第7章GPRS協(xié)議結(jié)構(gòu)

GPRS協(xié)議體現(xiàn)了無線和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的特征，其中既包含類似計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的邏輯鏈路控制（LLC）層和媒體接入控制（MAC）層，又包含無線鏈路控制（RLC）層和基站子系統(tǒng)GPRS協(xié)議（BSSGP）等新引入的特定協(xié)議。

本章主要內(nèi)容如下：

GPRS傳輸面和控制面協(xié)議結(jié)構(gòu)；

GPRS幀結(jié)構(gòu)，邏輯信道的分類、組合及映射，GPRS的多時(shí)隙特性；

GPRS的4種編碼方式（CS-1～CS-4），編碼方式的動(dòng)態(tài)選擇機(jī)制；

MAC層的功能及主要標(biāo)識(shí)符；

TBF的建立過程；

RLC層的功能及傳輸模式，數(shù)據(jù)塊的傳送過程；

LLC層的結(jié)構(gòu)、主要功能及主要標(biāo)識(shí)符；

SNDCP層的結(jié)構(gòu)和主要功能，NSAPI的應(yīng)用。

概述7.1物理層7.2RLC/MAC協(xié)議層7.3LLC協(xié)議層7.4SNDCP協(xié)議層7.57.1概述

GPRS網(wǎng)絡(luò)中各種網(wǎng)絡(luò)單元所包含的協(xié)議層次充分體現(xiàn)了無線和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的特征。

PCU協(xié)議結(jié)構(gòu)與無線接入、無線管理相關(guān)；GGSN協(xié)議結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理相關(guān)；SGSN協(xié)議結(jié)構(gòu)則涉及兩個(gè)方面，它既要連接PCU進(jìn)行無線系統(tǒng)和用戶管理，又要連接GGSN進(jìn)行數(shù)據(jù)單元的傳送。

SGSN中協(xié)議低層部分，如NS和BSSGP層與無線管理相關(guān)，高層部分，如LLC和SNDCP則與數(shù)據(jù)管理相關(guān)。

GPRS網(wǎng)絡(luò)允許和現(xiàn)存的Internet網(wǎng)絡(luò)互通，用戶通過網(wǎng)關(guān)GGSN連接到互聯(lián)網(wǎng)，GGSN提供相應(yīng)的動(dòng)態(tài)地址分配、路由、名稱解析、安全和計(jì)費(fèi)等功能，完全實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)功能。

GPRS協(xié)議結(jié)構(gòu)分為傳輸平面和控制平面兩個(gè)方面。

傳輸平面提供用戶信息傳送，主要由GTP、IP、LLC和RLC協(xié)議等分別構(gòu)成GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸模式，也提供相關(guān)信息傳送控制過程（如流量控制、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)等）的分層協(xié)議?？刂破矫鎰t包括控制和支持傳輸平面功能的協(xié)議。

7.1.1

GPRS傳輸平面協(xié)議層

圖7-1

GPRS傳輸平面協(xié)議層

1．GPRS傳輸平面分層結(jié)構(gòu)（1）Um接口（2）Gb/Gn接口

2．MS到SGSN間的分組數(shù)據(jù)處理

MS到SGSN間的應(yīng)用層IP數(shù)據(jù)包處理由SNDCP和LLC層負(fù)責(zé)，數(shù)據(jù)處理過程如圖7-2所示。

圖7-2

MS到SGSN間的分組數(shù)據(jù)處理

3．MS到GGSN間的分組數(shù)據(jù)傳輸

7.1.2

GPRS控制平面協(xié)議層

GPRS控制平面協(xié)議層包括控制和支持傳輸平面功能的協(xié)議，具體為GPRS網(wǎng)絡(luò)接入連接控制（附著與去附著過程）；GPRS網(wǎng)絡(luò)接入連接特性（PDP上下文激活和去激活）。

為了支持用戶移動(dòng)性，管理已建立網(wǎng)絡(luò)接入連接的路由選擇；根據(jù)QoS參數(shù)的變化，控制網(wǎng)絡(luò)資源的分配；能提供附加業(yè)務(wù)等。GPRS控制面包括不同接口上不同的協(xié)議結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要講述MS與SGSN之間的協(xié)議特點(diǎn)。

1．MS與SGSN之間的協(xié)議

圖7-3

MS-SGSN控制平面協(xié)議層

（1）GMM/SM的作用 ①GPRS移動(dòng)性管理（GPRSMobilityManagement，GMM）協(xié)議支持移動(dòng)性管理功能，比如GPRS附著、去附著、安全性、RA更新和LA更新等。

②會(huì)話管理（SessionManagement，SM）協(xié)議支持PDP激活、去激活和PDP上下文修改等。

（2）MS和SGSN之間傳輸平面與控制平面的區(qū)別

圖7-4

LLC層結(jié)構(gòu)

2．其他接口控制平面協(xié)議分層（1）基于SS7的接口（2）GSN間接口

圖7-5

GSN-GSN信令面7.2物理層

GPRS網(wǎng)絡(luò)采用與GSM網(wǎng)絡(luò)相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。

GPRS規(guī)范中，在物理鏈路層引入了新的邏輯信道、復(fù)幀結(jié)構(gòu)和編碼方式。為了在誤碼率和吞吐量間達(dá)到平衡，引入了鏈路適配機(jī)制調(diào)整編碼方案。

7.2.1

GPRS幀結(jié)構(gòu)

GSM系統(tǒng)中，復(fù)幀是由固定數(shù)目的TDMA幀組合在一起以實(shí)現(xiàn)特定功能的集合。

GSM系統(tǒng)中使用的物理信道和邏輯信道的概念、映射關(guān)系仍然適用，GPRS與GSM不同的地方在于GPRS網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)的配置邏輯信道向物理信道的映射，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷自適應(yīng)的分配或釋放無線資源。

GPRS系統(tǒng)中的52復(fù)幀由12個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)的無線塊（B0～B11），2個(gè)用于傳輸定時(shí)提前量的TDMA幀（X）以及兩個(gè)用于進(jìn)行鄰區(qū)BSIC測(cè)量的TDMA幀（I）組成，如圖7-6所示。

圖7-6

GPRS系統(tǒng)中52復(fù)幀結(jié)構(gòu)組成

7.2.2

GPRS邏輯信道

1．GPRS邏輯信道分類

圖7-7

GPRS系統(tǒng)中的邏輯信道

（1）分組業(yè)務(wù)信道（2）分組控制信道 ①分組公共控制信道（PCCCH） ②分組廣播控制信道（PBCCH） ③分組專用控制信道（PDCCH）

2．GPRS邏輯信道的組合和映射（1）GPRS邏輯信道的組合（2）GPRS邏輯信道映射舉例

圖7-8邏輯信道映射圖

7.2.3

GPRSMS多時(shí)隙特性

GPRS系統(tǒng)重要的特點(diǎn)之一是在空中接口可進(jìn)行多時(shí)隙復(fù)用。多時(shí)隙復(fù)用指通過多個(gè)分組業(yè)務(wù)信道及其相關(guān)的控制信道的組合提高數(shù)據(jù)速率。

GPRS系統(tǒng)允許采用最多8個(gè)時(shí)隙分別進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作，它們具有不同的時(shí)隙號(hào)（TN）、相同的頻率參數(shù)（ARFCN，即同一載頻）和相同的訓(xùn)練序列（TSC）。

MS收發(fā)所使用的不同時(shí)隙數(shù)決定了MS的不同上下行特性，具體可用時(shí)隙數(shù)取決于MS的多時(shí)隙能力和網(wǎng)絡(luò)資源分配情況。

1．GPRS多時(shí)隙特性（1）MS多時(shí)隙特性分類

a）=1使用跳頻或從Rx轉(zhuǎn)到Tx；=0不使用跳頻或不從Rx轉(zhuǎn)到Tx。

b）=1使用跳頻或從Tx轉(zhuǎn)到Rx；=0不使用跳頻或不從Tx轉(zhuǎn)到Rx。

N/A不可用。

（2）MS多時(shí)隙特性參數(shù) ①Rx ②Tx、 ③

Tx+Rx

④Tta

⑤Ttb

⑥Tra

⑦Trb

2．多時(shí)隙MS的使用 對(duì)于多時(shí)隙級(jí)別12，如表7-1所示，在一個(gè)TDMA幀中，它最多可以采用4個(gè)時(shí)隙分別進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)工作（Rx=4，Tx=4），其收發(fā)可用時(shí)隙總數(shù)Sum為5。

MS用于執(zhí)行鄰近信道信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量并準(zhǔn)備發(fā)送的最小時(shí)隙數(shù)Tta為2，準(zhǔn)備發(fā)送的最小時(shí)隙數(shù)Ttb為1，MS執(zhí)行鄰近信道信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量并準(zhǔn)備接收的最小時(shí)隙數(shù)Tra為2，準(zhǔn)備接收的最小時(shí)隙數(shù)Trb為1。

多時(shí)隙級(jí)別為12時(shí)，MS多時(shí)隙可能配置情況如圖7-9所示。

圖7-9

MS多時(shí)隙可能配置情況（類型1/多時(shí)隙級(jí)別12）

7.2.4

GPRS編碼方式 每個(gè)無線數(shù)據(jù)塊是由4個(gè)突發(fā)脈沖組成的，1個(gè)突發(fā)脈沖能承載114bit的信息，那么一個(gè)無線塊可以承載456bit的信息，這些信息中即包括數(shù)據(jù)信息也包括編碼信息。

信道編碼完成糾錯(cuò)功能，為可靠性傳輸提供保障。

除了GSM系統(tǒng)所使用CS-1信道編碼方式外，GPRS系統(tǒng)引入了另外3種新的編碼方式，分別為CS-2、CS-3和CS-4。

移動(dòng)終端需要支持所有四種編碼方式。

1．RLC/MAC數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)

圖7-10

RLC/MAC塊結(jié)構(gòu)

2．CS-1編碼方式

圖7-11

CS-1編碼過程

3．CS-2和CS-3編碼方式

圖7-12

CS-2/3編碼過程

4．CS-4編碼方式

圖7-13

CS-4編碼過程

5．編碼速率

6．GPRS編碼方式的動(dòng)態(tài)選擇

GPRS系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸既要保證快速性，又要保證準(zhǔn)確性，所以如何根據(jù)無線環(huán)境動(dòng)態(tài)地進(jìn)行編碼方式的選擇是一個(gè)關(guān)鍵問題。

GPRS系統(tǒng)采用鏈路適配算法（LA）進(jìn)行動(dòng)態(tài)編碼方式的選擇，以保證系統(tǒng)較大的吞吐量和較低的誤碼率，從而提高系統(tǒng)性能。

（1）編碼方式的鏈路適配（LA）

圖7-14

GPRS鏈路性能

（2）GPRS系統(tǒng)編碼方式的選擇準(zhǔn)則 如何選擇合適的編碼方式，在保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上得到最大的吞吐量。一般采用兩種算法來執(zhí)行鏈路適配，分別為基于BLER的算法和基于CIR的算法。

①基于BLER的算法 ②基于CIR的算法7.3

RLC/MAC協(xié)議層

7.3.1

MAC層協(xié)議

1．MAC層功能

MAC層位于RLC層和物理層之間，通過直接與物理層連接完成信道資源共享管理、無線鏈路控制和媒體接入控制等功能，使得多個(gè)MS共享相同的傳輸媒體。

MAC層主要功能如下：（1）在上行鏈路上，當(dāng)多個(gè)MS同時(shí)申請(qǐng)接入時(shí)，對(duì)有限的物理資源進(jìn)行合理的分配。

（2）在下行鏈路上，MAC層對(duì)接入請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)并按序分配資源。（3）MAC層對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)處理，信令數(shù)據(jù)比用戶數(shù)據(jù)有更高的優(yōu)先級(jí)。

2．MAC層主要標(biāo)識(shí)符

當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，MAC層需要使用不同的標(biāo)識(shí)符，下面簡(jiǎn)介臨時(shí)塊流（TBF）、臨時(shí)流標(biāo)識(shí)（TFI）和上行鏈路狀態(tài)標(biāo)識(shí)（USF）。

（1）臨時(shí)塊流（TBF）（2）臨時(shí)塊流標(biāo)識(shí)（TFI）（3）上行鏈路狀態(tài)標(biāo)識(shí)（USF）

3．?dāng)?shù)據(jù)傳輸時(shí)MS的無線資源操作模式 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)MS的無線資源操作模式可通過是否擁有TBF予以區(qū)分。

MS的兩種MAC模式分別為TBF不存在時(shí)的分組空閑模式，MS被分配無線資源后采用TBF進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的分組傳輸模式。

（1）分組空閑模式下，MS沒有被分配分組物理信道資源，不存在TBF。（2）分組傳輸模式下，MS建立了TBF，它可以通過所分配的一組物理信道資源進(jìn)行上行或下行分組信息的傳輸工作。

4．信道分配方式（1）靜態(tài)方式（2）動(dòng)態(tài)方式

7.3.2

TBF的建立 無論MS要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)，首先需存在一個(gè)PDP上下文連接，網(wǎng)絡(luò)將為移動(dòng)臺(tái)分配獨(dú)立的、不對(duì)稱的無線資源。

無線資源的分配過程涉及到TBF的建立、MS無線資源管理狀態(tài)由分組空閑模式向分組傳輸模式的轉(zhuǎn)換、無線測(cè)量的實(shí)行等。

如果小區(qū)中存在PCCCH，小區(qū)中所有的移動(dòng)用戶將使用PCCCH信道接入網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，MS根據(jù)系統(tǒng)消息類型13中的信息，采用8bit或11bit的接入突發(fā)傳送信息內(nèi)容。

使用PCCCH時(shí)，MS可以明確表明接入原因、多時(shí)隙特性、所需的塊數(shù)、無線權(quán)限等。當(dāng)小區(qū)中不存在PCCCH時(shí)，如果處于分組空閑模式的MS建立上/下行TBF，需要在CCCH上執(zhí)行。

本節(jié)主要介紹CCCH信道上建立上/下行TBF的過程。

1．上行TBF的建立（1）上行TBF建立的原因（2）CCCH上上行TBF的建立 ①CCCH上一步接入過程

圖7-15

CCCH上一步接入過程

②CCCH上兩步接入過程

圖7-16

CCCH上兩步接入過程

2．下行TBF的建立

圖7-17下行TBF的建立過程

7.3.3

RLC層協(xié)議

1．RLC層功能

RLC層是LLC層和MAC層之間的接口，負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)往空中接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和解封裝。

由于LLC層幀太長(zhǎng)不便于發(fā)送，RLC層將LLCPDU分段組成若干RLC/MAC數(shù)據(jù)塊。一個(gè)數(shù)據(jù)塊序號(hào)（BSN）標(biāo)示每一個(gè)RLC/MAC塊，用來安排RLC塊的先后順序，BSN包含在RLC塊的域中。

RLC層收到RLC塊后，將RLC包頭剝離出來，RLC層將改變這些數(shù)據(jù)塊的順序，對(duì)RLC塊重組，形成LLC幀。

RLC層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)塊通過無線接口的傳輸，同時(shí)還采用自動(dòng)請(qǐng)求重傳機(jī)制（ARQ）執(zhí)行后向錯(cuò)誤校正（BEC）功能。

2．RLC層傳輸模式

RLC層支持兩種傳輸模式，即RLC確認(rèn)模式和RLC非確認(rèn)模式。

3．RLC數(shù)據(jù)塊的傳送（1）確認(rèn)模式時(shí)RLC數(shù)據(jù)塊的傳送 ①上行RLC數(shù)據(jù)塊的傳送 ②下行RLC數(shù)據(jù)塊的傳送（2）非確認(rèn)模式時(shí)RLC數(shù)據(jù)塊的傳送7.4

LLC協(xié)議層

1．LLC層結(jié)構(gòu)及功能

LLC層的主要功能為：

（1）支持序列控制、順序發(fā)送、流量控制；（2）通過引入幀校驗(yàn)序列（FCS），提供傳輸錯(cuò)誤檢測(cè)和重傳等功能；

（3）通過加密功能保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，在MS和SGSN間提供了一條可靠的加密邏輯鏈路；（4）LLC層還可以采用可變幀長(zhǎng)，支持確認(rèn)性和非確認(rèn)性數(shù)據(jù)傳輸模式。

圖7-18

LLC層結(jié)構(gòu)

2．LLC層主要標(biāo)識(shí)符（1）LLC層業(yè)務(wù)接入點(diǎn)標(biāo)識(shí)（SAPI）（2）臨時(shí)邏輯鏈路標(biāo)識(shí)符（TLLI）

7.5

SNDCP協(xié)議層

1．SNDCP層結(jié)構(gòu)和功能

SNDCP層位于網(wǎng)絡(luò)層與LLC層之間，提供了對(duì)協(xié)議的透明性。

它可支持不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如X.25、IP等多種協(xié)議，可以在不更改GPRS協(xié)議的基礎(chǔ)上引入新的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。

SNDCP提供了多種業(yè)務(wù)的接入功能，從而保證了在引入新業(yè)務(wù)時(shí)，無須進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)的變動(dòng)。

SNDCP層通過對(duì)使用相同應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的用戶提供壓縮功能，提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。SNDCP層結(jié)構(gòu)圖如圖7-19所示。

圖7-19

SNDCP層結(jié)構(gòu)

2．網(wǎng)絡(luò)層業(yè)務(wù)接入點(diǎn)（NSAPI）的作用 網(wǎng)絡(luò)層業(yè)務(wù)接入點(diǎn)（NSAPI）為使用SNDCP業(yè)務(wù)的PDP上下文的索引，它用于對(duì)SNDCP層提供的業(yè)務(wù)的PDP類型地址組合進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

MS在激活PDP時(shí)動(dòng)態(tài)分配NSAPI，NSAPI通過原語由SM子層傳輸至SNDCP子層，發(fā)送側(cè)SNDCP實(shí)體將在每個(gè)N-PDU中插入NSAPI值，對(duì)等SNDCP實(shí)體之間使用NSAPI標(biāo)定N-PDU。

圖7-20

NSAPI和TLLI的組合示例

小結(jié)（1）GPRS協(xié)議結(jié)構(gòu)分為傳輸平面和控制平面。傳輸平面提供用戶信息傳送及相關(guān)信息傳送控制過程。

GPRSUm接口傳輸平面協(xié)議層包括GSMRF層、媒體接入層（MAC）、無線鏈路控制層（RLC）、邏輯鏈路控制層（LLC）和子網(wǎng)匯聚層（SNDCP）。

控制平面協(xié)議層則包括控制和支持傳輸平面功能的協(xié)議，控制平面協(xié)議層還包括基于SS7的接口和GSN間接口。MS和SGSN之間傳輸平面與控制平面的區(qū)別在于SNDCP和LLC層。

（2）GPRS系統(tǒng)中，一個(gè)物理信道指一個(gè)分組數(shù)據(jù)信道（PDCH），由其所在的頻點(diǎn)和時(shí)隙決定。同一PDCH上的4個(gè)連續(xù)普通突發(fā)組成無線塊，用于承載邏輯信道，傳輸信令或數(shù)據(jù)。

GPRS系統(tǒng)中的52復(fù)幀由12個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)的無線塊（B0～B11），兩個(gè)用于傳輸定時(shí)提前量的TDMA幀以及兩個(gè)用于進(jìn)行鄰區(qū)測(cè)量的TDMA幀組成。

從邏輯信道到物理信道的映射遵循特定的順序，它表示特定PDCH類型占用數(shù)據(jù)塊的順序。

（3）GPRS的邏輯信道分為業(yè)務(wù)信道和控制信道兩大類，分組控制信道主要分為三類：分組廣播控制信道（PBCCH）、分組公共控制信道（PCCCH）和分組專用控制信道（PDCCH）。

可以將某個(gè)載頻上的某些時(shí)隙設(shè)置為GPRS專用信道，這些時(shí)隙所對(duì)應(yīng)的分組邏輯信道可以有不同的組合方式。邏輯信道組合后映射到基本的物理信道，通過復(fù)幀結(jié)構(gòu)予以傳輸。

（4）GPRS系統(tǒng)重要的特點(diǎn)之一是在空中接口可進(jìn)行多時(shí)隙復(fù)用。GPRS系統(tǒng)允許采用最多8個(gè)時(shí)隙分別進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作。

MS收發(fā)所使用的不同時(shí)隙數(shù)決定了MS的不同上下行特性，規(guī)范中多時(shí)隙MS根據(jù)其收發(fā)特性的不同分為29種。并且根據(jù)其收發(fā)使用時(shí)間分為類型1和類型2兩類移動(dòng)終端。

（5）GPRS網(wǎng)絡(luò)引入了3種新的信道編碼方式。PDTCH可以使用從CS-1～CS-4的4種編碼方式，而其他的PDCH信道，只使用CS-1編碼方式。

GPRS系統(tǒng)中由于RLC/MAC包頭和數(shù)據(jù)塊中所包含的數(shù)據(jù)位不同，形成不同的編碼速率，對(duì)應(yīng)抗干擾能力有所差別。

為保證系統(tǒng)較大的吞吐量和較低的誤碼率，GPRS系統(tǒng)采用鏈路適配算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)編碼方式的選擇，編碼方式的選擇準(zhǔn)則一般采用基于BLER的算法和基于CIR的算法。

（6）MAC層位于RLC層和物理層之間，通過直接與物理層連接進(jìn)行信道資源共享管理、無線鏈路控制和媒體接入控制等，使得多個(gè)MS能共享相同的傳輸媒體。

當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，MAC層用到的主要標(biāo)識(shí)符有臨時(shí)塊流（TBF）、臨時(shí)流標(biāo)識(shí)（TFI）和上行鏈路狀態(tài)標(biāo)識(shí)（USF）等。

（7）數(shù)據(jù)傳輸時(shí)MS的無線資源操作模式可通過是否擁有TBF予以區(qū)分。MS的兩種MAC模式分別為TBF不存在時(shí)的分組空閑模式，MS被分配無線資源后采用TBF進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的分組傳輸模式。

無論MS要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)，建立PDP上下文連接后，網(wǎng)絡(luò)將為移動(dòng)臺(tái)分配獨(dú)立的、不對(duì)稱的無線資源，涉及上/下行TBF的建立、MS無線資源管理狀態(tài)由分組空閑模式向分組傳輸模式的轉(zhuǎn)換、無線測(cè)量的實(shí)行等。

（8）RLC層是LLC層和