3G移动通信概述和GPRS

1 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 1 3G移动通信概述 l 3G的主要目标 Ø IMT-2000的目标有以下4个方面： • 全球漫游，以低成本的多模手机来实现。全球具有公用频 段,用户不再限制于一个地区和一个网络，而能在整个系统 和全球漫游。 在设计上具有高度的通用性，拥有足够的系 统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游。是 一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通 信系统。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 2 3G移动通信概述 l 3G的主要目标 (续) • 适应多种环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏 蜂窝，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起， 与不同网络互通，提供无缝漫游和业务一致性，网络终端具有 多样性，并与第二代系统的共存和互通，开放结构，易于引入 新技术。 2 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 3 3G移动通信概述 l 3G的主要目标（续） • 能提供高质量的多媒体业务：包括高质量的话音、可变速率的 数据、高分辨率的图像等多种业务，实现多种信息一体化； • 足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服 务质量。用户可用唯一个人电信号码（PTN）在任何终端上获 取所需要的电信业务，这就超越了传统的终端移动性，真正实 现个人移动性。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 4 3G移动通信概述 l 3G的主要目标（续） Ø 为实现上述目标，对无线传输技术提出了以下要求： • 高速传输以支持多媒体业务 • 室内环境至少2Mb/s; • 室外步行环境至少384Kb/s; • 室外车辆环境至少144Kb/s; • 传输速率按需分配； • 上下行链路能适应不对称业务的需求； • 简单的小区结构和易于管理的信道结构； • 灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施； 3 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 5 3G移动通信概述 l 3G的主要目标（续） • 第三代系统有着更好的抗干扰能力。这是由于其宽带特性 （5MHz射频载波），可分辨更多多径信号，因此信号较窄带 系统更稳定，起伏衰落小，使系统对信号功率的动态范围和最 大功率信号值的要求降低。上行链路采用相干检测，相对于没 有采用相干检测的第二代CDMA来说，上行链路有3db的性能 改善。 3G系统还使用了多用户检测，可消除来自其他用户的 干扰。 • 第三代系统还提供多速率的业务，这意味着在高灵活性和高频 谱效率的情况下可提供了不同服务质量的连接。第三代系统还 支持频间无缝切换，从而支持层次小区结构。 同时，3G系统 还采用快速功率控制。3G系统保持对新技术的开放性，支持 智能天线阵技术，使系统得到许多改进。在满足给定信号接收 质量的前提下增加了有效通信用户数：用户数给定时，可以改 善接收质量；可降低移动用户的发射功率；减少其他用户信号 的干扰和影响。在3G系统中还会采用其它许多新技术，使系 统不断得到改进。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 6 3G移动通信概述 l 3G的主要目标（续） 4 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 7 3G移动通信概述 l 3G的发展进程 Ø 3G中的先进技术 • 高效信道编译码技术 信道编码和交织依赖于信道特性和业务需求。不仅对于 业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术，而且对于 同一信道的不同业务也采用不同的编码和交织技术。Turbo 码是1993年由C.Berrou等人提出的一种新型编码，它具有接 近仙农极限的纠错性能。成为通信领域倍受瞩目的一项新技 术。 在第三代移动通信系统中都采用了卷积码和Turbo码两 种纠错编码。在高速率、对译码时延要求不高的数据链路中 使用Turbo码以利于其优异的纠错性能；考虑到Turbo码译码 的复杂度、时延的原因，在语音和低速率、对译码时延要求 比较苛刻的数据链路中使用卷积码，在其它逻辑信道中也使 用卷积码。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 8 3G移动通信概述 l 3G的发展进程 • 软件无线电技术 基本思想是高数据和数模转换器尽可能靠天线处理，所 有基带信号处理都用软件方式替代硬件实施。 软件无线电系统的关键部分为：宽带多频段天线、高速 A/D和D/A转换器以及高速信号处理部分。 宽带多频段天线 采用多频段天线阵列，覆盖不同频程的几个窗口； 高速A/D 转换器的关键是采样速率和量化位数，高速信号处理部分完 成基带处理、调制解调、比特流处理和编解码等工作。 软件 无线电技术最大的优点是基于同样的硬件环境，针对不同的 功能采用不同的软件来实施，其系统升级、多种模式的运行 可以自适应地完成。软件无线电能实现多模式通信系统的无 缝连接。 5 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 9 3G移动通信概述 l 3G的发展进程 (续) 第三代移动通信系统具有多模、多频段、多用户的特点，面 对多种移动通信标准，采用软件无线电技术对于在未来移动通信 网络上实现多模、多频率、不间断业务能力方面将发挥重大作 用，如基站可以承载不同的软件来适应不同的标准，而不用对硬 件平台改动；基站间可以由软件算法协调，动态地分配信道与容 量，网络负荷可自适应；移动台可以自动检测接入的信号，以接 入不同的网络且能适应不同的接续时间要求。 由于硬件器件技术 的限制，目前要实现软件无线电必须进行适度的折中，尚未充分 利用软件无线电的优势。因此，应针对软件无线电的特点，研究 具有普遍意义的、不局限于特定硬件水平的长远技术，为第三代 移动通信系统服务。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 10 3G移动通信概述 l 3G的发展进程 (续) 3) 智能天线技术 无线覆盖范围、系统容量、业务质量、阻塞和掉话等问一 直困扰着蜂窝移动通信系统。采用智能天线阵技术可以提高第三 代移动通信系统的容量及服务质量。 智能天线阵（Intelligent Antenna Arrays，又称Adaptive Antenna Arrays）技术是基于自 适应天线阵列原理，利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个 独立的波束，自适应地调整其方向图以跟踪信号变化；对干扰方 向调零以减少甚至抵消干扰信号，提高接收信号的载干比 （C/I），以增加系统的容量和频谱效率。其特点在于以较低的代 价换得无线覆盖范围、系统容量、业务质量、抗阻塞和掉话等性 能的显著提高。 智能天线阵在干扰和噪声环境下，通过其自身的 反馈控制系统改变辐射单元的辐射方向图、频率响应以及其它参 数，使接收机输出端有最大的信噪比。 6 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 11 3G移动通信概述 l 3G的发展进程 (续) 智能天线阵由N单元天线阵、A/D转换器、波束形成器 （Beam-former）、波束方向估计及跟踪器等几部分组成。N单元 天线阵是收发射频信号的辐射单元；A/D转换器完成模数转换以便 进行数字域处理；波束形成器由自适应控制处理器和波束形成网 络组成， 把一定规律的激励信号转换成与各波束相对应的幅度相 位分别提供给各辐射单元，以确定波束形成网络的各部分方向图 （波束）的增益、计算各支路之间的耦合以及耦合与各部分方向 图的交叉电平的关系，以消除各支路之间的耦合；波束方向估计 及跟踪器是估计并跟踪接收信号的到达方向（DOA）， 以控制波 束形成器改变波束方向来跟踪发送信号源。 采用智能天线后，可 用多只低功率的放大器（如信威公司的产品：8只线性输出0.5W 的放大器）代替高功率放大器（等效于20W的放大器），大大降 低了成本，提高了设备可靠性。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 12 3G移动通信概述 l 3G的发展进程 (续) 4) 多用户检测和干扰消除技术 对于CDMA系统，从理论上讲，如果能消去用户受到的多址 干扰，就可以提高容量。多用户检测的基本思想是把所有用户的 信号都当作有用信号，而不是当作干扰信号。在小区通信中，每 个移动用户与一个基站通信，移动用户只须接收所需信号，而基 站必须检测所有的用户信号，因此移动用户只有自己的扩频码， 而基站需要知道所有用户的扩频码。由于移动用户受到复杂度的 限制（如尺寸、重量等），多用户检测目前主要用于基站。但是 基站只有本小区用户的扩频码，相邻小区的干扰仍会降低多用户 检测的性能。无线信道是多径信道，可以在多用户检测前端用 RAKE类型的结构解决多径问题。 7 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 13 3G移动通信概述 l 3G的发展进程 (续) 经过近二十年的发展，CDMA系统多址干扰抑制或多用户检 测技术，已慢慢走向成熟及实用。考虑到复杂度及成本等的原 因，我们目前的多用户检测实用化研究，主要围绕基站进行。基 站设备中使用多用户检测技术，具有以下优点： • 减小射频辐射对用户的生理及心理影响。 • 提高基站的覆盖区容量。容量的增加，意味着频谱效率的提 高。同时增加最大可能的用户数。或现为降低用户设备（如手 机等）的发射功率。手机发射功率的降低，意味着更长的通话时 间或待机时间、减少对人体的微波辐射，减小对环境的影响，从 而使设备更绿色化。 • 干扰抑制或多用户检测技术经过近二十年的发展，已面临实用 方面的突破。 • 增加通信距离，增大基站的覆盖面积，降低基站综合成本。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 14 3G移动通信概述 l 3G标准 ü 标准化组织： 目前世界各国的标准化组织有：中国：（CWTS）；欧洲 （ETSI）；日本（ARIB）；美国(TIA、T1P1)；韩国 （TTA）。 CWTS：China Wireless Telecommunications Standards ETSI: European Telecommunication Standards Institute ARIB: Association of Radio Industries and Businesses TIA: Telecommunications Industry Association T1P1: a subcommittee of the ANSI-accredited ATIS Committee T1 that deals with Personal Communications TTA: Telecommunications Technology Association 8 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 15 3G移动通信概述 l 3G标准 国际标准化组织： 3GPP: 3G Partnership Project (for GSM evolution to W-CDMA) 主要在W-CDMA领域作以下技术标准（4 TSGS Technical Specification Groups） TSG Services and System Aspeects TSG Radio Access Network TSG Core Network TSG Terminals 网址：www.3gpp.org 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 16 3G移动通信概述 l 3G标准 3GPP2: 3G Partnership Project (for cdmaOne evolution to cdma2000) 主要在cdma2000领域作以下技术标准(6 TSGS) TSG-A on Access Network Interface TSG-C on cdma2000 Radio TSG-N on ANSI-41/WIN(WIN: Wireless Intelligent Network) TSG-P on Wireless Packet Data Networking TSG-R on Interface of W-CDMA Radio Access to Evoluted ANSI-41 Core Network TSG-S on Systems and Services Aspects 网址：www.3gpp2.org 9 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 17 3G移动通信概述 l 3G标准 ü 3G地面无线传输技术的提案 1998年6月各国标准化组织向国际电联提交了各自的无 线传输技术侯选。共有16种侯选技术，包括10种地面技 术和6种卫星技术。10个地面技术中有8种FDD和5种TDD技 术。如下表所示。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 18 3G移动通信概述 l 3G标准 序号 提交技术 双工方式 应用环境 多址技术 提交者 1J: W-CDMA FDD、TDD 所有环境 CDMA 日本：ARIB 2ETSI-UTRA-UMTS FDD、TDD 所有环境 CDMA 欧洲：ETSI 3WIMS W-CDMA FDD 所有环境 CDMA 美国：TIA 4WCDMA/NA FDD 所有环境 CDMA 美国：T1P1 5Global CDMA II FDD 所有环境 CDMA 韩国：TTA 6TD-SCDMA TDD 所有环境 CDMA 中国：CATT 7cdma2000 FDD、TDD 所有环境 CDMA 美国：TIA 8Global CDMA I FDD 所有环境 CDMA 韩国：TTA 9UWC-136 FDD 所有环境 TDMA 美国：TIA 10 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 19 3G移动通信概述 l 3G标准 当前获得人们普遍认同的标准主要有：cdma2000、W- CDMA和TD-SCDMA。到目前为止基于这三大标准的实际系 统已经或正在走向商用。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 20 3G移动通信概述 l 3G标准 ü 2G向3G的演进 2G GSM 2G 增 强 GPRS 和 EDGE （ Up to 384 kb/s) 3G W-CDMA (5 MHz) cdmaOne (TIA/ EIA-95 cdmaOne (TIA/EIA- 95-B (Up to115kb/s utltimately; 64kb/s initially cdma2000 (1.25MHz)(Up to 307kb/s ultimately; 144kb/s initially) cdma2000 (3.75Mhz) TDMA (TIA/ EIA-136) IS-136+ (TIA/EIA -136-A and B, up to 64kb/s TDMA-EDGE (IS-136HS Outdoor) Up to 384kb/s with EDGE and GPRS IS-136 HS Indoor (1.6MHz TDMA) 0 64 kb/s 100 144 kb/s 200 300 384 kb/s 400 2 Mb/s Data Rate 11 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 21 3G移动通信概述 l 3G标准 从2G向3G的过渡产品人们称其为2.5G。 ü 2.5G是市场驱动的产物 随着人们对数据通信业务的需求日益增高，人们已不再 满足传统的以语音业务为主的移动通信网为人们所提供的服 务。特别是Internet的发展大大推动了人们对数据业务的需 求。统计表明目前固定数据通信网的用户需求和业务使用量 已接近了话音业务。在这种情况下，移动通信网所提供的以 语音为主的业务已不能满足人们的需要了。为此移动通信业 内的领军者们努力开发研究了适用于数据通信的移动系统。 首先人们着手开发的是基于2G系统数据系统。在不大量改变 2G系统的条件下，适当增加一些网络和一些适合数据业务的 协议，使系统可以较高效率的传送数据业务。如目前的 GPRS就是这样的系统，现在已在我国组网投入商用。 另外，目前我国联通即将开通的CDMA20001X系统也属 于这样的系统。通常人们将这样的系统称为2.5G。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 22 3G移动通信概述 l 3G标准 ü 从2.5G走向3G 尽管2.5G系统可以方便地传输数据业务，然而由于它的 先天不足，既没有从根本上解决无线信道传输速率低的问 题，因此应该说2.5G还是个过渡产品。而当今人们定义的第 三代移动通信系统才能基本达到人们对快速传输数据业务的 需求。 12 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 23 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS的业务 ü 基本概念 GPRS网络可以提供两类业务：点对点（PTP— Point To Point）的业务；点对多点（PTM— Point To Multipoint）的 业务。这两类业务也被称为GPRS网所提供的承载业务。在 GPRS承载业务支持的标准化网络协议基础上，GPRS可支 持或为用户提供一系列的交互式电信业务，包括承载业务、 用户终端业务、补充业务以及短消息业务、匿名接入等其它 业务。以下只对承载业务和用户终端业务作一介绍。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 24 3G移动通信概述 l GPRS介绍 ü GPRS网络业务 • 点对点业务 点对点业务是GPRS网络在业务请求者和业务接收者之 间提供的分组传送业务。点对点业务又分为两种：点对点面 向无连接的网络业务（PTP -CLNS）和点对点面向连接的网 络业务（PTP -CONS）。 点对点面向无连接的网络业务（PTP-CLNS）属于数据 报业务类型，即数据用户之间的信息传递没有端到端的呼叫 建立过程，分组的传送没有逻辑连接，且没有交付确认保 证。点对点面向无连接的网络业务主要支持突发非交互式应 用业务，如基于IP的网络应用。 13 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 25 3G移动通信概述 l GPRS介绍 点对点面向连接的网络业务（PTP -CONS）属于虚电路 型业务，它要为两个用户之间传送多路数据分组建立逻辑电 路（PVC或SVC）。它要求有建立连接、数据传送和连接释 放的过程。点对点面向连接的网络业务是面向连接的网络协 议CONP支持的业务，即X.25协议支持的业务。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 26 3G移动通信概述 l GPRS介绍 • GPRS提供的点对多点业务可以根据某个业务请求者请求， 把信息传送给多个用户或一组用户，由PTM业务请求者定义 用户组成员。GPRS使用国际移动组识别（IMGI）识别组成 员，其组成员主要由移动用户组成。业务请求者可定义所传 送信息的地理区域，地理区域可以是一个或几个，即所有成 员可能分布在不同的地理区域内。 14 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 27 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø 用户终端业务 用户终端业务可按基于PTP或基于PTM的分为两类： ü 基于PTP的用户终端业务 • 信息点播业务。例如，Internet浏览业务（WWW）；各种 类型的信息查询业务，如娱乐类（影视、餐馆等）、商业 类（股票等）、交通类（路况、时刻表等）、新闻类、天 气预报等。 • E-mail业务。 • 会话业务。在两个用户的实时终端到实时终端之间提供双 向信息交换 • 远程操作业务。如：电子银行、电子商务、远程监控定位 业务等。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 28 3G移动通信概述 l GPRS介绍 ü 基于PTM的用户终端业务 点对多点应用业务包括点对多点单向广播业务和集团内 部点对多点双向数据量事务处理业务。例如：新闻广播、天 气预报、本地广告、旅游信息等。 15 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 29 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS的业务质量 GPRS为用户提供了五种可协商的业务质量（QoS）的 基本属性，如下图所示： 可 靠 性 等 级 平 均 吞 吐 量 等 级 峰 值 吞 吐 量 等 级 延 迟 等 级 优 先 级业 务 等 级 分 类 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 30 3G移动通信概述 l GPRS介绍 上述的每一种属性都有多个级别的值可供选用，不同级 别属性值的组合构成了对要求不同的QoS的各种应用的支 持。GPRS标准中定义的这种QoS组合有许多种，但目前 GPRS只支持其中的一部分QoS配置。 GPRS业务质量（QoS）定义文件（Profile），是与每 一个PDP（Packet Data Protocol—包数据协议）关联相联 系的。QoS定义文件被当作一个单一的参数，该参数具有多 个数据传递属性。 在QoS定义文件协商过程中，移动台可以为每一个QoS 属性申请一个值，包括存储在HLR中用户开户的缺省值。网 络也要为每一个属性协商一个等级，能够与有效的GPRS资 源相一致，以便提供适当的资源支持已经协商的QoS定义文 件。 具体协商过程和属性的定义此处不做介绍了。 16 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 31 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS的网络结构及其功能描述 ü 基本概念 GPRS网络是在GSM网的基础上发展的移动数据分组 网。GPRS网络分为两个部分：无线接入以及核心网。 无线接入在移动台和基站子系统（BSS）之间传递数 据；核心网在基站子系统和标准数据网边缘路由器之间 中继传递数据。GPRS的基本功能就是在移动终端和标 准数据通信网的路由器之间传递分组业务。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 32 3G移动通信概述 l GPRS介绍 ü GPRS的网络结构 下图给出GPRS网络结构及其接口。 17 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 33 3G移动通信概述 l GPRS介绍 MSC/VLRBSC R Abis A PSTN HLR/AUC SMS-GMSC SS7 SS7 SS7 GGSN SGSN Gb PTM SC BG GPRS backbone (IP based) Gn Gp Gn 防火墙 防火墙Gi Gi 数据网 X.25 数据网 （Internet) 其它 PLMN网 Gr Gd BTS Um 防 火 墙 Gc Gs EIR Gf 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 34 3G移动通信概述 l GPRS介绍 由上图可以看出GPRS网是原有GSM网的基础上增加了 SGSN— GPRS业务支持节点、GGSN— GPRS网关支持节 点和PTM SC— 点对多点业务中心等功能实体。尽管GPRS 网与GSM使用同样的基站但需要对基站的软件进行更新，使 之可以支持GPRS系统。并且要采用新的GPRS移动台。另 外，GPRS还要增加新的移动性管理（MM）程序。而且原 有的GSM网络子系统也要进行软件更新并增加新的MAP信 令及GPRS信令等。 18 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 35 3G移动通信概述 l GPRS介绍 • SGSN及其对外的接口 在一个归属PLMN内，可以有多个SGSN 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 36 3G移动通信概述 l GPRS介绍 SGSN的功能类似GSM系统中的MSC/VLR，主要是对 移动台进行鉴权、移动性管理和路由选择，建立移动台 GGSN的传输通道，接收基站子系统透明传来的数据，进行 协议转换后经过GPRS的IP骨干网（IP Backbone）传给 GGSN（或SGSN）或反向进行，另外还进行计费和业务统 计。 SGSN与BBS间的接口为Gb接口，该接口协议即可用来 传输信令和话务信息。通过基于帧中继的网络业务提供流量 控制，支持移动性管理功能和会话功能，如GPRS附着/分 离、安全、路由选择、数据连接信息的激活/去活等，同时支 持MS经BSS到SGSN间分组数据的传输。 19 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 37 3G移动通信概述 l GPRS介绍 同一PLMN中SGSN与SGSN间以及SGSN与GGSN间的 接口为Gn接口，该接口协议支持用户数据和有关信令的传 输，支持移动性管理（MM），该接口采用的为TCP/IP协 议。 不同PLMN间SGSN与SGSN间以及SGSN与GGSN间的 接口为Gp接口，该接口与Gn接口的功能相似，另外它还提 供边缘网关（BG）、防火墙以及不同PLMN间的互联功能。 另外，SGSN与MSC/VLR的接口为Gs接口，其接口协 议用来支持SGSN和MSC/VLR之间的配合工作，使SGSN可 以向MSC/VLR发送MS的位置信息或接收来自MSC/VLR的 寻呼信息。该接口采用7号信令MAP方式，使用BSSAP+协 议，是一个可选接口，但对于GPRS的A类终端必须使用此 接口。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 38 3G移动通信概述 l GPRS介绍 SGSN与HLR的接口为Gr接口，其接口协议用来支持 SGSN接入HLR并获得用户管理数据和位置信息。该接口采 用7号信令MAP方式。 SGSN与EIR的接口为Gf接口，其接口协议用来支持 SGSN与EIR 交换有关数据，认证MS的IMEI信息。 SGSN与SMS-GMSC的接口为Gd接口，通过此接口可 以提高SMS的使用效率。 20 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 39 3G移动通信概述 l GPRS介绍 • GGSN及其对外的接口 GGSN实际上是GPRS网对外部数据网络的网关或路由 器，它提供GPRS和外部分组数据网的互联。GGSN接收移 动台发送的数据，选择到相应的外部网络，或接收外部网络 的数据，根据其地址选择GPRS网内的传输通道，传输给相 应的SGSN。此外，GGSN还有地址分配和计费等功能。 GGSN与其它功能实体的接口除了上面所介绍的Gn、 Gp接口外还有与外部分组数据网的接口Gi。GPRS通过该接 口与外部分组数据网互联（IP、X.25等）。由于GPRS可以 支持各种各样的数据网络，所以Gi不是标准接口，只是一个 接口参考点。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 40 3G移动通信概述 l GPRS介绍 GGSN与HLR之间的接口为Gc接口。通过此可选接口可 以完成网络发起的进程激活，此时支持GGSN到HLR获得 MS的位置信息，从而实现网络发起的数据业务。 以上重点介绍了GPRS网的SGSN、GGSN及其接口， 图9.52中的其它功能实体和网络接口与GSM系统基本相同， 但为了支持分组数据的新协议必须升级软件，增加新的协议 功能。比如Um接口，其射频部分与GSM相同，但逻辑信道 增加了分组数据信道（PDCH），采用了4种新的信道编码 方式：CS-1（9.05kbit/s）、CS-2（13.4kbit/s）、CS-3 （15.6kbit/s）、CS-4（21.4kbit/s），并能支持多时隙的传 输方式，最多可到8个时隙。 21 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 41 3G移动通信概述 l GPRS介绍 GPRS骨干网（IP Backbone）是用于将（S/G）GSNs 等互联起来的 IP专用网或分组数据网，也可以为一条专用线 路。PLMN内部骨干网是专用 IP网，只用于GPRS数据和 GPRS信令。PLMN内部骨干网通过Gp接口，采用边缘网关 （BG）和多个PLMN互连骨干网连接起来。多个PLMN骨干 网通过漫游协议进行选择，该协议包括BG安全功能。多个 PLMN骨干网互连可以通过分组数据网，也可以用一条专用 线路。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 42 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS协议栈 GSM RF MAC RLC LLC SNDCP IP TCP UDP 应 用 GSM RFL1bis MAC 网 络 业 务 RLC BSSGP Relay L1bis L1 网 络 业 务 L2 UDP/TCP BSSGP LLC SNDCP GTP Relay I P L1 L2 I P UDP/TCP GTP IP IP L2 L1 L 1 L 2 IP TCP UDP 应 用 MS U m BSS G b SGSN Gn GGSN Gi 主 机 互连 网 GPRS 其它 22 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 43 3G移动通信概述 l GPRS介绍 ü RLC/MAC为无线链路控制/媒体接入层。这一层包括两个功 能： • 无线链路控制功能，提供与无线解决方案有关的可靠 的链路 • 媒体接入控制功能，控制无线信道的接入信令过程 （请求和允许）以及将LLC（链路控制）帧映射为 GSM的物理信道 ü LLC为逻辑链路控制层。这一层可以在MS与SGSN之间提供 安全可靠的逻辑链路，并且独立于低层无线接口协议，以便 允许引入其它GPRS无线解决方案，而对NSS只作最少的改 动。 下图给出了从LLC PDU到RLC数据单元的分解示例。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 44 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Normal TDMA Burst Normal TDMA B u r s t Normal TDMA Burst Normal TDMA Burst BH InformationF i e l d BCS BH Information Field BCS BH Information Field BCS FH Information Field FCS LLC Frame RLC Block LLC Layer RLC/MAC L a y e r Physical L a y e r 23 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 45 3G移动通信概述 l GPRS介绍 其中： • FH：帧头 • FCS：帧校验序列 • BH：数据块头 • BCS：数据块校验序列 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 46 3G移动通信概述 l GPRS介绍 ü SNDCP为子网汇聚协议，它的主要功能是将若干分组数据 协议合路；压缩和解压缩用户数据或协议控制信息，这样可 以提高信道的利用率；将网络协议单元（N-PDU）分解成逻 辑链路控制协议数据单元（LL-PDU），或反之，将LL-PDU 组装成N-PDU。 SNDCP用于不同分组数据协议合路如下图所示： 24 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 47 3G移动通信概述 l GPRS介绍 分组数据协 议 分 组 数 据 协 议 分组数据协 议 N-PDU SN-PDU SNDCP LLC NSAPI SAPI 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 48 3G移动通信概述 l GPRS介绍 在Gb接口： – 网络业务（NS）层是基于帧中继连接基础上的传输BSSGP协 议数据单元。 – BSSGP为基站系统GPRS协议层，它的主要功能是在BSS和 SGSN之间传输与路由及QoS相关的信息。 在Gn接口： – L1、L2是基于OSI第一、二层协议为GPRS骨干网传输IP数据 的协议层。 – IP：GPRS骨干网协议，用于用户数据和控制信令的路由选 择。 – TCP或UDP用于传送GPRS骨干网内部的GTP分组数据单元。 TCP适用需要可靠数据链路的协议，如X.25。UDP适用传输不 需要可靠数据的链路，如IP。 GTP为隧道协议，该协议用于在GPRS骨干网内部的支 持点间传输用户数据和信令。所有的点对点的、采用PDP的 分组数据单元都通过GPRS隧道协议进行封装打包。 25 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 49 3G移动通信概述 l GPRS介绍 GPRS Backbone IP Header UDP Header GTP Header User Data Payload(T-PDU) (user IP Datagram) UDP Header GTP Header User Data Payload(T-PDU) (user IP Datagram) User Data Payload(T-PDU) (user IP Datagram) GTP HeaderGTP Layer UDP Layer Backbone IP Layer 用 户IP数据 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 50 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS的移动性管理和会话管理 ü 基本概念 象GSM手机一样，第一次使用的GPRS手机必须注册到 PLMN网上，所不同的是GPRS手机要将位置更新信息存 储到SGSN中。 分布在GPRS不同网络单元的用户信息分为四类：认证 信息、位置信息、业务信息和鉴权数据。下表给出了用 户信息类型、信息元素及所存储的位置。 26 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 51 3G移动通信概述 l GPRS介绍 信息类型 信息元素 存储位置 认证 l IMSI l TMSI l IP address l SIM ， HLR ， VLR，SGSN， GGSN l VLR，SGSN l MS ， SGSN， GGSN 存储位置 l VLR-address l Location Area l Serving SGSN l Routing Area l HLR l SGSN l HLR,VLR l SGSN 业务 l Basic services Supplementary services Circuit switched bearer Services, GPRS service information l Basic services, Supplementary services CS bearer services l GPRS service information l HLR l VLR l SGSN 鉴权数据 l Ki，algorithms l Triplets l SIM，AC l VLR，SGSN 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 52 3G移动通信概述 l GPRS介绍 一个新的GPRS手机用户首先要注册到网络，网络则要 为这一用户分配一个 IP地址。其注册过程类似GSM的位置更 新，这一过程称为GPRS附着过程。网络为移动台分配 IP地 址，使其成为外部IP网络的一部分，这一过程称为PDP移动 关联激活。 27 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 53 3G移动通信概述 l GPRS介绍 GPRS手机连接到网络需要两个阶段： • 连接到GPRS网络（GPRS附着） GPRS手机开机后，要向网络发送附着消息。SGSN从HLR 收集用户数据，对用户进行鉴权，然后与GPRS手机附着。 • 连接到IP网络（PDP关联） GPRS手机与网络附着后，向网络请求一个 IP地址，（比 如：155.133.33.55）。一个用户可能有的 IP地址为： – 静态IP地址：分配用户固定的IP地址。或者 – 动态IP地址：每次会话都分配用户一个新的IP地址。 从业务管理角度来说，GPRS网络有两个管理过程。一 个是GPRS的移动性管理过程（GMM），另一个是GPRS的 会话管理过程（SM）。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 54 3G移动通信概述 l GPRS介绍 GPRS的移动性管理过程的主要功能是支持GPRS用户 的移动性，如将用户的当前位置通知网络等。 GPRS的会话的管理功能是指支持移动用户对PDP关联 的处理，也就是说GPRS移动台连接到外部数据网络的处理 过程。 28 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 55 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS的移动性管理 ü 路由区 路由区由一个或多个小区组成，最大的路由区为一 个GSM网定义的位置区LA，一个路由区不能跨越多个位 置前。定义路由区RA的目的是为了更有效的寻呼GPRS 用户。一个路由区只能由一个SGSN提供服务。路由区 是由RAI路由区识别来标识的，RAI的结构如下： RAI=MCC+LAC+RAC 其中，MCC为移动国家号码；LAC为位置区代码；RAC 为路由区代码。 RAI是由运营商确定的。RAI作为系统信息进行广 播，移动台监视RAI，以确定是否穿越了路由区边界。如 果确实穿越了边界，移动台将启动路由区域更新过程。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 56 3G移动通信概述 l GPRS介绍 ü 移动性管理状态 与GSM一样GPRS移动性管理的主要作用就是确定 GPRS移动台的位置，为此GPRS定义了三种移动性管理状 态： – 空闲状态 – 守候状态 – 就绪状态 上述三种移动性管理状态在一定条件是要进行状态转化 的，下图给出了状态转换关系。 29 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 57 3G移动通信概述 l GPRS介绍 空闲状态 守候状态 就绪状态 GPRS 附着 去附着 就 绪 状 态 定 时 器 到 时 （ 44 秒 ） 数 据 包 发 送 /接 收 守 侯 状 态 定 时 器 到 时 （ 58分 ） 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 58 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS附着和去附着 GPRS附着：附着就是GPRS手机建立与GPRS网络的连 接， MS请求接入，并发起与SGSN的连接，在移动台和 SGSN间建立MM移动关联。 GPRS去附着：去附着就是GPRS手机结束与GPRS网络 的连接，MS将从就绪状态变为空闲状态，结束与SGSN建 立的MM移动关联的连接。 30 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 59 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS的位置区域管理 • 所谓GPRS的位置区域管理就是移动台位置移动的管理，比 如，当移动台从一个位置小区或一个路由区移动到另外的位 置小区或路由区时网络是如何进行管理的。 • 大概有这样几种位置更新过程： – 当MS处于就绪状态在路由区内从一个小区移动到另一个小区 时，MS要进行小区的位置更新（cell update） – 当MS从一个路由区移动到另一个路由区时，MS要执行路由区 的位置更新（Routing Area Update）。这种更新还分两种：一 是在SGSN内的路由区的位置更新（Intra-SGSN Routing Area Update）；另一个是SGSN之间的路由区的位置更新（Inter- SGSN Routing Area Update） – 当SGSN与MSC/VLR建立关联后，还有一种叫做SGSN间的 RA/LA联合更新过程（Combined Inter SGSN RA/LA Update） 以上这些位置更新过程比较复杂，这里不做进一步的论述了。 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 60 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS的会话管理 GPRS的会话管理（session management）是指GPRS 移动台连接到外部数据网络的处理过程，其主要功能是支持 用户终端对PDP移动关联的处理。 所谓PDP移动关联是指GPRS系统提供一组将移动台与 一个PDP地址（通常是IP地址）相关联和释放相关联的功 能。通常移动台附着到网络后，应激活所有需要与外部网络 进行数据传输的地址，当数据传输结束后，再解除这些地 址。移动台只有在守候或就绪状态下，才能使用PDP移动关 联的功能。 31 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 61 3G移动通信概述 l GPRS介绍 PDP地址一般是指IP地址，移动台通常被分配三种PDP地址： • 静态PDP地址：归属PLMN（HPLMN）运营商永久地给移 动台分配的PDP地址 • 动态HPLMN PDP地址：激活PDP移动关联时，HPLMN给 移动台分配的PDP地址 • 动态VPLMN PDP地址：激活PDP移动关联时，VPLMN给移 动台分配的PDP地址 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 62 3G移动通信概述 l GPRS介绍 VPLMN是指访问PLMN。使用动态HPLMN PDP还是使 用动态VPLMN PDP地址，由HPLMN运营商在与用户签约中 规定。使用动态地址时，由GGSN分配和释放动态PDP地 址。若PDP移动关联的激活是网络请求的，则只能使用静态 PDP地址。 32 2003-9-2 北京邮电大学无线中心 63 3G移动通信概述 l GPRS介绍 Ø GPRS的空中接口 与GSM一样GPRS的空中接口是整个GPRS系统的关键 技术之一，内容十分丰富。这里只能简单用图的形式介绍一 下GPRS的信道，其它概念，比如信道编码、吞吐量、信道 分配以及物理层、媒体接入/无线链路层等相关概念不做介绍 了，读者可参阅有关GPRS更详细的文献和参考。