分，通過幀中繼和PCU相連。功能類同于GSM系統(tǒng)的MSC/VLR功能，SGSN不僅處理分組交換中的信令傳輸，同時(shí)也進(jìn)行數(shù)據(jù)包的處理和傳送。面向MS執(zhí)行移動(dòng)性管理、安全管理、介入控制和路由選擇功能。即記錄當(dāng)前活動(dòng)在該SGSN區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶的有關(guān)信息，如位置信息，可以對(duì)當(dāng)前用戶信息進(jìn)行修改、刪除等；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)用戶的Attach和Detach、位置更新、尋呼、鑒權(quán)、加密等；負(fù)責(zé)MS和SGSN之間邏輯鏈路的建立、維護(hù)和釋放；負(fù)責(zé)路由的選擇和信息的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)；產(chǎn)生原始計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)。



　　GGSN的功能：GGSN內(nèi)部維護(hù)GPRS骨干網(wǎng)， 外部可以連接多個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)如Internet、企業(yè)網(wǎng)、X.25 網(wǎng)等，是GPRS骨干網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)；在GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)中的地位很類同于傳統(tǒng)GSM網(wǎng)中的GMSC的地位；負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的原始計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)。



三、 GPRS 各個(gè)接口協(xié)議棧的功能





　　所謂協(xié)議棧就是對(duì)信息進(jìn)行多次封裝和解封的過程，以便能夠在不同的實(shí)體間傳送信息。



　　MAC媒體訪問控制：MAC定義和分配空中接口的邏輯信道，并控制移動(dòng)臺(tái)接入這些共享的邏輯信道；MAC定義的邏輯信道有公共控制信道PCCCH：控制信令；分組廣播信道PBCCH：廣播系統(tǒng)消息；分組業(yè)務(wù)信道PTCH：傳輸分組數(shù)據(jù)；分組專用控制信道：功率控制、定時(shí)等。






　　RLC無線鏈路控制： RLC將上層LLC的數(shù)據(jù)分段和重組以便在邏輯信道上傳送；RLC通過選擇性重傳，向上層提供一個(gè)可靠的鏈路；它根據(jù)無線鏈路的傳輸能力將1527個(gè)字節(jié)（LLC幀的最大長(zhǎng)度）按CS（coding scheme）切成不同的小塊，以便進(jìn)行卷積、交織等信道編碼。



　　LLC邏輯鏈路控制：LLC是MS和SGSN之間的協(xié)議�；�于HDLC無線鏈路協(xié)議，傳輸能力1520個(gè)字節(jié)，加上7個(gè)開銷字節(jié)，總共1527個(gè)字節(jié)；LLC向上層提供一個(gè)或多個(gè)由SAPI區(qū)別的、高度可靠無差錯(cuò)的、加密的邏輯鏈路（GMM，SM，SNDCP等）；LLC與下層使用的無線接口協(xié)議無關(guān)，向下隔離無線網(wǎng)；下層GPRS無線接口協(xié)議的改變不會(huì)影響上層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)；對(duì)中斷的幀可以進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)；可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多點(diǎn)尋址(向多個(gè)MS發(fā)信息)；傳送的信息可以有不同的優(yōu)先級(jí)即順序控制；流量控制等。LLC實(shí)現(xiàn)了下層不同協(xié)議的向上統(tǒng)一，是保證向3G平滑過渡的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。它和SNDCP協(xié)議一起類同于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)中MS和PDSN之間的PPP協(xié)議的功能。



　　SNDCP子網(wǎng)聚合協(xié)議：將外網(wǎng)的各種協(xié)議（IPv4、Ipv6、X.25等）格式統(tǒng)一為一種協(xié)議格式；用NSAPI區(qū)分不同的應(yīng)用；移動(dòng)臺(tái)和SGSN之間的IP數(shù)據(jù)包或X.25報(bào)文被分割成多個(gè)SNDC數(shù)據(jù)包單元以適應(yīng)LLC的MTU的大小，數(shù)據(jù)包單元被放置到LLC幀內(nèi)；完成數(shù)據(jù)的分段和重裝；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以節(jié)約空中接口帶寬；負(fù)責(zé)TCP/IP頭的壓縮；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等。



　　NS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議是基于幀中繼網(wǎng)絡(luò)的，包括網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層功能；在PCU和SGSN之間傳送BSSGP協(xié)議的數(shù)據(jù)單元；PCU和SGSN可能經(jīng)過多跳幀中繼網(wǎng)；在BSS和SGSN之間要建立通過NSVC識(shí)別的邏輯幀中繼鏈路，多個(gè)用戶的LLC-PDU按負(fù)荷分擔(dān)方式復(fù)用在這些虛電路上；該層還負(fù)責(zé)NS-VC的閉鎖、解鎖、復(fù)位、測(cè)試等NS-VC管理功能。在PCU和SGSN的數(shù)據(jù)庫中需要定義NSVCI和GBL、DLCI的映射關(guān)系。




　　BSSGP（BSS GPRS應(yīng)用協(xié)議）：提供PCU和SGSN間的無連接鏈路；承載上層數(shù)據(jù)信息即LLC信息，在下行方向上向BSS提供RLC/MAC功能實(shí)用的無線相關(guān)的信息，在上行方向上向SGSN提供從RLC/MAC功能獲得的無線相關(guān)的信息；承載SGSN和PCU之間的路由信息和QOS信息；支持SGSN和PCU之間信令管理和分組確認(rèn)；通過BVCI識(shí)別小區(qū)；通過NSEI識(shí)別PCU，所以通過NSEI+BVCI可以唯一地識(shí)別每個(gè)BSSGP虛連接。


BSSGP的業(yè)務(wù)模型







　　GMM業(yè)務(wù)接入點(diǎn)的功能：負(fù)責(zé)GPRS移動(dòng)性管理。指示BSS尋呼MS；請(qǐng)求SGSN向BSS發(fā)送MS當(dāng)前的無線接入能力；BSS向SGSN發(fā)送有關(guān)無線接口的狀態(tài)信息如鏈路質(zhì)量差等；MS的Attach\Detach操作等。



　　NM網(wǎng)絡(luò)管理的功能：完成FLUCH操作，當(dāng)手機(jī)從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，SGSN通知BSS刪除原BVCI相關(guān)數(shù)據(jù)，并向新的BVCI發(fā)送數(shù)據(jù)；BVC的閉鎖、解鎖和復(fù)位；對(duì)每一個(gè)BVC實(shí)行下行方向的流量控制，BSS向SGSN發(fā)送有關(guān)流量控制的信息，SGSN控制向BSS的業(yè)務(wù)流量。



　　L2協(xié)議：可以是以太網(wǎng)、也可以是ATM等。



　　IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，主要完成路由功能，用于用戶數(shù)據(jù)和信令的路由。目前采用的是IPv4。IP的開放性使得上層的應(yīng)用和下層的承載網(wǎng)絡(luò)沒有必然的聯(lián)系，使得應(yīng)用服務(wù)和承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照其獨(dú)立的方向發(fā)展，加快了技術(shù)發(fā)展的速度。



　　TCP傳輸控制協(xié)議：提供面向連接的可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，在數(shù)據(jù)傳輸之前需要建立連接。TCP用來承載需要可靠數(shù)據(jù)鏈路(如X.25)的GTP PDU。TCP提供流量控制的功能。



　　UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議：提供非面向連接的，不可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，在數(shù)據(jù)傳輸之前不需要先建立連接，傳輸數(shù)據(jù)的可靠性需要上層應(yīng)用軟件來保證。UDP用來承載不需要可靠數(shù)據(jù)鏈路（如IP）的GTP PDU。UDP不提供流量控制的功能。



　　GTP即GPRS隧道協(xié)議：由SGSN和GGSN組成的GPRS骨干網(wǎng)是一個(gè)純粹的IP網(wǎng)；GPRS骨干網(wǎng)可以使用與因特網(wǎng)相同的方法構(gòu)建，或在現(xiàn)有IP網(wǎng)上通過VPN來構(gòu)建。GPRS骨干網(wǎng)中，GTP可以傳用戶分組數(shù)據(jù)；可以傳有關(guān)隧道建立、維護(hù)、釋放的隧道管理信息；可以傳有關(guān)回應(yīng)請(qǐng)求、回應(yīng)相應(yīng)、版本不支持的路經(jīng)管理信息，這些GTP信令消息是依靠每個(gè)消息都有一個(gè)序列號(hào)、每個(gè)請(qǐng)求消息都對(duì)應(yīng)有響應(yīng)消息以及相關(guān)Timer來保證傳輸?shù)目煽啃�。GTP允許多種協(xié)議包如IP包或X.25包等在GSN組件間用隧道方式穿過。由于每個(gè)用戶同時(shí)只能有一個(gè)管道，所以用于區(qū)分不同GTP的TID必須用區(qū)分不同用戶的IMSI和區(qū)分不同應(yīng)用的NSAPI一起加以區(qū)分。在現(xiàn)有的IP網(wǎng)上通過VPN來構(gòu)建GPRS的骨干網(wǎng)可以保證來自網(wǎng)外的IP報(bào)文不在骨干網(wǎng)內(nèi)路由，增加了系統(tǒng)的隱蔽性和報(bào)文的保密性；因?yàn)樗淼揽梢苑庋b任意數(shù)據(jù)，這樣就可實(shí)現(xiàn)GPRS骨干網(wǎng)與多種外部數(shù)據(jù)網(wǎng)互通。在GPRS骨干網(wǎng)中，GTP依靠下層的UDP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，端口號(hào)為3386，使用GTP協(xié)議的接口有同一PLMN內(nèi)部GSN節(jié)點(diǎn)間的Gn接口和不同PLMN之間GSN節(jié)點(diǎn)間的Gp接口，還有GSN和計(jì)費(fèi)網(wǎng)管CG之間的Ga接口。



四、GPRS的應(yīng)用情況和演進(jìn)路線



　　作為2.5G的GPRS網(wǎng)絡(luò)的下載傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所期望的速率，GPRS理論上可以達(dá)到的最大速率為171.2Kbps，但這是在全部采用CS-4編碼方式且MS有8個(gè)時(shí)隙同時(shí)接受情況下得到的，在實(shí)際應(yīng)用中這是不可能實(shí)現(xiàn)的。一方面是由于目前移動(dòng)終端不支持占用太多的時(shí)隙（目前中國(guó)國(guó)內(nèi)的GPRS手機(jī)一般支持3個(gè)下行時(shí)隙），另外盡管GPRS引入了4種Coding Schedeme 的編碼方案，但對(duì)于CS-4碼率將近1：1，幾乎沒有用于檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的容余信息，即沒有糾錯(cuò)能力，這對(duì)于無線傳輸來說是不可能做到的，所以目前實(shí)際使用的速率一般為20Kbps左右,在無線環(huán)境比較差和網(wǎng)絡(luò)繁忙的情況下有時(shí)還比不上通過固定電話撥號(hào)的速率。GPRS空中接口的調(diào)制技術(shù)也比較落后，仍為GMSK方式，等等。所有這些因素從技術(shù)的角度就制約了GPRS的發(fā)展。



　　3GPP進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的WCDMA、TD-SCDMA是GPRS的演進(jìn)方向。WCDMA、TD-SCDMA就無線接口和無線接入網(wǎng)來講，是全新的。無線接入網(wǎng)將采用基于ATM或IP的傳輸技術(shù)，代替目前基于幀中繼的傳輸技術(shù)；無線接口采用WCDMA、TD-SCDMA，代替目前單一的TDMA技術(shù)，也就是說Um接口將發(fā)生"革命"性的變化，所有承載平面將有WCDMA或TD- SCDMA的協(xié)議棧來代替，而網(wǎng)絡(luò)層及其上層應(yīng)用并不發(fā)生變化。同時(shí)為了適應(yīng)更高速率的要求，Gb接口將引入技術(shù)更加先進(jìn)的，速度更快的ATM或IP傳輸技術(shù)來取代目前的FR技術(shù)。同時(shí)數(shù)據(jù)核心網(wǎng)是基本不變的�？梢钥闯鲈诰W(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的過程中，協(xié)議棧的基本結(jié)構(gòu)和功能是不變的，只是在各種接口的每個(gè)協(xié)議層次上引入了更加先進(jìn)的技術(shù)，功能得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)，效率得到了進(jìn)一步的提到。



　　3GPP2標(biāo)準(zhǔn)化的cdma2000-1x，相對(duì)于IS-95無線接口和無線接入網(wǎng)都是"演進(jìn)"式的。3GPP2制定的CDMA1X Release 0與3GPP的R99類似，實(shí)現(xiàn)了電路和分組業(yè)務(wù)的分離，引入了PCF（分組控制功能）和PDSN（分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)）等新的網(wǎng)元和相應(yīng)的接口，無線側(cè)采用CDMA2000-1X技術(shù)，與IS-95是兼容的，因?yàn)樗鼈兌际腔�于CDMA的技術(shù)。



　　從目前全球電信運(yùn)營(yíng)商的情況來看，CDMA1X的發(fā)展速度很快。這不僅取決于該技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)比較成熟，而且在更大程度上取決于CDMA1X后向兼容IS-95，可在IS-95網(wǎng)絡(luò)上平滑升級(jí)，既節(jié)約了投資，又保護(hù)了用戶的利益。而WCDMA商用化推遲的原因不僅取決于這種技術(shù)比較復(fù)雜，更大程度上取決于無線側(cè)不能與GSM和GPRS兼容。既要投入大筆的資金用于網(wǎng)絡(luò)改造，又要引入雙模手機(jī)來實(shí)現(xiàn)與2G網(wǎng)絡(luò)的切換。



五、結(jié)束語



　　由此可見深刻理解GPRS協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)于理解GPRS向3G演進(jìn)的實(shí)質(zhì)，以及演進(jìn)過程中發(fā)生變化的接口和協(xié)議層，同時(shí)對(duì)于理解CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的功能單元和協(xié)議層都是很有幫助的。




----《中國(guó)移動(dòng)通信》