GPRS

GPRS

無線網路通訊的一種技術,也是移動服務商提供的一種服務。它是GSM行動電話用戶可用的一種移動數據業務。GPRS可說是GSM的延續。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同,是以封包(Packet)式來傳輸,因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算,並非使用其整個頻道,理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。

GPRSGPRS
GPRS—General Packet Radio Service,GPRS為通用分組無線業務的簡稱,是歐洲電信協會GSM系統中有關分組數據所規定的標準。GPRS具有充分利用現有的網路、資源利用率高、始終線上、傳輸速率高、資費合理等特點。

簡介

GPRSGPRS
世界上有大約10億普通電話用戶,3億無線通信用戶和1億網際網路用戶。世界電信業的發展趨勢是無線語音業務的發展速度超過普通電話業務,兩者間在不斷融合。未來的網路將是一個有線、無線和網際網路三者合一的數位化的全球網路。其覆蓋將超越一切地理障礙,使信息無處不在。預計2005年將10億無線網際網路用戶,中國的網際網路用戶數將從現在的2千萬增加到2003年的6千萬。GPRS是目前階段解決移動通信信息服務的一種較完美、即將從套用實驗到正式推廣的業務。

與GSM CSD業務不同的是,GPRS業務將以數據流量計費,而GSM CSD業務則以時間計費,GPRS這一計費方式更適應數據通信的特點。此外,GPRS業務的速度較GSM CSD業務也將有很大提高,GPRS可提供高達115kb/s的傳輸速率(最高值為171.2kb/s),下一代GPRS業務的速度可以達到384Kbit/s。

GPRS一個較大的優勢是能夠充分利用現有的GSM網,可以使運營商在全國範圍內推出此項業務。相信在數年內,通過攜帶型電腦,GPRS用戶能以與ISDN用戶一樣快的速度上網瀏覽,同時也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體套用成為可能。

GPRS用戶只有在傳送或接收數據期間才占用資源,這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道,從而提高了資源的利用率。同時,用戶只需按數據通信量付費,而無需對整個鏈路占用期間付費。實際上,GPRS用戶可能連線的時間長達數小時,卻只需支付相對低廉的連線費用,可使用戶的使用費用大大降低。

GPRS通信模組就是為使用GPRS服務而開發的無線通信終端設備。可套用到下列系統集成中: 遠程數據監測系統、遠程控制系統、自動售貨系統、無線定位系統、門禁保全系統、物質管理系統等。

特點

GPRSGPRS
GPRS,通用無線分組業務是一種基於GSM系統的無線分組交換技術,提供端到端的、廣域的無線IP連線。GPRS充分利用共享無線信道,採用IP Over PPP實現數據終端的高速、遠程接入。作為現有GSM網路向第三代移動通信演變的過渡技術(2.5G),GPRS在許多方面都具有顯著的優勢。

GPRS有下列特點:

1、可充分利用現有資源—中國移動全國範圍的電信網路--GSM,方便、快速、低建設成本地為用戶數據終端提供遠程接入網路的部署;

2、傳輸速率高,GPRS數據傳輸速度可達到57.6Kbps,最高可達到115Kbps—170Kbps,完全可以滿足用戶套用的需求,下一代GPRS業務的速度可以達到384Kbit/s;

3、接入時間短,GPRS接入等待時間短,可快速建立連線,平均為兩秒;

4、提供實時線上功能 “alwaysonline”,用戶將始終處於連線和線上狀態,這將使訪問服務變得非常簡單、快速;

5、按流量計費,GPRS用戶只有在傳送或接收數據期間才占用資源,用戶可以一直線上,按照用戶接收和傳送數據包的數量來收取費用,沒有數據流量的傳遞時,用戶即使掛在網上也是不收費的。

GPRS業務,具有接入迅速、永遠線上、流量計費等特點,在遠程突發性數據實時傳輸中有不可比擬的優勢,特別適合於頻發小數據量的實時傳輸,因而GPRS業務在某些行業上有特殊的套用。

系統結構

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GSM已發展到了Phase 2+階段,這一階段的核心問題就是高速移動數據通信。現在,越來越多的GSM網路運營商引入移動數據業務,不僅使GSM網路實現無線網際網路功能,而且積累無線多媒體業務運營經驗,為向第三代移動通信網路的過渡作好準備。

GSM移動數據業務主要分為電路型數據業務和分組型數據業務。GSM第一階段提供的9.6kbps以下數據業務及Phase2+階段提出的HSCSD都屬於電路型數據業務。Phase 2+階段提出的GPRS,則屬於分組型數據業務。
GPRS網是在GSM電話網的基礎上增加以下功能實體構成的: SGSN(服務GPRS支持節點)、GGSN(網關GPRS支持節點)、PTMSC(點對多點服務中心);共用GSM基站但基站要進行軟體更新;採用新的GPRS移動台;GPRS要增加新的移動性管理程式;通過路由器實現GPRS骨幹網互聯;GSM網路系統要進行軟體更新和增加新的MAP信令和GPRS信令等。
GPRS網上增加了一些接口,主要包括:

Gb口:SGSN通過Gb口與基站BSS相聯,為移動台MS服務。通過邏輯控制協定LLC,建立SGSN與MS之間的連線,提供移動性管理(位置跟蹤)和安全管理功能。SGSN完成MS和SGSN之間的協定轉換,即骨幹網使用的IP協定轉換成SNDCPLLC協定,並提供MS鑒權和登記功能。

Gn口:SGSN通過Gn口和GGSN相聯,通過GPRS隧道協定(GTP)建立SGSN和外部數據網(X.25或IP)之間的通道,實現MS和外部數據網的互聯。

Gs口:用於SGSN向MSC/VLR傳送地址信息,並從MSC/VLR接收尋呼請求,實現分組型業務和非分組型業務的關聯。

Gr口:HLR保存GPRS用戶數據和路由信息(IMSI、SGSN地址),每個IMSI還包含分組數據協定PDP信息,包括PDP類型(X.25或IP)、PDP地址及其QoS等級以及路由信息。

Gi口:GGSN通過Gi口實現GPRS網和外部數據網(PDP)的互聯。GGSN實際上是兩個網際網路網關,GPRS本身屬於IP領域網路,Gi口支持X.25和IP協定。從PDN網看GGSN,GGSN可看作是一個路由器連到PDN網。GGSN包含用於連線GPRS用戶的路由信息,為外部數據網的PDU送到MS提供通道。通過GGSN與GPRS網互聯的分組數據網PDN,可以是PSPDN網,這時,GPRS支持ITU-T X.121和ITU-T E.164編號方案,提供X.25虛電路及對X.25快速選擇,還支持網間的X.75協定連線;也可以是Internet網,基於IP協定,在IP數據報傳輸方式中,GPRS支持TCP/IP頭的壓縮功能。

主要業務

GPRSGPRS
移動通信對非話音通信的需求仍處於初期階段,根據預測今後每年全球 GSM網上傳送的移動數據量將實現4O%-50%的增長率。目前主要是短訊息業務量,到 2005年,移動用戶的數據業務量占總的移動業務量的2O%-3O%,這給GPRS的發展帶來了良好的市場機遇。另一方面,Internet網上業務大量出現,如天氣預報新聞股票交易、電子商務等,而WAP業務的推出,更使人們感覺到除了移動終端因素外,GSM支持的數據速率是制約手機網上作業的一大瓶頸。而且GPRS是在GSM系統上疊加實現數據業務的一種模式,使得運營商可以保護投資,延續GSM的壽命。

未來的發展方向將是在 GSM以話音為基礎的運營模式上,以終端客戶為核心,把具有增值意義的業務和套用加到GSM上來,如簡單信息和遠程數據查詢、信息接入、高質量的多媒體、廣播業務及縱向的套用等。其中80%-90%的業務都可以在現在的GSM網上通過GPRS實現,其突出的特點是多個用戶可以共享一個信道,可以充分利用網路資源,可以按照用戶的需要來提供頻寬,大幅度提高數據傳輸速率。

業務特點及種類

GPRS網為移動數據用戶主要提供突發性數據業務,能快速建立連線,無建鏈時延。GPRS特別適用於頻繁傳送小數據量的套用和非頻繁傳送大量數據。GPRS除能提供PTP(點對點)和PTM(點對多點)數據業務外,還能支持補充業務和簡訊息業務。

GPRS網提供的承載業務:

點對點面向無連線網路業務(PTP-CLNS)
PTP-CLNS屬於數據報類型業務,各個數據分組彼此互相獨立,用戶之間的信息傳輸不需要端到端的呼叫建立程式,分組的傳送沒有邏輯連線,分組的交付沒有確認保護,主要支持突發非互動式套用業務,是由IP協定支持的業務。

點對點面向連線的數據業務(PTP-CONS)
PTP-CONS屬於虛電路型業務,它為兩個用戶或多個用戶之間傳送多路數據分組建立邏輯虛電路(PVC或SVC)。PTP-CONS業務要求有建立連線、數據傳送和連線釋放工作程式。PTP-CONS支持突發事件處理和互動式套用業務,是面向連線網路協定,如X.25協定支持的業務,在無線接口,利用確認方式提高可靠性。

點對多點數據業務(PTM)
GPRS提供的點對多點業務可根據某個業務請求者要求,把信息送給多個用戶,又可細分為點對多點多信道廣播業務(PTM-M)、點對多點群呼業務(PTM-G)、IP廣播業務(IP-M)。

其它業務
包括GPRS補充業務、GSM短訊息業務、匿名的接入業務和各種GPRS電信業務。

重要套用

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GPRS套用主要分為面向個人用戶的橫向套用和面向集團用戶的縱向套用兩種。

對於橫向套用,GPRS可提供網上衝浪、Email、檔案傳輸、資料庫查詢、增強型短訊息等業務。

對於縱向套用,GPRS可提供以下幾類套用:

運輸業:車輛及智慧型調度。

金融、證券和商業:無線POS、無線ATM、自動售貨機、流動銀行等。

實時發布股市動態、天氣預報、交通信息等。

公共安全業:隨時隨地接入遠程資料庫。

遙測、遙感、遙控:如氣象、水文系統收集數據,對災害進行遙測和告警,遠程操作。

提供VPN業務,使企業員工能夠隨時隨地與總部保持聯繫,降低公司建設自己的廣域網的成本。

提供以GPRS承載業務為基礎的網路套用業務和基於WAP的各種套用。

通過手提電話或電腦,可檢查自動售賣機內的貨存和營業額。

自動售賣機的手提電話付款。

監視器的錯誤狀況,液體水平,溫度...

監視冷庫溫度,濕度。內置溫度探針(-25°/+100°)。

GSM天文台,廣泛套用在飛翔和航海俱樂部。監視老人及行動不便的人。它可以將警報通過語音或短訊同時發給8個不同的電話號碼。

可以遙控商業及住宅的防盜警報。

可以遙控暖氣和冷卻系統。

可以套用在汽車的防盜警報。

機房監控和遠程維護管理系統
銀行儲蓄點機房監控
通信行業遠端無人值守站機房監控和遠程維護(如移動通信基站、微波站、光纖中繼站等)
其他無人值守點(如倉庫、辦公樓等)監控

移動車輛監控調度系統
公安、110、交警車輛監控調度
銀行運鈔車、郵政運輸車監控調度
計程車管理調度
公車輛調度和指示
集團車輛監控調度

移動性數據查詢系統
移動性證卷交易和信息查詢
公安移動性數據(身份證、犯罪檔案等)查詢
交警移動性數據(車輛、司機檔案等)查詢
通信維護人員線路資料查詢
其他外勤人員移動性數據查詢

無線接入系統
無線固定電話接入(WLL)
無線IC卡
無線磁卡電話
火車、汽車、輪船等移動載體付費電話

城市公用事業實時監控維護系統
煤氣調壓站實時數據採集和自動控制
自來水、污水管網實時監控和維護
熱力系統實時監控和維護
電力系統城市中壓電網實時監控和自動補償

解決方案

GPRS作為GSM分組數據的一種業務,很大程度上拓展了GSM無線數據業務空間。我們將結合中國移動近期準備在中國移動網上開展的業務進行GPRS業務解決方案介紹,主要包括Internet接入、WAP、專網接入、基於終端安裝業務、專線接入、GPRS短訊息等7種業務。

Internet接入業務

(1) 業務描述

GPRSGPRS
這是GPRS最普遍的一種套用,利用手機+筆記本接入Internet,如右圖所示。

(2)用戶IP位址分配及與IP網路連線方案

手機+筆記本接入Internet業務的用戶地址可以分配公有地址或私有地址,從節約公有地址角度出發,建議採用私有地址。實現方式為:手機接入經過伺服器RADIUS授權後,由GGSN分配私有地址,該私有地址通過NAT轉換後接入CMNet。

(3)Internet接入方式選擇

GGSN接入Internet有透明和非透明兩種方式。如果移動運營商作為GPRS運營商的同時,直接作為ISP提供Internet接入服務,建議採用透明方式,用戶接入網際網路無須進行認證,可由移動用戶鑒權替代,這樣可加快用戶接入速度,減少RADIUS伺服器的投資。也可以採用非透明方式接入Internet,通過RADIUS進行用戶認證。

GPRS承載WAP業務

(1)GPRS是承載WAP的最佳選擇

GSM系統中,承載WAP有3種方式:短訊息、電路型數據、GPRS分組數據。與GPRS相比,前兩種方式有一定的局限性:

短訊息承載WAP,長度只有160個位元組,不能適應WAP業務數據量逐步增長的需求。短訊息對於QoS方面缺乏保證,接續時間過長,因此不推薦短訊息承載WAP。

現在國內GSM網上承載方式為9.6K電路方式,頻寬有局限性,數據單用戶開展業務對系統資源的占用比較多,接入時間過長。

GPRSGPRS承載WAP業務
GPRS承載WAP有很多優勢:GPRS本身基於分組方式,系統資源占用少,接續速度快,時時線上,而且單用戶頻寬有保證。其組網如右圖所示。

GPRS承載WAP業務

(2)用戶IP位址分配

WAP業務的用戶地址經伺服器RADIUS授權後由GGSN分配使用私有地址。

(3)與WAP網關連線方案

由於WAP網關建設採用私有IP位址段,而GGSN設備地址採用合法IP位址,所以GGSN和WAP網關之間必須建立隧道,才能進行連線,目前可採用GRE隧道方式。由GGSN配置GRE隧道,並進行相應處理。WAP網關需具有GRE功能,並且能夠根據用戶的私有IP位址,判斷GGSN地址,並進行相應隧道封裝處理。

專網接入業務

(1) 專網VPN業務實現方式

GPRSPPP:對等協定
採用VPDN技術實現專網接入業務方案,MS採用PPP方式接入VPN虛擬網,使用第二層隧道協定L2TP。GGSN通過輸入的公司名或主被叫號碼從Radius伺服器獲取建立隧道的相關信息,然後啟動到企業網關的L2TP隧道協定,建立起GGSN和企業網關之間的隧道連線。此時用戶的PPP包可以直達企業網關,由企業網關通過公司的Radius伺服器完成對用戶級的認證,通過後,就建立起GRPS手機到達企業網關的PPP鏈路,從而真正實現移動辦公業務,如右圖所示。

(2)實現VPN功能時各實體功能

GGSN作為L2TP接入集中器:為企業網關提供代理認證;與企業網關之間建立L2TP隧道;與企業網關之間建立L2TP會話。

企業網關與GGSN之間建立L2TP隧道和與GGSN之間建立L2TP會話。

運營商RADIUS伺服器對移動用戶提供的公司名認證;為GGSN提供企業網關的IP位址;為GGSN提供隧道類型(L2TP、PPTP、L2F);提供其它與隧道有關的信息,如對應於該隧道GGSN名和企業網關名等。

企業RADIUS伺服器對移動用戶身份進行認證、授權。

(3)用戶認證實現方式

企業網關認證:用戶認證信息以PPP數據包的形式透明穿過GGSN,到達企業網關。 企業網關從企業RADIUS伺服器查找用戶的合法信息,對用戶進行認證和授權。

GGSN代理認證:當GGSN與企業網關之間存在某種信任關係時,GGSN可對企業用戶進行代理認證。此時,GGSN讀取用戶認證PPP數據包,通過運營商的RADIUS伺服器對用戶認證請求進行確認,給用戶分配許可權,此時企業網關無需設立RADIUS伺服器。

(4)專網接入業務對網路和設備的影響

採用專網接入業務,需手機採用PPP方式接入PDN網。GGSN的Gi接口上需具有L2TP功能。由於需進行隧道和會話處理,會對GGSN設備的處理能力產生一定的影響。

運營商的RADIUS伺服器能夠提供對企業名認證和提供代企業認證功能。

基於PDA數據業務

基於PDA的數據業務的解決方案以及對網路和設備的影響等同於PC+手機上網方式,即普通Internet接入方式。

基於手機終端安裝數據業務

(1) 業務描述

在GPRS終端內置特定Internet套用,通過手機內置套用軟體實現,無須外接PC。套用包括POP3 Email和即時信息Instant Messaging(IM)。從長遠看,這類Internet套用可能還會增加。

(2)基於終端安裝的業務類型

Email套用:手機內置Email收發軟體,可向普通PC Email軟體一樣設定POP3地址、用戶名及密碼。激活PDP上下文後,直接點擊對應功能鍵,即可隨時隨地進行郵件收發操作。
IM套用:類似於Internet上的QICQ套用。IM用戶向服務提供商登記註冊後,可以進行實時交流,而由於GPRS可以基於流量計費的特性,用戶可以進行隨時隨地交流,而只需支付較少的費用,是一種非常理想的實時聊天工具。

基於終端安裝的業務對GPRS網路設備不會產生特別的影響,只需能夠接入Internet網路,由終端和套用伺服器完成對應功能。計費等同於Internet接入計費方式。

專線接入業務

(1) 專線接入業務時,GGSN(無須參與認證,採用透明接入方式)、GPRS網路僅僅作為承載通道,將數據包透明發往業務處理中心,用戶接入業務中心許可權的認證由MS與業務中心進行。該業務需用特定的APN進行區分,以決定是否認證及連線方式,專線接入業務主要套用於集團用戶,如MPOS、高速公路流量統計、環境監測等。

(2) GSN通過專用線路(DDN專線等)不經過ISP直接接入業務中心;或者通過ISP直接連線業務中心,不採用VPN方式;也可以通過ISP連線,採用VPN方式接入業務中心。
GPRS短訊息業務

(1)業務描述

GPRSGPRS
如右圖所示為GSM系統中與短訊息有關的實體網路圖。MS和SC之間可以通過MSC(A口),也可以通過SGSN(Gb口)傳送短訊息,兩者相比較,通過Gb口傳送短訊息占用的空中資源相對較少因而對用戶更具吸引力。A接口與GB接口、D接口與GD接口訊息流類似,由MS選擇通過MSC或SGSN傳送短訊息;發往MS的短訊息由HLR根據網路和MS的特性決定選擇SGSN或MSC傳送。短訊息中心通過IW/G MSC與SGSN(Serving GPRS Supported Nodes)連線,接口為Gd接口。

註:
1表示SMS-GMSC/SMS-IWMSC與SC之間的接口,無標準協定
2表示C接口
3表示E接口(MSC與SMS-IWMSC/SMS-GMSC之間)或Gd接口(SGSN與SMS-IWMSC/SMS-GMSC之間)
4表示B接口,SGSN與VLR之間在短訊息功能中不需要此接口
5表示A接口(MSC與MS)或Gb接口(SGSN與MS)

MS發出的短訊息由MSC或SGSN接收,再通過MAP信令送給MS指定的IW-MSC,最後由IW-MSC通過內部協定轉發到SC。SC對MS發來的訊息進行具體處理,如果是發給某個MS的短訊息,則把此條訊息存儲到訊息庫中。SC要把訊息庫中的訊息傳遞給某個MS時,首先把短訊息傳給相連的GMSC,由GMSC到HLR中查找路由後,將短訊息傳送給HLR指定的MSC或SGSN,最後通過MSC或SGSN將短訊息傳送給MS。與SGSN有關的接口包括Gb口和Gd口。

(2)業務對網路和設備的影響

SGSN和IWMSC需提供Gd接口,其功能、信令均與原有E接口相同。由於短訊息信令可以在E接口上傳遞,增加Gd接口後,將直接分流E接口的信號流量。

(3)SMS over GPRS與原有SMS的主要區別

原有SMS在無線口上使用SACCH或SDCCH信道進行傳遞,SMS over GPRS則使用PDTCH信道進行收發,原有SMS在A接口通過SCCP進行承載,SMS over GPRS使用Gb口的LLC層進行承載,減少了SCCP鏈路需求。

開源項目

OpenBSC-開源基站管理器
OpenBSC是一個開源的基站控制器(BaseStationController),部分實現了A-bis協定(支持GPRS/EDGE),以及GSM技術規範08.5x和12.21,該項目的目的是:
1.提供一個基礎,實驗和安全研究的GSM網路
2.檔案,宣傳,並指出任何安全相關的問題,我們認為作為其中的一部分
3.在一個較低的層次上了解更多關於GSM網路的技術

OpenBTS - 開源基站

OpenBTS是基於軟體的GSM接入口,它提供標準的GSM兼容的移動手機,不需使用現成的電話提供商的接口,來撥打現有電話系統的接口。OpenBTS是以第一個基於開源軟體的工業標準的GSM協定棧而聞名。 OpenBTS是從基帶收發站(BTS)向上,完全替代傳統的GSM運營商的網路交換構架。替代傳統的傳遞呼叫到運營商的移動交換中心(MSC)的方法,它是通過SIP和VOIP傳遞數據到AsteriskPBX的。參考中的airinterface(UM)用軟體定義無線電(SDR)基於UniverisalSoftwareRadioPeripheral-USRP的。項目是由HarvingSamra和DavidA.Burgess啟動的。其目的是把邊遠和發展中地區地區的GSM服務費用減少到每個用戶每月在1美元以下。項目的最初開發者涉及執照事宜,在初期的相關工作中官司連連(現已解決),也就是說一些底層的GSM代碼被重新改寫過。
2.存在的問題

GPRS會發生包丟失現象

由於分組交換連線比電路交換連線要差一些,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可以對信道採取動態管理,並且能夠通過在GPRS信道上傳送簡訊息來減少高峰時的信令信道數。

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占用所有的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用戶的頻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,所以實際的傳輸速度基本在20kbps~30kbps。

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傳送給終端用戶,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(GaussianMinimum-ShiftKeying)的調製技術,相比之下,EDGE基於一種新的調製方法8PSK(eight-phase-shiftkeying),它允許無線接口支持更高的速率。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傳送數據,最終達到相同的目的地,那么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。

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