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GPRS网络技术知道参考用书

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MCNE-G2 通用分组无线业务-GPRS 技术 文志成 编著 内容简介 GPRS 系统作为无线数据业务的承载,充分融合了 GSM 无线技术和 IP 等网络技术。本书从数据业务 基础知识入手,首先介绍了 GPRS 技术的理论基础、网络结构和规程体系,然后讨论了 GPRS 无线技术和原 理、数据传送过程以及重要信令流程,最后对 GPRS 无线和核心网络安全、GPRS 系统中的 TCP/IP 特性和 GPRS 应用进行了阐述,并对 GPRS 网络到第三代系统的演进做了简单分析,从而使读者对 GPRS 原理和网络 体系产生全面的了解和认识,并有助于 WCDMA 技术的学习和应用。 本书适合通信领域工程技术人员、网络运行维护人员以及高等院校通信专业学生和教师阅读和参考, 并可作为 GPRS 相关知识的培训教材和参考资料。 2 前言 移动通信大大拓展了人们的通信距离和生活空间,基于 AMPS/TACS 的第一代模拟移动通信系统只能提供简单的通话 业务和基本的补充类和承载类业务,而 GSM/CDMA 二代数字移动通信系统虽然能够提供丰富的补充类和承载类业务,但 电信业务仍然主要以通话为主,对于数据业务如 SMS/WAP 等的支持也基于电路方式,具有数据传递速率低、信息流量小 的缺陷。随着互联技术的发展和应用,移动业务在带给人们移动的方便性的同时,也产生了更大的数据量的传送需求,从 而 2.5 代移动通信技术如 GPRS 和 CDMA1x 等技术应运而生。GPRS 技术基于 TDMA 方式的 GSM 系统实现,是在 GSM 网 络和技术上发展起来的系统,它充分利用了 GSM 系统的无线结构,通过进一步在 GSM 网络中增加数据设备提供高速数据 类应用,从而保证采用 GSM 系统的运营商实现从 2G 系统 2.5G 系统的平滑过渡,实现从电路方式业务到话音/分组方式业 务的转变。 GSM 系统中,简单的数据类业务通过 MSC 中作为 Modem 的 IMF 单元实施,其速率受到很大限制,最高仅为 9.6kbps,并且这种数据业务的应用采用电路方式,会造成系统资源和用户计费的不合理性。GPRS 系统则实现了高达 171.2Kbps 理论速率的吞吐量,从而可以实现移动用户的 Internet 接入、彩信收发、高速 WAP 浏览以及其它各种业务的应 用。GPRS 实现了电路交换和数据交换系统的融合,通过系统中分组域与电路域的相互作用,保证了系统资源的有效利 用,拓展了系统的业务和功能,为进一步向第三代系统的迈进提供了技术保障。 学习 GPRS 技术,既需要初步的 GSM 理论基础,又需要对网络协议具有一定的了解,因而对技术、维护和研发人员 提出了更高要求。从无线和网络基础知识入手,对 GPRS 相关知识进行分析和探讨是本书的出发点。本书第一章和第二章 介绍 GSM 网络基础知识、GSM 系统中数据业务的实现,以及 GPRS 中的相关网络知识,使读者对 GPRS 相关基础知识有 初步的概念;在此基础上引入 GPRS 网络体系结构和规程类型,并通过网元之间的相互作用来描绘 GPRS 系统的轮廓。 第三章到第六章中,详细分析了 GPRS 无线知识和数据传送过程,其中涉及 GPRS 时隙结构、无线信道种类、编码方 式、信道配置、MS 多时隙特性、GPRS 中的 QOS 概念、移动态类型、网络操作模式、定时提前量、移动台移动管理状 态、小区重选、编码方式的动态选择等各个方面,以及移动台机如过程中的碰撞检测机制、MS 接入方式、信道分配方 式、上下行信息传送过程、数据传送确认机制等。随后的 GPRS 关键信令流程则将 GPRS 网络功能进一步细化,它充分体 现了系统中无线和网络方面的融合。然后第七章引入 GPRS 网络的安全特性,从无线和网络量个方面详细分析了做为无线 数居网的安全防范机制和弱点,以引起重视;第八章对 GPRS 系统中的 TCP/IP 特性予以陈述,以更好地体现无线数据应用 的特点;第九章对 GPRS 应用如 MMS 等进行了简单介绍,从实践角度对 GPRS 技术进行了论述。最后,鉴于目前三代移 动通信系统技术已逐步走向标准化,从而第十章对 GPRS 系统到 3G 技术如 UMTS 系统的过渡予以技术分析,使读者对未 来移动网络的研究有所认识和了解。 本书参考摩托罗拉工程学院培训教材以及 GPRS 规范,对 GPRS 相关原理进行了分析,并通过一些测试记录信息结合 理论描述,比较全面地分析了各个问题,力求理论结合实际,使读者在了解 GPRS 技术中的关键问题的同时,也能够对整 个系统结构和原理有比较全面的认识。 本书适合于需要进一步了解 GPRS 原理和相关技术的工程技术人员和管理人员阅读,还可作为高等院校相关专业本科 生、研究生的教学参考资料,也可作为广大读者学习和了解第三代移动通信的基础和培训资料,同时对于需要了解 GPRS 应用的相关人员也会有较大帮助。 本书的出版得益于摩托罗拉工程学院张伟经理和郭连第经理的支持和帮助,以及电子工业出版社竺南直博士和刘志红 编辑的大力协助;同时,本书写作过程中也得到了刘亚文、王玉镇以及其它同事的关照,这里对他们的帮助表示衷心感 谢。 由于 GPRS 规范处于发展和更新阶段,以及编写工作时间紧张,错误在所难免,欢迎广大读者指正。 联系信箱:gprs_opt@yahoo.com.cn 3 目录 第一章 GSM 网络基础及其演进 ..................................................................................................................................... 1 1.1 移动通信发展简介 ......................................................................................................................................... 1 1.2 GSM 原理........................................................................................................................................................ 2 1.1.1 GSM 信道类型........................................................................................................................................................3 1.1.2 GSM 信道的配置 ....................................................................................................................................................5 1.3 GSM 系统体系结构........................................................................................................................................ 6 1.1.3 GSM 网络单元........................................................................................................................................................6 1.1.4 GSM 网络接口........................................................................................................................................................6 1.1.5 GSM 接口协议........................................................................................................................................................8 1.4 GSM 网络基本特性........................................................................................................................................ 8 1.1.6 跳频 .........................................................................................................................................................................8 1.1.7 小区重选 ...............................................................................................................................................................10 1.5 GSM 网络中的数据业务.............................................................................................................................. 11 1.1.8 GSM 所支持的业务种类 ......................................................................................................................................11 1.1.9 GSM 中的数据业务 ..............................................................................................................................................11 第二章 数据通信基础 ..................................................................................................................................................... 14 2.1 数据交换技术 ............................................................................................................................................... 14 2.1.1 电话通信和数据通信 ...........................................................................................................................................14 2.1.2 数据交换技术 .......................................................................................................................................................14 2.2 帧中继技术 ................................................................................................................................................... 18 2.2.1 帧中继的技术特点 ...............................................................................................................................................18 2.2.2 帧中继规范 ...........................................................................................................................................................18 2.2.3 帧中继交换 ...........................................................................................................................................................18 2.2.4 帧中继数据包格式 ...............................................................................................................................................19 2.2.5 帧中继基本概念 ...................................................................................................................................................20 2.2.6 数据传送控制变量 ...............................................................................................................................................22 2.2.7 拥塞控制 ...............................................................................................................................................................24 2.3 TCP/IP 原理及其应用 .................................................................................................................................. 25 2.3.1 TCP/IP 规程结构...................................................................................................................................................25 2.3.2 传输层 ...................................................................................................................................................................27 2.3.2.1 UDP 规程 .........................................................................................................................................................28 2.3.2.2 TCP 规程..........................................................................................................................................................29 2.3.3 IP 层.......................................................................................................................................................................31 2.3.4 应用层协议体系结构 ...........................................................................................................................................38 2.4 TCP/IP 应用及支持单元 .............................................................................................................................. 38 2.4.1 DNS .......................................................................................................................................................................38 2.4.1.1 DNS 的层次结构 .............................................................................................................................................39 2.4.1.2 DNS 查询方式 .................................................................................................................................................40 2.4.1.3 DNS 查询方式的实际应用..............................................................................................................................40 2.4.2 DHCP ....................................................................................................................................................................41 2.4.2.1 DHCP 工作原理...............................................................................................................................................41 2.4.3 RADIUS ................................................................................................................................................................42 2.4.3.1 AAA 的功能.....................................................................................................................................................42 2.4.3.2 AAA 技术的实现方式.....................................................................................................................................43 2.4.3.3 AAA 与 Radius 服务器的基本功能 ................................................................................................................43 2.4.4 防火墙 ...................................................................................................................................................................44 2.4.4.1 防火墙工作原理 ..............................................................................................................................................44 2.4.4.2 GPRS 系统中防火墙的应用............................................................................................................................44 2.4.5 移动分组交换业务- GPRS ...................................................................................................................................44 第三章 GPRS 网络结构与规程...................................................................................................................................... 46 3.1 GPRS 网络结构 ............................................................................................................................................ 46 3.2 GPRS 网络单元 ............................................................................................................................................ 47 4 3.2.1 PCU .......................................................................................................................................................................47 3.2.2 SGSN .....................................................................................................................................................................47 3.2.3 GGSN ....................................................................................................................................................................47 3.2.4 各网元作用概述 ...................................................................................................................................................47 3.2.5 系统中其它数据支持单元....................................................................................................................................50 3.2.5.1 域名解析服务器 (DNS 服务器) ......................................................................................................................50 3.2.5.2 动态地址分配服务器 (DHCP 服务器) ...........................................................................................................51 3.2.5.3 防火墙 FIREWALL .........................................................................................................................................51 3.2.5.4 网络时间协议服务器(NTP 服务器) ...............................................................................................................51 3.2.5.5 计费网关 ..........................................................................................................................................................51 3.2.5.6 操作维护系统 OMC ........................................................................................................................................51 3.3 GPRS 协议栈 ................................................................................................................................................ 51 3.3.1 GPRS 传输面协议层(图 3-2)................................................................................................................................52 3.3.2 GPRS 控制面协议层分析.....................................................................................................................................53 3.4 GPRS 网络接口 ............................................................................................................................................ 55 3.4.1 Gb 接口 .................................................................................................................................................................55 3.4.2 Gr 接口 ..................................................................................................................................................................57 3.4.3 Gn/Gp 接口............................................................................................................................................................57 3.4.4 Gi 接口 ..................................................................................................................................................................58 3.4.5 Gs 接口 ..................................................................................................................................................................58 3.4.6 Ga 接口..................................................................................................................................................................58 3.5 GPRS 网元之间相互作用 ............................................................................................................................ 59 3.5.1 移动用户附着过程 ...............................................................................................................................................59 3.5.2 移动用户激活 PDP 过程 ......................................................................................................................................59 3.6 RLC/MAC 层功能 ........................................................................................................................................ 60 3.6.1 RLC 规程...............................................................................................................................................................60 3.6.2 MAC 规程 .............................................................................................................................................................61 3.7 LLC 层功能................................................................................................................................................... 62 3.7.1 概念简介 .................................................................................................................................................. 62 3.7.2 LLC 帧格式 .............................................................................................................................................. 63 3.7.3 LLC 协议的两种操作形式 ...................................................................................................................... 64 3.7.4 LLC 不同操作形式的应用 ...................................................................................................................... 65 3.7.5 LLC 不同操作形式信息类型应用举例 .................................................................................................. 65 3.8 SNDCP 层功能 ............................................................................................................................................. 66 3.9 BSSGP 层功能 .............................................................................................................................................. 68 3.9.1 BSSGP 流量控制 .......................................................................................................................................... 69 3.10 GTP 层功能................................................................................................................................................... 71 第四章 GPRS 无线系统.................................................................................................................................................. 75 4.1 GPRS 帧结构 ................................................................................................................................................ 75 4.2 GPRS 信道类型 ............................................................................................................................................ 75 4.2.1 GPRS 逻辑信道类型.............................................................................................................................................76 4.2.2 GPRS 逻辑信道的组合.........................................................................................................................................78 4.2.3 多时隙配置 ...........................................................................................................................................................79 4.3 GPRS 编码方式 ............................................................................................................................................ 79 4.3.1 CS-1 编码方式 ......................................................................................................................................................80 4.3.2 CS-2 和 CS-3 编码方式 ........................................................................................................................................81 4.3.3 CS4 编码方式........................................................................................................................................................81 4.3.4 编码方式的表示 ...................................................................................................................................................82 4.3.5 编码速率 ...............................................................................................................................................................82 4.4 GPRS 信道配置 ............................................................................................................................................ 83 4.4.1 PDTCH 配置基本原则..........................................................................................................................................83 4.4.2 小区中 PDTCH 信道的设置.................................................................................................................................83 4.4.3 PDTCH 在 TCH/BCCH 上的配置 ........................................................................................................................84 4.5 GPRS 系统中跳频的应用 ............................................................................................................................ 85 4.5.1 跳频对 GPRS 影响举例........................................................................................................................................85 4.5 GPRS MS 多时隙特性.................................................................................................................................. 85 4.6 GPRS 系统中的 QOS ................................................................................................................................... 89 5 4.7.1 优先级别 .................................................................................................................................................. 89 4.7.2 延迟级别 .................................................................................................................................................. 89 4.7.3 可靠性级别 .............................................................................................................................................. 90 4.7.4 吞吐量级别 .............................................................................................................................................. 90 4.7.4.1 峰值吞吐量级别.................................................................................................................................. 90 4.7.4.2 平均吞吐量级别.................................................................................................................................. 91 4.7 GPRS 系统中的编号计划 ............................................................................................................................ 91 4.9 移动台类型 ................................................................................................................................................... 94 4.10 NOM.............................................................................................................................................................. 95 4.10.1 网络操作模式 I (NOM I).................................................................................................................................95 4.10.2 网络操作模式 II (NOM II) ..............................................................................................................................96 4.10.3 网络操作模式 III (NOM III) ...........................................................................................................................96 4.11 GPRS 系统中的定时提前量 TA .................................................................................................................. 97 4.12 GPRS 移动台移动管理状态 ........................................................................................................................ 99 4.12.1 IDLE 状态 ........................................................................................................................................... 99 4.12.2 STANDBY 状态 .................................................................................................................................. 99 4.12.3 READY 状态 ..................................................................................................................................... 100 4.12.4 状态转换............................................................................................................................................ 100 4.13 GPRS 系统中的小区重选过程................................................................................................................... 102 4.13.1 GPRS 系统中的小区重选算法与原则 ............................................................................................. 102  C1、C31、C32 的计算公式 ...................................................................................................................... 102  小区重选原则 ............................................................................................................................................. 102 4.13.2 GPRS 系统中网络控制的小区重选 ................................................................................................. 103 4.13.3 GPRS 小区重选过程描述 ................................................................................................................. 103 4.14 GPRS 编码方式的动态选择 ...................................................................................................................... 104 4.14.1 编码方式的动态选择 ............................................................................................................................ 104 4.14.2 GPRS 系统各种编码方式特性 ......................................................................................................... 104 4.14.3 系统对于各种编码方式的选择........................................................................................................ 104 第五章 GPRS 数据传送过程........................................................................................................................................ 106 5.1 碰撞检测机制 ............................................................................................................................................. 106 5.1.1 时隙 Aloha(Slotted_Aloha)机制 .........................................................................................................................106 5.1.2 时隙 Aloha 规程在 GPRS 系统中的应用 ..........................................................................................................107 5.1.3 MAC 层接入碰撞检测........................................................................................................................................108 5.2 MS 接入方式 .............................................................................................................................................. 110 5.2.1 一步分组接入法 .................................................................................................................................................110 5.2.2 两步分组接入法 .................................................................................................................................................110 5.2.3 CCCH 上的接入机制..........................................................................................................................................111 5.2.4 PCCCH 接入机制 ...............................................................................................................................................114 5.3 信道分配方式 ............................................................................................................................................. 118 5.3.1 TBF 建立过程 .....................................................................................................................................................118 5.3.2 下行资源配置方式 .............................................................................................................................................119 5.3.3 上行资源分配方式 .............................................................................................................................................119 5.3.4 信道分配方式特性分析......................................................................................................................................121 5.3.4.2 信道分配方式特点 ................................................................................................................................................122 5.3.4.3 信道不同分配方式下的信令分析 ................................................................................................................122 5.4 上行信息传送过程 ..................................................................................................................................... 125 5.4.1 动态分配方式下的上行 RLC 传送过程 ............................................................................................................125 5.4.2 静态分配方式下的上行 RLC 传送过程 ............................................................................................................130 5.4.3 TBF 清除过程 .....................................................................................................................................................130 5.5 下行信息传送过程 ..................................................................................................................................... 131 5.6 数据传送过程示例 ..................................................................................................................................... 134 5.7 RLC 层确认机制......................................................................................................................................... 136 5.8 LLC 层确认机制和其它功能 ..................................................................................................................... 141 5.8.1 LLC 层确认模式下的确认机制 ............................................................................................................ 141 5.8.2 LLC 无确认帧 UI 的传送过程举例 ...................................................................................................... 141 5.8.3 LLC 层的参数设定和协商机制 ............................................................................................................ 143 6 5.8.4 SAPI 与 QOS.......................................................................................................................................... 143 5.8.5 LLC PDU 的分段 ................................................................................................................................... 145 第六章 GPRS 信令流程................................................................................................................................................ 151 6.1 GPRS 附着/去附着 ..................................................................................................................................... 151 6.1.1 GPRS 附着过程...................................................................................................................................... 151 6.1.2 GPRS 去附着过程.................................................................................................................................. 152 6.2 GPRS 路由区更新 ...................................................................................................................................... 155 6.3 GPRS 与外部数据网间的连接................................................................................................................... 156 6.3.1 GPRS 网络与外部数据网的连接............................................................................................................... 156 6.3.1.1 GPRS 与外部网络通过 IP 规程连接................................................................................................ 158  GPRS 透明接入........................................................................................................................................................158  GPRS 非透明接入....................................................................................................................................................158 6.3.1.2 GPRS 与外部网络通过 PPP 规程连接............................................................................................. 159  PPP 规程结构 ...........................................................................................................................................................159  GPRS 系统中 PPP 规程的应用................................................................................................................................159  MS 与 GGSN 之间的 PPP 规程连接 .......................................................................................................................160 6.4 非透明模式下 PDP 激活过程 .................................................................................................................... 163 6.5 网络请求的 PDP 上下文激活 .................................................................................................................... 164 6.6 GPRS 漫游 .................................................................................................................................................. 165 6.7 WAP 接入过程 ........................................................................................................................................... 168 第七章 GPRS 网络安全................................................................................................................................................ 170 7.1 GPRS 系统无线安全 .................................................................................................................................. 171 7.1.1 采用临时身份识别保护用户身份......................................................................................................... 171 7.1.1.1 到 MSC 附着时的临时身份分配过程 ..........................................................................................................171 7.1.1.2 到 GPRS 附着时的临时身份分配过程.........................................................................................................171 7.1.1.3 P-TMSI 的使用 ..............................................................................................................................................171 7.1.1.4 通过附着过程获得临时身份识别号码 ......................................................................................................... 172 7.1.1.5 通过路由区更新过程获得临时身份识别号码 ............................................................................................. 172 7.1.1.6 到 MSC 和 SGSN 联合附着和位置更新时的临时身份分配过程...............................................................172 7.1.2 GSM 系统中的鉴权和加密过程 ........................................................................................................... 172 7.1.2.1 鉴权过程 ........................................................................................................................................................172 7.1.2.2 加密过程 ........................................................................................................................................................173 7.1.2.3 密钥 Kc 的生成..............................................................................................................................................174 7.1.3 GPRS 系统中的鉴权和加密过程.......................................................................................................... 174 7.1.3.1 GPRS 系统中的信令和数据加密过程..........................................................................................................175 7.1.4 GPRS 系统中无线部分安全漏洞.......................................................................................................... 176 7.2 GPRS 系统网络安全 .................................................................................................................................. 176 7.2.1 GPRS 网络接入过程中的用户身份认证机制 ...................................................................................... 177 7.2.1.1 GPRS 系统中 AAA 与 Radius 服务器的应用.................................................................................. 177 7.2.2 接口安全与网络系统的安全................................................................................................................. 177 7.2.2.1 Internet 网络上主要安全问题 .......................................................................................................................178 7.2.2.2 DOS 攻击方式与分析 ...................................................................................................................................178 7.2.2.3 TCP/IP 网络中其它常见攻击手段简介........................................................................................................180 7.2.2.4 GPRS 网络安全性问题 .................................................................................................................................180 7.2.2.5 Gp 接口安全性问题 ......................................................................................................................................181 7.3 采用防火墙进行 GPRS 安全防范.............................................................................................................. 182 7.3.1 防火墙工作原理 .................................................................................................................................................183 7.3.1.1 GPRS 系统中防火墙的应用..........................................................................................................................183 7.3.1.2 GPRS 系统中防火墙过滤机制......................................................................................................................183 7.4 GPRS 用户数据安全传送机制................................................................................................................... 184 7.4.1 VPN 简介 ............................................................................................................................................... 184 7.4.2 VPN 中的隧道技术................................................................................................................................ 185  概述 ..........................................................................................................................................................................185  二层封装协议 L2TP.................................................................................................................................................185  三层封装协议...........................................................................................................................................................186 7 7.4.3 VPN 中的隧道类型及其在 GPRS 系统中的应用 ................................................................................ 187 第八章 GPRS 系统 TCP/IP 特性................................................................................................................................. 189 8.1 TCP/IP 特性 ................................................................................................................................................ 189 8.1.1 TCP 连接及确认传送机制 .................................................................................................................... 189 8.1.2 TCP 的可靠传输控制方法 .................................................................................................................... 189 8.1.3 TCP 的慢启动与拥塞控制机制 ............................................................................................................ 189 8.1.3.1 慢启动与拥塞避免过程.................................................................................................................... 190 8.1.3.2 快速重传与快速恢复........................................................................................................................ 192 8.1.3.3 TCP 拥塞控制种类 ........................................................................................................................... 193 8.1.3.4 重传时限 RTO................................................................................................................................... 194 8.1.4 TCP/IP 规程中其它重要参量................................................................................................................ 194 8.1.4.1 ECN ................................................................................................................................................... 194 8.1.4.2 通路 MTU 检测机制......................................................................................................................... 195 8.1.4.3 头压缩 ............................................................................................................................................... 195 8.1.4.4 有限传送............................................................................................................................................ 195 8.1.4.5 时间标志-Timestamp ........................................................................................................................ 196 8.2 GPRS 系统主要特性 .................................................................................................................................. 196 8.3 GPRS 系统中的 TCP/IP 应用特性............................................................................................................. 197 8.3.1 大的 RTT 造成的影响 ........................................................................................................................... 197 8.3.2 带宽延迟积的作用 ................................................................................................................................ 198 8.3.3 延迟突变的影响 .................................................................................................................................... 198 8.3.4 带宽振荡造成的影响 ............................................................................................................................ 199 8.3.5 小数据包造成的影响 ............................................................................................................................ 199 8.3.6 TCP/IP 控制机制对系统吞吐量的影响 ................................................................................................ 199 8.3.7 MTU 大小的影响 .................................................................................................................................. 199 8.3.8 GPRS 系统中 TCP/IP 特性的优化应用..................................................................................................... 199 8.4 GPRS 系统吞吐量 ...................................................................................................................................... 200 8.4.1 吞吐量的量化分析 ..................................................................................................................................... 200 8.4.1.1 GPRS 各协议层包头 ......................................................................................................................... 200 8.4.2 各种编码方式下的理论速率 .......................................................................................................................... 202 8.4.3 GPRS 信道实际编码效率计算.............................................................................................................. 203 8.4.4 SNDCP/LLC 层效率 .............................................................................................................................. 203 8.4.5 RLC 层有效吞吐量................................................................................................................................ 203 8.4.6 吞吐量变化相关因素 ............................................................................................................................ 204 8.5 GPRS 系统延迟 .......................................................................................................................................... 204 8.5.1 延迟分析 ..................................................................................................................................................... 204 8.5.2 RTT 定义..................................................................................................................................................... 204 8.5.3 PING 的理论分析......................................................................................................................................... 205 8.5.3.1 Ping 的理论意义 ............................................................................................................................... 205 8.5.3.2 Ping 的测试方法 ............................................................................................................................... 205 8.5.3.3 Ping 与数据包大小的关系................................................................................................................ 205 8.5.3.4 Ping 与发送间隔的关系 ................................................................................................................... 206 第九章 GPRS 应用........................................................................................................................................................ 207 9.1 9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6 采用 GPRS 手机与 PC 连接....................................................................................................................... 207 采用 GPRS MODEM(套件)上网.................................................................................................................. 208 MMS 的应用 ............................................................................................................................................... 208 SMS 简介 .................................................................................................................................................... 209 MMS 和 SMS 的特征分析 ......................................................................................................................... 209 MMS 所支持的内容 ................................................................................................................................... 210 MMS 承载系统 ........................................................................................................................................... 210 GPRS 系统中 MMS 网络元素 ................................................................................................................... 211 GPRS 系统中 MMS 的网络组成 ............................................................................................................... 212 8 9.3.7 MMS 应用 ................................................................................................................................................... 212 9.4 GPRS 具体应用 .......................................................................................................................................... 213 9.4.1 通过 GPRS 连接 Internet ....................................................................................................................... 213 9.4.2 通过 GPRS 连接 Intranet ....................................................................................................................... 213 9.4.2.1 GPRS 网络上实现 Intranet 连接的技术基础................................................................................................213 9.5 WAP ............................................................................................................................................................ 214 9.6 GPRS 计费系统 .......................................................................................................................................... 216 9.6.1 GPRS 计费系统概述 .................................................................................................................................. 217 9.6.2 GPRS 系统计费种类 .................................................................................................................................. 217 9.6.3 GPRS 系统计费信息的传送 ...................................................................................................................... 219 9.6.4 GPRS 系统计费原则 .................................................................................................................................. 219 9.6.4.1 计费要求 ................................................................................................................................................ 219 9.6.4.2 GSN 计费信息的收集............................................................................................................................ 219 9.6.4.3 计费记录与 C-ID ................................................................................................................................... 220 9.6.4.4 CDR 信息项描述 ................................................................................................................................... 220 9.6.5 GTP’计费通信协议 .................................................................................................................................... 223 9.6.6 PLMN 之间漫游的计费 ............................................................................................................................. 223 第十章 GPRS 系统的演进........................................................................................................................................... 224 10.1 EGPRS......................................................................................................................................................... 224 10.1.1 EDGE 的分组模式 - EGPRS.................................................................................................................. 225 10.1.2 EGPRS 规程与现有 GPRS 规程的区别................................................................................................ 225 10.1.2.1 EDGE 的标准化 ................................................................................................................................ 225 10.1.2.2 EDGE 与 GSM 系统的共用.............................................................................................................. 225 10.1.2.3 规程体系比较.................................................................................................................................... 226 10.1.3 EGPRS 的特点 ....................................................................................................................................... 226 10.1.3.1 速率 ................................................................................................................................................... 226 10.1.3.2 EGPRS 编码方式的特性参数........................................................................................................... 230 10.1.3.3 增加冗余功能-Incremental Redundancy .......................................................................................... 231 10.1.4 EGPRS 系统中确认机制下 RLC 数据块的传送 ............................................................................. 231 10.1.5 GPRS 与 EDGE 的关系 ......................................................................................................................... 233 10.1.5.1 PDTCH 复用...................................................................................................................................... 233 10.1.5.2 RLC 窗口确认机制 ........................................................................................................................... 234 10.1.5.3 EGPRS 数据包封装 .......................................................................................................................... 234 10.1.5.4 测量准确性........................................................................................................................................ 235 10.1.5.5 交织 ................................................................................................................................................... 235 10.1.6 GPRS 演进到 EDGE .............................................................................................................................. 235 10.2 UMTS.......................................................................................................................................................... 235 10.2.1 3G 技术标准简介................................................................................................................................... 236 10.2.1.1 WCDMA 简介 ................................................................................................................................... 237 10.2.1.2 CDMA2000 简介............................................................................................................................... 237 10.2.1.3 TD-SCDMA 简介 .............................................................................................................................. 237 10.2.1.4 WCDMA 与 CDMA2000 技术体制比较.......................................................................................... 237 10.2.2 WCDMA 特点........................................................................................................................................ 238 10.2.2.1 WCDMA 的技术特点 ....................................................................................................................... 238 10.2.2.2 WCDMA 与 GSM 的比较................................................................................................................. 238 10.2.3 WCDMA 基本原理................................................................................................................................ 239 10.2.3.1 多址方式............................................................................................................................................ 239 10.2.3.2 扩频种类及使用................................................................................................................................ 239 10.2.4 WCDMA 系统中扩频码和扰码的使用 ........................................................................................... 240 10.2.4.1 OVSF 扩频码 .................................................................................................................................................240 10.2.4.2 扰码................................................................................................................................................................241 10.2.4.3 各种码的特点比较 ........................................................................................................................................243 10.2.5 UMTS 系统无线帧结构.................................................................................................................... 244 10.2.6 UMTS 无线子系统体系结构 ............................................................................................................ 244 9 10.2.6.1 无线接口规程 ................................................................................................................................................244 10.2.6.2 信道类型 ........................................................................................................................................................245 10.2.6.3 逻辑信道 ........................................................................................................................................................246 10.2.6.4 传输信道 ........................................................................................................................................................247 10.2.6.5 物理信道 ........................................................................................................................................................247 10.2.6.6 传输信道与物理信道之间的映射 ................................................................................................................248 10.2.6.7 逻辑信道到传输信道之间的映射 ................................................................................................................249 10.2.7 调制方式 ................................................................................................................................................ 250 10.2.7.1 下行信道的调制................................................................................................................................ 250 10.2.7.2 上行信道的调制................................................................................................................................ 251 10.2.8 同步 ........................................................................................................................................................ 253 10.2.9 UMTS 系统结构 .................................................................................................................................... 253 10.2.9.1 UMTS 中网络单元规程栈................................................................................................................ 254 10.2.10 UMTS 与 GPRS 网络分组域的比较分析 ........................................................................................ 256 10.2.11 UMTS 系统中分组域逻辑体系结构 ................................................................................................ 256 10.2.11.1 逻辑体系功能比较 ....................................................................................................................... 256 10.2.12 GPRS 与 UMTS 分组域协议层分析 ................................................................................................ 258 10.2.12.1 用户面与控制面的定义 ................................................................................................................................258 10.2.12.2 用户面协议层分析 ........................................................................................................................................258  GPRS 用户面协议层(图 10-34) ...............................................................................................................................258  UMTS 用户面协议层(图 10-35) ..............................................................................................................................258  UMTS 用户面规程栈描述 .......................................................................................................................................259  UMTS 用户面数据传送过程 ...................................................................................................................................259 10.2.12.3 控制面协议层分析 ........................................................................................................................................259  GPRS 控制面协议层分析(图 10-36).......................................................................................................... 259  UMTS 控制面协议层分析(图 10-37) ....................................................................................................... 259 10.2.13 GSM/EDGE 与 WCDMA 网络的进一步融合-GERAN ....................................................................... 260 附录一 缩写 ................................................................................................................................................................... 261 参考文献 ........................................................................................................................................................................ 266 10 1. 第一章 GSM 网络基础及其演进 1.1 移动通信发展简介 早期的无线通信技术主要被用于专用无线通信系统以及军事通信系统中。随着晶体管技术的发展,移 动设备逐步小型化,从而无线通信的应用更加广泛,被用于汽车公用无线电话、公安消防等方面。十九世纪七 十年代,贝尔实验室提出的蜂窝系统概念促成了大规模移动通信的实现。第一代移动通信系统如 AMPS 和 TACS 为模拟移动通信系统,它们具有抗干扰能力差和信道容量低的特性。数字技术的发展带来了移动通信系 统的数字化、综合化和宽带化,第二代移动通信系统如 GSM 和 CDMA 等技术采用数字方式,实现了容量大、 频谱利用率高和业务种类众多等特点。目前第三代移动通信系统如 UMTS、CDMA2000 和 TD-SCDMA 技术则 朝着宽带和高速数据业务方向发展,全球范围内的第三代移动通信技术正处于测试阶段,部分国家已经出现了 商用网络,这标志着未来无线数据业务发展步伐的加快。作为第三代移动通信发展的前奏,由 GSM 和 CDMA 系统演变出来的第 2.5 代通信系统如 GPRS 和 CDMA1x 技术已经得到了广泛的应用。 第一代和第二代移动通信技术以提供话音业务为主,同时提供多种补充和承载业务。第 2.5 代技术同 时实现话音和无线数据业务的承载,第三代移动通信技术的业务种类则进一步扩大,如可以实现视频以及高速 数据类业务传送等。 作为数字移动通信技术,相对于 CDMA 技术而言,GSM 技术成熟较早,使用较为广泛。中国从二十 世纪九十年代初中期开始引入 GSM 系统,经过迅速建设和扩容,目前已发展成为全球闻名的 GSM 移动运营 商。2000 年,中国开始启动 GPRS 技术的测试和试验网建设工作,2002 年中国移动即开始部署 GPRS 商用网 络,并相继推出多种移动互联网业务。2002 年启动的以信息产业部为主、由多家运营商参与的第三代移动制 式的测试工作也标志着移动数据业务的美好前景。 如何实现从现有第二代移动通信技术到第三代移动通信技术的顺利演进,在保证现有投资的基础上采 用最少成本进行过渡,是运营商和设备制造商面临的共同问题。针对目前的 GSM 和 CDMA 系统,可能的过渡 和发展方向分别为:  从 GSM 网络演进到 3G WCDMA 网络 GSM 系统目前在国内市场范围很大, GPRS 技术的引入更表明 GSM 网络的新的生命力。那么,对于 即将到来的第三代移动通信系统,GSM 网络又该如何发展哪? GPRS 系统是 GSM 发展史上的里程碑,它引入了无线分组交换技术,提供了无线数据业务应用的新模 式,同时在网络建设、规划、运营方面给运营商提供了宝贵的经验。第三代移动通信系统正是进一步发展了目 前的电路交换和分组交换的概念,进行了网络功能的扩展和业务模式的更新,因而 GPRS 是第三代网络发展过 程中不可缺少的一环。 从 GSM 网络发展到第三代的 WCDMA 技术,其可能采取的路径为 GSM-GPRS- 3G WCDMA。一般来 讲,对于能够获得 3G 频段和牌照的运营商来讲,可以从 GPRS 网络直接演进到 3G WCDMA 技术,而对于难 于获得 3G 牌照的无线系统运营商,EDGE 将是一个很好的选择,它们可以采用 GSM-GPRS-EDGE 的发展方 式,利用 EDGE 技术进一步提升网络性能,从而为客户提供更好的服务。 1  从 GSM 向 TD-SCDMA 的演进方式 由于 TD-SCDMA 技术采用类似于 WCDMA 网络的核心网技术,所以存在 GSM 网络演进到 TDSCDMA 网络的可能性,同时 TD-SCDMA 也兼容 ANSI-41 向 3G 过渡。对于新的移动运营商来讲,建立新的 TD-SCDMA 网络也不失为一种好的选择。  从 CDMA 网络演进到 3G CDMA2000 网络 从 CDMA 网络演进到 3G CDMA2000 网络,可以采用 IS-95 到 CDMA2000 1X 再发展到 CDMA20001X EV-DV 和 CDMA2000-1X EV-DV 的路径。 CDMA 目前使用 IS-95 技术(分为 IS-95A、IS-95B、IS-95C 制式), CDMA 1X 被称为 2.5G 技术,它支 持 307.2kbit/s 高速数据业务,是 2G 向 3G 过渡的重要阶段。 GSM 与 CDMA 技术向 3G 技术过渡的方案如图 1-1 所示。 GSM 演进策略 GSM CDMA 演进策略 IS-95A 通用分组无线业务 GPRS(171.2kbit/s) IS-95B (115.2kbps) GSM/EDGE (调制方式更新为 8PSK,传输速率上 升至473.6kbps) IMT2000 (2Mbit/s) CDMA2000-1X (307.2Kbps) CDMA2000-1X EV-DO CDMA2000-1X EV-DV (2Mbit/s) 图 1-1 2G系统到3G网络的过渡 GPRS 技术基于 GSM 实现,所以以下首先简单回顾 GSM 原理和技术。 1.2 GSM 原理 GSM 移动技术可以使用 900MHz、1800MHz 以及 1900MHz 的频段,国内主要采用 900MHz 和 1800MHz , 简 称 为 GSM900 和 DCS1800 。 GSM900 系 统 具 体 频 段 范 围 为 下 行 935-960MHz 、 上 行 890915MHz,载频间隔为 200KHz,可用信道数为 124 个;扩展 GSM (EGSM) 具体频段范围为下行 925-960MHz、 上行 880-915MHz ,载频间隔为 200KHz ,可用信 道数为 175 个。DCS1800 具体频段范围为下 行 18051880MHz、上行 1710-1785MHz,载频间隔为 200KHz,可用信道数为 374 个。 GSM 系统采用 TDMA 多址方式,其载频间隔为 200kHz,每个载频按时间分割为以 8 个时隙为单位的 TDMA 帧,即每 8 个时隙在 200kHz 频率范围内循环出现,从而形成频率-时间分割复用系统(图 1-2)。多个 TDMA 帧构成复帧,复帧可分为包含 26 个 TDMA 帧的 26 复帧和包含 51 个 TDMA 帧的 51 复帧以及包含 52 2 个 TDMA 帧的 52 复帧等几种类型。26 复帧主要用于业务信道及随路控制信道,51 复帧专用于控制信道, 52 复帧则相当于两个 26 复帧的组合,它主要用于 GPRS 系统中。 960MHz 959.8MHz 124 123 ... 200KHz ... ... 2 935.2MHz 1 935MHz 915MHz 914.8MHz 124 123 45MHz 间隔 ... ... 200KHz ... 2 890.2MHz 1 890MHz 时隙 下行 1 2 3 4 5 6 7 8 TDMA帧 数据脉冲156.25bit 周期=15/26ms=576.9μ s 上行 延迟 1 2 3 4 5 6 7 8 TDMA帧 图 1-2 GSM时隙结构 1.1.1 GSM信道类型 GSM 物理信道指采用频分时分方式形成的突发脉冲,它用于承载逻辑信道。逻辑信道可分为业务信道 TCH 和控制信道 CCH 两大类型。  业务信道(图 1-3) 业务信道主要用于传送话音和数据业务信息,它包括话音业务信道和数据业务信道。话音业务信道又 包括全速率业务信道 TCH/FS、增强全速率业务信道 TCH/EFR 和半速率业务信道 TCH/HS,数据业务信道则包 括 TCH/F9.6、TCH/F4.8、TCH/H4.8、TCH/F2.4 和 TCH/H2.4 等几种类型。 全速率: TCH/FS: 话音 (纯速率13 kbit/s) TCH/EFR: 话音 (纯速率12.2 kbit/s) TCH/F9.6 (9.6 kbit/s) – 数据 TCH/F4.8 (4.8 kbit/s) – 数据 TCH/F2.4 (2.4 kbit/s) – 数据 半速率: TCH/HS: 话音 (纯速率6.5 kbit/s) TCH/H4.8 (4.8 kbit/s) – 数据 TCH/H2.4 (2.4 kbit/s) – 数据 3 TCH 话务信道 话音 数据 TCH/FS TCH/EFR TCH/HS TCH/9.6 图 1-3 业务信道类型 TCH/4.8 TCH/2.4  控制信道(图 1-4) 控制信道用于传送信令或者同步信息,它主要包括广播信道、公共控制信道,以及专用控制信道等三 种类型。 广播信道为下行信道,它分为频率校正信道 FCCH、同步信道 SCH 和广播控制信道 BCCH。其中, FCCH 用于传送载频同步信息;SCH 用于提供帧同步;BCCH 则用于承载系统消息。 公共控制信道可分为寻呼信道 PCH、随机接入信道 RACH、接入允许信道 AGCH 和 CBCH。其中, PCH 为下行信道,用于进行移动用户的寻呼;RACH 为上行信道,用于移动用户申请接入系统;AGCH 为下行 信道,用于对移动用户提供资源,保证用户接入;CBCH 用于发送到小区中所有用户的广播信息。 专用控制信道则包括独立专用控制信道 SDCCH、慢速随路控制信道 SACCH 和快速随路控制信道 FACCH 等几种类型。SDCCH 为载频上用于传送呼叫建立和鉴权等信息的独立专用信道;SACCH 与 SDCCH 或者 TCH 协同使用,用于承载 SDCCH 或者 TCH 相关的信息,如下行的功率控制信息和定时信息,以及上行 的接收信号强度指示和链路质量报告等信息。FACCH 用于承载用户鉴权、切换和立即设定等信息,它利用 TCH 中的空闲帧,采用偷帧形式传送。 CCH 控制信道 DCCH ACCH SDCCH CCCH BCCH BCCH 同步信道 SACCH FACCH RACH AGCH/ PCH CBCH 图 1-4 控制信道种类 SCH FCCH  信道组合 4 采用不同的信道类型进行组合,可以提供多种类型信息的传送。常用组合方式为: 全速率话务信道组合 – TCH/FACCH + SACCH 广播信道组合 – BCCH + CCCH 专用信道组合 – SDCCH + SACCH 混合信道组合 – BCCH+CCCH+SDCCH+SACCH 1.1.2 GSM信道的配置 基站可以配置为全向站或者定向站,全向站常采用 Oa 的形式表示,其中 O 表示 Omni,a 表示载频 数,如 O2 表示全向 2 载频配置;定向站则采用 Sa/b/c 或 a/b/c 的形式表示,S 表示 Sector,abc 则分别表示各扇 区的载频的数目。目前城市内 GSM 基站类型以扇形站为多,配置较大的可达到 6/6/6 甚至 8/8/8,常见站型则 为 4/4/4,3/3/3,2/2/2 或 1/1/1 等。其 BCCH 配置采用 BCCH+SDCCH 或 BCCH+CCCH+SDCCH 等方式。示例 如下: 对于 1/1/1 配置,TS0 作为控制信道使用,通常为 BCCH+SDCCH 形式,使得一个 BCCH 载频上可设 置的 TCH 数最多为 7 个(如表 1-1 所示)。 对于 2/2/2 配置,通常 TS0 和 TS1 被用作控制信道,TS0 可配置为 BCCH+ SDCCH 或 BCCH,而 TS1 则专用作 SDCCH。这样,一个 BCCH 载频上可配置的 TCH 数最多为 6 个(如表 1-2 所示)。 表 1-1 BCCH载频配置CBCCH信道 TRX1 CBCCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH TRX2 TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH TRX3 TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH 表 1-2 BCCH载频配置BCCH和独立的SDCCH信道 TRX1 CBCCH SDCCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH TRX2 TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH 5 TRX3 TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH TCH 1.3 GSM 系统体系结构 1.1.3 GSM网络单元 GSM 系统由移动用户 MS、网络子系统 NSS、无线子系统 BSS 以及网络管理子系统 OMS 等网络单元 组成(图 1-5)。 网络子系统 NSS 主要进行用户数据管理、安全管理、呼叫管理和计费管理等功能,同时提供与外部其 它网络和系统之间的连接。无线子系统 BSS 主要提供无线资源管理和基站设备管理等功能,它通过无线接口 与移动用户连接。网络管理子系统 OSS 提供网络性能管理、故障管理和告警管理。移动用户 MS 使用 SIM 卡 负责完成呼叫功能。 NSS 部分包括移动交换中心 MSC、访问用户位置寄存器 VLR、归属用户位置寄存器 HLR、移动设备 标识存储器 EIR、鉴权中心 AUC 等网络单元。其中,MSC 负责完成呼叫和交换控制功能,HLR 进行用户静态 和动态数据管理,EIR 进行设备号 IMEI 的管理,AUC 负责进行用户鉴权。通常 MSC 与 VLR 之间的数据交换 量较大,所以二者功能合一。HLR 也可以与 MSC 合设,但是为了便于实现多厂家设备之间的互联,HLR 通常 独立存在。而 EIR 则根据需要进行配置。AUC 通常作为 HLR 的一部分存在。 BSS 部分包括基站控制器 BSC 和基站收发信机 BTS 两部分。BSC 负责无线资源管理, BTS 负责进行 空中信息的收发和信道编解码等功能。一个 BSC 可以控制多个 BTS。 操作维护子系统 NMC OMC MSC 交换子系统 VLR HLR AUC EIR XCDR BSC BTS IWF EC 基站子系统 PSTN 图 1-5 GSM网络单元 1.1.4 GSM网络接口 GSM 系统包括以下几种主要接口类型和信令方式(图 1-6):  NSS 与 BSS 之间采用 A 接口,用于进行移动和连结管理,它基于七号信令方式实现;  BSS 子系统中 BSC 与 BTS 之间采用 Abis 借口,用于进行基站和信道管理,它采用 LAPD 信令方 式实现; 6  MS 与 BTS 之间的空中接口为 Um,用于进行无线资源管理等功能,它采用 LAPDm 信令方式实 现。 Um接口 Abis接口 A接口 MS BTS BSC MSC 图 1-6 GSM系统的主要接口 NSS 系统内部各设备间多采用七号信令方式,其中 MSC 与 VLR 之间称为 B 接口,用于进行漫游用户 数据的查询和位置信息更新等功能;MSC 与 HLR 之间接口称为 C 接口,用于传递路由选择和管理信息;VLR 与 HLR 之间接口称为 D 接口,用于交换移动台位置和用户数据管理等功能;MSC 与 MSC 之间接口称为 E 接 口,用于执行 MSC 之间的切换功能;MSC 与 EIR 之间接口称为 F 接口,用于交换移动用户设备标识等信息; VLR 与 VLR 之间接口称为 G 接口,用于 VLR 之间的信息查询工作,HLR 与 AUC 之间接口称为 H 接口,用 于鉴权信息的传送功能(见图 1-7 和表 1-3)。 图 1-7 GSM系统网元间接口 表 1-3 GSM系统中网元间接口 接口名称 Um 网元 1 MS 7 网元 2 BTS 1.1.5 GSM接口协议 A-bis A B C D E F G H BTS BSC MSC MSC VLR MSC MSC VLR HLR BSC MSC VLR HLR HLR MSC EIR VLR AUC MS CM MM RR LAPDm L1 BTS RR BTSM LAPDm LAPD L1 L1 BSC RR BSSMAP BTSM LAPD L1 SCCP MTP MSC CM MM BSSMAP SCCP MTP Um接口 Abis接口 图 1-8 GSM系统接口协议层 A接口 GSM 系统采用 OSI 分层体系结构,分为 L1,L2 和 L3 层。其中 L1 为物理层;L2 为数据链路层,它在 Um 和 Abis 接口上分别以 LAPDm 和 LAPD 方式实现,在 A 接口上则采用七号信令的链路层协议;L3 则包括 无线资源管理 RR 子层、移动管理 MM 子层和呼叫管理 CM 子层。RR 子层在基站子系统中实现,MM 和 CM 子层则只在移动用户和 NSS 中实现(见图 1-8)。 GSM 系统 NSS 内部或者 NSS 与外部系统之间接口采用七号信令实现,底层符合七号信令标准,但是 不同接口上则可能采用不同的应用层类型,如 A 接口采用 BSSMAP,D 接口采用 MAP 规程,GSM 与 GSM 之 间采用 ISUP,GSM 与 PSTN 之间则采用 TUP 等。 1.4 GSM 网络基本特性 1.1.6 跳频 跳频是指 MS 和 BTS 采用一组频率进行信号传送,频率以突发脉冲序列为基础进行跳变,不同突发脉 冲序列上的数据采用不同的频率进行传送。 8 F1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 F2 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 f1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 f2 0 1234567012345670123 图 1-9 跳频原理示意图 如图 1-9 所示,对应时隙 3 上的突发脉冲序列分别采用 F1 和 F2 两个频率进行下行发送,采用 f1 和 f2 两个频率进行上行发送。第一个下行突发脉冲采用 F1,第二个下行突发脉冲采用 F2,第三个采用 F1,若存在 对 F1 的连续干扰,通过这样的跳变方式就能有效避免干扰,从而保证时隙 3 上所传送的数据的正确性。上行 方向传送方式与此类似。 GSM 中引入跳频技术可以对抗快衰落(瑞利衰落)和提供干扰分集。 移动通信系统中,信号传播衰耗较大,存在信号空间传播所遭受的路径传播衰耗、阴影效应造成的慢 衰落损耗和由于多径传播造成的快衰落损耗等。其中快衰落损耗是由于不同路径的信号载接收端相位叠加产生 的,它会造成信号幅度的急剧变化,对系统影响较大,并且衰落受不同的空间、不同的频率和不同的时间的影 响不同,一般符合瑞利分布或者莱斯分布。对抗多径衰落通常采用分集技术、自适应均衡技术和纠错码技术。 分集技术包括采用多副接收天线进行的空间分集、采用极化天线进行的极化分集、采用方向性天线进行的角度 分集,以及时间分集和频率分集。跳频技术就是采用频率分集防止多径衰落的重要手段。 采用跳频技术进行信息发送时,信息经由不同的频率接收和发送。如果存在对某个收发频率的连续干 扰,采用跳频方式就可以降低错误的连续性,提高传输性能,使得接收端能够接收到来自另一些频率的部分正 确信息(而不是全部错误),再通过交织和纠错码技术就可以实现信息的正确接收。目前 GSM 系统中跳频技术 是保证性能提高和容量增强的主要方式之一。 GSM 系统中可以采用两种类型的跳频方式,分别为基带跳频 BH(Baseband Hopping)和合成器跳频 SFH(Synthesizer Frequency Hopping)。使用 BH 时,每个载频固定使用同一频率,呼叫以突发脉冲为基础在不 同的载频间进行跳变,其载频的数目与跳变频率的数目必须相同,故 跳变频率数受载频数目的限制。SFH 则是呼叫由一个载频完成,但载频以突发脉冲为基础进行频率跳 变,跳变频率数目不受所配置的载频数目的限制。采用 SFH 可以提供更为灵活的跳频方式,目前对于大容量 系统,一般考虑采用合成器跳频 SFH。 跳频系统中常采用帧错误率 FER 来表示跳频性能。 GSM 系统中信号经过编码形成数据块,再经过卷积编码和交织过程,形成 8 个时隙通过无线接口传 送。采用跳频的系统,时隙通过不同的频率进行传送,从而增加了抗多径衰落的能力。在接收端实现去交织和 解码过程恢复原始的话音信号的过程中,接收端通过计算错误比特率得到 BER,通过检查接收帧中的卷积编 码的 CRC 信息或者整个数据块中的 BER(门限),可以得到帧错误率 FER。 9 1.1.7 小区重选 GSM 系统中,处于空闲状态下的 MS 将首先决定某个 PLMN 是否可以接入,在允许的情况下,将根据 所接收到的频点的 C1 值进行小区选择,只有那些 C1 值大于 0 的频点所在的小区才被考虑,当某个小区中接 收电平最大、发射功率最小时,C1 的值最大,MS 最终将定位于其中 C1 为正且数值最大的小区中。对于移动 中的的 MS,小区重选过程中需考虑速度和不同频段之间的影响,因此系统中引入时间偏移量 Penalty_time 和 数值偏移量 Cell_Reselector_Offset 参数,在 C1 的基础上采用 C2 进行控制。 C1 = (A - Max(B,0)) A = 平均接收电平 - RXLEV_ACCESS_MIN B = MS_TXPWR_MAX_CCH – P 其中 RXLEV_ACCESS_MIN 表示 MS 接入系统所需的最小接收电平 MS_TXPWR_MAX_CCH MS 接入系统使用的最大 Tx 功率 P MS 最大 RF 输出功率 所有量值的单位为 dBm。 对于 PENALTY_TIME <> 11111 C2 = C1 + CELL_RESELECT_OFFSET - TEMPORARY OFFSET * H(PENALTY_TIME - T) 对于 PENALTY_TIME = 11111 C2 = C1 - CELL_RESELECT_OFFSET 其中,对于非服务小区,X<0 时,H(x) = 0;X>=0 时,H(x) = 0 T 在最强载波上的小区中使用,当小区被 MS 置为最强载波时 T 从 0 开始计时。如果之前的服务小区 在小区重选时已被放在最强的载波列表中,则 T 将被设为 PENALTY_TIME。 CELL_RESELECT_OFFSET 为采用 C2 重选时的偏移量。当使用多频段时,它可以用以设置不 同频段的优先权。 TEMPORARY_OFFSET 在小区中 T 开始计时后,对 PENALTY_TIME 设置一个负的偏移量。 PENALTY_TIME 是 TEMPORARY_OFFSET 使 用 的 期 限 。 当 它 为 全 1 时 , 将 忽 略 TEMPORARY_OFFSET 的影响。 如 果 CELL_RESELECT_PARAM_IND 设 为 1 , 则 BCCH 上 将 广 播 CELL_RESELECT_OFFSET, TEMPORARY_OFFSET 和 PENALTY_TIME。如果 CELL_RESELECT_PARAM_IND 设为 0,则 MS 将认为 CELL_BAR_QUALIFY 为 0,此时的小区重选参数为 0,C2=C1。 这些参数用于确保 MS 位于最适合上下行收发的小区上。 10 1.5 GSM 网络中的数据业务 1.1.8 GSM所支持的业务种类  GSM 业务种类 GSM 系统所支持的业务可分为基本通信业务和补充业务两大类。基本通信业务又可以分为电信业务和 承载业务。 电信业务主要包括基本电话业务、紧急呼叫业务和短消息业务、可视图文接入和传真类业务。承载业 务则主要包括同步或者非同步的电路性数据业务等。 补充业务是基本业务的改进和补充,它必须和基本业务同时使用,而不能单独提供给用户。补充业务 包括号码识别类、呼叫提供类、呼叫完成类、多方通话类、集团类、计费类、附加信息传递类和呼叫限制类等 八种业务类型。常用的补充业务为呼叫转移、多方通话、主叫号码显示、主叫号码显示禁止、呼叫等待、呼叫 保持、闭合用户群、对方付费、闭锁特定业务类型等。  GSM 不同版本规范对业务的支持情况(表 1-4) 1991 年,GSM 网络开始初步实施,它遵循 GSM phase1 规范,所能提供的业务仅包含基本的电话业务 和紧急呼叫业务。随后,数据业务、短消息业务和有限的补充业务也逐渐出现。 随着 GSM 规范的不断改进,1995 年形成了 Phase2 规范,它可以提供更多的业务类型,如 G3 传真、 半速率话音业务、增强全速率话音业务、序列小区、增强的小区选择和重选算法、第二种加密算法以及更多的 补充业务种类。 随后 GSM 规范的新版本被称之为 Phase2+,以表示与第三代移动通信的区别。但 Phase2+并不是一个 独立的版本,它只提供增强的新业务和特征。其中显著的特征包括 14.4Kbps 数据业务、高速电路交换数据、 通用分组无线业务 GPRS、SIM 应用 Toolkit,话音分组呼叫业务、CAMEL(智能网)和优化路由等。 表 1-4 GSM 不同版本规范对业务的支持情况 1990-Phase1: 1995-Phase2: 1996-Phase2+: 基本服务 增强声音 增强服务 扩大容量 增强数据 增强用户功能 1.1.9 GSM中的数据业务 GSM数据业务的实现包括源数据编码、信道编码、比特交织、突发形成、加密、调制和发射等几个步 骤(图 1-10)。通常GSM源数据编码后的速率为12Kbps,所能提供的数据速率为9.6Kbps。 如果保持源编码和信道编码之后的数据速率 22.8Kbps 不变,而变换信道编码过程中的穿孔减码 (puncturing) 算法,就可以使每 20ms 所传送的数据比特达到 290bits, 其中 288 比特为用户数据,另外的 2bits 为状态和控制信息。这样,用户数据速率可以达到 14.4Kbps(图 1-11)。 11 数 据 输 入 数字化和源 编码 手 MS 机 收 发 天 线 8 时隙 270.8kbps 调制 13 kbps 信道编码 22.8kbps 比特交织 突发形成 加密 图 1-10 GSM系统数据业务实现方式 GSM现况 12kbps(9.6kbps 用户速率) 240比特 块编码 240+4 244比特 1/2速率 卷积编码 488比特 减码 488-32 456比特 22.8kbps Phase 2+ 14.5kbps(14.4kbps 用户速率) 290比特 块编码 290+4 294比特 1/2速率 卷积编码 588位 减码 588-132 456比特 22.8kbps 图 1-11 GSM系统中不同数据速率的形成 MSC 与其它网络的互连需要进行 GSM 传输特性和对端网络特性的适配,实现这种适配功能的单元称 为网络交互单元 IWF。IWF 相当于 Modem 池,其基本特性是提供传输和规程适配,保证 GSM 网络与分组数 据网 PSPDN、电路交换网 CSPDN、ISDN 之间的互通(图 1-12)。它可以作为 MSC 的一部分存在,也可以独立 存在。 其它网络 服务器 VLR IWF AUC HLR MSC 基站子系统 手 机 EIR EC 图 1-12 GSM与其它数据网的互联 12 计算机的输出信号中包含最大 9.6Kbps 的数据信号和一些 RS232 控制信号。控制信号也必须被 Modem 传送,从而使得 Modem 比特速率达到 12Kbps。一般来讲,计算机中的数据卡会将这些数据和控制信息转变成 为 12Kbps 的串行数据流传送到移动用户。 移动用户增加错误保护比特位后在空中接口进行传送。它类似常规的话音链路,占用一个完整的时 隙。在 BSS 去除错误保护比特位后,数据以 16Kbps 的速率将 12Kbps 的数据传送到编码器。编码器将 4 路信 号复用后以 64Kbps 的速率传送到 MSC。MSC 将通过 IWF 将信号传送到 PSTN 用户。IWF 进行速率适配,将 64Kbps 中的填充位去除,重新转换为 12Kbps 串行数据,并变换为初始的 9.6Kbps 的数据和控制信号,并转发 到 IWF 中的 Modem(图 1-13)。 PSTN 9.6kbps Modem IWF 12(64)Kbps 速率适配 MSC 12(64)kbps RXCDR 12(16)kbps DTE 9.6Kbps 数据和控制信号 PCMCIA 12kbps 手 机 BSC 12(16)kbps BTS DTE 图 1-13 数据在空中接口的传送 13 2 第二章 数据通信基础 2.1 数据交换技术 传统意义上的通信多采用电话通信方式,它主要提供人与人之间的话音通信。随着计算机技术的发展,人 与计算机或者计算机与各种数据终端之间的通信量增加,数据通信技术也获得了较大发展。 2.1.1 电话通信和数据通信 电话通信主要用于传送话音信息,如传统的电话业务。用户使用电话终端接入交换系统,随后,信息 通过多级时分或者空分转换方式进行转发,交换到固定的出中继电路或者用户去。早期的程控模拟交换机不需 要进行话音的模数转换,而对于程控数字交换机,则首先通过模数转换过程将模拟话音信号进行 PCM 转换。 整个通话过程中用户之间存在固定的通信链路,只有在通话完成后才拆除通信线路,这种链路分配方式可以保 证通话质量,但是资源使用效率较低。 数据通信通常指人与计算机之间或者计算机与计算机之间的通信。数据通信要求的误码率较低,通信 速率、编码格式以及通信规程之间存在较大差异,对时延和信息长度的要求也不同。但是由于可以实现统计复 用,其数据传送效率较高,比较适合于某些延迟和吞吐量变化较大的场合。 话音通信和数据通信技术具有不同的特点,它们的传送方式和处理方式也各不相同。话音通信采用电路 交换方式,而数据通信则除电路交换方式外,还可采用包文交换、分组交换,以及高速分组交换与信元中继等 技术。 2.1.2 数据交换技术  电路交换 在通信过程中占用专用的电路连结或者频带宽度的方式称为电路交换,如拨号上网。电路交换类似传 统的电话交换方式,即数据传送时,系统为主被叫用户之间分配一条专用的物理传送通路,并且无论是否有数 据传送,通路都将一直保持,直到双方要求拆除电路为止。在 GSM 系统中,每个移动用户通话时固定占用一 个时隙,所以一个载频最多只能被八个用户同时占用。 电路交换方式可采用公共交换网络如 PSTN 或 DDN。对于话音业务和固定比特率的数据业务来讲,电 路交换方式能够保证业务的带宽需求,所产生的延迟较小,因而可以保证通信的质量。但是电路交换方式具有 一定的局限性,如接续时间长、信息传送时延小、电路利用率低等,所以比较适合于数据量较大或者通信对象 比较确定的用户。  报文交换 报文交换采用存储-转发方式进行数据传送。它无需电路接续过程,可以实现一条传输通路上的复用, 从而提高了信道利用率。但是它的通信时延大,时延变化也较大,实时性差;并且报文长度不固定,处理系统 比较复杂,因而适用于公众电报和电子信箱业务。  分组交换 14 分组交换也采用存储-转发方式传送,它是将需要传送的信息划分为一定长度的包,即分组,然后以分 组为单位进行存储转发。每个分组信息都载有接收地址和发送地址的标识,在传送数据分组之前,必须先建立 虚电路,然后依序发送。分组方式所传送的信息单元的长度相对较小,且格式统一,便于存储和处理,传送时 延小,实时性能高。 如图 2-1 所示,发送侧交换机先将数据进行缓存,再将数据转发出去,接收侧交换机也将所受到的数据 进行缓存之后转发到收信终端。 发信终端 交换机 交换机 收信终端 1.发出分组 存储器 公用线路 2.传送分组 存储器 存储器 接收分组 存储器 图 2-1 分组数据传送三步示意图 X.25 为分组交换系统的网间接口规程。其协议规称如图 2-2 所示: 图 2-2 X.25规程栈 15 分组方式在线路上采用动态复用的技术来传送各个分组,带宽可以动态复用,信道利用率高;传送过 程中分组可以独立进行路由寻址,可靠性高;在分组交换方式中,由于能够以分组形式把发送终端的数据信息 暂存在交换机的存储器内,在交换机内进行各种变换处理,从而很容易地实现不同速率、码型和规程的终端间 的通信,这为不同种类的终端相互通信提供了方便。它还可以提供分组多路通信,按信息量方式计费,能与公 用电话网、用户电报及低速数据网和其它专用网互联。 分组交换中每个分组信息都要携带目的地等信息,其附加信息多,对交换机的处理能力要求高。  虚电路和数据包 分组穿过网络到达终点的方式有两种,即虚电路和数据报。 虚电路方式下,系统为需要进行通信的用户建立逻辑链路,用户所发送的数据将按顺序通过网络到达 终点。在一条实际的电路上传送许多对用户终端间的数据而不互相混淆的基本原理是将一条电路分成若干条逻 辑信道,对应每一条逻辑信道有一个编号,称为逻辑信道,将两个用户终端之间的若干段逻辑信道经交换机连 接起来构成虚电路。 存在两种类型的虚电路,交换型虚电路(SVC)是在发送前通过信令或者请求信息建立的动态连接,而 永久型虚电路(PVC)则是预先所建立的永久连接。 虚电路方式需要经过逻辑链路的建立、保持和清除阶段,但是在链路上所传送的分组不含有详细的目 的地址,只需指明需电路的逻辑信道号,这样选路比较简单;并且系统按照动态按需分配的原则来保证各个数 据终端通信的流量,在终端没有数据传送时,仍可以将链路资源分配给其它用户使用,这样提高了信息利用 率。虚电路方式适合于较长报文的传送,并多用于面向连接的数据业务。 数据报方式下,每个分组作为报文进行独立寻址,分组中带有详细的目的地址,可经过不同的路由传 送到目的地,再按其顺序号重新组装。数据报方式具有迅速、灵活的特点,它不需要逻辑链路的建立和清除过 程,但是具有较大的传输时延和时延差别,无法保证分组的顺序到达。  高速分组交换 X.25 协议采用流量控制和差错校验机制来提高数据传送的可靠性,但同时也加大了系统的处理负担, 使得交换机的吞吐量和中继速率受到限制,其逐段转发的方式也会带来较大的网络传送时延。随着高速和宽带 技术的发展,数字传输信道的抗干扰性误码率和带宽等性能进一步提高,终端设备和网络节点的智能化程度也 进一步加强,因此新一代的分组交换规程可以克服 X.25 协议的缺陷,并能够最大限度地提高吞吐量和减少分 组传输时延,更加适合于数据性业务和语音、图像等业务的应用。 高速分组交换技术分为帧中继 (Frame Relay)和异步传送模式(ATM)两种。 帧中继技术只采用物理层和部分链路层来执行交换功能,不需要进行第三层的处理;帧中继的帧头部 分大大简化,减少了用于帧处理部分的时间,并且帧中继规程本身只检验数据不重发数据,其信息长度不受限 制,可以用于承载各种通信规程,为网络互连提供了方便性。帧中继规程与 X.25 协议的区别如图 2-3 所示。 16 应用层 表示层 进程层 传送层 分组层 分组层 链路层 链路层 链路层 物理层 物理层 物理层 X.25 OSI 模型 帧中继 图 2-3 X.25协议与帧中继规程的区别 异步传送模式是采用以信元为单位进行传送的一种技术。信元主要由两部分组成,即信元头和信元净 荷。信元头所包含的是地址和控制信息,信元净荷是用户数据。信元的长度是固定的。采用信元方式,网络不 对信元的用户数据进行检查,但是信元头中的 CRC 比特将指示信元地址信息的完整性。如果地址信息被丢 失,网络将不能传送信元的用户数据。信元传送方式如图 2-4 所示。 ATM 采用 53 字节的规定信元长度进行传送,以便简化处理,加快传输和交换效率,并实现网络服务 质量的保证。 分组交换、帧中继和 ATM 交换方式的比较关系如表 2-1。 帧中继 数字PCM信号 视频信号 适信物 元 配交理 换 层层层 分组 信元交换层 物理层 固定长度信元 物信适 元 理交配 换 层层层 图 2-4 信元方式示意图 表 2-1 分组交换、帧中继和ATM交换方式的比较关系 特性 技术 统计复用 吞吐量 时延 时延可变 分组交换 是 低 大 是 17 帧中继 是 较高 小 是 ATM 是 高 小 变/不变 服务类型 用户接入速率 信息单元定长 信息单元长度 开销 传输介质 面向连接 2400bit/s-64kbit/s 不固定 缺省值 128 字节 较低 模拟/数字电路 面向连接 面向连接 无连接 64Mbit/s-2Mbit/s Nx64kbit/s-622Mbit/s 不固定 可变 最低 数字微波/光缆 固定 53 字节 较高 光缆 2.2 帧中继技术 帧中继技术是在 OSI 第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术。帧中继仅完成 OSI 物理 层和链路层核心层的功能,流量控制、纠错等功能留给智能终端去完成,大大简化了节点机之间的协议;同 时,帧中继采用虚电路技术,能充分利用网络资源,因而具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等特点。 2.2.1 帧中继的技术特点 帧中继技术使用一组规程将数据信息以帧的形式进行传送。它使用逻辑连接传送数据信息,并通过一 个物理连接上的多个逻辑连接来实现带宽的复用和动态分配。帧中继协议简化了 X.25 的第三层功能,仅采用 物理层和链路层的两级结构,使网络节点的处理大大简化,提高了网络对信息处理的效率。它省去了帧编号、 流量控制、应答和监视等机制,大大节省了交换机的开销,提高了网络吞吐量,降低了通信时延。帧中继链路 层实现统计复用、帧透明传输和错误检测功能,但不提供发现错误后的重传操作。它提供了合理的带宽管理和 拥塞控制的机制,允许用户有效地利用预约带宽以及部分空闲带宽,以提高整个网络资源的利用率。FR 与分 组交换一样,采用面向连接的交换技术,采用 SVC(交换虚电路)和 PVC(永久虚电路)进行数据业务的传送。 帧中继规程适于进行突发性业务的传送。 2.2.2 帧中继规范 有 3 个标准组织与帧中继规范有关系: ITU-T International Telecommunications Union (Formally the CCITT) ANSI American National Standards Institute FRF Frame Relay Forum 其中在 1991 年由 Cisco,Digital,Nortel,StrataCom 四家公司所发起的帧中继论坛 FRF(Frame Relay Forum) 扩充了 ITU-T 的帧中继协议规范,使得其更加通用。FRF 所发展的部分为本地管理接口-LMI。 2.2.3 帧中继交换 帧中继网络由帧中继节点设备及交换设备组成,如图 2-5 所示。一般帧中继节点设备被称为 DTE , 帧中继 交换设备被称为 DCE 。帧中继交换网用以提供网络节点设备之间的虚电路连接,进行数据流的传送。 DCE 与 DTE 之间一般通过 TDM 电路连接,其中的部分或者全部电路被分配给帧中继设备,用于承载永久 虚电路 PVC。PVC 是两个接入设备之间的逻辑点到点链路,它由 DLCI 进行本地标识。当设备间发送数据帧 18 时,PVC 可以使用整个所设定的帧中继带宽用于传送。如果带宽在使用中,数据帧将被缓存在一个缓存区中, 直到带宽可用为止。 帧中继不检查帧的具体内容,也不对数据帧进行任何修改。网络中每个节点上都需要检测 DLCI 值以确定 数据帧是否需要转发,它通过帧头拆封和重新封装完成。这个过程中帧头的 CRC 需要重新计算,如果传送过 程中检测到 CRC 错误,数据帧将直接被丢弃,而不用通知最终用户。 帧中继 交换机 接入 设备 用户 接入 设备 帧中继 交换机 接入线路 帧中继 交换机 帧中继 交换机 接入 设备 用户 图 2-5 帧中继交换网 2.2.4 帧中继数据包格式 1 标志位 2-4 1-4096字节 2 包头 信息 FCS 1 标志位 DLCI(MSB) C/R EA0 DLCI(LSB) FECN BECN DE EA0 图 2-6 帧中继数据包格式 ITU-T Q.922 规范描述了在 UNI 接口传送的二层 HDLC 数据帧的格式( 图 2-6)。它包括一对标志位、一组头信息,以及用户数据域和帧校验序列域。 标志位用于进行帧定位,它为固定的 01111110(7E)序列。如果用户数据中包含同样的序列,就需要通过比 特填充技术予以区分。具体实现方式为发送端在连续五个 1 之后插入一个 0,接收端再对连续五个 1 之后的 0 予以去除即可。 地址头域长度可以为 2、3 或者 4 个字节,缺省为 2 字节。其中 DLCI 用于标定虚电路,它仅在本地使用, 只有点到点的意义,通路上交换机通过交换 DLCI 进行数据转发。其长度为 10 比特,意味着每个接口上有 1024 个 VC 地址可以使用,但是一些值被用于管理功能,所以实际可用数目略小。C/R 指示位为命令/响应指示 位,帧中继规程对它没有定义,所以 C/R 值将被网络透明传送。扩展地址 EA 用于指示帧头中是否包含另外的 地址比特。FECN 和 BECN 分别为前向直接拥塞指示位和后向直接拥塞指示位,用于向目地端和源端报告通路 上的拥塞情况。丢弃位 DE 用于通知网络在拥塞情况下此数据帧是否被丢弃。 19 信息或用户数据域包含所要传送的数据,最大为 4096 字节(规范规定为 8192 字节,但是对于大于 4096 字 节的数据帧,16 比特的 CRC 不起作用)。用户数据在网络中透明传送,它可以包含不同类型的规程数据单元 PDU。 帧校验序列 FCS 用于进行错误检测,以确保数据的正确接收。它包含两字节的 CRC 信息。FCS 检查数据 帧中除了标志位以外的所有比特位。如果数据帧中的 FCS 出错,数据帧将被丢弃和重传。每次地址域改变都 需要重新计算 FCS。 2.2.5 帧中继基本概念  虚电路 在网络接入设备之间建立一条用以传送数据帧的虚连接,仅在数据传送时才占用资源。一般由网络动态设 定。在故障情况下,网络可重新设定虚连接。  DLCI 在用户与网络接口之间标识一个 PVC 的端点的数值。仅具有本地意义。 表 2-2 DLCI的取值范围 0 1-15 16-991 992-1007 1008-1023 ITU/ANSI 信令 保留 PVC 使用 保留 保留 0-15 16-1007 1008-1018 1019-1022 1023 LMI 保留 PVC 使用 保留 多播 信令 由表 2-2 可知,对于 ITU/ANSI,通常可用 DLCI 范围为 16-991,而对于 LMI,可用 LMI 范围则为 161007。了解这点对于数据配置十分重要。  UNI 接入设备 UNIITU(CCITT) 接入设备 UNI-LMI 接入设备 UNI-ANSI 帧中继交换 机 接入设备 用户网络接口,其接口种类如 UNI-无(No Protocol) 20 图 2-8 所示。 UNI 信令规程检查帧中继接入设备与交换机之间接口状态和 PVC 状态,即实现链路完整性检查(LIV),如 图 2-7。DTE 端发送状态请求信息,如果收到 DCE 端回送的状态响应信息,则表示链路工作状态正常。 DTE 接入设备 状态请求 DLCI 0 (ITU/ANSI)或 1023 (LMI) 状态响应 图 2-7 LIV过程 DCE 帧中继交换机 接入设备 UNIITU(CCITT) 接入设备 UNI-LMI 接入设备 UNI-ANSI 帧中继交换 机 接入设备 UNI-无(No Protocol) 图 2-8 UNI接口  NNI 两个网络之间的接口。可通过此接口提供网络间 PVC 状态的更新信息。如图 2-9 所示。 接入设备 ITU-UNI 公共帧中继网 公共帧中继网 接入设备 UNI UNI LMI用户 ITU用户 LMI-本地管理接口 专用帧中继网 接入设备 UNI ANSI用户 图 2-9 NNI接口 21 LMI 提供接入设备和网络之间的接口管理。作用之一为产生设备之间的―Keep Alive‖信令;作用之二为提 供网络的健康信息。 帧中继接入设备周期性地查询网络并期待回应。接收到回应,则认为接口处于激活状态。这种查询称为短 期查询;几个短期查询后,接入设备将发送一个状态请求信息询问网络的详细 DLCI 激活、去除等信息。这种 过程称之为链路完整性确认(Link Intergrity Verification)。 LMI 管理过程(如图 2-10): 用户每 T391 发送一次状态查询信息,若收到回应,说明接口激活,N391 次后用户发送一个―Full Status Enquiry(完全状态查询)‖, 查询网络中 DLCI 的详细情况。 网络侧每 T392(>T391)间隔期待一次状态查询信息,若没有则记录一次错误(用于与 N392 比较)。 网络侧若连续受到状态查询信息 N393 次,则认为链路正常。 网络侧若连续未受到状态查询信息>N392 次,则链路不正常。 DTE DCE 状态查询 状态查询 状态 (链路状态) 状态查询 T391 T391 N391 (完全状态计 数器) 状态查询 状态 (链路状态) 完全状态查询 T391 T391 完全状态(PVC状态) 图 2-10 LMI 周期性状态查询过程 2.2.6 数据传送控制变量 22 比特 Bc+Be 丢弃包 接入速率 超过Bc+Be 的包被丢弃区 可能的包丢 弃区 Bc 帧1 DE=0 比特 Bc+Be 帧2 DE=0 CIR 帧3 DE=1 帧3 DE=1 图 2-11 数据流控制 发送区 帧4 接入速率 丢弃包 超过Bc+Be 的包被丢弃区 可能的包丢 弃区 Bc CIR 帧1 帧2 帧3 帧3 帧4 DE=0 DE=0 DE=1 DE=1 图 2-11 为帧中继网络中的数据控制变量示意图。 CIR 许诺信息速率 bps Bc 承诺突发量 比特(Tc 范围内) Be 附加突发量 比特(Tc 范围内) Tc 时间间隔 假设为 1s 发送区 Bc = Tc * CIR Tc = Bc / CIR 23 - 承诺突发量(Bc) 在时间间隔 Tc 期间,一个用户可能向网络提供的最大承诺 数据总量。 - 附加突发量(Be) 在时间间隔 Tc 期间,用户能超出 Bc 的最大允许的数据总量。通常以比 Be 低的概率传送该数据(Be)。 - 承诺速率测量间隔(Tc) 允许用户只送出承诺的数据总量(Bc)和超过的数据总量(Be)的时间间隔。通过计算得到,Tc=Be/CIR. - 承诺信息速率(CIR) 在正常情况下提交网络传递的信息传递速率。该速率是在时间 Tc 的最小增量上求得的平均值。 因为一条 PVC 通常为多个用户使用,所以服务商需根据客户需要提供带宽。在确保服务质量的前提下提 供给用户的吞吐量为 CIR,即客户在这个速率范围内传送的任何数据包不会产生任何丢失;但鉴于帧中继设备 的统计复用特性以及数据包的突发性,实际允许用户在一定程度上发送更多的数据量,但超过部分的服务质量 不能保证,即有可能产生数据包丢失。给用户规定的在一定范围内(Tc)允许传送的最大数据量为 Bc , 即 Bc=Tc * CIR,规定数据量可超出 Bc 达到 Be 范围,但在 Tc 范围内超出 Bc 部分所发送的数据包将被标明可能丢失 (DE=1);若数据量超出 Bc+之外,数据包可能通过网络但可能会造成丢失;若在 Bc+Be 之上发起的数据帧将 被丢弃。 2.2.7 拥塞控制 拥塞控制机制用以防止网络拥塞并提供网络拥塞恢复功能。 帧中继规程提供透明和非确认的数据帧传送,网络只修改地址和 FCS 域,以保证用户数据收发的准确 性。如果由于网络中交换机故障、物理层故障、交换机拥塞和端口拥塞等原因造成拥塞,交换机将使用 BECN/FECN 通知收发侧 的接入设备,以提醒用户采取行动限制数据帧的发送速率。 接入设备 A BECN 交换机 BECN DE=1 由于话务过多,缓存 开始溢出 接入设备 B FECN FECN FECN FECN 图 2-12 拥塞控制示意图 如图 2-12 所示,如果接入设备在接收到 BECN/FECN 之后仍然发送数据,使得网络端口产生拥塞,交换机 将会将 DE 标志位为 1 的数据帧丢弃,这可能引起最终用户对所丢弃的数据帧的重传并使得交换机的拥塞加 24 剧。如果发生这种情况,设备将开始丢弃非 DE 帧。各厂家对这种情况的处理机制也并不相同,例如,首先 4 个帧中丢弃 1 个,再从 3 个帧中丢弃 1 个,再从 2 个帧中选择 1 个,这样使得缓存单元清空或者重启。 2.3 TCP/IP 原理及其应用 Internet 提供了计算机之间和网络之间的互联和信息共享,使得人与人之间的交流手段更加多样,信息 的提供也更加简单。从 LAN 到 WAN,以及到 Internet 的演进,不只是网络组成方式的转变,更多的则是协议 规程和网络体系的变化。局域网(LAN)作为一种快捷、方便的手段提供短距离范围内的计算机设备的连接,它 采用 Token Ring 或者 Ethernet 规程提供网络连接,速率高达 10Mbps、100Mbps 甚至 1Gbps;通过广域网(WAN) 将多个 LAN 互连,LAN 的连接和应用范围进一步扩展。应用于 WAN 的规程包括 X.25 和帧中继等协议;而 Internet 则实现了多个 WAN 的互联,使得整个世界联为一体。TCP/IP 协议就是作用于 Internet 的互联网规程。 十九世纪 70 年代后期,美国国防部开始组建 ARPANET,用于提供网络互联。为了保证互不兼容的软 硬件之间的连接,随后开发了 TCP/IP 协议。TCP/IP 协议则于 1979 年被美国国防部强制作为网络互联的标准, 从而诞生了 Internet。后来美国国防部与加利福尼亚大学联合在伯克雷版本的 UNIX 上开发了 TCP/IP,使得 TCP/IP 与 UNIX 紧紧联系起来。1985 年,美国国家科学基金会建立了 NFSNet,并逐渐演变成今日的 Internet。但是 Internet 并不是一个商业产品,它仍然是一个大的研究项目,工作报告、规程建议等作为说明请 求 RFC(Request for Comments)存在,并由网络信息中心(NIC)以电子版方式通过 Mail 或者 Internet 发送到相关 团体手中。 2.3.1 TCP/IP规程结构 TCP/IP 协议为四层结构,从高到低依次为应用层、传输层、网络层和网络接入层。从 OSI 规程结构上 讲,应用层对应第四层以上规程,传输层则对应第四层规程,网络层对应第三层规程,网络接入层则对应于物 理层和链路层规程。其对应关系如表 2-3。 应用层应用不同主机之间应用进程间的通信来提供服务。常用的应用层协议包括远程登录协议 Telnet、文件传送协议 FTP、TFTP 和网络文件系统 NFS、简单网络管理协议 SNMP、简单邮件传送协议 SMTP、超文本传送协议 HTTP、域名解析系统 DNS、动态主机配置协议 DHCP 等。 传输层为应用层提供端到端的连接。TCP/IP 传送规程包括传输控制协议 TCP 和用户数据报协议 UDP 两种形式。其中,TCP 提供面向连接的服务,需要经过链路建立过程,并且采用传送确认和流量控制机制保证 数据报的可靠传送;而 UDP 则提供无连接服务,协议相对简单。不同的应用层进程采用不同的传输层协议, 如 Telnet、SMTP 和 FTP 使用 TCP 规程,而 TFTP 和 SNMP 则使用 UDP 规程。 网络层采用路由协议提供主机间数据的传送,常用的网络协议为 IP。IP 协议提供寻址功能,但不提供 可靠性、流控和错误恢复功能。其配套协议还包括地址解析协议 ARP、反向地址解析协议 RARP 和 Internet 控 制报文协议 ICMP 等。 网络接入层用于提供网络硬件接口,常用规程包括 Ethernet、Token Ring 和 FDDI、X.25、帧中继和 ATM 等。 25 表 2-3 TCP/IP规程与OSI对应表 OSI 模型 应用层 传输层 网络层 物理层/链路层 ICMP TCP/IP 规程 应用层 传输层(TCP 层) 网络层 IP 层 网络接入层 说明 进程或者应用 进程间的端到端的交换 RARP/ARP 主机间数据交换(不考虑网络) 同一网络上设备间的数据交换 不同进程间通信时,上层业务必须利用下层业务所提供的服务。用户数据也需要经过下层业务的支持 传送到对端相应层的进程中。这个过程中,各层在传送到低层之前,都需要添加各自的控制信息。其过程示意 如图 2-13。 封装 用户数据 信息 (Message) 主机-主机数 据(Packets) IP数据包 (Datagrams) 网络帧 进程 主机-主机 Internet 网络接口 TCP-H 用户数据 TCP Segment IP-H TCP-H 用户数据 NI-H NI-H IP Datagram IP-H TCP-H 用户数据 Network frame/ packet IP-H TCP-H 用户数据 图 2-13 TCP/IP层结构 不同的应用层或者进程采用 16 位端口号来表示。源主机必须知道目的进程的端口号才能进行通信。一 些标准的端口号被称为著名端口号 ,即―Well Known Ports‖,其范围为 1-1023。但是多数情况下仅服务器端使 用著名端口号,发起请求的客户端只要随机选择一个大于 1024 的端口号就可以了。 IP 包头中的 8 比特用以表示 IP 数据报中所封装的规程的类型,如 06 表示 TCP,17 表示 UDP,01 表 示 ICMP 等。如图 2-14。 主机地址用以表示特定网络中的某一主机,它使用 IP 地址,其格式为 32 比特,以点分割表示。如 122.45.2.5。 物理地址即硬件或者 MAC 地址,为 16 进制的 48 比特值。硬件地址通常通过网络接口卡上的开关或 者软件设定。ARP 和 RARP 协议用以进行 IP 地址和硬件地址之间的相互解析。 26 图 2-14 端口和地址 2.3.2 传输层 传输层主要提供应用层之间端到端的通信,它包括 TCP 和 UDP 两种规程。UDP 规程提供无连接、不 可靠的业务,它允许在没有预先建立连接的情况下传送数据,数据报传送过程中也无需进行确认。而 TCP 提 供面向连接的服务,它增加了大量包头信息(overhead)以提供确认、流控、时限和连接管理等功能。 收发端之间所传送的 MTU 包括 LAN/WAN 帧头、信息域和相应的尾比特(帧结束标志以及 CRC)。IP 地址用于进行到特定主机的寻址。数据包头中的规程域表示数据报传送所使用的规程类型,如 TCP 或者 UDP。 TCP 和 UDP 可以支持多种应用类型,如图 2-15 所示。为了将用户数据传送到相应的应用规程,每个 传输层 PDU 的包头中有一个地址域,称为规程端口号。使用 TCP/IP 时,应用层的地址应为主机的 IP 地址加 上规程端口号。 27 规程栈 Telnet SMTP FTP TETP SNMP DNS TCP UDP IP 信息格式 网络物理媒体 LAN/WAN 包头 IP 包头 TCP/UDP 包头 用户数据 LAN/WAN 尾 图 2-15 TCP/UDP应用 TCP/IP分层规程中使用复用和解复用技术。当数据发送时,源主机使用一些比特对信息类型、始发进 程和所使用的规程进行编码,然后将所有信息放入网络帧进行传送。网络接口层根据帧类型域对所接收到的数 据帧进行解复用处理。解复用后的IP数据报将被传送到IP模块,IP软件分解数据报并根据规程地址进一步解复 用后传送到下一模块,例如TCP层,TCP根据进程地址将数据传送到相应的应用层。 这里包含三种地址信息。即主机地址、规程地址和进程地址。主机地址作用在IP层,为32位地址;规 程地址存在于IP包头中,为8比特,用于指示所使用的传输层规程。每个规程具有一个著名端口号,如TCP为 6。进程地址存在于传输层,进程(应用)间通信时,每个进程需要通过一个或者多个端口向传输层标识自己。 端口号为16比特数,被传输层用于指示数据所要传送的应用规程或者进程类型。UDP和TCP都在目的端口使用 著名端口号指示所需的业务。 2.3.2.1 UDP规程 UDP不提供数据报的确认、不进行发送数据报的排序、不提供任何流控机制,所以可能产生丢包、包 重复和乱序,并且由于没有流控机制,收据包的发送速度可能超过接收侧的处理能力。 UDP提供IP层到应用层的接口。除了用户进程 ,每个UDP信息还包含目的端口号和源端口号,以保证 UDP软件发送信息到正确的接收端。UDP软件从IP软件接收UDP数据包并基于UDP端口地址予以复用。UDP对 用户数据增加包头后传送到IP层,IP层对UDP数据包增加包头后,由网络接口层进行数据包的封装并传送出 去。在接收侧,数据包将在每层去除包头并进行相关处理后被传送到高层协议。各层的处理过程与发送侧的处 理过程基本类似。  UDP包格式 每个UDP信息被称为用户数据报或者UDP数据报,它由两部分组成,即UDP包头和数据域。UDP包头 分为4部分,即源端口、目的端口、长度和校验位,如图 2-16。 28 源端口为 16 比特,为可选项,它表示发送进程端口,是接收端回应信息的发送端口。目的端口为 16 比特,表示目的进程的端口号。UDP 长度为 16 比特,表示 UDP 数据报中所包含的包头和数据的总字节数,其 最小长度为 8。校验位为 16 比特,为 0 时表示未使用。 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 45 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 源端口 UDP 长度 目的端口 UDP 校验和 8 字节 图 2-16 UDP包格式 2.3.2.2 TCP规程 TCP通过进程间的逻辑连接提供端到端的可靠数据传送。对于大量数据的传送,TCP规程可以提供错 误监测和故障恢复机制。TCP连接中的每个进程由套接字Socket为以标定:IP Socket =(IP地址,端口号)。其 中,端口用于将所接收到的数据复用到相应的高层进程。使用TCP时,一对套接字Socket 唯一标定一个连接。  TCP包格式 TCP间所传送的数据单元称为TCP数据包。TCP数据包用于建立连接、传送数据、发送确认、提供窗口 大小信息和关闭连接等。TCP对所接收到的信息将及时予以确认。TCP数据包可分为TCP包头和来自应用层的 数据两部分。其格式为图 2-17。 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 45 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 源端口 目的端口 序列号 确认号 20 字节 头部信息 保留 标志位 窗口大小 TCP 校验和 选项(可变) 数据(可变) 紧急指针 图 2-17 TCP包格式 源端口和目的端口各为16比特,用于表示应用层的连接。源端口表示产生数据包的应用层进程,而目 的端口则表示数据包所要到达的目的进程。 序列号为32比特。表示数据流中的字节数。序列号为首字节在整个数据流中的位置。初始序列号随机 产生,并在连接建立阶段予以同步。 确认号表示序号为确认号减去1的数据包及其以前的所有数据包已经正确接收,也就是说它相当于下一 个准备接收的字节的序号。 头部信息为4比特,用于指示数据起始位置。由于TCP包头中可选项的长度可变,因此整个包头的长度 不固定。如果没有附加字段,则TCP数据包基本长度为20字节。 29 标志位为6比特,它包括URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN。标志位用于确定数据包的用途和内 容。其中,URG指针用于表示紧急指针的合法性;ACK用于进行数据接收确认。PSH为Push标志,用于立即将 数据传送到应用层;RST为复位标志,表示错误发生并且连结需要强制关闭;SYN为同步标志,用于两个节点 连结建立初期进行同步;FIN为结束标志,用于终结TCP连接。当一端设备没有更多的信息传送时,它发送带 有FIN标志的数据包,当连结双方都设置FIN后,连接将被关闭。 窗口为16位,表示源端主机在请求接收端等待确认之前需要接收的字节数。它用于流量控制,窗口大 小根据网络拥塞情况和资源可用性进行增减。 校验位,16位,用于检查TCP数据包头和数据的一致性。 紧急指针,16位。当URG码有效时指向紧急数据字节。 可选项,存在时表示TCP包头后还有另外的4字节数据。TCP常用的选项为最大数据包大小MSS。  TCP连接建立过程 TCP/IP 通信的建立采用三步握手方式完成。发送侧首先发送一个带有 SYN 标志位的 TCP 数据包请求建立 连接,接受侧通过包含 SYN 标志位的 ACK 数据包予以确认。发送侧在接收到 ACK 数据包后,回送包含 SYN 标志位的 ACK 数据包到接收侧后,连接建立完成(图 2-18)。如果发送侧在接受到 ACK 消息后,不再发送最后 的 ACK 消息,三步握手就无法完成,连接处于半连接状态。这种情况下,接收侧将重发 SYN+ACK 数据包, 并在队列中排队等待,直到 SYN 计时器超时才放弃等待 SYN 包。 客户端 SYN ACK 服务器端 --------> <-------- SYN-ACK --------> 图 2-18 TCP连接建立过程  TCP连接终止过程 如图 2-19,一侧通过发送带有 FIN 标志的数据包表示本侧数据传送完毕,并请求关闭 TCP 连接。TCP 连接具有全双工性,它具有两条独立的数据流,FIN 仅表示关闭一个方向上的数据流,而另外一个进程仍可以 继续未完成的数据传送过程,当传送完成后它发送带有 FIN 的数据包,这样链路才能够完全关闭。 为了防止 FIN 在接收到最后一个数据字节之前到达,接收侧在收到 FIN 之后将等待最后数据到达,然 后才考虑关闭连接。另外,为防止数据包丢失或者被破坏情况,需要采用与 FIN 相同序号的 ACK 信息对 FIN 予以确认。 30 主机A FIN DATA DATA ACK FIN ACK ACK 主机 B 图 2-19 TCP连接终止过程 2.3.3 IP层 IP层作为网络层,提供网络地址和路由选择功能,同时相应于协议的分层结构,IP层还提供上层数据 报的封装、分解和传送功能,保证不同大小的数据报都能够通过IP网传送。 IP层提供不可靠的连接,它不保证数据报的顺序传送,而是由上层来提供错误检测和丢包重传工作。 IP层最重要的概念是IP地址的结构和路由选择方式。 IP地址用以表示网络上特定的主机,其构成由网络号和主机号两部分共32比特组成。考虑到网络的不 同规模,定义了5 种不同的地址类别,分别为A、B、C、D、E类。其中D类地址表示多播地址,E类地址保留 将来使用,A、B、C类地址则主要用于普通主机的地址表示。A类地址用于主机较多的网络, C类地址则用于 主机较少的网络。 为了方便使用,IP地址被分为4个部分,每部分1个字节,可以用二进制或者十进制方式表示,其格式 举例为:10000000 00000011 00000010 00000011 = 128.3.2.3 。各类地址的组成格式如图 2-20示。 A类地址采用8比特表示网络号,其余24比特用于表示主机地址,可提供最大126个网络,每个网络中 最多16777214个主机。 B类地址采用16比特表示网络号,其余16比特表示主机地址,可提供最大16384个网络,每个网络中最 多65534个主机。 C类地址采用24比特表示网络号,其余8比特表示主机地址,可提供最大2097152个网络,每个网络中 最多254个主机。 各类 IP 地址所包含的具体 IP 地址如图 2-21 所示。 对于所有为‖1‖ 或者―0‖的网络或者主机地址,都保留作为广播地址或者网络号,不再用作主机地址。 其中,全1表示自己网络上所有主机的广播地址,主机号为1则表示相应网络上的广播地址。全0表示主机未知 或者网络未知。 127.0.0.0网络和所有网络号大于223的网络都予以保留。127网络作为内部环回测试使用,如主机自身 可用127.0.0.1表示。 31 一 些 网 段 作 为 私 网 地 址 供 企 业 等 用 户 独 立 使 用 , 如 网 络 号 10.0.0.0 、 网 络 号 172.16.0.0 和 网 络 号 192.168.255.0等。 A类 1-126 字节 1 0 网络号 字节 2 字节 3 主机号 字节 4 字节 1 B类 128-191 10 字节 2 网络号 字节 3 主机号 字节 4 C类 192-223 字节 1 110 字节 2 字节 3 网络号 字节 4 主机号 字节 1 D类 223-239 1110 字节 2 字节 3 Multicast Address 字节 4 字节 1 E类 240-254 1111 字节 2 字节 3 预留未来使用 字节 4 图 2-20 IP地址种类 网络 A 类第一个网络 A 类最后一个网络 B 类第一个网络 B 类最后一个网络 C 类第一个网络 C 类最后一个网络 网络号 1.0.0.0 126.0.0.0 128.1.0.0 191.254.0.0 192.0.1.0 223.255.254.0 第一个主机地址 1.0.0.1 126.0.0.1 128.1.0.1 191.254.0.1 192.0.1.1 223.255.254.1 最后一个主机地址 1.255.255.254 126.255.255.254 128.1.255.254 191.254.255.254 192.0.1.254 223.255.254.254 图 2-21 IP地址范围 子网和子网掩码 早期采用 A 类到 C 类地址时,并没有考虑到网络的快速增加。根据当初的划分方法,IP 地址只能提供 有限个数的网络使用,并且存在地址空间浪费的问题,如一个 B 类地址被分配后,假设所使用的网段上只有 1 万台主机,则其余 5 万多个地址号就无法再被其它网络使用。因此,通过将某几个主机位作为网络号进一步细 分网络,可以使网络组成和使用更加灵活有效。 IP 地址通常由 IP 地址和子网掩码共同组成,A 类、B 类、C 类地址缺省掩码分别为 255.0.0.0、 255.255.0.0、255.255.255.0,其中 1 所对应的部分表示网络地址段,0 所对应的部分表示主机地址段。 32 . . . 213 67 101 28 C类地址 . . . 255 255 255 240 子网掩码 . . . 213 67 101 16 网络 213.67.101 网络掩码 16 主机 12 图 2-22 子网及其掩码 使用掩码后 的结果 IP 数据报 一个完整的 IP 数据报包括用户数据及其附加包头部分,包头部分具体由 TCP/UDP 包头、IP 包头和接 入层包头三部分组成(图 2-23)。TCP/UDP 包头包含传送层相关信息,IP 包头包含相关的路由信息和其它选项, 底层如果采用 Ethernet 传送,则 LAN 包头中包含 MAC 地址等相关信息。 MAC 地址 LAN 包头 IP 包头 TCP 包头 用户数据 IP 地址 图 2-23 数据包组成 IP 数据报格式和字段意义为(图 2-24): 012345670123456701234567 0-7 版本 IHL 服务类型 总长度 标识 标志 偏移 生存时间(TTL) 协议 头校验和 源 IP 地址 目的 IP 地址 33 选项 图 2-24 IP数据包格式 版本:表示 IP 版本号,目前采用 IPv4。 IHL:以 32 位为单位的 IP 分组头的长度。IP 协议包头的典型长度为 20 字节,若添加其它选项,则其 长度将会相应增加,具体长度值可通过 Internet 包头长度(IHL)来表示,该字段存放的是 IP 包头中 4 字节 "字" 的个数,即将 IP 包头的长度除以 4 所得到的值。为避免出现小数,必须将 IP 包头填充为 4 字节的整数倍。若 采用 20 字节的 IP 包头,则 IHL 字段的长度为 5(=20/4)。IHL 的长度为 4 比特,其最大值为 15,也就是说 IP 包 头的最大长度为 60(即 15 x 4)个字节。 服务类型:定义 IP 分组的服务类型,包含优先级、时延、吞吐量、可靠性等特性。 总长度:以字节为单位的整个 IP 分组的总长度。字段为 16 比特,表示最大长度为 65536 字节。 标识:为了使分片后的各数据报片最后能够准确地重装成为原来的数据报。但是它并没有顺序号的意 思,因为 IP 是无连接服务,数据包不存在顺序接收的问题。 标志:分段和重组标识。表示是否允许对超过最大传输单元的数据报进行分段,传送过程中标志位还 用于指示本 IP 报是否为最后一个分段。 偏移:表示 IP 数据报在进行分段后每一个分段数据块中从 IP 分组起始位置开始的顺序编号。 生存时间(TTL):用于防止 IP 数据报的无限循环。它相当于路由器之间的最大跳数。IP 数据报每经过 一个路由器,其 TTL 值就减一,当 TTL 的值为 0 时,路由器就会丢弃该数据报。 协议:用于表示上层传输层协议的类型。如 TCP、UDP 等。 头校验和:数据报头部信息的校验和,不包括数据部分。每经过一个路由器,此值就重新计算一次。 源 IP 地址:发送端的 IP 地址。 目的 IP 地址:接收端的 IP 地址。 可选项:用于支持排错、测量以及安全等措施。 其它网络层协议 ICMP:ICMP 允许主机或者路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。其报文类型主要可分为 ICMP 差错报文和 ICMP 询问报文。常用的信息类型有:  ICMP 请求/应答报文。源主机向目的主机发送 Echo Request 信息,并通过获得的 Echo Response 信 息来判断与测试目的主机之间的连通性和其它状态。它通过应用层的 PING 程序予以实现。  目的不可达。当路由器无法发送数据报时回送此信息。由不同的代码可以确定具体的原因。  Source Quench。当网关或者主机没有足够的资源处理新的数据报而不得不丢弃一些数据报时发送 此信息。  重定向信息。如果路由器在接收到数据报时发现一个更好的传送通路,它就发送重定向信息,其 中包含下一数据报所要使用的路由器的地址信息。这一路由信息将被加入到主机的路由表中。  其它等。 ARP:地址解析协议。提供从 IP 地址到相应硬件地址的动态映射和翻译。 34 RARP:反向地址解析协议。提供从硬件地址到相应 IP 地址的动态映射。 IP 路由协议 在组建Internet时,网桥、交换机和路由器都起着重要的作用。但是,网桥和交换机只能够转发信息, 增加带宽,减少冲突,却无法阻止网络内部大量广播信息的传送。只有通过路由器才能形成逻辑网段,进行广 播域的分割。经过路由器连接的多个广播域也只有通过路由器才能够互相通信,因此,路由器的路由选择功能 和路由协议非常关键。 路由器 1 网络 网络 1 网络 2 网络 3 网络 4 网络 5 网络 6 距离 0 0 1 1 2 0 下一个路由器 222.222.222.2 222.222.222.2 222.222.222.2 网络 1 128.10.0.0 网络 3 137.103.0.0 128.10.0.3 路由器 1 192.52.7.1 137.103.0.3 222.222.222.1 网络 6 22.222.222.0 222.222.222.2 路由器 2 200.15.22.1 路由器2 网络 网络 1 网络 2 网络 3 网络 4 网络 5 网络 6 距离 1 1 0 0 1 0 下一个路由器 222.222.222.1 222.222.222.1 200.15.22.3 网络 2 192.52.7.0 网络 5 130.200.0.0 网络 4 200.15.22.0 200.15.22.3 路由器 3 网络 网络 1 网络 2 网络 3 网络 4 网络 5 网络 6 距离 2 2 1 0 0 1 下一个路由器 200.15.22.1 200.15.22.1 200.15.22.1 200.15.22.1 路由器 3 图 2-25 网络中的路由器 路由器为了负责多个网络之间的相互通信,就需要知道网络是否可达和如何到达,也就是说它需要了 解网络的拓扑结构。而这种网络拓扑关系则是以路由表的形式存在的,其中包括已知网络号、各网络的距离关 系(跳数),以及通过哪个路由器可以到达非直连网络(图 2-25)。 网络距离为0表示该网络是与路由器直接相连的网络,这时路由器就可以直接使用ARP协议得到目的节 点的MAC地址。如果距离不是0,则要通过路由表得到下一跳路由器的IP地址,并通过ARP协议得到下一跳路 由器的MAC地址并将数据报封装后转发过去,当新的路由器接收到数据报后,它将检查路由表以确定数据报 是否发送到本地以及是否还需要继续转发。当目的网络在路由表中无法得到时,数据报就无法发送,从而被丢 弃。如果是由于缺少路由引起的,路由器将发送ICMP信息‖目的不可达‖到源端主机。 路由表可以采用手动方式或者自动方式建立,也可以使用手动和自动联合方式予以建立。手动配置 时,用户必须输入路由表中每个域的详细信息。动态配置则采用路由规程完成。 TCP/IP网络中的路由规程可分为距离向量路由协议和链路状态路由协议两类。 35 距离向量规程是通过路由器定期向相邻路由器报告路由表的状态来实现的,路由表状态包括它到某网 络的距离以及应经过的下一站。各路由器根据广播信息更新自己的路由表,以便到各目的网络的距离最短。距 离向量规程的缺陷在于它所规定的最大跳数有限,并且存在网络故障时收敛慢、不能根据链路的性能进行路由 选择的问题。路由信息协议RIP是最基本的距离向量路由协议,它允许的最大跳数为16,因此通路上路由器的 最大数目不能超过15,并且每个网络中的路由器每30秒钟需广播一次RIP更新消息,这些都对网络性能造成很 大的影响。 链路状态规程中各路由器收听自治域内相邻路由器所广播的链路状态信息,并转发至其它路由器。这 样,每个路由器可以根据整个网络中的网络、路由器和链路信息等构建一个网络拓扑,并选取最小费用的路径 进行数据发送。链路费用最主要的特性就是带宽。不同的带宽采用不同的值予以表示。链路状态规程的主要优 点是选择路由时考虑了链路性能,并且收敛快。常见的链路状态规程为OSPF。 距离向量和链路状态协议的不同表示方式如图 2-26所示。 距离向量: 网络a,m 跳 网络b,n 跳 路由器1 目的 下一跳 度量 路由器 路由器 ● 链路状态: 链路1到网络2,费用为s 链路2到路由器5,费用为t ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● 图 2-26 距离向量及链路状态协议示意图 为方便管理,Internet上可以划分不同的自治域AS。自治域最主要的特点是它有权决定在本系统内采用 何种路由选择协议。自治域内部的路由器称为内部路由器,而在自治域之间交换信息的路由器称为域间路由 器。路由协议也相应地分为两类,即内部网关协议IGP和外部网关协议EGP。IGP是用于同一自治域内部的路由 协议,如RIP和OSPF等;而EGP则是在不同自治域之间传送信息的路由协议,常用的EGP协议为边界网关规程 BGP(图 2-27)。 36 外部网关规程 AS EGP 核心网关 AS EGP 核心网关 核心 网络 核心网关 EGP IGP 外部网关 I G AS P 内部网关 IGP 内部网关 IGP 内部网关 核心网关 EGP AS 图 2-27 自治域以及网间协议 EGP是一种域间可达性规程,由于其内在脆弱性 ,它已经被边界网关规程BGP所代替。 EGP是一种动态路由规程,它的设计比较简单。由于不使用度量标准,因此无法进行真正的智能化路 由选择。EGP路由更新包括网络可达性信息。即可以表明通过那些节点可以达到某个网络。 EGP具有三种主要功能。第一,运行EGP的路由器建立一组邻居关系,这些邻居并没有地理上的意 义,只是EGP路由器想要分享可达性关系的一些路由器;第二,EGP路由器通过轮寻检查邻居是否处于激活状 态;第三,EGP路由器在自治域内发送包含网络可达性的更新信息。 EGP不分析路由更新信息中包含的距离度量标准,而只用以确认路径是否存在。距离值只能用于比较 那 些 路 径 是 否 在 某 个 自 治 内 存 在 。 从 这 个 意 义 上 讲 , EGP 比 其 它 路 由 规 程 更 能 够 表 明 可 达 性 , 这 种 限 制 对 Internet的拓扑结构造成影响。Internet的EGP部必须是一种树状结构,其中核心网关是根,并且树上的各自治域 之间不能存在环路,这是EGP的主要限制。 边界网关规程 BGP是自治域间的路由规程,与EGP不同的是,BGP可以检测到路由环路。虽然设计为自治域间的规 程,但BGP可以作为域内或者域间规程。自治域间通信的两个BGP邻居必须在同一物理网络内部存在。同一 AS内部的BGP路由器相互通信,以保证它们信息的一致性,并决定AS内部哪一个BGP路由器将作为与外部AS 的连接点。BGP更新消息包括网络号和AS路径信息构成的成对信息,AS路径包括通过哪个AS可以到达某个网 络的信息,这些更新信息通过TCP传送机制发送,以保证可靠传送。 两个路由器之间交换的初始信息是整个BGP路由表。当路由表发生变化时,它还发出新的更新信息。 BGP无需对整个路由表进行周期性更新。虽然BGP维护包含到特定网络的所有路径的路由表,但是它在更新信 息中只发送主要的路径。 BGP度量标准是表示特定路径的优先权的任意值,它由网络管理员设定。 37 2.3.4 应用层协议体系结构 TCP/IP 协议的高层规程与具体的应用问题相关,称为应用层。应用层提供与用户的接口,实现与其它 主机上相应进程间的通信。常用的应用层进程包括 DNS,Telnet,FTP,SMTP 等。应用层协议可以基于 TCP 或者 UDP 规程实现。 TCP 是端到端的面向连接的规程。应用层之间通信的主要形式为客户机-服务器模型。服务器是对 Internet 用户提供服务的应用进程,而客户机则是请求使用相应服务的应用进程。一种应用规程既包括服务器 又包括客户机,它们可以运行在同一个或者不同系统上。服务器接收通过网络传送的请求信息,执行服务,并 将请求结果传送到相应的客户端。 服务器程序需要首先启动,然后才能等待和回应客户机的请求信息。服务器一般可以同时处理来自多 个客户机的多个请求信息。它通过在著名端口上收听请求信息,客户机则会采用随机的(非保留)端口发起请求 信息到服务器的相关 Socket 去。 ● ● ● 客户端 发起到著名端口的请 求,如FTP,Telnet等 ●● ●● 客户端 ● ● 客户端 对客户端端口给予回应 ● ●● ●● 客户端 图 2-28 应用层协议体系结构 2.4 TCP/IP 应用及支持单元 2.4.1 DNS 网络系统中的主机或者网络设备采用 TCP/IP 协议进行连接时,设备通常具有独立的 IP 地址。当需要 访问设备时,就可以使用 IP 地址进行。但是 IP 地址难于记忆,所以就需要采用某种机制进行网络设备名与相 应的 IP 地址之间的转换,域名解析服务器 DNS 能够起到这样的作用。操作人员只需要输入设备名称,系统采 用 DNS 就可以自动得到相关设备的 IP 地址,从而方便了操作性。目前我们上网时直接输入的域名也是通过 DNS 转换后才完成连接的。 38 2.4.1.1 DNS的层次结构 图 2-29 DNS的层次结构 从体系结构上来讲,DNS 系统是一种分布的、层次性的、客户机/服务器式的数据库管理系统,它采用 分布式树形模型,如图 2-29 所示。层次结构的最高端是域名树的根,相当于整个域名系统的父域。根域之下第 一层子域由 Internet 信息中心统一管理,按不同的组织类型分为多个,如 edu 用于教育系统,org 用于政府系 统;再往下继续划分子域,从而形成一种类似于文件系统一样的倒树状结构。域名则采用各级子域的名称联合 表示,如 ftp1.motorola.com 表示公司域下的 Motorola 公司中的一种 ftp 类业务(如 ftp1 服务器)。通过命名规 则,可以初步了解域名所表示的简单意义,如 ww.mii.org.cn 中 cn 表示中国,gov 表示政府系统,mii 则是信息 产业部英文名称的缩写;而大学网址基本以 edu 结尾,如查询澳大利亚的 Flinders 大学网站,根据命名规则很 容易猜想到 www.flinders.edu.au,其中 edu 表示教育系统,au 表示澳大利亚等。 DNS 服务器包含主机名与其对应的 IP 地址数据库,以进行主机名和 IP 地址之间的相互转换。在 DNS 服务器内部存在所需主机或服务器的域名与 IP 地址的对应关系。如果主机一想建立与主机二的通信,则主机 一首先查询 DNS 服务器,从中得到与主机二相对应的 IP 地址,然后再通过网络协议建立 IP 通信。 要想采用一台 DNS 服务器来解析 Internet 中成千上万的机器的地址是不可能的,因此采用 DNS 服务器的 分层结构来进行域名管理。一般会在每个域名树的每个分支上设置一台 DNS 服务器,当一台客户机需要另一 台主机的 IP 地址时,首先查询自己所在的 DNS 服务器,如果这台服务器不包含所查询的纪录,则查询将在树 中向上移动,到达高一级服务器,最终逐渐得到所要查询的结果。 39 2.4.1.2 DNS查询方式 服务器 终端用户 服务器应用规 程 用户 AP 2 OS 名字 IP地址 OS 服务器应用规 程 1 客户端应用规 程 5 名字解析器 网络管理 OS 名字解析器 6 TCP/IP IP地址 4 3 TCP/IP 名字 IP地址 TCP/IP 图 2-30 DNS解析过程 MIB 来自/到 其它 DNS 为了得到主机的 IP 地址,每个主机有一个客户规程进程,称为名字解析器。客户规程执行主机名字到 地址解析的过称如图 2-30 中第 1 步到第 6 步所示,分别为: 用户将需要解析的主机名字送给客户端规程。 客户端规程传送主机名到解析器。 解析器传送名字到 DNS。 DNS 回送 IP 地址到解析器。 解析器将 IP 地址传送到客户机规程。 客户机规程使用 IP 地址与主机通信。 2.4.1.3 DNS查询方式的实际应用 DNS 查询可采用叠代查询和递归查询以及反向查询等三种方式。叠代查询和递归查询是指通过主机名 得到 IP 地址的正向查询方式,而反向查询则是通过 IP 地址得到主机名的方式。 递归查询方式是本地 DNS 服务器完全担当起 DNS 查询的任务,若在本地服务器的数据库中不存在所 需地址,则本地服务器负责将查询请求发送至上一级 DNS 服务器。在查询过程中,客户机处于等待状态,并 且最终会得到所需的 IP 地址或者―主机不存在‖的答案,如图 2-31 所示。 叠代查询方式则不同,比如,当某 DNS 服务器收到查询请求时,它将对发起请求的 DNS 服务器进行 重指引或提示,指引发起请求的 DNS 服务器到另一主机进行查询。客户机将通过叠代查询得到所需的答案。 为支持反向 DNS 查询,在域名空间中专门按照 IP 地址创建了一个域,即 arpa 域的 in-addr 子域,通过 设置与主机所在域相对应的记录进行反向解析。 40 第二步:请求解析bbb.aaa.net 第三步:到net域服务器解析 第四步:请求解析bbb.aaa.net 本地DNS服务器 第五步:到aaa.net服务器解析 第六步:请求解析bbb.aaa.net 第七步:得到IP地址a.b.c.d 第一步: 请求解析 bbb.aaa.net 第八步: 应答IP地址 a.b.c.d . 根服务器 net域 服务器 aaa.net域 服务器 客户机 图 2-31 DNS递归查询方式 . net com aaa.net ccc.net 2.4.2 DHCP 当 MS 进行数据发送与接收时,将需要使用 IP 地址建立 MS 与网络之间的端到端的 IP 通信。IP 地址的有 限性和数据通信的随机性使得对每一 MS 提供固定 IP 地址的想法不够合理,由此 GPRS 系统必须提供一种机 制来控制对 MS 的 IP 地址的分配,这就需要用到动态地址分配协议 DHCP。 DHCP 协议由 RFC2131 和 RFC1541 规定,它提供一种主机(作为 DHCP 客户端)从服务器(DHCP 服务器)得 到动态 IP 地址的协议规程。它使用 UDP 作为传输层规范,客户端使用端口号 67,服务器侧使用端口号 68。 DHCP 采用三种机制进行 IP 地址的分配。  自动分配: DHCP 对客户机设定固定 IP 地址。  手动分配:管理员分配客户端的 IP 地址,由 DHCP 传送地址到客户端。  动态分配:DHCP 对客户端动态分配 IP 地址,保证地址空间在用户之间的复用。 网络可以根据具体情况选择地址分配方式,对于突发性数据用户,一般采用动态分配方式较为合理。 GPRS 系统中用户终端的地址分配也采用动态分配方式,所以这里仅研究动态分配的情况。 2.4.2.1 DHCP工作原理 在 DHCP 分配过程中,客户端首先在其所在网络上广播 DHCP DISCOVER 信息进行地址申请。如果服务 器与客户机在同一局域网内部,它将采用 DHCP OFFER 信息予以响应,其中包括可用 IP 地址以及其它参数如 掩码等;如果服务器在另一局域网上,则使用路由器上的 BOOTP 中继代理传送信息到客户机所在网络。一个 DHCP 客户机可能接收到来自多个 DHCP 服务器的回应,并能够接收其中任何一个,它通常会接收最先得到的 回应,但是 DHCP 的回应并不能确保这个 IP 地址一定分配给此客户机,服务器一般会进行地址保留,直到客 户机正式申请地址为止。当客户机接收到响应后,它回送包含―服务器识别号‖的 DHCPREQUEST 信息正式申 41 请地址,用于告诉某一服务器它已接收此服务器所分配的地址,这也意味着其它服务器的指配信息被摒弃,被 选择的服务器接收 DHCPREQUEST 信息并采用包含配置参数的 DHCPACK 信息予以回应,完成动态地址分配 过程。具体过程如图 2-32 示。 DDHHCCPP 客客户户端端 DHCP DISCOVER 租用请求 客户端请求IP地址和其它配置选项 DHCP OFFER 租用指配 服务器侧发送可用IP地址 DHCP REQUEST 租用选择 客户机接收支配并询问相关配置 DHCP ACK 租用确认 服务器通过所分配的IP地址予以响应并发送其它配置选项 DDHHCCPP 服服务务器器 图 2-32 DHCP信息交换过程 客户机接收到 IP 地址信息后可通过在本地网络上进行 ARP 以确保 IP 地址的正确性。如果客户端检测到 地址已在本地网络上使用,将发送 DHCP DECLINE 信息,并重新启动请求进程;如果客户端在发送 DHCP REQUEST 信息后收到 DHCP NAK 信息,将重新启动请求过程;如果客户端不再使用所分配的 IP 地址,将发 送 DHCP RELEASE 信息到服务器;如果客户端想要延长它的租用时限,将发送 DHCP REQUEST 信息到服务 器,信息中将包括当前 IP 地址并设定"ciaddr",但不包括服务器标识号。服务器将回送包含租用时限的 DHCP ACK 信息,从而完成 IP 地址请求以及新的使用时限的设定过程。 2.4.3 RADIUS 2.4.3.1 AAA的功能 AAA 即 Authentication,Authorization,and Accounting,是认证、授权和统计功能的简称。GPRS 系统中 通常采用 AAA 机制进行用户身份认证和管理。  认证和授权 认证即通过用户的登录名称和口令进行用户身份识别,以判断用户是否有权接入网络。授权即对用户所能 够执行的任务进行管理,控制用户有权执行什么工作。 GPRS 系统中,AAA 服务器基于用户身份信息如 MSISDN 或用户名和密码等信息,对试图接入网络的用 户进行身份识别。对于无线用户来讲, AAA 服务器通过将用户所发送的身份信息与中央数据库或运营商网络 中的用户信息进行比较,来判断用户的合法性。它与 HLR 的身份验证功能不同,移动用户接入网络时在无线 接口上采用 HLR 进行身份验证是为了保证用户能够接入移动网络,而采用 AAA 服务器的认证则是为了保证用 户对于某种特定类型数据业务的合法接入,如用以防止非法用户接入企业网。  统计 统计功能用于进行用户行为记录和收集,如用户的网络使用时长、所使用的命令、信息流的统计特征、资 费情况等。 GPRS 系统中,AAA 服务器能够记录用户的行为,并能够区分话音业务与数据业务,根据不同时段和数据 量,进行详细的计费信息记录等。 42 另外,AAA 服务器还可以进行 IP 地址设定和移动管理、业务提供和状态管理等功能。 2.4.3.2 AAA技术的实现方式 AAA 技术可采用 Radius 协议予以实现,它是一种客户/服务器规程结构。 Radius 客户机通常是网络接入服务器(NAS),它用于传送用户信息到 Radius 服务器,并对服务器返回的响 应信息进行处理。而 Radius 服务器则通常为运行在 Unix 或 Windows NT 系统上的 Daemon 进程, 它通常基于数 据库来实现。为了保证传输的安全性,在 Client 和 Server 之间密码以 MD5 方式加密。在 RADIUS 的 Server 端 和 Client 端之间的通信主要有两种情况,即接入认证和计费请求。 Radius 是一种基于 UDP 协议的上层协议,认证服务的监听端口号为 1812,记费服务的监听端口号为 1813。NAS 传送用户信息到指定的 Radius 服务器,Radius 服务器接收用户连接请求,进行用户身份认证和授 权,认证和授权完成后回送客户端所需的必要的配置信息,进行业务分配。另外,Radius 服务器本身还可以作 为其它 Radius 服务器或鉴权服务器的的代理客户。 2.4.3.3 AAA与Radius服务器的基本功能 AAA 的简单信令工作流程为(如图 2-33):  用户发送账号和密码信息到接入服务器 NAS。  接入认证服务器 NAS 向 Radius 服务器发出接入请求包,其中包含用户的帐号、密码、端口号、端口类型 等;  如果认证通过,服务器向 NAS 回送接入响应信息,其中包含用户的合法性和用户的一些设置,如用户所 需的业务类别,如 SLIP 和 PPP 情况下的 IP 地址、掩码、MTU、包过滤标识等。如果认证失败,Radius 服 务器将向 NAS 回送拒绝接入信息。  如果采用 CHAP 认证方式,AAA 服务器在接收到接入请求之后,将首先进行用户数据库查询,如果用户 合格,服务器将发送 Access-challenge 信息到 用户,用户再次发送接入请求信息,Radius 服务器通过响应 信息最终决定用户的合法性,并发送接入接受或者接入拒绝信息。  用户连接过程中,接入认证服务器 NAS 不断向 Radius 服务器发送计费消息包,这些消息包可以反映出上 网时长、流量,进程号、帐号等。 用户 接入请求 分配资源 NAS AAA 服务器 接入请求/ 发送用户名和密码 接入接受 接入应用服务器 应用 服务器 图 2-33 AAA信令流程 43 2.4.4 防火墙 2.4.4.1 防火墙工作原理 GPRS 系统的网络安全相当重要,由于它采用公用 IP 地址与外部网络或者企业网进行连接,如果不采取安 全机制,移动用户或者企业用户就可能有权访问 GPRS 网络,这将给网络带来安全隐患。所以需要考虑采取有 效的安全措施保证网络和业务的安全性,IP 网络中最简单有效的安全措施是防火墙保护机制,防火墙可分为三 种主要类型,即数据包过滤、电路网关和应用网关。 数据包过滤类型的防火墙可以基于数据包的源地址、目的地址、或端口来进行过滤,也可以对协议类型进 行过滤,从而有效减少系统中非法业务以及非法用户的侵入,使得网络安全得到保证。应用级网关针对某种应 用使用专用目的代码,它常与数据包过滤和电路级中继一起使用。电路级网关对 TCP 连接进行中继,进行往 返字节的复制,提供网关连接。 2.4.4.2 GPRS系统中防火墙的应用 GPRS 系统中采用防火墙时的过滤机制包括屏蔽非法业务如 Ping、Telnet 等规程的使用,屏蔽非法地址段 的接入,从而防止大量无用业务和非法用户造成的网络性能的下降和安全性的丧失。但是,对于一些必要的地 址段和规程类型,则需要提供接入核心网的可能性,如漫游时的 Gn/Gp 接口地址段和漫游服务时 Gn 接口上的 GTP 规程、DNS 规程类型、计费信息传送协议类型、NTP 规程,以及采用 VPN 时的 Radius 规程等等。 2.4.5 移动分组交换业务- GPRS 随着 Internet 的普及和发展,数据业务的应用越来越多。最初的移动通信技术虽然带给了人们通话的自 由,但仍然不能实现移动办公的梦想。应用广泛的公众通信系统 GSM 如何提供数据通信业务是 GSM 技术未 来发展所面临的挑战。而 GPRS 技术正将这一梦想变成现实。 GPRS 系统支持各种数据业务,它采用专用的适配层进行不同类型协议的接入,如 IP 或者 X.25 规程。 IP 数据具有突发性、上下行不平衡等数据业务特点,并且不同业务类型的业务特点也有很大的差别,这就要求 GPRS 系统采用分组传送方式,而非 GSM 系统中传统的电路交换方式。 GPRS 利用 GSM 系统 原有的信道种类和网络结构,实现了 GSM 系统上的移动分组数据业务。GPRS 在信道分配、接口方式、数据传送等多个方面都体现出了分组业务的特点。具体如: 无线接口信道分配可以采用动态或者静态两种方式。当需要数据传送时建立传送信息流 TBF,每个 TBF 采用 TFI 予以标定,接收端根据 TFI 值将来自同一 TBF 的信息进行合并和处理。 Gb 接口采用帧中继协议提供虚电路连接,如图 2-34 示。 NS 层的虚链路相当于 SGSN 与 PCU 之间的 永久虚连接。系统中小区由 BSSGP 层管理,每个小区使用虚电路 BVC,由 Gb 链路予以承载。 44 端到端的NS-VC BSS 中间传输网络 SGSN BSS侧NS-VL SGSN侧NS-VL 图 2-34 Gb接口的虚连接 Gb 链路设定了 Bc、Be 和 CIR,并根据需要对小区或者移动用户进行流量控制,以避免数据溢出,从 而保证了数据收发的可靠性。 GPRS 数据业务可以采用四种 QOS 特性,提供不同的延迟等级、可靠性等级、优先性等级、峰值吞吐 量和平均吞吐量级别等特性,提供不同类型的数据业务。 GPRS 无线接口可以配置专用话务信道和可转换性话务信道,即保证话音业务的优先性,又考虑到数 据业务的突发性,保证了话音和数据业务的 QOS。 45 3 第三章 GPRS 网络结构与规程 3.1 GPRS 网络结构 GPRS 系统通过在原有的 GSM 系统中引入分组数据单元提供无线系统上的数据业务。作为承载网络, GPRS 系统本身采用 IP 网络结构,并对用户分配独立地址(如 IP 或 X.121 地址),将用户作为独立的数据用户, 从而实现了从网络到移动用户的端到端的数据应用(鉴于 IP 业务应用的泛性,本书仅考虑 IP 协议,X.121 协 议等不予涉及)。 为了实现数据承载,GPRS 系统引入了几种新的网络单元,如 PCU、SGSN、GGSN,以及其它辅助进 行数据业务管理和应用的单元如 DNS 和 DHCP 服务器、网络时间协议 NTP、计费网关 CG 等等。只有通过对 各功能单元特性的了解以及协议结构的认识,才可能为进一步的系统维护和优化打好基础。 GPRS 网络结构基于 GSM 系统实现,话音部分仍采用原先的基本处理单元,而对于数据部分则新增了 一些数据处理单元和接口。 GPRS 系统中新增数据单元包括以下几部分,参见图 3-1:  PCU:分组处理单元,它是 BSC 的一部分,可以独立设置或者与 BSC 合并设置。它与 BSC 之 间接口不开放。  SGSN:GPRS 服务业务单元。功能和作用与 MSC 具有相同点,如进行分组移动用户的状态管 理,计费管理等并负责到 HLR 的用户数据信息的传送。  GGSN:GPRS 网关业务单元。负责和外部数据网络的接口,进行数据包的转发。具有路由器的 部分功能。 A MSC BTS BTS Abis BSC 私有接口 Gb 帧中继网络 SGSN 到另外的 PLMN TCP/IP 骨干网 Gn Gn Gn SGSN GGSN Gp Gi PCU PDN Gs HLR Gr 图 3-1 GPRS网络单元 46 系统中 PCU 与 SGSN 之间为 Gb 接口,采用帧中继协议,通过直联或者帧中继网络实现;SGSN 与 SGSN 和 GGSN 之间采用基于 TCP/IP 协议的 GTP 规程,称为 Gn 接口;GGSN 与外部网络也采用 TCP/IP 连接 方式,称为 Gi 接口;不同 PLMN 之间连接时使用 Gp 接口。 3.2 GPRS 网络单元 简单来讲,GPRS 系统中新引入的网络单元可区分为无线部分和数据部分两大类。其中,PCU 属于无 线管理部分,SGSN 属于无线管理和数据管理公用部分,GGSN 则完全属于数据管理部分。其它一些辅助单元 虽然在 GPRS 系统中未作定义,但在数据网络中必不可少,从而也是 GPRS 网络的一部分,如域名解析服务器 DNS、动态地址分配服务器 DHCP、网络时间协议 NTP 服务器、认证与鉴权服务器 Radius 等。 3.2.1 PCU PCU 是分组数据处理单元。它与 BSC 协同作用,提供无线数据的处理功能,如逻辑链路与物理链路的映 射、数据包的拆封、数据包的确认、无线数据信道的分配等。PCU 可作为模块单元插入 BSC 中,或者作为独 立于 BSC 的单元存在,它与 BSC 之间的接口方式规范未作定义。 PCU 与 SGSN 之间 Gb 接口采用帧中继协议。PCU 具有 Gb 接口管理的功能。 3.2.2 SGSN SGSN 即 GPRS 服务支持节点,它通过 Gb 接口提供与无线分组控制器 PCU 的连接,进行移动数据的管 理,如用户身份识别、加密、压缩等功能;通过 Gr 接口与 HLR 相连,进行用户数据库的访问及接入控制;它 还通过 Gn 接口与 GGSN 相连,提供 IP 数据包到无线单元的传输通路和协议变换等功能;SGSN 还可以提供与 MSC 的 Gs 接口连接以及与 SMSC 之间的 Gd 接口连接,用以支持数据业务和电路业务的协同工作和短信收发 等功能。 3.2.3 GGSN GGSN 负责 GPRS 网络与外部数据网的连接,提供 GPRS 与外部数据网之间的传输通路,进行移动用户与 外部数据网之间的数据传送工作。 GGSN 起到路由器的作用,它与其它相关网络单元如 PIX、DNS、DHCP、RADIUS 等设备协同完成数据 业务的接入和传送等功能。 GGSN 与 SGSN 之间的接口为 Gn 接口,采用 GTP 协议类型;GGSN 与外部数据网之间的接口为 Gi 接口, 采用 IP 协议类型。 对于网络发起的数据单元传送业务,GGSN 需要通过 Gc 接口到 HLR 查询用户相关信息;对于计费信息的 传送工作,GGSN 通过 Ga 接口完成。 3.2.4 各网元作用概述 分组域网络逻辑功能包括:  网络接入控制功能。  分组路由和传送功能。  移动管理功能。 47  逻辑连接管理功能。  无线资源管理功能。 3.2.4.1 网络接入控制功能 网络接入功能提供用户到无线通讯网的连接,使得用户能够使用网络所提供的服务和/或设备。用户网 络接入既可能发生在网络的移动端也可能发生在网络的固定端。网络固定端接口可以支持多种通道协议以连接 到外部数据网,比如 X.25 和 IP,接入协议由 PLMN 操作员来决定和支持。 PLMN 管理可能需要特定的接入控制程序以便限制某些用户对网络的接入,或者限制单个用户的某些 特性。 除了支持标准的 PTP 数据传送外,GPRS 还支持网络的匿名接入。它允许移动用户使用特定的网络互 连规程与预设主机进行数据包的交换。这种业务仅支持少数的目的 PDP 地址,而不使用 IMEI 或者 IMSI 信 息,从而保证了充分的匿名性。这种情况下也不需要鉴权和加密功能。 3.2.4.1.1 注册功能 注册是在 PLMN 中将用户的移动身份识别码与用户的分组数据协议和地址连接起来,以及将它们与用 户到外部 PDP 网络的接入点连接起来。这种连接可以是静态和动态两种形式,静态情况下信息存储在 HLR 中,动态情况下则根据需要进行分配。 3.2.4.1.2 鉴权和授权功能 即对服务需求者的身份识别和鉴定,并根据所请求的业务类型确认用户能否使用特定的网络服务。鉴 权功能与移动管理功能是联系在一起的。 3.2.4.1.3 准入控制功能 准入控制功能的目的是估算需要使用何种网络资源来提供所需服务的质量,决定这些资源是否可用并 进行资源储备。准入控制与无线资源管理功能结合来估算每一小区中无线资源的需求量。 3.2.4.1.4 消息过滤功能 消息过滤功能进行未被准入的和未被恳求的消息的需求的过滤工作,它需要通过分组过滤功能的支 持。所有消息过滤的类型都由操作员控制,如使用因特网防火墙。 3.2.4.1.5 计费数据收集功能 收集必需的通信费用相关的数据。 3.2.4.2 分组路由和传送功能 路由是在 PLMN 内部以及 PLMN 之间传输消息时所使用的一组连接点。每个路由源节点、目的节点和 零到多个中间节点组成。路由规程用以进行在 PLMN 内部或者 PLMN 之间进行路径选择的工作。 3.2.4.2.1 中继功能 通过这个功能,使路由中的一个接点继续向下一个接点转发数据。 3.2.4.2.2 路由功能 路由功能使用消息的目的地址决定消息应发往的网络接点,以及优先到达哪个 GPRS 支持的接点。路 由功能选择下一跳的传送路线。 48 GSN 之间的数据传输可能发生在通往外部数据网络过程中,这提供了它们自身内部路由功能,如 X.25、FR 或 ATM 网络。 3.2.4.2.3 地址翻译和映射功能 地址翻译就是进行不同类型地址的转换过程。地址翻译用于将一个外部网络协议地址转换为一个内部 网络地址,以用于在 PLMN 内部和 PLMN 之间进行分组数据包的传送。 地址映射就是将一个网络地址映射为 PLMN 内部和 PLMN 之间的同种类型的另一个网络地址,例如从 一个网络结点到另一个网络结点转发数据包。 3.2.4.2.4 封装功能 封装是将地址和控制信息附加在数据单元中,以便于在 PLMN 内部或者 PLMN 之间进行分组传送。解 封装就是从数据包上除去地址和控制信息以恢复出原始数据。 封装和解封装是在分组域 PLMN 支持接点之间、以及服务支持接点和 MS 之间进行的。 3.2.4.2.5 隧道功能 隧道就是在 PLMN 内部以及 PLMN 之间进行封装数据传送的通路,也就是将封装数据从封装端传送到 接封装端的通路。隧道是双程点对点路线,它仅通过隧道的终点予以识别。 3.2.4.2.6 压缩功能 压缩功能通过传输小的数据单元 SDU(如外部 PDP PDU)来优化无线链路的使用。 3.2.4.2.7 加密功能 加密功能就是保持无线链路上用户数据和信令的机密性。 3.2.4.2.8 域名服务功能 域名服务就是将逻辑 GSN 名称解析为 GSN 地址的过程。 3.2.4.3 移动管理功能 移动管理功能用于追踪 MS 在 PLMN 中或另一个 PLMN 中的当前位置。 3.2.4.4 逻辑连接管理功能 逻辑连接管理功能用于在无线接口上进行 MS 和 PLMN 之间通信链路的维护,它包括 MS 和 PLMN 之 间链接的状态信息的协调以及对逻辑链接之上数据传输活动的监督管理。 3.2.4.4.1 建立逻辑链接功能 当 MS 附着 GPRS 服务时执行建立逻辑链接。 3.2.4.4.2 维护逻辑链接功能 维护逻辑链接功能监督逻辑链接状态和控制链接状态的变化。 3.2.4.4.3 释放逻辑链接功能 释放逻辑链接功能用于解除分配给逻辑链接的有关资源。 3.2.4.5 无线资源管理功能 无线资源管理功能是指无线通信信道的分配和维护。 GPRS 网元的作用归纳如表 3-1: 49 功能 网络接入控制(Network Access Control): 注册 (Registration) 鉴权和认证(Authentication and Authorisation) 接入控制 (Admission Control) 信息过滤 (Message Screening) 分组终端适配(Packet Terminal Adaptation) 计费数据收集(Charging Data Collection) 分组路由和传送(Packet Routeing & Transfer): 中继 (Relay) 路由 (Routing) 地址翻译和映射(Address Translation and Mapping) 封装(Encapsulation) 隧道管理(Tunnelling) 压缩 (Compression) 加密 (Ciphering) 域名解析相关功能(Domain Name Server) 移动管理(Mobility Management): 逻辑链路管理(Logical Link Management): 逻辑链路建立(Logical Link Establishment) 逻辑链路维护(Logical Link Maintenance) 逻辑链路释放 (Logical Link Release) 无线资源管理(Radio Resource Management): Um 管理 (Um Management) 小区选择 (Cell Selection) Um 传送 (Um-Tranx) 通路管理 (Path Management) 表 3-1GPRS网元作用 MS BSS SGSN X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X GGSN X X X X X X X X HLR X X X X 3.2.5 系统中其它数据支持单元 3.2.5.1 域名解析服务器 (DNS服务器) DNS 协议用以提供域名解析功能,负责进行网络域名与 IP 地址之间的映射和转换。GPRS 系统中,DNS 主要用以进行 GPRS 网络接入点名称 APN 与相关 GGSN 地址之间的转换、内部网元 IP 地址与名称之间的解 析、以及切换时位置区信息和相关 SGSN 地址之间的转换。其具体作用后面予以描述。 GPRS 系统中所用到的专用域名包括 APN、RAC 区等,其格式通常为: APN1.MNCxxx.MCCyyy.gprs RACxxx.LACyyy.MNCzzz.MCCwww.gprs 目前在中国移动的 GPRS 网络中所使用到的公共 APN 包括: cmnet.mnc000.mcc460.gprs cmwap.mnc000.mcc460.gprs 50 3.2.5.2 动态地址分配服务器 (DHCP服务器) GPRS 系统采用动态地址池对接入网络的移动用户进行动态地址的分配和管理,以提供用户地址空间的有 效利用。DHCP 协议用以完成这种功能。 不同 APN 或企业网可采用不同的地址段, DHCP 服务器根据 APN 信息进行地址段的分配管理,从而保证 了地址使用的灵活性和高效性。 3.2.5.3 防火墙FIREWALL 防火墙用以提供 GPRS 网络与外部网络之间的安全管理功能,它通过过滤机制或者加密认证机制进行某些 类型数据包的过滤,以防止某些网络地址或规程的非法接入,从而保证 GPRS 网络的安全性。 3.2.5.4 网络时间协议服务器(NTP服务器) NTP 用以提供网络统一时钟,保证数据流的同步。 3.2.5.5 计费网关 GPRS 系统中计费数据包括 SGSN 与 GGSN 所产生的计费信息,如 SGSN 中与移动相关的 M-CDR 和与进 程处理相关的 S-CDR,以及 GGSN 中的 G-CDR。计费网关用以提供系统中各网元内部计费数据的收集,并进 行网络与计费系统之间的数据转发工作。 3.2.5.6 操作维护系统OMC 操作维护系统 OMC 提供方便的系统告警处理、维护管理、统计分析、性能管理等功能,通过友好的用户 界面提供操作的简便性以及维护的灵活性,是系统维护和管理的得力助手。 3.3 GPRS 协议栈 GPRS 协议规程体现了无线和网络相结合的特征。其中既包含类似局域网技术中的逻辑链路控制 LLC 子层 和媒体接入控制 MAC 子层,又包含 RLC 和 BSSGP 等新引入的特定规程。并且各种网络单元所包含的协议层 次也有所不同,如 PCU 中规程体系与无线接入相关,GGSN 中规程体系完全与数据应用相关,而 SGSN 规程 体系则涉及两个方面,它既要连接 PCU 进行无线系统和用户管理,又要连接 GGSN 进行数据单元的传送。 SGSN 与 PCU 侧的 Gb 接口上采用帧中继规程,与 GGSN 侧的 Gn 接口上则采用 TCP/IP 规程,SGSN 中协议低 层部分如 NS 和 BSSGP 层与无线管理相关,高层部分如 LLC 和 SNDCP 则与数据管理相关。 由 GPRS 系统的端到端之间的应用协议结构可知,GPRS 网络是存在于应用层之下的承载网络,它用以承 载 IP 或 X.25 等数据业务。由于 GPRS 本身采用 IP 数据网络结构,所以基于 GPRS 网络的 IP 应用规程结构可 理解为两层 IP 结构,即应用级的 IP 协议以及采用 IP 协议的 GPRS 系统本身。 GPRS 分为传输面和控制面两个方面。传输面为提供用户信息传送及其相关信息传送控制过程(如流量控 制、错误检测和恢复等)的分层规程。控制面则包括控制和支持用户面功能的规程,如分组域网络接入连接控 制(附着与去激活过程)、网络接入连接特性(PDP 上下文激活和去激活)、网络接入连接的路由选择(用户移动性 支持)、网络资源的设定控制等。 51 3.3.1 GPRS传输面协议层(图 3-2) Application IP SNDCP Relay SNDCP GTP-U IP GTP-U LLC RLC MAC GSM RF MS Relay RLC BSSGP LLC BSSGP UDP IP MAC Network Service GSM RF L1bis Network L2 Service L1bis L1 Um Gb BSS SGSN UDP IP L2 L1 Gn Gi GGSN 图 3-2 GPRS传输面协议层 GPRS 传输面包括 GTP-U、SNDCP、LLC、BSSGP、NS、RLC/MAC 等协议层。 GPRS 系统中,GPRS 隧道规程 GTP-U 协议用以进行 Gn 接口上的数据封装功能;子网汇聚层 SNDCP 用以 提供不同协议种类的接入功能,进行数据报中数据和控制部分的压缩、封装功能;逻辑链路控制 LLC 层可以 提供 MS 与 SGSN 之间稳定的逻辑链路,并通过确认机制保证数据的可靠传送;无线链路控制 RLC 层将 LLC 数据包变为 RLC 数据包,通过无线接口传送,并采用 ARQ 机制予以传送确认;媒体接入 MAC 层执行接入控 制功能,提供多个 MS 共享同一物理信道的控制机制;无线层提供无线信道用以进行 MS 与 PCU 之间信息的 传送。 通过到某个 MS 的下行数据流的传送过程,可以大致了解各个协议层的具体作用。 如果 GGSN 接收到一个需要传送到某个 MS 的 IP/X.25 数据包,则它需要将数据传送到 MS 所在位置区的 SGSN 中去。假设此时 MS 已激活 PDP,即 MS 已经在 SGSN、GGSN 以及 MS 中形成 PDP Context,则 GGSN 保存有 MS 的位置区、IP 地址、相应 SGSN/GGSN 地址等信息,GGSN 由此可得知 MS 所在的 SGSN,并进一 步将数据进行 GTP-U 封装后传送至 SGSN。 GTP-U 封装是将数据包头部添加 GTP 包头,以便区分不同 MS 或者同一 MS 的不同网络接入进程,其包头 格式为 TID=IMSI+NSAPI,IMSI 用于区分某个移动用户, NSAPI 即网络接入点标识则可用以区分同一用户的 不同 PDP 进程。 数据在 SGSN 与 GGSN 之间经由 Gn 接口上的 IP 网络进行传送。 GTP 数据单元进入 SGSN 后,SGSN 拆除 GTP 包头, 将数据包送入 SNDCP 层,通过 SNDCP 层的协议组 合以及压缩封装,以及 LLC 层的数据包切割之后,形成标准的 LLC 包。LLC 层还进行逻辑链路管理,它对 MS 分配临时身份识别号 TLLI,并采用不同服务质量的信道(用 SAPI 表示)进行 LLC 帧的传送。TLLI 和 SAPI 共同表示 LLC 层与特定 MS 之间的独立逻辑链路。 BSSGP 层提供 PCU 和小区管理功能,以及 SGSN 与 PCU 之间 Gb 接口的管理功能,如 Gb 链路之间的负 荷分担等。NS 层用以在帧中继网络基础上提供逻辑虚连接,以保证 Gb 接口信息的正确传送。LLC 数据包在 SGSN 中经由 NS 层提供的 PVC 由 BSSGP 控制传送至正确的 PCU 中的特定小区中去。 52 PCU 与 SGSN 之间为 Gb 接口,它基于帧中继规程,采用逻辑虚电路进行到小区之间的数据传送。PCU 与 手机侧采用 RLC/MAC 协议结构进行逻辑信道至物理信道之间的映射,并进行多个 MS 接入时的碰撞控制。物 理信道即以复帧结构表示的话务信道和控制信道的组合,用以提供话务信息和数据信息的传送工作。 MS 将接收的数据包最终拆封得到 LLC 包,并根据需要进行 LLC 层数据包的确认与重传;之后经由 SNDCP 层的解压缩、去封装功能得到 IP/X.25 数据传送至应用层用户。 3.3.2 GPRS控制面协议层分析 GPRS 控制面包括不同接口上不同的规程结构,分述如下:  MS 与 SGSN 之间(图 3-3) GMM/SM LLC RLC Relay RLC BSSGP GMM/SM LLC BSSGP MAC GSM RF MAC Network Service GSM RF L1bis Um Gb MS BSS Network Service L1bis SGSN 图 3-3 MS-SGSN控制面协议层 GPRS 规程中 MS 和 SGSN 之间传输面与控制面的区别存在于 SNDCP 和 LLC 层。GPRS 移动管理和进 程管理 GMM/SM、SMS 和 SNDCP 等协议通过不同的 SAPI 接入 LLC 层,其中 GMM/SM 属于控制层信息,而 SNDCP 和 SMS 规程则属于传输层信息。  SGSN-HLR/EIR/SMS/GMSC(图 3-4) MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 L1 MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 L1 SGSN HLR 图 3-4 SGSN - HLR/EIR/SMS/GMSC信令面 GSN 和 HLR/EIR/SMS/GMSC 网元之间采用 MAP 规程,进行信令信息的传送。TCAP、SCCP、MTP2 和 MTP3 等规程用以支持 MAP 规程。  SGSN-MSC(图 3-5) 53 BSSAP+ SCCP MTP3 MTP2 L1 SGSN BSSAP+ SCCP MTP3 MTP2 L1 Gs MSC/VLR 图 3-5 SGSN - MSC/VLR信令面 SGSN 与 MSC 之间采用 BSSAP+规程。BSSAP+为 BSSAP 规程的一部分。  GSN-GSN(图 3-6) GTP-C GTP-C UDP UDP IP IP L2 L2 L1 L1 Gn GSN GSN 图 3-6 GSN – GSN信令面 GTP-C 规程用于传送 SGSN 与 GGSN 之间的信令信息,以及通过 Gp 接口连接的 GSN 之间的信令信 息。UDP 规程用于承载 GTP-C。  GGSN-HLR(图 3-7 和图 3-8) GGSN 与 HLR 之间的信令连接可以采用两种方式。如果 GGSN 存在 SS7 接口,则可以采用 MAP 规程;反 之,如果 GGSN 不存在 SS7 接口,则需要采用同一 PLMN 上其它使用 SS7 接口的 GSN 进行 GTP 到 MAP 的转 换,形成与 HLR 之间的 MAP 连接。 MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 L1 Gc GGSN MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 L1 HLR 图 3-7 使用MAP的GGSN - HLR信令面 54 GTP UDP IP L2 L1 Gn GGSN Interworking MAP GTP TCAP MAP TCAP UDP SCCP SCCP IP MTP3 MTP3 L2 MTP2 MTP2 L1 L1 L1 GSN Gc HLR 图 3-8 使用GTP和MAP的GGSN – HLR信令面 3.4 GPRS 网络接口 VLR Gs-接口 发 手 机 射 塔 BTS BSC PCU Gb-接口 SGSN Gd-接口 SMS-G-MSC SMS-IW-MSC Gn -接口 SGSN Gr-接口 Gn-接口 Ga-接口 CG Ga-接口 Gp-接口 HLR Gc-接口 GGSN Gi-接口 分组数据网 (IP /PPP) Gp-接口 外部 BG BG PLMN 图 3-9 GPRS接口种类 GPRS 系统中存在各种不同的接口种类,如图 3-9 所示。GPRS 接口涉及帧中继规程、七号信令协议、 IP 协议等不同规程种类,内容非常众多。以下分别予以简单介绍。 3.4.1 Gb接口 Gb 链路提供 BSS 与 SGSN 之间的连接,用以传送小区管理和路由区切换信息,并进行 MS 与 SGSN 之间 的数据传送。 3.4.1.1 Gb 接口规程结构(如图 3-10 所示) Gb 接口经由 FR、NS 层和 BSSGP 层进行 BSS 与 SGSN 之间的连接,其中帧中继 FR 层可由 E1/T1 或帧中 继网络等方式提供;NS 层进行帧中继 PVC 连接;BSSGP 层则进行小区、PCU、路由区等的管理功能。 Gb 接口还提供 MS 与 SGSN 之间的 LLC 层连接、GPRS 移动管理和进程管理等功能。 55 BSS 规程 (BSSGP) 网络业务层 (NS ) 上层规程 (LLC, SNDCP, GMM, SM) BSS 规程 (BSSGP) 网络业务层 (NS ) 帧中继 (FR) BSS/PCU 帧中继 (FR) 物理层 (E1) SGSN 图 3-10 Gb 接口规程结构 BSS#1 PTP, BVCI=I cell 1 PTP, BVCI=II cell 2 PTM BVCI=III signalling BVCI=IV NS-VCI=a DLCI=16 NS-VCI=b bearer chan. = 1 DLCI=137 NS-VCI=c DLCI=51 DLCI=43 bearer chan. = 2 NS-VCI=d Frame Relay network BSS#2 PTP, BVCI=V cell 3 PTM BVCI=VI NS-VCI=e DLCI=16 bearer chan. = 3 NS-VCI=f DLCI=259 bearer chan. = 4 NS-VCI=a DLCI=98 bearer chan. = 5 NS-VCI=b DLCI=17 NS-VCI=e DLCI=16 NS-VCI=c DLCI=21 bearer chan. = 6 NS-VCI=d DLCI=302 NS-VCI=f DLCI=511 SGSN BVCI=I BVCI=II BVCI=III BVCI=IV BVCI=V BVCI=VI BVCI=VII signalling BVCI=VII 图 3-11 Gb 接口采用帧中继网络连接示意图 3.4.1.2 Gb 接口连接原理 Gb 接口采用帧中继技术提供逻辑链路连接。通过建立逻辑虚电路 NS-VC 进行数据传送。NS-VC 即 PVC, 由 NSVCI 标定,用以提供 NS 层功能实体间的逻辑连接。 BSSGP 对 BSS 中小区的管理采用虚连接方式,通过在对应的功能实体 (PCU 和 SGSN) 中对每个小区分配 动态或静态 BVCI 建立 PTP 连接。其中,BVCI=0 用于功能实体间的信令连接,BVCI=1 用于 PTM 连接。 PCU 与 SGSN 之间可以通过多条 PVC 连接,采用 NSE 控制 BVCI 与 NSVCI 之间的映射,实现链路管理和 负荷分担功能。 56 如图 3-11 所示,BSS1(NSEI=1)与 SGSN 之间建立 4 条 PVC 链路,分别为 NSVCI=a、b、c、d,BSS 侧链 路本地标识分别为 16、137、51、43。SGSN 侧链路本地标识分别为 98、17、21、302,DLCI 只在本地使用, 不具有全局意义。链路之间的负荷分担可由 BSS 侧和 SGSN 侧独立控制。每条链路在本地采用 DLCI 标识, Link 号分别指接入帧中继的物理链路的编号。经过帧中继之后,NSVCI=a 和 b 被交换到 Bearer Channel=5 上, 而 NSVCI=c 和 d 被交换到 BC=6 上。在 SGSN 中,点对点的 BVC 链路用以进行小区信息的传送,点对多点的 广播信息传送链路(BVCI=0) 用以进行 SGSN 到 PCU 之间控制信息的传送。 3.4.2 Gr接口 MAP MAP TCAP TCAP SCCP SCCP MTP3 MTP3 MTP2 MTP2 L1 L1 Gr SGSN HLR 图 3-12 Gr接口规程栈 Gr 接口指 GPRS 系统中 SGSN 与 HLR 之间的接口,用于传送 MS 的加密信息、鉴权信息和用户数据库信 息等。 Gr 接口采用 CCS7 规程,应用层采用 MAP 协议(如图 3-12 所示)。 3.4.3 Gn/Gp接口 如图 3-13 所示,Gn 是同一个 PLMN 内部 GSN 之间的接口,Gp 是不同 PLMN 中 GSN 之间的接口,Gn 与 Gp 接口都采用基于 IP 的 GTP 协议规程,提供协议规程数据包在 GSN 节点间通过 GTP 隧道协议传送的机制。 Gn 接口一般支持域内静态或动态路由协议,而 Gp 接口由于经由 PLMN 之间路由传送,所以它须支持域间路 由协议如边界网关协议 BGP。 GTP 规程仅在 SGSN 与 GGSN 之间实现,其它系统单元不涉及 GTP 规程的处理。 其它PLMN SGSN Gn SGSN Gp BSS SGSN Gn GGSN 图 3-13 Gn 与 Gp 接口 57 3.4.4 Gi接口 GGSN Gi IP IP GPRS 承载网络 L2 L1 图 3-14 Gi接口 Gi 接口是 GPRS 网络与外部数据网络的接口点,它可以采用 x.25 协议、X.75 协议或 IP 协议等接口方式, 其中与 IP 接口方式参见图 3-14。在 IP 网络中,子网的连接一般通过路由器进行。因此,外部 IP 网认为 GGSN 就是一台路由器,它们之间可根据客户需要考虑采用何种 IP 路由协议。 另外,根据协议和 IP 网络的基本要求,可由运营商在 Gi 接口上配置防火墙,进行数据和网络安全性管 理;配置域名服务器进行域名解析;配置动态地址服务器进行 MS 地址的分配;配置 Radius 服务器进行用户接 入鉴权等。 3.4.5 Gs接口 BSSAP+ SCCP MTP3 MTP2 L1 SGSN BSSAP+ SCCP MTP3 MTP2 L1 Gs MSC/VLR 图 3-15 Gs 接口 Gs 接口为 SGSN 与 MSC 之间的接口,如图 3-15 示。在 Gs 接口存在的情况下,MS 可通过 SGSN 进行 IMSI/GPRS 联合附着、LA/RA 联合更新,并采用寻呼协调通过 SGSN 进行 GPRS 附着用户的电路寻呼,从而 降低系统无线资源的利用,减少系统信令链路负荷,有效提高网络性能。 3.4.6 Ga接口 SGSN/GGSN 与计费网关 CG 之间的接口,用于传送计费信息,它采用类似 GTP 的 GTP’协议。见图 3-16。 SGSN SGSN Ga Ga Ga CG 图 3-16 Ga接口 GGSN 58 3.5 GPRS 网元之间相互作用 GPRS 系统中各个网元相互作用,完成协议处理和呼叫处理等功能。只有了解了网元之间的相互关系,才 能对系统有一个完整的认识,从而更好地了解 GPRS 协议栈和进行系统故障分析。 在 GPRS 系统中,最常用也是最基本的系统功能包括用户附着和激活 PDP 上下文。移动用户进行数据传送 时,首先需要进行网络附着,即进行位置和身份登记,然后通过 PDP 激活请求信息申请网络接入,系统根据 接入申请信息中的 APN 信息进行处理,如通过 DHCP 服务器进行用户地址分配以及通过 Radius 服务器进行用 户身份认证等过程,最终使合法用户得到 IP 地址。作为数据用户,用户在进行数据传送与接收时拥有独立的 IP 地址,是一个真正意义上的 IP 或数据用户。得到 IP 地址后,用户可以建立数据连接,进行数据收发。 在用户附着过程中,主要涉及无线系统,如 PCU、SGSN、MSC 和 HLR 等业务单元,而与 GGSN 等数据 单元无关;在激活 PDP 上下文过程中,则涉及数据单元与无线单元的配合,如 PCU、SGSN、GGSN、DNS 服 务器、DHCP 服务器、Radius 服务器等。各个单元的相互配合和作用是完成系统功能的基础。 3.5.1 移动用户附着过程 MS 通过附着过程登录到 GPRS 网络,从而能够进行位置区的更新以及发起数据传送和接收过程,其附着 过程如图 3-17 所示。MS 在附着过程中,通过 PCU 进行接入控制和信道分配;通过 SGSN 和 HLR 进行鉴权管 理,并从 HLR 中获得用户签约信息,最终在 MS、HLR 与 SGSN 内部形成有关用户的移动管理信息 (MM Context)。 MS 在未进行附着之前脱离 GPRS 网络,处于空闲(idle)状态,不能进行任何数据业务操作。附着之后用户 得到临时身份识别号 TLLI,并在 MS 与 SGSN 之间建立起逻辑链路,变为就绪(ready)状态,可以进行 PDP 上 下文激活过程,进行 IP 地址的申请。 对于附着过程的详细流程,以及其中更为复杂的情况如 IMSI/GPRS 联合附着过程,请参见第六章论述。 MS SGSN HLR 附着请求 附着接收 附着完成 鉴权 更新位置信息请求 插入用户数据 插入用户数据确认 更新位置信息响应 虚线表示此过程为可选项。更详细的流程清参见第六章。 图 3-17 GPRS系统用户附着过程示意图 3.5.2 移动用户激活PDP过程 PDP 指分组数据规程(Packet Data Protocol), PDP 上下文包含与某个接入网络 (APN) 相关的地址映射以及 路由信息。移动用户通过激活 PDP 上下文得到动态地址以随时通过 GGSN 接入特定数据网络。 PDP 上下文激活过程如图 3-18 所示,MS 发送 PDP 上下文激活请求信息到 SGSN,SGSN 根据 APN(接入 点名称,它与特定的业务类型和企业网相关) 判断可接入性,并通过 DNS 得到相应的 GGSN 地址,再通过 Gn 59 接口转发 PDP 激活请求信息到 GGSN,由 GGSN 控制进行动态地址分配和接入认证过程。如果 APN 接入允 许, MS 与 SGSN、SGSN 与 GGSN 之间 QOS 协商通过,并且 Radius 认证过程能够通过,则 MS 将得到 IP 地 址,并在 MS 与相应的 SGSN 和 GGSN 中形成 MS 的相关 PDP 上下文信息。 对于激活 PDP 上下文过程中各网元的详细作用,请参见第六章有关描述。 DNS服务 器 Radius服务 器 BSS SGSN GGSN DHCP服务 器 Internet PDN 激活PDP上下文请求 通过APN信息获 得GGSN地址 发送创建PDP上下文 请求信息 Radius鉴权 发送创建PDP上下 文响应信息 动态地址分配 激活PDP上下文接受 图 3-18 GPRS系统激活PDP过程示意图 以下分别介绍 GPRS 规程中各个协议层的作用。 3.6.1 RLC规程 3.6 RLC/MAC 层功能 RLC 层是 LLC 层和 MAC 子层之间的接口。它执行 LLC-PDU 到 RLC/MAC 数据块之间的封装和解封装, 负责数据块通过无线接口的传送并采用选择性重传机制(ARQ)执行后向错误校正(BEC)功能。 RLC层上的ARQ机制支持两种操作模式,即RLC确认模式和RLC非确认模式。 RLC 确认 模式采 用 RLC 数据 块的重 传机 制得 到较 高的 可靠性 ,在 发送 侧对 所有 要传送 的 RLC数 据块 采用 BSN进行编号,接收侧通过发送分组确认/非确认信息请求对某些未正确接收的RLC数据块进行重传。另外, BSN也用于接收方从RLC数据包到LLC数据包的重组。 RLC非确认模式不执行RLC数据块的重传,发送侧的BSN仅用于接收方从RLC数据包到LLC数据包的重 组,接收侧通过发送分组确认/非确认信息用于进行必要的控制信息的传送(如下行传送中信道质量的监视或上 行传送中的定时提前量校正)。 MS通过分组资源请求或者分组下行确认/非确认信息中的RLC_MODE位设定RLC数据操作模式。在一步接 入时,缺省采用RLC确认模式。 网络通过分组下行设定或者分组时隙重新配置信息中的RLC_MODE设定下行TBF的操作模式。 60 3.6.2 MAC规程 MAC 层位于 RLC 层和物理层之间,用于信道资源共享管理,如进行 PDTCH 的分配等,其规程结构如图 3-19 所示。 MM子层 RR-SAP RR 子层 GMMRR-SAP LLC子层 GRR-SAP RR管理 非-RR RR PD 上层PDUs RR RLC/MAC PCCCH PDTCH PBCCH PACCH SAPI 0 RACH PCH SDCCH FACCH BCCH AGCH SACCH 数据链路层 SAPI 3 SACCH SDCCH 物理层 PDCH 图 3-19 MAC层协议结构 MAC层采用时隙Aloha规程进行MS与BTS之间的接入控制功能,它定义了允许一个或者多个MS共享公共 传输媒体的控制过程,如控制一个MS采用多个时隙或多个MS采用一个时隙传送数据。它负责无线信道接入冲 突监测和解决,以及用户的媒体分配控制。 MAC属于无线资源RR子层。无线资源RR子层提供对物理信道PDCH的无线资源管理、PDCH上的无线链路 控制和媒体接入控制等功能。RR子层利用物理链路层和数据链路层对移动管理MM子层和逻辑链路控制LLC层 提 供 服 务 。 数 据 逻 辑 信 道 PBCCH 、 PCCCH 、 PACCH 和 PDTCH 在 无 线 块 的 基 础 上 复 用 到 分 组 数 据 物 理 信 道 上。 数据传送时MS可能处于两种媒体接入方式(R99版本中增加了Dual Transfer Mode),它们可通过是否拥 有TBF予以区分。TBF是用于传送LLC数据块的一组物理连接,每个TBF被网络分配一个临时流标识号TFI。 MS的两种MAC模式分别为TBF不存在时的分组空闲模式以及MS被设定无线资源后采用TBF进行数据传送时的 分组传送模式,每种模式与一系列功能相对应。 分 组 空 闲 模 式 下 , MS 没 有 被 分 配 分 组 物 理 信 道 资 源 , 不 存 在 TBF , 它 通 过 收 听 PBCCH 和 PCCCH 或 者 BCCH和CCCH(PBCCH和PCCCH不存在的情况下)来接收系统信息,以准备随时采用分组数据物理信道进行 LLC数据单元的传送。这个状态下的MS可以监视相关的寻呼子信道来接收网络侧发起的寻呼信息,或通过发 送信道请求信息进入分组传送模式。 61 分组传送模式下,MS建立了TBF,它可以通过所分配的一组物理信道资源进行分组信息的传送工作。由于 MS的上行与下行TBF独立存在,因此数据传送过程中MS还可以建立相反方向上的TBF。RLC层可采用确认模 式和非确认模式进行 LLC数据的传送。当上、下行方向的数据传送完成时,相应的 TBF被释放。当MS上下行 的TBF全部释放后,它进入分组空闲模式。 GPRS无线接口包含独立的上下行信道。下行方向进行BSS到多个MS的信息传送,不需要冲突监测过程; 上行方向进行MS到BSS的信息传送,由于无线信道的有限性以及MS接入的突发性,需要采用冲突检测机制进 行信道接入的控制。 3.7 LLC 层功能 LLC 层是逻辑链路控制层,它基于 RLC/MAC 层提供 MS 与 SGSN 之间的高可靠性逻辑信道。但是 LLC 信 道独立于 RLC/MAC 层所提供的分组数据信道,多条 LLC 信道中的数据可以在同一条 RLC/MAC 分组数据信 道中传输。LLC 层可以提供不同 QoS(服务质量)的信道,用 SAPI(服务接入点标识)来标识,TLLI(临时逻辑链 路标识)用来识别特定的移动台 MS,SAPI/TLLI 一同用来标识唯一的一条 LLC 信道。LLC 层采用 HDLC 规 程,支持序列控制、顺序发送、流量控制、传输错误检测和重传等功能,并且通过加密功能保证数据的机密 性。它可以采用可变帧长,支持确认性和非确认性数据传送模式。其规程类型类似 GSM 中的 LAPDm。 LLC 的帧格式建立在 LAPD 和 RLP 基础上。但是在帧定界方法和透明机制上它们有着较大区别,以确保 无线路径的独立性。 3.7.1 概念简介 LLC 层可以建立确认或者非确认性逻辑信道,它们分别采用异步平衡模式 ABM 或者异步非连接模式 ADM 配置方式。 - ABM&ADM 在 LAPD 协议中,规定非平衡配置 ADM 和平衡配置 ABM 两种基本类型。如图 3-20 所示,非平衡配置采 用一个主站控制整个链路的工作,主站通过命令控制次站的工作,次站则通过响应发送到主站的应答或请求信 息。平衡配置中链路两端的站都是复合站,无主次之分,双方都可以发送命令和响应信息,而不需要得到对方 复合站的允许。 主站(主) 命令 响应 次站(从) 复合站 (DTE) 命令 响应 复合站 (DCE) 图 3-20 ABM和ADM1 1谢希仁编著,计算机网络(第二版),电子工业出版社,1999 年 4 月第一版 62 3.7.2 LLC 帧格式 LLC 层对等实体之间通信采用如图 3-21 所示的帧格式进行。其中帧头包含地址域和控制域,长度为 2 到 36 字节,帧中所传送的信息采用可变长度,最大为 N201 字节。另外,LLC 正中还包括 3 字节的帧校验序列信 息。 字节数 1 地址 最大 36 控制 最大 N201 3 信息 帧校验序列 图 3-21 LLC帧格式 地址字段: 地址字段主要包括业务接入点标识 SAPI 信息,如图 3-22。 控制字段: 表示帧的类型。四种帧类型分别为信息帧 I、监视帧 S、无确认帧 UI、无编号帧 U,如图 3-23。 规程鉴别位PD 命令/响应位C/R 0 LLC帧 1 非法帧 类别 命令 命令 响应 响应 方向 SGSN-MS MS-SGSN SGSN-MS MS-SGSN C/R值 1 0 0 1 图 3-22 LLC地址字段 业务接入点标识SAPI SAPI 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 相关业务 预留 GPRS 移动管理 保留 用户数据1 预留 用户数据2 预留 SMS 预留 用户数据3 预留 用户数据4 预留 预留 预留 预留 SAP名 - LLGMM - LL3 - LL5 - LLSMS - LL9 - LL11 -  监视帧 S 图 3-23 LLC控制字段 63 用于执行逻辑链路监视控制功能,如进行 I 帧的确认或发起 I 帧传送过程中暂时抑制的请求。每个 S 帧的 N(R)和 A 独立编号。  信息帧 I 用于进行 L3 实体之间的信息传送,每个 I 帧具有独立的 N(S), N(R),和 A 信息。I 帧可能携带 S 信息,所以 有时候称为 I+S,其信息类型如 表 3-2 所示。 表 3-2 I+S帧的信息类型 帧格式 I+S 命令/响应 接收准备就绪 RR 接收准备未就绪 RNR 确认 ACK 选择性确认 SACK S1/S2 功能 0 0 准备接收下一帧,确认序号为 N(R)-1 及其以前的各帧 1 0 暂停接收下一帧,确认序号为 N(R)-1 及其以前的各帧 0 1 确认序号为 N(R)-1 及其以前的各帧以及 N(R)+1 的帧 1 1 确认序号为 N(R)-1 及其以前的各帧以及 SACK 比特位表示的帧  无确认帧 UI 用于执行 L3 实体之间非确认模式的信息传送。UI 帧无需进行序列号确认。因此上如果传输过程中链路异 常,就可能造成传送帧的丢失。E 位用于表示信息帧是否加密,PM 位表示是否允许传输无保护的信息。UI 信 息类型包括以下几种:  SABM 置异步平衡模式命令  DISC 断开命令  UA 无编号响应  DM 已断开响应  FRMR 帧拒绝响应  XID 交换信息标识命令/响应  无编号帧 U 用于提供另外的逻辑链路控制功能,它不包含序列号,但包含 P/F 位用于发送确认请求信息。  控制字段的使用  用于非确认型信息传输时采用 UI 命令。  用于 ABM 确认型信息传输时采用 SABM、DM、DISC、RR、RNR、ACK、SACK 信息。  既用于非确认型又用于确认型信息传输时采用 FRMR、XID 信息。 3.7.3 LLC 协议的两种操作形式  非确认型 在这种操作下,3 层信息采用非确认信息 UI 帧予以传送,在 LLC 层对于 UI 帧不予以确认,也不规定差错 恢复和序列重组机制,但提供传输和差错检测机制,重复的 UI 帧将予以丢弃。这种模式采用异步非平衡配置 ADM。 规定了两种非确认型模式:  保护模式,帧校验序列 FCS 用以保护帧头和信息段。  非保护模式,帧校验序列 FCS 用以保护帧头和部分信息字段。 64  确认型 在这种操作下,3 层信息采用确认信息 I 帧予以顺序传送,并在 LLC 层予以确认,对未予以应答的 I 帧采 用重传机制进行差错恢复和序列重组。对于在 LLC 层不能恢复的差错将报告给 GPRS 移动管理功能。 在确认操作下,定义了流控机制,采用 SABM 设置异步平衡模式(ABM)操作。 3.7.4 LLC 不同操作形式的应用 LLC 不同的操作模式应用于不同的应用类型,并对数据传送的准确性和速率产生较大的影响。规范 03.60 中定义了各种应用所需采用的操作模式,以保证应用的可靠性,如表 3-3 所示。 表 3-3 LLC操作模式应用特性 可靠性级别 GTP 模式 LLC 帧模式 LLC 数据保护 1 确认 确认 保护 RLC 块模式 确认 2 非确认 确认 保护 确认 3 非确认 非确认 保护 确认 4 非确认 非确认 保护 非确认 5 非确认 非确认 非保护 非确认 注:对于实时话务,需要对 QOS 中的延迟和吞吐量进行适当设定。 话务类别 非实时话务,错误敏感性应 用,不允许数据丢失。 非实时话务,错误敏感性应 用,允许数据不频繁丢失。 非实时话务,错误敏感性应 用,允许数据丢失。 实时话务,错误敏感性应 用,允许数据丢失。 实时话务,错误非敏感性应 用,允许数据丢失。 3.7.5 LLC 不同操作形式信息类型应用举例 1. 确认模式建立以及数据传送过程描述(图 3-24) LLC LLC SABM UA I+S S 或 I+S DISC UA/DM 图 3-24 LLC 确认模式建立以及数据传送过程 U Frame Set Asynchronous Balance Mode Command U Frame Unnumbered Acknowledgement Response I/S Frame Receive Ready Command S Frame Receive Ready Response I/S Frame Receive Ready Command 2. 非确认模式建立以及数据传送过程描述 UL DL UL DL UL 65 LLC LLC UI UI 图 3-25 LLC非确认模式建立以及数据传送过程 UI Frame Protected Non-Ciphered Information Command UL UI Frame Protected Non-Ciphered Information Command UL UI Frame Protected Non-Ciphered Information Command DL 3.8 SNDCP 层功能 GPRS网络提供如X.25,IP等多种协议规程, SNDCP提供了多种业务的接入功能,从而保证了在引入新业 务时,无须进行GPRS网络的变动。另外,SNDCP层通过对使用相同应用层网络规程的用户提供压缩功能,提 高了网络的效率。 3.8.1 SNDCP协议层的作用 SNDCP 层结构图 3-26 如示: 控制实体 PDP 或者中继 PDP 或者中继 SNDCP 用户 SNDCP 层 SNDCP 管理实体 5 6 . . . 15 NSAPI SNDCP 实体 SNSM 进程管理实体 LL3 LL5 LL9 LL11 SAPI LLC 层 图 3-26 SNDCP层结构 66 SNDCP用户与SNDCP之间采用协议原语进行通信,用户可以通过SN-DATA原语请求N-PDU的确认模式的 传送;通过SN-UNITDATA原语请求N-PDU的非确认模式的传送;并通过SN-XID原语进行SNDCP用户之间的 参数协商。 SNDCP使用SM子层和LLC层所提供的业务原语进行通信。SNDCP与LLC之间的原语包括LL-RESET、LLESTABLISH、LL-RELEASE、LL-XID、LL-UNITDATA、LL-STATUS等,它们用于进行LLC与SNDCP之间的 确认与非确认数据传输链路建立、清除、参数协商等操作;SNDCP与SM之间的原语包括SNSM-ACTIVATE、 SNSM-DEACTIVATE、SNSM-MODIFY、SNSM-STATUIS、SNSM-SEQUENCE 、SNSM-STOP-ASSIGN 等, 它们用以进行NSAPI使用情况的指示。 SNDCP控制将一个或多个网络层实体上的N-PDU复用到适当的LLC连接,进行LLC确认模式下的端到端的 建立、重建和清除,并通过N-PDU的缓存和重传进行确认模式下LLC操作的数据完整性维护,它还管理每个 NSAPI独立的序列传送,以及传输侧冗余用户数据的压缩和接收侧的解压缩、封装和解封装等工作。 SNDCP层发送侧执行规程控制信息压缩、用户数据压缩和压缩后的信息到 SN-DATA或SN-UNITDATA PDU的封装功能。接收侧执行SN-PDU到N-PDU的解封装、用户数据解压缩和规程控制信息解压缩功能。 3.8.2 网络层业务接入点NSAPI的使用 SNDCP上承载的规程包括一些公共网络规程,它们使用相同的SNDCP功能实体进行不同公共规程的数据 的复用,以利用LLC层进行传送。PDP表示与GPRS接口的外部分组数据网规程,如X.25或IP协议等; PDP上 下文表示PDP地址(如IP地址)、PDP类型(动态或静态)、以及作为外部PDN接入点的GGSN地址和相关QOS参数 的组合关系。NSAPI为使用SNDCP业务的PDP上下文的索引值,它用于对SNDCP层提供的业务的PDP类型和 PDP地址组合进行标识。MS在激活PDP时动态分配NSAPI,NSAPI通过SNSM-ACTIVATE原语由SM子层传送 至SNDCP子层,发送侧SNDCP实体将在每个N-PDU中插入NSAPI值,对等SNDCP实体之间使用NSAPI标定NPDU。 在MS和SGSN之间,TLLI明确表示一条逻辑链路,NSAPI和TLLI共同用于网络层寻址,NSAPI和TLLI 一对信息组合在一个路由区中唯一存在。如图所示,如果一个MS存在两个不同的PDP上下文信息,且这两个 PDP上下文具有不同的IP地址信息,则它们采用不同的NSAPI进行标识。根据TLLI和NSAPI的组合,形成两条 数据通路,图 3-27中表示连接到不同的GGSN。 GPRS MS IP 地址 A 的 SAP NSAPI-1 NSAPI-2 IP 地址 B 的 SAP TLLI SGSN 与 IP 地址 A 相关的 GGSN Gi IP 与 IP 地址 B 相关的 GGSN Gi IP 图 3-27 TLLI与NSAPI组合关系示例 一个PDP可以有几个PDP上下文和NSAPI。然而,也可能每个分配的NSAPI被多个不同PDP所使用。每个激 活的NSAPI将使用LLC层SAPI提供的业务。多个NSAPI可以与同一个SAPI相关联。 67 3.9 BSSGP 层功能 Gb 接口进行 BSS 与 SGSN 的连接,完成用户数据和信令信息的交换。Gb 接口允许多个用户共享同一物理 资源,用户进行数据传送时分配资源,并在数据传送停止后立即予以释放。它与 A 接口不同,A 接口上用户在 呼叫期间分配专用的物理资源,直到呼叫完成为止。 GPRS 信令和用户数据在同一传输面上传送,信令不需要分配专用的物理资源。 Gb 接口链路层基于帧中继规程进行信令信息和用户数据的传送。BSS 与 SGSN 之间建立永久虚电路,多 个用户的 LLC PDU 在这些永久虚电路上进行复用。用户的接入速率可以随机改变,其上限受 Gb 链路容量所 限。 BSSGP 的主要功能是提供 BSS 与 SGSN 之间传送用户数据所需的有关无线、QOS 和路由等信息。在 BSS 中,它作为 LLC 帧和 RLC/MAC 块之间的接口存在;在 SGSN 中,它形成 RLC/MAC 相关信息和 LLC 帧之间 的接口。BSSGP 的次要功能是允许 SGSN 和 BSS 两个物理节点运行节点管理控制功能。 SGSN 和 BSS 中的 BSSGP 规程之间具有一对一的关系。如果一个 SGSN 管理多个 BSS,SGSN 需要对每个 BSS 设定一个 BSSGP 规程机。 BSSGP 的主要功能是:  提供 SGSN 与 BSS 之间的无连接链路;  在 SGSN 与 BSS 之间传送非确认数据;  提供 SGSN 与 BSS 之间的数据流的双向控制;  当 MS 改变 BSS 时,进行 BSS 中旧的数据包的清除;  支持 SGSN 和 BSS 之间的多条链路。 BSSGP 的功能和 LLC 功能相关,但是又不能产生功能和信息流的重复,表 3-4 表示了每层的功能特性。 表 3-4 BSSGP与LLC层功能比较 网络节点和功能 LLC BSSGP NS MS 与 SGSN 相同 BSS PLMN 到 MS: 使 用 BSSGP 信 息 , 调 用 RLC/MAC 操作 MS 到 PLMN: 使用从 RLC/MAC 中得到的消息 形成 BSSGP PDU。产生 LLC 帧 的小区号将包含在 BSSGP PDU 中。 和 SGSN 相同 和 SGSN 相同 SGSN 提供 SGSN 与 MS 之间的帧 传送功能 BSS 使用单独 MS 的无线相 关信息在 Um 和 Gb 上传送 LLC 帧。 提供流控和非确认数据业务 提供 SGSN-BSS 节点管理功 能 Gb 接口上复用、可变带宽、 基于帧和链路层传输机制, 它还提供负荷分担功能 在 SGSN 与 BSS 之间传送信息时,BSSGP 使用 BSSGP 虚连接标识(BVCI)寻址。另外,QOS 特性、MS 标 识(如 TLLI 等)可用于在 SGSN 和 BSS 中创建队列和上下文,基于这些队列和上下文信息进行流控。 BSS 中的 BVCI 上下文包括至少一个 LLC PDU 和可用无线资源容量的队列。支持 GPRS 的每个小区分配一 个 BVCI 上下文。 68 SGSN 中,BVCI 上下文包括至少一个 LLC PDU 和允许的吞吐量的队列。允许的吞吐量由 BSSGP 流控机 制予以更新。 3.9.1 BSSGP 流量控制 在下行数据传送过程中,Gn 与 Gi 接口采用 IP 协议连接,数据速率高且稳定,但是在无线接口上,由于无 线信号衰耗较大,无线带宽较窄,所以数据速率低且不稳定,形成了无线接口上的传送瓶颈。这种情况下,如 果 SGSN 不断将数据传送到 PCU 中,而 PCU 不能及时将数据传送到 MS 或小区中去,就会使 PCU 缓存溢出, 造成数据丢失并且无法恢复。因此,根据无线传送情况及时调整 SGSN 到 PCU 的数据流量是 GPRS 系统中实 施流量控制的基础。PCU 通过向 SGSN 及时传送流控信息,使 SGSN 能够模拟产生 PCU 中数据传送和缓存释 放情况,从而对不能够及时传送到 MS 或小区的数据信息暂缓接收或者缓存和丢弃,这样,仍然可以采用高层 协议保证数据流的完整性,从而避免造成 PCU 中的数据丢失。 根据 GPRS R98 规范,仅下行 LLC PDU 数据的传送采用流量控制机制,上行不采用流量控制。系统中采 用 BSSGP 层的流量控制机制管理 Gb 接口上 SGSN 到 BSS 方向 BSSGP PDU 的数据传送工作,它分两步实 施,即针对单个 MS 的流量控制和针对单个小区(BVC)的流量控制。每个 LLC PDU 首先进行 MS 流量控制,然 后进行 BVC 流量控制。只有当 LLC PDU 通过了 MS 流控过滤算法,它才可以执行 BVC 流控过滤算法(图 3-28),最终只有通过 MS 流控和 BVC 流控两种算法的 PDU 才被传送到 BSS 中去。但是对于某些暂时不实施 MS 流量控制的 GPRS 系统来讲,系统仅仅执行 BVC 流量控制就可以了。 MS 流量控制 MS流量控制 MS流量控制 BVC流量控制 BSS 图 3-28 BVC流量控制 最基本的流量控制方法是漏斗算法(Leaky-Bucket),根据漏斗大小和漏斗泄漏速度,可以了解漏斗的溢出和 空间释放情况,从而可以有效控制漏斗的注入速率和注入量。  下行信道的流量控制 BSS 传送给 SGSN 的流控参数包括以下信息:  BVC 流量控制参数 Bmax Gb 接口上 BVC 的最大漏斗大小 R 相应漏斗的泄漏速率 Bmax_default_MS 69 R_default_MS BVC 中 PDU 传送的选延迟测量  MS 流量控制参数 TLLI 值 Bmax Gb 接口上 BVC 的最大漏斗大小 R 相应漏斗的泄漏速率 其中, Bmax 和 R 两个参数值最为重要,它们分别定义了漏斗大小和漏斗泄漏速率。 GPRS 系统中所采用的流量控制算法如图 3-29 所示。SGSN 将首先采用估算的 Bmax 和 R 值进行单个 MS 的流量控制;当收到 BSS 所发送的有关这个 MS 的 Flow-Control-MS 信息后,它将在 T 秒内(5s Bmax 否 ? B = B* Tp = Tc 是 延迟传送 LLC PDU 传送 LLC PDU 图 3-29 BSSGP流量控制算法 图中所使用到的变量的名称及其意义表示如表 3-5: 变量 Bmax B B* R L(p) Tc Tp 表 3-5 BSSGP 流量控制算法中的变量 意义 漏斗大小 当前漏斗量 估算的漏斗量 漏斗流速 当前要发送的 PDU 的大小 当前 PDU 的到达时间 前一 PDU 发送的时间 SGSN 中初始变量设置及变化方式为: Bmax=0 对于 BVC,当接收到 Flow Control-BVC 信息时此值将会改变。对于 MS,当接收到 Flow Control-BVC 信息中的 Bmax_default_MS 时此值也将改变。 70 R=0对于 BVC,当接收到 Flow Control-BVC 信息时此值将会改变。对于 MS,当接收到 Flow Control-MS 信息时此值将会改变。 B=0 表示漏斗空。 Tp 表示第一个 LLC-PDU 的当前时间。 SGSN 将使用以下公式产生 MS 的初始漏斗大小值 Bmax: Bmax(bits)=(1 秒钟的 R_default_MS,72000,1 秒钟的 MS 最大吞吐量,(1 秒钟的 MS 最大吞吐量+ 小区中 其它 MS 的 1 秒钟的当前吞吐量)/小区中 MS 数) 的最小值。 除非 SGSN 接收到 BSS 所发送的有关 MS 的 Flow-control-MS 信息,否则 SGSN 所使用的 Bmax 不能大于 Bmax_default_MS。 除非 SGSN 接收到 BSS 所发送的有关 MS 的 Flow-control-MS 信息,否则 SGSN 所使用的 R 不能大于 R_default_MS。 当 LLC-PDU p 在 Tc 时刻到达时,如果要传送 PDU 到 BSS,变量 B*将被设定为预测的漏斗大小 B*=B+L(p)-R*(Tp-Tc),即漏斗当前空间大小加上新到达的 PDU 数据包的大小并减去从接收到上一个数据包到 当前时间内流出的数据量。如果 B*Bmax。如果 B*>Bmax,则 LLC-PDU 数 据的传送需要延缓一段时间,并且不进行变量更新。如果 B*=0) C32(s) = C1(s) (服务小区) C32(n) = C1(n) + GPRS_RESELECT_OFFSET(n) - TO(n) * (1-L(n)) (相邻小区) GPRS_TEMPORARY_OFFSET 在时限 T 之后的 GPRS_PENALTY_TIME 内对 C31/C32 产生一个负偏移 量。 GPRS_RESELECT_OFFSET, PRIORITY_CLASS, GPRS_TEMPORARY_OFFSET 和 GPRS_PENALTY_TIME 在服务小区的 PBCCH 上广播。  小区重选原则 每个取样点或每秒钟,MS 需要更新 RLA_P 值,并计算服务小区和相邻小区的 C1、C31 和 C32。MS 按照 以下原则进行小区重选: - 对于 C1 低于 0 的服务小区,根据路径衰耗原则通过 C1 进行控制 - 通过分析相邻小区的 C32 值确定其是否可以变成为服务小区 102 C31>0 时,最高权限小区中具有最大 C32 值的小区将成为服务小区 C31<0 时,所有小区中 C32 值最大的小区将成为服务小区。 - 对于相邻小区,C32 需考虑以下偏移修正。  同一路由区中 C32 – 0 Standby 状态 C32 - GPRS_CELL_RESELECTION_HYSTERESIS 就绪 状态  不同路由区中 C32 - RA_RESELECTION_HYSTERESIS 就绪& Standby 状态  如 15 秒之前进行过小区重选工作 C32 - 5dB 4.13.2 GPRS 系统中网络控制的小区重选 一般情况下,MS 通过监测服务小区和相邻小区的无线环境自主进行小区重选工作,而不考虑网络拥塞、 GPRS 可用性、MS 的支持能力和当前服务质量等因素。通过网络对小区重选过程进行干预,将使切换过程更 加灵活高效,从而产生了网络控制下的小区重选过程。 网络通过 NETWORK_CONTROL_ORDER 来控制 MS 的小区重选过程,其三种方式为: NC0 正常的 MS 控制下的小区重选过程 NC1 MS 对网络发送测量报告,并自动执行小区重选过程 NC2 网络控制下的小区重选过程。MS 对网络发送测量报告,并根据网络要求执行小区重选过程。 NC1 和 NC2 适用于处于就绪状态的 MS,对于 standby 状态的 MS,通常采用正常的 MS 控制下的小区重选 过程。例如,当系统载干比、BLER、Raqual 等较低,不适合于数据传送的情况下,系统可以进入 NC2 模式执 行网络控制的小区重选过程。 4.13.3 GPRS 小区重选过程描述 BSS 通过向 SGSN 发送 Radio_status 数据包表示 BSS 与 MS 之间链路的状态,如果是 BSS 指示 MS 进行小 区重选,Radio_status 将表明原因为 ―要求的小区重选‖,接收到这条信息后,SGSN 将等待小区更新完成才恢 复到 BSS 的 LLC PDU 的传送过程。 接收到 Radio_status 信息后,SGSN 停止下行数据传送,MS 转入 Standby 模式。如果队列中有数据包或者 有新的下行数据包需要传送,SGSN 将寻呼 MS。 对于 BSS 指示的小区重选,如果小区更新响应信息(合法的上行 LLC PDU) 先于寻呼响应被收到,则 SGSN 将立即传送下行数据包到 BSS。 当 SGSN 检测到 MS 小区重选或者 RA 更新时,它将发送 Flush-LL PDU 到原先的 BVC。如果是 SGSN 之 间的路由区更新,原先的 SGSN 将发送 Flush-LL PDU 到旧的 BVC。其过程描述为(图 4-25): 如果是同一 NSE 中同一 RA 内的小区改变,旧的 BVC 中与 TLLI 相关的 LLC-PDU 将被删除或者被传送至 TLLI 所在的新的 BVC 中去。 如果是两个 NSE 或两个 RA 之间的小区更新,原先小区中的 LLC-PDU 将被删除。 发送到原先小区中的 FLUSH-LL 信息将包括 MS 的 TLLI 号、原先 MS 所在小区的 BVCI 号,以及 MS 小区 重选后所在小区的 BVCI 号(只在同一个 NSE 下的同一 RA 内时)。如果不提供新的 BVCI 号,Flush-LL 信息将 被认为是删除原先小区队列中 LLC-PDU 的指示。队列中的 BSSGP 信令信息,如寻呼等将不受这个过程的影 响。 103 接收到 Flush-LL PDU 之后,BSS 将发送 Flush-LL-Ack PDU 到 SGSN,其中包括在 Flush-LL PDU 中所接收 到的 TLLI 号、LLC-PDU 被删除或转发的指示,如果是转发 SDU,新的 BVCI 将包含在内。 SGSN 接收到表示原先 BVC 中的 LLC-PDU 被删除的 Flush-LL-Ack PDU 后,SGSN 将更新 MS 和 BVC 的 漏斗计数器 B,并采用 LLC 重传机制进行未确认 LLC-PDU 的重传。 SGSN 接收到表示原先 BVC 中的 LLC-PDU 将在同一 NSE 中被转发的 Flush-LL-Ack PDU 后,SGSN 将更 新旧 BVC 的漏斗计数器 B。 如果 SGSN 没有接收到 Flush-LL-Ack PDU 信息,将不采取任何行动。 Flush-LL 过程减少了 BSS 内部小区更新中的分组数据丢失。 MS 新的BSC 转到新的小区 分组信道请求 TBF建立(MAC) 分组上行设定 旧的BSC SGSN 小区更新(LLC) 释放旧小区中 的资源(BSSGP) 任一LLC PDU,包含MS识别号 Flush-LL Flush-LL Ack 图 4-25 小区更新过程 4.14 GPRS 编码方式的动态选择 4.14.1 编码方式的动态选择 GPRS 系统中,数据传送既要保证快速性,又要保证准确性,所以如何根据无线环境动态地进行编码方式 的选择是一个关键问题。GPRS 系统采用链路适配算法进行动态编码方式的选择,以保证系统较大的吞吐量和 较低的误码率,从而提高系统性能。 4.14.2 GPRS 系统各种编码方式特性 在 GPRS 系统中,根据数据帧中校验位数目的不同,定义了 4 种类型的编码方式,分别为 CS1、CS2、 CS3、CS4,各种编码方式相应的传送速率以及抗干扰能力各不相同。系统根据无线环境动态地进行编码方式 的选择,从而保证数据传送的准确性。 4.14.3 系统对于各种编码方式的选择 根据当前信道质量选择合适的编码类型,称为链路适配技术,其目的是通过选择合适的编码方式在保证数 据传送准确性的基础上来得到最大的吞吐量。一般采用两种算法来执行链路适配,分别为基于 BLER 的算法和 基于 CIR 的算法。链路适配方式一般分为两个阶段,即编码方式的初始动态选择阶段和数据传送过程中编码方 式的动态改变阶段3。  基于 BLER 的算法 3 Olav Queseth,etc,Algorithms for Link Adaption in GPRS, Sensors and Systems Royal Institute of Technology. Sweden 104 数据传送过程中,RLC 层的接收侧会对所接收到的 RLC 数据块进行确认,从而发送侧可以估算块错误率 BLER,并得知信道质量情况。根据 BLER 及时调整数据发送的编码速率,是链路适配技术的关键。 BLER 计算公式为: BLER = RLC 错块数/发送 RLC 数据块总数  基于 CIR 的算法 C/I 是系统中无线环境好坏的直接度量值,不同编码方式下的系统吞吐量与 C/I 相关,所以根据 C/I 调整编 码方式,可以得到更大的吞吐量。  BLER 具体算法举例: 对于 GPRS 来讲,由于 MS 的移动性以及无线信号的衰落特性,要求系统动态选择编码方式,即选择初始 编码方式并动态更新编码方式,以保证系统性能。另外,如果系统中有大量小数据包传送时,所建立的 TBF 较短,不能充分利用链路适配算法,所以初始编码选择就更为关键。 系统可以采用两种方法选择初始编码方式:  根据 MS 所发送的信息进行初始编码方式设定,随后予以动态调整。 对于 MS 来讲,如果采用两步接入法,其所传送的上行分组资源请求信息中将包含 C_value,即系统质量 报告,网络侧可以根据 MS 报告值进行初始编码方式选择。  采用固定的编码方式,再根据系统测量报告进行动态调整。 对于采用固定编码方式的现象,系统将根据数据传送初始阶段的网络质量报告及时予以调整,以保证网络 性能。 进行链路适配时,网络首先选择初始编码方式,如 CS4,并采用所设定的编码方式进行数据传送,当接收 到 ACK/NACK 信息后,网络将采用均衡窗口(averaging window)估测先前所接收的 RLC/MAC 数据帧中的 BLER,并进行门限比较,以决定初始编码方式是否应予以调整,然后网络使用信选定的编码方式继续进行数 据传送工作4。 一种编码方式的门限值设定如下(图 4-26): CS1 起始编码 CS4 BLER > 0.2 CS2 BLER < 0.14 BLER < 0.1 BLER > 0.2 BLER < 0.04 CS3 BLER > 0.2 图 4-26 编码方式举例5 4 Olav Queseth,etc,Algorithms for Link Adaption in GPRS, Sensors and Systems Royal Institute of Technology. Sweden 5 Juan Li,LINK ADAPTATION IN GENERAL PACKET RADIO SERVICES (GPRS),Helsinki University of Technology 105 5 第五章 GPRS 数据传送过程 在需要进行上行数据传送时,MS 可以采用一步或两步接入法发起信道接入请求。由于多个手机发送接入 信息的随机性,系统首先需要完成冲突检测过程,随后根据 MS 的多时隙特性因素采用动态或者静态方式进行 信道分配。MS 使用所分配的信道进行数据发送和数据确认过程。下行数据传送过程中网络直接进行上行信道 分配,接入过程相对简单一些。 MS 在上下行方向独立进行数据传送。对于反方向的数据确认,MS 必须重新申请信道。其数据传送过程上 行包括接入申请、信道分配和数据传送等三个阶段,下行可直接进行信道分配完成数据传送,因此可分为两个 阶段。 上行数据传送过程简述为:  接入申请阶段:MS 使用 Slotted-Aloha(时隙 Aloha)规程传送接入请求消息。 MS 通过 RACH 或 PRACH 逻辑信道发送随机接入请求信息,请求数据信道资源的分配,系统通过 BCCH 或者 PBCCH 上广播的系统信息进行接入控制,以防止多个 MS 造成碰撞。  信道分配阶段:BSS 对 MS 分配上行传送所需的信道。 若 MS 申请一步接入,系统将通过 AGCH 或 PAGCH 信道分配 PDTCH 信道;若是两步接入,系统将通过 AGCH 或 PAGCH 信道分配 PACCH,由用户进一步发起分组资源请求申请 PDTCH 信道。  数据传送阶段:上行数据无冲突地予以传送。 对于上行数据的传送,系统可采用静态方式或动态方式进行信道分配。对于静态分配方式,MS 根据信道 分配阶段所分配的固定无线块发送数据;而对于动态方式,MS 需不停地收听下行信道上的 USF 信息,以决定 是否可以利用接下来的一个或一组无线块发送数据。 在传送过程中或者最后一个 RLC 块传送完成后,系统将会确认 RLC 数据块的接收情况,如果 MS 在数据 传送完成后一段时间内不能及时收到确认信息,它将启动数据重传过程。 下行数据传送过程简述为:  信道分配阶段:BSS 对 MS 分配上行传送所需的信道。  数据传送阶段:MS 监视所支配的信道,下行数据无冲突地予以传送。 5.1 碰撞检测机制 GPRS 系统中采用时隙 Aloha 规程进行多个 MS 对公共信道接入时的碰撞检测和控制。 5.1.1 时隙Aloha(Slotted_Aloha)机制6 多个终端采用公共信道接入中央控制系统进行信息传送时,如何有效控制终端进行公共信道资源共享和多 路接入是关键问题。由于信道资源的有限性,系统可以采用专用信道分配方式、随机接入信道分配方式和按需 分配等三种资源共享原则进行信道管理。专用信道分配方式不考虑用户传送数据量的多少,对每个用户分配固 6 Adrian Burian, GPRS Radio Interface:Medium Access Control details in GPRS, Signal Processing Laboratory, Tampere University of Technology 106 定的信道资源,从而适用于连续数据业务的传送,但是在突发类话务条件下会造成资源的浪费;随机接入信道 分配方式允许所有用户在需要传送数据时进行信道竞争,它适用于突发性话务,但是接入过程中会产生冲突, 所以不适合于延迟敏感类业务;按需分配型是根据用户信息量大小进行资源分配的方式,它适用于变速率业务 或者多媒体综合业务,但信道的分配过程会带来额外的负荷和延迟,从而会对性能产生影响。 对于突发性话务,终端在少量时间内处于忙时,而其它时间多为空闲状态,因此适宜采用随机接入信道分 配方式进行信道控制。这样,终端在需要时即可发起数据传送,如果和其它终端产生冲突,则经过一段随机时 间后再次发起传送过程,直到发送成功为止,这种方式称为纯粹的 Aloha 规程(如图 5-1)。根据 Abramson 公式 推导可知,纯 Aloha 规程中用归一化参数表示的网络负载不能超过 0.5,网络吞吐量最大为 18.4%,可见系统 效率很低。GPRS 系统中采用改进型的 Slotted-Aloha(时隙 Aloha)规程以提高网络的吞吐量。时隙 Aloha 原理如 图 5-2 所示,假定终端采用固定长度的数据包,并将传送时间分成与传送单个数据包等长的时隙,再通过对发 送终端的发送自由性增加限制,允许终端仅在时隙内进行发送,则当数据包发生冲突时,它们将完全重叠而非 部分重叠,从而增加了 Aloha 规程的有效性和网络吞吐量,如对于大量终端用户,采用 Slotted-Aloha 规程时的 网络负荷可以达到 1,网络吞吐量达到 0.3687。 碰撞 ALOHA A B C 图 5-1 纯 ALOHA 规程示意图8 碰撞 A B C 图 5-2 时隙ALOHA规程示意图 5.1.2 时隙Aloha规程在GPRS系统中的应用 在 GSM 系统中,MS 采用随机接入信道 RACH 发送接入信息,RACH 通常设在时隙 0 上,因此碰撞只发 生在 TS0,通过监测 TS0 上的碰撞并执行避免算法,可以有效地保证接入的成功性。 接入过程中一个接入请求未被应答时,MS 将重发这一接入请求。为避免两个相互碰撞的 MS 再次冲突, MS 将等待一随机时间后重发接入信息,其重发过程由重发的最大次数 Max_Retrans(简称为 M)、接入级别 P(i)、随机接入重发间隔 Tx_int(简称为 T)、信道请求重发间隔 S 等参数进行控制。 7谢希仁编著,计算机网络(第二版),电子工业出版社,1999 年 4 月第一版, P93 8 Adrian Burian, GPRS Radio Interface:Medium Access Control details in GPRS, Signal Processing Laboratory, Tampere University of Technology 107 - GPRS系统中定义四种LLC PDU权限级别,分别为1到4,其中1所代表的级别最高。P(i)用以表示每种无线 权限下的控制级别,共16种,它用以控制MS是可以马上发送请求信息还是需要等待。P(i)由网络设定,通 过寻呼信息传送给MS。P(i)∈{0,1,2,......14,15})。 - Max_Retrans 表示在等待网络回应过程中 MS 重发接入信息的最大次数。对应于四种无线权限[1-4]的 Max_Retrans 值分别为[1,2,4,7]。 - Tx_int(简称为 T)表示随机接入信息的重发间隔。Tx_int 为 4 比特,用以表示 2 到 50 个时隙间隔。 - S 表示信道请求信息的重发间隔,为 4 比特,共 16 种。规范中有 10 种类别用以表示最小为 12、最大为 217 的时隙间隔,其余 6 种类别目前予以保留。S 和 T 的对应关系可以表示为表 5-1: T 3,8,14,50 4,9,16 5,10,20 6,11,25 7,12,32 表 5-1 参数 S 与 T 取值的关系 非混合 CCCH 55 76 109 163 217 混合 CCH/SDCCH 41 52 58 86 115 PRACH 的接入包括以下几步: - 当 MS 需要传送 LLC 帧时,如果 TBF 还没有建立,MS 需要通过 PRACH 发送分组信道请求 Packet Channel Request 信息。 - 在设定过程初始化和第一个分组信道请求之间的 TDMA 帧是一个随机数,它的范围在{0, 1, ..., max (T, 8)– 1}之间。 - 只有在 P(i)小于等于 MS 所选定的[0,15]之间的随机数 R 时,MS 才通过属于自己的 PCCCH_GROUP 的包 含 RACH 的 PDCH 信道上的第一个 TDMA 帧发送第一次分组信道请求信息。 - 如果 P(i)大于 R,则 MS 需要等待。PRACH 上需要等待的 TDMA 帧数在[S, S+T-1]范围内。S 和 T 值由网 络广播。 - MS 采用以上机制进行分组信道请求,信息发送的最大次数为 Max_Retran,每次信息发送后,MS 将收听 相应的广播和控制信道。如果达到最大重发次数或者 T3186(从分组接入过程发起时开始计时)超时,接入 过程将被忽略,MS 将在之后一段时间内进行小区重选。 5.1.3 MAC层接入碰撞检测 由于 PRACH 是一种公共控制信道,当多个 MS 同时发送信道请求信息请求同一信道资源时,它可以被属 于相应 PCCCH 组的任一 MS 所使用,网络通过 PAGCH 信道上的分组上行设定信息对 MS 进行资源分配时, 每个请求资源的 MS 都将接收到资源信息,虽然分组上行设定信息中包含分组请求信息字段以表明信道请求传 送的帧号以及信道请求的内容,但是当多个 MS 同时接入 PRACH 并发送相同的接入请求信息时,分组上行设 定信息将被所有这些 MS 接受并认可,它们将试图在所得到的资源上进行上行信息传送,从而产生冲突。 为了解决这个问题,规范中规定采用识别号 TLLI 来解决冲突。 108 由于 TLLI 可以由 MS 随机产生,如果多于一个 MS 试图进行上行传送过程,网络所接收到的 TLLI 值将可 能产生重复。 在一步接入方式中,MS 发送的第一个 RLC 块中将包含 TLLI 号以及 TFI 值。如果网络接收到 TLLI 和正确 的 TFI 值,它认为没有冲突产生。网络将使用所接收到的 TLLI 回送上行确认信息(Packet Uplink Ack/Nack), 如果上行确认信息中包含 MS 的正确 TLLI 号和原先的 TFI 值,MS 将认为没有冲突产生。后续的 RLC 数据块 中将不再包含 TLLI 值。某些携带 TLLI 信息帧需要重传时,RLC 数据块中仍将包含 TLLI 值(如图 5-3)。 MS 网络 信道请求 立即设定 数据 分组上行ACK/NACK 冲突解决完成 图 5-3 一步接入方式中的冲突监测过程 MS 信道请求 立即设定 分组资源请求 分组上行设定 数据 网络 冲突解决完成 图 5-4 二步接入方式中的冲突监测过程 MS 在发送第一个 RLC 数据块时,将启动 T3166 和 N3104,每发送一个 RLC 数据块,N3104 增加一,当 N3104 超出最大值、T3166 超时、或者 MS 接收到具有相同 TFI 值但与第一个 RLC 数据块包头中所包含的 TLLI 值不同的 TLLI 值时,表示冲突解决失败。MS 将复位 T3166 和 N3104,并重新启动分组接入过程,若重 复四次仍然失败,则 TBF 建立过程失败。 在两步接入中,MS 发送资源请求信息(Packet Resource Request)请求信道分配,其中包含一个随机产生的 TLLI 值。网络侧所发送的分组上行设定(Packet Uplink Assignment)信息中,将包含网络从资源请求信息中所接 收到的 TLLI 值。若 MS 接收到的分组上行设定信息中所包含的 TLLI 值与自己的 TLLI 值相符,表示没有冲突 发生(如图 5-4)。MS 在后续的 RLC 数据块中将不再包含 TLLI 值。如果冲突检测失败,MS 将重新发起最多四 次接入请求,若不能通过,则 TBF 建立失败。 109 5.2 MS 接入方式 GPRS系统中需要区分一步分组接入法和两步分组接入法。MS可以任意选择使用其中之一,但是最终 的决定权仍然在PCU。两种接入方式下MS都需要先发送接入请求信息到基站,表明接入原因和临时标定用户 的随机比特序列。比特序列为2到5 比特长,因此不能明确标定移动用户,从而需要冲突检测机制。两种接入 法的最主要区别在于一步接入法具有明确的冲突解决机制,而两步接入法的冲突解决机制则不太明确。 5.2.1 一步分组接入法 在一步分组接入过程中,网络通过资源分配过程响应MS的请求信息。MS使用所分配的资源进行LLC 数据的传送,并将其TLLI信息包含在第一个RLC数据块中,直到网络采用这个TLLI回送Ack/Nack信息为止, 这时就表明冲突解决机制完成。 5.2.2 两步分组接入法 在两步接入方式下,网络在接收到接入突发后只分配一个上行无线块给MS,MS使用这个无线块进一 步表明所需资源并将TLLI信息一起发送到PCU。最后PCU将分配足够的资源,并将TLLI信息包含在资源分配 信息中送给MS,如果TLLI值一致,则冲突解决过程完成。MS不需要再在任何所发送的数据包中包含TLLI信 息。 一步接入法从发起接入突发到真正数据传送之间的时延较短,但是由于MS需要将TLLI包含在它所发 送的第一个数据块中,所以吞吐量有所降低。当CCCH或者PCCCH上的网络负荷较高时,PCU将强制使用两步 接入法,这种情况下,由于上行传送碰撞较多,可能造成上行数据块的丢失。 110 MS 直接冲突 解决机制 接入信息 资源分配 数据(TLLI) ACK/NACK 数据 数据 数据 网络 一步 MS 间接冲突 解决机制 接入信息 单无线块分配 PACK_RES_REQ 资源分配 数据 数据 数据 网络 一步 两步 图 5-5 一步接入法和两步接入法 5.2.3 CCCH上的接入机制 如果小区中不存在PCCCH信道,则MS需要使用RACH信到发送接入请求信息。MS根据不同的接入原 因,可能选择一步或者两步接入法,如图 5-14。 如果是用于传送GMM或者SM信令信息,则必须使用一步接入法。如果是对分组域寻呼的响应也同样 必须使用一步接入法。如果是采用RLC确认模式进行数据包的传送,也可以使用一步接入法。 如果是采用RLC非确认模式进行数据传送,或者传送RLC/MAC控制信息时,必须使用两步接入法。如 果是采用RLC确认模式进行数据包的传送,也可以使用两步接入法。 对于一步或者两步接入法,CCCH上MS的接入权限都是相同的,与它的Radio Priority无关。 111 RACH 确认RLC 非确认RLC 寻呼响应 GMM/SM小 区更新 RLC/MAC控 制信息 5.2.3.1 接入原因:一步接入法 接入原因:两步接入法 图 5-6 一步接入法和两步接入法使用原则 CCCH上的一步接入法简述 如果MS的RLC/MAC层接收到来自LLC或者GMM的请求对网络传送PDU信息,则MS将可能采用一步 接入法进行接入,其详细过称如图 5-7: 具体过程描述如下  MS发送采用CCCH发送信道请求信息CHAN_REQ到BTS。最大发送次数为(MAX_RETRANS + 1) 的最大值。  重复发送同一个CHAN_REQ信息时,各信息之间的TDMA帧数取决于SYS_INFO1、2、3 和4上所 广播的RACH_CONTROL_PARAMETERS中的TX_INT和 S信息。  重复发送最后一个CHAN_REQ信息完成后,MS将启动T3146(最大值5s)。  级别A或B的MS将继续收听PCH(NOM I或者II)或者PPCH(NOM I)以及时响应电路域寻呼命令,级 别B MS如果接收到电路域寻呼消息将中断一步接入过程。  当接收到MS的CHAN_REQ消息后,BTS增加帧号和定时提前量信息,然后将请求信息转送到 PCU/BSC,PCU形成分组上行设定信息PACK_UL_ASS传送到BSC,BSC将此信息封装到立即设定 Imm_Ass_CMD信息中通过AGCH传送到MS。PCU同时启动T3141。这里需要注意的是即使MS请 求一步接入法,PCU仍可能强制使用两步接入法,它只对MS只分配一个上行无线块就行了。  接收到Imm_Ass_CMD后,MS将停止T3146,响应分配信息。如果使用动态资源分配的话,还将启 动T3164等待数据传送开始。  MS发送第一个RLC数据块,将N3104设为1,同时停止T3164,启动T3166。这个RLC数据块中将 包含用于冲突检测的TLLI值。  当接收到包含TLLI信息的RLC/MAC数据块后,PCU将回送分组上行确认PACK_UL_ACK信息到 MS,其中包含所接收到的TLLI和TFI信息。  如果上行确认信息中包含MS的正确TLLI号和原先的TFI值,MS将认为没有冲突产生。后续的RLC 数据块中将不再包含TLLI值。某些携带TLLI信息帧需要重传时,RLC数据块中仍将包含TLLI值。  如果PACK_UL_ACK中包含相应的上行TFI信息但是TLLI值不同,则表明有冲突产生,MS将立即 停止使用所分配的信息,并重新启动分组接入过程。 112  如果N3104到达N3104_MAX = ( 3 x (BS_CV_MAX + 3) x 所分配的上行时隙数),或者在接收到包 含 它 的 TLLI 和 TFI 的 PACK_UL_ACK 信 息 之 前 T3166 超 时 , MS 将 重 新 启 动 分 组 接 入 过 程 。 BS_CV_MAX在SYS_INFO13 或者PACK_SYS_INFO1 和PACK_SYS_INFO13信息中广播。 注意使用CCCH进行一步接入时,PCU将在一个时隙上设定上行资源,因为它无法了解MS的多时 隙特性系统。 MS 网络 信道请求 T3146 T3164 N3104=1 N3104++ N3104++ T3166 信道请求 信道请求 信道请求 最大重发次数 max_retrans+1 立即设定命令 RLC数据块 RLC数据块 RLC数据块 T3141 分组上行确认 图 5-7 CCCH上的一步接入法 5.2.3.2 CCCH上的两步接入法简述 假设MAC层接收到RLC层传送RLC/MAC控制信息的请求,或者需要采用RLC确认或者非确认模式传 送一个或者多个LLC PDU信息,则MS可能发起两步接入法请求过程,如图 5-8。 具体过程描述如下:  MS发送采用CCCH发送信道请求信息CHAN_REQ到BTS。最大发送次数为(MAX_RETRANS + 1) 的最大值。  重复发送同一个CHAN_REQ信息时,各信息之间的TDMA帧数取决于SYS_INFO1、2、3 和4上所 广播的RACH_CONTROL_PARAMETERS中的TX_INT和 S信息。  重复发送最后一个CHAN_REQ信息完成后,MS将启动T3146(最大值5s)。  级别A或B的MS将继续收听PCH(NOM I或者II)或者PPCH(NOM I)以及时响应电路域寻呼命令,级 别B MS如果接收到电路域寻呼消息将中断两步接入过程。 113  当接收到MS的CHAN_REQ消息后,BTS增加帧号和定时提前量信息,然后将请求信息转送到 PCU/BSC,PCU形成分组上行设定信息PACK_UL_ASS传送到BSC,BSC将此信息封装到立即设定 Imm_Ass_CMD信息中通过AGCH传送到MS。PCU同时启动T3141。  接收到Imm_Ass_CMD后,MS将停止T3146。  MS等待所指示的上行无线块出现时,才发起RLC/MAC控制信息。如果所发送的信息为分组资源 请求信息PACK_RES_REQ,MS将启动T3168。  接收到PACK_RES_REQ信息后,PCU分配足够的资源,并通过分组上行设定PACK_UL_ASS信息 传送到MS。接收到这个信息后,MS停止T3168。  如果上行设定信息中包含MS的正确TLLI号和原先的TFI值,MS将认为没有冲突产生。 两步接入法提供了一种机制,使得对于一些仅使用一个上行无线块的RLC/MAC控制信息不用建立 TBF即可传送。另外,在两步接入法中,MS可以通过分组资源请PACK_RES_REQ信息传送OQS和所 请求的块数等重要信息。 MS 网络 信道请求 T3146 T3168 信道请求 信道请求 立即设定命令 分组资源请求 分组上行设定 RLC数据块 信道请求 最大重发次数 max_retrans+1 T3141 RLC数据块 图 5-8 CCCH上的两步接入法 5.2.4 PCCCH接入机制 如果小区中存在PCCCH,则所有的移动用户将使用 PCCCH时隙接入网络。使用PCCCH时,MS根据 SYS_INFO13中广播的ACCESS_BURST_TYPE信息,采用8比特或者11比特的接入突发传送信息内容。使用 PCCCH时,MS可以更明确地表明接入原因,另外,MS还可以表示其多时隙特性,所需的块数以及相关的无 线权限等参数。 不同的接入原因示于图 5-9,具体为: 一步接入法可在传送大于8个RLC数据块(CS1编码)、且需要采用RLC确认模式时使用。 短接入法可在传送小于等于8个RLC数据块(CS1编码)、且需要采用RLC确认模式时使用。 114 寻呼响应、小区更新、GMM/SM信令过程也使用一步接入法。 用于传送RLC非确认模式的用户数据时必须使用两步接入法。 RLC确认模式下传送大于8个RLC数据 块时也可以使用两步接入法。 不用建立TBF的单一块传送方式用于RLC/MAC控制信息的传送。 注意,使用PCCCH时,MS仍需要进行冲突检测机制。 PRACH 一步接入法 两步接入法 确认RLC (>8RLC块) 一步或两步 分组接入 确认RLC (<=8RLC块) 短接入 GMM/SM过 程 GMM 小区更新 小区更新 图 5-9 PCCCH接入机制 RLC/MAC控 制信息 无TBF建立的 单一块传送 非确认RLC 两步分 组接入 PRACH上8比特接入突发的内容如图 5-10,注意MS只有在一步接入时才表明它的多时隙特性。 比特 7 1 0 0 0 0 0 0 比特 6 0 1 1 1 1 1 比特 5 比特 4 比特 3 多时隙级别 块数 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 比特 2 比特 1 比特 0 随机参考 随机参考 随机参考 随机参考 随机参考 随机参考 随机参考 一步分组接入请求 短接入请求 两步分组接入请求 寻呼响应 小区更新 GMM/SM 信令 没有 TBF 建立的单个块传送 图 5-10 PRACH上8比特接入突发的内容 考。 PRACH上11比特接入突发的内容如图 5-11,相对于8比特格式,它所多出来的3比特信息用于: 一步接入法、短接入法和两步接入法情况下提供此次接入的无线特性和随机参考信息。 寻呼响应、小区更新、GMM/SM信令过程以及无需TBF建立的单一块情况下提供更多比特用于随机参 比特 10 9 8 7 6 5 0 多时隙级别 1 0 0 块数 1 1 00 0 0 1 1 00 0 1 1 1 00 1 0 1 1 00 1 1 1 1 01 0 0 4 3 2 1 0 无线权限 随机参考 无线权限 随机参考 无线权限 随机参考 随机参考 随机参考 随机参考 随机参考 一步分组接入请求 短接入请求 两步分组接入请求 寻呼响应 小区更新 GMM/SM 信令 没有 TBF 建立的单个块传送 图 5-11 PRACH上11比特接入突发的内容 5.2.4.1 PCCCH上一步接入法简述 115 如果RLC/MAC层接收到LLC或者GMM传送PDU的请求,并且采用RLC/MAC确认模式时,MS将使用 一步接入法,如图 5-12。具体过程为:  网络发送第一次分组信道请求PACK_CHAN_REQ信息到BTS。  MS可以最多重复发送max. (MAX_RETRANS + 1) 次PACK_CHAN_REQ信息。  重复发送同一个PACK_CHAN_REQ信息时,各信息之间的TDMA帧数取决于这个时隙上的PRACH块 数、PACK_SYS_INFO1上所广播的PRACH_CONTROL_PARAMETERS中的TX_INT和 S信息、以及与 无线特性相关的Persistence Level (0 ... 15)。  级别A或B的MS将继续收听PPCH(NOM I)或者PCH(NOM III)以及时响应电路域寻呼命令,级别B MS如 果接收到电路域寻呼消息将中断接入过程。  当接收到MS的PACK_CHAN_REQ消息后,BTS将请求信息转送到PCU/BSC,PCU形成分组上行设定 信息PACK_UL_ASS,并通过PAGCH信道传送到MS。  接收到PACK_UL_ASS信息后,MS将等待发送第一个RLC数据块。  PCU接收到第一个RLC数据块后,它将发送分组上行确认PACK_UL_ACK信息到MS。  如果分组上行确认PACK_UL_ACK信息中包含MS的正确TLLI号和原先的TFI值,MS将认为没有冲突 产生,MS将继续发送RLC数据块,并不再包含TLLI值。  如果PACK_UL_ACK中包含相应的上行TFI信息但是TLLI值不同,则表明有冲突产生,MS将立即停止 使用所分配的信息,并重新启动分组接入过程。 在PCCCH上发送PACK_CHAN_REQ的机会和需要建立的TBF的无线权限有关。 MS 网络 分组信道请求 T3170 T3164 N3104=1 N3104++ N3104++ T3166 分组信道请求 分组信道请求 分组上行设定 RLC数据块 RLC数据块 RLC数据块 分组上行确认 信道请求 最大重发次数 max_retrans+1 116 图 5-12 PCCCH上的一步接入法 5.2.4.2 PCCCH上两步接入法简述 如果MAC层接收到RLC传送RLC/MAC控制信息的请求,,采用RLC/MAC确认模式或者非确认模式传 送LLC PDU时,MS将使用两步接入法,如图 5-13。具体描述为:  网络发送第一次分组信道请求PACK_CHAN_REQ信息到BTS。  MS可以最多重复发送max. (MAX_RETRANS + 1) 次PACK_CHAN_REQ信息。  重复发送同一个PACK_CHAN_REQ信息时,各信息之间的TDMA帧数取决于这个时隙上的PRACH块 数、PACK_SYS_INFO1上所广播的PRACH_CONTROL_PARAMETERS中的TX_INT和 S信息、以及与 无线特性相关的Persistence Level (0 ... 15)。  级别A或B的MS将继续收听PPCH(NOM I)或者PCH(NOM III)以及时响应电路域寻呼命令,级别B MS如 果接收到电路域寻呼消息将中断接入过程。  当接收到MS的PACK_CHAN_REQ消息后,BTS将请求信息转送到PCU/BSC,PCU形成分组上行设定 信息PACK_UL_ASS,并通过PAGCH信道传送到MS。  接收到PACK_UL_ASS信息后,MS将等待所指示的上行无线块产生时,发送RLC/MAC控制信息到网 络侧。  PCU接收到PACK_RES_REQ消息后,将分配适当的资源,并通过分组上行设定PACK_UL_ASS信息发 送到MS。  如果分组上行确认PACK_UL_ASS信息中包含MS的正确TLLI号和原先的TFI值,MS将认为没有冲突产 生。 两步接入过程中MS所发送的RLC数据块中将不包含TLLI值。 117 MS T3146 T3184 T3168 分组信道请求 分组信道请求 分组信道请求 分组上行设定 分组资源请求 分组上行设定 RLC数据块 RLC数据块 网络 T3141 图 5-13 PCCCH上的两步接入法 5.3 信道分配方式 5.3.1 TBF建立过程 TBF 是用于采用分组数据物理信道进行两个 RR 实体之间 LLC PDU(LLC 数据单元)传送的一条单向物理连 接,它由一个或多个 PDTCH 组成,采用 PDTCH 上一个或者多个无线块进行 LLC PDU 的传送工作,它只在数 据传送期间存在,数据传送完成后即被释放。在 RLC 确认模式下,当所有发送的 RLC/MAC 数据块被接收端 全部确认后 TBF 即予以清除。 TFI 用以对 PDTCH 上的不同 TBF 进行标定,不同的 TFI 表示不同的 TBF,某个方向上传送同一 TBF 的 PDTCH 中的无线块应包含相同的 TFI 值,因而根据某个 PDTCH 上传送的无线块中所包含的不同 TFI 值可以区 分 TBF,接收端通过将 TBF 中包含相同 TFI 的信息重组得到完整的数据流。相同的 TFI 值可以同时用于相同 方向上的其它 PDTCH 或在相反方向上使用。每个所传送的 RLC/MAC 数据块都包含 TFI 信息,TBF 由 TFI 和 RLC/MAC 包的传送方向来标定;对于 RLC/MAC 控制包,TBF 由 TFI、RLC/MAC 包的传送方向和信息类型共 同标定。 每个时隙上下行方向特定数据流所使用的 TFI 值唯一。TFI 取值范围为 0 到 31,因此每个时隙上每个 方向最多可以同时存在 32 个 TBF,这意味着每个载频每个方向上最多可以建立 256 个 TBF。当 MS 处于分组 118 空闲模式时,它不存在激活的 TBF;当 MS 处于分组传送模式时,它可以存在一个上行 TBF 或者一个下行 TBF,或者同时存在上下行的 TBF。 网络侧可通过寻呼过程启动下行分组传送过程。接收到寻呼信息后,MS 通过接入请求突发发送寻呼响 应。网络层通过发送分组下行设定消息进行 PDTCH 的设定(如图 5-14)。另外,下行 TBF 也可通过 CCCH 或 PCCCH 直接予以建立。 一步接入过程中的上行 TBF 建立过程是通过 MS 在 RACH 上发送信道请求或在 PRACH 上发送分组信道请 求信息启动的,网络侧可以通过包含媒体接入机制及其参数的立即指配信息及分组上行设定消息予以确认,或 者通过分组排队通知延缓信道资源分配,或者通过分组接入拒绝信息予以拒绝。数据传送过程中 MS 可通过 PACCH 发送分组资源请求信息进行 TBF 建立(图 5-15)。两步接入过程与此类似。 MS 分组下行设定 (分组轮寻请求) 数据 (分组控制确认) 网络 PACCH PACCH PDTCH PACCH 图 5-14 通过PACCH的下行TBF建立过程 MS 分组资源请求 分组上行设定 数据 网络 PACCH PACCH PDT CH 图 5-15 通过PACCH的上行TBF建立过程 5.3.2 下行资源配置方式 PCU发送LLC数据到MS时,需要进行下行资源配置,这时PCU使用分组下行设定PACK_DL_ASS信息 或者分组时隙重配PACK_TS_RECONF信息。 下行资源配置信息只包含下行TBF所需使用的时隙号以及TFI值,MS需要收听时隙上所有的下行块,但是 只处理那些包含正确的TFI的数据块。 5.3.3 上行资源分配方式 119 基本的 RLC/MAC 数据块 (Data block) 简称为数据块,它使用 PDCH 上 4 个连续突发来进行传送。对于上 行 RLC/MAC 数据块,MS 通过信道请求信息申请建立 TBF,在得到网络所分配的上行信道后发起上行信息传 送过程。上行信道的分配可采用三种接入方式,分别为动态方式、扩展动态方式和静态方式(图 5-16)。 所有上行资源都由PCU管理和配置。在MS发起请求时,PCU将使用静态方式、动态方式或者扩展动态方式 进行资源配置。PCU通过分组上行设定PACK_UL_ASS信息、分组上行确认PACK_UL_ACK信息或者分组时隙 重 配 PACK_TS_RECONF 信 息 将 上 行 资 源 配 置 信 息 传 送 到 MS 。 与 PACK_UL_ASS 不 同 的 是 , PACK_TS_RECONF可用于上下行资源配置,并且在TBF存在的情况下,只能通过PACK_TS_RECONF信息对 MS进行资源配置。 如果在上行TBF存在的情况下使用固定配置方式,PCU也可以使用PACK_UL_ACK信息进行上行资源配 置。 04.60规定,GPRS网络必须支持动态方式或静态方式,扩展动态方式为可选项。而所有MS必需支持静态方 式和动态方式,扩展动态方式对某些多时隙类型的MS为必选项(22, 24, 25 和 27),对某些类型的MS为可选项。 上行资源分配 固定分配 动态分配 图 5-16 上行资源分配方式 扩展动态分配 在动态方式下,MS 通过监视下行无线块中所包含的上行状态标志位(USF)来判断是否可以使用下一个上行 无线块传送数据;扩展动态分配方式是动态方式的简单扩展,它可以采用 USF 指示多个 PDTCH 上无线块的使 用情况,所以适用于大数据量的传送;静态方式下,无线块的使用情况在 TBF 建立时设定。 USF 用于动态和扩展动态媒体接入方式,是 PDTCH 上多个 MS 进行无线信道复用的标志,通常它用以指 示某个 MS 可以使用以下一个上行无线块为起始的一个或连续 4 个无线块,下行方向的每个无线块的头部包含 3 比特 USF 信息,表示 8 种不同的值。 PCU 将在每个时隙上保留未使用的 USF 值用于表示上行 PACCH 无线块或者用于固定分配的无线块。在 PCCCH 的时隙上,USF=111 保留作为 PRACH 块指示。 三种分配方式下的特性分别为:  动态方式是指处于就绪状态的 MS 通过 RLC/MAC 包头解码取得 USF 信息,以确定可否在此 PDTCH 上使用下一个或一组上行无线块发送数据。系统通过这种方式控制单独一个时隙上多个 MS 的接入。 动态分配方式要求某些多时隙 MS 工作在全双工方式,因为 MS 须在传送的同时收听下行信道中的 USF 信息。  扩展动态方式同样要求 MS 收听 USF,但可使用这个 PDTCH 或者编号大于此 PDTCH 的信道上的一个 或最多 4 个连续无线块进行上行数据的传送。  静态方式下,MS 不用收听 USF 信息,它使用 TBF 建立过程中设定信息所分配的 PDTCH 上相应的无 线块进行上行数据传送。这种情况可工作在半双工方式下,上下行 TBF 不同时处于激活状态。静态分 120 配方式下,分组上行设定信息用于传送对 MS 的上行资源分配设定信息,静态分配信息包括起始帧 号、时隙号以及表示每个时隙中无线块分配情况的块设定比特位影射等。MS 只有在所设定的起始帧 到达时才可以使用所设定时隙上的无线块发起数据传送工作。静态分配方式下不使用 USF 标志,MS 不用监听 USF 信息,它可在所设定的块上随时发起数据传送。如果当前资源不够,MS 可通过所设定 的上行无线块申请更多的资源。 5.3.4 信道分配方式特性分析 5.3.4.1 静态方式和动态方式  静态方式 在初始的信道分配信息中,系统对 MS 分配一组时隙和时隙上的无线块,MS 采用所分配的信道进行上行 RLC 数据的传送工作。图中所示为采用 TS1 和 TS6 组成的一个 TBF,MS 将采用 TS1 上的 B0、B1、B2,以及 TS6 上的 B0、B2、B4、B8 等无线块进行上行数据的传送工作,其信道表示如图 5-17 所示。 TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 B0 B1 B2 I B3 B4 B5 I B6 B7 B8 I B9 B1 0 B1 1 I B0 B1 B2 I B3 B4 B5 I B6 B7 B8 I B9 B1 0 B1 1 I 图 5-17 静态方式下信道分配示意图  动态方式: 在初始的信道分配信息中,系统对 MS 分配一组信道以及 USF 等其它相关信息,之后 MS 将监听这些信道 中的 USF 信息并使用分配给自己的信道进行数据传送。系统通过控制下行 RLC 数据包中的 USF 信息,动态地 调整不同 MS 的信道使用情况。MS 还通过收听参数 USF_GRANULARITY 决定使用下一个或多个 PDTCH 上 的信道进行传送。动态信道分配方式如图 5-18 所示。 USF=2 USF=1 USF=2 USF=1 USF=2 USF=2 USF=0 USF=2 USF=1 USF=7 USF=0 USF=1 USF=1 BTS 块0 块1 块2 T 块3 块4 块5 T 块6 块7 块8 T 块9 块10 块11 T MS1(USF=1) PACCH PRACH PACCH MS2(USF=2 PACCH 图 5-18 USF分配示意图 PRACH PACCH 121 5.3.4.2 信道分配方式特点  功率控制的影响 在动态分配方式下,由于每个 RLC 包头中都包含 USF 信息,处于就绪状态的 MS 必须随时听取并解码 USF 信息,所以要求 PDCH 以全功率发射或者功率控制时基站功率调整范围最大为 10dB。而在静态方式下, 基站可采用全功率控制。  延迟 静态分配方式下可能会带来一些附加时延。 静态分配方式下 MS 须再次申请才能够得到另外的信道资源,并且由于信道分配的不灵活性等因素都会带 来附加时延。 5.3.4.3 信道不同分配方式下的信令分析 对于 MS 发起的接入过程,网络侧通过分组上行设定信息,指明将采用动态还是静态方式进行信道分配。 对于动态方式,系统将指示是否采用扩展动态方式,以及数据流标识 TFI 和时隙号等信息。 对于静态方式,系统信息中包括时隙分配、功率控制参数、TFI 和启动 TFI 的帧号,以及采用块设定比特 位映射所表示的无线块 (连续多个 GPRS 复帧) 中 MS 可用的无线块号。  动态分配方式举例: 下面所描述的例子中分组资源请求信息包含 MS 的多时隙特性级别为 4,分组上行设定信息中包含动态分 配的指示信息,如 TFI 值为 0,USF 时隙号为 6,且不采用扩展动态方式。  分组资源请求信息 GPRS Multislot Class : RX = 3, TX = 1, SUM = 4, TTA = 3, TTB = 1, TRA = 3, TRB = 1, TYPE = 1 (多时隙级别 为 4)  分组上行设定信息 Dynamic Allocation Extended Dynamic Allocation : 0 P0 : 0 dB PR Mode : PR mode A - For one addressed MS (0) USF Granularity : One RLC/MAC block (0) Uplink Temporary Flow Indicator : 0 USF timeslot number6 : 0  静态方式 根据 04.60,系统可以通过分组上行设定信息中的 ―BLOCKS_OR_BLOCK_PERIODS‖ 指示块设定位比特映 射所指示的分配方式是采用无线块还是无线块周期来表示。块设定位比特映射长度 allocation_bitmap_length 为 7 比特,其取值范围为 0 到 127。无线块是指承载一个或者两个 RLC/MAC 规程数据单元的四个普通突发序 列,而块周期指 PDCH 上用于承载一个无线块的四个 TDMA 帧,其区别参见图 5-19。根据一些测试发现,有 的厂家采用无线块时所对应的块设定位比特映射长度为 48,采用块周期时所对应的块周期设定位比特映射长 度为 24 或 28 等。 122 承载4个普通突发的TDMA帧形成无线块周期 TS 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 TDMA帧 时间 4个普通突发组成一个无线块 图 5-19 GPRS无线块和无线块周期 PDTCH0 - 根据 04.64,当使用无线块所表示的块设定位比特映射时,采用 2 维矩阵来表示无线块的分配关系。矩阵 中列向量为可变数,它等于时隙设定中所分配的时隙数。矩阵组成为: 无线块[x,y] x = (L - n) / NTS, n=从0到L y = (L - n) 模 NTS n=从0到L x =相对于 TBF_STARTING_TIME 的块周期,范围从 0 到 L/NTS y =TIMESLOT_BITMAP 中所设定的时隙的数目,范围从 0 到 NTS-1 L =ALLOCATION_BITMAP 的比特数减 1 n =ALLOCATION_BITMAP 的比特数序列号,范围从 0 到 L TBF_STARTING_TIME 表示所分配的第一个块周期 NTS =TIMESLOT_ALLOCATION 中所设定的时隙数目,范围从 1 到 8 每个比特位的值表示为: 0 无线块[x,y]不是设定的一部分 1 无线块[x,y]是设定的一部分 采用无线块所(Block)表示的块设定位比特映射分配测试记录举例: Fixed Allocation Uplink Temporary Flow Indicator : 2 Final Allocation : Not the last allocation of the TBF (0) Downlink Control Timeslot : 7 P0 : 0 dB BTS power control mode : A PR Mode : PR mode A - For one addressed MS (0) Timeslot Allocation SLOT0 : unassigned SLOT1 : unassigned SLOT2 : unassigned SLOT3 : unassigned SLOT4 : unassigned SLOT5 : unassigned SLOT6 : unassigned 123 SLOT7 : assigned Starting Time Absolute encoding Frame Number : 15288 Blocks Or Block Periods : Blocks (0) Bitmap Length : 48 Allocation Blocks : [46,0] [45,0] [44,0] [42,0] [40,0] [39,0] [38,0] [37,0] [36,0] [34,0] Allocation Blocks : [33,0] [32,0] [30,0] [28,0] [27,0] [26,0] [25,0] [24,0] [22,0] [21,0] Allocation Blocks : [20,0] [18,0] [16,0] [15,0] [14,0] [13,0] [12,0] [10,0] [9,0] [8,0] Allocation Blocks : [6,0] [4,0] [3,0] [2,0] [1,0] [0,0] 其中 NTS=1, L=48-1=47 , n=0 到 47, x =0 到 47,y=0 根据以上块设定位比特映射翻译结果和参数值,可以得到所对应的 48 位块设定位比特映射数值为: 75 f7 5f 75 f7 5f 上述块设定位比特映射的示意图如表 5-2 所示,可见 48 个 block 中使用 36 个 Block 进行上行数据传送。 表 5-2 例子中位比特映射示意图 B0 B1 B2 T B3 B4 B5 X B6 B7 B8 T B9 B10 B11 X B12 B13 B14 T B15 B16 B17 X B8 B19 B20 T B21 B22 B23 X B24 B25 B26 T B27 B28 B29 X B30 B31 B32 T B33 B34 B35 X B36 B37 B38 T B39 B40 B41 X B42 B43 B44 T B45 B46 B47 X - 用 Block_period(块周期)表示块设定位比特映射时,采用一维向量方式。在分配中存在的 Block Period 将使 用 TIMESLOT_ALLOCATION 所设定的时隙进行传送。矩阵表示为: Block Period[z] z=n n=0 到 L L =ALLOCATION_BITMAP 的比特数减去 1 z =相对于 TBF_STARTING_TIME 的块周期 n =ALLOCATION_BITMAP 的比特数序列号,范围从 0 到 L TBF_STARTING_TIME 表示所分配的第一个块周期 NTS =TIMESLOT_ALLOCATION 中所设定的时隙数目,范围从 1 到 8 0 Block Period[z]不是设定的一部分 1 Block Period[z]是设定的一部分 采用块周期(Block Period)所表示的块设定位比特映射时的测试记录举例: Fixed Allocation Uplink Temporary Flow Indicator : 0 Final Allocation : Not the last allocation of the TBF (0) Downlink Control Timeslot : 6 124 Power Control Params Gamma_TN6 : 62 dB Alpha : 1.0 (10) Half Duplex Mode : 0 Starting Time Absolute encoding Frame Number : 30489 Blocks Or Block Periods : Block periods (1) Bitmap Length : 24 Allocation Block Periods : 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 其中 NTS=1, L=24-1=23 , n=0 到 23, z=0 到 23 根据以上块设定位比特映射翻译结果和参数值,可以得到所对应的 24 位块设定位比特映射数值为: ff ff fb 5.4 上行信息传送过程 上行数据块的传送采用不同的媒体接入控制方式,如动态分配、扩展动态分配和静态分配方式等。MS所 采用的媒体接入方式由分组下行设定(PACKET DOWNLINK ASSIGNMENT)信息中的MAC_mode参数标定,并 取 决 于 分 组 上 行 设 定 (PACKET UPLINK ASSIGNMENT) 和 分 组 时 隙 重 新 配 置 (PACKET TIMESLOT RECONFIGURE)信息中所包含的动态分配(Dynamic Allocation struct)和静态分配(Fixed Allocation struct)信息。 MS 通过一步或两步接入法完成冲突检测和解决过程之后,将进入分组传送模式,启动数据传送过程。 在上行数据块传送之前,网络将通过分组上行设定(Packet uplink Assignment)信息或者分组时隙重新配置 (PACKET TIMESLOT RECONFIGURE)信息设定以下内容: - TFI,在TBF的所有无线块中将唯一使用此值。 - 用于上行传送的一组PDTCH - TBF起始时间指示(动态或扩展动态方式时为可选) 5.4.1 动态分配方式下的上行RLC传送过程 动态分配方式下的上行 RLC 传送过程如图 5-20 所示。MS 通过上行无线块进行上行数据的传送,网络侧将 在 PACCH 上采用分组上行确认/非确认信息进行接收确认,在数据传送过程中网络还将通过分组上行设定信息 进行上行资源分配。MS 也可以通过发送分组控制确认信息进行接入信息的发送。 - 上行 RLC 数据块传送过程 如果 MS 所接收到的上行设定信息中不包含 TBF 起始时间,则 MS 应在 B((x+3) mod 12) 期间内开始监视 所设定 PDCH 上的 USF 信息。 如果上行设定信息中包含 TBF 起始时间,MS 将在 TBF 起始时间到达后开始使用网络所设定的上行 TBF 参数进行数据传送。如果 MS 在所设定的 PDTCH 上检测到所设定的 USF 信息,MS 将在同一个 PDTCH 上传 送一个或最多 4 个 RLC/MAC 数据块(由 USF_Granualarity 参数决定)。MS 通过 T3180 监视 USF 的分配情况, 当 MS 发送一个 RLC/MAC 数据块到网络时,它将启动 T3180,当它接收到 USF 信息时,将复位 T3180。如果 T3180 超时,MS 将执行 TBF 异常释放。 125 网络侧接收到合法的 RLC/MAC 数据块后,将复位计数器 N3101。如果在所分配的无线块中没有接收到数 据,网络将增加 N3101 计数器。N3101 最大值应该大于 8,如果 N3101 等于 N3101 的最大值,网络将停止从 MS 接收 RLC/MAC 数据块,并启动 T3169,T3169 超时后,网络将重新使用 USF 和 TFI 值。 数据块 数据块 数据块(窗口中最后一个) 分组上行确认/非确认 数据块 数据块 数据块 分组上行设定 分组控制确认 数据块 数据块 数据块(最后一个) 分组上行确认/非确认(最后) PDTCH PDTCH PDTCH PACCH PDTCH PDTCH PDTCH PACCH PACCH PDTCH PDTCH PDTCH PACCH 图 5-20 动态分配方式下的上行数据传送过程 - 倒计数值 CV 计算 MS 在所发送的每个上行 RLC 数据块中将包含一个倒计数值 CV,用以控制上行数据发送过程中 TBF 的清 除过程。CV 值计算方法如下:MS 将所剩余未发送的 RLC 数据块与操作员设定的门限值 BS_CV_MAX 进行比 较。若未发送数(即倒计数值)大于 BS_CV_MAX,则取 CV 值为 15。当倒计数值小于等于 BS_CV_MAX 时, MS 将包含真正的 CV 值信息,相当于启动 TBF 的释放过程。 整数 x = round((TBC-BSN'-1)/NTS),即对计算结果取整。 CV = x 如果 x<=BS_CV_MAX 15 其它 其中 TBC TBF 中所要传送的 RLC 数据块总数 BSN' RLC 的绝对序列号,范围为 0 到(TBC-1) NTS 上行 TBF 中所设定的时隙数,范围为 1 到 8 BS_CV_MAX 由操作员设定,在系统消息中广播,为倒计数门限值。 TBF 中所传送的最后一个 RLC 数据块(BSN'=TBC-1)中的 CV 将被设为 0。如果 MS 传送的 RLC 数据块中 的 CV 值不为 15,则 MS 将再继续传送(TBC - BSN' - 1)个未传数据块。如果在倒计数过程中,MS 接收到 Packet Uplink Ack/Nack 消息中所发送的编码方式改变命令,它将采用新的编码方式下的数据块长度重新计算 CV 值。所有在 CV 计算过程完成后到达的上层数据将在下一个 TBF 中进行传送。 在倒计数过程中,MS 可以进行 RLC 数据块重传或者 RLC 控制块的发送工作。对于静态分配方式,当 MS 倒计数到 0 时,MS 将不再使用原先的固定分配方式进行传送。如果在倒计数过程中,MS 接收到新的信道分 配方式,它将采用新的方式进行传送。 126 以下为倒计数过程的几个例子。 TBC 155 NTS 1 BS_CV_MAX 15 TBC 155 NTS 1 BS_CV_MAX 6 BSN' CV 137 15 138 15 139 15 140 14 141 13 142 12 143 11 144 10 145 9 146 8 147 7 148 6 149 5 150 4 151 3 152 2 153 1 154 0 BSN' CV 137 15 138 15 139 15 140 15 141 15 142 15 143 15 144 15 145 15 146 15 147 15 148 6 149 5 150 4 151 3 152 2 153 1 154 0 图 5-21 采用一个时隙传送TBF中155个RLC数据块时的CV过程 TBF 中 RLC 数据块总数为 155 个,采用一个时隙传送。 图 5-21 左边例子中 TBF 中所要传送的 RLC 数据块总数为 155,采用一个时隙进行传送,BS_CV_MAX 值 为 15。当发送到 140 号数据块时,MS 开始启动真正的倒计数过程,CV 值依次减小,到 0 以后 MS 将考虑释 放 TBF。 右边例子中 BS_CV_MAX 值为 6,其倒计数控制过程相同。 图 5-22 所表示的 TBF 中 RLC 数据块总数为 155 个,采用 3 个时隙传送,BS_CV_MAX 值为 6。左边例子 中的 BSN’=154 发生在时隙 2 上,右边例子中的 BSN’=154 发生在时隙 0 上。 图 5-23 中的编码方式在 BSN’=149 处发生变化,从而 TBF 中需要完成数据传送的 RLC 块数增加。在 BSN’=149 处,TBC 从 155 增加到 165。 TS0 BSN' CV 125 15 128 15 131 15 134 15 137 6 140 5 143 4 146 3 149 2 152 1 TS1 BSN' CV 126 15 129 15 132 15 135 15 138 6 141 5 144 4 147 3 150 2 153 1 TS2 BSN' CV 127 15 130 15 133 15 136 6 139 5 142 4 145 3 148 2 151 1 154 0 TS0 BSN' CV 127 15 130 15 133 15 136 6 139 5 142 4 145 3 148 2 151 1 154 0 TS1 BSN' CV 128 15 131 15 134 15 137 6 140 5 143 4 146 3 149 2 152 1 图 5-22 采用三个时隙传送TBF中155个RLC数据块时的CV过程 TS2 BSN' CV 129 15 132 15 135 15 138 6 141 5 144 4 147 3 150 2 153 1 127 TS0 BSN' CV 125 15 128 15 131 15 134 15 137 6 140 5 143 4 146 3 149 5 152 4 155 3 158 2 161 1 164 0 TS1 BSN' CV 126 15 129 15 132 15 135 15 138 6 141 5 144 4 147 3 150 5 153 4 156 3 159 2 162 1 TS2 BSN' CV 127 15 130 15 133 15 136 6 139 5 142 4 145 3 148 2 151 5 154 4 157 3 160 2 163 1 图 5-23 采用三个时隙且包含编码方式变化时传送TBF中155个RLC数据块时的CV过程 - 上行数据传送过程中的控制信息传送与邻区功率测量过程 RLC/MAC 控制块包含一组控制信息,它通常采用 CS1 编码方式,并采用 RLC/MAC 控制块进行传送。 MS 将试图监视所设定的所有 PDCH 上的每个下行 RLC/MAC 块。当它接收到包含 RLC/MAC 控制块的 RLC/MAC 块时,将翻译其中的控制信息类型(如分组上行确认/非确认等)。如果消息是发送到 MS 本身的,它 将根据要求进行相应处理。 图 5-24 为分组上行 RLC 控制帧格式。其中,有效负荷类别表示控制信息的类型,R 表示分组信道请求可 否重复发送。分组上行确认/非确认通过 PACCH 由网络发送到 MS,用以对所接收的 RLC 数据块进行确认,或 者用于更新定时提前量和功率控制参数。 比特 8 7 6 5 4 3 2 1 有效负荷类别 空闲 R MAC 头 控制信息内容 字节 1 字节 2 字节 3 . . . 字节 21 字节 22 图 5-24 RLC控制帧格式 在 MS 的测量特性允许的情况下,MS 可以在任何未曾使用的 PDCH 或 PDCH 组上进行邻区功率测量。网 络应确保足够的块间隔以适应于 MS 的测量特性。 - 上行资源重新配置过程 如果数据传送过程中,其它不同无线优先权、不同峰值吞吐量以及不同 RLC 模式的 RLC 块需要传送,则 网络应考虑进行无线资源的重新配置,以满足高优先权等要求。 MS 将按照以下优先顺序进行 RLC/MAC 块的传送:  除 Packet Uplink Dummy Control Block 之外的 RLC/MAC 控制块  RLC 数据块 128  包含 Packet Uplink Dummy Control Block 的 RLC/MAC 控制块 在对已经建立的 TBF 的资源重新配置过程中,MS 和网络不允许改变 RLC 模式,除非清除当前 TBF 并采 用所要求的 RLC 模式建立一个新的 TBF。 在上行传送过程中,包含信令的 LLC PDU 将具有最高优先权,并采用 RLC 确认模式进行传送。如果 MS 还没有启动倒计数过程,当新的 LLC PDU 与当前上行 TBF 具有相同的模式以及相同或者较高的优先权,但是 具有更高的峰值吞吐量级别时,MS 将立即通过发送上行资源请求信息对新的 LLC PDU 进行资源重新配置, 之后 MS 完成当前的 LLC PDU 的传送工作。 如果新的 LLC PDU 与当前上行 TBF 具有相同的模式以及相同或者较低的优先权级别,但是具有更低的峰 值吞吐量级别时,MS 将首先完成当前的 LLC PDU 的传送工作。当相同或更高优先权以及更高峰值吞吐量的 LLC PDU 传送停止后,MS 不用等待网络侧确认完成(RLC 确认模式下)便通过分组资源请求信息对剩余 LLC PDU 进行资源的重新配置。 如果新的 LLC PDU 与当前 TBF 的 RLC 模式不同,但无线优先权较高,MS 将首先使用倒计数过程完成当 前 LLC PDU 的传送以及网络侧的确认过程(RLC 确认模式下),然后 MS 释放当前 TBF,对新的 LLC PDU 建立 新的上行 TBF。当高优先权的 LLC PDU 使用倒计数过程完成当前 LLC PDU 的传送以及网络侧的确认过程 (RLC 确认模式下)之后,MS 重新建立上行 TBF 完成剩余 LLC PDU 的传送。 上述信道重新配置的过程及条件如表 5-3 示: 表 5-3 信道重新配置的过程及条件 新的 LLC PDU 相对于原有 TBF 优先权 吞吐量 RLC 模式 相同/高 高 相同/低 低 相同 高 不同 MS 对 LLC PDU 处理 第一步 首 先 对 新 的 LLC PDU 进行资源重新配 置 首先完成 MS 当前的 LLC PDU 的传送工作 首先使用倒计数过程 完 成 当 前 LLC PDU 的传送及确认过程 MS 对 LLC PDU 处理 第二步 之后完成当前(原先)的 LLC PDU 的传送 之后对新的 LLC PDU 进行资源重新配置 然 后 MS 释 放 当 前 TBF , 对 新 的 LLC PDU 建 立 新 的 上 行 TBF MS 对 LLC PDU 处理 第三步 最后 MS 重新建立上 行 TBF 完成原先低优 先 权 下 的 剩 余 LLC PDU 的传送 当接收到分组资源请求信息后,网络将通过分组上行设定、分组时隙重新配置、分组接入拒绝信息在下行 PACCH 上予以响应。当接收到分组上行设定或者分组资源重新配置信息后,MS 将转到所设定的 PDCH 上, 等待新的分组传送开始或者一定时限后重新发起分组资源请求信息。 在上行 TBF 过程中任何时候,网络侧可以通过在 PACCH 上发送分组上行设定或分组时隙重新配置信息进 行资源的重新配置。在这个过程中,允许改变原先的 TFI 值。 通过分组接入过程建立起用于上行数据传送的 TBF 之后,对于采用静态方式接入的 MS 来讲,它使用预先 分配好的数据块进行数据传送,直到时隙和数据块重新分配为止;而对于采用动态方式接入的 MS 来讲,则要 不停地收听每个下行无线块并解码 USF 信息,以确定是否可以在下一数据块上进行数据传送。 对于静态分配,系统规定每几个无线块中有一个被预留为任意下行手机传送分组控制确认和分组下行确认/ 非确认信息;对于动态分配,如果 MS 接收到 PACCH 时,将可发送分组下行确认信息。 - 上行数据传送过程中的下行 TBF 建立 129 在上行数据传送过程中,网络侧可以通过在 PACCH 上发送分组下行设定信息或者分组时隙重新分配信息 建立下行 TBF。分组时隙重新设定信息中将包含下行 TFI 设定信息,以及基于 MS 的多时隙特性的其它参数信 息。 下行 TBF 具有以下特点:  下行TBF相关的RLC/MAC控制信息相对于上行TBF相关的RLC/MAC控制信息具有较高的优先权。  如果时限或者计数器门限造成MS侧上行TBF的异常释放,则MS也将执行下行TBF异常释放。  如果上行或者下行TBF已经建立,网络可以发送不包含下行TFI设定的分组时隙重新分配信息,此时 MS将理解为这是对当前上下行时隙的重新配置,而下行TFI不变。 5.4.2 静态分配方式下的上行RLC传送过程 在建立固定分配方式下的 TBF 时,如果 RLC 数据字节数目 RLC_OCTET_COUNT 为"0"值,则 TBF 为 Open-ended,如果其值不为"0",则 TBF 为 Close-ended。Closed-ended TBF 传送的 RLC 数据字节数目为 RLC_OCTET_COUNT 中所设定的 RLC 数加上 RLC 字节长度,网络将自动分配所需的足够资源,MS 无需再 发送分组资源请求信息。如果 MS 发送了分组资源请求信息,TBF 将变成为 open-ended TBF。对于 Closedended TBF,即使所请求的 RLC 数据块还没有全部发送完成,网络仍可以通过发送包含 Final_allocation 的固定 分配设定信息中断 TBF。 Open-ended TBF 可传送任意数目的 RLC 数。每次当 MS 接收到固定分配后,如果它想要继续使用 TBF, 就需要发送分组资源请求信息请求固定信道分配。网络侧通过发送包含 Final_allocation 的固定分配设定信息或 者分组接入拒绝信息结束 TBF,MS 侧在倒计数过程完成后结束 TBF。 在一步接入过程中,将建立 Open-ended TBF。 - 上行 RLC 数据块传送过程 在固定分配模式下,分组上行设定或者分组时隙重新配置信息中将包含固定分配结构 Fixed Allocation struct,并根据 MS 的多时隙特性采用 Timeslot_Allocation 参数设定 1 到 8 个 PDCH。 如 果 信 息 中 的 Blocks_or_block_periods 域 指 示 为 无 线 块 , 则 Allocation_Bitmap 对 应 于 无 线 块 (Radio Blocks)。比特映射中的每个比特位用来表示相应的无线块是否被设定给 MS。MS 可以在 Allocation_Bitmap 所 设定的无线块中发送 RLC/MAC 块。 如果信息中的 Blocks_or_block_periods 域指示为块周期(block periods),则比特映射中的比特指示哪一个块 周期被设定给 MS。MS 将在所设定的每个时隙上相应的的块周期中传送 RLC/MAC 块。 网络侧通过在上行设定的块间隔间的 PACCH 上发送分组上行确认/非确认信息进行分组确认,网络还可以 通过发送分组上行确认/非确认信息对重传数据分配额外的资源,MS 将不再为重传数据申请资源,也不再调整 RLC_OCTET_COUNT 值,它只在所分配的上行块中进行数据重传。 网络侧通过发送包含 Final_allocation 的固定分配设定信息或者分组接入拒绝信息结束 TBF,MS 侧在倒计 数过程完成后结束 TBF。 - 上行资源重新配置过程 与动态分配方式下的处理方式大致相同。 5.4.3 TBF清除过程 上行 TBF 的释放可能由网络侧发起或者由 MS 发起。以下以确认模式为例解释上行 TBF 释放过程。 130  网络侧通过在PACCH上发送分组TBF释放(Packet TBF Release)信息启动上行TBF释放过程。如果释放原因 为正常释放,MS将再根据倒计数过程清除TBF;如果释放原因为异常释放,则MS立即停止数据传送,释 放TBF和相关资源,并转到CCCH或PCCCH进行新的上行TBF建立过程。  MS在所发送的RLC上行数据块中存在一个倒计数值CV,以表明当前上行TBF中尚未传送的数据块。CV是 包含在上行RLC包头中的4比特信息位,其最大值为15。MS将在所发送的数据块中设定15(15表示不知道还 剩下多少数据块),直到未发送的RLC块等于系统所设定的BS_CV_MAX值,系统将执行倒计数过程。MS 将 再 传 送 BS_MAX_CV 个 RLC 数 据 块 , 直 到 CV=0 , 然 后 进 行 TBF 释 放 过 程 。 只 有 在 网 络 侧 接 收 到 包 含 CV=0的RLC数据块,并且所有的RLC数据块都已经被确认完成后,它才发送包含最后确认指示位为1和包 含 合 法 RRBP 的 Packet Uplink Ack/Nack 消 息 。 MS 接 收 到 此 上 行 确 认 信 息 后 , 将 传 送 Packet Control Acknowledge消息并释放TBF。网络侧接收到分组控制确认信息后,它就可以重新使用TFI和USF资源。 下行 TBF 的释放一般由网络侧发起。以下以确认模式为例解释下行 TBF 释放过程。  网络侧通过发送包含最后指示位FBI=1以及包含合法RRBP的RLC数据块启动下行TBF释放过程。所发送的 RLC数据块必须是下行TBF中的最后一个RLC数据块(BSN'最大)。MS在接收到此RLC数据块之后,将发送 分组下行确认/非确认消息并继续监视所设定的PDCH信道。如果MS接收到FBI=1的消息并且已经接收完成 TBF中所有RLC数据块,它将发送包含最后确认位FAI为1的分组下行确认/非确认消息。网络侧接收到分组 下行确认/非确认消息后,如果没有数据需要重传,则启动T3193。在T3193超时后,网络将释放TBF。  网络侧可以通过在PACCH上发送分组 TBF 释放消息对下行TBF进行异常释放。MS在接收到分组TBF释放 消息后将立即停止监视所设定的下行PDCH。如果在分组TBF释放消息中包含合法的RRBP域,MS将在特 定的上行无线块中传送分组控制确认消息。如果不存在上行TBF,则MS将进入分组空闲模式。 5.5 下行信息传送过程 下行数据采用―分组数据块‖信息进行传送,网络通过轮询来请求 MS 侧发送―分组下行确认/非确认‖信息予 以接收确认,对于没有正确接收的数据块,网络侧将进行重传。其所涉及的相关信息类型和流程如图 5-25 所 示。 5.5.4 下行数据传送过程 如果 MS 所接收到的上行设定信息中不包含 TBF 起始时间,则在 B((x+3) mod 12) 期间内,MS 应开始监视 所设定 PDCH 上的 USF 信息。 如果分组下行设定信息中不包含 TBF 起始时间,MS 将启动 T3190 并解码所设定 PDCH 上的每个下行块。 131 分组上行设定 分组控制确认 数据块 数据块 数据块(轮询) 分组下行确认/非确认 数据块 数据块 分组下行设定(轮询) 分组控制确认 数据块 数据块(最后轮询) 分组下行确认(最后) PACCH PACCH PDTCH PACCH PDTCH PACCH PDTCH PDTCH PACCH PACCH PDTCH PDTCH PACCH 图 5-25 数据下行传送过程 如果分组下行设定信息或者分组时隙重新配置信息中包含 TBF 起始时间,并且目前没有下行 TBF,但是 有上行 TBF,则 MS 将停留在所设定的 PDCH 上,直到 TBF 设定时间指示的 TDMA 帧号到达为止,然后 MS 启动 T3190 并立即开始对所设定的 PDCH 进行解码。 如果分组下行设定信息或者分组时隙重新配置信息中包含 TBF 起始时间,并且目前有下行 TBF,则 MS 将 继续使用当前 TBF 的参数,直到 TBF 设定时间指示的 TDMA 帧号到达为止,然后 MS 开始使用新设定的下行 TBF 的参数。 如果在等待起始帧过程中,MS 接收到一个新的下行设定信息,则它将忽略前一个下行设定信息,接收新 的设定信息。 5.5.5 下行控制信息传送过程 下行 RLC/MAC 控制块格式如图 5-26 示。  USF 在下行 RLC/MAC 块上传送,用于指示同一个时隙上的下一个上行无线块的分配与使用。USF 为 3 比特,可以表示 8 种不同的 USF 值,其中 111(USF=FREE)表示相应的上行无线块作为 PRACH 使 用。  R 表示 MS 可以发送一次或者多次信道请求信息。  SI 表示 MS 的 RLC 传送窗口已经满,这种情况在接收方不能及时应答时将会产生。  S/P 表示 RRBP 域是否合法。  RRBP 表示一个用于传送 Packet Control Ack 或 PACCH 的上行无块线。 比特 8 7 有效负荷类型 RBSN RTI PR 65 RRBP TFI 控制信息内容 4 3 S/P 2 1 USF FS AC D MAC 头 字节 1 (可选) 字节 2 (可选) 字节 M . . . 字节 21 字节 22 132 图 5-26 下行RLC/MAC控制块格式 如果控制块中包含 RRBP 信息,而且此控制块中所包含的控制信息不是分组寻呼请求、分组接入拒绝和分 组排队通知信息,则 MS 将在此控制块所指定的相应上行无线块上传送一个分组控制确认(Packet Control Acknowledge)信息。 如果包含 RRBP 信息的控制块包含分组寻呼请求、分组接入拒绝和分组排队通知信息等几种信息,则此 RRBP 域将被忽略。 如果 RLC/MAC 控制块中包含有效的 RRBP 域并且明确指明到某个 MS 时,MS 将根据要求进行相应的处 理。 如果 MS 接收到一个或多个包含不同 RRBP 的 RLC/MAC 块,但是它们指示同一个上行块时,MS 将在指 定的上行块中传送分组控制确认信息。 如果在 RLC/MAC 块中包含 RLC 数据块,MS 将在指定的上行无线块中传送一个 PACCH 块。如果 MS 接 收到两个或者多个包含 RLC 数据块的 RLC/MAC 块,它们包含不同 RRBP,但是指示同一个上行块时,MS 将 在指定的上行无线块中传送一个 PACCH 块。 MS 通常在接收 RRBP 的时隙上进行上行无线块的传送。在采用 RRBP 指定的上行无线块进行 PACCH 或 其他控制信息传送时,MS 无需监视此无线块的前一个下行 RLC/MAC 信息中的 USF 信息。 网络可以通过轮询请求 MS 发送上行确认或者其它信息,这种控制信息通常采用相应合法 RRBP 域所指示 的上行块进行传送。 表 5-4 为不同 RRBP 时 MS 传送上行 RLC/MAC 块之前需要等待的 TDMA 帧数。它是相对于包含 RRBP 值 的下行块的第一个 TDMA 帧号而言的。 表 5-4 用 RRBP 表示的传送上行 RLC/MAC 块之前需要等待的 TDMA 帧数 比特 全速率 PDCH 半速率 PDCH 6 5 用 TDMA 帧号表示的上行数据块 用 TDMA 帧号表示的上行数据块 0 0 (N+13) 模 2715648 保留 0 1 (N+17 or N+18) 模 2715648 (N+17 or N+18) 模 2715648 1 0 (N+21 or N+22) 模 2715648 保留 1 1 (N+26) 模 2715648 (N+26) 模 2715648 控制块中其它信息字段如 CV 表示倒计数值,有效负荷类型表示信息类型,以及 TBF 标识 TFI、功率减少 指示 PR、地址控制 AC、最后封装指示位 FS、方向指示 D、无线事务指示 RTI、BSN 号等等。这里不再予以 解释,具体请参见规范 04.60。 5.5.6 下行资源释放过程 PCU 发送的 RLC 数据块中所包含的最后块指示比特位 FBI= 1 时,表示请求释放下行资源,如图 5-27 示。 在 RLC 确认模式下,MS 需要进行确认或者通过分组下行确认 PACK_DL_ACK 信息请求某些数据块 的重传。 133 在 RLC 非确认模式下,MS 将通过上行无线块中的分组控制确认 PACK_CTRL_ACK 信息对 TBF 释放 予以确认。 MS 网络 RLC数据块 RLC数据块 RLC数据块(FBI=1) 分组下行确认 数据块将由MS对最后 控制信息设定另一个上 行无线块(RRBP参数) RLC确认模式 分组控制确认 RLC非确认模式 图 5-27 下行资源释放过程 5.6 数据传送过程示例 5.6.1 GPRS 系统控制信息传送示意图 结合前几章节所分析的分组数据传送过程分析 MS 的附着过程,可得到图 5-28 所表示的各个协议层之间的 信令流程。MS 将通过信道请求和分组资源请求信息发起一步或者二步接入过程,之后进行附着请求信息的上 行传送;对于网络回送的附着接受信息,网络通过立即设定信息和分组下行设定信息分配上行资源,以进行上 行确认信息的传送。 134 GMM LLC RLC/MAC RLC/MAC LLC GMM 附着请求 附着接受 LLC UI帧 (附着请求) 信道请求 立即设定 分组资源请求 分组上行设定 数据块 数据块 数据块(CV=0) 分组上行确认/非确认 分组控制确认 LLC UI帧 (附着请求) 立即设定 分组下行设定 分组控制确认 分组功率控制/TA 分组控制确认 数据块 LLC UI帧(附着接受) 附着请求 附着接受 LLC UI帧(附着接受) 数据块(最后块) 分组下行确认/非 确认(最后确认) 图 5-28 MS 附着过程中各个协议层流程示意图 5.6.2 2 个时隙上 3 个 TBF 时数据传送的过程 图 5-29 中 3 个 MS 共同采用 TS0 和 TS1 时隙进行上下行数据传送,MS3 主要进行下行数据传送,MS1 和 MS2 进行上下行数据交替传送。其中,上行无线块的分配与使用通过系统下行信道中 USF 值所指示的 MS 号 进行,以 TS1 的使用最为明显。另外,如果下行信道 USF 指示值为 R,即下一个上行无线块可被用于 PACCH,则 MS 可以通过这个上行无线块传送信道请求等信息,如在 TS0 的上行无线块上,MS2 发送上行信 道请求信息,并采用分组上行设定信息所设定的信道资源进行上行数据传送,并进行 MS2 的数据接收确认。 在接下来的用于 PACCH 的上行无线块中,MS 进一步通过分组确认请求信息进行信道资源请求,并发送分组 控制确认信息到网络侧,以报告定时提前量等信息。 135 TS1 下行 上行 TS0 下行 上行 MS3的下 行数据块 (USF=1) MS3的下 行数据块 (USF=1) MS3的下 行数据块 (USF=1) MS3的下 行数据块 (USF=2) MS3的下 行数据块 (USF=1) MS3的下 行数据块 (USF=1) MS3的下 行数据块 (USF=1) MS3的下 行数据块 (USF=1) MS3的下 行数据块 (USF=1) MS1的上 MS1的上 MS1的上 MS2的上 MS1的上 MS1的上 MS1的上 MS1的上 MS1的上 行数据块 行数据块 行数据块 行数据块 行数据块 行数据块 行数据块 行数据块 行数据块 USF=R USF=1 MS2的分 组上行设 定(USF=1) USF=2 USF=2 USF=1 MS2的分 组上行确 认(USF=1) USF=R USF=2 MS2的分 组信道请 求 MS1的上 行数据块 MS1的上 行数据块 MS2的上 行数据块 MS2的上 行数据块 MS1的上 行数据块 MS1的上 行数据块 分组信道 请求 MS2的分 组控制确 认 图 5-29 2 个时隙上 3 个 TBF 时数据传送的过程9 5.7 RLC 层确认机制 RLC 层是 LLC 层和 MAC 子层之间的接口。它执行 LLC-PDU 到 RLC/MAC 数据块之间的封装和解封装,负 责数据块通过无线接口的传送以及采用选择性重传机制(ARQ)执行后向错误校正(BEC)功能。 RLC层上的ARQ机制支持两种操作模式,即RLC确认模式和RLC非确认模式。 RLC 确认 模式采 用 RLC 数据 块的重 传机 制得 到较 高的 可靠性 ,在 发送 侧对 所有 要传送 的 RLC数 据块 采用 BSN进行编号,接收侧通过发送分组确认/非确认信息请求对某些未正确接收的RLC数据块进行重传。另外, BSN也用于接收方从RLC数据包到LLC数据包的重组。 RLC非确认模式不执行RLC数据块的重传,发送侧的BSN仅用于接收方从RLC数据包到LLC数据包的重 组,接收侧通过发送分组确认/非确认信息用于进行必要的控制信息的传送(如下行传送中信道质量的监视或上 行传送中的定时提前量校正)。 MS通过分组资源请求或者分组下行确认/非确认信息中的RLC_MODE位设定RLC数据操作模式。在一步接 入时,缺省采用RLC确认模式。 网络通过分组下行设定或者分组时隙重新配置信息中的RLC_MODE设定下行TBF的操作模式。  RLC 确认机制 GPRS 系统中 RLC 层采用选择性自动重传机制进行错误校正,发送方对所有的 RLC 数据块采用 7 比特进 行发送序列 BSN 编号,并选用滑动窗口 64 进行数据传送。接收方通过周期性的 Ack/Nack 信息,对数据块接 收的正确性表示确认。 收发双方各定义以下参数,以保证正确接收和进行错误数据块的重传工作。 WS 窗口参数,取值 64 SNS 数据序列号空间大小,取值 128 另外,发送侧单独定义发送控制变量 V(S)和 V(A),接受侧定义 V(R)和 V(Q)进行收发控制,并采用收发确 认位图 V(B)和 V(N)来指示数据块接收的正确性,V(B)用于表示在 V(A)和 V(S)-1 之间尚未证实的数据块的位 图,而 V(N)则用于表示在 V(Q)和 V(R)-1 之间收到的错误数据块的位图。 9 Roger Kalden, Ingo Meirick, and Michael Meyer,Wireless Internet Access Based on GPRS,Ericsson Research, Ericsson Eurolab Deutschland 136 各变量的意义与参数表示如表 5-5。 表 5-5 RLC 层数据传送控制参数 名称 V(S) V(A) V(R) 表示 发送状态变量 确认状态变量 接收状态变量 位置 发送侧 发送侧 接收侧 意义 下一个将要发送的 被正确接收并确认的 期望接收的下一个 RLC 数据块的序列 号 BSN 数据块的序列号 BSN 数据块序列号 BSN 取值范围(基于 TBF 考虑) 0-127 0-127 0-127 变化条件 每传送一个 BSN=V(S)的 RLC 数据块,V(S)增加 1 接收到表示 ACK/NACK 的 RBB 之后予以更新 接收到新的 BSN 时且符合一 定条件时增加 约束条件 [V(S)-(V(A)]模 128<=发 送窗口值 64 [ V(S) - V(A) ] 模 128 <=64 确认模式下 [V(R)<=BSN'V(Q)且 V(R)>V(Q)+64; V(Q)=V(R)-64 若V(Q)>V(Q)-64; V(Q)=V(R)-64 或V(Q)=V(R)+64 (V(R)<64时 Ack/Nack (SSN/RBB) SSN=V(R) V(A')=[V(A)+64模128 V(S)-V(A') =0 传送最早等待确 认的包 <0 传送BSN=V(S)的 包或最早等待确 认的包 发送等待确认的包 发送新的数据包 >0 非法 图 5-32 RLC层确认机制流程表示 139 BSN=0 W V(S) W V(A) V(R) V(Q) 初始状态下,尚未进行信息发送,发送侧V(S)与V(A)都为0,接收侧V(R)与V(Q)也都为0。 W用以指示窗口的位置。 BSN=5 W V(A) V(S) W V(R) V(Q) 进行前6个信息发送后,发送侧V(S)位置变化,由于接收方还没有回送确认信息,所以V(A)位 置不变。接收侧V(R)表示下一个接收值,所以在不停变化,V(Q)表示信息的正确接收,此过 程中V(Q)与V(R)重合,表示前几个数据都已正确接收完成。 BSN=12 W V(A) V(S) W V(Q) V(R) 由于接收方尚未回送确认信息,所以V(A)位置不变。接收侧V(R)表示下一个接收值,所以在 不停变化,V(Q)表示信息的正确接收,V(Q)保持不变,表示接受侧对所收到的信息还未接收 到。 BSN=13 W W V(A) V(S) V(Q) V(R) 接收方回送确认信息对BSN=0-6的数据包进行确认,V(A)位置发生变化,同时V(Q)位置发生 变化,收发窗口位置也发生变化。 图 5-33 RLC层确认机制数据流举例 140 5.8 LLC 层确认机制和其它功能 5.8.1 LLC 层确认模式下的确认机制 在确认模式下,定义以下几个参数来进行确认控制: N(S) 确认模式下 I 帧的发送序列号,即 SSN,范围为 0-511 N(R) 确认模式下 I 帧的接收序列号,即 RSN V(S) 发送状态变量,发送端下一个将要发送的数据序列号 V(A) 确认状态变量,发送端下一个需要确认的数据序列号 V(R) 接收端下一个将要接收的数据序列号 K 最大未确认数据数目,范围为 1-255 M 发送侧数据缓存区大小 发送侧 LLC 在接收到上层协议的数据传送消息后,首先检测对端相应接收实体是否忙,若对端空闲,且发 送侧缓存区可以容纳该数据帧,则在将数据写入缓存区 M 的同时发送数据帧,之后将发送序列号加 1;若接收 缓存区不能接收一个完整帧,则首先进行非确认数据的重传工作,并且启动定时器 N200 控制数据帧的重传工 作。 另外设置参数 K,作为控制传送帧与确认帧之间的窗口变量,保证数据的及时确认。若 V(S)-V(A) V(R )+k,则数据帧被丢弃;若数据在窗口范围内,即 V(R ) threshold)) 拥塞避免过程可以采用程序表示为(图 8-2): Until (loss event) { every w segments ACKed: Congwin++ } threshold = Congwin/2 Congwin = 1(slowstart) 18谢希仁编著,计算机网络(第二版),电子工业出版社,1999 年 4 月第一版 190 主机A RTT 主机B 1 数据段 2 数据段 4 数据段 图 8-1 慢启动算法示意图 窗口 大小 分组丢失 分组丢失 分组丢失 网络容量限制 优化的窗口大小 Ssthresh 慢启动 慢启动 拥塞避免 慢启动 拥塞避免 时间 图 8-2 拥塞避免机制示意图 当发生拥塞时,慢启动阈值SSthresh变为当前窗口大小的一半(最小为2个数据段)。另外若拥塞是由于超时 造成的,则Cwnd将变为IW,相当于重新进入慢启动阶段。当新数据被另一端确认时,增加Cwnd,在Cwnd小 于SSthresh阶段,执行慢启动过程,在Cwnd大于SSthresh阶段,执行拥塞避免过程( 图 8-3)。 191 拥塞窗口(以数据段为单位) 发生超时 16 15 14 13 12 11 10 9 8 拥塞避免阶段 . . . 线性规律增长 . . 7 初始慢启动阈 6 值SSthresh 5 4 . .. . 慢启动阈值 SSthresh = 超时时拥塞 . 窗口的一半 3 慢启动阶段 . 2 指数规律增长 .1 .. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 传送次数 图 8-3 TCP/IP规程中的慢启动和拥塞避免机制示意图  拥塞窗口 cwnd 与其初始窗口 IW 的确定 考虑到收发两侧数据缓存区和处理能力的限制,发送侧不能无限制地发送数据包,以免造成接收侧缓存区 溢出,接收侧处理完成后将通过确认信息告知发送侧可以继续发送下一个或一组数据包。发送侧自定义的发送 窗口和接收侧定义的接收窗口被用来进行拥塞控制,慢启动机制中的拥塞门限 cwnd 即是两个窗口中的最小 值,在慢启动过程中,cwnd 设定一个初始值,即 IW,然后缓慢增加。任何时刻,已确认的数据包的最大序列 号与 cwnd 之和是 TCP 所发送的数据包的序列号的上限值,即发送窗口左侧以已确认的数据包序号为开启点, 窗口大小为 cwnd,发送侧在收到接收侧确认之前所能够发送的数据包数目在这个窗口范围内。 在 RFC2001 中规定,发送方的拥塞窗口 Cwnd 初始化值 IW 应为一个数据段大小,而在 RFC2581 中则规 定,IW 可以较大,一般应小于等于发送侧最大数据段大小(SMSS)的 2 倍,并且不能超过 2 个数据段。 另外,RFC2581 还提到,对于非标准的情况,TCP 可以采用较大的初始窗口变量 IW,即 3 个或 4 个数据 段大小的初始窗口,只要这些数据段的总大小不超过 4380 字节。其计算公式为: IW = min (4*SMSS, max (2*SMSS, 4380 bytes)) 8.1.3.2 快速重传与快速恢复 一般情况下,数据包的确认消息中包含―下一个期待值=N‖的信息,表明前 N-1 个数据包已经正确接收。如 果接收端发现数据顺序错误,它将回送对某个数据包的重复确认信息 DUPACK,表示接收乱序,希望重新得 到某个数据包;同样数据包丢失的情况下,接收端也会发送重复确认信息 DUPACK。由于发送端不能判定重 复确认信息 DUPACK 是由于数据段重排还是丢包引起,它还将等待更多的确认信息。通常,如果是接收端进 行数据重排,就会回送一到两次重复确认 DUPACK,之后将产生一个新的确认信息;而如果是数据包丢失, 发送端将会收到三个以上的重复确认信息 DUPACK,发送侧由此可以判断数据包已丢失,它将不再等待重传 计时器超时,而是马上开始重传丢失的数据段。这个过程称为 TCP 的快速重传技术。 发送端通过快速重传机制进行丢失数据段的重传之后,将进入拥塞避免过程,而非慢启动过程,这称之为 快速恢复技术。之所以不进入慢启动过程是由于单个数据段丢失时,收发端链路上仍有数据流存在,所以进入 慢启动过程将严重影响数据吞吐量。 快速重传和恢复算法执行如下: 当收到第三个 DUPACK 信息时,表示已发生了数据包丢失,系统修改慢启动门限 Ssthresh 并立即重传丢 失 的 数 据 段 。 根 据 RFC2001 , SSthresh 应 设 为 当 前 拥 塞 窗 口 的 一 半 ( 最 小 为 两 个 数 据 段 大 小 ) ; 而 根 据 192 RFC2581,则应设为 SSthresh = max (已发送但是未确认的数据段数目 / 2, 2*发送侧数据段大小) 。Cwnd 设为 SSthresh 加上三倍信息数据段大小。在此过程中系统仍允许在收到 ACK 的同时继续增加 Cwnd,因为它表示一 个新的数据段已发送出去。即每收到一个 ACK,Cwnd 增加这一段的大小并传输一个分组(若新的 Cwnd 允许的 话)。当下一个确认新数据的 ACK到达时,它将确认丢失数据段和第一个重复确认之间的所有数据段,此时设 置 Cwnd=SSthresh,系统采用丢包时速率的一半进行传送,进入拥塞避免阶段(图 8-4)。 拥塞窗口 (以数据段 为单位) 12 11 10 9 8 7 6 5 4 . . . . . . . 3次重复确认 . . . . . 快速恢复之后 3 .2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 RTT 图 8-4 快速重传与快速恢复示意图 8.1.3.3 TCP 拥塞控制种类  慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复机制 慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复机制作为 TCP 拥塞控制的手段,控制了数据传送起始阶段的流 量,并保证了数据传送过程中的包丢失的恢复和拥塞的解除。 但是,采用快速重传和快速恢复机制只能保证重传第一个丢失的数据包,多个数据包丢失时它只能进行部 分确认,从而 RFC2582 定义了 NewReno,作为快速重传和快速恢复的改进机制。  TCP NewReno 机制 当收到第三个 ACK 信息时,表示已发生了数据包丢失,系统修改慢启动门限为 ssthresh = max (已发送但 是未确认的数据段数目 / 2, 2*发送侧数据段大小) ,并将所发送的最大序列号设为 ―recover‖变量,同时重传丢 失的数据段,将 Cwnd 设为 SSthresh 加上三倍信息数据段大小。在此过程中系统仍允许在收到重复 ACK 的同 时将 Cwnd 增加 MSS,并在新的 Cwnd 允许的情况下传输一个分组。 当下一个确认新数据的 ACK到达时,如果它确认最大序列号为―recover‖之前的所有数据包,则表示是对 所丢失数据段的第一次传送(original transmission)和收到第三个重复 ACK 之间的所有中间包的确认。设定 Cwnd 为 min (ssthresh, 已发送但是未确认的数据段数目+ MSS)或者 ssthresh 并退出快速恢复阶段。 当下一个确认新数据的 ACK到达时,如果它不确认最大序列号为―recover‖之前的所有数据包,则表示这 是一个部分确认信息。这时需重传第一个未被确认的数据段,将 Cwnd 增加 1 个 MSS 并减去新确认的数据段 数,以确保快速恢复结束时, 已发送但是未确认的数据段数目大约为 SSthresh。在部分确认信息到达时,系统 复位重发时限并保持在快速恢复过程。  SACK 机制 采用选择性确认机制和选择性重复重传机制,接收侧可以通过 SACK 确认信息表示哪些数据包已被正确接 收,发送侧由此得知哪些数据包没有被正确接收,从而可以重传那些没有 被正确接收的收据包。由于 SACK 193 确认信息中包含了多个接收包的确认信息,所以它克服了其它确认机制下多个数据包丢失时重发困难的问题, 尤其适合于传输链路延迟较大、丢包较为严重的情况。 SACK 采用两个 TCP 选项进行控制,一个为使能项,即"SACK-permitted",它在 SYN 包中发送,指示连接 建立后可以使用 SACK 选项。另一个为 SACK 选项,它在使能项设定后在数据链路上传送。 SACK 确认信息中采用―数据块的左边界‖和―数据块的右边界‖来标定一组正确传送的数据块,左边界和右 边界分别表示数据块的起始和结束序列号。 SACK 选项可包含最多 4 组数据块的确认信息。如果配合 Timestamp 选项,则可以允许最多使用 3 个 SACK 块。 8.1.3.4 重传时限 RTO RTO 即超时重传时限,当一个包发出后,如果在规定的时间 RTO 内没有收到确认信息,发送侧将认为对 方没有收到数据包,于是进行数据重发,并将 Cwnd 调整为初始 Cwnd 值,启动慢启动算法以代替拥塞窗口管 理。 RTT 是系统传送数据包时的真正时延值,它可能随线路或系统状况而改变,RTO 由 RTT 的光滑平均值和 光滑抖动来计算得出。 RFC2988 中规定的 RTO 计算公式为:  RTO 的初始值设置为小于 3s,当第一个 RTT 值 R 测得后,系统将根据 RTT 计算 RTO: SRTT = R RTTVAR = R/2 RTO = SRTT + max (G, K*RTTVAR) 其中 SRTT 指 RTT 的光滑平均值,RTTVAR 指光滑抖动,G 为时间取样变量,一般设为小于 100ms, K=4。将测量值 R 作为 SRTT,R/2 作为 RTTVAR,并根据这两个值计算 RTO。  当后续 RTT 值 R’测量得到后,系统将重新计算 RTO 值: RTTVAR = ¾*RTTVAR + ¼*|SRTT-R’| SRTT = 7/8*SRTT + 1/8*R’ RTO = SRTT + max (G, K*RTTVAR)  如果 RTO 值小于 1s,需要取整为 1s。 系统采用 RTO 作为超时重发计时器,但是进行数据重发时,系统将采用 2 倍的 RTO 作为新的重传计时时 限,这样,如果系统传送过程中多次进行重发,其时延将很大。对于 GPRS 这种链路不稳定的系统来讲,如果 丢包过多,不停地触发慢启动和超时重传过程,则很容易产生数据传输中断现象。 8.1.4 TCP/IP 规程中其它重要参量 8.1.4.1 ECN 通常情况下,大多数路由器在缓存区满(即出现拥塞)的情况下会丢弃数据包,使用直接拥塞指示标志 ECN 可以起到拥塞控制的目的,并且能够防止数据包的丢失。ECN 机制作用过程中,中间路由器在检测到拥塞之 后,首先通知接收侧,再由接收侧通知发送侧降低发送窗口变量,使得数据传送速率降低,达到拥塞控制的目 的。 ECN 机制是通过 IP 层的 ECT 位和 CE 位,以及 TCP 层的 ECN-Echo 标志和 CWR 标志位来起作用的。 在 IP 层,当路由器检测到拥塞时,如果 ECT 位存在,它就将 IP 包头中的 CE 位置位,否则就丢弃数据 包。当其它路由器收到包含 CE 的数据包时,它不修改 CE 位信息,而是直接传送,直到接收侧收到为止。 194 TCP 层需要确保链路上所有设备都支持 ECN,TCP 层还在接收到包含 CE 位的数据包之后,采用包头中的 ECN-Echo 标志位通知发送侧,另外,当发送侧降低拥塞时,它在窗口降低后所发送的第一个数据包的 TCP 包 头中设定 CWR 标志,通知接收侧拥塞窗口已经减小(图 8-5)。 例如,当路由器发现网络拥塞时,它将 IP 包头中的 ―ECN 比特位‖ 置 1,接收端在接收到 ECN 包之后回送 ―ECN echo‖确认包,发送侧接收到此确认数据包之后相应降低窗口大小。这种方式速度相对于 ICMP Source Quench 较慢,但是可以在数据包丢失之前发现拥塞情况,并且不会给网络带来额外负担。 DATA DATA Router Host A ACK ECN echo ACK 图 8-5 ECN拥塞通知机制 Host B 8.1.4.2 通路 MTU 检测机制 如果的 IP 包的长度超过通路上的 MTU 大小,就不可避免地会产生数据包分段。但是分段会带来一系列问 题,如造成系统的处理负担增加,而且部分数据的丢失也会引起整个数据包的重传,另外在一些情况下,防火 墙还会由于数据包中缺少包头信息而阻塞数据包传送。因此,如果能够确认链路上所能够传送的数据包的最大 长度,避免分段则可以提高网络吞吐量,减少分段带来的问题。TCP/IP 协议中的路径 MTU 监测机制有效地解 决了这个问题。 在保证通路上设备都支持 ICMP 数据包传送的情况下,如果发送侧发送足够大的数据包并且标定―不许分 段‖,则中间设备认为数据包长度过长时,将丢弃数据包并对发送侧回应 ―ICMP 不能分段错误 ‖信息。这样, 发送侧可以减小数据包的长度进行重试,由此得到通路上所有设备都支持的合理的 MTU 值。 如果采用通路 MTU 监测机制,则系统中的防火墙和路由器上应当允许 ICMP 数据包通过,否则将会得到 错误的路径 MTU 值,造成数据包的丢失。 8.1.4.3 头压缩 使用 IP 头压缩技术可以减小响应时间、提高吞吐量、降低掉包率。但由于头压缩算法不传送整个 IP 包头 信息,只传送连续数据包之间的包头变化情况,因此链路上单个 TCP 数据段的丢失将引起传送和接收的 TCP 序列号失步。这样,当某一个压缩的 TCP 数据段丢失时,解压缩器将会产生错误的 TCP 包头。结果,TCP 接 收器将因为校验位错误而丢弃当前窗口中所有的剩余包。 无线链路不稳定,丢包的概率较大,建议在无线链路上应用 TCP 协议时不使用头压缩技术。 8.1.4.4 有限传送 对于拥塞窗口太小或者在窗口范围中大量数据段丢失的情况,可以采用有限传送机制来提高系统的性 能。 通常情况下,若一个数据段的应答在指定的时间内没有返回,就会被认为是重发超时,这个数据段就会 被重新发送;另外,若发送侧收到两个相同的确认信息,就可能表示接收端数据包的重组,若发送侧收到三个 195 相同的应答消息就表示数据包的丢失,这两种情况下都会触发发送侧的快速重传机制。数据恢复阶段,可以采 用多种技术用来进行恢复,如慢启动恢复,快速恢复和基于选择性应答的恢复(SACKs)。 当发送侧拥塞窗口较小时,发送侧可能无法接收第三个 ACK 信息,不能及时触发快速重传机制,这样系 统只能等待 RTO 超时,造成传送效率的降低。采用有限传送机制,发送侧在接收到两个连续的重复确认信息 后,将通过发送一个新的数据段表示确认,相当于在等待第三个重复确认信息或在接收侧重组时,发送侧先多 清出一个数据段的大小来,从而可以接收新的确认信息。 8.1.4.5 时间标志-Timestamp 提供传送时间信息。TCP 对每个数据包标定时间和序列号信息,以提供 LFN(网络带宽时延积较大)下的 传送窗口控制机制(传送窗口最大为 65535),如 图 8-6 所示。 时标x 。。。。。 。 时标Y 图 8-6 TCP中的时间标志的使用 8.2 GPRS 系统主要特性 无线系统与有线系统相比,有着较为独特的方面,这对 TCP/IP 协议的应用将产生很大影响。主要体现 为:  不对称性 GPRS 系统在带宽、延迟、媒体接入方式和误码率等各个方面存在不对称性,如:  带宽不对称性:上下行方向的带宽不同。 GPRS 系统中,上行受到电池容量和移动终端的复杂性限制,速率较低;下行信道可以使用更高的信道编 码方式并应用多个时隙并行传送,速率较高。理论上 GPRS 系统最高速率为 172Kbps,但目前采用 CS1/2 编码 方式的系统中,下行 3 个信道的数据速率一般在 10-40Kbps 左右,上行 1 个时隙在 10-20Kbps 左右。它们相对 于局域网上 10Mbps 速率相差还是很大。  媒体接入不对称性 不同方向上的具体接入方式不同。两个方向上都有不同的接入方式,尤其上行方向上发送 TCP 数据包确 认的接入请求信息可能会由于随机接入信道负荷较重而产生延迟。  误包率的不对称性 由于 MS 和 BTS 无线发射功率不同以及背景噪声的影响,不同方向有不同的误包率。如果 MS 离 BTS 较 远,它可以很好地接受 RLC 数据块,但不能保证上行发送中没有任何误码产生。 不对称性对 TCP 性能有较大的影响。对于慢启动来讲,发送侧在收到接收侧的确认之后才会发送更多的数 据包。低带宽的上行确认通路由于确认信息到达发送侧的速率较慢,因而将严重降低慢启动过程中 TCP 发送 侧窗口的增长速度,并使发送侧 RTT 的估算值产生变化。如果估算的 RTT 较大,发送侧检测到 TCP 包丢失的 时间也就较长,所以这将增大 TCP 重传超时值并最终损害丢包恢复过程。  延迟较大 由于无线系统的复杂性,GSM 和 GPRS 系统无线处理单元采用了各种信道适配技术,如物理层通过信道交 织、卷积等手段保证通信质量,在 3G UMTS 系统中,甚至通过两次交织和卷积技术来提高通信质量,这无疑 196 对移动终端和基站设备的处理能力带来很大挑战,它将带来传输时延的增加,使得 RTT 典型值在几百毫秒到 一秒钟之间偏移。这将可能引起拥塞控制,从而影响 TCP 的吞吐量。  存在延迟突变 GPRS 系统中数据传送时延变化受到信号强度、业务权限、带宽限制和用户行为等方面的影响,从而通信 链路上延迟可能发生突然的增加,以至于超过 RTT 好几倍。例如在进入信号覆盖盲区时,丢失无线覆盖导致 无线链路中断,引起链路层恢复时将造成时延增加;切换过程中,新旧小区之间信令和数据交换造成的延迟增 加;话音业务对信道占用具有优先权,所以一旦有话音业务,它将会抢占数据业务信道,造成数据业务带宽突 变。另外,不同服务等级(QOS)的数据业务具有不同的优先权级别,从而对业务信道占有不同的优先权,这样 也会造成低权限的数据传送被抑制,信道被抢占的现象。  带宽振荡 鉴于无线频谱的有限性,GPRS 系统通过用户间的信道共享来提供高速数据,多种控制机制可用于信道分 配,以增加资源利用的有效性。如果多个用户想要同时传送大量数据,控制程序将不得不对各个用户重复进行 资源的分配和释放过程。这种高速信道的周期性分配和释放造成的带宽变化称为带宽振荡。另外,由于小区中 用户的切入切出,小区可用带宽都将受到影响。  存在分组丢失 由于无线信道的衰落特性,GPRS 系统数据传送过程中无线帧误码率较多,但是由于采用了链路层重传机 制,分组丢包率仍能够保持较低的水平。问题在于链路层重传机制仍然会增加时延,造成数据包的重传,并引 起 TCP 的拥塞控制。  用户移动性 用户移动过程中的路由更新和小区切换将可能造成数据传送错误和延迟。并且切换后网络性能可能与原先 的有差异,如产生带宽与链路质量等方面的变化,这都可能对系统性能造成影响。  数据包较小 无线终端功耗大,内存小,不适合处理较大的数据量。另外,无线系统中的 IP 应用如 WAP 等业务多为小 数据包。 8.3 GPRS 系统中的 TCP/IP 应用特性 8.3.1 大的 RTT 造成的影响 RTT 大,到达大窗口的速度慢,带宽利用率低,如图 8-7 所示。 197 窗口 RTT=t1 RTT=t2 RTT=t3 RTT=t4 t4>t3>t2> t1 时间 图 8-7 不同RTT下窗口变化情况 由于 RTT 大,数据确认所需要的时间较长,从而在慢启动阶段,窗口打开慢,到达拥塞门限的时间长;在 拥塞控制阶段,窗口增长同样较慢。这样, RTT 较大时的带宽利用率就较低。 8.3.2 带宽延迟积的作用 带宽时延积 BDP 是指网络带宽与往返时延的乘积。 BDP =RTT*BW 其中 RTT 是来回时延,RTT 由 GPRS 网内传送时延和网外传送时延组成。GPRS 网内传送时延由数据包 PDU 的下行传送时间和相应确认信息 ACK 的上行传送时间组成。BW 是连接通路上的最小可用带宽。GPRS 系统中,在空中接口没有拥塞的情况下,空中接口带宽将取决于时隙数和 MS 所用的编码方式,而 TCP 连接 的带宽也将受限于空中接口。对于系统性能考虑来说,一般采用下行带宽作为主要因素。 GPRS 系统带宽低且延迟大,带宽延迟积 BDP 在 1-5kb 之间,可以看作是长瘦型网络(long thin network)。  接收窗口大小 计算机网络的性能与网络带宽时延积有很大关系。计算机网络中数据传送时,接收方接收窗口应大于其带 宽时延积 BDP,即为了充分利用可用带宽,接收窗口大小 W 应该为: W > BDP GPRS 系统中的接收窗口在满足上述条件时,仍然很小,从而将会影响快速重传机制的使用,产生过多的 超时重传。因此,建议在 GPRS 系统中使用 NewReno 恢复机制和 SACK 机制。 8.3.3 延迟突变的影响 延迟突变将会造成 TCP 虚假超时和不必要的重传。  现象 如果数据传送过程中延迟突变造成 TCP 当前的重传时限 RTO 超时,发送侧将会认为所发送的数据丢失, 从而进入慢启动阶段,对最早未予以确认的数据包进行重传。由于数据包并没有真正丢失,因此这种重传并不 是必需的,这种由延迟突变造成的重传称为欺骗性重传,它在 GPRS 系统中广泛存在。 出现欺骗性重传时,发送侧最终仍然可能接收到 RTO 超时后的数据确认信息,但是它可能会认为这是对 重发过程中数据的确认,而不是对原来数据的确认。系统采用慢启动机制继续进行其余未确认数据的重发,同 时一些在拥塞窗口允许范围内的新数据段也将被传送出去。但由于一些数据是重复发送,所以接收侧将回送重 198 复确认信息 DUPACK,三个 DUPACK 将触发虚假快速重传机制,造成发送侧拥塞窗口的降低,使得新数据包 传送暂停。  解决方案 这种虚假传送情况可以采用 Timestamp 选项予以解决,通过在数据包中使用 timestamp 选项,发送侧可以 鉴别出确认信息是针对原始数据还是重发数据所产生的,从而避免系统遭受虚假超时的影响。 8.3.4 带宽振荡造成的影响 用户突然进入一个新的小区时,其可用带宽将会发生突然变化。例如,如果改变小区的过程中可用带宽突 然增加,用户可能无法充分利用带宽,因为在拥塞避免阶段 TCP 缓慢增加发送速率。从快小区到慢小区变化 时 RTT 的突然增加也可能导致虚假的 TCP 超时。另外,快小区中所使用的大的 TCP 窗口可能带来慢小区中的 拥塞,导致缓冲溢出。 8.3.5 小数据包造成的影响 采用小数据包传送时,可能在 TCP 慢启动阶段已经完成数据包的传送工作,这样不利于有效利用 TCP 连 接的效率。 8.3.6 TCP/IP 控制机制对系统吞吐量的影响 GPRS 系统的吞吐量受到慢启动机制的影响。TCP 连接开始时,系统采用慢启动算法,所传送的数据量较 少,吞吐量较低。系统进入拥塞避免阶段后,拥塞窗口近乎线性增加,所以系统的吞吐量得到增加。存在包丢 失或重传超时的情况下,使用快速恢复机制等都可能对系统吞吐量造成影响。 8.3.7 MTU 大小的影响 链路层所支持的 IP 数据包的最大长度称为 MTU。链路层将 IP 数据包分割成 PDU,例如,在错误率较高 的链路上,较小的链路层 PDU 会增加成功传送的机会。采用 ARQ 技术,网络层可以在相对高的误码率情况下 使用较大的 MTU。链路层没有这些机制时,建议采用小一点的 MTU。 GPRS 上的 TCP 允许设计者自由选择 MTU 的大小,从 576bytes 到链路所支持的较大数值 1500bytes。 MTU 越大,慢启动阶段 TCP 到达接收窗口的时间越少。另外,终端系统采用较大的 IP MTU 时,由于包头负 荷相对较少,系统吞吐量会有所增加,因此建议使用较大的 MTU 值。 发送大量小包时,包头负荷较大,效率较低。所以选择系统所使用的 MTU 时,建议考虑 LLC 帧最大长度 的设置情况。如果 LLC 帧最大长度配置为 500 字节,则 1500 字节的 IP 包将被拆封为 4 个帧长,其中第四个帧 中仅包含几个字节,这样会对系统性能产生影响。 8.3.8     GPRS 系统中 TCP/IP 特性的优化应用 收发侧 TCP 初始拥塞窗口推荐使用 CWND=Min(4*MSS, max(2*MSS,4380bytes) ),这将初始窗口从 1 增加到 2 到 4 个数据段之间的任一值(大约不超过 4kb)。 GPRS 系统中收发侧应根据端到端通路上的带宽延迟积(BDP)选择合适的窗口大小。RFC793 限制接收 窗口为 64kb,如果端到端的 BDP 超过 64kb,可以采用窗口大小选项予以控制。 GPRS 上使用 TCP 时应当采用有限传送机制,以避免在拥塞窗口很小或者窗口中大量数据段丢失时由 于 TCP 超时造成的重传。 IP MTU 可以超过 RFC1191 规定的 Ipv4 所采用的 576bytes 的缺省值。 199  GPRS 系统中,在发送方和中间路由器上应采用通路 MTU 监测机制,以防止 IP 数据包的分割。它同 时需要中间路由器支持必需的 ICMP 信息的产生,也需要防火墙允许部分 ICMP 信息的传送。  GPRS 系统中收发方应当使用 SACK 或者 NwReno 机制。  收发方以及中间设备上应当支持 ECN,用于防止链路拥塞情况下的数据包丢失。  收发方启用 Timestamp 选项,防止虚假重传的产生。  尽量不使用 TCP/IP 头压缩,以防止丢包情况下的系统性能恶化。 8.4 GPRS 系统吞吐量 吞吐量定义为系统平均每秒钟传输的数据率。GPRS 系统吞吐量通常指 RLC/MAC 层吞吐量。根据理论分 析,CS1 到 CS4 的吞吐量分别为 9.05Kbps、13.4Kbps、15.6Kbps 和 21.4Kbps,但是实际测试过程中所能得到 的吞吐量值远小于理论值,其主要是由于各协议层的数据包头开销造成的。因此,进行具体量化分析将有助于 更好地了解系统实际性能。 8.4.1 吞吐量的量化分析 应用层数据如 FTP、HTTP 数据通过 GPRS 网络进行传送时,首先进行 IP 封装,再经过 SNDCP 层封装, 最后经由 LLC 和 RLC/MAC 层封装后采用无线信道进行传送,下面分别分析各协议层的效率。 8.4.1.1 GPRS 各协议层包头  IP 报头 IP 协议包头的典型长度为 20 字节,若添加其它选项,则其长度将会相应增加,具体长度值可通过 Internet 包头长度(IHL)来表示,该字段存放的是 IP 包头中 4 字节 "字"的个数,即将 IP 包头的长度除以 4 所得到的值。 为避免出现小数,必须将 IP 包头填充为 4 字节的整数倍。若采用 20 字节的 IP 包头,则 IHL 字段的长度为 5(=20/4)。IHL 的长度为 4 比特,其最大值为 15,也就是说 IP 包头的最大长度为 60(即 15x4)个字节。  TCP 报头(RFC783) TCP 报头的标准长度为 20 字节。如果有选项,例如数据最大段长度 MSS,则报头的长度会超过 20 字节。  UDP 报头 UDP 报头的标准长度为 8 字节(图 8-8)。 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 45 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 源端口 UDP 长度 目的端口 UDP 校验和 8 字节 图 8-8 UDP包头  SNDCP 报头 每个 SN-PDU 包含整若干个整数字节,即报头部分和数据部分。有两种不同的 SN-PDU 格式,一种是 SNDATA PDU,用于确认型数据传送方式,一种是 SN-UNITDATA PDU,用于非确认型方式数据传送。 SNDCP 报头一般为 3 到 4 个字节(图 8-9 和图 8-10)。 200 比特位 8 7 6 5 4 3 2 1 字节 1 X F T M NSAPI 2 DCOMP PCOMP 3 N-PDU 号 – 确认模式  数据分段 N 图 8-9 SN-DATA PDU 格式 比特位 字节 1 2 3 4  N 8 7 6 54 3 2 1 X F T M NSAPI DCOMP 分段号 PCOMP N-PDU 号- 非确认模 式 N-PDU 号-非确认模式(续) 数据分段 图 8-10 SN-UNITDATA PDU 格式  LLC 报头 LLC 帧包括地址域、控制域、信息域和帧校验序列等项。地址域一般为1字节,而控制域和信息域则为可 变长字节(图 8-11)。 87654321 地址域 (1 字节) 控制域 (可变长,最多 36 字节) 信息域 (可变长,最大 N201 字节) 帧校验序列 (3 字节) 图 8-11 LLC帧格式 控制域:进行 LLC 层数据传送时,非确认模式下采用 UI 进行传送,控制字段的长度为 2 字节;确认模式 下采用 U 进行数据传送,控制字段为 1 字节(图 8-12)。 1 1 0 x x N(U) E PM 201 1 1 1 P/F M1 M2 M3 M4 图 8-12 LLC控制域格式 信息域:N201 设定 LLC 数据包中数据最大长度。N201U 用于非确认模式传送时,N201I 用于确认模式传 送时,目前一般设定为 500 字节。  RLC 报头 下行 RLC 数据块格式如图 8-13 所示。在某些情况下,长度指示位可以忽略,则 RLC 报头典型为 2-3 字 节。 Bit 8 7 6 5 有效载荷类别 RRBP 4 3 S/P TFI BSN 长度指示 . . . 长度指示 RLC data 空闲 2 1 USF FBI E ME ME 空闲 MAC 包头 字节 1 字节 2 字节 3 (可选) . . . 字节 M (可选) 字节 M+1 . . . 字节 N-1 字节 N (如果存在) 图 8-13 RLC/MAC数据包格式 对于不同的编码方式而言,规定 RLC 数据块的最大长度不同,如 CS1 数据块长度为 22 字节,CS2 则为 32 字节。增加空闲位之后数据长度有所变化,具体值如表 8-1 所示: 表 8-1 RLC数据块大小 信道编码方式 CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 不包含空闲位的 RLC 数据块的大小 空闲比特位数 (字节) 22 0 32 7 38 3 52 7 RLC 数据块大小 (字节) 22 32 7/8 38 3/8 52 7/8 RLC 帧头一般为 2-3 字节。对于某个 LLC 帧的第一个 RLC 数据包,由于不包含 LI 字节用于 LLC 帧分界 (只有在一个 TBF 中任何 LLC PDU 的最后分段才在相应 RLC 数据块中以 LI 表示),所以 RLC 包头为 2 字节。 后续 RLC 帧中可能包含用于帧分界的 LI 信息,RLC 帧头为 3 字节。 8.4.2 各种编码方式下的理论速率 在 MAC 层进行封装时,增加 1 字节的 MAC 报头。 202 RLC/MAC 数据包经过添加校验位和尾比特,之后分别进行 USF 和数据的编码,形成 456 位的数据,经由 交织过程,形成 4 个 114 比特的突发脉冲。 在对 RLC/MAC 数据块进行无线编码时,3 比特的 USF 独立编码,剩余部分作为有效负荷进行编码,在 20ms 长的时间内进行发送。由此可推算不同编码方式下的理论速率: CS1: (22 + 1) x 8 - 3 = 181bits 181bits/20 ms = 9.05Kbps CS2: (32 7/8 + 1) x 8 - 3 = 268bits 268bits/20ms = 13.4Kbps CS3: (38 3/8 + 1) x 8 - 3 = 312bits 312bits/20ms = 15.6Kbps CS4: (52 7/8 + 1) x 8 - 3 = 428bits 428bits/20ms = 21.4Kbps 8.4.3 GPRS 信道实际编码效率计算 以太网上运行的 TCP/IP 的缺省数据段的长度为 1460 字节,采用 Ethernet 封装。加上 20 字节长的缺省 TCP 报头和 20 字节长的缺省 IP 报头,总共为 1500 字节,正好是一个以太网帧的最大载荷。如果把数据段的长度 设置成大于 1460 字节,TCP 会把这个由于太长而不能放入一个以太网帧的数据段交给 IP,导致 IP 包的分解。 根据以上分析,IP 数据经过各个协议层的封装处理,有效负荷将有所增大。所以纯数据速率有所下降,参 看图 8-14: FTP IP TCP SNDCP SNDCP包头 4字节 SNDCP数据 496字节 LLC LLC包头 LLC数据 LLC包头 3字节 500字节 3字节 IP包头 20字节 TCP包头 IP包头 20字节 20字节 SNDCP包头 3字节 SNDCP数据 497字节 LLC包头 LLC数据 LLC包头 3字节 500字节 3字节 FTP数据 1460字节 FTP数据 1460字节 FTP数据 1460字节 SNDCP包头 3字节 SNDCP数据 497字节 LLC包头 LLC数据 LLC包头 3字节 500字节 3字节 SNDCP包头 3字节 SNDCP数据 10字节 LLC包头 LLC数据 LLC包头 3字节 13字节 3字节 RLC数据23字节,包 RLC/MAC 括1字节MAC头,1字 (CS1编码) 节RLC头和20字节有 效数据 RLC数据23字 节,20字节有效 数据 RLC数据9字节(最后字 ... ... 段,带有长度指示位, RLC包头2字节),6字 节有效数据 突发脉冲 突发脉冲 突发脉冲 突发脉冲 RF 114比特 114比特 114比特 114比特 图 8-14 GPRS协议层有效载荷 8.4.4 SNDCP/LLC 层效率 当采用 500 字节 LLC 数据帧时,增加 6 字节的 LLC 帧头后,RLC 层所接收到的数据包长度将为 506 字 节。考虑到其中还有 4 字节的 SNDCP 帧头开销,则 LLC 层传送效率为 496/(496+4+6)=98%。 8.4.5 RLC 层有效吞吐量 RLC 有效吞吐量与数据包大小、编码方式等因素有很大关系。 假设 LLC 数据帧为 506 字节,如果采用 CS1 编码方式,包长为 20 字节的 RLC 帧为 25 个(506 除以 20 并去 整),包长为 19 字节的 RLC 帧为 1 个(最后一个包)。如果采用 CS2 编码方式,包长为 30 字节的 RLC 帧为 16 个(506 除以 30 并去整),包长为 29 字节的 RLC 帧为 1 个(最后一个包)。两种编码方式下 RLC 包的有效负荷及 编码速率分别为: 203 CS1 时的平均 RLC/MAC 负荷为 (20x25+19x1)/(25+1)=19.96 字节/RLC 块,吞吐量为 19.96 x 8/20 mSec = 7.984Kbit/s/TS。 CS2 时的平均 RLC/MAC 负荷为 (30x16+29x1)/(16+1)=29.94 字节/RLC 块,吞吐量为 29.94 x 8/20 mSec = 11.976 Kbit/s/TS。 可见,考虑包头负荷之后 CS1 的有效速率为 7.984,相对于 9.05 的理论速率而言,约为 88%,而 CS2 编码 方式在考虑了包头负荷之后相对于理论速率也仅为 89%。从而通过分析,使得我们对实际测试中的数据传送速 率有了深入认识。 同样方法可以计算不同大小 LLC 数据包下的 RLC 速率。 吞吐量通常通过 FTP 或 UDP 等方法进行测试,由于 UDP 协议包头较少,所以采用 UDP 协议测试更为准 确。 8.4.6 吞吐量变化相关因素 GPRS 系统中吞吐量与无线环境和 TCP/IP 作用机理有很大关系,其影响因素概述为:  由于无线环境影响造成的编码方式的改变将对吞吐量造成影响。  丢包将引起 TCP 慢启动或者拥塞控制,从而影响吞吐量。  网络拥塞对系统吞吐量造成影响。  MS 处理能力或者 Bug 造成用户吞吐量降低。  测试过程中频繁路由区切换也可能造成吞吐量降低。  TCP/IP 规程特性将对网络吞吐量产生很大影响,这将在其它章节予以分析。 8.5 GPRS 系统延迟 系统时延是指数据包在数据收发设备之间传送所需的时长。GPRS 网络中的时延包括网络内部时延以及外 网时延等两个方面。 一般来讲,时延不考虑网络负荷、中间网络对数据包权限的改变等因素。 8.5.1 延迟分析 对于 FTP 数据传输来讲,GPRS 系统中的时延系统间传送时延和系统处理时延,以及数据传送时延和 TBF 建立释放时延。其中系统处理时延和系统间传送时延基本固定,从而影响时延的最大因素为数据传送过程中的 TBF 建立时间和数据传送时延。 TBF 建立是指从发送立即指配到接收到第一个 UL/DL RLC 数据块的时间,因此采用一步接入法和两步接 入法时 TBF 的建立时间有所不同。 RTT 指系统端到端的时延,一般用 Ping 进行测试。 8.5.2 RTT 定义 RTT 指数据包从发送到接收到回应的时间。对于上行数据传送来讲,它包括上行延迟和下行延迟以及 TBF 释放时间。 RTTUL=上行延迟 + 上行 TBF 释放时限 + 下行延迟 对于下行数据传送,由于 TBF 在 T3192 时间之后才予以释放,因此其公式表述为 204 RTTDL=下行延迟+T3192+上行延迟 8.5.3 Ping 的理论分析 GPRS 系统中一般采用 Ping 进行延迟测试。 8.5.3.1 Ping 的理论意义 Ping 程序用于监测远端主机是否可达,它控制发送 ICMP(因特网控制包文协议)报文,并根据应答报文的 类型确定发送方与目的主机之间路由的通达性。另外,它可以通过计算报文发送与接收到应答之间的时延即到 目的主机的往返时间来表示源主机与目的主机之间的距离。因此上,Ping 常用来分析链路时延。但是在某些情 况下,某些主机或网络出于安全考虑,会将 Ping 包屏蔽,这时候虽然显示目的主机不可达,但是它们之间仍 是相通的。 ICMP 报文主要可分为三大类,即目的不可达、重定向和超时三种,具体又可分为多类,详细说明可参见 IP 相关书籍。 Ping 在发送 ICMP 报文请求时,将发送序列号顺序加一,应答信息也同样标识序列号,所以通过观察 Ping 包的回应消息可以观察到链路状况,如分组丢失、分组重复和错序等现象。由于 Ping 采用 UDP 方式进行传 送,所以上述三种情况还是有可能发生的。 8.5.3.2 Ping 的测试方法 - 对于采用 window 系统的计算机来讲,可以采用 DOS 下命令行的方式来进行测试。 - Agnettool 等工具提供 ping 的简单工具,所以可以通过简单设置测试次数以及数据包大小等进行测试。 - 其它等测试方法。 8.5.3.3 Ping 与数据包大小的关系 由于 GPRS 系统中 LLC 和 RLC 层都规定了数据包的大小,所以数据包大小由于包头负荷不一样,其传送 效率也不相同。小的数据包一般一个 LLC 帧即可传送,其占用的 RLC 数据块也少,如 10 字节数据包采用 CS1 编码方式时,考虑各协议层包头负荷后将占用两个 RLC 数据帧;500 字节的 LLC 帧 CS1 方式下将占用 26 个 RLC 数据块,CS2 方式下将占用 17 个 RLC 数据块。从而进行系统性能测试时需根据不同测试目的考虑采用不 同大小的数据包。 - 如果只是为了了解 GPRS 系统的最小时延,则建议采用小的数据包,如 CS2 时采用 10Byte 数据包(包含 2 个 RLC 数据块, 1 LLC 帧)。但是在 CS1 的情况下,10byte 数据包将包含 3 个 RLC 数据块,从而增加时 延。 - 如果为了测试 IP 包的 RTT,则建议使用大的数据包,通常可考虑采用 500byte 的数据包(CS2 方式下包含 17 个 RLC 数据块,2 个 LLC 帧)。 标准的 DOS 命令下 Ping 采用 32bytes 的 ICMP 包,在 CS2 下 RLC 层约为 3 个 RLC 数据包。其长度可以采 用开关 ping -l < payload> 予以调整。 10bytes 与 32bytes 的延迟差别可根据 RLC 数据块进行估算。CS2 时 10bytes 包需要 2 个 RLC 块,而 32bytes 包需要 3 个 RLC 块,因此上 UL 需要多传送一个 RLC 包,延迟有所增加。下行方向于上行方向作用原 理相同。 205 8.5.3.4 Ping 与发送间隔的关系 Ping 间隔是指前一个 ping 包响应与下一个 Ping 包发送之间的时间间隔。在 GPRS 系统中,由于上下行数 据的传送需要分别建立 TBF,所以合理的 Ping 间隔设置需考虑 TBF 的建立释放过程以及相关的定时器值,如 T3192。T3192 指接收到最后一个下行数据块之后延迟释放 TBF 的时间,如果 T3192 还没有超时,则系统可以 直接使用前一个 TBF,因此在连续数据包传送时需考虑 T3192 的作用。 如果接收到网络侧所发送的 RLC 数据块中指明 FBI=0,则 MS 侧准备释放 TBF 并启动 T3192。在 T3192 期间内,MS 继续监视 PDTCH,如果有下行数据传送,网络可以立即发起下行 TBF 建立过程,若 T3192 过 期,则 MS 需监视寻呼信道。 因此为了减少 T3192 的影响,Ping 间隔时间应大于 T3192 值(缺省为 500ms),以确保 TBF 的建立与释放。 206 9 第九章 GPRS 应用 移动技术的发展带来了网络、终端、应用类型和客户群等各方面的变化和发展。从网络的角度看,GPRS 技术在传统的无线系统基础上引入了 IP 核心网络,以处理高速数据业务;从应用的角度看,GPRS 系统支持大 量数据类业务,如移动商务、内容服务、无线游戏等等;而作为支持终端,则要求处理能力、用户界面相应增 强,从而为商业用户或者其它特定用户群最终用户提供灵活、高速的数据业务。  GPRS 终端支持的业务类型 采用 GPRS 终端可以直接使用 WAP 浏览、Email 收发和 OICQ 等业务,部分支持 Kjava 的 GPRS 终端还可 以进行电子图书和电子地图等程序的下载、在线玩游戏和联网进行比赛等。另外,通过 GPRS 终端收发 MMS,用户还可以及时得到各种精彩信息,体会移动生活的无限乐趣。 用户使用 GPRS 手机或者 GPRS 类 PCMCIA,可以连接 PC 使用 Internet 以及所有基于 Internet 的业务应 用。 采用无线终端所进行的无线应用种类较多,遍及各个系统和领域,如交通管理、水文探测、石油开采、银 行管理、商店管理等。  GPRS 业务使用方式 采用 GPRS 终端使用 GPRS 业务时,根据终端种类和特性可采用不同的连接方式,这样既能够保证终端使 用的灵活性,又能够保证业务应用的广泛性。 对于集成了 WAP 浏览器的 GPRS 终端,须通过终端设置然后才能进行 WAP 网站浏览;部分提供 Email 收 发、OICQ、以及进行 OTA(Over the Air)下载的终端也同样需要进行适当设定。手机终端由于本身的限制,一 般不可能直接用来进行 WWW 浏览和其它商务处理,它可以作为 Modem 连接 PC 进行此类业务的处理。 9.1 采用 GPRS 手机与 PC 连接 GPRS 手机可以作为调制解调器,采用红外接口或者串行电缆与 PC 进行拨号连接,提供 Internet 浏览和 FTP 文件传送等工作。 响应 ME状态 TE AT命令 TA ME控制 ME 用户和应用 网络 图 9-1 PC与MS连接方式示意图 图 9-1 为 PC 与 MS 连接方式示意图,其中 TE 相当于 PC,TA 相当于连接卡,ME 相当于 MS。PC 采 用 AT 命令与 MS 通信,启动 MS 的 GPRS 附着、PDP 激活等功能。具体消息格式参见规范 07.07。 207 常用的消息格式为: AT+CGATT=1 进行 GPRS 附着 AT+CGATT=0 进行 GPRS 去附着 AT+CGATT? 查看 MS 附着状态 AT+CGDCONT=1,"IP","APN1","0.0.0.0",0,0 设定第一个 APN 为 APN1,采用动态地址 AT+CGACT=1 使用所存贮的第一个 PDP 信息激活 PDP AT+CGACT=0 去激活 PDP 上下文信息 AT+CGDCONT? 检查 APN 配置 采用 PC 方式接入 Internet 进行文件传送、事务处理和 WWW 浏览时应该采用与 Internet 或者 Intranet 相关 的 APN 接入,如 CMNET 或者企业专用 APN。 9.2 采用 GPRS Modem(套件)上网 GPRS Modem(套件) 又称为 GPRS 移动数据通信终端,它包括 PCMCIA 适配卡、SIM 卡适配器和接收天线 (图 9-2)。这样,在没有电缆和红外接口的情况下,可以将 SIM 卡放入 GPRS Modem,并将 GPRS Modem 插入 PC 上的 PCMCIA 插槽,采用拨号程序进行 GPRS 连接。同时,某些类型的 GPRS Modem 还能够使用拨号软件 进行来电接听并支持在线接收 SMS,从而保证不会因为 SIM 卡离开手机而无法通话和收发 SMS。 图 9-2 GPRS Modem结构示意图 中国移动目前推出的―随 E 卡‖是一款专为笔记本电脑和 PDA 无线上网设计的专用数据 SIM 卡,大小和外 观很像手机的 SIM 卡,用户只需将 SIM 卡插入带有无线上网卡或者 GPRS Modem 的笔记本电脑或者 PDA 内,就可以连接 GPRS 网络。 目前系统中所用到的 GPRS 调制解调器如 AIRCARD750 高达上行 4 个时隙和下行 4 个时隙,支持 900/1800/1900Mhz 三频段设计,能够应用于 Windows95、Win98、NT4.0、Win2000、WinMe、WinXP 以及 PPC2000 各种操作系统。有些 GPRS 调制解调器除了采用 PCMCIA 方式连接(如 AIRCARD750 和 AudioVOX RTM-8000 等)之外,还可能采用 USB 方式连接(如深圳市朗科科技有限公司的朗科优信通、深圳市宏电技术开 发有限公司的 H6200 GPRS 调制解调器)或者 RS-232 方式连接(如深圳市宏电技术开发有限公司的 H6220 GPRS 调制解调器等)。 9.3 MMS 的应用 SMS 自 1990 年产出现以来便得到迅速发展,2001 年全球每月的 SMS 话务量达到四百亿(40Billion)。 它已经成为 GSM 系统中除了话音业务之外的最主要的业务类型,所带来的运营收益也极其可观。但是传统的 基于 GSM 网络的 SMS 信息速率低,信息容量小,信息内容单调,随着 SMS 业务量的增加,市场对于 SMS 的 208 内容等方面都提出了新的要求,如用户已经不再满足于简单的文字类信息,而想要传送更加丰富的大容量的多 媒体信息。2001 年出现的 EMS(即增强性短信息)在文本信息的基础上增加了矢量图形(如线段、简单的动画等) 以及和弦音调等信息,并且可以支持铃音、屏保、墙纸或者定制的图标形式传送。目前随着 GPRS 和 3G 技术 的实施,带宽和网络传送能力进一步增强,使得真正意以上的多媒体信息的传送成为可能,从而出现了新一代 的短信息技术,即多媒体信息业务 MMS,它基于 IP 技术或者 WAP 技术的实现方式,支持多种图像格式,以 及视频和音频等信息内容。用户通过 MMS 可以享受快速、丰富的多媒体短信息以及手机终端与网络终端互通 的乐趣,充分领略无线系统的方便性和网络业务的快速性。 那么,MMS 的特点和技术原理优又如何哪?其具体应用又有哪些哪?本章就从 MMS 的网络组成、信 令结构等方面来论述相关知识。 9.3.1 SMS 简介 SMS 技术提供了一种在 MS 之间传送短信息的方式。它采用存储转发方式实现点对点的信息发送或者广播 形式的信息发送。它只支持简单的文本格式,所传送的信息长度较小,文本信息最大为 160 个 ASCⅡ字符,二 进制信息最大为 140 个字节。GSM 系统中采用短信息中心 SMSC 实现 SMS 的存储和处理,MSC 通过七号信 令与 SMSC 连接,信息传送采用控制信道(SDCCH/SACCH 或者 FACCH)进行,信息流程请参见 24.011。  GPRS 系统中的 SMS GPRS 系统中采用 Gd 接口通过 MAP 规程提供与 SMSC 的连接,实现分组域上的 SMS 传送控制(图 9-3)。 GPRS 系统中的 SMS 通过 PDTCH 信道进行传送,L3 层信息单元长度可以超过 1500 字节。SMS 采用 LLC 层的 UI 帧进行传送,SAPI7 被专用作传送 SMS 信息。RLC 层对 SMS 的传送采用确认机制实现。 在采用 SAPI=7 进行 SMS 传送时,规定缺省参数如下: T200 和 T201 缺省为 20s,范围为 0.1-409.5 秒。 N200 缺省为 3,范围为 1-15。 N201-U 缺省为 270,范围为 140 到 1520 字节。 SMS-GMSC SMS-IWMSC 业务中心 MS SGSN HLR 图 9-3 GPRS系统中的SMS连接 9.3.2 MMS 和 SMS 的特征分析  信息长度 SMS 的最大字符数为 140 字节(参见规范 23.040),而基于 GPRS 技术的 MMS 所传送的信息长度几乎不受 限制。  信息内容 209 SMS 只能够提供简单的文本信息;而 MMS 内容丰富,它支持文字、照片、图画、视频、音频等内容的传 送,并且内容大小没有限制,从而为用户进行各种应用提供了条件,如地图信息查询、视频信息的下载、多媒 体 E-mail 信息的浏览等等。  信息传送方向 MMS 支持在终端间通过网络直接传送信息,以及终端和 Internet E-mail 账户之间的信息传送。如果用户关 机或者暂时不在服务区,信息将进行存储直到安全传送为止。用户可以进行信息的收发、应答、删除和转发。  信息传送通道 SMS 采用控制信道进行传送,而 MMS 采用话音信道进行传送,其容量较大。  信息承载 SMS 一般采用电路方式或者 GPRS 承载。 MMS 可以采用 GPRS、CDMA1x、3G 等网络技术承载。  终端要求 目前一般类型的 MS 都支持 SMS。 对于 MMS 的支持需要特定 MS,所以其应用的广泛性受到限制。 9.3.3 MMS 所支持的内容 MMS 支持多媒体信息,如文本、图像、视频、音频信息及各种信息组合,各种类型信息格式举例如下:  文本: ASCII, Unicode, UCS2(UTF8,UTF16)  图像: JPEG ,GIF 89a;  视频 : ITU-T H.263, MPEG 4, Quicktime;  音频 : MP3,MIDI, WAV,AMR/EFR。 9.3.4 MMS 承载系统 Internet 应用接口 存储转发设备 WAP GSM/GPRS 3G TDMA等 图 9-4 采用WAP进行MMS承载 MMS 采用 WAP 技术作为承载,由于 WAP 业务可运行于 GPRS、EDGE、WCDMA 等网络之上,从而 MMS 可以基于 2G 和 3G 系统提供业务运用(图 9-4)。其作用方式为(图 9-5): 210 MMS 用户接口 MMS 应用业务 MMS 通信规程 传输规程 WAP WSP 信息规程 A 负荷 中间层 无线业务 MMS 用户代理 中间层 TCP 无线业务 IP WAP 网关 信息应用平台 HTTP HTTP TCP MMS 应用模 型 MM 传输规程 B MM 数据 MM 规程 B 信息 MM 处暑规程 B TCP TCP IP IP MMS 代理 IP MMS 服务器 图 9-5 基于WAP的MMS规程栈 MMS 用户代理与 WAP 网关采用 WAP 协议通信,WAP 网关进行协议转换后通过 IP 协议与 MMS 代理进 行连接,并通过 MMS 代理进行到 MMS 服务器的数据和内容交换,从而完成 MMS 信息的应用(图 9-6)。 MMS用户代理 无线网络 Internet/ IP网络 WAP网关 图 9-6 MMS与WAP连接示意图 MMS代理 MMS 用户代理和 WAP 网关之间的链路使用 WAP 栈提供支持不同无线承载上的公共业务,如 MMS 等面 向应用的业务。WAP 网关与 MMS 中继之间的链路可通过 Internet 或者本地 Intranet 连接,采用 HTTP 进行由 任一实体发起的数据传送。MMS 应用的端到端连接在 MMS 用户代理和 MMS 中继之间产生,它通过使用 MMS 用户代理的 WSP/HTTP POST 方法和对端的 WAP Push 接入规程予以实现。 在 WAP 看来,MMS 是 MMS 用户代理与 MMS 中继之间的业务交互,与其它网元无关。WAP 网关在数据 传送过程中对数据不进行修改。 9.3.5 GPRS 系统中 MMS 网络元素 在 GPRS 系统中,WAP 网关作为传输网络, MMSC 作为 MMS 服务器和中继单元,通过与 GPRS 网元和 外部应用服务器的作用(或者将数据管理任务集中在一起),共同实现 MMS 信息的收发。 多媒体信息中心(MMSC)是系统的核心。一般由 MMS 服务器和 MMS 中继组成。它用于进行 MMS 信息的 存储转发、提供用户终端之间或者与应用服务器的通信,并提供 MMS 终端用户和 Email 用户的寻址。 MMSC 提供与外部信息存储器和数据库的连接(如果网元独立存在时)、与承载层 WAP 网络的连接,以及 通过外部数据网络到各种外部应用服务器的连接,如增值业务服务器、Email 服务器等。同时,它还提供与外 部网络中相关 MMSC 的连接。它支持 WAP、SMTP、WSP 和 HTTP 等协议类型。 Comverse MMSC 的网络结构如图 9-7 所示。 211 图 9-7 Comverse MMSC结构 9.3.6 GPRS 系统中 MMS 的网络组成  MMSC 与 GPRS 网络的连接方式 GPRS 系统中,采用 GGSN 连接外部应用服务器,包括 WAP 服务器。MMSC 与 WAP 网关相连,作为 WAP 网络的应用层业务存在。GPRS 网络本身与 MMSC 没有连接(图 9-8)。另外,MMSC 可能采用 HLR 或者 Radius 服务器进行收发用户的身份管理。 MMS MS BTS BSC MSC SGSN GGSN WAP代理/服务器 MMSC 图 9-8 MMSC与GPRS网络的连接方式 Firewall IP网络 Email API MMSC 9.3.7 MMS 应用 由于 MMS 支持真正的多媒体类信息,所以可以支持众多游戏类和商业类型服务等。如个人相册、信息类 服务、娱乐类服务、游戏类服务、通信类服务、商业类服务、位置类服务、点对点文本信息、Email、信息业 务和冲浪、广告、多媒体、聊天等。 在 MMS 业务发展初期,市场上支持 MMS 的终端较少,由于系统中 90%左右的 SMS 话务是话音业务,所 以话音业务仍然是 MMS 的主要业务应用,从而直接影响 MMS 业务的使用和发展。那么,如何有效提高 MMS 业务的使用呢?在对方没有 MMS 类终端的情况下,一些运营商考虑采用 SMS 通知功能并允许使用 Web 浏览 器提取 MMS 信息,但是网络组成比较复杂、应用也不够方便。另外一种可选方案是采用及时信息(Instant Messaging)、PC 或者 Web 业务收发 MMS,利用 MMSC 直接进行 IP 路由,通过采用 SMS 或者 WAP Push 功能 的及时信息 IM 通知用户并将信息直接发送到在线用户或者其它地址,从而提高了业务质量和可操作性。 212 MMS 业务的成功与否取决于多方面因素,如业务类型、价格、数字版权管理、终端、及时信息、漫游等 等。 9.4 GPRS 具体应用 9.4.1 通过 GPRS 连接 Internet 随着人们移动性的增加,以及移动过程中业务处理需求的增加,通过无线手段接入 Internet 已经成为客观 需求。GPRS 系统不仅提供通过 WAP 应用进行简单文本信息浏览和基本商务应用处理的能力,更可以提供强 大的 Internet 接入能力,从而为各种基于 Internet 的应用提供了基础。 使用 Inernet 业务时,一般采用 GPRS 终端或者 GPRS 终端与 PC 相结合的方式。MS 通过激活相关 APN 发 起 Internet 接入请求,DNS 根据 APN 信息得到相应的 GGSN 地址,再由 GGSN 对 MS 进行动态地址分配,并 通过 Gi 接口建立到 Internet 网络的连接。 如果 采用私有 IP 地址,则 GPRS 网络防火墙应提供地址翻译功能,以保证与 Internet 上信息的正常通信。 采用 Internet 业务可以提供 Email 收取、OICQ、文件下载、商务处理等业务。 9.4.2 通过 GPRS 连接 Intranet VPN 是 GRPS 系统中使用企业网的基础,通过建立 MS 与企业网之间的不透明 VPN,企业可以实现对接入 用户的鉴权、认证以及采用二层或者三层安全机制进行数据保护,从而有效实现移动用户与企业网之间信息的 传送。 9.4.2.1 GPRS网络上实现Intranet连接的技术基础 GPRS 系统上企业级 VPN 实现的基本网络结构如图 9-9 所示: 移动终端 HLR 移动终端 基站 SGSN GGSN GPRS网络 Internet 图 9-9 企业级VPN的实现 应用服 认证服 务器 务器 LAN 企业网1 应用服 认证服 务器 务器 LAN 企业网2 实现企业 VPN 时,企业网使用独立的 APN 名称,GPRS 网络根据用户发起 PDP 激活请求时的 APN 信息建 立与企业网的连接,并可以采用内部 Radius 服务器进行用户身份认证以及内部 DHCP 服务器进行用户地址分 配。企业网内部应建立安全预防机制,如采用 IPSec 或者 L2TP 协议。 213 9.5 WAP WAP是一种应用于无线网络之上的应用规范,它是由WAP论坛创建的一种无线网络之上支持多种终端通 信的规程结构和应用环境,而不是应用于特定设备的应用类型。WAP用户范例是用户能够产生对于小chunk(一 般小于1000字节)的小的、特定的请求,而不是随机浏览Web网站。WAP设计中还假定移动终端所使用的网络 不太可靠,带宽有限并且延迟较大,移动终端本身处理能力和缓存有限且要求电源消耗低等无线系统和终端特 性,它可以基于GSM、GPRS和CDMA等多种无线系统提供业务应用。 WWW协议栈 HTML HTTP TLS-SSL UDP/IP CSD/ GPRS等 WAP终端 WAE WSP WTP (WTLS) WDP 承载层 图 9-10 WAP协议栈及其与WWW协议栈比较  WAP 协议栈 WAP 协议栈包括应用层 WAE、会话层 WSP、事务层 WTP、安全层 WTLS 和传输层 WDP 等(图 9-10)。它 采用分层设计原则,以便于各协议层的扩展。 无线应用环境(WAE)包含一个微浏览器规范、无线 markup 语言(WML)、一种脚本语言(WML 脚本),以及 一种无线应用框架,为各种应用层业务的开发提供了一个通用的、开放的应用平台和应用程序环境。 WSP 即无线进程规程,用于提供应用程序间的信息交换的方法。WSP 支持位于 WTP(无线事务规程)之上 的稳定的面向连接的进程业务,可随时抑制并在一段时间后恢复。对于恢复 WSP 进程来讲,其所花费的信令 开销比建立新的 WSP 进程节省很多,另外 WSP 的恢复能力也能够节省有限的网络资源和电池能量。WSP 还 支持基于 WTP 或 WDP(无线报文规程)的不可靠无连接规程、容量和内容协商、对于客户端异步内容的 push 以 及多个异步事务等功能。 WTP 为在 WDP 或 UDP 之上提供的数据报业务提供可靠性,它提供三种业务类别,即不可靠的单向请 求、可靠的单向请求和可靠的请求响应事务。 WAP 没有明确的连接建立和释放过程,它使用唯一的标识号(类似 TCP 中的序列号),以及确认、重复去 除和重传机制确保可靠的事务。WTP 允许用户对每个信息的接收进行确认。WTP 是面向信息的规程,即交换 的基本单元是整个信息,而不是一个字节。WTP 不提供安全机制,安全性、数据压缩和加密由无线传输层安 全(WTLS)规程提供。 WDP 是 WAP 体系的传输层规程,用以向高层提供不可靠的数据报业务,它在与低层网络类型无关的基础 上向高层提供兼容的网络业务。WDP 提供复用/去复用功能,以及基本的错误监测功能。另外,它必须管理封 装与去封装。事实上,如果承载网支持 IP(如 GPRS),则使用 UDP 代替 WDP。如果下层的网络不使用 IP 路 由,则需要一个适配层。 显然,WAP 所遵循的途径为在不可靠的数据报业务上提供传输的可靠性。因此,大多数的 TCP 功能位于 表示层和应用层。这种选择会产生一些限制,但使用诸如 UDP 和 WDP 之类的传输规程有其优点,如它允许应 用开发者选择应用所需的恰当的可靠性级别。 214 WAP 的另一个特点是移动终端与应用服务器之间的所有连接都经过一个代理服务器,即 WAP 网关。代理 服务器一方面使用 WAP 规程栈与无线设备通信,另一方面使用标准的 HTTP/TCP/IP 规程与应用服务器进行通 信(图 9-11)。因此,WAP 规程是一种"分割连接"的方式。 WAP终端 WAP网关 Web服务器 WAE WAE WSP WSP HTTP HTTP WTP WTP (SSL) (SSL) (WTLS) (WTLS) TCP TCP WDP WDP IP IP 承载层 承载层 承载层 承载层 图 9-11 WAP网络结构 假设用户在设备上发送一个请求,设备将使用 WAP 规程栈与代理服务器进行通信,代理服务器解析请求 并将之翻译成 HTTP 请求,然后采用标准的 TCP/IP 无线网与应用服务器进行连接。WAP 网关负责将应用服务 器产生的响应进行编解码形成二进制格式并使用 WAP 规程传送至移动设备。WAP 使用二进制格式而非像 HTTP 的标准文本格式是为了减小所需传送的数据量并减小移动设备侧所需的处理。这样使得每个请求的耗电 最少。进一步来讲,WAP 网关通常还支持 DNS 服务。  基于 GPRS 的 WAP 协议配置 采用 IP 网络作为承载网时,WAP 传输层使用 UDP/IP 协议;采用电路承载网络时,WAP 传输层使用无线 数据协议 WDP。GPRS 是基于 IP 的分组交换网络,它采用 UDP/IP 来完成 WAP 传输层的功能,并向高层协议 提供套接字接口。构筑在 GPRS 之上的 WAP 的协议栈如 图 9-12 所示。 移动终端 WAE WSP WTP UDP IP GSM-RF BSS BSS系统 物理 RF 接口 SGSN SGSN系统 物理 RF 接口 GGSN IP GGSN 系统 物理 接口 WAP网关/服务器 WAE 其他应用 WSP WTP UDP IP 通信子网 物理接口  WAP 业务模型 图 9-12 基于GPRS的WAP协议配置 215 WAP 业务的连接过程如下。MS 发起请求,WAP 网关服务器到应用服务器进行内容提取,并对 MS 发送 响应,如图 9-13 所示。WAP 网关侧请求信息与响应信息之间的时间称为 WAP 网关响应时间,它符合指数分 布。一个响应中可能包含多个对象,对象的数目符合几何分布,对象之间的到达时间符合指数分布,每个对象 的大小符合缩短帕雷托分布。阅读时间为响应完成后到下一个请求之间的间隔,它符合指数分布。 MS WAP网关 应用服务器 请求 HTTP GET 响应,第一个对象 HTTP响应 响应,第二个对象 响应,第n个对象 请求 HTTP GET 图 9-13 WAP业务应用过程 采用 WAP 业务可以用来进行多种应用类型信息的获取,如 E-mail、新闻、M-commerce、common 业务 等。由于对象的不同,相应的阅读时间、请求速度也有所变化,这也会造成话无模型方面的差异。 9.6 GPRS 计费系统 计费是网络运营商和用户普遍关心的问题,计费方式的灵活性和合理性,计费信息采集的准确性和全面 性,计费信息传送的及时性和安全性,都是计费系统设计的关键所在。 GPRS系统是无线系统和网络业务的综合,但是无线系统和数据业务计费的出发点截然不同。无线系统中 采用电路交换方式,采用时间为标准的计费方式能够反映信到资源的占用情况;而数据业务则通常采用按数据 量进行计费的方式,在GPRS系统中,信道分配采用按需分配法,即在数据传送时才使用数据信道PDTCH,单 纯以时间为标准计费不够合理,采用按上下行流量进行计费的方式能够真正反映数据网络的使用,符合数据网 特点,所以GPRS中采用时间和数据流量配合的方式计费。 216 9.6.1 GPRS 计费系统概述 SGSN 计费信息 GPRS内部网络 计费网关 GGSN 计费信息 计费中心 图 9-14 GPRS计费系统和接口 GPRS计费系统和接口如图 9-14所示。 GPRS系统采用计费网关CG进行网元计费信息的收集、临时计费信息的存储和到计费中心的信息传送工 作。CG与SGSN和GGSN之间采用Ga接口连接。CG还可以支持计费话单CDR的合并、预处理和过滤功能,并 可以在CDR中增加运营商要求的特定字段等。 CG可以作为GSN单元的一部分存在,也可以独立存在。对于包含CG功能的GSN网元,如果它支持外部接 口,还可以作为其它GSN的计费网关。由于CG进行CDR信息的实时收集,数据安全非常重要,所以可采用不 同的独立计费网关CG或者分布在不同GSN单元中的CG进行备份,使得在主用CG故障情况下,仍能可靠地进 行计费信息的收集。 基本的计费原则包括对每个PDP context设定独立的计费号(CID),并能根据其产生日期和时间进行计费; 以及根据上下行数据流量的独立计费。 按照规范要求,GSN单元不强迫使用NVRAM,所以系统重启将可能造成计费信息的丢失。因此,保证计 费信息在GSN与CG之间的及时安全传送十分重要。 9.6.2 GPRS 系统计费种类 GPRS系统主要包括与PDP context相关的计费信息以及与移动管理和SMS相关的计费信息,不同的网元所 产生的计费种类不同,如图 9-15所示。  M-CDR 由SGSN产生,与MS的移动性管理相关。它在GPRS附着时启动,在GPRS去附着或产生部分CDR时(话单 容量或者计费时限超过时形成部分话单)关闭。M-CDR用于记录无线接口和GPRS资源的使用情况、MS位置改 变等相关信息。  S-CDR 由SGSN产生,与MS的数据包管理相关。在PDP激活时启动,记录IMSI、APN、PDP地址、数据量、时长 等信息。它在QOS改变、话务时间改变、CDR关闭时增加,并在PDP去激活和部分CDR产生时关闭。  G-CDR 由GGSN产生,与MS的数据包管理相关。它在激活PDP时产生,并在产生部分CDR或者PDP去激活时关 闭。  S-SMO-CDR 对 MS 发起的 SMS 的计费。  S-SMT-CDR 对 MS 接受的 SMS 的计费。 217 GPRS系统中采用GTP'进行计费信息的收集。GTP'基于GTP规程,并增加了更多的信息类型,它包括以下 功能:  GSN 单元与 CG 之间计费信息的传送机制。  CG 到另一 CG 之间计费信息的转发。  通过 Echo 信息监测 GSN 单元与 CG 之间的链路故障。  防止备份过程中重复 CDR 的产生。 S-CDRs, MCDRs, S- SMO-CDRs & S-SMT CDRs S-CDRs, MCDRs, S- SMO-CDRs & S-SMT CDRs GTP’ GTP’ UDP/TCP IP L2 UDP/TCP IP L2 L1 L1 SGSN CGF a. S-CDR/M-CDR 示意图 G-CDRs G-CDRs GTP’ GTP’ UDP/TCP IP L2 UDP/TCP IP L2 L1 L1 GGSN CGF b. G-CDR 示意图 S-CDRs, MCDRs, S- SMO-CDRs , S-SMT CDRs & GCDRs S-CDRs, MCDRs, S- SMO-CDRs , S-SMT CDRs & GCDRs GTP’ UDP/TCP IP L2 L1 CGF GTP’ UDP/TCP IP L2 L1 CGF 218 c. CG 之间计费信息传送 图 9-15 GPRS 计费种类 9.6.3 GPRS 系统计费信息的传送 GSN单元通过数据记录传送请求信息将CDR传送到CG,CG进行CDR的缓存并对GSN单元通过数据记录传 送响应信息发送成功接受确认。接收到请求接受信息之后,GSN将缓存的CDR信息予以清除(图 9-16)。 GSN CGF 存储器 CGF NVRAM 1. 数 据 记 录 传 送 请 求:发送数据记录包 3. 数 据 记 录 传 送 响 应: 请求接受 2. CDR 安全保存 4. 成 功 传 送 的 CDR 信息从 GSN 缓 存中清除 ... ... 图 9-16 GPRS系统内部计费信息的传送 9.6.4 GPRS 系统计费原则 9.6.4.1 计费要求 计费系统应考虑采用开放接口,以备将来为其它无线数据分组网所使用。每个运营商收集并处理各自的计 费信息,并可以对计费信息的产生进行人工管理,根据需要提取所需的计费信息。系统中的GSN设备不需要永 久保存计费信息,允许GSN重新启动后丢失计费信息,但是系统配置信息不能丢失。 计费系统应能够进行上下行方向的数据流量独立计费,在某些情况下,应支持反向计费。系统对每个PDP 上下文应该赋予唯一的计费标识(即C-ID),应能够反映出每个PDP上下文的使用状况,如起始时间和持续时间 等。 9.6.4.2 GSN 计费信息的收集 MS的计费信息由它所在的SGSN和GGSN收集和记录。SGSN记录MS对网络无线资源的使用情况,GGSN 记录MS对外部数据网络的使用情况。它们都记录MS对网络资源的占用情况。 SGSN应至少收集无线接口使用情况、PDP地址的使用情况、GPRS资源的使用情况、MS位置信息等。 无线接口使用情况是指根据不同的QOS和用户规程特性,进行移动用户始发业务和移动用户终止业务的数 据量的记录。不同的PDP上下文类型是流量计费的基础。不同的QOS应分别计费,即QOS改变时应另外产生计 费话单,最终由计费后处理系统进行整理。 PDP地址的使用情况指记录PDP地址的使用时长,即从PDP上下文激活到PDP上下文去激活之间的时长。 GPRS资源的使用方面的计费信息应能够体现其它GPRS相关资源的占用情况,如移动性管理开销。 219 MS位置信息指HPLMN,VPLMN和精确的位置信息(如RAI,CI等)。 GGSN至少应当记录用户进行数据业务应用时的源地址和目的地址、到外部数据网之间数据的收发情况、 对PDP地址的使用时长、MS的位置信息如HPLMN、VPLMN和MS所在SGSN的地址信息等。 9.6.4.3 计费记录与 C-ID 与PDP上下文相关的计费信息包括由SGSN产生的S-CDR、M-CDR和由GGSN产生的G-CDR。计费信息可 以保存在多个计费文件中,以便于管理,如可以根据记录时长、数据流量限制、SGSN之间路由区切换等多种 方式触发信的话单文件的生成,但是对于同一个PDP上下文,不同话单具有统一的关联标识符,即计费标识号 C-ID,采用GGSN地址和C-ID号的组合可以唯一标识一次PDP上下文相关的计费信息。 GPRS系统中,由于用户的移动性,计费信息可能在多个SGSN中产生。因此,对于一个PDP上下文,需要 在SGSN和GGSN中分别进行计费信息的记录。采用TID、NSAPI、IMSI等信息标识一个与PDP上下文相关的计 费信息具有不全面性,所以考虑采用单一的C-ID号来进行与PDP上下文相关的计费信息的关联。 当在GGSN中进行PDP上下文激活时,将产生一个C-ID号码。GGSN通过Create PDP Context Response消息 将所产生的与此PDP上下文相关的C-ID号通知给SGSN。当手机进行跨SGSN的位置更新时,MS所在的新SGSN 将与MS原先所在的SGSN之间进行SGSN Context转发。得到原先的PDP上下文后,新SGSN向GGSN发Update PDP Context Request消息,GGSN发Update PDP Context Response消息响应,在该消息中包含了C-ID。 SGSN和GGSN收集的计费信息中,所有和某个PDP上下文相关的信息将包含相同的C-ID号码和GGSN地址 的组合,以便于计费网关或者计费系统进行处理。C-ID的范围是[0--232-1],它能够保证GGSN和C-ID组合的长 时间的唯一性。在GGSN重新启动后,C-ID应该保存,为下次分配C-ID提供一个参考点,避免与前面PDP上下 文所使用的C-ID重复。 9.6.4.4 CDR 信息项描述 以下描述S-CDR、M-CDR和G-CDR的格式中所包含字段的含义。  S-CDR 标准话单(表 9-1) 表 9-1 S-CDR话单格式 字段 Record Type Network Initiated PDP Context Served IMSI Served IMEI SGSN Address MS Network Capability Routing Area Local Area Code Cell Identity Charging ID GGSN Address Used 描述 记录类型,表示本 CDR 是 S-CDR 在网络侧发起的 PDP 上下文时存在 非匿名接入时用户的 IMSI 用户的 IMEI 当前 SGSN 的 IP 地址 MS 的网络能力,如 A、B、C 类 产生记录时 MS 所在的路由区 产生记录时 MS 所在的位置区 产生记录时 MS 所在的小区标识 PDP 上下文的计费标识 C-ID MS 所使用的 GGSN 的 IP 地址 220 字段 Access Point Name Network Identifier APN Selection Mode Access Point Name Operator Identifier PDP Type Served PDP Address List of Traffic Data Volumes Record Opening Time Duration SGSN Change Cause for Record Closing Diagnostics Record Sequence Number Node ID Record Extensions Local Record Sequence Number  M-CDR 标准话单(表 9-2) 字段 Record Type Served IMSI Served IMEI SGSN Address MS Network Capability Routing Area Local Area Code Cell Identity Change of Location Record Opening Time Duration SGSN Change 描述 APN 标识 APN 选择模式,指示 APN 如何被选择的索引值 APN 的运营商标识部分 PDP 类型,如 X.25、IP、PPP、IHOSS:OSP MS 的 PDP 地址(IPv4) 数据流量 记录打开时间,第一个话单为 PDP 激活时间,后续部分话单为部分 话单产生时间 SGSN 中 CDR 的持续时长 表示 CDR 是否为 SGSN 切换的第一个记录 记录关闭原因 详细的连接释放原因 SGSN 中部分话单顺序号 SGSN 代号 运营商/生产商可补充字段 各种 CDR 的顺序号 表 9-2 M-CDR话单格式 描述 表示本 CDR 是 M-CDR IMSI IMEI 产生记录时 MS 所在的 SGSN 的 IP 地址(IPv4) MS 的网络能力,A、B、C 类 产生记录时 MS 所在的路由区 产生记录时 MS 所在的的位置区 产生记录时 MS 所在的的小区标识 路由区的改变情况列表 话单打开时间 话单持续时间 表示 CDR 是否为 SGSN 切换的第一个记录 221 字段 Cause for Record Closing Diagnostics Record Sequence Number Node ID Record Extensions Local Record Sequence Number 记录关闭原因 详细的连接释放原因 SGSN 中部分话单顺序号 SGSN 代号 运营商/生产商可补充字段 CDR 的顺序号 描述  G-CDR(表 9-3) 表 9-3 M-CDR话单格式 字段 Record Type Network initiated PDP context Anonymous Access Indicator Served IMSI GGSN Address Charging ID SGSN Address Access Point Name PDP Type Served PDP Address Remote PDP Address Dynamic Address Flag List of Traffic Data Volumes Record Opening Time Duration Cause for Record Closing Diagnostics Record Sequence Number Node ID Record Extensions Local Record Sequence Number 描述 表示本 CDR 是 G-CDR 在网络侧发起的 PDP 上下文时存在 匿名接入标志 IMSI,匿名接入时不存在 GGSN 的 IP 地址 PDP 上下文计费标识 C-ID 当前所使用的 GGSN 地址 APN 名称 PDP 类型,如 X.25, IP, PPP, IHOSS:OSP MS 的 PDP 地址,如 IPv4, IPv6 or X.121. 远端 IP 地址,在 PDP 类型为 X.25 时才存在,IP 时不存在 动态地址标志 数据流量 GGSN 中记录打开时间 GGSN 中 CDR 的持续时长 记录关闭原因 详细的连接释放原因 部分话单序列号,仅在部分话单存在时产生 GGSN 代号 运营商/生产商可补充字段 各种 CDR 的顺序号 222 9.6.5 GTP’计费通信协议 当计费网关与GSN网络单元分开时,采用GTP’规程进行GSN网络设备和计费网关之间的计费信息传送工 作。GTP’基于GTP规程,但是增加了新的信息类型。 GTP’除了能够进行GSN网络节点与计费网关CGW之间计费信息的传送工作之外,还可以将CDR信息转发 到另外的CGW中。它通过Echo信息检查GSN设备与CGW之间通讯通路的故障,并能够防止冗余操作情况下重 复CDR的产生。 GPRS系统可以采用TCP/IP或者UDP/IP规程承载GTP’协议。采用UDP和TCP规程时,UDP源端口号都由 GSN本地分配,目的端口号都为3386。 每个支持GTP’规程的GPRS节点(SGSN, GGSN, CGF, 以及 PTM-SC)都应该能够处理或者响应 ―业务/版本不 支持‖信息。 当 进 行 新 的 PDP 上 下 文 激 活 或 者 进 行 SGSN 之 间 切 换 后 , GGSN 将 通 知 相 关 SGSN 传 送 计 费 信 息 到 哪 个 CGW。其它与这个PDP上下文无关的计费信息将继续送往缺省CGW。每个GSN网元都需要配置CGW地址列 表,并根据CGW的优先权进行计费信息的传送。如果主CGW产生故障,GSN将把计费信息传送到第二个可用 CGW去,以此类推。 GPRS CDR只能够传送到同一PLMN中的CGW中去,GSN不能够与其它PLMN中的CGW通信。每个GPRS PLMN中的CGW应该了解所有其它CGW的网络地址。它可以通过O&M配置完成。 GTP’采用GTP的协议框架,但仅采用GTP协议的信令平面。 9.6.6 PLMN 之间漫游的计费 PLMN之间漫游用户的计费需要采用TAP3方式进行处理。TAP3方案是TAP标准的最新版本,它定义了运 营商之间对漫游用户交换计费文件的过程,数据格式、检错、拒收与回退处理等一系列的内容。TAP3支持与 国际清算中心及国际运营商的单一数据、结算、账务接口,在格式中对各种新业务的漫游计费做了相应规定。 223 10 第十章 GPRS 系统的演进 GSM 系统到第三代移动通信系统的演进是必然的趋势。由第一章可知,GPRS 是 GSM 演进不可缺少的一 步。使用 GPRS 技术,运营商可以充分提升 GSM 网络的价值,培养大量的数据业务用户,并充分积累移动数 据业务运营的经验。但是带宽和移动资源是相互矛盾的,随着数据业务的增长,带宽将成为 GPRS 网络的瓶 颈。因此,通过第三代移动通信增加带宽、增加业务应用种类是运营商的必然选择。对于能够得到 3G 牌照的 GSM 运营商来讲,WCDMA 或者 TD-SCDMA 技术将是必然的选择;而如果不能获得 3G 牌照,或者不急于直 接进入 3G 的 GSM 运营商, EDGE 技术则是解决带宽和网络资源的可选之路。 3G 网络发展初期,将会形成 GSM、GPRS 和 UMTS 网络共存的局面,如图 10-1 所示。这将有利于提供不 同服务质量的业务。如运营商首先选择在热点地区进行 3G 网络的覆盖,以满足移动数据业务应用大的用户的 需求,而对于数据业务应用小的移动用户,则可以继续使用 GPRS 网络。不使用数据业务的用户,就只使用 GSM 网络提供普通话音业务就可以了。网络之间的资源协调和业务配置将是网络共存的关键问题之一。 本章简单介绍 EDGE 和 3G/UMTS 技术。 EDGE WCDMA 中QOS WCDMA高 QOS GSM/GPRS 图 10-1 GSM/GPRS/UMTS网络共存 10.1 EGPRS EDGE 即增强数据速率 GSM 业务,它用于提供 GSM 系统上的高速话音和数据业务,可应用于 GSM 和 TDMA-136 技术。EDGE 规范由 Ericsson 公司于 1997 年提出,包括用于分组模式的 EGPRS 系统和用于电路模 式的 ECSD 系统。 224 EDGE 采用了八进制移相键控(8PSK)调制方式,分组模式下可实现每时隙高达 69.2kbps 的速率,电路模式 下可实现 28.8kbps 的速率;它还支持对称和非对称两种数据传输方式,适合无线数据业务的传送。 10.1.1 EDGE 的分组模式 - EGPRS 目前 GPRS 系统依附于原有 GSM 网络进行组网和发展,所以系统容量受到限制。随着人们对于无线数据 业务使用量的增加,GPRS 系统的带宽有限性显得更为突出。GPRS 系统每时隙的数据速率最高为 21.4Kbps, 最多 8 个信道复用后可达到 171.2Kbps 的理论速率,并且系统中 GPRS 专用信道的数目有限,而对于可转换性信 道的使用,话音信号又具有优先权,加之大多移动台的多时隙能力有限,仅能够支持少量下行信道,所以实际 吞吐量较理论值尚有距离。 从 GSM 系统演进到 GPRS 网络,完成无线系统的高速数据业务承载,是移动业务发展的关键一步。针对 GPRS 这种有限带宽问题,产生了增强性 GPRS 技术,即 EGPRS。它通过采用新的调制、编码技术和数据确认 机制,增加了每时隙的吞吐量,从而使得系统带宽得以增强。 EGPRS 采用了 8PSK 调制方式,可使每个时隙的吞吐量从最大 21.4Kbps 增加到 59.2Kbps,因此 8 个时隙 复用时系统最大吞吐量可以达到 473.6Kbps,相对于 GPRS 的 171.2Kbps 有了显著的提高。GPRS 与 EGPRS 的 比较如表 10-1: 表 10-1 GPRS与EDGE特性比较 载频间隔 每载频时隙数 调制方式 符号速率 调制比特率 每时隙最大用户数据速率 8 时隙的用户最大速率 GPRS 200KHz 8 GMSK 270.833kb/s 270kb/s 21.4kb/s (CS4) 171.2kb/s EDGE 200KHz 8 8-PSK/GMSK 270.833kb/s 810kb/s 59.2kb/s (MCS9) 473.6kb/s 10.1.2 EGPRS 规程与现有 GPRS 规程的区别 10.1.2.1 EDGE 的标准化 在 3GPP 的 Release99 标准中,EDGE 系统已经初步标准化。其标准集中在物理层标准化、ECSD 的规程变 化和 EGPRS 规程等三个方面。EDGE 将分为两个阶段进行实施,阶段 1 提供单时隙和多时隙分组交换业务, 以及单时隙和多时隙的电路交换业务;阶段 2 提供使用新的调制技术的实时业务。阶段 1 已经在 R99 版本中予 以完成。阶段 2 将在 R5 版本中予以完善,它被称之为 GERAN。 10.1.2.2 EDGE 与 GSM 系统的共用 EDGE 标准原本仅考虑引进新的调制方式,从而只产生物理层的变化。由于 EDGE 用于现网 GSM 技术的 演进,其相应的要求为:  EDGE 和非 EDGE MS 可以共享时隙;  EDGE 和非 EDGE TRX 可以使用同一频段;  允许部分引进 EDGE。 为了简化新终端的实现,考虑到当前多数业务的异步特性,EDGE 标准支持两种级别的终端:  下行仅提供 8PSK 特性的终端; 225  上下行提供 8PSK 特性的终端。 10.1.2.3 规程体系比较 EDGE 采用与 GPRS 相同的规程体系结构,但是在用户和控制面有所变化,如图 10-2 所示。  用户面规程比较 Application IP / X.25 SNDCP Relay SNDCP GTP IP / X.25 GTP LLC RLC MAC GSM RF Relay RLC MAC BSSGP Network Service GSM RF L1bis LLC BSSGP Network Service L1bis UDP / TCP IP L2 L1 UDP / TCP IP L2 L1 Um MS BSS Gb Gn Gi SGSN GGSN 图 10-2 EDGE与GPRS用户面变化比较 EDGE 引入将对 GPRS 传输面规程产生一些影响,如图中阴影部分所示。物理层及其相关联的 RLC/MAC 规程影响最大,BSSGP 部分也有所变化。除此之外,其它部分没有变化。  控制面规程比较 EDGE 引入将对 GPRS 控制面规程的移动管理 MM 和无线资源管理 RRM 部分产生影响,进程管理 SM 部 分没有变化。 MM 部分变化是由于 MS 无线接入特性方面引入了 EGPRS 特性造成的,它包括 EGPRS 多时隙级别、 EDGE 调制特性和 8PSK 功率级别。 RRM 部分,引入了一些不同于 GPRS 的 EGPRS TBF 建立和维持机制,以及无线链路控制的信令支持、链 路质量控制和测量规程等内容。 10.1.3 EGPRS 的特点 EGPRS 增加了5种新的采用 8PSK 调制方式的数据分组话务信道,并在 RLC 数据包的重传过程中使用了 新的增加冗预算法。EGPRS 还采用不同于 GPRS 的 RLC 数据确认窗口变量,以提高吞吐量。另外,相对于 GPRS 系统而言,EGPRS 测量算法也更为准确。 10.1.3.1 速率 EGPRS 采用了 9 种调制和编码的组合方式,即 MCS1 到 MCS9。MCS1 到 MCS4 采用 GMSK 调制方式, MCS5 到 MCS9 采用 8PSK 编码方式。8PSK 调制技术相对于 GPRS 系统所采用的 GMSK 调制方式效率更高。 它采用 3 比特表示一个符号,而 GMSK 采用 1 比特表示 1 个符号,所以 8-PSK 调制效率是 GMSK 方式的 3 倍,这样使得系统速率得到很大提高。EDGE 的编码速率表示为图 10-3。 226 70 60 50 仅8PSK 40 30 20 仅GMSK 10 0 每时隙速率(kb/s) MCS9 MC8 MCS7 MCS6 MCS5 MCS4 MC3 MCS2 MCS1 图 10-3 EDGE编码方式和速率 8PSK GMSK 根据使用的基本有效载荷单元(Payload)数目的不同,MCS 可以分为 A、B 和 C 三个家族。它们所使用的有 效载荷单元分别为 37(和 34)、28 和 22 字节,如图 10-4 所示。各家族中的无线块通过传送不同数目的有效载荷 单元获得不同编码速率。A 和 B 家族中无线块可以传送 1、2 或者 4 个有效载荷单元,C 家族中无线块则只传 送 1 个或者 2 个有效载荷单元。 MCS-7、MCS-8 和 MCS-9 将使用两个具有不同不同序列号和块检查序号(BCS)的 RLC 块传送 4 个有效载 荷单元,对于 MCS-8 和 MCS-9,这两个无线块再分别在两个突发上进行交织;对于 MCS-7,它们分别在 4 个 突发上进行交织。所有其它 MCS 编码类型,将采用一个 RLC 无线块进行承载,并在 4 个突发上进行交织。当 从 MCS-8 转为 MCS-3 或者 MCS-6 时,数据字节中将增加填充字节。 RLC 数据块编码的第一步是增加后向校验序列 BCS 用于错误检测。FBI 和 E 比特位不需要另外的保护,它 们将和数据部分一起编码。 RLC 数据块编码的第二步是增加 6 位尾比特并进行码率为 1/3 的卷积编码,最后穿孔进行传送。系统可采 用不同的穿孔方式,每个 MCS 的 Pi 对应于不同的穿孔算法。在 GMSK 和 8PSK 模式下,块的偷帧比特 SB 用 于表示包头格式。USF 有 8 种状态,采用 MAC 头部的 3 比特表示。USF 在 8PSK 调制方式下,将被编码为 36 位,而 GMSK 方式下被编码成 12 位。 227 家族A 37 37 37 37 MSC-3 MSC-6 MSC-9 家族A 34+3 34+3 MSC-3 MSC-6 34 34 34 34 MSC-8 家族B 家族C 28 28 28 28 MSC-2 MSC-6 MSC-7 22 22 MSC-1 MSC-4 图 10-4 MCS的家族表示 为增强无线块包头部分的保护,包头部分采用不同于数据部分的独立编码方式,它将除 USF 之外的其它信 息进行计算得到 8 比特 CRC 信息用于错误纠正,再采用码率为 1/3 的卷积编码,最后进行穿孔减位。MCS 编 码条件下使用 3 种类型的包头格式来表示数据块所使用的编码方式和穿孔方式。其中,一种用于 MCS-7/8/9, 一种用于 MCS-5/6,这两种都采用 8PSK 调制方式,最后一种用于 MCS1/2/3/4,它对于所有 GMSK 模式都相 同。包头通常在 4 个突发上交织。 3 bits 45 bits 612 bits 612 bits USF RLC/MAC 包头 HCS E FBI 数据= 592 bits BCS TB E FBI 数据 = 592 bits BCS TB 36 bits 135 bits 1/3 码率卷积编码 convolutional coding 1836 bits 1/3 码率卷积编码 1836 bits 穿孔减位 穿孔减位 穿孔减位 SB = 8 36 bits 124 bits 612 bits P1 612 bits P2 612 bits P3 612 bits P1 612 bits P2 612 bits P3 1392 bits 图 10-5 MCS-9编码方式 如图 10-5,MCS-9 采用 2 个 RLC 数据块承载四个 37 字节的有效数据负荷,每个 RLC 数据块包含两个基 本有效数据负荷(Payload),其长度为 37x2x8=592bits,增加 RLC 包头部分信息后为 612bits。MCS-9 无线块的 总有效负荷(Payload)为 1184bits,增加 RLC 包头后为 1224 字节。包头部分的 USF 独立编码为 36bits,包头其 228 它部分进行码率为 1/3 的卷积编码,最后进行穿孔减码形成 124bits 的数据块。数据部分的 612bits 的 RLC 数据 块经过码率为 1/3 的卷积编码后,形成 1836bits 的数据块,再通过穿孔交织,形成 3 个 612bits 的数据块,并分 别在 2 个突发脉冲上进行交织。 3 bits 45 bits 468 bits 468 bits USF RLC/MAC 包头 HCS E FBI 数据 = 448 bits BCS TB E FBI 数据 = 448 bits BCS TB 码率 1/3 卷积编码 码率 1/3 卷积编码 36 bits 135 bits 穿孔减码 1404 bits 穿孔减码 1404 bits 穿孔减码 SB = 8 36 bits 124 bits 612 bits P1 612 bits P2 612 bits P3 612 bits P1 612 bits P2 612 bits P3 1392 bits 图 10-6 MCS-7编码方式 MCS-7 无线块的编码方式与 MCS9 类似,但是无线块最后在 4 个突发上交织,如图 10-6。 3 bits 36 bits 372 bits USF RLC/MAC HCS E FBI 包头 数据 = 44 octets = 352 bits BCS TB 12 bits 108 bits 穿孔减位 1/3 码率卷积编码 convolutional coding 1116 bits 穿孔减位 SB = 12 12 bits 68 bits 372 bits P1 372 bits P2 372 bits P3 464 bits 图 10-7 MCS-4 采用 GMSK 的编码方式 MCS-4 无线块的编码方式与 MCS9 类似,但是 USF 编码后为 12bits,无线块采用 4 个突发交织的方式,如 图 10-7。 表 10-2 EGPRS编码方式下的编码参数 229 编码方 码 率 包 头 码 调 制 方 每 个 无 线 无 线 块 中 所 属 家 BCS 式 (Code 率 式 块 (20ms) 净 数 据 速 族 rate) 中 的 RLC 率( 块数 MCS-9 1.0 0.36 2 2x592 A 2x12 MCS-8 0.92 0.36 2 8PSK MCS-7 0.76 0.36 2 2x544 A 2x448 B MCS-6 0.49 1/3 1 MCS-5 0.37 1/3 1 MCS-4 1.0 0.53 1 MCS-3 0.85 0.53 1 GMSK 592 A 48+544 448 B 12 352 C 296 A 48+248 和 296 MCS-2 0.66 0.53 MCS-1 0.53 0.53 1 224 B 1 176 C 尾负荷 HCS 2x6 8 6 数据速 率 59.2 54.4 44.8 29.6 27.2 22.4 17.6 14.8 13.6 11.2 8.8 注:斜体表示采用 MCS-3 或者 MCS-6 编码方式重传以 MCS-8 编码的数据块时的 6 字节的填充信息。 10.1.3.2 EGPRS 编码方式的特性参数 EGPRS 系统中,使用 MCS-1 到 MCS-9 编码方式的无线块常用来作为 RLC 数据块的承载,而对于 RLC/MAC 控制块,则通常使用 CS-1 编码方式的无线块承载。 MCS-1 到 MCS-9 对于支持 EGPRS 的 MS 是必需的,支持 EGPRS 的网络可能只支持几种 MCS。 其特性参数如表 10-2 示。  无线块结构 GPRS 与 EGPRS 所使用的控制块的结构相同,而无线块结构有所不同。EGPRS 的无线块中包含独立的包 头校验序列 HCS,HCS 独立于数据部分进行编码。分别表示如图 10-8、图 10-9 和图 10-10。 无线块 MAC 包头 RLC 包头 RLC 数据 BCS 图 10-8 GPRS无线块结构 无线块 RLC/MAC 包头 HCS RLC 数据 BCS 图 10-9 EGPRS无线块结构 MAC 包头 无线块 RLC/MAC 控制信息 BCS 图 10-10 GPRS 和 EGPRS的无线块结构 230 10.1.3.3 增加冗余功能-Incremental Redundancy EGPRS 系统中,RLC/MAC 层和物理层的功能比 GPRS 系统更为强大。实际上 ,EGPRS 包括两种类型 的增强链路质量控制(LQC)机制,即 Hybrid Type I ARQ 和 Hybrid Type II ARQ。Hybrid Type I ARQ 通过将未确 认 RLC 数据块分离到不同的无线块上来进行数据块的重传(04.60)。Hybrid Type II ARQ 机制中则提供了新的增 加冗余 IR(05.05)功能。相对于 EGPRS 系统而言,GPRS 系统的链路管理功能稍差,GPRS 系统根据无线环境进 行编码方式的选择来进行链路质量控制,或称为链路适配。在链路适配模式下,每个包在被正确接收之前都采 用同一种穿孔机制。因此,链路性能取决于每个包的独立的性能。 增加冗余功能是通过对每种编码方式使用多于一种的穿孔模式,以及在重传过程中与后续的错误数据包合 并解码来进行的。通过卷积编码后,系统将进行穿孔减位机制进行数据包处理,通过采用不同的穿孔机制,可 以获得不同的码率。对于 MCS1、MCS-2、MCS-5 和 MCS-6,有两种穿孔机制,即 P1 和 P2,对于剩余的编码 算法,有三种级别的穿孔模式,分别为 P1、P2 和 P3。 通过 IR 获得的增益极大程度上取决于对于 RLC/MAC 包头的成功解码。MCS 编码条件下使用 3 种类型的 包头格式,每种包头采用不同的保护级别(包头码率),MCS-7/8/9 包头码率为 0.36,MCS-5/6 包头码率为 1/3, 而 MCS-1/2/3/4 采用的包头码率为 0.53。对于 MCS1 和 MCS-5,包头码率与用户数据码率大致相同,其它编码 方式下的数据码率较包头码率高。 在 IR 模式下,第一次传送的 RLC 数据块可能包含一些冗余信息,或者不包含任何冗余信息。如果数据块 没有被正确接收,那么在重传时,这个 RLC 数据块需要使用不同的穿孔模式来传送更多的冗余信息。接收侧 将保留先前接收到的错误块 (不像 GPRS 系统下将数据块丢弃),并与所接收到的重传数据块合并解码,直到此 RLC 数据块被正确解码为止。例如,在 MCS9 编码方式下,根据穿孔模式 P1 形成的 RLC 数据块将首先被传 送,如果这个数据块接收中产生错误,发送侧将采用穿孔模式 P2 重送数据块。接收侧不丢弃先前接收到的数 据块,而是联合使用来解码当前数据块。 10.1.4 EGPRS 系统中确认机制下 RLC 数据块的传送 采用确认 RLC/MAC 模式传送 RLC 数据块时,可选用选择性类型 I ARQ 机制或者类型 II ARQ 机制(IR)进 行控制。 在 EGPRS 类型 II 混合 ARQ 机制中,采用增加冗余 IR 功能控制数据包的发送和重传,它在 EGPRS MS 接 收机中是必需的。如果 MS 中 IR 操作的缓存溢出,MS 将通过 EGPRS PACKET DOWNLINK ACK/NACK 信息 中的 MS OUT OF MEMORY 位予以指示。对于上行 TBF,网络可以通过设定 RESEGMENT 位明确要求 MS 采 用特定 MCS 进行类型 I 的方式的传送,或者通过不设定 RESEGMENT 位明确要求 MS 采用特定 MCS 进行类 型 II 的方式的传送。 EGPRS 类型 I ARQ 机制与类型 II 混合 ARQ 机制类似,但是接收侧不对错误 RLC 数据块进行保留,只根 据重传包进行解码。 通过对同一个 TBF 种的 RLC 数据块采用 TFI 进行编号,发送侧采用发送窗口控制发送,接收侧在需要时 回送分组上行 Ack/Nack 或者分组下行 Ack/Nack。 采用一步接入法进行上行 RLC 数据块传送时,RLC 数据块包头中将包含 TLLI 用于 MS 侧的冲突检测。分 组上行设定信息中采用 TLLI_BLOCK_CHANNEL_CODING 参数表示包头中包含 TLLI 信息的 RLC 数据块是 否 CS-1 编码,或者 MCS-1 编码(EGPRS 的 TBF 模式下),还是采用系统指定的调制和编码方式。在 GPRS TBF 模式下,MS 将使用系统指定的编码方式进行其它 RLC 数据块的发送。 RLC 块的初始 MCS 编码方式根据链路质量进行选择,重传时可采用同样的编码方式,或者采用同一家族 内部其它的 MCS 编码类型,MCS 类型的选择由网络控制进行。例如,原始数据包采用 MCS-7 传送时,重传 231 就可以选用 B 家族内部任一种 MCS 方式进行。另外,初始传送采用 MCS-4、MCS-5、MCS-6、MCS-7、MCS8 或者 MCS-9 方式时,重传还可以采用 MCS-1、MCS-2 或者 MCS-3 方式对不同无线块中的不同 RLC 数据块 的不同部分发送来进行。这种情况下,RLC 数据快报头中的块分割(split block)域将被设定,用以表示 RLC 数 据块处于分割状态,并表示两部分的顺序。初始使用 MCS-8 进行传送的数据块,重传时将使用 MCS-6 或者 MCS-3,前 6 个字节将 padding 在数据块前面,并采用 CPS 域予以表示。然而,如果 MS 作为发送侧,且 Resegement 位没有设定,那么 MS 将使用同一家族内的其它编码方式,并且重传时不进行 payload 的分割 (splitting)。 在 每 个 PACKET UPLINK ACK/NACK, PACKET UPLINK ASSIGNMENT 和 PACKET TIMESLOT RECONFIGURE 信息中将包含 RESEGMENT 位。新的 RLC 块初始传送时,将采用系统指定的编码类型。 RESEGMENT 位用于设定上行 TBF 所使用的 ARQ 模式。重传 RLC 数据块时,如果 RESEGEMNT 位设为 ―1‖,表示使用类型 I ARQ 模式,MS 采用的编码方式可以为初始传送的编码方式的同一家族中的 MCS,并且 可以执行 Payload 分割;如果 RESEGEMNT 位设为―0‖,表示使用类型 II ARQ 模式,MS 采用的编码方式可以 为初始传送的编码方式的同一家族中的 MCS,并且即使网络指定后续的 RLC 块采用 MCS-1、MCS-2 或者 MCS-3 模式,仍不执行 Payload 分割。RESEGMENT 位在表示上行 IR 特性时非常有用,因为它允许合并和重 传。 当重传过程中执行重新分割时和不执行重信分割时的 MCS 类型的选择表示如 表 10-3 和表 10-4 所示。 表 10-3 当重传过程中执行重新分割时(RESEGMENT为置为1时)的MCS类型的选择 初始传送 编码方式 变换成不同 MCS 后进行重传所用编码方式 MCS-9 指定 MCS-8 指定 MCS-7 指定 MCS-69 指定 MCS-6 指定 MCS-9 MCS-8 MCS-7 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-9 MCS-8 MCS-7 MCS-9 MCS-7 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-8 MCS-7 MCS-6 MCS-7 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-7 MCS-6 MCS-7 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-9 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-5- MCS-5 7 指定 指定 MCS-3 MCS-3 (pad) MCS-5 MCS-3 MCS-7 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-3 MCS-3 (pad) MCS-5 MCS-3 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-4 指定 MCS-3 MCS-3 (pad) MCS-2 MCS-3 MCS-2 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-3 指定 MCS-3 MCS-3 (pad) MCS-2 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-2 指定 MCS-3 MCS-3 pad) MCS-2 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-1 指定 MCS-3 MCS-3 (pad) MCS-2 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-3 MCS-2 MCS-1 表 10-4 当重传过程中不执行重新分割时(RESEGMENT为置为0时)的MCS类型的选择 232 初 始 传 送 变换成不同 MCS 后进行重传所用编码方式 编码方式 MCS-9 指定 MCS-8 指定 MCS-7 指定 MCS-6- MCS-6 9 指定 指定 MCS-9 MCS-8 MCS-7 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-9 MCS-8 MCS-7 MCS-9 MCS-7 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-8 MCS-7 MCS-6 MCS-7 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-7 MCS-6 MCS-7 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-9 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-5- MCS-5 7 指定 指定 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-6 MCS-7 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-4 指定 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-3 指定 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-2 指定 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 MCS-1 指定 MCS-6 MCS-6 (pad) MCS-5 MCS-6 MCS-5 MCS-4 MCS-3 MCS-2 MCS-1 如果要求进行 MCS-7 编码方式下的初始传送或者重传,但是在那个 MCS 中只有一个 RLC 块可以传送时, MS 可以使用 MCS-5 来进行传送。如果是 MCS-8-9,MS 可以使用 MCS-6 来进行传送。 RLC 数据块首先采用一种初始码率进行发送(如采用所选 MCS 的 1/3 编码方式和 PS1 穿孔机制)。如果 RLC 数据块需要重传,将采用特定 MCS 的 PS2 穿孔方式进行传送,并与先前接收到的数据包一同解码,直到数据 块成功解码为止(表 10-5)。如果所有的码字(编码数据块的不同穿孔机制)都已被发送,将从第一个码字(采用 PS1 穿孔) 发送,接着采用 PS2 等等,重复进行发送。 表 10-5 新的MCS下RLC数据块的重传 MCS 转换自 MCS-9 MCS-6 MCS-7 MCS-5 所有其它组合 MCS 转换到 MCS-6 MCS-9 MCS-5 MCS-7 MCS 转换之前最后传送 的 PS PS 1 或 PS 3 PS 2 PS 1 PS 2 任意 任意 任意 MCS 转换之后第一个传 送的 PS PS 1 PS 2 PS 3 PS 2 PS 1 PS 2 PS 1 10.1.5 GPRS 与 EDGE 的关系 10.1.5.1 PDTCH 复用 每个 PDCH 可以由多个 MS 共享。 GPRS 无线接口包含异步和独立的上下行信道。下行信道承载网络到多个 MS 的信息,不需要冲突解决过 程,上行信道由多个 MS 共享,需要冲突控制过程。 无线资源的分配和使用可以分为两步进行:  PLMN 采用异步模式分配上下行无线资源。  所分配的上下行无线资源独立使用。允许上下行资源的相关配置,以便于 MS 在两个方向同时传送数据。 对于一个 MS 分配多个 PDTCH 也是许可的。 GPRS 上行接入使用基于 Slotted-Aloha 的接入规程。 233 采用 USF 进行控制,GPRS 和 EGPRS MS 可以动态复用到一个 PDCH 上。当上行资源被分配给 GPRS MS 时,网络需要使用 GMSK,如 CS-1 到 CS-4 或者 MCS-1 到 MCS-4,并且 USF 必需指向以下一个上行无线块开 始的四个上行无线块序列。 使用 USF granularity 的动态分配要求 GPRS MS 可以阅读 EGPRS GMSK 块中的 USF 信息。这通过在 EGPRS GMSK 块中设定 stealing bit 来控制。 EGPRS TBF 模式的 MS 将能够检测到所设定的 USF。网络可以使用 GMSK 调制或者 8-PSK 调制,如 CS-1 到 CS-4, MCS-1 到 MCS-4 或 MCS-5 到 MCS-9。 由于 MS 同步原因,如果 GPRS MS 复用到同一 PDCH,至少每 360s 要传送一个下行无线块到每个 MS, 使用 MS 可以解码的 CS 和调制方式。 固定分配方式下,PDCH 的上行部分在特定的时间段仅预留给某一个 MS 使用,它也可以用于 GPRS 和 EGPRS MS 在上行方向上的相同 PDCH 上的复用。由于 MS 同步原因,如果标准 GPRS MS 在 PDCH 上复用, 至少下行每 360ms 应该使用 GMSK(标准 GPRS 或者 MCS-1 到 MCS-4)传送一个无线块。 10.1.5.2 RLC 窗口确认机制 10.1.5.3 EGPRS 数据包封装 网络规程数据单元 N-PDU 由 SNDCP 层封装成 SN-PDU,SN-PDU 再由 LLC 层封装成 LLC 帧,LLC 帧再 封装成 RLC 数据块。在 RLC/MAC 层,MS 和网络间采用选择性 ARQ 规程(包含块编号)提供错误 RLC 数据块 的重传。当一个完整的 LLC 帧由 RLC 层正确传送后,它将被前转到 LLC 层。 GPRS 和 EGPRS 中数据流的传送和接收,除 MCS9/8/7 以外,都是相同的。MCS7/8/9 中,4 个常规突发承 载两个 RLC 数据块 MCS8/9 时,一个 RLC 块在两个突发中,如图 10-11 和图 10-12 所示。 LLC帧 FH 信息域 FCS LLC层 RLC 块 BH 信息域 BCS BBCHS 信息域 BCS BH 信息域 BCS 常规突发 常规突发 常规突发 常规突发 图 10-11 EGPRS MCS-7收发数据流 RLC/MAC层 物理层 234 LLC帧 FH 信息域 FCS LLC层 RLC 块 BH 信息域 BCS BBCHS 信息域 BCS BH 信息域 BCS 常规突发 常规突发 常规突发 常规突发 图 10-12 EGPRS MCS-8和MCS-9收发数据流 RLC/MAC层 物理层 10.1.5.4 测量准确性 像在 GSM 系统中一样,GPRS 通过分析载频强度、比特错误率等手段进行无线环境的测量,这些测量将需 要花费时间。在分组模式下,需要快速判断无线链路质量以进行链路适配,即根据无线环境选择新的编码方 式。在 GPRS 系统中,仅采用空闲突发进行干扰测量的机制,即每 240ms 进行 2 次测量,已不足以进行快速编 码选择。EGPRS 将加快测量过程,采用终端中均衡器中每一突发进行一次测量的方式,得到估算的比特错误 率(BEP)。BEP 是当前 C/I、信号的时间散射、终端的 velocity 的反映。几个突发上 BEP 值的变化还可以提供有 关 velocity 和跳频的信息。每无线块(即 4 个突发) 计算一个平均 BEP 值以及 BEP 变量(标准 BEP 估算变量/平均 BEP)。这些计算结果将用于测量周期中所发送的所有无线块。这样,即使在短的测量周期中,也能保证较高 和较准确的测量。但是,短周期可以对无线环境的快速变化产生反应,从而可以得到更好和更灵活的链路适配 效果。 10.1.5.5 交织 MCS7 到 MCS9 编码速率较高,为了提高它们在低 C/I 情况下的性能,EGPRS 中对交织过程进行了修改。 当使用跳频时,无线环境每突发改变一次。由于无线块在 GPRS 的 4 个突发上交织和传送,每个突发将可 能遭遇不同的干扰环境。如果只是 4 个突发中的某一个没有正确接收,整个无线块将步能够正确解码,从而不 得不重新传送。在 GPRS 系统中采用 CS4 时,几乎不采用任何错误保证机制。在 EGPRS 标准对高编码率采用 不同的处理机制,以避免这些问题。MCS7/8/9 实际上在 4 个突发上传送两个无线块,交织在两个突发上进 行,而不是在 4 个突发上。这减少了所需传送的突发的数目。接收到两个连续正确突发的可能性比接收到 4 个 连续正确突发的可能性要大。这意味着 EDGE 的高编码率关于跳频更加强壮。 10.1.6 GPRS 演进到 EDGE 由于 EGPRS 与 GPRS 系统差别不大,EGPRS 对现有 GPRS 系统的影响基本上仅限于基站子系统部分。基 站部分需要增加新的能够处理 EDGE 调制方式的收发机,以及能够处理无线接口上新的分组规程的软件。核心 网不需要更多变化,由于升级简单,从 GPRS 系统过渡到 EDGE 系统的投资和周期都将很小。 10.2 UMTS 随随着数据业务应用范围的逐步扩大,新技术需求的日益增强,第三代移动通信(3G)技术应运而生。第三 代移动通信系统在实现频谱资源有效利用的基础上,实现高速数据业务的多速率传送,并采用了软容量、软切 235 换和快速功率控制机制,从而比第二代移动通信系统更具有技术和应用上的优势,它可以提供全球无缝覆盖、 全球漫游的宽带信息业务。根据 ITU-R 所提出的第三代移动通信的基本要求,应实现室内低速时数据速率 2Mbit/s,室内/室外中速时数据速率为 384kbit/s,车载高速时为 144kbit/s,卫星环境下不小于 9.6kbit/s。 2002 年 5 月,ITU-R 确定了包括中国提案在内的五个无线传输技术的技术规范,参见图 10-13,其中三个 基于 CDMA 技术,分别为多载波模式 MC-CDMA、直扩模式 DS-CDMA 和时分双工模式 TD-CDMA 技术; 二 个基于 TDMA 技术,分别为单载波模式 SC-TDMA 和多载波模式 MC-TDMA 技术。对于 CDMA 标准,多载波 模式(MC)基于 CDMA2000 的多载波方式,直扩模式(DS)基于 WCDMA(UTRA FDD),TDD 模式基于 UTRA TDD。后来 UTRA FDD 和 TDD 模式的码片速率从 4.096Mcps 修改到 3.84Mcps,并在 UTRA FDD 中采用了公 共导频信道。最后,cdma2000 中的直扩模式被舍弃,而集中于多载波模式,从而全球仅剩下一个直扩宽带 CDMA 标准,即 WCDMA19。 IMT200 TDMA CDMA 单载波 多载波 多载波 3.6864Mcps 直接序列扩频 3.84 Mcps 图 10-13 ITU-R无线传输标准20 TDD 3.84 Mcps 1.28 Mcps 10.2.1 3G 技术标准简介 3G 技术主要包括三个主要的技术规范,即中国的 TD-SCDMA、美国的 CDMA2000,以及日本与欧洲联 合研发的 WCDMA/UMTS,其特性数据参见图 10-14。由于 WCMDA/UMTS 是沿袭 GSM 网络结构开发的,所 以为大多数 GSM/GPRS 运营商所看好。 制式 采用国家 基础 同步方式 码片速率 信号带宽 空中接口 核心网 WCDMA 欧洲、日本 GSM 异步 3.84Mcps 5MHz WCDMA GSM MAP Cdma2000 美国、韩国 窄带 CDMA 同步 N×1.2288Mcps N×1.25MHz Cdma2000 兼容 IS-95 ANSI-41 TD-SCDMA 中国 GSM 同步 1.28Mcps 1.6MHz TD-SCDMA GSM MAP 图 10-14 3G主要技术标准 WCDMA 主要由日本的 NTT Docomo 开发,核心网络采用 GSM 系统的网络体系结构。其技术内容与欧洲 所提出的 UTRA(WCDMA 陆地系统)大致相同。CDMA2000 以 CDMAone 为基础研发,核心网络采用 IS-41 标 19 哈里霍尔马著,WCDMA 技术与系统设计,周胜等译,机械工业出版社,2002 年一月第一版 20哈里霍尔马著,WCDMA 技术与系统设计,周胜等译,机械工业出版社,2002 年一月第一版 236 准。TD-SCDMA 则是由我国的电信科学技术研究院(CATT)与德国西门子公司联合开发的,它采用 TDD 方式 实现。 10.2.1.1 WCDMA 简介 WCDMA 核心网络基于 GSM/GPRS 规程栈实现,它支持基本的电信业务和补充业务,以及实时话音业务 及其数据业务。虽然网元功能与接口方式有所变化,但是其电路域系统结构仍采用 MSC/HLR 等网络设备,分 组域仍采用 SGSN/GGSN 网络设备,与 GSM/GPRS 系统大体类似。 WCDMA 无线子系统采用 DS-CDMA 多址方式,码片速率为 3.84Mchip/s,载波带宽为 5MHz。它采用 Turbo 码和卷积、交织技术实现信道编码,采用 OVSF 码进行多址扩频、采用伪随机码 Gold 码进行扰码。系统 采用 QPSK 调制方式。反向信道采用导频符号相干 RAKE 接收方式,有效扩大了反向信道的容量。 WCDMA 系统无需 GPS 精确定时,为异步系统。 10.2.1.2 CDMA2000 简介 CDMA2000 与现有的 IS-95A/B 系统相兼容,支持 ANSI-41 标准。CDMA2000 采用 MC-CDMA 多址方式, 频带宽度为 1.25MHz,并且支持多载频。CDMA2000 系统采用 GPS 精确定位系统,为同步网络,它采用同一 个 M 序列的不同相位偏移来做扰码,采用 Walsh 序列进行扩频。 10.2.1.3 TD-SCDMA 简介 TD-SCDMA 为 TDD 模式,它采用了软件无线电和智能天线技术,有效地解决了非对称业务下系统的频谱 利用率问题,并使得系统能够提供最佳业务容量,其核心网络采用 WCDMA 制式的核心网络结构。 10.2.1.4 WCDMA 与 CDMA2000 技术体制比较 WCDMA 和 CDMA2000 系统都采用 CDMA 技术实现,采用 PN 码实现前向链路扩频,采用扰码进行扇区 和用户区分,都支持软切换功能。但是从信道结构到实现方式,它们之间又存在很大的差异,表 10-6 列出了 部分网络特点,予以比较21。 表 10-6 WCDMA与CDMA2000比较 参数 信道带宽 多址接入 码片速率 帧长 扩频调制 扩频参数 功率控制 越区切换 小区搜索 基站间同步 WCDMA 5 MHz DS-CDMA 3.84Mcps 10ms 对称 QPSK(下行链路)/双信道 QPSK(上行 链路)复数扩频调制 4~256 开环和快速闭环(1.5kHz)功率控制 软切换/频率间切换/系统间切换 CDMA2000 1.25MHz DS-CDMA/多载波 CDMA 直接序列为 3.6864Mbps 多载波方式为 N X 1.2288 Mcps (N= 1, 3, 6, 9, 12) 20ms( 数 据 和 控 制 信 息 )/5ms( 基 本 信 道 和 专 用控制信道的控制信息) 对称 QPSK(下行链路)/双信道 QPSK(上行链 路)复数扩频调制 4~1024 开环和快速闭环(800Hz)功率控制 软切换/频率间切换/系统间切换 3 步码捕获方案 异步方式/同步(可选) 搜索广播公共导频信道 采用 GPS 的严格同步方式 21彭林等编著,第三代移动通信技术,电子工业出版社,2003 年 2 月第一版 237 10.2.2 WCDMA 特点 10.2.2.1 WCDMA 的技术特点 WCDMA 技术采用直接序列扩频 CDMA 方式,其载频宽度为 5MHz,扩频后码片速率为 3.84Mbps,帧长 10ms,每帧时隙数为 15。它采用 QPSK/BPSK 调制方式,扩频码采用 OVSF,扰码采用 M 序列构成的 Gold 码。支持多种 QOS 的可变速率多媒体信号传送,以及软切换和快速功率控制功能,其特性请参见表 10-7。 表 10-7 WCDMA技术特点 载频间隔 码片速率 帧长 每帧时隙数 每时隙码片数 信道速率 上行调制方式 下行调制方式 5MHz 3.84Mcps 10ms 15 2560chips 7.5Kbps 到 960Kbps QPSK QPSK 10.2.2.2 WCDMA 与 GSM 的比较 WCDMA 网络相对于 GSM 网络而言,无线子系统产生了根本的变化,如载频间隔、多址方式等,从而它 们的技术实现上有所区别,如 WCDMA 系统中可以使用 Rake 接收机和软切换技术,并且在 GSM 网络中要进 行频率规划,而在 WCDMA 中则只要进行码的规划等等。其比较如表 10-8: 表 10-8 WCDMA与GSM特性比较 参数 载频间隔 频率复用系数 系统间切换 功率控制频率 频率分集 系统容量 分组数据 发送分集 质量控制 小区搜索过程 话音质量 安全性 数据传输速率 WCDMA 5MHz 1 软切换/硬切换 1500Hz GSM 200KHz 约 4-18 硬切换 2Hz 或者更低 Rake 接收 机解调多径信 均衡和跳频以减少多径干扰,无 号,获得分集增益 分集增益 软容量,取决于系统负荷 和系统间干扰 硬容量,取决于频率复用方式 基于负荷的包交换 下行支持 无线资源管理算法 使用同步信道和扰码 基于时隙的 GPRS 交换 不支持 网络频率规划 使用频率信道 可变多速率(AMR) 半速率/全速率/增强全速率/TFO 鉴权/加密/数据一致性校 验/网络安全 最大 2Mbps 鉴权/加密 最大 171.2(GPRS) 或 473.6Kbps(EDGE) 238 10.2.3 WCDMA 基本原理 10.2.3.1 多址方式 无线通信系统中最重要的资源是无线频率,通过频率资源复用技术和多址技术提高无线频率的利用率,是 增加系统容量和质量的关键。三种基本的多址技术是频分复用 FDMA、时分复用 TDMA 和码分多址 CDMA 技 术。各种多址方式的技术实现难易有别,对系统容量和质量的影响也各不相同。 FDMA 是指各个用户采用不同的工作频率进行信号传送,它多用于模拟无线通信系统。例如在 AMPS 系统 中,每个信道占用 30KHz 的带宽,系统可用带宽为 25MHz,共可分为 421 个信道,其中 395 个信道用于语音 通信,其余的信道用于传送信令22。 TDMA 是指同一频率被分时占用,即不同的用户采用不同的时隙共享同一频率资源。GSM 系统就是采用 TDMA 技术的典范。如 200KHz 的信道被分为 8 个突发脉冲,供 8 个移动用户分时使用。实际上,GSM 系统 是 FDMA 和 TDMA 复用方式的组合,如 25MHz 的总带宽首先采用 FDMA 方式划分为 124 个信道,再进行 TDMA 复用,由 8 个突发脉冲所占用。 CDMA 是指所有用户都使用同一频率资源,每对通信采用不同的码进行区分,它被称为码分多址技术。 CDMA 系统中,码的选择非常关键。 这三种多址方式中,CDMA 具有明显的技术优势,它的频谱效率较高;带宽较大,遭受多径衰落的影响最 小;且支持软切换,从而通信质量容易得到保证。另外,CDMA 系统中各路通信相对独立,互相干扰较小, 系统中还采用了精确的功率控制技术,使得系统容量较大。 鉴于 CDMA 的优势,第三代移动通信技术的三种主要技术 CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 的无线部 分都采用 CDMA 技术。 10.2.3.2 扩频种类及使用  扩频种类 CDMA 系统采用扩展频谱技术来提高系统容量和质量。根据香农定理: C = B*log2(1+S/N) 即信道容量 C、频带宽度 B 和信噪比 S/N 等三因素相互制约。如果信道容量 C 保持不变,则 B 越大,S/N 就越小。因此,通过增加频带宽度 B,可以使得接收侧接收的信噪比门限值 log2(1+S/N)降低,可见扩频技术 是采用频带换取信噪比23。扩展频谱的方式主要有直接序列 DS、跳频 FH、跳时 TH 及其混合24。直接序列扩频 就是使用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码(PN)与信号相乘来扩展信号的带宽。跳频是使原有信号随机地使 用不同载波传输发送,跳时是使用伪随机码序列来开通或者关断发射机,即信号的发射时刻和持续时间是随机 的。采用扩频技术时,传输带宽与信息本身没有关系。 扩频通信具有抗干扰能力强、保密性能好、低功率谱密度、易于实现大容量通信,以及适合变参信道的特 性。同时,它又具有占用信号频谱宽、系统实现复杂的问题,且在时变信道中实现同步较为困难25。  DS-CDMA 的实现 直接序列扩频是指发送侧采用扩频码将所要传送的窄带信号进行带宽扩展予以传送,接收侧再根据扩频码 的相关性进行所需信号检测和提取的技术,如图 10-15 所示。扩频码中所包含的比特数称为码片,扩频后信息 速率采用码片速率予以表示,通常码片速率高于信号的原始比特速率。 22 Kaveh Pahlavan,Prashant Krishnamurtry 著,无线网络通信原理与应用,刘剑等译,清华大学出版社,2002 年 11 月第一版 23吴伟陵编著,移动通信中的关键技术,北京邮电大学出版社,2000 年 11 月第一版 24彭林等编著,第三代移动通信技术,电子工业出版社,2003 年 2 月第一版 25吴伟陵编著,移动通信中的关键技术,北京邮电大学出版社,2000 年 11 月第一版 239 如果接收侧能够保证采用与发送侧扩频码同步且相同的码进行解扩频,则接收到的用户数据将获得一定的 处理增益,而其它如背景噪声和别的用户信息将无法获得,从而通过扩频提高了有用信息抗干扰的能力。不同 业务类型的速率不同,其处理增益各有差别,覆盖范围和容量大小也各不相同。 d(t) 窄带信息 s(t) 信息输出 c(t) 宽带伪随 机序列 fc 调制 fc 解调 图 10-15 DS-CDMA扩频方式 c(t) 宽带伪随 机序列  WCDMA 中 DS-CDMA 的应用 WCDMA 系统中,采用正交扩频码(OVSF)进行扩频。系统采用不同长度的 OVSF 码,或者称为采用不同 的扩频系数 SF 来实现各种速率信息的扩频,SF 相当于扩频增益。扩频后,信息码片速率为 3.84 Mcps,它们 采用 5MHz 的频带进行传送。接收侧采用相同的 OVSF 码对相应的用户信息进行解扩频后,获得相应用户信 息。 10.2.4 WCDMA 系统中扩频码和扰码的使用 CDMA 系统中用到的码包括扩频码和扰码。扩频码用于进行频谱扩展,而扰码则用于系统中用户和小区的 区分。通常,扩频码和扰码应该具有良好的自相关性或者互相关特性,以保证各个码序列之间的独立性。 在收发侧保证同步的情况下,Walsh 码和 OVSF 码的自相关性强,而互相关性较弱,IS-95 系统中采用 Walsh 码作为扩频码,WCDMA 系统中则采用 OVSF 码作为扩频码。 M 序列的自相关性具有两值性,即码元序列完全同步时,其自相关归一化值为+1,而码元序列异步时,其 自相关值为-1/L(L 为移位寄存器的数目)。M 序列中部分码序列的互相关性规律性不强,但是部分码元的互相 关值具有三值特性,这样的一对码称为优选对。Gold 序列利用 M 序列的优选对构成,它采用一对优选的周期 和速率均相同的 M 序列模二加后得到。其互相关性优于 M 序列,也具有三值特性。CDMA/IS-95 系统中采用 M 序列的自相关特点,采用 M 序列作为扰码;而 WCDMA 系统中则采用 Gold 序列的互相关性特点,利用 Gold 码作为扰码。 10.2.4.1 OVSF扩频码 采用扩频通信时,扩频码用于信号频谱扩展和不同信息之间的区分。为保证各个码之间的独立性,扩频码 通常采用正交函数。在数学上属于这类有限元素的正交函数类型很多,如 Hadamard 函数系、Walsh 函数系、 Haar 函数系、离散傅氏、离散余弦等26。 可变扩频比正交码 OVSF 码类似于 Walsh 码,它是完备的非正弦型正交函数集,由 Hadamard 矩阵的行(列) 构成27。在 WCDMA 中 OVSF 被用作扩频码,在系统中也被称为信道化编码(Channelization Code)。OVSF 码采 用码树结构构成不同长度的码,适合于 WCDMA 系统中的从低速到高速的可变速率业务,及话音、数据与图 像混合类的多媒体业务的使用。 OVSF 码的构成规律为每节点分为上下两个分支,上面分支是前一分支码元的两次重复,而下面分支是前 一码元的重复加反相组成。采用公式表示为: 26吴伟陵编著,移动通信中的关键技术,北京邮电大学出版社,2000 年 11 月第一版 27彭林等编著,第三代移动通信技术,电子工业出版社,2003 年 2 月第一版 240 Cch,1,0  1 Cch,2,0 Cch,2,1     Cch,1,0 Cch,1,0 Cch,1,0  Cch,1,0     1 1 1  1  C   C ch,2 n1,0 ch , 2n , 0   C ch , 2 n1,1    C ch ,2n ,0    C ch , 2 n1, 2 C ch , 2 n1,3   C ch ,2n ,1    C ch,2n ,1 :   C  ch ,2 n1, 2 n12 :  C ch ,2n ,2n 1 C  ch ,2 n1,2 n11 C ch ,2n ,2n 1 C  ch ,2n ,0  C  ch,2n ,0 C ch , 2n ,1  C ch ,2n ,1    :  C  ch ,2n ,2n 1  C  ch ,2n ,2n 1 采用码树图表示如图 10-16。任一码采用 Cch,SF,k 的格式表示。其中,SF 表示扩频系数,k 表示码号,其 取值范围为 0  k  SF-1。WCDMA 系统上行采用的 SF 范围为 4 到 256,下行采用的 SF 范围为 4 到 512。由于 WCDMA 系统中扩频后码片速率一定,所以不同的信息速率采用不同长度的 SF 码进行扩频。信息速率越高, SF 越小,扩频增益越小;反之,信息速率越低,SF 越大,扩频增益越大。 OVSF 码在完全同步情况下,具有完全正交性。 Cch,SF,i * Cch,SF,j =1 i=j Cch,SF,i * Cch,SF,j =0 i<>j Cch,2,0 = (1,1) Cch,1,0 = (1) Cch,2,1 = (1,-1) Cch,4,0 =(1,1,1,1) Cch,4,1 = (1,1,-1,-1) Cch,4,2 = (1,-1,1,-1) Cch,4,3 = (1,-1,-1,1) SF = 1 SF = 2 SF = 4 图 10-16 OVSF 码树结构图 10.2.4.2 扰码 WCDMA 系统中除了采用 OVSF 码作为扩频码之外,还采用 Gold 码作为扰码来进行用户和小区的区分。 扰码的使用不对信号传输带宽产生影响。扰码分为长码和短码两种类型。 扰码的使用如图 10-17。 241 信道化码 扰码 数据 比特率 码片速率 图 10-17 扰码的使用 码片速率  长扰码 长扰码由 Cong,1,n(i) 和 Clong,2,n(i)两组 M 序列构成,Clong,2,n(i)为 Clong,1,n(i)的 16777232 个码片(chips) 的延迟。其构成多项式为:        Clong,n (i)  clong,1,n (i) 1  j 1 i clong,2,n 2 i / 2 其中 i = 0, 1, …, 225 – 2 ,  表示向下取整。关于 Clong,1,n(i) 和 Clong,2,n(i)的具体实现方式,请参见 3GPP TS25.213。长扰码采用 25 阶移位寄存器实现,如图 10-18 所示: clong,1,n MSB LSB clong,2,n 图 10-18 长扰码的产生  短扰码 短扰码仍由 Cshort,1,n(i) 和 Cshort,2,n(i)两组 M 序列构成。其多项式表示为:         Cshort,n (i)  cshort,1,n (i mod 256) 1 j 1 i cshort,2,n 2 i mod 256 / 2 其中 i = 0, 1, …,  表示向下取整。关于 Cshort,1,n(i) 和 Cshort,2,n(i)的具体实现方式,请参见 3GPP TS25.213。短扰码采用 8 阶移位寄存器实现,如图 10-19 所示: 242 + mod n addition multiplication 2 76543210 d(i) mod 2 + ++ 76543210 b(i) + + mod 2 + 2 zn(i) + mod 4 Mapper cshort,1,n(i) cshort,2,n(i) 76543210 a(i) 3 mod 4 + 3 2 3 +++ 图 10-19 短扰码的产生 10.2.4.3 各种码的特点比较28 系统中除了扩频码和扰码之外,还存在同步码用于移动台的初始搜索。同步码也采用 Gold 码进行实现。 各种码的特点及其用途如表 10-9 所示: 表 10-9 各种码的特点比较 码型 同步码 信道化码 上行扰码 下行扰码 类型 Gold 码 OVSF 码 Gold 码/S(2)码 Gold 码/S(2)码 PSC/SSC PN 码 PN 码 长度 256Chips 4 ~512Chips 38400 chips 256 chips / 38400 chips 码字数目 1 主码/16 次码 4 ~256 (UL) 16,777,216(224) 512 主扰码/ 每个主 4 ~512 (DL) 扰码对应 15 个次 扰码 是否扩频 不改变频宽 增加频宽 不增加频宽 不增加频宽 用途 控制终端定位和终 区分同一扇区中不 区分用户的反向信 区分扇区 端到小区的主控制 同的信道 道 信道的同步 采用自相关特性进行解码时,系统要求具有严格的同步,以保证无线信道对于码的正交性所产生的影响最 小。CDMA 系统中采用 GPS 技术,为严格的同步系统。而 WCDMA 系统则通过其它技术实现异步基站操作, 因而不需要 GPS 同步系统。 28 25.201,Physical layer - general description;25.213,Spreading and modulation (FDD);25.223,Spreading and modulation (TDD) 243 10.2.5 UMTS 系统无线帧结构 WCDMA 系统中每个无线帧长度为 38400chips,为 10ms。它包含 15 个时隙,每个时隙长度为 2560chips。 72 个无线帧构成超帧,长度为 720ms,如图 10-20。 图 10-20 UMTS系统无线帧结构 10.2.6 UMTS 无线子系统体系结构 10.2.6.1 无线接口规程 如图 10-21 所示,无线接口上物理层 L1 采用无线信道进行传输;数据链路层 L2 由媒体接入控制 MAC 子 层、无线链路控制 RLC 子层、分组数据聚合规程 PDCP 子层和广播/多播控制 BMC 子层组成,其中 RLC 子层 和 MAC 子层属于控制面规程,PDCP 和 BMC 属于用户面规程;L3 上层协议包括与低层接口的无线资源管理 RRC 子层,以及移动管理 MM 和呼叫管理 CC 子层,MM/CC 子层与上层重复避免规程接口采用业务接入点通 用控制 GC、通知 Nt 和专用控制 DC 定义。 244 控制面信令 用户面信息 GC Nt DC 重复避免 GC Nt DC L3 控制 RRC PDCP PDCP UuS 边界 L2/PDCP BMC L2/BMC 控制 控制 控制 控制 RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC MAC PHY 图 10-21 UMTS网络无线接口规程 L2/RLC 逻辑信道 L2/MAC 传输信道 L1 其中,L1 提供 MAC 层和高层协议的信息传送业务,采用传输信道提供信息传送方式和特性描述。它用以 执行宏分集分配/合并、软切换、传输信道的错误检测、FEC 编解码、交织/去交织、信道复用、速率适配、调 制、同步、闭环功控、RF 处理等功能。 L2 中的 MAC 子层执行逻辑信道道传输信道的影射、信道的动态分配、上下层数据单元之间的复用/解复用 等功能;RLC 子层用于进行分段和重组、级联、重复检测、流量控制、协议错误检测与恢复、加密、数据传送 的抑制和恢复功能;PDCP 子层提供 PDU 从网络层规程到 RLC 实体间的影射、包头压缩和去压缩功能;BMC 子层执行小区广播信息的存储、话务量监视和小区广播业务的无线资源请求、广播/组播信息的传送和接收等 功能。 L3 中的 RRC 执行信息广播、UE 和 UTRAN 之间 RRC 链路的重建、维护和释放、RRC 资源的分配与重新 配置、安全功能、寻呼/通知功能、RRC 连接移动功能、高层 PDU 的选路功能、所需 QOS 的控制功能、UE 测 量报告和报告控制、空闲模式下的小区选择和重选功能、完整性保护、小区广播业务的初始配置和资源管理、 定时提前量控制等功能。 10.2.6.2 信道类型 WCDMA 系统中定义了 MAC 层与 RLC 之间使用的逻辑信道、RLC 层与物理层之间的传输信道,以及 物理接口上使用的物理信道。逻辑信道和传输信道在移动台和基站控制设备(RNC)之间使用,物理信道在移动 台和基站(Node B)之间使用(图 10-22)。各种类型信道之间相互映射,共同完成上下行用户数据信息和控制信息 的传送工作。 245 UE Node B RNC 物理信道 逻辑信道 传输信道 图 10-22 信道类型 逻辑信道在 MAC 与 RLC 通信时使用,它表示无线接口上所传送的信息种类。不同种类的信息采用不同的 信道进行传送。 传输信道在物理层和 MAC 层之间使用。它表示信息类型以及它们在无线接口上进行传送的方式。 物理信道在网络和移动台之间存在,用于进行空中接口控制信息和用户信息的传送。 物理信道可以采用两种方式,一种为频分双工方式,即上下行分别采用不同的频率(FDD),并且每一对上 下行信道之间的频差固定。另一种是时分双工方式(TDD),这种方式的上下行信道采用相同的频率,但是采用 不同的时隙。目前我们研究的 WCDMA 通常是基于 FDD 方式的信号传送方式。 10.2.6.3 逻辑信道 MAC 层采用逻辑信道进行信息传送。不同的逻辑信道用于传送诸如专用话务信息、专用控制信息、公共控 制信息等不同的信息类型。逻辑信道与 GSM 系统中的信道极其相似,它可以分为专用信道和公共控制信道两 类。 专用信道用于进行网络到特定用户之间的信息传送,可分为:  专用控制信道 DCCH 双向信道,进行网络与特定用户之间控制信息的传送。  专用话务信道 DTCH 双向信道,进行网络与特定用户之间用户信息的传送。 公共控制信道用于进行网络和多个用户之间的信息传送,可分为以下几类:  公共话务信道 CTCH 下行信道,用于进行网络到多个用户之间的点到多点方式的信息传送。  广播控制信道 BCCH 下行信道,用于进行小区中信息的广播。  公共控制信道 CCCH 进行网络和用户之间的控制信息的传送。  寻呼控制信道 PCCH 下行信道,用于进行用户寻呼。  共享控制信道 SHCCH 双向信道,用于进行网络和用户之间共享信息的传送,它只在 TDD 模式下存在。 逻辑信道的种类如图 10-23 所示。 246 Control Channel (CCH) Broadcast Control Channel (BCCH) Paging Control Channel (PCCH) Dedicated Control Channel (DCCH) Dedicated Control Channel (DCCH) Common Control Channel (CCCH) Shared Channel Control Channel (SHCCH) Traffic Channel (TCH) Dedicated Traffic Channel (DTCH) Common Traffic Channel (CTCH) 图 10-23 逻辑信道结构 10.2.6.4 传输信道 传输信道可以分为专用信道和控制信道两类。专用信道只用来传送特定用户的信息,而控制信道则可以由 多个用户使用。所有的传输信道都是单向的。  专用传输信道  DCH,它是 UE 所使用的下行或者上行传输信道。  公共传输信道,它包含 BCH、 FACH、PCH、RACH、CPCH 和 DSCH。  广播信道 BCH 下行传输信道,用于在小区中进行系统信息的广播。  前向接入信道 FACH 下行传输信道,它不使用闭环功率控制,用于传送少量数据。  寻呼信道 PCH 下行传输信道,进行小区中寻呼信息和通知信息的广播。  随机接入信道 RACH 上行传输信道,它用以进行初始接入信息的传送,以及少量非实时类的专用控制或者话务数据的传 送。它采用开环功率控制方式,具有碰撞检测和控制能力。  公共分组信道 CPCH 上行传输信道,它由小区中多个用户公用,用于传送突发类数据话务。它使用快速功率控制。  下行共享信道 DSCH 下行传输信道,由多个 UE 共享,用以传送专用控制和话务数据。 10.2.6.5 物理信道 UMTS 系统中的物理信道比 GSM 系统更为复杂,它增加了共享信道、捕获指示信道、寻呼指示信道等类 型,用以配合快速接入、碰撞监测、扩频信息指示、DRX、快速数据传输等技术特性。 10.2.6.5.1 上行物理信道  专用上行物理信道 有两种类型的上行专用信道,即上行专用物理数据信道(上行 DPDCH)和上行专用物理控制信道(上行 DPCCH)。它们在每个无线帧中 I/Q 复用。 上行 DPDCH 用于承载 DCH 传输信道。每个无线帧具有 0 个、1 个或者多个上行 DPDCH。 247 上行 DPDCH 用于承载 L1 层所产生的控制信息。  公共上行物理信道  PRACH 物理随机接入信道,用于承载 RACH。  PCPCH 物理公共分组信道,用于承载 CPCH。 10.2.6.5.2 下行物理信道  专用下行物理信道  DL-DPCH 下行专用物理信道 可分为 DPDCH 和 DPCCH 两种。用于传送数据和控制信息。  公共下行物理信道  CPICH 公共导频信道 CPICH 承载固定比特序列,用于移动台的相位参考基准。它分为 P-CPICH 和 S-CPICH。每个小区中有一 个 P-CPICH,还可能不包含或者包含一到多个 S-CPICH。其中,P-CPICH 用于部分下行信道的相位参考,S- CPICH 也可作为下行 DPCH 的相位参考。  CCPCH 主公共控制物理信道 用于传送小区信息、频率信息和下行扰码及信道化码等信息。P-CCPCH 用于承载 BCH 传输信道,S- CCPCH 用于承载 FACH 和 PCH 传输信道。  SCH 同步信道 用于控制移动台进行小区搜索,它包括 P-SCH 和 S-SCH 两种类型。P-SCH 是提供给移动台的同步基准, 系统中所有小区使用相同的 P-SCH。S-SCH 用于提供小区中的主扰码组信息。移动台通过搜寻 P-SCH,定位 到小区,随后通过解调 S-SCH,获得小区的主扰码组信息。  PDSCH 物理下行共享信道 用于承载 DSCH 传输信道,为多个移动台所共享。  AICH 捕获指示信道 移动台通过在 PRACH 上发送 Preamble 请求接入系统,系统可以通过 AICH 信道给移动台发送捕获指示信 息,表示系统已获知此请求信息。  AP-AICH CPCH 接入导频捕获指示信道 用于承载 CPCH 的接入导引捕获指示信息。  CD/CA-ICH CPCH 冲突检测/信道设定指示信道 用于通知移动台接入冲突或者进行信道设定。  PICH 寻呼指示信道 当有寻呼信息在 PCH 上进行传送时,系统发送 PICH 信息通知给工作在 DRX 模式的移动台,使其准备好 接收寻呼信息。  CSICH CPCH 状态指示信道 用以指示所有 CPCH 信道的状态,包括数量和扩频系数等信息。 10.2.6.6 传输信道与物理信道之间的映射 传输信道与物理信道具有映射关系,即传输信道的信息采用特定的物理信道进行传送,并且多个逻辑信道 可以采用同一个物理信道进行传送。其映射关系如图 10-24: 248 传输信道 DCH RACH CPCH BCH FACH PCH DSCH 物理信道 Dedicated Physical Data Channel (DPDCH) Dedicated Physical Control Channel (DPCCH) Physical Random Access Channel (PRACH) Physical Common Packet Channel (PCPCH) Common Pilot Channel (CPICH) Primary Common Control Physical Channel (P-CCPCH) Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPCH) Synchronisation Channel (SCH) Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) Acquisition Indicat or Channel (AICH) Access Preamble Acquisition Indicator Channel (AP-AICH) Paging Indicat or Channel (PICH) CPCH Status Indicator Channel (CSICH) Collision-Detection /Channel-Assig nment Indicator Channel (CD /CA-ICH) 图 10-24 传输信道到物理信道的映射 10.2.6.7 逻辑信道到传输信道之间的映射 10.2.6.7.1 上行方向的映射关系  CCCH 可以映射到 RACH;  DCCH 可以映射到 RACH;  DCCH 可以映射到 CPCH (仅 FDD 模式);  DCCH 可以映射到 DCH;  DCCH 可以映射到 USCH (仅 TDD 模式;  DTCH 可以映射到 RACH;  DTCH 可以映射到 CPCH (仅 FDD 模式);  DTCH 可以映射到 DCH;  DTCH 可以映射到 USCH (仅 TDD 模式);  SHCCH 可以映射到 RACH (仅 TDD 模式);  SHCCH 可以映射到 USCH (仅 TDD 模式)。 10.2.6.7.2 下行方向的映射关系  BCCH 可以映射到 BCH;  BCCH 可以映射到 FACH;  PCCH 可以映射到 PCH;  CCCH 可以映射到 FACH;  DCCH 可以映射到 FACH;  DCCH 可以映射到 DSCH;  DCCH 可以映射到 DCH;  DTCH 可以映射到 FACH;  DTCH 可以映射到 DSCH; 249  DTCH 可以映射到 DCH;  CTCH 可以映射到 FACH;  SHCCH 可以映射到 FACH (仅 TDD 模式);  SHCCH 可以映射到 DSCH (仅 TDD 模式)。 在 UE 方面看到的逻辑信到道物理信道映射关系如图 10-25 所示: BCCH- PCCHSAP SAP DCCHSAP CCCH- SHCCH- CTCH- SAP SAP SAP (仅 TDD) DTCHSAP MAC SAP BCH PCH CPCH (仅 FDD) 传输信道 RACH FACH USCH DSCH DCH (仅 TDD) 图 10-25 UE侧逻辑信道到传输信道的映射 在 UTRAN 方面看到的逻辑信到道物理信道映射关系如图 10-26: BCCH- PCCHSAP SAP DCCHSAP CCCH- SHCCH- CTCH- SAP SAP SAP (仅 TDD) DTCHSAP MAC SAP BCH PCH CPCH (仅 FDD) 传输信道 RACH FACH USCH DSCH DCH (仅 TDD) 图 10-26 UTRAN 侧逻辑信道到传输信道的映射 10.2.7 调制方式 WCDMA 系统中采用四相移相键控 QPSK 调制方式,它具有抗噪声性能及频带利用率高的特点。QPSK 为 4 相调制法,采用载波的四种不同的相位来表征输入的数字信息。发送端将信息送入相互正交的 I 支路(同相信 号)和 Q 支路(正交信号)分别进行两相 PSK(BPSK)载波调制,然后相加得到四相 PSK 信号后予以传送。 10.2.7.1 下行信道的调制 WCDMA 系统中下行信道的调制过程如图 10-27 所示。首先每个下行信道信号经过串并转换,形成 I 和 Q 支路的信号,然后采用相同的信道化码扩频到指定的码片速率,相加后形成复值序列,这个序列再经过扰码加 250 扰处理形成宽带信号 S。不同信道采用相同的处理方式后获得的输出值 S 加权相加后,形成信号 T。SCH 不需 要采用扩频码和扰码处理,它可以直接加权与其它信道所形成的 T 相加。信号 T 包含多种不同速率信道进行扩 频和扰码后的信息组合,它经过实部和虚部分离后再进行脉冲整形 ,最后采用 QPSK 方式进行调制,形成 3.84Mcps 的码片进行传送。这个过程中的扩频码针对不同类型的信道进行扩频,还用于区分小区中到不同用 户的下行连接,扰码则用来区分扇区,不同的扰码表示到不同扇区的信息。 除了 SCH 之外的任何 下行物理信道 I S  P Cch,SF,m Q Sdl,n I+jQ S j 不同下行物理信道 码片序列 T G1 G2 实部 和虚 部相 分离  P-SCH GP S-SCH GS Re{T} 脉冲整形 Im{T} 脉冲整形  cos(t) 图 10-27 下行信道的调制 -sin(t) 10.2.7.2 上行信道的调制 上行信道 DPDCH 与 DPCCH 相伴随,PRACH 和 PDPCH 信道中也分别存在数据信息和控制信息。由于数 据信息采用可变速率进行传送,而控制信息基本上为固定速率,所以控制信息和数据信息的传送需要采用不同 的信道化码 SF。在 DPDCH/DPCCH、PRACH 和 PDPCH 三种信道中,其控制信息的扩频都采用相同的扩频值 Cc=Cch,256,0 。在发送侧,数据信息和控制信息都需要加入扰码,以区分不同用户。 DPDCH 和 DPCCH 的扩频示意表示如图 10-28。其中,一路 PDCCH 可以伴随最多六路 DPDCH,它们采 用独立的信道化码进行扩频。DPCCH 和 DPDCH 分别进行加权处理,之后它们相加形成复数序列,增加扰码 后再进行 QPSK 调制。 PRACH 和 DPCCH 的扩频和加扰方式与 DPDCH/DPCCH 方式大致相同。 251 DPDCH1 DPDCH3 DPDCH5 cd,1 d cd,3 d cd,5 d I DPDCH2 DPDCH4 DPDCH6 DPCCH cd,2 d cd,4 d cd,6 d cc c Q j Sdpch,n I+jQ S PRACH 信息 数据部分 PRACH 信息 控制部分 PCPCH 信息 数据部分 PCPCH 信息 控制部分 cd d I Q cc c j cd d I Q cc c j Sr-msg,n I+jQ S Sc-msg,n I+jQ S 码片序列 实部 Re{S} 脉冲整形 S 和虚 部相 分离 Im{S} 脉冲整形 cos(t) 图 10-28 上行信道的调制 -sin(t) 252 10.2.8 同步 CDMA 系统中所有基站采用 GPS 作为外部时钟源,系统中基站严格同步,单纯采用相位偏移就可以表示 不同的基站,从而系统可以采用具有不同相位偏移的同一个扰码。而 WCDMA 系统为异步系统,它摆脱了 GPS 的依赖性,系统中不采用同一个时钟源,因而系统需要采用不同的扰码。 由于小区间严格同步,同步系统便于实现软切换,并能够保证系统具有良好的性能。 异步系统便于实现室内覆盖和微蜂窝设备的实施,但是移动台在进行初始捕获和切换时需要搜寻多个 PN 序列,存在初始捕获慢、切换过程慢等问题。  WCDMA 系统中的快速捕获过程 在复杂的无限环境中,实现快速捕获尤为重要。WCDMA 系统中在用户初始开机、切换以及空闲状态下的 小区定位阶段,都使用 3 步序列搜寻过程。 WCDMA 系统中 512 个短扰码可分成 64 个扰码组,每组 8 个代码。另外,存在两个同步序列 P-SCH 和 SSCH。P-SCH 是一个 256chip 的序列,每个时隙循环一次(1 时隙=2560chips),它对所有基站和扇区都相同,用 于提供移动台的同步信号。S-SCH 是 16 个不同的序列,码长为 256chips,用于传送扇区的主扰码组信息。SSCH 与 SCH1 同步(alighed),序列长度为 15slots(10ms)。 UE 首先通过 P-SCH 获得同步基准,然后解调 S-SCH 中的扰码组信息,并对扰码组中的 8 个码依次进行比 较和匹配,以获得小区索使用的扰码信息。 10.2.9 UMTS 系统结构 由于 UMTS 系统中无线部分采用了新的技术和实现方式,所以移动用户和无线处理部分变化较大;核心网 部分则基于 GSM,但是为了适应高速的数据传输和协议处理,定义了新的规程类型和接口方式,并且将电路 域和分组域进一步细化,采用不同的控制面和用户面规程,从而使得网络结构更加复杂。 UMTS 系统网络结构如图 10-2929: MSC/VLR GMSC 外部电路域 交换网络 Node B USIM+ME Uu IuB RNC HLR Utran部分 Iu SGSN CN部分 图 10-29 UMTS网络单元 GGSN Internet 外部网络 UMTS 网络由无线接入网络 Utran 和核心网络 CN 两部分组成,Utran 部分包括基站设备 Node B 和无线网 络控制设备 RNC,CN 部分包括用于电路域交换的 MSC/VLR 等设备,以及用于分组域处理的 SGSN/GGSN 单 元等。其中移动用户 UE 使用 USIM 卡,采用新的鉴权算法进行移动业务处理; Node B 即 UMTS 系统中的无 线收发信机,用于进行扩频、调制、信道编解码和部分无线资源管理功能; RNC 用于执行无线资源管理以及 连接控制、切换、宏分集合并等功能。其它如 MSC/HLR 等网络单元,与 GSM 系统中相关单元基本一致,功 能也大致相同,但是协议单元和物理接口种类等有所变化。 29 (芬)哈里霍尔马,安提托斯卡拉著,WCDMA 技术与系统设计,,周胜等译,机械工业出版社,2001 年 7 月第一版 253 由此可见,UMTS 网络充分保证了原有 GSM/GPRS 网络中核心网络部分的资源利用,从而保证了 2.5G 到 3G 系统过渡的平稳性。 UMTS 网络中,UE 与 Node B 之间采用 Uu 接口,Node B 与 RNC 之间采用 Iub 接口。RNC 与核心网部分 采用 Iu 接口,其中,RNC 与 MSC 连接为电路域连接,称为 Iu-CS 接口;RNC 与 SGSN 部分连接为分组域连 接,称为 Iu-PS 接口;RNC 与广播域的接口称为 Iu-BC。 10.2.9.1 UMTS 中网络单元规程栈 UMTS中无线接口规程见本书第10.3.6.1节。 Iu接口分为Iu-CS、Iu-PS、Iu-BC等类型,其主要作用包括无线接入承载RAB的建立、维护和释放控制、无 线资源管理、Iu链路管理、移动管理、安全管理、业务和网络接入管理等功能(如图 10-30)。 UTRAN 核心网(CN) Node B Node B RNC Node B Node B RNC Iu 接口 CS 域 ―Iu-CS‖ PS 域 ―Iu-PS‖ BC 域 ―Iu-BC‖ 图 10-30 Iu接口类型 UMTS 网络接口类型具有用户面与控制面分离、无线网络层与传输层分离的特点,以便于协议修改和扩 充。 Iu 协议在水平面上定义了无线网络层和传输网络层,分别用于无线管理和传输管理,它们独立存在,传输 网络作为低层网络提供无线管理网络的信息传送;垂直平面上定义了控制平面和用户平面,进行对端之间相应 控制信息和用户信息的传送。另外,传输网络还定义了传输网络用户面和控制面,用户面作为传输面的业务承 载层,而控制面用于控制 AAL2 链路的建立。  Iu-CS接口(图 10-31) Iu-CS接口控制平面上定义了基于采用MTP3B(ATM作为物理层的MTP协议)协议规程的RANAP协议, 进行控制面的信息传送;用户平面上采用基于ATM AAL2的规程结构。 传输网络层控制平面采用AAL2控制规程进行AAL2链路的连接控制。 254 无线网络 层 控制面 RANAP 用户面 Iu 用户面规程层 传输网络用户面 传输网络层 SCCP MTP3B SSCF-NNI SSCOP AAL5 传输网络控制面 Q.2630.1 Q.2150.1 MTP3B SSCF-NNI SSCOP AAL5 ATM 物理层 图 10-31 Iu-CS规程结构 传输网络用户面 AAL2  Iu-PS接口(图 10-32) Iu-PS 接口控制平面上定义了基于 MTP3B 的 RANAP 规程,以及基于 IP 的 RANAP 规程,用户平面上 定义了基于 GTP-U 的用户规程。传输网络不存在控制平面。 无线网络 层 控制面 RANAP 用户面 Iu 用户规程层 传输网络用户面 传输网络层 SCCP MTP3-B SSSSCCFF--NNNNII M3UA SCTP SSCOP IP AAL5 ATM 物理层 传输网络控制面 传输网络用户面 GTP-U UDP IP AAL5 ATM 物理层 图 10-32 Iu-PS规程结构 255 10.2.10 UMTS 与 GPRS 网络分组域的比较分析 10.2.11 UMTS 系统中分组域逻辑体系结构 UMTS 系统分组域系统逻辑体系结构与 GPRS 系统大致相同。相对于 GPRS 网络逻辑体系结构而言, UMTS 系统分组域系统中新增加了 UTRAN 单元,从而增加了 UTRAN 与 SGSN 之间的新的接口类型(图 10-33)。GPRS 系统中,BSC 与 MSC/VLR 之间接口为 A 接口,与 SGSN 之间接口为 Gb 接口;而 UMTS 系统 中 UTRAN 与 MSC/VLR 之间接口采用 Iu-CS 接口,与 SGSN 之间采用 Iu-PS 接口。 SMS-GMSC SMS-IWMSC SM-SC E C Gd CAMEL GSM-SCF MSC/VLR A Iu D Ge Gs R Uu Iu TE MT UTRAN SGSN TE MT BSS R Um Gb Gp Gn HLR Gc Gr GGSN Gn Ga Gi Ga CGF SGSN GGSN Other PLMN Gf EIR PDN TE Billing System Signalling Interface Signalling and Data Transfer Interface 图 10-33 UMTS接口类型 10.2.11.1 逻辑体系功能比较 GPRS 系统中各网络单元与 UMTS 系统中网络单元的功能不尽相同,对比分析如下。  移动用户功能分析 用户移动终端中协议类型的区别,2G 移动用户和 3G 移动用户的功能有所差别。2G 系统中移动用户 采用 LLC 协议进行逻辑链路管理功能,如链路的建立、维护和释放等功能,而 3G 移动用户中不再存在 LLC 协议层,所以类似的功能则交给其它协议层进行处理。  BSS 功能分析 3G 的 UTRAN 单元比 BSS 增加了部分分组路由和传送功能,如地址翻译和影射功能、封装功能、隧道 协议、压缩和加密功能等等,这主要是由于 3G 系统中更多地将 SGSN 部分的功能转移到 UTRAN 中,从而使 得 UTRAN 部分的功能更为强大。  SGSN 功能分析 2G 的 SGSN 中具有逻辑链路管理功能,这是支持 LLC 协议层进行 MS 管理的需要, 3G 系统中 LLC 协议层不复存在。 3G 系统中的 PDCP 协议层与 2G 系统中的 SNDCP 协议层类似,但是它被置于 UTRAN 系统中,所以 数据加密和封装等功能由 SGSN 转移到 UTRAN 中去。鉴于多数数据在传送之前进行过数据压缩,数据压缩功 能的有效性又与数据类型相关,PDCP 协议层难以区分数据种类,并且进行所有用户数据的压缩所占有的处理 256 能力太大,所以 UMTS 系统规定仅支持控制信息的压缩,而不再支持数据压缩功能,这是与 GPRS 系统的又 一重要区别。  其它系统单元 对于 GGSN、HLR 或者其它数据支持单元如 DNS 服务器、DHCP 服务器等功能以及功能实现,3G 系 统的实现与 2G 系统相同。 GPRS 与 UMTS 网络单元功能比较如表 10-10。 表 10-10 UMTS与GPRS网元功能比较 功能 网络接入控制: 注册 鉴权和认证 接入控制 信息过滤(Screening) 分组终端适配 计费数据收集 2G-MS 3G-MS BSS UTRAN 2G-SGSN 3G-SGSN GGSN HLR X X X X X X X X X X X X X X X X X X 分组路由和传送: 中继 路由功能 地址翻译和影射功能 封装 隧道协议(Tunnelling) 压缩 加密 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 移动管理: X X X X X X 逻辑链路管理: 逻辑链路建立 X X 逻辑链路维护 X X 逻辑链路释放 X X 无线资源管理: X X X X X 257 10.2.12 GPRS 与 UMTS 分组域协议层分析 10.2.12.1 用户面与控制面的定义 对于 GPRS 和 UMTS 分组域,可以从用户面和控制面两个方面来分析。 用户面包括提供信息传送的规程结构和信息传送控制过程(如流量控制、错误检测、错误校正和恢复等)。 控制面则包括控制和支持用户面功能的规程,如分组域网络接入连接控制(附着与去激活过程)、网络接入 连接特性(PDP 上下文激活和去激活)、网络接入连接的路由选择(用户移动性支持)、网络资源的设定控制等。 10.2.12.2 用户面协议层分析  GPRS用户面协议层(图 10-34) Application IP SNDCP Relay SNDCP GTP-U IP GTP-U LLC RLC MAC GSM RF MS Relay RLC BSSGP LLC BSSGP UDP IP MAC Network Service GSM RF L1bis Network L2 Service L1bis L1 Um Gb BSS SGSN UDP IP L2 L1 Gn Gi GGSN 图 10-34 GPRS用户面协议层 GPRS 规 程 中 用 户 面 与 控 制 面 的 区 别 存 在 于 SNDCP 和 LLC 层 。 GPRS 移 动 管 理 和 进 程 管 理 GMM/SM、SMS 和 SNDCP 等协议通过不同的 SAPI 接入 LLC 层,其中 GMM/SM 属于控制信息,而 SNDCP 和 SMS 规程则属于用户信息。 用户面数据的传送过程经由对应 SNDCP 的不同 SAPI 接入 LLC。  UMTS用户面协议层(图 10-35) Application E.g., IP, PPP PDCP Relay PDCP GTP-U Relay GTP-U GTP-U E.g., IP, PPP GTP-U RLC MAC L1 MS RLC UDP/IP UDP/IP UDP/IP MAC AAL5 AAL5 L2 L1 ATM ATM L1 Uu Iu-PS UTRAN 3G-SGSN 图 10-35 UMTS用户面协议层 258 UDP/IP L2 L1 Gn Gi 3G-GGSN  UMTS用户面规程栈描述 UMTS 规程中新增加了 PDCP 规程,并且将部分原 SGSN 功能转移到了 UTRAN 中,因而用户数据流的传 送过程与 GPRS 不完全相同。 相对 GPRS 系统的协议层体系结构,UMTS 将更多的控制功能集成到 UTRAN 系统中,如 GPRS 系统中的 BSC 在无线侧只执行 RLC/MAC 功能,与 SGSN 接口侧也只采用 BSSGP/NS 协议执行小区和链路管理等功能, 而 UMTS 系统中的 UTRAN 在无线接口侧增加了与原 SNDCP 协议类似的 PDCP 协议层,在与 SGSN 接口上则 直接采用 IP 规程采用 GTP 协议实现,从而 UTRAN 的实现更为复杂,控制功能也更为强大。 从接口规程上分析,GPRS 系统中用户与 BSC 侧采用 Um 接口,UMTS 中用户与 UTRAN 侧采用 Uu 接口; BSC 与 SGSN 采用基于帧中继规程的 Gb 接口,UTRAN 与 SGSN 的接口则采用基于 ATM 和 IP 规程的 Iu-PS 接 口;另外,GPRS 与 UMTS 系统中都采用 Gn 接口进行 SGSN 与 GGSN 之间的连接,采用 Gi 接口实现 GGSN 与外部数据网络的连接。  UMTS用户面数据传送过程 以用户发起的数据传送过程为例,应用层数据如 IP 数据首先被传送到 PDCP 层,执行头压缩和封装等功 能,再经由 RLC/MAC 层传送到无线层进行发送到 UTRAN,UTRAN 进行数据解封装和头解压过程后得到数 据包。PDCP 可以采用 RLC 确认模式或者 RLC 非确认模式进行数据包的收发。在 UTRAN 到 SGSN 接口上, 数据包进行 GTP 封装后采用基于 ATM 的 IP 规程进行传送,Gn 接口上数据传送过程与 Iu-PS 接口相同。 10.2.12.3 控制面协议层分析 控制面协议包括各个接口上的信令传送过程,如移动用户到 SGSN、SGSN 到 GGSN(Gn 接口)、SGSN 到 HLR(Gr 接口)、SGSN 到 MSC 等接口(Gs 接口)。GPRS 与 UMTS 中,移动用户协议规程栈不同,它到 SGSN 的 接口也不尽相同。  GPRS 控制面协议层分析(图 10-36) GMM/SM LLC RLC MAC GSM RF MS Relay RLC BSSGP MAC Network Service GSM RF L1bis Um Gb BSS 图 10-36 UMTS用户面协议层 GMM/SM LLC BSSGP Network Service L1bis 2G-SGSN 控制面信息 GMM/SM 的传送过程经由对应的 SAPI 接入 LLC。  UMTS 控制面协议层分析(图 10-37) 259 GMM / SM / SMS Relay GMM / SM / SMS RRC RRC RANAP RANAP RLC RLC SCCP SCCP MAC L1 MS MAC L1 Signalling Bearer AAL5 Signalling Bearer AAL5 ATM ATM Uu Iu-Ps RNS 3G SGSN 图 10-37 UMTS 控制面协议层 UMTS 无线接口上新增加了 RRC 层,并且 UTRAN 与 SGSN 接口上采用基于 ATM 的宽带 MTP 规程 MTP3B,定义新的应用层规程 RANAP 进行控制信息的传送。 Iu-PS 接口上采用 UMTS 系统中的 GMM/SM/SMS 控制信息经由无线资源控制 RRC 传送到 RLC/MAC 层,并在 UTRAN 相应的 RRC 层予以接收处理,随后采用 RANAP 规程传送到 SGSN。 10.2.13 GSM/EDGE 与 WCDMA 网络的进一步融合-GERAN 在 WCDMA 的新版本中,核心网络朝着全 IP 的结构发展,无线部分也产生了一些变化。为了在 3G 环境 下更好地利用 GSM/EDGE 网络和设备,在 R5 版本中提出了 GERAN 的概念,即在 GSM 和 EDGE 网络上开发 新的接口方式,以便于接入 3G 核心网络。 GERAN 核心网络包括 A 接口和 Gb 接口,用于连接 2G 网络设备,还包括 Iu-CS 和 Iu-PS 接口用于连接 3G 核心网络,同时可以采用 Iur-g 接口与 UTRAN 进行控制信息的交换。 GERAN 物理层基于 GSM/EDGE 实现,使用 TCH 和 PSTCH。另外,它对物理层进行了部分改进,如提供 8-PSK 语音、宽带 AMR 和语音的快速功率控制等。 通过 GERAN 实现了 3G 的向后兼容性,并将 GSM/EDGE 设备引入到 3G 网络,从而实现了 2G 网络和 3G 网络的真正融合。 260 附录一 缩写 A AAA AAL AAL2 AAL5 Abis AGCH APN ARQ ATM Auc BCCH BCS BG BGP-4 BLER BSC BSN BSS BSSAP BTS BVCI C7 CCCH CDR CG Class A Class B Class C CN CNR CS DHCP DL DLCI Interface between BSS and MSC/VLR Authenticate, Authorize and Accounting ATM Adaption Layer ATM Adaption Layer Type2 ATM Adaption Layer Type5 Interface between BSC and BTS Access Grant Channel Access Point Name Automatic ReQuest for retransmission Asynchronous Transfer Mode Authentication Centre Broadcast Control Channel Block Check Sequence Border Gateway Border Gateway Protocol 4 Block Error Rate Base Station Controller Block Sequence Number Base Station Subsystem Base Station Sub-system Application Part Base Transceiver System BSSGP Virtual Connection Identifier Signalling number 7 (SS7) Common Control Channel Call Detail Record Charging Gateway Mobile Subscriber Access Mobile Subscriber Access Mobile Subscriber Access Core Network Cisco Network Registrar Coding Scheme Dynamic Host Configuration Protocol Downlink Data Link Connection Identifier 261 BSS 与 MSC/VLR 之间的接口 认证、授权和统计 ATM 适配层 ATM 适配层类型 2 ATM 适配层类型 5 BSC 与 BTS 之间接口 接入允许信道 业务接入点 自动请求重传 异步传输模式 鉴权中心 广播控制信道 块检测序列 边界网关 边界网关规程 4 块错误率 基站控制器 块序列号 基站子系统 基站子系统应用部分 基站收发系统 BSSGP 虚连接标识 7 号信令链路 公共控制信道 详细呼叫话单记录 计费网关 A 类用户手机 B 类用户手机 C 类用户手机 核心网络 Cisco 网络注册管理系统 编码方式 动态地址配置协议 下行 数据链路连接标识 DNS DTE ETSI FH FTP FW Gb Gd GGSN Gi GMSC Gn Gp GPRS Gr GRR GRX Gs GSM GSN GTP HLR HPLMN HSGSN HTTP IA ICMP IMEI IMSI IP ISDN ITU L1 L2 L3 Domain Name System Data Terminal Equipment European Telecommunication 域名系统 数据终端设备 Standards 欧洲通信标准协会 Institute Frequency Hopping File Transfer Protocol Firewall Interface between SGSN and BSS Interface between SGSN and 跳频 文件传送规程 防火墙 SGSN 与 BSS 之间接口 SMS-MSC/SGSN 与 SMS-MSC/ IWMSC 接口 IWMSC Gateway GPRS Support Node GPRS 网关支持节点 Reference point between GPRS and an externalGPRS 网络与外部数据网络接口 packet data network Gateway MSC 网关 MSC Interface between two GSNs with the same同一 PLMN 内部 GSN 之间的接 PLMN 口 Interface between SGSN and roaming GGSN SGSN 与漫游 GGSN 之间的接口 General Packet Radio Service 通用分组无线业务 Interface between SGSN and HLR SGSN 与 HLR 之间的接口 GPRS Radio Resource sublayer (RLC/MAC) GPRS 无线资源子层(RLC/MAC) GPRS Roaming Exchange GPRS 漫游交换设备 Interface between SGSN and VLR/MSC SGSN 与 VLR/MSC 之间的接口 Global System for Mobile Communications GSM 移动通信系统 GPRS Support Nodes GPRS 支持节点 GPRS Tunnelling Protocol GPRS 隧道规程 Home Location Register 家区位置存储器 Home PLMN 家区 PLMN Home Serving GPRS Support Node 家区 GPRS 服务支持节点 Hyper Text Transfer Protocol Immediate Assignment Internet Control Message Protocol International Mobile Equipment Identity International Mobile Subscriber Identity Internet Protocol Integrated Services Digital Network International Telecommunication Union Layer 1 (physical layer) Layer 2 (data link layer) Layer 3 (network layer) 立即设定 Internet 控制信息规程 国际移动设备标识号 国际移动用户标识号 Internet 规程 综合业务数字网 国际通信联盟 物理层 L1 数据链路层 L2 网络层 L3 262 LA LAC LAI LLC LSP MAC MAP MM MS MSC MSS MT MTP MTU NAT NFS NS NSAPI NSEI Nt NTP O&M OMC-G PACCH PCCCH PCU PDA PDCH PDN PDP PDTCH PDU PLMN PPP PRACH PRR PS PSPDN PSTN Location Area Location Area Code Location Area Identity Logical Link Control (function/protocol) Link Selector Parameter Medium Access Control (function/protocol) Mobile Application Part Mobility Management sublayer Mobile Station Mobile Switching Center Maximum Segment Size Mobile Terminal Message Transfer Part Maximum Transmission Unit Network Address Translation Network File System Network Service Network Service Access Point Identifier Network Service Entity Identifier Notification (SAP) Network Time Protocol Operations and Maintenance Operation & Maintenance Center for GPRS Packet Associated Control Channel Packet Common Control Channel Packet Control Unit Packet Downlink Assignment Packet Data Channel Packet Data Network Packet Data Protocol Packet Data Traffic Channel Protocol Data Unit Public Land Mobile Network Point-to-Point Protocol Packet Random Access Channel Packet Resource Request Packet Switched Packet Switch Packet Data Network Public Switched Telephone Network 263 位置区 位置码 位置区标识 逻辑链路控制功能/规程 链路选择参数 媒体接入控制功能/规程 移动应用部分 移动管理子层 移动站 移动交换中心 最大数据段大小 移动终端 信息传送部分 最大传送单元 网络地址翻译 网络文件系统 网络业务 网络业务接入点标识 网络业务实体标识 通知业务接入点 网络时间规程 操作和维护 GPRS 操作和维护中心 分组随路控制信道 分组公共控制信道 分组控制单元 分组下行设定 分组数据信道 分组数据网 分组数据规程 分组数据话务信道 规程数据单元 公共陆地移动网 点对点规程 分组随机接入信道 分组资源请求 分组交换 分组交换分组数据网 公共交换电话网 P-TMSI PTP PTR PUA PUAN PVC QOS RA RAB RAC RADIUS RAI RANAP RAU RF RIP RLC RNC RNS RR RRBP RRC RTT SAP SAPI SCCP SDU SGSN SIM SMS SNDCP SNMP SS7 SSN STP TBF TCAP TCP TCP/IP Packet Temporary Mobile Subscriber Identity 分组临时移动用户标识 Point-To-Point 点对点 Packet Timeslot Reconfigure 分组时隙重新配置 Packet Uplink Assignment 分组上行设定 Packet Uplink Acknowledge/Not Acknowledge 分组上行确认/非确认 Permanent Virtual Circuit 永久虚电路 Quality Of Service 服务质量 Routing Area 路由区 Radio Access Bearer 无线接入承载 Routing Area Code 路由区码 Remote Access Dial in User Service 远端拨号用户业务接入 Routing Area Identity 路由区标识 Radio Access Network Application Part 无线接入网络应用部分 Routing Area Update 路由区更新 Radio Frequency 无线频率 Routing Information Protocol 路由信息规程 Radio Link Control 无线链路控制 Radio Network Controller 无线网络控制器 Radio Network Subsystem 无线网络子系统 Radio Resource sublayer 无线资源子层 Reserved Relative Block Period 相关预留块周期 Radio Resource Control 无线资源控制 Round Trip Time 环路延迟时间 Service Access Protocol 业务接入规程 Service Access Point Identifier 业务接入点标识 Signalling Connection Control Part 信令连接控制部分 Service Data Unit 业务数据单元 Service GPRS Support Node GPRS 业务支持节点 Subscriber Identity Module 用户标识模块 SIM Short Message Service 短信息 Sub-Network Dependent Convergence Protocol 子网汇聚规程 Simple Network Management Protocol 简单网络管理规程 Signaling System 7 7 号信令系统 Subsystem Number 子系统号 Signalling Tranfser Point 信令传送点 Temporary Block Flow 临时块流 Transaction Capabilities Application Part 事务处理应用部分 Transmission Control Protocol 传输控制规程 Transmission Control Protocol / Internet传输控制规程/互联网规程 264 TDMA TE TFI TID TLLI TMSI TS UDP UE UL Um UMTS USF USIM UTRAN VLR VPLMN VPN XID Protocol Time Division Multiple Access Terminal Equipment Temporary Flow Identity Tunnel Identifier Temporary Logical Link Identity Temporary Mobile Subscriber Identity Timeslot User Datagram Protocol User Equipment Uplink Air Interface between a BTS and MS Universal Mobile Telecommunication System Uplink State Flag UMTS Subscriber Identity Module UMTS Terrestrial Radio Access Network Visitor Location Register Visiting PLMN Virtual Private Network Exchange Identifier 时分多址 终端设备 临时流标识 隧道标识 临时逻辑链路标识 临时移动用户标识 时隙 用户数据报协议 3G 用户设备 上行 BTS 与 MS 之间接口 全球移动通信系统 上行状态标志位 UMTS 用户标识模块 UMTS 陆地无线接入网 拜访位置寄存器 拜访 PLMN 虚拟专用网 交换标识 265 参考文献 1. CP07,Introduction to GPRS,Motorla Training Manual 2. CP08,Systems Communications and Network Limited,Motorla Training Manual 3. CP09 ,TCP/IP,Motorla Training Manual 4. CP12,2G to 3G Mobile Evolution,Motorla Training Manual 5. CP13,Understanding UMTS,Motorla Training Manual 6. SYS101,GPRS Interfaces,Motorla Training Manual 7. SYS102,BSS(GPRS) Database,Motorla Training Manual 8. 文志成编著,通用分组无线业务-GPRS,电子工业出版社,2004 年 1 月第一版 9. W.Richard Stevens 著,TCP/IP 详解(第一卷)协议,任守奎等译,北京大学出版社,1999 年 7 月第 一版 10. Michael Masterson,Herman Knief 等著,实用技术:精通 Windows NT DNS,徐惠民等译,电子 工业出版社,1999 年 8 月第一版 11. 谢希仁编著,计算机网络(第二版),电子工业出版社,1999 年 4 月第一版 12. (芬)哈里霍尔马,安提托斯卡拉著,WCDMA 技术与系统设计,,周胜等译,机械工业出版社, 2001 年 7 月第一版 13. 彭林等编著,第三代移动通信技术,电子工业出版社,2003 年 2 月第一版 14. Kaveh Pahlavan,Prashant Krishnamurtry 著,无线网络通信原理与应用,刘剑等译,清华大学出版 社,2002 年 11 月第一版 15. 詹舒波等编著,WAP 移动互联网计决方案,北京有点大学出版社,2000 年 11 月第一版 16. Steven Brown 著,构建虚拟专用网,董晓宇等译,人民邮电出版社,2000 年 11 月第一版 17. William R. Cheswick 著,防火墙与因特网安全,戴宗坤等译,机械工业出版社,2000 年 4 月第一 版 18. 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GSM 04.04,Layer 1 - General Requirements,version 7.0.0 35. GSM 04.60,General Packet Radio Service (GPRS); Mobile Station (MS) - Base Station System (BSS) interface; Radio Link Control/ Medium Access Control (RLC/MAC) protocol , version 8.3.0 36. GSM 04.64,General Packet Radio Service (GPRS); Mobile Station - Serving GPRS Support Node (MS- SGSN) Logical Link Control (LLC) layer specification, version 7.0.0 37. GSM 04.65,General Packet Radio Service (GPRS); Mobile Station (MS) - Serving GPRS Support Node (SGSN); Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP), version 8.0.0 38. GSM 05.01,Physical Layer on the Radio Path (General Description) , version 7.1.0 39. GSM 05.02,Multiplexing and Multiple Access on the Radio Path, version 7.2.0 40. GSM 05.03,Channel coding , version 7.2.0 41. GSM 05.50,Background for RF Requirements , version 7.2.0 42. GSM 07.07,AT Command set for GSM Mobile Equipment (ME) , version 7.3.0 43. 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