GPRS 骨干网和本地网的组网方案

  1 概述
  自从移动通信业务在我国开展后,就一直以惊人的速度发展,从模拟的TACS到数字的GSM和CDMA。截至2000年底,中国移动用户数就突破了8 000万,其中绝大部分为GSM网络的用户。在移动通信飞速发展的时期内,数据业务也得到了迅猛的发展,特别是Internet业务,已经成为数据业务发展的潮流。随着人们对移动通信和分组数据业务的认同和依赖,迫切需要将这两种独立发展的业务结合起来。第三代移动通信系统(3G)从标准制订开始就考虑到对分组数据业务的支持,而GSM作为第二代移动通信系统(2G)的网络,主要是为支持话音业务和电路交换方式的数据业务而发展起来的,随着对分组数据业务需求的增大,要求GSM网络增加相应的功能。为了能够支持分组数据和最大程度地利用现有网络上的设备以及对现有网络的改动最小,就出现了2.5G的移动通信系统GPRS(通用分组无线业务)。
  
  GPRS网络是架构在现有GSM网络上,增加了对分组数据的支持,同时考虑了网络能够平滑向3G过渡,其网络结构如图1所示。
  

 

  
  从网络结构图可以看到,原有的网络结构保持不变,只是在BSS部分增加了分组控制单元(PCU),新建了一个分组网络。分组网络中有两种GPRS节点:GPRS服务节点(SGSN)和GPRS关口节点(GGSN)。SGSN主要负责GPRS用户移动性管理、用户的接入、短消息的收发、分组数据的转发,GGSN主要负责通过Gi接口转发用户数据到其它数据网上。GPRS网络逻辑接口结构如图2所示。
  
  SMS-GMSC: 短消息网观 SMS-IW MSC: 短消息业务互通设备
  
  SM-SC: 短消息中心 EIR:设备标识数据库
  
 

  
  由于BTS与BSC之间的Abis接口为厂家内部接口,因此标准中对BTS与BSC之间的GPRS接口Agprs不作要求,其它接口则为标准接口。PCU与SGSN通过帧中继以Gb接口通信,GPRS网络内部网元之间的Gn、Gp通过隧道协议(GTP)通信。SGSN通过信令网以Gs、Gr、Gd接口实现与MSC、HLR、SMS-G/IW MSC的通信,Gc作为可选接口连接HLR和GGSN,现有的GSM网元只需进行软件升级就可以支持相应的接口。
  
  GPRS网络的建设,既是为了在现有的GSM网络上提供分组数据业务,同时也是为网络向3G平滑过渡作准备。3G网络的无线部分RNC通过IuCS接口与MSC连接,通过IuPS接口与SGSN连接,由此可见建设GPRS网络后,能够很容易地支持网络的过渡。
  
  GPRS网络建设包括核心网和本地网的建设,这里分别讨论两种网络的建设方案。
  
  2 GPRS核心网络的建设
  GPRS核心网可以分为全国骨干网和省内骨干网。
  
  GPRS全国骨干网由若干个大区节点组成,节点之间以网状网方式进行连接,全国网上设一对顶级DNS(域名服务器),负责省网DNS无法解析的域名。省网通过边界路由器(BR)接入骨干网节点,一般边界路由器成对设置,分别接入不同的骨干节点以保证网络的可靠性。
  
  全国骨干网的逻辑结构如图3所示。
  
 

  
  当GPRS骨干网依附于全国的IP骨干网时,不需新增加路由设备;当不依赖全国的IP骨干网时,各大区节点可以通过PPP/FR/ATM等方式进行连接。
  
  GPRS省内骨干网建设,根据实际情况有多种组网方案。当省内有IP骨干网络时,GSN(GPRS服务节点与关口节点的统称)节点作为IP骨干网的接入节点。下面主要讨论省内没有IP骨干网的情况。
  
  在网络建设初期,省骨干网根据容量需要可以有一个或多个骨干节点。
  
  当对GPRS业务需求量较小且主要集中在少数城市时,考虑到成本和网络建设速度等问题,各大城市内SGSN、GGSN和PCU一般通过局域网连接。有的本地网有可能不需要GSN节点而通过其它本地网的GSN节点提供服务,而有的本地网只有SGSN而不需要GGSN,省网通过边缘路由器(BR)接入全国骨干网,此时各本地网可通过租用电路以PPP方式连接,如图4所示。
  
 

  
  对于信令网,SGSN通过STP点实现同MSC、HLR、SMS-G/IW MSC之间的通信,GGSN与HLR之间的Gc接口一般不用。
  
  这种网络结构简单,能够很快地向全省提供GPRS业务,各本地网也不需全部升级BSS部分,可以只升级部分有需求的BSS部分。但这种方式容量有限,需要的端口数较多,端口利用率也不高。另外在只设SGSN而没有GGSN的本地网中需要借助其它本地网或省网的GGSN,增加了路由器的负荷。采用FR或ATM,就可以解决端口数目和效率等问题,SGSN根据需要可以有多个PVC,这种组网方式依赖其它的网络但组网方式较为灵活,网络的结构如图5所示。不同的本地网SGSN与GGSN之间的通信,既可以通过FR/ATM网络以PVC的方式建立连接,也可以通过省内骨干节点的路由器进行转接,网络具有一定的灵活性。
  
 

  
  若GPRS业务需求大,这时省内将会有多个骨干节点。各骨干节点负责部分地区的业务汇聚,骨干节点之间形成网状网结构互连,省内骨干网负责DNS解析和接入全国骨干网。当省内有IP骨干网时,GSN节点等直接连接到IP骨干网上,当没有IP骨干网时,可以用PPP/FR/ATM等方式将各骨干节点连接起来。网络结构如图6所示。
  
 

  
  3 本地网中GPRS的建设
  本地GPRS网络的建设,包括GSN节点的建设和无线网络的建设,其思路如下:GPRS能充分利用已有的GSM无线子系统,只需增加PCU便可支持无线分组数据。但由于分组业务的特性,在无线网方面仍然有些问题需要考虑。
  
  在PCU部分,有的厂家每个PCU只支持一个BSC,而有的厂家的PCU可以同时支持多个BSC。PCU与SGSN之间通过PPP或FR的方式用Gb接口实现通信。采用PPP方式,不需要有FR网络,PCU作为用户端而SGSN作为网络端,此时每个PCU端在SGSN侧需要一个对应的端口,端口资源消耗大且利用率低。采用FR网络,可以将各PCU的数据汇聚到SGSN的一个端口上,大大节省了端口数,此时PCU和SGSN同时作为FR网络的用户端。图7是Gb接口的连接示意图。
  
 

  
  本地网中,根据对GPRS业务量的需求有以下几种不同的网络配置方式。
  
  方式1:本地网局部地区需要提供GPRS业务,但不需要SGSN/GGSN。
  
  方式2:本地网需要提供GPRS业务,但不需要GGSN。
  
  方式3:本地网需要一个或多个SGSN和GGSN。
  
  方式1应用于一些落后地区的市区。这些地区的BSS部分增加PCU单元,通过PPP/FR等方式连接到其它本地网的SGSN,一个SGSN负责多个本地网。为了能支持A、B类手机还需同各本地网MSC之间建立Gs接口,通常采用信令转接点(STP)进行信令转接。
  
  方式2中,本地网只配置SGSN,不同的本地网共用一个GGSN。这种方式下,SGSN只负责本地网中的GPRS用户,只需同本地的MSC建立Gs连接。SGSN通过省内骨干节点实现同外部的连接。
  
  方式3中,本地网对GPRS业务有很大的需求,需要设置一个或多个SGSN/GGSN节点。所有的节点可以放置在一起通过局域网相连,也可以分放在不同地区通过城域网方式连接。
  
  对Gb接口的配置,根据PCU所负责的GPRS信道的数目确定Gb接口需要配置的带宽。对于规模较小的本地网,可将GSN节点设置在交换机房内,其PCU经过交换机以PPP的方式同SGSN连接,可以节省中继线路。当PCU单元数量多且与交换机位于不同的地方时,可以通过现有的FR网或自己组建FR网络接入到SGSN中,此时GSN节点位置相对灵活。
  
  本地网的建设中,还有一个很重要的部分就是GPRS无线网络的建设。
  
  现在的GSM无线部分有900M Hz和1 800M Hz两个频段,它们的互通方式有三种:通过不同的交换机连接、在同一交换机下通过不同的BSC连接、在同一个BSC下通过不同的BTS连接。从目前的网络运营情况来看,双频网之间的配合上不如人意,GSM1800的业务吸收也没有达到设计的要求,因此对GPRS频率的选择,最好是确定只在其中的一个频段。当双频网络设备为同一厂家,并且GSM1800有相当的规模时,可以考虑在两个频段同时支持GPRS。
  
  各本地网有不同的频率使用现状。对于只有GSM900网络的地区,没有必要因为要发展GPRS而建GSM1800无线网络;对于已经存在双频网的地区,要视其具体网络情况决定如何引入GPRS无线网。
  
  由单频网提供GPRS业务,首先是覆盖问题,特别是市区的连续覆盖。GSM900发展最早,覆盖也最广,能满足GPRS建设的需要。若GSM1800在市区还没有实现连续覆盖,则在提供GPRS业务上存在不足。另外,对于同轴电缆或泄露电缆方式提供室内覆盖的系统,因为GSM900的传输损耗小于GSM1800,一般都建议用GSM900作为室内覆盖的首选,从这个角度来说GSM900比GSM1800存在一定的优势。
  
  影响频段选择的另一个因素是干扰问题。由于网络初期只有GSM900,为了提供更多的无线容量,采用了各种频率复用技术,如跳频、MRP、IUO等方式,容量提高的同时也引入的更大的干扰。GSM1800建设较晚,频率资源相对丰富,通常采用常规的4×3频率复用方式。GPRS业务不同于实时语音的一个特点是它要求有很低的误帧率,这可以通过重传机制保证分组数据的正确,但重传将使传输时延大、信道尽管很忙但有效的负荷却低。因此为了有效地保证分组数据在无线信道的质量,希望干扰能小。在GSM1800的系统中,4×3的频率分配方式能满足需要,而在GSM900中,通常BCCH载频采用4×3复用方式,其它信道采用3×3跳频复用方式。若在GSM900上建设GPRS,应选择BCCH