张冰涛
张冰涛， 现任广州金鹏集团工程技术中心技术支持部经理兼高级系统工程师。1998年4月毕业于东北大学连轧自动化国家重点实验室，并获工学硕士学位。同年加入金鹏集团有限公司，主要负责GSM、GPRS、CDMA的售前、售后技术支持工作和系统网络优化工作，曾先后负责江西联通GSM/CDMA网络的多期工程建设、网络优化和项目管理工作和金鹏CDMA1X山西太原试验局的设计、工程建设、系统测试和验收工作。目前就读于华中科技大学电子与通信专业工程硕士。
一、移动数据业务的通用承载模型
图一 移动数据业务通用承载模型
GPRS、WCDMA、CDMA2000都属于可漫游移动用户的承载网络，都是在移动用户和远端数据网之间提供数据连接。本文将对作为一种移动数据业务承载网并且基于GSM的GPRS技术从协议栈的角度进行深入剖析。
二、GPRS 的网络结构和网元功能
（1）GPRS的网络拓扑结构
(2) GPRS 各个网元的功能
PCU的功能：该功能实体可以和BSC合设，也可以作为一个单独的网元，其和SGSN之间的Gb接口为规范定义的标准接口，和BSC之间的接口为内部接口。负责处理无线信道的数据业务；无线数据信道的管理和分配，允许多个用户接入同一无线资源；用户数据的压缩、加密和转发；同时还具有功率控制、质量控制和选择信道编码方案的功能，其向GPRS数据核心网络屏蔽使用的无线技术。
图二 GPRS网络结构
SGSN的功能：是GPRS骨干网的重要组成部份，是分组交换的核心部分，通过帧中继和PCU相连。功能类同于GSM系统的MSC/VLR功能，SGSN不仅处理分组交换中的信令传输，同时也进行数据包的处理和传送。面向MS执行移动性管理、安全管理、介入控制和路由选择功能。即记录当前活动在该SGSN区域内的移动数据用户的有关信息，如位置信息，可以对当前用户信息进行修改、删除等；负责数据用户的Attach和Detach、位置更新、寻呼、鉴权、加密等；负责MS和SGSN之间逻辑链路的建立、维护和释放；负责路由的选择和信息的存储转发；产生原始计费数据。
GGSN的功能：GGSN内部维护GPRS骨干网， 外部可以连接多个数据网如Internet、企业网、X.25 网等，是GPRS骨干网和外部数据网的网关；在GPRS数据网中的地位很类同于传统GSM网中的GMSC的地位；负责产生数据业务的原始计费数据。
三、 GPRS 各个接口协议栈的功能
所谓协议栈就是对信息进行多次封装和解封的过程，以便能够在不同的实体间传送信息。
MAC媒体访问控制：MAC定义和分配空中接口的逻辑信道，并控制移动台接入这些共享的逻辑信道；MAC定义的逻辑信道有公共控制信道PCCCH：控制信令；分组广播信道PBCCH：广播系统消息；分组业务信道PTCH：传输分组数据；分组专用控制信道：功率控制、定时等。
图三 GPRS协议栈
RLC无线链路控制： RLC将上层LLC的数据分段和重组以便在逻辑信道上传送；RLC通过选择性重传，向上层提供一个可靠的链路；它根据无线链路的传输能力将1527个字节（LLC帧的最大长度）按CS（coding scheme）切成不同的小块，以便进行卷积、交织等信道编码。
LLC逻辑链路控制：LLC是MS和SGSN之间的协议。基于HDLC无线链路协议，传输能力1520个字节，加上7个开销字节，总共1527个字节；LLC向上层提供一个或多个由SAPI区别的、高度可靠无差错的、加密的逻辑链路（GMM，SM，SNDCP等）；LLC与下层使用的无线接口协议无关，向下隔离无线网；下层GPRS无线接口协议的改变不会影响上层协议和网络子系统；对中断的帧可以进行错误检测和恢复；可以实现一对多点寻址(向多个MS发信息)；传送的信息可以有不同的优先级即顺序控制；流量控制等。LLC实现了下层不同协议的向上统一，是保证向3G平滑过渡的一个关键点。它和SNDCP协议一起类同于CDMA1X网络中MS和PDSN之间的PPP协议的功能。
SNDCP子网聚合协议：将外网的各种协议（IPv4、Ipv6、X.25等）格式统一为一种协议格式；用NSAPI区分不同的应用；移动台和SGSN之间的IP数据包或X.25报文被分割成多个SNDC数据包单元以适应LLC的MTU的大小，数据包单元被放置到LLC帧内；完成数据的分段和重装；对数据进行压缩，以节约空中接口带宽；负责TCP/IP头的压缩；对数据进行加密等。
NS网络服务协议：网络服务协议是基于帧中继网络的，包括网络层和链路层功能；在PCU和SGSN之间传送BSSGP协议的数据单元；PCU和SGSN可能经过多跳帧中继网；在BSS和SGSN之间要建立通过NSVC识别的逻辑帧中继链路，多个用户的LLC-PDU按负荷分担方式复用在这些虚电路上；该层还负责NS-VC的闭锁、解锁、复位、测试等NS-VC管理功能。在PCU和SGSN的数据库中需要定义NSVCI和GBL、DLCI的映射关系。
BSSGP（BSS GPRS应用协议）：提供PCU和SGSN间的无连接链路；承载上层数据信息即LLC信息，在下行方向上向BSS提供RLC/MAC功能实用的无线相关的信息，在上行方向上向SGSN提供从RLC/MAC功能获得的无线相关的信息；承载SGSN和PCU之间的路由信息和QOS信息；支持SGSN和PCU之间信令管理和分组确认；通过BVCI识别小区；通过NSEI识别PCU，所以通过NSEI+BVCI可以唯一地识别每个BSSGP虚连接。
BSSGP的业务模型
图四 BSSGP的业务模型
GMM业务接入点的功能：负责GPRS移动性管理。指示BSS寻呼MS；请求SGSN向BSS发送MS当前的无线接入能力；BSS向SGSN发送有关无线接口的状态信息如链路质量差等；MS的Attach\Detach操作等。
NM网络管理的功能：完成FLUCH操作，当手机从一个小区移动到另一个小区时，SGSN通知BSS删除原BVCI相关数据，并向新的BVCI发送数据；BVC的闭锁、解锁和复位；对每一个BVC实行下行方向的流量控制，BSS向SGSN发送有关流量控制的信息，SGSN控制向BSS的业务流量。
L2协议：可以是以太网、也可以是ATM等。
IP网络互联协议：网络互联协议，主要完成路由功能，用于用户数据和信令的路由。目前采用的是IPv4。IP的开放性使得上层的应用和下层的承载网络没有必然的联系，使得应用服务和承载网络技术按照其独立的方向发展，加快了技术发展的速度。
TCP传输控制协议：提供面向连接的可靠的数据传输链路，在数据传输之前需要建立连接。TCP用来承载需要可靠数据链路(如X.25)的GTP PDU。TCP提供流量控制的功能。
UDP用户数据报协议：提供非面向连接的，不可靠的数据传输链路，在数据传输之前不需要先建立连接，传输数据的可靠性需要上层应用软件来保证。UDP用来承载不需要可靠数据链路（如IP）的GTP PDU。UDP不提供流量控制的功能。
GTP即GPRS隧道协议：由SGSN和GGSN组成的GPRS骨干网是一个纯粹的IP网；GPRS骨干网可以使用与因特网相同的方法构建，或在现有IP网上通过VPN来构建。GPRS骨干网中，GTP可以传用户分组数据；可以传有关隧道建立、维护、释放的隧道管理信息；可以传有关回应请求、回应相应、版本不支持的路经管理信息，这些GTP信令消息是依靠每个消息都有一个序列号、每个请求消息都对应有响应消息以及相关Timer来保证传输的可靠性。GTP允许多种协议包如IP包或X.25包等在GSN组件间用隧道方式穿过。由于每个用户同时只能有一个管道，所以用于区分不同GTP的TID必须用区分不同用户的IMSI和区分不同应用的NSAPI一起加以区分。在现有的IP网上通过VPN来构建GPRS的骨干网可以保证来自网外的IP报文不在骨干网内路由，增加了系统的隐蔽性和报文的保密性；因为隧道可以封装任意数据，这样就可实现GPRS骨干网与多种外部数据网互通。在GPRS骨干网中，GTP依靠下层的UDP/IP协议来实现，端口号为3386，使用GTP协议的接口有同一PLMN内部GSN节点间的Gn接口和不同PLMN之间GSN节点间的Gp接口，还有GSN和计费网管CG之间的Ga接口。
四、GPRS的应用情况和演进路线
作为2.5G的GPRS网络的下载传输速率远远低于所期望的速率，GPRS理论上可以达到的最大速率为171.2Kbps，但这是在全部采用CS-4编码方式且MS有8个时隙同时接受情况下得到的，在实际应用中这是不可能实现的。一方面是由于目前移动终端不支持占用太多的时隙（目前中国国内的GPRS手机一般支持3个下行时隙），另外尽管GPRS引入了4种Coding Schedeme 的编码方案，但对于CS-4码率将近1：1，几乎没有用于检错和纠错的容余信息，即没有纠错能力，这对于无线传输来说是不可能做到的，所以目前实际使用的速率一般为20Kbps左右,在无线环境比较差和网络繁忙的情况下有时还比不上通过固定电话拨号的速率。GPRS空中接口的调制技术也比较落后，仍为GMSK方式，等等。所有这些因素从技术的角度就制约了GPRS的发展。
3GPP进行标准化的WCDMA、TD-SCDMA是GPRS的演进方向。WCDMA、TD-SCDMA就无线接口和无线接入网来讲，是全新的。无线接入网将采用基于ATM或IP的传输技术，代替目前基于帧中继的传输技术；无线接口采用WCDMA、TD-SCDMA，代替目前单一的TDMA技术，也就是说Um接口将发生"革命"性的变化，所有承载平面将有WCDMA或TD- SCDMA的协议栈来代替，而网络层及其上层应用并不发生变化。同时为了适应更高速率的要求，Gb接口将引入技术更加先进的，速度更快的ATM或IP传输技术来取代目前的FR技术。同时数据核心网是基本不变的。可以看出在网络演进的过程中，协议栈的基本结构和功能是不变的，只是在各种接口的每个协议层次上引入了更加先进的技术，功能得到了进一步的增强，效率得到了进一步的提到。
3GPP2标准化的cdma2000-1x，相对于IS-95无线接口和无线接入网都是"演进"式的。3GPP2制定的CDMA1X Release 0与3GPP的R99类似，实现了电路和分组业务的分离，引入了PCF（分组控制功能）和PDSN（分组数据业务节点）等新的网元和相应的接口，无线侧采用CDMA2000-1X技术，与IS-95是兼容的，因为它们都是基于CDMA的技术。
从目前全球电信运营商的情况来看，CDMA1X的发展速度很快。这不仅取决于该技术和标准比较成熟，而且在更大程度上取决于CDMA1X后向兼容IS-95，可在IS-95网络上平滑升级，既节约了投资，又保护了用户的利益。而WCDMA商用化推迟的原因不仅取决于这种技术比较复杂，更大程度上取决于无线侧不能与GSM和GPRS兼容。既要投入大笔的资金用于网络改造，又要引入双模手机来实现与2G网络的切换。
五、结束语
由此可见深刻理解GPRS协议栈的结构和功能，对于理解GPRS向3G演进的实质，以及演进过程中发生变化的接口和协议层，同时对于理解CDMA1X网络的功能单元和协议层都是很有帮助的。
----《中国移动通信》
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