前言

《圖一　GPRS的架構》

全球行動通訊系統 (Global System for Mobile Communications, GSM) 是歐洲電信標準協會 (European Telecommunications Standard Institute)制定訂的數位蜂巢行動網路的標準。它是目前世界上最受歡迎的第二代蜂巢式行動通訊系統，據GSM MoU聯盟的統計，到1997年底為止，全世界已經有多達237個網路供應商提供GSM服務，客戶的數目也已經高達6千6百萬，約佔全世界無線服務市場的 31%，是目前世界上居於領導地位的行動通訊系統。從技術標準的建立來看，GSM技術的標準化過程大概可分為幾個階段：第一階段的技術標準主要的目標是引進GSM服務並使其成功的商用化，這部分的工作主要包括基本的電話服務及短訊(Short Message) 服務的制訂及引進，此階段約完成於1992年；到了1996年，第二階段已經完成了原先GSM所預期需要達成的目標，並且建立了增進現有GSM技術的架構。就目前來說，GSM的標準化過程已經進入2+的階段，此階段的任務包括了完成提升語音編碼技術、提供更進步的數據通訊服務等大量的計畫。

為了上述目地，在1994年開始了GPRS的制訂工作，原先預定在1997年年底能完成所有的規格制訂，但實際上在1998年才提出完整的GPRS相關協定。其實就如同其他分封數據服務一樣，GPRS的目的是要能夠有效的容納具叢集(Bursty)特性的數據服務。GPRS技術的主要目的是讓GSM用戶能夠以動態且具彈性的方式，使其分封數據服務能與其他的GSM服務一同分享有限的頻寬。也就是說，GPRS要能夠與現有的電話服務及線路交換數據服務共用GSM的頻段，並且希望能夠利用現有GSM系統的實體層特性，最重要的是分時多工(Time-Division Multiple Access, TDMA)的碼框架構、調變技術，以及GSM時槽的架構，來提供高速的數據服務。

《圖二　GPRS的傳輸協定》 - BigPic:555x421

GPRS架構

GPRS的系統架構如(圖一)所示，其中用來處理語音信號與訊號傳輸的MSC(Mobile Switching Center)系統，是屬於原先的GSM網路的部份。而原本在GSM網路中儲存與用戶相關資料的資料庫(包括VLR、HLR、AuC、和EIR)，則必須再增加有關GPRS用戶數據及路由所需的資訊。而基地台子系統(Base Station Subsystem, BSS)則可延用原本GSM網路的BSS系統，但要增加無線通道及服務品質的處理以及對封包流量控制等功能。此子系統包括基地台接收站(Base Transceiver Station, BTS)以及基地台控制器(Base Station Controller, BSC)。基地台接收站是負責與手機溝通時需要的主要空中介面，它的功用是在手機與基地台之間提供一個可靠的無線通道；至於基地台控制器則是負責分配無線電資源的使用，以及控制手機更換服務基地台(Handover)相關程序的主要核心。

《圖三　SGSN以及GGSN的功能》 - BigPic:573x431

另外，則有兩個新系統不屬於GSM網路而只存在GPRS的網路中，概稱為GPRS支援節點(GPRS Support Node, GSN)，它包含了GPRS支援節點通訊閘(Gateway GPRS Support Node, GGSN)以及GPRS服務支援節點(Serving GPRS Support Node, SGSN)兩種系統。透過這些GPRS支援節點的協助，業者就可以在其現有的GSM公眾陸地行動網路(Public Land Mobile Network, PLMN)中，提供獨立的封包路由及傳送功能。對外界的分封數據網路而言，GGSN就如同一個邏輯介面，提供GSM網路與其它數據網路的協定轉換及路由尋找的功用，它的作用就如同GSM網路中主要負責交換功能的MSC相當。另外SGSN則負責將手機所送出的數據資料正確的送到相對應的GGSN，以期正確的傳送到接收端終端機上，同樣的，它也負責將GGSN所送來的封包正確無誤的送達它服務範圍內的各個手機。另外在傳送與接收端之間的GSN是用IP作為傳送PDU的骨幹。這整個傳送的程序在GPRS中是定義成「隧道」(Tunneling)。在GGSN中同時還會保存路由相關資訊，以便將PDU送到目前正在服務手機的SGSN中。而SGSN中與決定路由方式以及數據傳輸功能相關的所有GPRS用戶資訊，則將會存放於HLR這個資料庫之中。而這些GSN以及資料庫連成的網路即稱為GPRS的核心網路。

《圖四　在SGSN中行動管理(MM)的狀態圖》 - BigPic:588x487

GPRS核心網路系統

工研院電通所於民國89年接受經濟部委託以兩年時間來開發GPRS技術，主要目標之一即是開發GPRS的核心網路。而其中又以SGSN以及GGSN為核心網路中的主要開發系統元件。此兩系統所使用的協定如(圖二)所示。

兩個GSN之間的溝通主要是透過GPRS隧道協定(GPRS Tunnel Protocol, GTP)，其主要功用就是透過附加路由資訊的方式，將用戶所傳送的數據資料(也就是上層的X.25或IP應用程式的PDU)經由GPRS骨幹網路來傳送，下層則是採用目前廣為使用的TCP/UDP (Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol)及IP(Internet Protocol)來作為傳輸的骨幹，簡單來說，就是利用目前常用IP路由的方式，讓數據的傳送更為方便。

《圖五　PDP Context狀態圖》

另在SGSN及基地台之間，上層的主要溝通是透過SNDCP(Subnetwork-Dependent Convergence Protocol)來完成，它可將網路層的PDU，根據下層網路的不同需求，切割成一到多個LLC碼框來達成協定轉換的工作：除此之外，SNDCP還負責用戶資料的多工及壓縮、TCP/IP標頭 (Header)的轉換，以及根據用戶的QoS來決定傳送的方式等工作。在SNDCP協定之下，則是採用GPRS所特有的基地台GPRS協定(BSS GPRS Protocol, BSSGP)，它主要是負責在GGSN與基地台之間與決定路由及QoS有關的工作。最後在SGSN及基地台之間的傳輸部分則是透過現有分封交換網路的Frame Relay來達成。

至於基地台與手機所使用的RLC/MAC層的功用則是讓上層的服務能夠順利的經由GPRS空中介面的實體層來傳送。它定義了讓數個手機能夠同時共同分享相同傳輸介質的傳送方式。其中 RLC層主要負責將資料透過空中介面(Air Interface)傳送的過程以及錯誤更正的程序。在手機及基地台之間的MAC層主要負責管理由眾多手機所嘗試去存取的無線資源，並且在網路端決定無線資源分配的方式。以下我們將介紹GPRS核心網路中主要元件：SGSN以及GGSN的功能。

《圖六　GPRS Attach程序》 - BigPic:560x437

SGSN以及GGSN的功能

SGSN以及GGSN的功能如(圖三)所示。SGSN首要功能是做行動管理(Mobility Management, MM)，主要是記錄手機目前的狀況，以及手機目前所處的位址。以便如果有外來的資料要送至該手機時，能很快的經由相對之管轄的基地台來將資料快速的送至該手機。至於為了隨時知道手機的狀況，在當手機開機進行GPRS Attach之後，SGSN會對該手機產生一狀態記錄機制，如(圖四)所示。此時SGSN會記錄手機處於Ready狀態，此時如果手機要存取資料封包時，則要再進一步進行PDP Context Activation，來獲得IP Address來存取網際網路上的資料封包。但如果手機此時並不要存取資料的話，則可能因為Ready Timer耗盡而進入Standyby狀態，或因為手機進行GPRS Detach而進入Idle狀態。在Standby狀態中，可能因為接受其它手機的Page而經由送出Page Response再回到Ready狀態，亦或因為閒置過久而直接跳回Idle狀態。

另外SGSN也會記錄手機進行PDP Context Activation的狀態，如(圖五)所示。一開始手機無資料存取時是處於INACTIVE狀態中，但如果要收送資料的話則經由PDP Context Activation程序而進入ACTIVE狀態。此時，便可進行網際網路的資料存取，一旦存取完後可經由PDP Context Deactivation程序而再回到INACTIVE狀態。再者基地台到手機的無線傳輸頻寬一定比SGSN到基地台的有線傳輸頻寬小。因此，SGSN要做流量控制，以避免太多資料同時灌入基地台無法處理，而造成資料流失的現像。而在做流量控制的同時也可以記錄手機所收送的資料封包數目。

至於GGSN因其為GPRS進入網際網路的Gateway，所以要具有GPRS核心網路與網際網路Interworking的功能。此外，這裡是管理及給予IP address給手機的地方，所以須做所謂的Address Mapping。以便為了安全及管理上的目地，來將手機上的私有IP address對映到外面網際網路認得的IP address。最後因為手機的資料封包都會經過此處，故在此也可以來統計手機所存取的資料數，及頻寬大小。

《圖七　PDP Context Activation程序》

GPRS核心網路的運作

接下來我們將來探討GPRS的運作，特別是在核心網路的SGSN以及GGSN的處理過程。基本上手機開機後，如要使用GPRS服務的話，其需先進行GPRS Attach，然後要送收資料時再進行PDP Context Activation。之後便可從取網際網路上的資訊，然後如果不存取資料的話，則可進行PDP Context Deactivation。最後，如果不使用GPRS服務的話，則須再進行GPRS Detach程序。以下將就每一程序來做說明。

GPRS Attach

GPRS Attach程序一定是由手機起動，程序詳述如(圖六)所示。第一步手機發出Request訊息到SGSN。然後第二步進行使用者的試別碼(IMSI)驗證。然後，再拿使用者的資料到HLR進行詳細的身份驗證，這是第三步驟。第四步則進行手機位址的記錄，然後在第五步驟中把並將這些使用者的資料從HLR拿出來放於SGSN中。最後在第六步回應位址的確認，以及第七步驟告知手機GPRS Attach程序的完成。

PDP Context Activation

《圖八　PDP Context Deactivation程序》

完成GPRS Attach之後，如果手機要送資料，或從外部網路有資料要送至手機時，均要驅使手機進行PDP Context Activation。所不同的是IP address的使用性。如果，是手機自己主動要送資料，則可經由PDP Context Activation，來取得一個動態的IP Address以連上網際網路。但如果手機本無PDP Context，而從網際網路有資料要送至手機時，此時手機必須穫得的是固定的IP Address，如此網際網路的資料才知要把資料送至此GPRS網路中。

至於手機進行PDP Context Activation的程序如圖七所示。首先手機發出Activate PDP Context Request訊息給SGSN，SGSN再發出Create PDP Context Request訊息給GGSN。然後GGSN回Create PDP Context Response給SGSN，SGSN再發出Activate PDP Context Accept訊息給手機。如此，便完成PDP Context Activation的程序。

PDP Context Deactivation

當手機不再收送資料時，其可進行PDP Context Deactivation。程序的啟動可以是手機也可以是SGSN或GGSN。使用者如果已知不再進行資料存取的話，當然可經由手機啟動PDP Context Deactivation的程序。另外如果SGSN或GGSN發現此手機停滯許久不送資料，為了網路資源，以及服務品質的衡量，也可能來啟動PDP Context Deactivation程序。

由手機啟動的運作方式如(圖八)所示。手機先送出Deactivate PDP Context Request給SGSN，然後SGSN會送Delete PDP Context Request給GGSN。GGSN會回Delete PDP Context Response給SGSN，然後SGSN再回Deactivate PDP Context Accept給手機。至於由SGSN或GGSN啟動的程序與上述類似，但方向則不同，端視由誰發出的。

《圖九　GPRS程序》

GPRS Detach

最後則是GPRS Detach。此程序啟動可能有三種來源︰一為手機。當使用者覺得不再使用GPRS的服務時，便可啟動GPRS Detach。另外可由SGSN啟動。此是因為網路資源的關係。最後，也可由HLR啟動。此便是因為使用者所買的服務到期，Operator便可直接經由HLR來啟動。

由手機啟動的運作方式如(圖九)所示。手機先送出Detach Request給SGSN，然後SGSN會送Delete PDP Context Request給GGSN。GGSN會回Delete PDP Context Response給SGSN，然後SGSN再回Detach Accept給手機。至於由SGSN啟動的程序與上述類似，但方向則不同，Detach Request訊息變成由SGSN發給手機，由手機回Detach Accept給SGSN。至於Delete PDP Context訊息處裡則與手機啟動的程序相同。而由HLR啟動的程序則與SGSN啟動的程序類似訊息傳遞方向相同，只是SGSN先等HLR送Cancel Location訊息過來，然後才送出Detach Request訊息。接下來的運作均與SGSN啟動的運作相同。

上述的動作是使用GPRS服務時所必須經過的程序。以此可看出在GPRS的使用上其實核心網路，特別是SGSN以及GGSN是伴演著一個幕後重要的角色。

核心網路未來發展趨勢

GPRS核心網路不是建立完之後，在技術的發展就到此走入死胡同中。目前世界電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)已完成初版第三代行動通訊系統IMT-2000規格的制定，其主要便是根據目前GPRS的架構。因第三代行動電訊系統如圖十所示，其核心網路仍然以SGSN以及GGSN為主，角色伴演上均與GPRS網路概念相同，但是內部所用協定則有不同。但還是可應用GPRS所開發的SGSN以及GGSN系統，再加以協定方面的修改以符合第三代行動電訊所需。

第三代行動通訊系統IMT-2000規格主要是根據目前GPRS的架構。因此GPRS已被視為從第二代系統跨入第三代必經的過程。對於現有第二代的行動通訊業者而言，未來只要更改基地台中部分的軟體及硬體，在現有資料庫如HLR、VLR部分稍做更動，並籌建GPRS核心網路特別是SGSN以及GGSN系統，如此便可以提供較具經濟效益的分封數據服務，以增加營運的利潤。對於手機製造商而言，也只需在現有的GSM規約中加入GPRS相關的規約，就能再度推出新的產品，未來如果再結合PDA等個人通訊產品，其市場將大有可為。

本文從技術的角度介紹GPRS相關的資訊，以及電通所所發展的GPRS核心網路，並經由GPRS運作的介紹來說明特別在SGSN以及GGSN系統的所須的運作以及技術的開發。目前國內許多廠商正在積極開發或推出GPRS手機的同時，我們也希望能建立GPRS的核心網路技術，並移轉給國內廠商，以藉此將完整的個人行動通訊技術及產業深植台灣。以利台灣能在第三代或以後的個人行動通訊產業技術上不落人後。為此我們希望能根據我們目前開發過核心網路的經驗，來建立GPRS的整體網路測試平台，來提供國內手機業者內容提供者以及Operator的測試，歡迎有興趣的產業界共襄盛舉，以提升我產業技術層次。

《圖十　第三代行動通訊系統》 - BigPic:581x426