GPRS入门知识

GPRS入门知识

原文地址： http://www.edi-son.com/gprs_tech1.htm

一、GPRS简介

    GPRS—General Packet Radio Service，GPRS为通用分组无线业务的简称，是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS具有充分利用现有的网络、资源利用率 高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。

    目前世界上有大约10亿普通电话用户，3亿无线通信用户和1亿互联网用户。世界电信业的发展趋势是无线语音业务的发展速度超过普通电话业务，两者间在不断 融合。未来的网络将是一个有线、无线和互联网三者合一的数字化的全球网络。其覆盖将超越一切地理障碍，使信息无处不在。预计2005年将10亿无线互联网 用户，中国的互联网用户数将从现在的2千万增加到2003年的6千万。GPRS是目前阶段解决移动通信信息服务的一种较完美、即将从应用实验到正式推广的 业务。

    与GSM CSD业务不同的是，GPRS业务将以数据流量计费，而GSM CSD业务则以时间计费，GPRS这一计费方式更适应数据通信的特点。此外，GPRS业务的速度较GSM CSD业务也将有很大提高，GPRS可提供高达115kb／s的传输速率(最高值为171.2kb／s),下一代GPRS业务的速度可以达到384Kbit/s。

    GPRS一个较大的优势是能够充分利用现有的GSM网，可以使运营商在全国范围内推出此项业务。相信在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能以与ISDN用户一样快的速度上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。

    GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。同时，用户只需按数据通信量付 费，而无需对整个链路占用期间付费。实际上，GPRS用户可能连接的时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用，可使用户的使用费用大大降低。

    GPRS通信模块就是为使用GPRS服务而开发的无线通信终端设备。可应用到下列系统集成中： 远程数据监测系统、远程控制系统、自动售货系统、无线定位系统、门禁保安系统、物质管理系统等。

二、GPRS特点

    GPRS，通用无线分组业务是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术（2.5G），GPRS在许多方面都具有显著的优势。

GPRS有下列特点：

1、可充分利用现有资源—中国移动全国范围的电信网络--GSM，方便、快速、低建设成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署；

2、传输速率高，GPRS数据传输速度可达到57.6Kbps，最高可达到115Kbps—170Kbps，完全可以满足用户应用的需求，下一代GPRS业务的速度可以达到384Kbit/s；

3、接入时间短，GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均为两秒；

4、提供实时在线功能 “alwaysonline”，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访问服务变得非常简单、快速；

5、按流量计费，GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。

    GPRS业务，具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输,因而GPRS业务在某些行业上有特殊的应用。

三、GPRS系统结构

　　GSM已发展到了Phase 2+阶段，这一阶段的核心问题就是高速移动数据通信。近年来，越来越多的GSM网络运营商引入移动数据业务，不仅使GSM网络实现无线互联网功能，而且积累无线多媒体业务运营经验，为向第三代移动通信网络的过渡作好准备。

　　GSM移动数据业务主要分为电路型数据业务和分组型数据业务。GSM第一阶段提供的9.6kbps以下数据业务及Phase2+阶段提出的HSCSD都属于电路型数据业务。Phase 2+阶段提出的GPRS，则属于分组型数据业务。后者相对于前者具有很显著的优越性，两者特点对比如表1所示。

　　表1 电路型数据业务与分组型数据业务对比

对比内容	电路型数据业务（9.6kbps以下数据业务及HSCSD）	分组型数据业务（GPRS）
无线信道	专用，最多4个时隙捆绑（固定占用时隙）	共享，最多8个时隙捆绑，动态时隙分配
链路建立时间	呼叫建立时间长	短，有"永远在线"之称
传输时延	短，适合于实时性强的业务	适度的传输时延
传输速率	从小于9.6kbps到57.6kbps	最大171.2kbps
网络升级费用	初期投资少，需增加IWF单元及对BTS／BSC进行软件升级	费用较大，需增加网络设备，但节省基站投资
提供相同业务代价	价格昂贵、占用系统资源多	价格较便宜、占用系统资源少

　 　GPRS网是在GSM电话网的基础上增加以下功能实体构成的： SGSN（服务GPRS支持节点）、GGSN（网关GPRS支持节点）、PTMSC（点对多点服务中心）；共用GSM基站但基站要进行软件更新；采用新的 GPRS移动台；GPRS要增加新的移动性管理程序；通过路由器实现GPRS骨干网互联；GSM网络系统要进行软件更新和增加新的MAP信令和GPRS信 令等。GPRS骨干网的逻辑结构如图1所示。

图1 GPRS骨干网的逻辑结构图

GPRS网上增加了一些接口，主要包括：

　 　Gb口：SGSN通过Gb口与基站BSS相联，为移动台MS服务。通过逻辑控制协议LLC，建立SGSN与MS之间的连接，提供移动性管理（位置跟踪） 和安全管理功能。SGSN完成MS和SGSN之间的协议转换，即骨干网使用的IP协议转换成SNDCP和LLC协议，并提供MS鉴权和登记功能。

　　Gn口：SGSN通过Gn口和GGSN相联，通过GPRS隧道协议（GTP）建立SGSN和外部数据网（X.25或IP）之间的通道，实现MS和外部数据网的互联。

　　Gs口：用于SGSN向MSC/VLR发送地址信息，并从MSC/VLR接收寻呼请求，实现分组型业务和非分组型业务的关联。

　　Gr口：HLR保存GPRS用户数据和路由信息（IMSI、SGSN地址），每个IMSI还包含分组数据协议PDP信息，包括PDP类型（X.25或IP）、PDP地址及其QoS等级以及路由信息。

　 　Gi口：GGSN通过Gi口实现GPRS网和外部数据网（PDP）的互联。GGSN实际上是两个互联网网关，GPRS本身属于IP领域网络，Gi口支持 X.25和IP协议。从PDN网看GGSN，GGSN可看作是一个路由器连到PDN网。GGSN包含用于连接GPRS用户的路由信息，为外部数据网的 PDU送到MS提供通道。通过GGSN与GPRS网互联的分组数据网PDN，可以是PSPDN网，这时，GPRS支持ITU-T X.121和ITU-T E.164编号方案，提供X.25虚电路及对X.25快速选择，还支持网间的X.75协议连接；也可以是Internet网，基于IP协议，在IP数据报 传输方式中，GPRS支持TCP/IP头的压缩功能。

四、GPRS业务及应用

　 　到目前为止,移动通信对非话音通信的需求仍处于初期阶段，根据预测今后每年全球 GSM网上传送的移动数据量将实现4O%-50%的增长率。目前主要是短消息业务量，到 2005年，移动用户的数据业务量占总的移动业务量的2O%-3O%，这给GPRS的发展带来了良好的市场机遇。另一方面，Internet网上业务大量 出现，如天气预报、新闻、股票交易、电子商务等，而WAP业务的推出,更使人们感觉到除了移动终端因素外，GSM支持的数据速率是制约手机网上作业的一大 瓶颈。而且GPRS是在GSM系统上叠加实现数据业务的一种模式，使得运营商可以保护投资，延续GSM的寿命。

　 　未来的发展方向将是在 GSM以话音为基础的运营模式上，以终端客户为核心，把具有增值意义的业务和应用加到GSM上来,如简单信息和远程数据查询、信息接入、高质量的多媒体、 广播业务及纵向的应用等。其中80%-90％的业务都可以在现在的GSM网上通过GPRS实现，其突出的特点是多个用户可以共享一个信道，可以充分利用网 络资源，可以按照用户的需要来提供带宽，大幅度提高数据传输速率。

4.1. 业务特点及种类

　　GPRS网为移动数据用户主要提供突发性数据业务，能快速建立连接，无建链时延。GPRS特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量数据。GPRS除能提供PTP（点对点）和PTM（点对多点）数据业务外，还能支持补充业务和短信息业务。

　　GPRS网提供的承载业务：

• 点对点面向无连接网络业务(PTP-CLNS)
  PTP-CLNS属于数据报类型业务，各个数据分组彼此互相独立，用户之间的信息传输不需要端到端的呼叫建立程序，分组的传送没有逻辑连接，分组的交付没有确认保护，主要支持突发非交互式应用业务，是由IP协议支持的业务。

• 点对点面向连接的数据业务(PTP-CONS)
  PTP-CONS属于虚电路型业务，它为两个用户或多个用户之间传送多路数据分组建立逻辑虚电路（PVC或SVC）。PTP-CONS业务要求有建立连 接、数据传送和连接释放工作程序。PTP-CONS支持突发事件处理和交互式应用业务，是面向连接网络协议，如X.25协议支持的业务，在无线接口，利用 确认方式提高可靠性。

• 点对多点数据业务(PTM)
  GPRS提供的点对多点业务可根据某个业务请求者要求，把信息送给多个用户，又可细分为点对多点多信道广播业务(PTM-M)、点对多点群呼业务(PTM-G)、IP广播业务(IP-M)。

• 其它业务
  包括GPRS补充业务、GSM短消息业务、匿名的接入业务和各种GPRS电信业务。

4.2.GPRS应用

　　GPRS应用主要分为面向个人用户的横向应用和面向集团用户的纵向应用两种。

　　对于横向应用，GPRS可提供网上冲浪、Email、文件传输、数据库查询、增强型短消息等业务。

　　对于纵向应用，GPRS可提供以下几类应用：

• 运输业：车辆及智能调度。

• 金融、证券和商业：无线POS、无线ATM、自动售货机、流动银行等。

• 实时发布股市动态、天气预报、交通信息等。

• 公共安全业：随时随地接入远程数据库。

• 遥测、遥感、遥控：如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和告警，远程操作。

• 提供VPN业务，使企业员工能够随时随地与总部保持联系，降低公司建设自己的广域网的成本。

• 提供以GPRS承载业务为基础的网络应用业务和基于WAP的各种应用。

• 通过手提电话或电脑,可检查自动售卖机内的货存和营业额。

• 自动售卖机的手提电话付款。

• 监视器的错误状况，液体水平，温度...

• 监视冷库温度,湿度。内置温度探针(-25°/+100°)。

• GSM天文台,广泛应用在飞翔和航海俱乐部。

• 监视老人及行动不便的人。它可以将警报通过语音或短讯同时发给8个不同的电话号码。

• 可以遥控商业及住宅的防盗警报。

• 可以遥控暖气和冷却系统。

• 可以应用在汽车的防盗警报。

• 机房监控和远程维护管理系统
    银行储蓄点机房监控
    通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护（如移动通信基站、微波站、光纤中继站等）
    其他无人值守点（如仓库、办公楼等）监控

• 移动车辆监控调度系统
    公安、110、交警车辆监控调度
    银行运钞车、邮政运输车监控调度
    出租车管理调度
    公交车辆调度和指示
    集团车辆监控调度

• 移动性数据查询系统
    移动性证卷交易和信息查询
    公安移动性数据（身份证、犯罪档案等）查询
    交警移动性数据（车辆、司机档案等）查询
    通信维护人员线路资料查询
    其他外勤人员移动性数据查询

• 无线接入系统
    无线固定电话接入（WLL）
    无线IC卡
    无线磁卡电话
    火车、汽车、轮船等移动载体付费电话

• 城市公用事业实时监控维护系统
    煤气调压站实时数据采集和自动控制
    自来水、污水管网实时监控和维护
    热力系统实时监控和维护
    电力系统城市中压电网实时监控和自动补偿

五、 GPRS业务解决方案

　 　GPRS作为GSM分组数据的一种业务，很大程度上拓展了GSM无线数据业务空间。我们将结合中国移动近期准备在中国移动网上开展的业务进行GPRS业 务解决方案介绍，主要包括Internet接入、WAP、专网接入、基于终端安装业务、专线接入、GPRS短消息等7种业务。

5.1．Internet接入业务

　　（1） 业务描述

　　这是GPRS最普遍的一种应用，利用手机+笔记本接入Internet，如下图所示。

　　（2）用户IP地址分配及与IP网络连接方案

　　手机+笔记本接入Internet业务的用户地址可以分配公有地址或私有地址，从节约公有地址角度出发，建议采用私有地址。实现方式为：手机接入经过服务器RADIUS授权后，由GGSN分配私有地址，该私有地址通过NAT转换后接入CMNet。

　　（3）Internet接入方式选择

　 　GGSN接入Internet有透明和非透明两种方式。如果移动运营商作为GPRS运营商的同时，直接作为ISP提供Internet接入服务，建议采 用透明方式，用户接入因特网无须进行认证，可由移动用户鉴权替代，这样可加快用户接入速度，减少RADIUS服务器的投资。也可以采用非透明方式接入 Internet，通过RADIUS进行用户认证。

5.2．GPRS承载WAP业务

　　（1）GPRS是承载WAP的最佳选择

　　GSM系统中，承载WAP有3种方式：短消息、电路型数据、GPRS分组数据。与GPRS相比，前两种方式有一定的局限性：

• 短消息承载WAP，长度只有160个字节，不能适应WAP业务数据量逐步增长的需求。短消息对于QoS方面缺乏保证，接续时间过长，因此不推荐短消息承载WAP。

• 现在国内GSM网上承载方式为9.6K电路方式，带宽有局限性，数据单用户开展业务对系统资源的占用比较多，接入时间过长。

• GPRS承载WAP有很多优势：GPRS本身基于分组方式，系统资源占用少，接续速度快，时时在线，而且单用户带宽有保证，其组网如图3所示。

图3 GPRS承载WAP业务

　　（2）用户IP地址分配

　　WAP业务的用户地址经服务器RADIUS授权后由GGSN分配使用私有地址。

　　（3）与WAP网关连接方案

　 　由于WAP网关建设采用私有IP地址段，而GGSN设备地址采用合法IP地址，所以GGSN和WAP网关之间必须建立隧道，才能进行连接，目前可采用 GRE隧道方式。由GGSN配置GRE隧道，并进行相应处理。WAP网关需具有GRE功能，并且能够根据用户的私有IP地址，判断GGSN地址，并进行相 应隧道封装处理。

5.3.专网接入业务

　　（1） 专网VPN业务实现方式

　 　采用VPDN技术实现专网接入业务方案，MS采用PPP方式接入VPN虚拟网，使用第二层隧道协议L2TP。GGSN通过输入的公司名或主被叫号码从 Radius服务器获取建立隧道的相关信息，然后启动到企业网关的L2TP隧道协议，建立起GGSN和企业网关之间的隧道连接。此时用户的PPP包可以直 达企业网关，由企业网关通过公司的Radius服务器完成对用户级的认证，通过后，就建立起GRPS手机到达企业网关的PPP链路，从而真正实现移动办公 业务，如图4所示。

图4 PPP：对等协议

　　(2)实现VPN功能时各实体功能

• GGSN作为L2TP接入集中器：为企业网关提供代理认证；与企业网关之间建立L2TP隧道；与企业网关之间建立L2TP会话。

• 企业网关与GGSN之间建立L2TP隧道和与GGSN之间建立L2TP会话。

• 运营商RADIUS服务器对移动用户提供的公司名认证；为GGSN提供企业网关的IP地址；为GGSN提供隧道类型（L2TP、PPTP、L2F）；提供其它与隧道有关的信息，如对应于该隧道GGSN名和企业网关名等。

• 企业RADIUS服务器对移动用户身份进行认证、授权。

　　（3）用户认证实现方式

• 企业网关认证：用户认证信息以PPP数据包的形式透明穿过GGSN，到达企业网关。 企业网关从企业RADIUS服务器查找用户的合法信息，对用户进行认证和授权。

• GGSN代理认证：当GGSN与企业网关之间存在某种信任关系时，GGSN可对企业用户进行代理认证。此时，GGSN读取用户认证PPP数据包，通过运营商的RADIUS服务器对用户认证请求进行确认，给用户分配权限，此时企业网关无需设立RADIUS服务器。

　　（4）专网接入业务对网络和设备的影响

• 采用专网接入业务，需手机采用PPP方式接入PDN网。GGSN的Gi接口上需具有L2TP功能。由于需进行隧道和会话处理，会对GGSN设备的处理能力产生一定的影响。

• 运营商的RADIUS服务器能够提供对企业名认证和提供代企业认证功能。

5.4.基于PDA数据业务

　　基于PDA的数据业务的解决方案以及对网络和设备的影响等同于PC+手机上网方式，即普通Internet接入方式。

5.5.基于手机终端安装数据业务

　　（1） 业务描述

　　在GPRS终端内置特定Internet应用，通过手机内置应用软件实现，无须外接PC。应用包括POP3 Email和即时信息Instant Messaging（IM）。从长远看，这类Internet应用可能还会增加。

　　（2）基于终端安装的业务类型

• Email应用：手机内置Email收发软件，可向普通PC Email软件一样设置POP3地址、用户名及密码。激活PDP上下文后，直接点击对应功能键，即可随时随地进行邮件收发操作。
  　

• IM应用：类似于Internet上的QICQ应用。IM用户向服务提供商登记注册后，可以进行实时交流，而由于GPRS可以基于流量计费的特性，用户可以进行随时随地交流，而只需支付较少的费用，是一种非常理想的实时聊天工具。

　　基于终端安装的业务对GPRS网络设备不会产生特别的影响，只需能够接入Internet网络，由终端和应用服务器完成对应功能。计费等同于Internet接入计费方式。

5.6.专线接入业务

　 　(1) 专线接入业务时，GGSN（无须参与认证，采用透明接入方式）、GPRS网络仅仅作为承载通道，将数据包透明发往业务处理中心，用户接入业务中心权限的认 证由MS与业务中心进行。该业务需用特定的APN进行区分，以决定是否认证及连接方式，如图5所示。专线接入业务主要应用于集团用户，如MPOS、高速公 路流量统计、环境监测等。

　　（2） GSN通过专用线路（DDN专线等）不经过ISP直接接入业务中心；或者通过ISP直接连接业务中心，不采用VPN方式；也可以通过ISP连接，采用VPN方式接入业务中心。

　　图6为专线接入业务的移动POS应用。

图5 专线接入

图6 移动POS应用

5.7.GPRS短消息业务

　　（1）业务描述

　 　如图7所示为GSM系统中与短消息有关的实体网络图。MS和SC之间可以通过MSC（A口），也可以通过SGSN（Gb口）发送短消息，两者相比较，通 过Gb口传送短消息占用的空中资源相对较少因而对用户更具吸引力。A接口与Gb接口、D接口与Gd接口消息流类似，由MS选择通过MSC或SGSN发送短 消息；发往MS的短消息由HLR根据网络和MS的特性决定选择SGSN或MSC传送。短消息中心通过IW/G MSC与SGSN（Serving GPRS Supported Nodes）连接，接口为Gd接口。

图7 短消息实体的网络结构

注：
1表示SMS-GMSC/SMS-IWMSC与SC之间的接口，无标准协议
2表示C接口
3表示E接口（MSC与SMS-IWMSC/SMS-GMSC之间）或Gd接口（SGSN与SMS-IWMSC/SMS-GMSC之间）
4表示B接口，SGSN与VLR之间在短消息功能中不需要此接口
5表示A接口（MSC与MS）或Gb接口（SGSN与MS）

　 　MS发出的短消息由MSC或SGSN接收，再通过MAP信令送给MS指定的IW-MSC,最后由IW-MSC通过内部协议转发到SC。SC对MS发来的 消息进行具体处理，如果是发给某个MS的短消息，则把此条消息存储到消息库中。SC要把消息库中的消息传递给某个MS时，首先把短消息传给相连的 GMSC，由GMSC到HLR中查找路由后，将短消息发送给HLR指定的MSC或SGSN，最后通过MSC或SGSN将短消息发送给MS。与SGSN有关 的接口包括Gb口和Gd口。

　　(2)业务对网络和设备的影响

　　SGSN和IWMSC需提供Gd接口，其功能、信令均与原有E接口相同。由于短消息信令可以在E接口上传递，增加Gd接口后，将直接分流E接口的信号流量。

　　(3)SMS over GPRS与原有SMS的主要区别

• 原有SMS在无线口上使用SACCH或SDCCH信道进行传递，SMS over GPRS则使用PDTCH信道进行收发.
  　

• 原有SMS在A接口通过SCCP进行承载，SMS over GPRS使用Gb口的LLC层进行承载，减少了SCCP链路需求。