通往第三代移动通信的捷径 GPRS技术

  1 引言
  传统的GSM网络仅能9.6Kbit/s速率的数据传输业务,这远远不能满足用户对高速无线数据业务的需求。GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)是构架在传统GSM网络之上的一种标准化的分组交换数据业务,它可以提供高达115kbit/s速率的分组数据业务,从而使得包括图片、话音和视频的多媒体业务在无线网络中的传输成为现实。GPRS采用分组交换技术、在通信的过程中不需要建立和保持电路,符合数据通信突发性的特点,并且呼叫建立时间很短。GPRS不再根据用户实际的数据流量来计费,这样就允许用户始终在线,享受方便快捷的服务。因此,GPRS被认为是第二代移动通信系统向第三代移动通信演进的重要一步。
  
  2 GPRS的优势
  GPRS系统利用现有的GSM体系结构传输数据分组,只需要进行很少的硬件和软件升级。一个GPRS终端用户可以同时占用8个无线信道,多个GPRS终端用户可以共享一个无线信道,无线部分可按需分配话音和分组信道,从而可以再为有效地利用网络资源。GPRS采用TCP/IP协议传输数据,理想情况下,GPRS网络中传送一个最小的分组的时延约为100ms。并且由于GPRS网络是构建在GSM网络之上的,所以可以吸引大量的用户群。
  
  2.1GPRS为GSM服务提供者带来的好处
  
  (1)向第三代移动通信系统平稳过渡。
  
  (2)在现有的GSM系统中增加分组交换结点,达到分组交换业务快速覆盖的目的。
  
  (3)底层基于TCP/IP协议,可与Internet无缝连接。
  
  (4)能够在分组交换业务和电路交换业务间动态地分配无线信道。
  
  (5)作为一种为多种移动数据业务提供服务的承载业务,可以方便有效地提供短消息、WAP等业务。
  
  2.2 GPRS为服务使用者带来的好处
  
  (1)随时随地接入Internet或Intranet。
  
  (2)终端用户可永远在线,无需拨号上网。
  
  (3)向用户提供更高的接入速率和更短的接入时间。
  
  (4)可提供按时间、流量、内容等更加灵活的计费方式。
  
  3 GPRS网络的性能
  表1 GPRS、Modem、和LAN通信的比较
  
  GPRS    Modem    LAN
  
  Bandwidth  115kbit/s  50kbit/s  10Mbit/s
  
  Delay(ms)  100     100     1
  
  表2 GPRS、Modem和LAN的典型性能
  
  GPRS    Modem    LAN
  
  Bandwidth  50kbit/s  30kbit/s  8Mbit/s
  
  Delay(ms)  200     150     5
  
  表1给出了理想状态下GPRS、Modem和LAN的通信性能。表2的各项性能参数是从大量的模拟测试中得出的结果。比较而言,在实际应用当中,LAN的性能通常接近于它的理想状态,而由于GPRS的性能受许多环境因素的影响,例如小区的用户数,应用的类型以及可用的网络资源等,所以GPRS的性能很难达到理想的情况。
  
  4 GPRS的体系结构
  GPRS网络在传统的GSM网络中引入了3个新的组件:PCU(Packet Control Unit:分组控制单元),SGSN(Serving GPRS Support Node:GPRS服务支持节点)和GGSN(Gateway GPRS Support Node:GPRS网关支持节点)。SGSN和GGSN相当于移动数据路由器,它们既可以被组合在同一个物理结点中,也可以处在不同的物理结点中,两者之间通过一个IP骨干网络互联。GSM和GPRS能够复用和相同的传输链路,例如BTS(Base Transceiver Station:基站收发器)和BSC(Base Station Controller:级站控制器)之间的链路。SGSN主要完成分组的路由寻址和转发,根据用户所处的位置不同,由相应服务区内的SGSN完成用户的服务请求。通过BTS,SGSN将业务流转发到MS(Mobile Station)。SGSN还有以下的功能:
  
  (1)身份验证,加密和差错校验;
  
  (2)负责管理GSM的移动性和到MS的逻辑链路;
  
  (3)分组的路由寻址和转发;
  
  (4)进行数据计费(Charging data);
  
  (5)连接HLR(Home Location Register:归属位置寄存器)、MSC(Mobile Switching Center:移动交换中心)和BSC。
  
  GGSN是GSM网络和外部公共数据网(如Inernet和X.25网络)之间的网关,GPRS协议在MS与GGSN之间建立一条基于IP协议的逻辑链路。GGSN完成不同网络之间数据格式、信令协议和地址信息的转换,以确保不同网络之间能够通信。所有GPRS网络用户的IP地址都存储在GGSN当中,路由计算与更新同样由GGSN来完成。GPRS在MSC与SGSN之间提供了一个接口,用来协调同时具有电路交换与分组交换能力的终端的信令。HLR包含GPRS的预约数据与路由信息,同时HLR将每个用户映射到一个或多个GGSN,从SGSN可以访问HLR。需要注意的是,对于漫游的终端,HLR可能处于与其当前所处SGSN不同的PLMN(Public land Mobile Network:公共陆地移动网)之中。
  
  BSC增加了一个新的功能模块:一个分组控制单元,用来控制分组信道。另外,BSC还有GPRS移动管理和GPRS寻呼的功能,同时也增加了与SGSN的业务和信令接口。GPRS可以使用相同的物理信道群为话音业务服务,这样在一个小区内便同时存在着GPRS信道和电路交换信道,其中一个电路交换信道分配给一个用户,而一个GPRS信道可以被多个用户共享。
  
  5 GPRS的终端
  GPRS中主要定义了如下3类终端:
  
  (1)A类终端能够同时处理电路交换和分组交换业务,并且两种业务相互独立。
  
  (2)B类终端在某一时刻只能处理电路交换或分组交换业务当中的一种,但是具备在两种模式间自动切换的能力。当一个基于电路交换的呼叫到达时,B类终端能够暂停对分组数据的处理,而后再恢复处理数据业务。
  
  (3)C类终端必须被人工设置为电路交换模式或分组交换模式,当它处于电路交换模式时,无法接收分组交换数据业务,反之亦然,还包括如下一些终端:
  
  1)运行支持TCP/IP协议的操作系统的膝上电脑和掌上电脑。
  
  2)基于WAP协议(无线应用协议),并且具有微浏览器的蜂窝电话。
  
  3)与一个中心系统通信的专用设备,比如自动售票机,天气观测站,交通监视系统等;
  
  4)出租车公司或运输公司的嵌入式支持系统。
  
  6 GPRS应用
  GPRS有许多应用,总体上可以将它们分为水平应和垂直应用。垂直应用是为了满足用户特殊的商业需要,水平应肜则是普通的应用。垂直应用与水平应用有着不同的市场驱动力。
  
  水平应用主要是移动Internet和Intranet的访问。Intranet的发展非常快,目前许多公司内部的通信越来越多地依赖于Intranet。许多大公司已经安装了内部的WEB服务器,或者正地考虑建立一个这样的服务器。最常见的Intranet应用包括:访问公司的电子邮件、共享的文档和数据;进行售后服务和客户支持;实施多媒体的雇员培训;发布公司新闻、价格清单和订货信息等。
  
  垂直应用主要是面向一个公司或一个特殊的用户群,GPRS给垂直应用的开发带来了巨大的机遇。垂直应用包括:售货机、彩票机和自动售票机;动态交通管理,动态交通信号管理;警力调度;医疗急诊;报警和监控系统;遥测技术;工业过程测量;金融、股票信息服务等。垂直应用的投资所产生的效益很明显,并能能够显著提高生产效率;水平应用虽然拥有巨大的用户群,但投资效益不明显。
  
  在我国,1999年11月第一个GPRS/WAP实验网在杭州宣告成立。目前,该网已正式投入商业试运行。通过该网,手机、手提电脑、掌上电脑等终端设备可以访问浙江移动内部网、因特网、收发E-mail、进行网上交易、传送文件等,真正实现了端到端的分组数据业务。而且该试验网已和WAP网关相通,可通过GPRS技术用支持WAP的手机浏览浙江移动内部服务器上的WAP主页。GPRS试验为GPRS网络的全面商用打下了良好的基础,并为GSM网络向3G过渡创造了有利的条件。
  
  7 GPRS存在的问题及其对策
  在GPRS系统中,通信带宽是一种宝贵的资源,因此应尽量减少应用程序与操作系统之间的通信业务量。为了有效利用GPRS的通信信道,可以采取如下的措施。
  
  (1)尽量减少业务很小的会话:GPRS的时延较长,有时可达500ms,所以请求/应答的次数应尽可能少。例如,装入一页包含10幅小图像的主页,仅仅是等待服务器的响应应可能浪费5s。一种解决方法是将多少个少量数据包封装到一个分组中并一次发送给客户端。
  
  (2)数据压缩:数据压缩可以显著提高带宽的利用率。压缩率与数据的类型有关,例如,纯英文文本可以被压缩到原来大小的20%。但是数据压缩要求发送者必须压缩数据,接收者必须解压数据,这对移动终端来说也许是一个难题,因为移动终端的处理能力有限,存储容量也有限。
  
  (3)在本地缓存常用的信息:在本地高速缓存中存储信息是一种非常有效的减少响应时间的做法,但是需要采取一些方法来保证信息及时的得到更新。目前很多浏览器都已使用这种技术,一些服务器将其数据库的一个备份存储在本地,当服务器上的数据库被修改后它也能自动地更新,这对GPRS来说非常理想,因为GPRS应用的一个客户端总是处于在线状态。
  
  (4)使用代理服务器:GPRS协议要求客户端与服务器之间进行大量的通信,如果使用代理服务器,那么这种情况能够得到明显的缓解。在代理服务器的方式下,主要的处理过程在代理服务器与服务器之间完成,而不象以前是在服务器与移动台之间完成。一旦处理结束,操作结果被返回给移动台。这极大地减少了客户端与服务器之间的通信量,由此也节约了宝贵的无线资源。同时通过代理服务器能够完全地访问公共资源。但是需要注意的是,代理服务器运行在局域网上,使用的局域