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信息产业部数据通信科学技术研究所 祝 侃
本文描述有关移动通信网的发展过程和趋势，介绍我国第三代移动通信的最新发展情况。重点讨论了当前处于前沿的通用分组无线业务（GPRS）的发展和相关技术，以及现有GSM向第三代移动通信演进的策略。 一、前言 二十世纪90年代，第二代数字移动通信迅猛发展，人们对第三代移动通信提出了新的要求：它应该能实现全球漫游，同时应具备宽带的数据通信能力。我国的移动通信网络主要采用三种技术：模拟TACS系统、GSM900／1800双频系统和800MHz CDMA系统。 我国从1995年开始GSM的商用以来，发展速度非常迅猛。中国移动通信集团公司的GSM用户已超过2，400万，是世界上最大的GSM运营者。从今年开台，我国计划在全国范围内规模发展800MHz CDMA网络。预计到2003年CDMA网络容量将达到4，000万，用户将达2，800万。这样大的发展规模，单靠现有的技术和频段是很难满足需求的。巨大的移动通信市场和频谱资源的有限性促进了第三代移动通信的发展。 从业务角度看，移动通信和IP两个发展最快的领域的结合（移动多媒体通信），无疑是移动通信的发展方向。现有的第二代技术能力仅能满足话音和低、中速数据业务的需求；而以提供移动多媒体业务为特征的第三代移动通信，能提供高达2Mbit/s速率的业务，而且在频谱利用率和业务能力上都有明显提高，所以运营者会争取尽早提供第三代业务以取得竞争的优势。 数据网和通信网络融合的未来核心网络将采用IP结构。IP将是数据、话音、多媒体联网以及固定和移动应用的融汇层。核心IP技术的应用使得网络服务器可采用分布式，并允许第三方开发商扩展网络功能和提供增值应用。 大多数专家认为，未来的发展方向将是在GSM以话音为基础的运营模式上，以终端客户为核心，把具有增值意义的业务和应用加到GSM上来。在应用方面，将主要包括六种重要的应用：简单的信息、远程数据查询、信息接入、高质量的多媒体、广播业务及纵向的应用等。其中80％到90％都可以在现在的GSM网和GPRS（通用分组无线业务）上实现。GSM对话音业务提供了很好的支持，但不适合数据应用的开展。而把包交换引入GSM所形成的GPRS，则可以适应移动数据业务的发展，其突出的特点是多个用户可以共享一个信道，可以充分利用网络资源，另外，GPRS可以按照用户的需要来提供带宽，在无线接口上采用了宽带CDMA技术，以及大幅度提高数据传输速率。 如何才能更好地过渡到第三代移动通信呢？我国第二代的核心网络目前以GSM为主，所以我们希望第二代网络过渡到第三代的同时，还要实现他们之间的互联互通，以保证终端在不同网络之间的无缝漫游。 在当前GSM网络中引入移动数据业务，面临着如何在合理的投资成本下，实现业务市场快速启动和有效覆盖的问题。结合中国移动通信网络的实际情况，较为可行的方案是采取平滑演进策略，大体分三步走：即GSM-GPRS-3G。通过在移动关口局GMSC和MSC上集成IP网关，实现低速、中速移动因特网接入，并支持以智能网方式灵活、经济地提供各类IP业务。借助该方案，运营商能够根据用户需求，从关口局到端局，分阶段、分区域地扩大移动数据通信的业务覆盖范围，充分保护网络投资。 GPRS的引入策略为分阶段引入：先在发达城市、然后在各省级建骨干网（省间不互通）；之后建省内GPRS骨干网、省间部分互通漫游；接下来是全国GPRS互通漫游，最后发展国际GPRS漫游。GPRS的网络规划主要由网络的容量需求和GPRS业务支持节点SGSN、GPRS关口支持节点GGSN、分组控制单元PCU等的配置共同决定，GPRS骨干网络GSN可采用ATM或IP方式组网，基站可采用升级的GSM基站。SGSN与GPRS基站系统中的PCU可采用E1或帧中继方式连接，PCU可集成在BSC或GSN，PCU也可独立设置。GPRS基站系统采用A3、A5加密算法，在GTP接口采用IPSec加密，同时在与外网络互通处还设置防火墙。 二、通用分组无线业务技术 将在2000年初开启的通用分组无线业务（GPRS，General Packet Radio Service），作为迈向第三代个人移动通信系统的重要里程碑，将使移动通信与数据网络合二为一，使IP业务得以引入广阔的移动市场，GPRS是基本分组无线业务，采用分组交换的方式，数据速率最高可达164kbit/s，它可以给GSM用户提供移动环境下的高速数据业务，还可以提供收发Email、Internet创览等功能。 1． GPRS的功能和业务 GPRS是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入股务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络（如支持TCP／IP、X.25等网络）之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线IP和无线X.25业务。 GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达164 kbit/s。GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被GPRS数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。 要实现GPRS网络，需要在传统的GSM网络中引入新的网络接口和通信协议。目前GPRS网络引入GSN（GPRS Surporting Node）节点。移动台则必须是GPRS移动台或GPRS／GSM双模移动台。 根据欧洲ETSI的GSM第2＋阶段的建议，GPRS分为两个发展阶段（即PhaSe1和PhaSe2）。GPRS的PhaSel阶段将能支持下列功能和业务： .TCP／IP和X.25业务 .全新的GPRS空中接口加密技术 .GPRS附加业务 .增强型的短信业务（E-SMS） .GPRS分组数据计费功能，即根据数据量计费。上述功能业务中最显著的是TCP／IP和X.25功能。GSM网络可以通过TCP／IP和X.25为用户提供电子邮件、www浏览、专用数据、LAN接入等业务。 GPRS Phase2阶段的范围尚在制订之中，它将能提供更多的新功能和新业务。 2． GPRS的网络结构 GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。在现有的GSM网络中需要增加一些节点，如GGSN （Gateway GPRS Supporting Node，网关GPRS支持节点）和SGSN（Serving GSN，服务GPRS支持节点）。 GPRS网络参考模型如图：所示。GSN是GPRS网络中最重要的网络节点。GSN具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS寄存器。GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与GSM中的MSC集成在一起。 GSN有两种类型：一种为SGSN （Serving GSN，服务GSN），另一种为GGSN（Gateway GSN，网关GSN）。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN、PSPDN和LAN等。有的文献中，把GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP／IP或X.25网络。
图1 GPRS网络结构 另外，有的厂商提出了GR（GSMRegiSter，GPRS数据库）的概念、GR类似于GSM中的HLR，是GPRS业务数据库。它可以独立存在，也可以和HLR共存，由服务器或程控交换机实现。 GR这个名称在ETSl的建议中没有专门提及。 GPRS网结构中还引入下列新的网络接口： Gn，GSN主干网接口，用于各种GSN之间。 Gb，BSS和SGSN之间的接口。 Gr，SGSN和HLR之间的接口。 Gp，不同的GSM网络之间的接口。 Gs，SGSN和MSC之间的接口。 3． GPRS协议模型 移动台（MS）和SGSN之间的GPRS分层协议模型如图2所示。Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信协议有5层，自下面上依次为物理层、MAC（Mdium AcceSS Control）层、LLC（Logical Link Control）层、SNDC （Subnetwork Dependant Convergence）层和网络层。 Um接口的物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。GSM空中接口的载频带宽为200 kHz，一个载频分为8个物理信道。如果8个物理信道都分配为传送GPRS数据，则原始数据速率可达200 kbit/s。考虑前向纠错码开销，则最终数据速率可达164 kbit/s左右。 MAC为媒质接入控制层。MAC的主要作用是定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。GPRS的逻辑信道共有3类，分别是公共控制信道、分组业务信道和GPRS广播信道。公共控制信道用来传送数据通信的控制信令，具体又分为寻呼和应答等信道。分组业务信道用来传送分组数据。广播信道则是用来给移动台发送网络信息。
图2 GPRS协议模型 LLC层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议。LLC层负责在高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧。另外，LLC可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。BSS中的LLR层是逻辑链路传递层。这一层负责转送MS和SGSN之间的LLC帧。LLR层对于SNDC数据单元来说是透明的，即不负责处理SNDC数据。 SNDC被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定TCP/IP地址和加密方式。在SNDC层，移动台和SGSN之间传送的数据被分割为一个或多个SNDC数据包单元。SNDC数据包单元生成后被放置到LLC帧内。 网络层的协议目前主要是Phase 1阶段提供的TCP／IP和X. 25协议，这些协议对于传统的GSM网络设备（如BSS和NSS等设备）是透明的。 4．GPRS的路由管理 GPRS的路由管理是指GPRS网络如何进行寻址和建立数据传送路由。GPRS的路由管理表现在以下三个方面：移动台发送数据的路由建立移动台接收数据的路由建立以及移动台处于漫游时数据路由的建立。 对于第一种情况，如图3中的路径1所示，当移动台产生了一个PDU（分组数据单元），这个PDU经过SNDC层处理，称为SNDC数据单元。然后经过LLC层处理为LLC帧，通过空中接口送到GSM网络中移动台所处的SGSN。SGSN把数据送到GGSN。GGSN把收到的消息进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式（如PSPDN的PDU），最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。 在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动台，如图3中的路径2所示。首先通过数据网的标准协议建立数据网和GGSN之间的路由。数据网用户发出的数据单元（如PSPDN中的PDU），通过建立好的路由把数据单元PDU送给GGSN。而GGSN再把PDU送给移动台所在的SGSN，GSN把PDU封装成SNDC数据单元，再经LLC层处理为LLC帧单元，最终经空中接口送给移动台。 第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。如图3路由3所示。其数据必须经过归属地的GGSN，然后送到移动用户A。
图3 GPRS的路由管理 5.空中按口的信道构成 GPRS空中接口的信道构成如下： PDTCH（Pachet Data Traffic Channe1，分组数据业务信道）。这种信道用来传送空中接口的GPRS分组数据。 PPCH （Packet Paging Channe1，分组寻呼信道），用来寻呼GPRS被叫用户。 PRACH（Packet Randem Access Channel，分组随机接入信道）。GPRS用户通过PRACH向基站发出信道请求。 PAGCH（Packet Access Grant Channel，分组接入应答信道）。PAGCH是一种应答信道，对PRACH作出应答。 PACCH（Packet Asscrchted Control Channel，分组随路控制信道）。这种信道用来传送实现GPRS数据业务的信令。 移动台发送数据时的空中接口信道使用过程如图4所示。移动台接收数据时的空中接口信道使用过程如图5所示。
图4 移动台发送数据时的信道使用过程
图5 移动台接收数据时的信道使用过程 三、未来移动通信的展望 第三代移动通信所确定的技术标准格局，体现了国际标准一致性以便实现不同网络间漫游的初衷，同时也照顾到不同网络运营商向第三代系统演进的个性，是一个技术与市场需求相结合的方案，为第三代系统在全球的顺利构筑提供了基础。 如何考虑现有GSM网向第三代移动通信演进的策略，已经是十分紧迫的问题。GPRS是GSM向第三代移动通信系统平滑过渡的一个重要环节，GPRS对GSM及3G的前后向兼容性能够充分保护运营商和移动用户的利益。从GSM演进到UMTS，GPRS是一个非常关键的阶段。引入GPRS可以给运营商提供运营和开发的经验。 来源：中国电信网站
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