GPRS系統基礎知識

1．概述
    GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱。GPRS是GSM Phase2.1規範實現的內容之一，能提供比現有GSM網9.6kbit/s更高的數據率。GPRS採用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突髮結構、無線調製標準、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構。因此，在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時，GSM系統中的絕大部分部件都不需要作硬體改動，只需作軟體升級。
構成GPRS系統的方法是：
(1) 在GSM系統中引入3個主要組件

•  GPRS服務支持結點(SGSN, Serving GPRS Supporting Node)
•  GPRS網關支持結點(GGSN, Gateway GPRS Support Node)
•  分組控制單元(PCU)

(2) 對GSM的相關部件進行軟體升級
GPRS系統原理如圖1.1所示圖。
 
圖1.1 GPRS系統原理圖
    ETSI指定了GSM900、1800和1900三個工作頻段用於GSM，其中GSM900頻段還有G1(E-GSM)頻段和P頻段。相應地，GPRS也工作於這三個頻段，包括GSM900的G1頻段和P頻段，當然，GPRS可以限制每個小區只工作於P頻段。如表1.1所示了GSM和GPRS的工作頻段。

    現有的GSM移動台(MS)，不能直接在GPRS中使用，需要按GPRS標準進行改造(包括硬體和軟體)才可以用於GPRS系統。GPRS定義了3類MS：

•  A類可同時工作於GPRS和GSM；
•  B類可在GPRS和GSM之間自動切換工作；
•  C類可在GPRS和GSM之間人工切換工作。

GPRS被認為是2G向3G演進的重要一步，不僅被GSM支持，同時也被北美的IS-136支持。

1.2 GPRS的主要特點

1.  GPRS採用分組交換技術，高效傳輸高速或低速數據和信令，優化了對網路資源和無線資源的利用。
2.  定義了新的GPRS無線通道，且分配方式十分靈活：每個TDMA幀可分配1到8個無線介面時隙。時隙能為活動用戶所共享，且向上鏈路和向下鏈路的分配是獨立的。
3.  支持中、高速率數據傳輸，可提供9.05 ---171.2kbit/s的數據傳輸速率(每用戶)。GPRS採用了與GSM不同的通道編碼方案，定義了CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四種編碼方案。
4.  GPRS網路接入速度快，提供了與現有數據網的無縫連接。
5.  GPRS支持基於標準數據通信協議的應用，可以和IP網、X.25網互聯互通。支持特定的點到點和點到多點服務，以實現一些特殊應用如遠程信息處理。GPRS也允許短消息業務(SMS)經GPRS無線通道傳輸。
6.  GPRS的設計使得它既能支持間歇的爆髮式數據傳輸，又能支持偶爾的大量數據的傳輸。它支持四種不同的QoS級別。GPRS能在0.5 ---1秒之內恢複數據的重新傳輸。GPRS的計費一般以數據傳輸量為依據。
7.  在GSM PLMN中，GPRS引入兩個新的網路節點：一個是GPRS服務支持節點(SGSN)，它和MSC在同一等級水平，並跟蹤單個MS的存儲單元，實現安全功能和接入控制。節點SGSN通過幀中繼連接到基站系統。另一個是GPRS網關支持節點GGSN，GGSN支持與外部分組交換網的互通，並經由基於IP的GPRS骨幹網和SGSN連通。
8.  GPRS的安全功能同現有的GSM安全功能一樣。身份認證和加密功能由SGSN來執行。其中的密碼設置程序的演算法、密鑰和標準與目前GSM中的一樣，不過GPRS使用的密碼演算法是專為分組數據傳輸所優化過的。GPRS移動設備(ME)可通過SIM訪問GPRS業務，不管這個SIM是否具備GPRS功能。
9.  蜂窩選擇可由一個MS自動進行，或者基站系統指示MS選擇某一特定的蜂窩。MS在重選擇另一個蜂窩或蜂窩組(即一個路由區)時會通知網路。
10.  為了訪問GPRS業務，MS會首先執行GPRS接入過程，以將它的存在告知網路。在MS和SGSN之間建立一個邏輯鏈路，使得MS可進行如下操作：接收基於GPRS的的SMS服務、經由SGSN的尋呼、GPRS數據到來通知。
11.  為了收發GPRS數據，MS會激活它所想用的分組數據地址。這個操作使MS可被相應的GGGSN所識別，從而能開始與外部數據網路的互通。
12.  用戶數據在MS和外部數據網路之間透明地傳輸，它使用的方法是封裝和隧道技術：數據包用特定的GPRS協議信息打包並在MS和GGSN之間傳輸。這種透明的傳輸方法縮減了GPRS PLMN對外部數據協議解釋的需求，而且易於在將來引入新的互通協議。用戶數據能夠壓縮，並有重傳協議保護，因此數據傳輸高效且可靠。
13.  GPRS可以實現基於數據流量、業務類型及服務質量等級(QoS)的計費功能，計費方式更加合理，用戶使用更加方便。
14.  GPRS的核心網路層採用IP技術，底層款可使用多種傳輸技術，很方便地實現與高速發展的IP網無縫連接。

1.3 GPRS的業務
    GPRS是一組新的GSM承載業務，是以分組模式在PLMN和與外部網路互通的內部網上傳輸。在有GPRS承載業務支持的標準化網路協議的基礎上，GPRS網路管理可以提供(或支持)一系列的互動式電信業務。

1. 承載業務
支持在用戶與網路接入點之間的數據傳輸的性能。提供點對點業務、點對多點業務兩種承載業務。
a. 點對點業務(PTP)
點對點業務在兩個用戶之間提供一個或多個分組的傳輸。由業務請求者啟動，被接收者接收。包括兩種點到點業務：
b. 點對多點業務(PTM)
點對多點業務是將單一信息傳送到多個用戶。GPRS PTM業務能夠提供一個用戶將數據發送給具有單一業務需求的多個用戶的能力。包括有三種PTM業務：

•  點對多點廣播(PTM-M)業務---是將信息發送給當前位於某一地區的所有用戶的業務。
•  點對多點群呼(PTM-G)業務---是將信息發送給當前位於某一區域的特定用戶子群的業務。
•  IP多點傳播(IP-M)業務---是定義為IP協議序列一部分的業務。

2. 用戶終端業務
GPRS支持電信業務，提供完全的通信業務能力，包括終端設備能力。用戶終端業務可以分為基於PTP的用戶終端業務和基於PTM的用戶終端業務。如表1-1所示。 

3. 附加業務
GSM第2階段附加業務支持所有的GPRS基本業務PTP-CONS、PTP-CLNS、IP-M和PTM-G的CFU(無條件呼叫轉送)。GSM第2階段附加業務不適用於PTM-M。如表1-2所示。

1.4 GPRS業務的具體應用
GPRS業務主要有以下應用。
(1) 信息業務
傳送給行動電話用戶的信息內容廣泛，如股票價格、體育新聞、天氣預報、航班信息、新聞標題、娛樂、交通信息等等。
(2) 交談
人們更加喜歡直接進行交談，而不是通過枯燥的數據進行交流。目前網際網路聊天組是網際網路上非常流行的應用。有共同興趣和愛好的人們已經開始使用非話音移動業務進行交談和討論。由於GPRS與網際網路的協同作用，GPRS將允許移動用戶完全參與到現有的網際網路聊天組中，而不需要建立屬於移動用戶自己的討論組。因此，GPRS在這方面具有很大的優勢。
(3) 網頁瀏覽
移動用戶使用電路交換數據進行網頁瀏覽無法獲得持久的應用。由於電路交換傳輸速率比較低，因此數據從網際網路伺服器到瀏覽器需要很長的一段時間。因此GPRS更適合於網際網路瀏覽。
(4) 文件共享及協同性工作
移動數據使文件共享和遠程協同性工作變得更加便利。這就可以使在不同地方工作的人們可以同時使用相同的文件工作。
(5) 分派工作
非話音移動業務能夠用來給外出的員工分派新的任務並與他們保持聯繫。同時業務工程師或銷售人員還可以利用它使總部及時了解用戶需求的完成情況。
(6) 企業E-mail
在一些企業中，往往由於工作的緣故需要大量員工離開自己的辦公桌，因此通過擴展員工辦公室里的PC上的企業E-mail系統使員工與辦公室保持聯繫就非常重要。GPRS能力的擴展，可使移動終端接轉PC機上的E-mail，擴大企業E-mail應用範圍。
(7) 網際網路E-mail
網際網路E-mail可以轉變成為一種信息不能存儲的網關業務，或能夠存儲信息的信箱業務。在網關管業務的情況下，無線mail平台將信息從SMTP轉化成SMS，然後發送到SMS中心。
(8) 交通工具定位
該應用綜合了無線定位系統，該系統告訴人們所處的位置，並且利用短消息業務轉告其他人其所處的位置。任何一個具有GPS接收器的人都可以接收他們的衛星定位信息以確定他們的位置。且對被盜車輛進行跟蹤等功能。
(9) 靜態圖像
例如照片、圖片、明信片、賀卡和演講稿等靜態圖像能在移動網路上發送和接收。使用GPRS可以將圖像從與一個GPRS無線設備相連接的數字相機直接傳送到網際網路站點或其他接收設備，並且可以實時列印。
(10) 遠程區域網接入
當員工離開辦公桌外出工作時，他們需要與自己辦公室的區域網保持連接。遠程區域網包括所有應用的接入。
(11) 文件傳送
文件傳送業務包括從移動網路下載量比較大的數據的所有形式。

1.5 GPRS的優勢及存在問題
1. GPRS的技術優勢

• 　　 資源利用率高
  GPRS引入了分組交換的傳輸模式，使得原來採用電路交換模式的GSM傳輸數據方式發生了根本性的變化，這在無線資源稀缺的情況下顯得尤為重要。按電路交換模式來說，在整個連接期內，用戶無論是否傳送數據都將獨自佔有無線通道。而對於分組交換模式，用戶只有在發送或接收數據期間才佔用資源，這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線通道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶的計費以通信的數據量為主要依據，體現了"得到多少、支付多少"的原則。實際上，GPRS用戶的連接時間可能長達數小時，卻只需支付相對低廉的連接費用。
• 　　 傳輸速率高
  GPRS可提供高達115kbit/s的傳輸速率（最高值為171.2kbit/s，不包括FEC）。這意味著通過攜帶型電腦，GPRS用戶能和ISDN用戶一樣快速地上網瀏覽，同時也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體應用成為可能。
• 　　 接入時間短
  分組交換接入時間縮短為少於1秒，能提供快速即時的連接，可大幅度提高一些事務（如信用卡核對、遠程監控等）的效率，並可使已有的Internet應用（如E-mail、網頁瀏覽等）操作更加便捷、流暢。
• 　　 支持IP協議和X.25協議
  GPRS支持網際網路上應用最廣泛的IP協議和X.25協議。而且由於GSM網路覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其它分組網路的全球性無線接入。

2. 存在的問題

•       GPRS會發生包丟失現象
  由於分組交換連接比電路交換連接要差一些，因此，使用GPRS會發生一些包丟失現象。而且，由於話音和GPRS業務無法同時使用相同的網路資源，因此，用於專門提供GPRS使用的時隙數量越多，能夠提供給話音通信的網路資源就越少。對用戶來說其容量有限GPRS確實對網路現有的小區容量產生影響，對於不同的用途而言只有有限的無線資源可供使用。例如，話音和GPRS呼叫都使用相同的網路資源，這勢必會相互產生一些干擾。其對業務影響的程度主要取決於時隙的數量。當然，GPRS可以對通道採取動態管理，並且能夠通過在GPRS通道上發送簡訊息來減少高峰時的信令通道數。
•      實際速率比理論值低
  GPRS數據傳輸速率要達到理論上的最大值172.2kbps，就必須只有一個用戶佔用所有的8個時隙，並且沒有任何防錯保護。運營商將所有的8個時隙都給一個用戶使用顯然是不太可能的。另外，最初的GPRS終端預計可能僅支持1個、2個或3個時隙，一個GPRS用戶的帶寬因此將會受到嚴重的限制，所以，理論上的GPRS最大速率將會受到網路和終端現實條件的制約。
•      終端不支持無線終止功能
  目前還沒有任何一家主要手機製造廠家宣稱其GPRS終端支持無線終止接收來電的功能，這將是對GPRS市場是否可以成功地從其他非語音服務市場搶奪用戶的核心問題。
  啟用GPRS服務時，用戶將根據服務內容的流量支付費用，GPRS終端會裝載WAP瀏覽器。但是，未經授權的內容也會發送給終端用戶，更糟糕的是用戶要為這些垃圾內容付費。
•      調製方式不是最優
  GPRS採用基於GMSK（Gaussian Minimum-Shift Keying）的調製技術，相比之下， EDGE基於一種新的調製方法8PSK（eight-phase-shift keying），它允許無線介面支持更高的速率。8PSK也用於UMTS。網路營運商如果想過渡到第三代，必須在某一階段改用新的調製方式。
•      存在轉接時延
  GPRS分組通過不同的方向發送數據，最終達到相同的目的地，那麼數據在通過無線鏈路傳輸的過程中就可能發生一個或幾個分組丟失或出錯的情況。

1.6 GPRS標準和業務的發展
1. ETSI的標準制訂工作
歐洲最早是在1993年就提出了在GSM網上開通GPRS業務，1997年GPRS的標準化工作取得重大進展，10月份ETSI發布了GSM02.60 GPRS Phase1業務描述。1999年底完成GPRS Phase2的工作。GPRS的標準分3個階段，這3個階段分別制訂了18個新的標準並對幾十個現有標準進行修訂，以實現GPRS。表1-3列出了這3個階段。

按照ETSI的設想，GPRS應首先實現：

•  PTP業務
•  PTP TCP/IP的用戶互通
•  從MS至GGSN的X.28協議，GGSN至外部PDN的X.25協議
•  Gn、Gb、Gr、Gp、Gs、Gi介面
•  對PTP和漫遊的安全保障
•  計費
•  運營者決定的呼叫閉鎖和呼叫終止，運營者呼叫過濾
•  為PTM無線介面作準備工作
•  匿名接入
•  通過GPRS支持SMS-MO和-MT

2. 我國GPRS標準化工作的進展概況
    我國從1996年開始跟蹤研究GPRS的相關標準。著重組織開展了一系列GPRS相關標準研究工作。於2000年4月，已經完成了"900/1800MHz TDMA數字蜂窩移動通信網GPRS隧道協議(GTP)規範"，由信息產業部電信傳輸所提出了"GPRS業務研究"的前期的預研成果。從1998年開始，我國運營者開始醞釀在國內興建GPRS的試驗網路工作，標準化的工作就顯得極為迫切了。在2000年內和2001年上半年，已頒布以下900/1800MHz TDMA蜂窩移動通信網通用分組無線業務相關的系列標準。

•  介面規範
   基站子系統與SGSN介面規範
   無線介面規範
•  設備規範
   交換子系統設備規範
   基站子系統設備規範
   移動台的技術要求
•  測試規範
   隧道協議(GTP)規範
   基站子系統與SGSN間介面測試規範
   交換子系統設備測試規範
   基站子系統設備測試規範
   移動台的測試規範

由於GPRS的相關標準的研究工作在ETSI SMG以及3GPP等組織中仍然處於不斷的更改和制訂過程中，在我國標準研究和設備開發工作中都存在著不斷調整和解決不同版本之間兼容性的問題。

3. GPRS的發展動向
GPRS是GSM向3G邁進的一個重要步驟，根據ETSI對GPRS發展的建議，GPRS從試驗到投入商用后，分為兩個發展階段，第一階段可以向用戶提供電子郵件、網際網路瀏覽等數據業務；第二階段是EDGE的GPRS，簡稱E-GPRS。
從移動通信市場的走勢來看，國外移動通信運營商已開始涉及多媒體服務的領域，使用戶可以用手機在股票市場上進行交易，辦理銀行轉賬業務等。目前全世界已有近百個運營商開通了GPRS商用系統、試商用系統或實驗系統。較為著名的有英國的BTCellNET、德國的T-Mobile等地的運營商。
2000年12月21日，中國移動通信集團公司在京宣布：正式啟動稱為"移動夢網" 的GPRS網路建設。2001年6月，中國移動GPRS一期工程已完成，2001年10月正式投入商用。