第6章 通用分组无线业务GPRSWord文档格式.docx
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BSS(基站
系统)
图6-19GPRS网络
6.3.1GPRS标准制定的过程与阶段
回顾当初欧洲的ETSI协会订定GSM标准规范时,将GSM标准规范分成许多完成的阶段,并且为加速GSM标准制定完成,在ETSI组织下分成许多委员会SMG(SpecialMobileGroup,专门移动组),负责相关部分的GSM标准制定。
同样的,目前GPRS标准也是由ETSI下的一个委员会所负责制定,ETSI制定出GPRS网络内各个部分的标准见表6-11所示,ETSI制定的标准文件规范可从其网站www.Etsi.org下载。
ETSI制定标准GPRS网络标准时,只有定义出网络互相连接的接口,以及各种设备的功能等部分,以使各个厂商生产的GPRS设备都能互相连接,但是对于手机硬件的设计与外观、SGSN与GGSN的构造等则不加以规范,为各个制造厂商保留设计产品的弹性空间,而各个厂商互相竞争发展的结果,也可刺激厂商一直生产出更佳的产品。
如同GSM标准制定一般,ETSI也将GPRS的标准制定分成两个阶段,第1阶段已经于2000年第1季度制定完成,第2阶段则尚在讨论当中。
表6-11GPRS网络内各个部分的标准
ETSIGSM参考文件
GPRS相关内容
GSM02.60
GPRS业务描述阶段1
GSM03.60
GPRS业务描述阶段2
GSM03.64
GPRS无线接口描述
GSM04.60
GPRS移动台基站系统接口
GSM04.64
GPRS移动台逻辑链路控制层
GSM04.65
GPRS移动台子网(依靠覆盖协议)
GSM07.60
GPRS移动台
GSM08.14,16&
18
GPRSGb接口,BSSGPL1,L2和L3
GSM09.16&
GPRSGs接口L2和L3
GSM09.60
GPRS隧道协议(GTP)
GSM02.61
GPRSPLMN和数据包网络
GSM12.15
GPRS管理
GSM01.61
GPRS加密算法
第1阶段:
(l)GPRS网络和因特网进行点对点的数据传输。
(2)定义GPRS网络所需要的各种识别码(Identity),就同GSM网络内包括IMEI、IMSI等识别码。
(3)当GPRS网络传输数据时,维护分组安全的特殊算法(Algorithm)。
(4)根据传输的分组数据量来收费的方式。
(5)原有GSM网络上的简讯业务(SMS)如何以GPRS网络来传送。
第2阶段:
(l)GPRS网络与因特网的联机,可以是点对点传输及点对多点传输,如此则因特网上的电子邮件即可同时发送给很多不同的手机用户。
(2)定义出当GPRS网络传送声音、图像、或多媒体等应用业务时,不同的应用业务所需要不同的传输速率与延迟时间,即各个应用业务传输时所需要的服务品质。
(3)在许多架设GPRS网络的国家间,如何做到国际漫游的功能。
GSM网络升级到GPRS网络的发展过程属于渐进式的方式。
从GPRS标准的制定、电信运营商对GPRS网络设备的更新与测试、GPRS手机的生产与销售、系统运营商开发GPRS相关的应用业务等,相互之间必须共同配合,才能使GPRS网络普及起来。
目前,GPRS在中国移动GSM网络上得到广泛应用。
6.3.2GPRS网络的网络结构
将GSM网络升级到GPRS网络,最主要的改变是在网络内加入SGSN以及GGSN两个新的网络设备节点,如图6-19所示,GGSN与SGSN如同因特网上的IP路由器(Router),具备路由器的交换、过滤与传输数据(Data)分组等功能,也支持静态路由(StaticRouting)与动态路由(DynamicRouting)。
多个SGSN与一个GGSN构成电信网络内的一个IP网络,由GGSN与外部的因特网相连接。
1.SGSN
SGSN主要是负责传输GPRS网络内的数据分组,其扮演的角色类似通信网络内的路由器(Router),将BSC送出的数据分组路由(Route)到其他的SGSN,或是由GGSN将分组传递到外部的因特网,除此之外,SGSN还包括所有管理数据传输有关的功能。
GPRS移动通信网络与因特网最大的区别,就是GPRS网络增加了手机或终端的移动性管理(MobilityManagement),同GSM网一样,GPRS网络同样有针对数据传输的鉴权(Authentication、加密(Ciphering)功能,上述这些功能都是由SGSN所负责,除此之外,SGSN还负责与数据传输有关的会话(Session)管理、手机上的逻辑频道(LogicalChannel)管理、与统计传输数据量用于收费等功能。
2.GGSN
GGSN是GPRS网络连接外部因特网的一个网关,负责GPRS网络与外部因特网的数据交换。
在GPRS标准的定义内,GGSN可以与外部网络的路由器、ISP的RADIUS服务器或是企业公司的Intranet等IP网络相连接,也可以与X.25网络相连接,不过全世界大部分的电信运营商都倾向只有将GPRS网络连接IP网络。
由外部因特网的观点来看,GGSN是GPRS网络对因特网的一个窗口,所有的手机用户都限制在电信运营商的GPRS网络内,因此GGSN还负责分配各个手机的IP地址,并扮演网络上的防火墙(Firewall),除了防止从因特网上非法的入侵外,基于安全的理由,还能从GGSN上设置限制手机连接到某些网站。
在GPRS网络内,通常将由单一的SGSN负责某个区域GPRS网络的业务,电信运营商的PLMN内包括许多的SGSN,但都只有很少数的GGSN,SGSN的数量远多于GGSN。
当手机用户登录上GPRS网络后,GGSN负责分配给每个手机用户一个IP地址、管理手机传输数据信息的服务质量和统计传输资料量用于收费等功能。
对于原有GSM网的设备,例如BTS、BSC、MSC/VLR、以及HLR等,大部分只要将设备的软件升级,增加数据信号处理与传输的能力,只有少许设备需要增加与SGSN相连接的硬件接口,因此大致上所有GSM网的设备都仍然能继续使用。
过去GSM网络内的MS几乎都设计成只有作为语音通话与发送短消息的手机,将GSM网络升级到GPRS网络后,由于GPRS网络内的MS具备传输语音的电路交换(Circuit-switch)以及传输数据的分组交换(Packet-switch)两种方式,功能与用途更加多样化。
6.3.3GPRS网络的分层结构
当GSM网络提升到GPRS网络内的数据传输功能后,不仅网络内的各个设备必须具有加入处理数据的控制(Control)信号与数据(Data)信号,电信运营商的网络也必须针对数据传输进行重新的规划,设计出适用于GPRS网络的分层结构(Hierarchy),GPRS网络分层结构内的最小区域单位为蜂窝小区(Cell),区域范围与GSM网络的蜂窝小区范围相同,多个蜂窝小区共同组成SGSN路径区域,多个SGSN路径区域共同组成一个SGSN服务区域。
(1)SGSN路径区域RA(RoutingArea)
在GSM网络内,进行语音通话的手机用户在同一个位置区(LA)区域移动时,不需要进行位置更新,同样的在GPRS网络内,SGSN负责记录追踪MS目前所在的SGSN路径区域标识码,以确保数据分组能发送到正确的MS上,多个蜂窝小区可共同组成一个SGSN路径区域(RA),进行数据传输的MS(处于Standby状态)在同一个RA区域内移动时,不必更新SGSN内MS的位置记录。
GSM网络内的LA区域范围与GPRS网络内的RA区域范围并不需要完全相同,通常一个RA区域范围包含许多的LA区,通常与电信运营商对网络的规划有关。
(2)SGSN服务区域(ServiceArea)
在GSM网络内,多个LA区域共同组成一个MSC/VLR区域,MSC/VLR区域内包含一个MSC,同样的在GPRS网络内,多个SGSN路径区域RA共同组成一个SGSN服务区域(ServiceArea),SGSN服务区域包含一个SGSN。
SGSN服务区域的范围并不需要与MSC/VLR区域的涵盖范围相同。
6.3.3.1蜂窝小区更新
GPRS网络内MS的操作模式分为三种状态,第一种是闲置状态(IdleState),此时的MS尚未向GPRS网络系统登录(Attach),不能使用GPRS网络的数据传输业务,GSM网络内手机的闲置状态也是手机刚开机后尚未以IMSI向GSM网络登录。
第二种状态是等待状态(StandbyState),此时的MS已经向GPRS网络系统登录,网络储存MS目前所在的RA,这种状态的MS只能收到部分的数据信息,但尚无法接收与传送点对点(Point-to-Point)的数据信息。
第三种状态是准备状态(ReadyState),此时的MS已经向GPRS网络系统登录,网络不仅储存MS目前所在的路径区域(RoutingArea),还储存MS目前所在的蜂窝小区,这种状态的MS能接收与传送点对点的数据信息等功能。
GSM网络内手机的蜂窝小区更新(CellUpdate)与GPRS网络内MS的位置更新方式不同,在GSM网络内,手机随时将测量到的信号强度传到网络上,由网络来决定手机何时进行不同的蜂窝小区间的切换。
在GPRS网络内,MS将测量所在蜂窝小区内各个频道的信号强度,由MS自行决定信号更佳的频道来传送数据信息,当MS移动接近蜂窝小区的边缘,导致周围蜂窝小区频道的信号强度高过目前频道的信号强度时,MS将自动切换到新的频道上传输分组。
处于等待状态下的MS当在同一个RA内移动时,不必进行任何的位置更新,但是当网络希望传递数据信息到MS上时,由于GPRS网络不知MS的确切位置,因此必须针对MS所在的路径区域RA发出寻呼(Paging)信号。
处于准备状态下的MS在RA内移动时,由于网络储存MS目前所在的蜂窝小区,因此MS移动到路径区域内的任何蜂窝小区时,都需要进行蜂窝小区更新(CellUpdate),但也因为多了这项程序,当网络希望传递数据信息到MS上时,就不必发出寻呼信号了。
6.3.3.2用户鉴权与数据加密
GPRS网络内同样具有鉴权(Authentication)手机用户身份权限,以及将数据信息加密(Ciphering)的能力,避免数据信息在空间中传送时为其他人所窃取。
GPRS网络的鉴权程序与GSM网络中的验证程序是完全相同的,但是数据信息的加密却稍有不同。
网络内AUC仍然维持原有的运作,预先计算出Kc、RAND、SRES这三个和鉴权与加密有关的数值即鉴权三元组(AuthenticationTriplets),储存在HLR内。
1.鉴权
当MS向GPRS网络登录(Attach)、进行SGSN路由区域RA更新时,网络都必须对MS的身份进行鉴权,鉴权时用到的标识码为IMSI及鉴权密钥(Ki),IMSI及Ki同时储存在MS及系统内,GPRS网络内的SGSN替代了GSM网络内VLR的角色。
当SGSN需要对MS进行鉴权时,会向HLR送出MS的IMSI并提出鉴权的请求,如图6-20所示,HLR命令AUC提供验证需要的数据,AUC接到HLR的命令后随机产生变量RAND,RAND与Ki经A3算法计算出SRES。
RAND、SRES这些和验证有关的数据,会传回并储存在HLR数据库内,HLR并将RAND送至MS上,MS也是用Ki与RAND以同样的A3算法计算出SRES,若MS产生的SRES和系统的SRES相同,则认为鉴权成功。
2.加密
GPRS网络为了保证数据传输上的安全性,对数据信息进行加密,定义出另一种特殊算法GPRSEncryptionAlgorithm(GEA),SGSN与MS皆必须同时支持这种算法,在GSM网络内,介于BSC与手机间的语音信号都经过加密处理,在GPRS网络内,则是介于SGSN与MS间的数据信息经过加密的处理。
GPRS网络在鉴权与加密时的信号交换程序如图6-20所示,在MS与网络上皆用Ki与RAND以A8算法算出Kc,MS将Kc与LLCframe内的参数将结合,经过GEA算法产生一连串的加密位(CipheringBlockStream),这些加密位对数据信息进行XOR运算后,如同对数据信息进行加密处理。
SGSN同样也是以Kc与LLCframe内的参数计算出一连串的加密位,当SGSN收到MS送出加密过的数据信息后,用加密位与数据信息进行XOR运算,将加密过的数据信息译码成原来的数据信息。
路由区更新
AUC请求
IMSIAUC信息请求
IMSI
KiRAND
KcSRES
AUC信息
AUC信息IMSI,Kc,RAND,SRES
RAND
KiRANDIMSI,Kc,RAND,SRES
SRES
-
图6-20GPRS网络在鉴权与加密时的信号交换程序
6.3.3.3登录GPRS网络
GPRS网络内的MS一开机后位于闲置状态,为了告知GPRS网络有关MS的IMSI标识码、目前位置等数据,MS必须向GPRS网络进行登录的操作,这种程序称为GPRSAttach,登录后MS从闲置状态转换到准备状态或是等待状态。
经过登录程序后,GPRS网络建立了有关MS的移动性管理MM(MobilityManagement),SGSN得知MS目前的位置,能向手机发出寻呼信号或是传送短消息SMS(SMSoverGPRS),但是在登录阶段,除了只能接收SMS外,尚不能传送与接收分组数据。
GPRSMS能以三个运行模式中的一个进行操作,其操作模式的选定由MS所申请的服务所决定:
即仅有GPRS服务,同时具有GPRS和其他GSM服务,或依据MS的实际性能同时运行GPRS和其他GSM服务。
相应分成以下三类:
(1)A类(Class-A)操作模式:
MS申请有GPRS和其他GSM服务,而且MS能同时运行GPRS和其他GSM服务。
(2)B类(Class-B)操作模式:
一个MS可同时监测GPRS和其他GSM业务的控制信道,但同一时刻只能运行一种业务。
(3)C类(Class-C)操作模式:
MS只能应用于GPRS服务。
欧洲ETSI协会制定的通信标准将登录程序分为三种,分别为IMSI登录、GPRS登录与GPRS/IMSI联合登录,GSM网络的手机开机后登录到GSM网络内就属于IMSI登录,GPRS网络内的MS若是为C类,必须依赖用户自行设置MS支持GSM网络的电路交换方式,此时的MS为IMSI登录,当用户设置MS支持GPRS网络的分组交换方式,此时的MS为GPRS登录。
A类与C类的MS都支持GSM网络的电路交换方式与GPRS网络的分组交换方式,此时的MS为GPRS/IMSI联合登录。
MS进行GPRS网络登录程序的信令传输过程如图6-21所示。
①登录请求
MS鉴权和加密②重新得到鉴权信息
③更新位置
④登录接收
⑤登录完成
图6-21MS登录GPRS网络时的信令交换过程
(1)首先MS传送登录请求指令到SGSN,这个指令包括MS的IMSI、分组TMSI标识码及何种登录方式等。
(2)进行MS的鉴权程序,并选择是否进行数据加密。
(3)若MS是第一次登录进GPRS网络,或是从另一个SGSN移动到新的SGSN,则需进行位置更新,SGSN记录MS目前的位置,并送出更新位置信号告知HLR有关MS目前的位置。
(4)SGSN通知MS有关SGSN已经接收登录的登录接收的指令,若是此时SGSN分配MS一个分组TMSI标识码时,在登录接收指令内也将包括该分组TMSI标识码。
(5)MS收到登录接收指令并接收到新的分组TMSI标识码后,将送一个登录完成的指令给SGSN。
从这些信号传输过程可以看出,MS进行GPRS网络登录程序后,并未向GGSN登记,因此MS尚无法接收到GGSN外部网络的数据分组数据。
6.3.3.4开启PDPContext
1.PDPContext
当MS登录到GPRS网络后,传输数据信息前,必须先建立一传输信道,这一过程称为会话管理(SessionManagement),该过程是GPRS网络将MS的PDPContext开启、MS与SGSN协商出一个服务品质(QoS)、MS向GGSN登录、MS从网络上得到一个IP地址等过程,经过这些过程后,MS即可经过GGSN传送与接收外部网络的数据信息。
PDP是指分组数据协议(PacketDataProtocol)。
PDPContext基本上可视之为MS在GPRS网络上的地址,每个MS在GPRS网络上都维持一个专门的PDPContext,PDPContext内的最主要内容包括IP地址与服务品质QoS参数,GPRS网络即依据PDPContext上的内容将MS的数据分组传送到正确的目的地。
GPRS网络将随时掌握MS的所在位置,这种网络管理机制称为MM(MobilityManagement),有关MM的变化参数也记录在PDPContext内。
当PDPContext开启后,就是GPRS网络为MS保留固定的资源,当MS短时间没有动作时,在一般正常的情况下,PDPContext仍然维持开启的状态,MS希望传送数据信息时可直接利用PDPContext进行传送,这就是为什么称呼GPRS网络具备AlwaysConnected特性的原因了。
分配MS的IP地址有静态指定IP或是动态分配IP两种方式,决定于电信运营商的网络规划方式。
2.服务品质QoS
GPRS网络是第一个提供服务品质QoS的无线网络,在GPRS网络或是因特网上,有许多不同类型的网络用户与各种不同的应用业务,网络的服务品质QoS是依据用户的需求与应用业务的种类,对网络资源进行最有效率的分配,例如设置每位用户的传输数据速率(DataRate)、传输数据丢失率(DataLoss)、最小的延迟时间(MinimumDelay)、各个分组延迟时间的差异(DelayVariation,也称为Jitter)等参数,以满足每位用户的需求。
服务品质QoS在GPRS网络内尤其重要,因为无线频道资源有限,在蜂窝小区(Cell)内的所有用户彼此都经过相同的无线频道传输数据,每位手机用户所分配到的传输速率变化相当大,有时可能因为蜂窝小区内用户人数的突然增加,而使传输速率急速降低,造成应用上的困扰,若能根据不同的传输速率与不同类型的手机用户签订不同传输服务的合约,不仅能为电信运营商带来可观的收益,还能避免某些用户对GPRS网络过度的使用(如下载大量的电子文件)而造成的网络拥塞。
不同的应用业务的QoS不同。
对于VoiceoverIP、视频会议(VideoConferencing)一些实时性的应用业务,要求维持一致的延迟时间与高速的传输速率,差错控制反而不是那么重要,因为当错误发生再重传分组往往已经超时了。
但是有些应用业务必须完全收到所有正确的分组,如股票交易等等。
3.信号传输过程
MS进行开启PDPContext的信号传输过程如图6-22所示。
(1)首先MS传送开启PDPContext请求指令到SGSN,这个指令包括请求IP地址的分配及所要求的服务品质QOS等。
(2)执行MS的鉴权程序,并选择是否进行数据加密。
(3)SGSN收到该指令后,向GGSN发出生成PDPContext的请求,GGSN内部的接入控制功能将检验该MS所要求的服务品质QoS以及连接因特网的权限。
(4)当这些设置与请求都经过GGSN处理后,GGSN向计费服务器发出计费请求通知,计费服务器位于电信运营商的Intranet内,负责动态分配MS的IP地址与计费功能,计费服务器完成对MS的鉴权后,提供MS一个IP地址。
(5)计费服务器传回计费响应指令给GGSN,同时告知GGSN有关MS应该分配的IP地址。
(6)GGSN传回生成PDPContext响应指令给SGSN。
这个指令中包含MS分配到的IP地址。
(7)SGSN发出接受开启PDPContext的指令告知MS关于PDPContext已经开启。
①开启PDP
Context请求
②安全功能
③生成PDP
④计费请求
⑤计费响应
⑥生成PDP
Context响应
⑦开启PDP
Context接受
图6-22MS开启PDPContext时的信号交换程序
6.3.3.5无线应用协议WAP
由于因特网上的通信协议不适用无线通信的传输环境,全世界各通信厂商皆有开发适合于无线传输通信协议的计划,但是每个厂商都各自独立开发专门的通信协议,没有整合成一个统一的标准。
诺基亚(Nokia)、爱立信(Ericsson)、摩托罗拉(Motorola)及UnwiredPlanet四家公司率先在1997年成立无线应用协议WAP(WirelessApplicationProtocol,)论坛(WAPForum),将各自开发的无线通信协议加以整合后,共同推动统一标准的无线通信协议。
WAP协议针对无线传输的信道带宽窄、易受干扰的特点,加入许多特殊的改良与设计,使得移动电话与基站系统间适
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