GPRS 快速指南

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GPRS - 概述

通用分组无线业务（也称为GPRS）是迈向互联网访问的第三代技术。GPRS 也被称为 GSM-IP，即全球移动通信系统互联网协议，因为它使系统用户保持在线状态，允许拨打电话，并随时随地访问互联网。即使是时分多址 (TDMA) 用户也可以从该系统中受益，因为它提供分组无线电接入。

GPRS 还允许网络运营商为集成语音和数据应用执行基于互联网协议 (IP) 的核心架构，该架构将继续用于 3G 服务并得到扩展。

GPRS 取代了有线连接，因为它简化了对互联网等分组数据网络的访问。GPRS 采用分组无线电原理，以结构化的方式在 GSM 移动台和外部分组数据网络之间传输用户数据分组。这些分组可以直接从 GPRS 移动台路由到分组交换网络。

在当前版本的 GPRS 中，支持基于互联网协议 (IP) 的网络，例如全球互联网或私有/公司内部网和 X.25 网络。

谁拥有 GPRS？

GPRS 规范由欧洲电信标准协会 (ETSI) 编写，它是美国国家标准协会 (ANSI) 的欧洲对应机构。

主要特点

以下三个主要特点描述了无线分组数据

• 始终在线功能 - 消除了拨号过程，使应用程序只需单击一下即可使用。

• 对现有系统的升级 - 运营商无需更换设备；GPRS 是在现有基础设施之上添加的。

• 未来 3G 系统的组成部分 - GPRS 是 3G 系统 EDGE 和 WCDMA 的分组数据核心网络。

GPRS 的目标

GPRS 是迈向端到端无线基础设施的第一步，其目标如下：

• 开放式架构
• 一致的 IP 服务
• 不同空中接口使用相同的基础设施
• 集成的电话和互联网基础设施
• 利用行业对 IP 的投资
• 独立于基础设施的服务创新

GPRS 的优势

更高的数据速率

GPRS 以多种方式使用户受益，其中之一是更高的数据速率，从而缩短了访问时间。在典型的 GSM 手机中，仅设置就是一个漫长的过程，同样，数据许可的速率也限制在 9.6 kbit/s。GPRS 实施时提供的会话建立时间小于一秒，ISDN 线路数据速率高达许多 10 kbit/s。

简单的计费

GPRS 分组传输提供的计费方式比电路交换服务提供的计费方式更友好。在电路交换服务中，计费基于连接的持续时间。这对于具有突发流量的应用程序不适用。即使在没有发送分组的空闲期间（例如，用户阅读网页时），用户也必须支付全部通话时间。

与此相反，对于分组交换服务，计费可以基于传输的数据量。对用户的优势在于，他或她可以长时间“在线”，但将根据传输的数据量付费。

GPRS - 应用

GPRS 为移动无线用户开放了一系列独特的服务。一些特性为用户打开了充满增值服务的市场。以下是其中一些特性：

• 移动性 - 在移动过程中保持持续的语音和数据通信的能力。

• 即时性 - 允许用户根据需要获得连接，无论位置如何，无需冗长的登录会话。

• 本地化 - 允许用户获取与其当前位置相关的信息。

使用上述三个特性，正在开发各种可能的应用程序以提供给移动用户。这些应用程序通常可以分为两大类：

• 企业
• 消费者

这两个级别进一步包括：

• 通信 - 电子邮件、传真、统一消息和内部网/互联网访问等。

• 增值服务 - 信息服务和游戏等。

• 电子商务 - 零售、购票、银行和金融交易等。

• 基于位置的应用 - 导航、交通状况、航空/铁路时刻表和位置查找器等。

• 垂直应用 - 货运、车队管理和销售队伍自动化。

• 广告 - 广告可能是位置敏感的。例如，用户进入商场时，可以接收特定于该商场商店的广告。

除了上述应用外，GPRS 还支持 SMS、MMS 和语音呼叫等非语音服务。封闭用户组 (CUG) 是 GPRS 上市后常用的术语，此外，还计划实施补充服务，例如无条件呼叫转移 (CFU) 和移动用户无法接通时的呼叫转移 (CFNRc) 以及封闭用户组 (CUG)。

GPRS - 架构

GPRS 架构的工作过程与 GSM 网络相同，但增加了允许分组数据传输的实体。此数据网络与第二代 GSM 网络重叠，提供 9.6 至 171 kbps 的分组数据传输速率。除了分组数据传输外，GSM 网络还允许多个用户同时共享相同的空中接口资源。

以下是 GPRS 架构图（此处应插入图表）

GPRS 尝试尽可能重用现有的 GSM 网络元素，但要有效地构建基于分组的移动蜂窝网络，需要一些新的网络元素、接口和用于处理分组流量的协议。

因此，GPRS 需要对许多 GSM 网络元素进行修改，总结如下：

GPRS 移动台

需要新的移动台 (MS) 来使用 GPRS 服务，因为现有的 GSM 手机无法处理增强的空中接口或分组数据。可以存在各种 MS，包括当前手机的高速版本以支持高速数据访问、具有嵌入式 GSM 手机的新型 PDA 设备以及用于笔记本电脑的 PC 卡。这些移动台向后兼容，可以使用 GSM 拨打电话。

GPRS 基站子系统

每个 BSC 都需要安装一个或多个分组控制单元 (PCU) 并进行软件升级。PCU 为基站子系统 (BSS) 提供用于分组数据流量的物理和逻辑数据接口。BTS 也可能需要软件升级，但通常不需要硬件增强。

当用户移动设备发起语音或数据流量时，它会通过空中接口传输到 BTS，然后从 BTS 传输到 BSC，方式与标准 GSM 呼叫相同。但是，在 BSC 的输出端，流量被分离；语音按照标准 GSM 发送到移动交换中心 (MSC)，数据通过 PCU 通过帧中继接口发送到称为 SGSN 的新设备。

GPRS 支持节点

增加了两个新的组件，称为网关 GPRS 支持节点 (GSN) 和服务 GPRS 支持节点 (SGSN)

网关 GPRS 支持节点 (GGSN)

网关 GPRS 支持节点充当外部网络的接口和路由器。它包含 GPRS 移动设备的路由信息，该信息用于通过基于 IP 的内部骨干网将分组隧道到正确的服务 GPRS 支持节点。GGSN 还收集与使用外部数据网络相关的计费信息，并可以充当传入流量的分组过滤器。

服务 GPRS 支持节点 (SGSN)

服务 GPRS 支持节点负责 GPRS 移动设备的身份验证、移动设备在网络中的注册、移动性管理以及收集关于使用空中接口的计费信息。

内部骨干网

内部骨干网是一个基于 IP 的网络，用于在不同的 GSN 之间传输分组。SGSN 和 GGSN 之间使用隧道技术，因此内部骨干网不需要关于 GPRS 网络外部域的任何信息。从 GSN 到 MSC、HLR 或 EIR 的信令使用 SS7 完成。

路由区

GPRS 引入了路由区的概念。此概念类似于 GSM 中的位置区，只是它通常包含较少的单元。因为路由区小于位置区，所以在广播寻呼消息时使用的无线电资源更少。

GPRS - 协议栈

下图显示了 GPRS 协议栈和从 MS 到 GGSN 的端到端消息的流程。GTP 是使用 Gn 接口在 SGSN 和 GGSN 之间使用的协议。这是一个第 3 层隧道协议。（此处应插入图表）

对于网络内部和外部的用户来说，应用程序中发生的进程看起来像一个普通的 IP 子网。需要注意的关键是，应用程序通过标准 IP 通信，该 IP 通过 GPRS 网络传输，然后通过网关 GPRS 传输出去。在 GGSN 和 SGSN 之间移动的分组使用 GPRS 隧道协议，这样位于 GPRS 网络外部的 IP 地址就不必处理内部骨干网。UDP 和 IP 由 GTP 运行。

SGSN和MS之间使用子网依赖收敛协议 (SNDCP) 和逻辑链路控制 (LLC) 的组合。SNDCP 将数据扁平化以减轻无线信道的负载。LLC 通过加密数据包提供安全的逻辑链路，并且只要移动设备处于单个 SGSN 下，就使用相同的 LLC 链路。

如果移动设备移动到位于不同 SGSN 下的新路由区；则删除旧的 LLC 链路并与新的服务 GSN X.25 建立新的链路。通过在内部骨干网上运行 X.25 来提供服务。

GPRS - 服务质量

传统移动分组数据应用程序的服务质量 (QoS) 要求形式多样。QoS 是 GPRS 服务的重要特性，因为各种 GPRS 应用程序（如实时多媒体、网页浏览和电子邮件传输）对 QoS 支持的要求各不相同。

GPRS 允许使用以下参数定义 QoS 配置文件：

• 服务优先级
• 可靠性
• 延迟和
• 吞吐量

这些参数将在下面描述。

服务优先级

与其他服务相比，给予服务的偏好称为服务优先级。此优先级分为三个级别：

• 高
• 普通
• 低

当网络拥塞时，与高优先级或普通优先级数据包相比，低优先级数据包将被丢弃。

可靠性

此参数表示应用程序所需的传输特性。定义了可靠性类别，这些类别保证了数据包丢失、重复、错序和损坏概率的某些最大值。

延迟

延迟定义为两个通信移动站之间或移动站与外部分组数据网络的 GI 接口之间的端到端传输时间。

这包括 GPRS 网络中的所有延迟，例如，请求和分配无线资源的延迟以及 GPRS 骨干网络中的传输延迟。不考虑 GPRS 网络外部（例如，在外部传输网络中）的传输延迟。

吞吐量

吞吐量指定最大/峰值比特率和平均比特率。

使用这些 QoS 类别，可以在移动用户和网络之间为每个会话协商 QoS 配置文件，具体取决于 QoS 需求和可用资源。

然后根据传输的数据量、服务类型和选择的 QoS 配置文件对服务进行计费。

GPRS - 移动台等级

移动站类别是指全球通用的设备手机，也称为移动站 (MS) 及其三个不同的类别。这种设备，更普遍称为手机，用于拨打电话和访问数据服务。MS 包括终端设备 (TE) 和移动终端 (MT)。

TE 是容纳应用程序和用户交互的设备，而 MT 是连接到网络的部分。

在以下示例中，Palm Pilot 是 TE，手机是 MT。

为了利用新的 GPRS 服务，我们需要新的支持 GPRS 的手机。有三种不同的 GPRS 终端设备类别：

A 类

A 类终端可以同时管理分组数据和语音。这意味着需要两个收发器，因为手机必须同时发送或接收数据和语音。这是 A 类终端比 B 类和 C 类终端制造成本高的主要原因。

B 类

B 类终端的作用与 A 类不同。这些终端一次只能管理分组数据或语音。可以使用单个收发器同时处理两者，从而降低终端成本。

例如，如果用户正在使用 GPRS 会话（如 WAP 浏览、文件传输等），则如果他或她接听电话，则此会话将被暂停。此终端不允许同时激活两个会话。此积压需要纠正，从而为用户提供同时接听电话和维护数据会话的功能。

C 类

C 类终端只能管理分组数据或语音。C 类终端的示例包括 GPRS PCM/CIA 卡、自动售货机中的嵌入式模块等等。

由于 A 类手机成本高昂，大多数手机制造商都宣布他们的第一款手机将是 B 类。目前，3GPP 正在努力标准化轻量级 A 类，以便以合理的成本提供同时具备语音和数据功能的手机。

GPRS - PDP 上下文

PDP 代表分组数据协议。PDP 地址是网络层地址（开放式系统互连 [OSI] 模型第 3 层）。GPRS 系统支持 X.25 和 IP 网络层协议。因此，PDP 地址可以是 X.25、IP 或两者兼有。

每个 PDP 地址都固定在一个网关 GPRS 支持节点 (GGSN) 上，如下图所示。从公共分组数据网络发送到 PDP 地址的所有分组数据流量都通过网关 (GGSN)。

公共分组数据网络只关心该地址属于特定的 GGSN。GGSN 将站点的移动性隐藏在其余的分组数据网络和连接到公共分组数据网络的计算机之外。

静态分配的 PDP 地址通常固定在用户的归属网络中的 GGSN 上。相反，动态分配的 PDP 地址可以固定在用户的归属网络或用户正在访问的网络中。

当 MS 已连接到 SGSN 并即将传输数据时，它必须激活 PDP 地址。激活 PDP 地址会在移动设备的当前 SGSN 与固定 PDP 地址的 GGSN 之间建立关联。

SGSN 和 GGSN 关于此关联保存的记录称为 PDP 上下文。

了解 MS 连接到 SGSN 和 MS 激活 PDP 地址之间的区别非常重要。单个 MS 只连接到一个 SGSN，但是它可能同时拥有多个 PDP 地址。

每个地址都可能固定到不同的 GGSN。如果来自公共分组数据网络的数据包到达 GGSN 的特定 PDP 地址，并且 GGSN 没有与该地址相对应的活动 PDP 上下文，则它可能会简单地丢弃这些数据包。相反，如果该地址静态分配给特定移动设备，则 GGSN 可能会尝试与 MS 激活 PDP 上下文。

GPRS - 数据路由

数据路由或移动用户之间的数据包路由是 GPRS 网络中的关键要求之一。此要求可分为两个方面：

• 数据包路由
• 移动性管理。

数据包路由

GGSN 的重要作用包括与外部数据网络的协同作用。GGSN 使用 SGSN 提供的关于 MS 位置的路由信息来更新位置目录。它将封装在 GPRS 骨干网上的外部数据网络协议数据包路由到当前为 MS 提供服务的 SGSN。它还解封装并将外部数据网络数据包转发到相应的数据网络，并收集转发到计费网关 (CG) 的计费数据。

有三种重要的路由方案：

• 移动端发起的报文 - 此路径从 GPRS 移动设备开始，到主机结束。

• 当 MS 位于其归属网络时，网络发起的报文 - 此路径从主机开始，到 GPRS 移动设备结束。

• 当 MS 漫游到另一个 GPRS 网络时，网络发起的报文 - 此路径从被访问网络的主机开始，到 GPRS 移动设备结束。

GPRS 网络将其所有数据网络协议封装到其自己的封装协议中，称为 GPRS 隧道协议 (GTP)。GTP 可确保骨干网络的安全，并简化 GPRS 网络上的路由机制和数据传输。

移动性管理

GPRS 的操作部分独立于 GSM 网络。但是，某些过程与当前的 GSM 功能共享网络元素，以提高效率并充分利用空闲的 GSM 资源（例如未分配的时间段）。

MS 在 GPRS 系统中可以处于以下三种状态之一。三态模型是分组无线电特有的。GSM 使用二态模型，空闲或活动。

活动状态

只有当 MS 处于活动状态时，才会在 MS 和 GPRS 网络之间传输数据。在活动状态下，SGSN 知道 MS 的小区位置。

通过分组寻呼启动向活动 MS 传输数据包，以通知 MS 有传入数据包。数据传输在通过寻呼消息指示的信道进行分组寻呼后立即进行。寻呼消息的目的是简化接收数据包的过程。MS 只收听寻呼消息，而不是收听下行链路信道中的所有数据包。这大大减少了电池使用量。

当 MS 要传输数据包时，它必须访问上行链路信道（即服务所在的链路到分组数据网络的信道）。上行链路信道由多个 MS 共享，其使用由 BSS 分配。MS 在随机接入消息中请求使用该信道。BSS 将未使用的信道分配给 MS，并在回复随机接入消息时发送接入授权消息。

待机状态

在待机状态下，只知道 MS 的路由区。（路由区可以包含 GSM 位置区内的一个或多个小区）。

当 SGSN 向处于待机状态的 MS 发送数据包时，必须对 MS 进行寻呼。由于 SGSN 知道 MS 的路由区，因此寻呼消息将发送到该路由区。接收到分组寻呼消息后，MS 将其小区位置中继到 SGSN 以建立活动状态。

空闲状态

在空闲状态下，MS 没有激活逻辑 GPRS 上下文或分配任何分组交换公共数据网络 (PSPDN) 地址。在这种状态下，MS 只能接收任何 GPRS MS 都可以接收的多播消息。由于 GPRS 网络基础设施不知道 MS 的位置，因此无法从外部数据网络向 MS 发送消息。

路由更新

当处于活动状态或待机状态的 MS 从一个路由区移动到同一个 SGSN 服务区内的另一个路由区时，它必须执行路由更新。SGSN 中的路由区信息将被更新，并且该过程的成功将在响应消息中指示。

当活动 MS 进入新小区时，将调用基于小区的路由更新过程。MS 通过 GPRS 信道向其当前 SGSN 发送包含 MS 标识及其新位置的短消息。此过程仅在 MS 处于活动状态时使用。

SGSN 间路由更新是最复杂的路由更新。MS 从一个 SGSN 区域更改到另一个 SGSN 区域，它必须与新的 SGSN 建立新的连接。这意味着在 MS 和新的 SGSN 之间创建新的逻辑链路上下文，并通知 GGSN MS 的新位置。

GPRS - 接入模式

GPRS 接入模式指定 GGSN 是否在接入公共数据网络 (PDN) 的接入点请求用户身份验证。可用选项包括：

• 透明 - GGSN 不请求安全授权/身份验证。

• 非透明模式 - 在这种情况下，GGSN 充当认证的代理。

GPRS 透明和非透明模式仅与 PDP 类型 IPv4 相关。

透明模式

透明接入是指不参与用户接入授权和认证的 GPRS PLMN。对PDN相关安全程序的访问对GSN来说是透明的。

在透明接入模式下，MS 获得一个属于运营商或任何其他域寻址空间的地址。该地址可以在订阅时作为静态地址分配，也可以在 PDP 上下文激活时作为动态地址分配。动态地址由 GPRS 网络中的动态主机配置协议 (DHCP) 服务器分配。任何用户认证都在 GPRS 网络内完成。不执行 RADIUS 认证；只执行基于 IMSI 的认证（来自手机中的用户身份模块）。

非透明模式

对内联网/ISP 的非透明访问意味着 PLMN 在 MS 的内联网/ISP 认证中扮演着角色。非透明访问使用移动终端发出的密码认证协议 (PAP) 或质询握手认证协议 (CHAP) 消息，并将其附加在 GTP PDP 上下文激活消息中。此消息用于向与接入点名称 (APN) 关联的 RADIUS 服务器构建 RADIUS 请求。

GPRS 接入点名称

GPRS 标准定义了一个名为接入点名称 (APN) 的网络标识。APN 标识 GPRS 网络中 GGSN 节点可访问的 PDN。在 GPRS 中，仅使用 APN 来选择目标网络。要配置 APN，运营商在 GSN 节点上配置三个元素

• 接入点 - 定义 APN 及其相关的接入特性，包括安全 (RADIUS)、动态地址分配 (DHCP) 和 DNS 服务。

• 接入点列表 - 定义与虚拟模板关联的逻辑接口。

• 接入组 - 定义是否允许 PDN 和 MS 之间的访问。

GPRS - 网络流程

本章简要介绍了 GPRS 网络中使用的基本流程

• 接入流程 - MS 连接到 GPRS 网络中 SGSN 的过程。

• 认证流程 - SGSN 认证移动用户的过程。

• PDP 激活流程 - 建立 MS 和目标网络之间用户会话的过程。

• 脱离流程 - MS 从 GPRS 网络中的 SGSN 断开连接的过程。

• 网络发起的针对静态 IP 地址的 PDP 请求 - 使用静态 IP 地址，来自分组数据网络的呼叫到达 MS 的过程。

• 网络发起的针对动态 IP 地址的 PDP 请求 - 使用动态 IP 地址，来自分组数据网络的呼叫到达 MS 的过程。

GPRS -计费技术

随着分组数据被引入移动系统，如何为这些服务计费的问题就出现了。始终在线并按分钟付费听起来并不那么吸引人。在这里，我们描述了各种可能性，但这完全取决于不同的服务提供商，他们如何向客户收费。

SGSN 和 GGSN 注册 GPRS 用户行为的所有可能方面，并据此生成计费信息。这些信息收集在所谓的计费数据记录 (CDR) 中，并交付给计费网关。

GPRS 服务计费可以基于以下参数

• 流量 - 传输的字节数，即下载和上传。

• 时长 - PDP 上下文会话的持续时间。

• 时间 - 日期、时间和星期几（允许在非高峰时段使用较低的资费）。

• 最终目的地 - 可以对用户访问特定网络（例如通过代理服务器）收费。

• 位置 - 用户的当前位置。

• 服务质量 - 为更高的网络优先级支付更多费用。

• 短信 - SGSN 将为短信生成特定的 CDR。

• 已服务 IMSI/用户 - 不同的用户类别（为高频用户、企业或个人用户提供不同的资费）。

• 反向计费 - 接收方用户无需为接收的数据付费；而是由发送方付费。

• 免费 - 指定的数据免费。

• 固定资费 - 固定月费。

• 承载服务 - 基于不同的承载服务收费（对于拥有多个网络（如 GSM900 和 GSM1800）并希望推广其中一个网络使用的运营商）。或者，承载服务可能适用于对运营商来说，从无线局域网而不是 GSM 网络提供服务成本更低的地区。

GPRS - 手机

GPRS 几乎已成为最新 GSM 手机的默认功能或强制功能。如果您计划购买支持 GPRS 的手机，那么应该选择 GSM 手机，而不是 CDMA 技术。

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