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GPRS移动通信技术

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(毕业论文 字数:15076 页数:19)摘要:本文主要分成五个部分来讨论此主題,首先介绍General Packet Radio Service(GPRS)的需求动机,目前GSM市场中存取Internet资源的方式与缺点及GPRS优点;接着比较GPRS与GSM上数据资料技术的差异与讨论GPRS的架构与技术,包括如何正确传送封包与其使用radio 资源的方式;之后阐述了GPRS的路由协议模型以及三种不同的分组路由方式;然后通过分析GPRS网络基于GSM叠加IP数据网络的体系结构特点,研究GPRS安全管理方面的需求,提出一种综合可靠性与信息安全技术的GPRS移动通信网络安全控制策略;最后分析了GPRS的局限性以及它的应用、发展趋势。

关键词:GPRS,GSM,Packet Switching,GGSN,SGSN

目录
引言 - 2 -
1 GPRS的需求动机 - 2 -
2 目前GSM系統存取网际网路资源的方式 - 3 -
3 GSM与GPRS优缺点比较 - 3 -
3.1 GSM的三个缺点 - 3 -
3.2 General Packet Radio Service(GPRS)的优点 - 4 -
3.2.1 高bit rate - 4 -
3.2.2 使用packet switching,适合于bursty traffic - 4 -
3.2.3 快速的call setup time - 4 -
3.2.4 可以与固有的GSM系统共存 - 5 -
3.2.5 有弹性地使用radio resource与网路 - 5 -
3.2.6 以传送/接受的资料量来计费 - 5 -
3.2.7 为目前GSM迈向第三代网路的重要步骤 - 5 -
4 GPRS与GSM上数据资料之比较 - 5 -
4.1 高速电路交换数据业务(HSCSD) - 5 -
4.2 改进数据率GSM服务(EDGE) - 6 -
Bit rate - 6 -
5 GPRS的网路架构 - 7 -
6 Serving GPRS Support Node(SGSN)的功能 - 9 -
7 Gateway GPRS Support Node(GGSN)的功能 - 9 -
8 GPRS协议模型 - 9 -
9 分组路由 - 10 -
10 Capacity on demand - 12 -
11 GPRS移动通信系统的安全策略 - 13 -
11.1 GPRS网络安全研究 - 13 -
11.1.1 GTP节点 - 13 -
11.1.2 IP节点 - 13 -
11.2 GPRS安全性分析 - 13 -
11.2.1 GPRS安全策略 - 13 -
12 GPRS的局限性 - 15 -
12.1 有 限 的 蜂 窝 容 量 - 15 -
12.2 实 际 传 输 速 度 比 理 论 值 低 得 多 - 15 -
12.3 不 能 保 证 无 线 终 止 的 终 端 应 用 - 15 -
12.4 不 太 理 想 的 调 制 方 式 - 15 -
12.5 传 输 延 迟 - 15 -
12.6 没 有 储 存 和 发 送 功 能 - 16 -
13 GPRS的应用及发展趋势 - 16 -
14 结语 - 17 -
参考文献 - 18 -
致谢 - 18 -

引言
随着数字蜂窝网络GSM在全球的广泛应用和人们对无线数据应用的迫切需求,发 展 移 动 数 据 业 务 , 已 成 为 中 国 移 动 等GSM运 营 商 今 后 业 务 发 展 的 中 心 , 但 当 今GSM网 络 传 输 的 低 速 率 和 移 动 终 端 的 局 限 性 大 大 影 响 了 移 动 数 据 业 务 的 发 展 。 而 GPRS正 是 应 付 这 一 挑 战 的 新 技 术 ,GPRS在 GSM网 络 中 实 现 传 输 速 率 的 性 能 是 目 前 昂 贵 而 又 缓 慢 的 电 路 交 换 方 式 的 三 倍 , 其 速 度 甚 至 超 过 了 有 线 网 络 上 的 传 输 速 率 。GSM系统的分组交换无线数据业务GPRS(General Packet Radio Server)也逐渐推广普及,GPRS(General Packet Radio Service)也叫通用无线业务,是GSM Phse2+阶段引入的内容之一,是GSM网络向第三代移动通信演进的第一步。在这一步中,有两点重要的意义:一是在GSM网络中引入分组交换能力,二是将速率提高到100kbps以上。GPRS作为第二代移动通信向第三代过渡的技术是由英国BT Cellnet公司早在1993年就已经提出,由GSM Phse2+(1997年)规范定义实现的内容之一,是一种基于GSM的移动分组数据业务,面向用户提供分组的IP或者X.25。随着标准化进程的结束,全球性的GPRS市场启动商业服务,也使全球GPRS设备市场日益升温,GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步,是迈向第三代个人多媒体业务的重要里程碑。[1]

1 GPRS的需求动机
业界通常将移动通信分为三代。第一代是模拟的无线网络,第二代是数字通信包括GSM、CDMA等,第三代是分组型的移动业务,称为3G。GPRS是通用无线分组业务的缩写(General Packet Radio Service),是介于第二代和第三代之间的一种技术,通常称为2.5G,目前通过升级GSM网络实现,称之为2. 5G是比较恰当的,因为它是一个混合体,采用TDMA方式传输语音,采用分组的方式传输数据。
GPRS是在目前GSM移动通信网络中增加SGSN、GGSN两个节点,在基站子系统中增加用于无线分组接入的分组控制单元来实现,从而发展起来的一种新型承载业务,它可以向移动用户以分组交换的形式提供数据业务。GPRS 采用与GSM 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构,这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此,现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS是在GSM Phase2+阶段引入的通用分组数据业务。GPRS核心网采用基于分组交换模式的IP技术来传送不同速率的数据及信令。
GPRS网络有四种编码方案分别为CS-1(9.05kb/s)、CS-2(13.4kb/s)、CS-3(15.6kb/s)、CS—4(21.4kb/s);同时支持多时隙合并传输(最多8个时隙),且每个时隙都可以为活动用户所共享,因此,GPRS可提供9.05kb/s(CS-1*1时隙)至171.2kb/s(CS-4*8时隙)的数据传输速率。在理想环境下理论传输最大速率为171.2kb/s,而目前实际应用带宽大约在40-100Kbps,在此信道上提供TCP/IP 连接,可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。
行动电话与网际网路(Internet)这两项科技深深地影响了人类的生活。行动电话使得人与人之间的沟通再也不受某些特定沟通器材其地理位置的影响,让每个人在任何地方都可以使用行动电话来跟其他人沟通,而网际网路(Internet)提供了一个方便、有效率且便宜的方式去存取与分享在网际网路上有价值的资料、 信息,只要能连上网际网路(Internet)就可以取得丰富的网路资源。所以要是能够将这两种科技整合在一起,不论所需的资讯是在世界上的何处,你将可以不受地理位置的限制区取得。[2]
目前Global System for Mobile Communication(GSM)网路连接到LAN的方式,在硬体方面如图1所示。GSM系统中的MSC(Mobile Switching Center)藉由数据机或ISDN连接到Internet。
在传输资料的技术上,基本上是使用Short Message Service(SMS),这是一种能够传送简短讯息到手机的资料服务,SMS所能传送的最大讯息长度为160个字元,使用者能够利用手机传送或接收一些简讯。但是GSM厂商纷纷将其功能加以增强与改进,使得SMS有网际网路(Internet)资讯存取的功能,如收发电子邮件(e-mail)或浏览WWW(纯文字),这是目前在全世界GSM系统中最普遍被使用于存取网际网路资讯的方法。[5]
3 GSM与GPRS优缺点比较

3.1 GSM的三个缺点:
3.1.1、传送速度太慢:一般GSM系统中资料传送的速度为9.6Kbps或14.4Kbps,这样的传输速度对于一些多媒体应用(如浏览图文并茂的WWW 网站)而言可能不敷使用。
3.1.2、效率不高:SMS用signaling channels来传送信息,所以在SMS使用非常频繁的情形下,可能会使得整个网路的服务品质大打折扣。
3.1.3、使用费用太昂贵:综合以上两个缺点,必定使得operator提供此服务时的成本就很昂贵,理所当然使用者也必须负担较高的使用费。[5]
GSM的系统厂商发现目前的技术对于处理data traffic有其先天不足的地方,需要开发新的技术以满足对于data traffic 的需求,GPRS也就应运而生。GPRS使用packet-switching的方式,是一种能在原有的GSM的radio channel上以非常经济且有效率传送资料与控制信号的技术。
分组交换方式采用长度一定、结构统一的数据分组作为数据传输的基本单位。每个分组头(header)都带有地址、序号交检码等消息,用于检错、排队、选路等处理。此外,分组交换采用存储转发机制,每个节点接受到来自其他节点的分组后,先将其存在缓冲区内,然后根据分组头中的地址信息选择下一步应将该分组转发到哪个节点。同一物理链路在不同时刻可以传送不同的通信会话的数据,也就是队伍里链路可以进行统计复用(而不是电路交换方式中的链路独占)。
分组交换方式在通信之前不需要为通信双方分配一条独占的链路,可根据用户需要以及网络能够提供的带宽,为用户动态分配网络资源,从而极大地提高了网络带宽的利用率;由于存储转发机制可以根据网络的实际状态动态选择路由,这样即使某些节点或节点间的链路发生故障,数据仍能绕道达到目的地,从而提高了通信的可靠性,因此,分组交换是数据通信的理想选择。
3.2 General Packet Radio Service(GPRS)的优点:
3.2.1、高bit rate
GPRS中提供四种不同的coding schemes,所以单一channel(time slot)所能提供的bit rate从9.05Kbps到21.4Kbps,GPRS可以使用1至8个channel,故理论上GPRS所能提供的最高速度为171.2Kbps,以此速度以目前而言应可符合大部分的应用所需要了,如浏览WWW、e-mail等等。
3.2.2、使用packet switching,适合于bursty traffic
GPRS采用与目前GSM系统中circuit switching不同的packet switching,使用此种交换技术,可以使得多个使用者同时共享同一资源,因为使用者只有在真正传送资料的时候才会占用资源,其他时候此资源可以由有需要的使用者来使用,因此大幅提高了网路与radio resource的使用效率,故可使使用者与network operator得以更经济的使用GPRS。也因为GPRS采用packet switching,并且支援一些目前最常用的协定,如IP,X.25,因此可以非常容易去连接这些packet data network如Internet与X.25网路,透过GPRS来使用这些网路中的一些服务(telnet ,chat, e-mail, ftp等) ,因此一个GPRS网路也可以被视为是一个连接在网路上的子网域(sub-network)。此外,packet switching十分适用于bursty data 的传送,而目前网际网路(Internet)上应用程式传送的资料多属于这种形态,因此GPRS非常适合作为存取网际网路上资讯的技术。
3.2.3、快速的call setup time
在开始传送或接收资料之前,GPRS将提供快速的resource reservation动作,通常在0.5至1秒可以完成,当resource reservation完成后,即可传送或接收资料,而采用GPRS之前可能必须等待一段modem拨接设定的时间,这项特性将提供使用者有类似“always connected”的功能,因为一旦有资料需要被接受或传送,GPRS将可以在很短时间內建立connection,这对一些time critical 的应用,如remote credit card authorization 相当的重要,因顾客若等待时间过长,将会令顾客难以接受。
3.2.4、可以与固有的GSM系统共存
GPRS利用一种相当理想的方法来与现今的GSM系统整合。由于GPRS使用packet switching 的技术,要整合到现存circuit switching 的GSM 系统,将需要大量的升级,GPRS将其所需处理的与传统GSM的资料作了一个相当清楚的分隔,因采用GPRS只需增加两个新的网路基础节点,和一些固有设备的软体升级,即花费有限的投资就可以采用GPRS,而先前的投资的资源也不会因此浪费,这对network operator 是一个相当有吸引力的优点。另外,在必要的时候,SMS的一些资料也可以利用GPRS来传送,可减低signal channel的负担,使得整个网路的效率更好。
3.2.5、有弹性地使用radio resource与网路
GPRS以非常弹性的方法来分配 GPRS资料可用资源与一般 GSM传统资料可用资源的比例,如在传统电话尖峰时刻,GPRS可以弹性的释放一些资源给传统的GSM服务来使用,这样operator将可以根据自己的需求与网路状况来调整适当的不利,使整个网路的效能提高。
3.2.6、以传送/接受的资料量来计费
由于GPRS使用 packet switching的传输模式,因此必须采用一种不同于传统GSM使用的计费方法,传统的GSM是以时间来计费,这当然是因为 circuit switching的特性使然,但在GPRS中可以利用实际上传送或接受的资料量来计费,这样的计费方式配合上 GPRS中“always connected”的特性 ,使得 GPRS更加的有吸引力,使用者可以随时的使用GPRS,但只需要根据其使用资料量的多寡来付费。
3.2.7、为目前GSM迈向第三代网路的重要步骤
因为第三代网路架构目标将是处理更为庞大的多媒体 packet traffic,提供更高的网路效率与服务。 而packet traffic 与目前GSM的voice traffic的特性完全不同,因此network operator可以利用GPRS学习如何将网路的状态调整到最佳状态、处理计费与顾客服务这方面的知识与经验,为将来的第三代GSM网路作准备。[3]

 

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