gprs数据传输设计(三)gprs原理

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1、 GPRSGPRSGPRSGPRS 数据传输设计数据传输设计数据传输设计数据传输设计（三三三三）GPRSGPRSGPRSGPRS 原理原理原理原理 2 2 2 2 2.3 GPRS 数据业务接入及分组传送过程数据业务接入及分组传送过程数据业务接入及分组传送过程数据业务接入及分组传送过程 2.3.1 连接阶段连接阶段连接阶段连接阶段 MS 在能够向相应主机发送数据之前， 它必须首先在物理层上与 GPRS 网络建立连接，其次必须与某个SGSN建立连接， 以使 GPRS 网络能够管理MS， 再次通过 SGSN在 GGSN中注册， 以获得 MS 的 PDP 地址并建立分组传送的路由。 以上三步分别称为

2、物理连接、 GMM连接和 SM 连接。 1.物理连接 物理连接是在 MS 和 BSS 之间建立的 RLC/MAC 层的连接。在这个过程中，移动台需要发起分组信道请求，以获得进行分组数据传输所需要的上行和下行链路。 分组上行链路分配 首先移动台在 PRACH 信道上发送分组信道请求，信息包括：接入类型（一阶段还是二阶段接入）、标识比特（随机比特、优先级比特）等。BSS 在接收到分组信道请求后，在 PAGCH 信道上利用实时分配消息做出应答，应答消息中包括了分配给移动台的一个唯一数据块。 移动台在接收到分组实时分配消息后， 就能在已分配给自己的 PACCH 信道上发送分组资源请求，该请求信息包括：

3、移动台的无线通信容量、用户数据字节数、LLC-PDU类型、临时逻辑链路号（TLLI）以及 RLC 模式（应答还是无应答）等。BSS 根据收到的这些信息，在 PDCH 上发送无线资源分配消息对资源请求做出回应，该回应作为移动台的PACCH 上分组上行链路分配消息中的临时块流。该消息包括：记录全部的射频信道数目的参数、所有时隙的数目、临时块流（TBF）的开始时间、临时块流标识（TBFI）、时间超前（TA）、信道编码方案（CS1、CS2、CS3、CS4）、竞争机制中的临时逻辑链路号等。除此之外，如果使用静态分配，还包括分配位图以及下行控制时隙等，如果使用动态分配， 则还包含上行链路状态标识（USF）

4、等。经过这些交互后，移动台就获得了用于上行传输分组数据的无线资源。 在 GPRS 中，一个移动台进行一次分组传输最多分到 8 个 PDCH 信道，但是也可能 8个移动台复用同一个 PDCH 信道。因此，当多个移动台共享同一个 PDCH 信道时，必须有方法管理移动台，以避免移动台同时在上行链路上发送数据造成冲突。BSS 中的 PCU 负责信道复用管理，在 PCU 中利用位图来管理复用，位图由 PCU 生成并对哪一个移动台使用哪一个块进行说明， 这样每一个移动台使用不同的位图， 因此即使它们使用相同的信道也不会产生发送冲突。但是，位图并不总是要发送给移动台。在上行分组传送中，如果采用静态信道分配，

5、位图在分组资源分配消息中传送，移动台根据位图确定发送数据的时机；如果采用动态分配，在下行链路中不发送位图，移动台根据下一个下行链路块中发送的 USF 标记确定自己的发送时刻。而在下行分组传输中，不发送位图，共用同一个 PDCH 下行信道的移动台必须监听在这个时隙传输的所有下行块，通过解释临时流标志（TFI）移动台可以知道该块指定给了哪个移动台。 分组下行链路分配 下行资源是根据分组下行分配消息分配给移动台的。该消息详细的描述了移动台可以接收数据的所有时隙。 每一次完整的数据传输都分配一个临时块流标识。 移动台必须接收和解释被分配的时隙上的所有 RLC/MAC 块，以便确定包含在块中的临时流标识

6、（TFI）是否是自己的标识。 移动台状态模式 当移动台被激活时，它可能处于两个状态之一，分别是分组空闲模式和分组传输模式。在分组传输模式中，移动台被分配了射频资源（RR）,RR 提供临时块流（TBF），它能在一个或多个物理信道上进行点对点的连接。这样，LLC 帧就能在网络和移动台间单向传输。在空闲模式中，没有给 TBF 提供 RR，移动台在分组公共控制信道上检测相关寻呼子信道。任何时刻，只要上一层需要传输 LLC 帧，就会引起空闲模式向传输模式的转变。这一特性使得分组数据传输具有不连续、短突发、高度交织、周期空闲的特点。 2.GMM 连接 GPRS Mobile Manager(GMM)是指

7、GPRS 移动性管理，该连接是通过 GPRS 附着规程实现的。其目的是激活移动管理上下文（Mobile Manager, MM）、在 MS 与 SGSN 之间建立逻辑链路和鉴权加密。 通过物理连接过程，移动台已经获得了必要的传输分组数据的无线资源，但是移动台必须与某个 SGSN 建立连接后才能与 GGSN 进行分组数据协议 （PDP） 的协商。 一个 GPRS用户有三种移动管理状态，每个状态都描述了一定的功能级别和分配的信息。 空闲模式状态(Idle) 此时移动台不连接 GPRS 移动管理， 即在 SGSN 中没有该移动台的链路信息， 必须执行一个 GPRS 连接过程才可以进入 GPRS 连接

8、状态。 准备就绪状态(Ready) 在准备就绪状态，移动台连接 GPRS 移动管理（GMM）并定位到小区一级。移动台可以接收和发送所有相关业务类型的数据，如果移动台或 SGSN 的准备就绪定时器终止，移动台将转入等待状态。 GPRS 连接过程如下： （1） 移动台向 SGSN 发送一个附带自身识别码（TMSI）的连接请求，这个消息也包含一个网络服务区域点标识（NSAPI），NSAPI 对移动台的一个特定的网络应用是专用的。子网依赖汇集协议（SNDCP）层使用 NSAPI 与网络应用进行通信。几个 NSAPI 可以与一个独立的移动台相连。 （2） SGSN 通过检查移动台的 HLR，验证用户是否

9、已被授权和有权使用该特定业务。 （3） 授权后，SGSN 向移动台发送一个带 TLLI 的回复信号。TLLI 对该移动台是专用的，并被协议栈中的逻辑链路层(TLLI)使用。TLLI 的作用是向移动台提供一个临时用于数据通信的 ID。 （4） 在 SGSN 中有一个数据库， 它完成分配给移动台的 TLLI 到移动台标识的映射。NSAPI 涉及到应用要求的服务质量（QoS）描述参数。此时 SGSN 的关系表如表 2-1: MS1 TLLI=1,NSAPI=2 MS2 TLLI=2,NSAPI=3 MS3 TLLI=3,NSAPI=2 在PDP激活后填充的GGSN的 IP 地址 表 2-1 GMM

10、连接后 SGSN 中的关系表 等待状态(Wait） 在等待状态，用户连接 GPRS 移动管理并定位到路由区域级。移动台执行本地 GPRS路由选择区域（RA）的更新和 GPRS 小区的选择和重选。此时要发送或接收数据，移动台要进入准备就绪状态。 3. SM 连接 Session Manager(SM)是指会话连接过程，该连接通过分组数据协议（PDP）上下文激活规程实现。MS 请求激活 PDP 上下文，作为传送分组数据路由的上下文。PDP 激活后，就建立了 GPRS 会话，即可进行 MS 收发分组数据。移动台在 PDP 前后关系激活中使用一种方式，把自己与 GPRS 公共陆地移动网的 SGSN 连

11、接起来。移动台在 GMM 连接时被分配了一个无线网络已知的 TLLI，但是外部的网络节点（IP 或 X.25）仍然不知道移动台。因此，移动台必须与 GGSN 一起建立一个 PDP 前后关系，使用 PDP 前后关系实现 GPRS 网的路由选择。SGSN 和 GGSN 通过 IP 地址区分，两者之间存在一对多的关系。多个隧道可以存在于一对 SGSN 和 GGSN 之间，每个隧道都具有一个特定的隧道标识（TID）。PDP前后关系激活过程如下： （1）移动台向 SGSN 发送一个 PDP 前后关系激活请求，PDP 中包括 QoS、数据是否压缩、TCP/IP、PDP 地址和类型等内容。 （2）SGSN

12、根据移动台提供的信息和其它配置选择 GGSN，请求 GGSN 为移动台创建一个前后关系。 SGSN 将选择一个 GGSN， 该 GGSN 提供所需的特定类型的前后关系 （比如 IP 网络和 X.25 网络）。 （3）GGSN 向 SGSN 发送带 TID 信息的回复信号，更新自身所带的表，在表中完成TID 和 SGSN IP 地址和与之相关的特定移动台的映射。 （4）SGSN 向移动台发送一条消息，通知移动台 SGSN 已经为 MS 创建了一个前后关系。SGSN 也更新包含 TID 和 GGSN IP 地址的表，并已经用这些 TID 和 GGSN IP 为移动台建立了隧道。更新后的 SGSN

13、和 GGSN 表中的映射关系表如表 2-2： 2.3.2 数据交换阶段数据交换阶段数据交换阶段数据交换阶段 在连接 SGSN 和激活 PDP 前后关系后，移动台就能够向网络发送和接收来自网络的分组数据。由移动台发起的数据传输过程如图 2-8 所示，具体过程如下： 1移动台的一个应用产生一个 IP 分组数据包，包括源地址、目标地址和信息，该 IP分组交给移动台的 SNDCP 层。 2SNDCP 取得原始的 IP 分组后，根据 MS 保存的 TLLI 和 NSAPI 信息，加入包含TLLI 和 NSAPI 信息的头信息，然后将这些信息发送到 SGSN。 3SGSN 收到信息后，在关系表中查找对应的

14、 TLLI 和 NSAPI 的 GTP 标识和 GGSN的 IP， 然后将数据帧中的 TLLI 和 NSAPI 的头信息替换为 TID 和 GGSN IP 地址的 GTP 头，形成隧道协议数据包。 4SGSN 将隧道协议数据封装成 IP 数据包，其中目标地址是 GGSN 的 IP 地址，源地址是 SGSN 的 IP 地址。 5GGSN 收到信息后，去除分组头，得到原始的 IP 分组数据，将该信息发送到外部分组网上， 此时信息与用户应用程序发送的信息是完全相同的， 数据被送到指定的目标地址。 由网络发起的数据传输过程与上述过程类似，来自外部的数据首先传输到 GGSN 上，GGSN 查找自己的关系

15、表寻找与该移动台连接的 SGSN 的 IP 地址和隧道标识 TID， 然后将数据通过隧道传送到 SGSN， SGSN 把 TID 和 SGSN 映射为表中相应的 TLLI 和 NSAPI 值，然后将 TLLI 和 NSAPI 加到分组数据上， 通过 BSS 将数据发送的移动台， 移动台的 SNDCP层将接收到的数据中的 TLLI 和 NSAPI 去掉，将数据传送的应用层。 2.3.3 分离阶段分离阶段分离阶段分离阶段 GPRS 的分离有两种，一种是 PDP 的去激活，即删除 PDP 前后关系；另一种是断开同 GPRS 的连接，即移动台的移动性管理转移到空闲状态。其中后者把移动台的所有被激活的

16、PDP 前后关系去激活。 1PDP 前后关系的去激活 移动台发起的去激活过程 移动台向 SGSN 发送一个去激活 PDP 前后关系请求（NSAPI）消息，并可能执行安全功能， SGSN 收到请求后向 GGSN 发送一个删除 PDP 前后关系请求 （TID） 消息， GGSN删除 PDP 前后关系并返回一个 PDP 前后关系响应（TID）消息给 SGSN,SGSN 收到消息后向移动台发送去激活 PDP 前后关系确认,并删除自己保存的该移动台的 PDP 前后关系。 网络发起的去激活过程 GGSN 首先发送一个删除 PDP 前后关系请求（TID）消息给 SGSN,SGSN 发送一个去激活 PDP 前

17、后关系请求（NSAPI）消息给移动台。移动台删除 PDP 前后关系，返回一个去激活 PDP 前后关系确认（NSAPI）给 SGSN，然后 SGSN 向 GGSN 返回删除 PDP 前后关系确认消息。 2GPRS 去激活 移动台发起的 GPRS 去激活 当移动台由准备就绪状态转入空闲状态时，移动台就要发起一个 GPRS 去连接过程，这个过程的主要任务就是通知 SGSN 删除 MS 的 PDP 前后关系，其过程与 PDP 前后关系去激活相同。 网络发起的 GPRS 去激活 与 PDP 前后关系去激活不同的是，网络发起的 GPRS 去激活是由 SGSN 发起的。SGSN 首先向移动台发送去连接请求，

18、通知移动台已经被解除连接，然后 SGSN 向 GGSN发送 PDP 去激活请求，删除该用户的 PDP 前后关系。 2.4 GPRS 存在的问题及向存在的问题及向存在的问题及向存在的问题及向 3G 过渡过程过渡过程过渡过程过渡过程 1GPRS 存在的问题 虽然 GPRS 有很多优点，但是在实际使用过程中，GPRS 还是存在一些问题： GPRS 会发生丢包现象。 由于 GPRS 采用分组交换的技术，而分组交换没有电路交换稳定性高，所以，可能会造成丢失数据包现象。 实际速率比理论值低。 GPRS 数据传输速率要达到理论上的最大值 172.2kbps， 就必须一个用户占用所有的 8个时隙，并且没有任何

19、差错控制。运营商将所有的 8 个时隙都给一个用户使用显然是不太可能的。另外，最初的 GPRS 终端预计可能仅支持 1 个、2 个或 3 个时隙，一个 GPRS 用户的带宽因此将会受到严重的限制，所以，理论上的 GPRS 最大速率将会受到网络和终端现实条件的制约。事实上，移动网络的数据传输速率似乎总是比固定网络要低。 终端不支持无线终止功能。 目前还没有任何一家主要手机制造厂家宣称其 GPRS 终端支持无线终止接收来电的功能，这将是对 GPRS 市场是否可以成功地从其他非语音服务市场抢夺用户的核心问题。启用 GPRS 服务时，用户将根据服务内容的流量支付费用，GPRS 终端会装载 WAP 浏览器

20、。但是，未经授权的内容也会发送给终端用户，更糟糕的是用户要为这些垃圾内容付费。 调制方式不是最优。 GPRS 采用基于高斯滤波的最小移频键控(Gaussian Minimum-Shift Keying，GMSK)的调制技术，相比之下， EDGE 基于一种新的调制方法 8PSK (eight-phase-shift keying)，它允许无线接口支持更高的速率。8PSK 也用于 UMTS。网络营运商如果要过渡到第三代，必须在某一阶段改用新的调制方式。 存在转接时延 GPRS 分组通过不同的方向发送数据，最终达到相同的目的地，那么数据在通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出错的情

21、况。 有关标准组织认识到了无线分组技术的固有特性， 因此引入了数据完整性和重发策略， 不过也由此产生了潜在的转接时延问题。 2GPRS 向 3G 的过渡 GPRS 是 GSM 移动电话系统向第三代移动通信迈进的一个重要步骤，根据欧洲电信标准化协会对 GPRS 发展的建议，GPRS 从试验到投入商用后，分为两个发展阶段，第一阶段可以向用户提供电子邮件、因特网浏览等数据业务；第二阶段是 EDGE 的 GPRS，简称 E-GPRS，EDGE 是 GSM 增强数据速率改进的技术，它通过改变 GSM 调制方法，应用8 个信道，使每一个无线信道的速率达到 48kbits，既可以分别使用，也可以合起来使用。

22、例如，用一个信道可以通 IP 电话，用两个信道可以上网浏览，用 48 个信道可以开电视会议等等。8 个信道合起来可使一个收发机支持 384kbits。它是向第三代移动通信通用移动通信系统（UMTS）过渡的台阶。 UMTS 是在 GSM 系统的基础上开发的，是欧洲开发的第三代移动通信，虽然现在还没有确定最后统一的标准，但是世界上已经有很多国家在致力这方面的研究和开发，UMTS 是基于 IP 协议的通信结构体系，集成了语音、数据及多媒体网络，可以在世界上任何地方为任何人提供通用的个人通信业务，包括电视会议、因特网接入和其他的宽带业务。这种由现有的 GSM 系统通过增设 GPRS，再由 GPRS 平

23、滑地过渡到 UMTS 第三代移动通信系统的解决方案，可以充分地利用现有的移动通信设备。 2.5 小结小结小结小结 GPRS 系统在 GSM 系统中增加两类 GPRS 支持节点即 SGSN 和 GGSN 节点，并在系统内部建立了 GPRS 骨干网，GSN 节点间通过 GPRS 骨干网采用隧道协议进行数据传输。 通过这些元素的引入， 使得移动台可以通过无线接口与 SGSN 相连， 并根据建立的 PDP前后关系路由 GGSN， 然后通过 GGSN 来访问外部数据网络， 这些特性使得 GPRS 具有了接入互联网的能力。GPRS 的这种可以无线接入互联网的特性就是我们要使用的功能，利用这一功能，我们可以在工业上建立数据采集系统，将分散的、偏远的数据采集点的信息传输到接入互联网的主机上，本文从下一章开始讨论利用 GPRS 进行数据采集和监控的实现方法。