前言
全球行动通讯系统 (Global System for Mobile Communications, GSM) 是欧洲电信标准协会 (European Telecommunications Standard Institute)制定订的数位蜂巢行动网路的标准。它是目前世界上最受欢迎的第二代蜂巢式行动通讯系统,据GSM MoU联盟的统计,到1997年底为止,全世界已经有多达237个网路供应商提供GSM服务,客户的数目也已经高达6千6百万,约占全世界无线服务市场的31%,是目前世界上居于领导地位的行动通讯系统。从技术标准的建立来看,GSM技术的标准化过程大概可分为几个阶段:第一阶段的技术标准主要的目标是引进GSM服务并使其成功的商用化,这部分的工作主要包括基本的电话服务及短讯(Short Message) 服务的制订及引进,此阶段约完成于1992年;到了1996年,第二阶段已经完成了原先GSM所预期需要达成的目标,并且建立了增进现有GSM技术的架构。就目前来说,GSM的标准化过程已经进入2+的阶段,此阶段的任务包括了完成提升语音编码技术、提供更进步的数据通讯服务等大量的计画。
为了上述目地,在1994年开始了GPRS的制订工作,原先预定在1997年年底能完成所有的规格制订,但实际上在1998年才提出完整的GPRS相关协定。其实就如同其他分封数据服务一样,GPRS的目的是要能够有效的容纳具丛集(Bursty)特性的数据服务。 GPRS技术的主要目的是让GSM用户能够以动态且具弹性的方式,使其分封数据服务能与其他的GSM服务一同分享有限的频宽。也就是说,GPRS要能够与现有的电话服务及线路交换数据服务共用GSM的频段,并且希望能够利用现有GSM系统的实体层特性,最重要的是分时多工(Time-Division Multiple Access, TDMA )的码框架构、调变技术,以及GSM时槽的架构,来提供高速的数据服务。
《图二 GPRS的传输协议》 - BigPic:555x421 |
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GPRS架构
GPRS的系统架构如(图一)所示,其中用来处理语音信号与讯号传输的MSC(Mobile Switching Center)系统,是属于原先的GSM网路的部份。而原本在GSM网路中储存与用户相关资料的资料库(包括VLR、HLR、AuC、和EIR),则必须再增加有关GPRS用户数据及路由所需的资讯。而基地台子系统(Base Station Subsystem, BSS)则可延用原本GSM网路的BSS系统,但要增加无线通道及服务品质的处理以及对封包流量控制等功能。此子系统包括基地台接收站(Base Transceiver Station, BTS)以及基地台控制器(Base Station Controller, BSC)。基地台接收站是负责与手机沟通时需要的主要空中介面,它的功用是在手机与基地台之间提供一个可靠的无线通道;至于基地台控制器则是负责分配无线电资源的使用,以及控制手机更换服务基地台(Handover)相关程序的主要核心。
《图三 SGSN以及GGSN的功能》 - BigPic:573x431 |
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另外,则有两个新系统不属于GSM网路而只存在GPRS的网路中,概称为GPRS支援节点(GPRS Support Node, GSN),它包含了GPRS支援节点通讯闸(Gateway GPRS Support Node, GGSN)以及GPRS服务支援节点(Serving GPRS Support Node, SGSN)两种系统。透过这些GPRS支援节点的协助,业者就可以在其现有的GSM公众陆地行动网路(Public Land Mobile Network, PLMN)中,提供独立的封包路由及传送功能。对外界的分封数据网路而言,GGSN就如同一个逻辑介面,提供GSM网路与其它数据网路的协定转换及路由寻找的功用,它的作用就如同GSM网路中主要负责交换功能的MSC相当。另外SGSN则负责将手机所送出的数据资料正确的送到相对应的GGSN,以期正确的传送到接收端终端机上,同样的,它也负责将GGSN所送来的封包正确无误的送达它服务范围内的各个手机。另外在传送与接收端之间的GSN是用IP作为传送PDU的骨干。这整个传送的程序在GPRS中是定义成「隧道」(Tunneling)。在GGSN中同时还会保存路由相关资讯,以便将PDU送到目前正在服务手机的SGSN中。而SGSN中与决定路由方式以及数据传输功能相关的所有GPRS用户资讯,则将会存放于HLR这个资料库之中。而这些GSN以及资料库连成的网路即称为GPRS的核心网路。
《图四 在SGSN中行动管理(MM)的状态图》 - BigPic:588x487 |
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GPRS核心网路系统
工研院电通所于民国89年接受经济部委托以两年时间来开发GPRS技术,主要目标之一即是开发GPRS的核心网路。而其中又以SGSN以及GGSN为核心网路中的主要开发系统元件。此两系统所使用的协定如(图二)所示。
两个GSN之间的沟通主要是透过GPRS隧道协定(GPRS Tunnel Protocol, GTP),其主要功用就是透过附加路由资讯的方式,将用户所传送的数据资料(也就是上层的X.25或IP应用程式的PDU)经由GPRS骨干网路来传送,下层则是采用目前广为使用的TCP/UDP (Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol)及IP(Internet Protocol)来作为传输的骨干,简单来说,就是利用目前常用IP路由的方式,让数据的传送更为方便。
另在SGSN及基地台之间,上层的主要沟通是透过SNDCP(Subnetwork-Dependent Convergence Protocol)来完成,它可将网路层的PDU,根据下层网路的不同需求,切割成一到多个LLC码框来达成协定转换的工作:除此之外,SNDCP还负责用户资料的多工及压缩、TCP/IP标头(Header)的转换,以及根据用户的QoS来决定传送的方式等工作。在SNDCP协定之下,则是采用GPRS所特有的基地台GPRS协定(BSS GPRS Protocol, BSSGP),它主要是负责在GGSN与基地台之间与决定路由及QoS有关的工作。最后在SGSN及基地台之间的传输部分则是透过现有分封交换网路的Frame Relay来达成。
至于基地台与手机所使用的RLC/MAC层的功用则是让上层的服务能够顺利的经由GPRS空中介面的实体层来传送。它定义了让数个手机能够同时共同分享相同传输介质的传送方式。其中 RLC层主要负责将资料透过空中介面(Air Interface)传送的过程以及错误更正的程序。在手机及基地台之间的MAC层主要负责管理由众多手机所尝试去存取的无线资源,并且在网路端决定无线资源分配的方式。以下我们将介绍GPRS核心网路中主要元件:SGSN以及GGSN的功能。
《图六 GPRS Attach程序》 - BigPic:560x437 |
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SGSN以及GGSN的功能
SGSN以及GGSN的功能如(图三)所示。 SGSN首要功能是做行动管理(Mobility Management, MM),主要是记录手机目前的状况,以及手机目前所处的位址。以便如果有外来的资料要送至该手机时,能很快的经由相对之管辖的基地台来将资料快速的送至该手机。至于为了随时知道手机的状况,在当手机开机进行GPRS Attach之后,SGSN会对该手机产生一状态记录机制,如(图四)所示。此时SGSN会记录手机处于Ready状态,此时如果手机要存取资料封包时,则要再进一步进行PDP Context Activation,来获得IP Address来存取网际网路上的资料封包。但如果手机此时并不要存取资料的话,则可能因为Ready Timer耗尽而进入Standyby状态,或因为手机进行GPRS Detach而进入Idle状态。在Standby状态中,可能因为接受其它手机的Page而经由送出Page Response再回到Ready状态,亦或因为闲置过久而直接跳回Idle状态。
另外SGSN也会记录手机进行PDP Context Activation的状态,如(图五)所示。一开始手机无资料存取时是处于INACTIVE状态中,但如果要收送资料的话则经由PDP Context Activation程序而进入ACTIVE状态。此时,便可进行网际网路的资料存取,一旦存取完后可经由PDP Context Deactivation程序而再回到INACTIVE状态。再者基地台到手机的无线传输频宽一定比SGSN到基地台的有线传输频宽小。因此,SGSN要做流量控制,以避免太多资料同时灌入基地台无法处理,而造成资料流失的现像。而在做流量控制的同时也可以记录手机所收送的资料封包数目。
至于GGSN因其为GPRS进入网际网路的Gateway,所以要具有GPRS核心网路与网际网路Interworking的功能。此外,这里是管理及给予IP address给手机的地方,所以须做所谓的Address Mapping。以便为了安全及管理上的目地,来将手机上的私有IP address对映到外面网际网路认得的IP address。最后因为手机的资料封包都会经过此处,故在此也可以来统计手机所存取的资料数,及频宽大小。
《图七 PDP Context Activation程序》 |
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GPRS核心网路的运作
接下来我们将来探讨GPRS的运作,特别是在核心网路的SGSN以及GGSN的处理过程。基本上手机开机后,如要使用GPRS服务的话,其需先进行GPRS Attach,然后要送收资料时再进行PDP Context Activation。之后便可从取网际网路上的资讯,然后如果不存取资料的话,则可进行PDP Context Deactivation。最后,如果不使用GPRS服务的话,则须再进行GPRS Detach程序。以下将就每一程序来做说明。
GPRS Attach
GPRS Attach程序一定是由手机起动,程序详述如(图六)所示。第一步手机发出Request讯息到SGSN。然后第二步进行使用者的试别码(IMSI)验证。然后,再拿使用者的资料到HLR进行详细的身份验证,这是第三步骤。第四步则进行手机位址的记录,然后在第五步骤中把并将这些使用者的资料从HLR拿出来放于SGSN中。最后在第六步回应位址的确认,以及第七步骤告知手机GPRS Attach程序的完成。
PDP Context Activation
《图八 PDP Context Deactivation程序》 |
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完成GPRS Attach之后,如果手机要送资料,或从外部网路有资料要送至手机时,均要驱使手机进行PDP Context Activation。所不同的是IP address的使用性。如果,是手机自己主动要送资料,则可经由PDP Context Activation,来取得一个动态的IP Address以连上网际网路。但如果手机本无PDP Context,而从网际网路有资料要送至手机时,此时手机必须获得的是固定的IP Address,如此网际网路的资料才知要把资料送至此GPRS网路中。
至于手机进行PDP Context Activation的程序如图七所示。首先手机发出Activate PDP Context Request讯息给SGSN,SGSN再发出Create PDP Context Request讯息给GGSN。然后GGSN回Create PDP Context Response给SGSN,SGSN再发出Activate PDP Context Accept讯息给手机。如此,便完成PDP Context Activation的程序。
PDP Context Deactivation
当手机不再收送资料时,其可进行PDP Context Deactivation。程序的启动可以是手机也可以是SGSN或GGSN。使用者如果已知不再进行资料存取的话,当然可经由手机启动PDP Context Deactivation的程序。另外如果SGSN或GGSN发现此手机停滞许久不送资料,为了网路资源,以及服务品质的衡量,也可能来启动PDP Context Deactivation程序。
由手机启动的运作方式如(图八)所示。手机先送出Deactivate PDP Context Request给SGSN,然后SGSN会送Delete PDP Context Request给GGSN。 GGSN会回Delete PDP Context Response给SGSN,然后SGSN再回Deactivate PDP Context Accept给手机。至于由SGSN或GGSN启动的程序与上述类似,但方向则不同,端视由谁发出的。
GPRS Detach
最后则是GPRS Detach。此程序启动可能有三种来源︰一为手机。当使用者觉得不再使用GPRS的服务时,便可启动GPRS Detach。另外可由SGSN启动。此是因为网路资源的关系。最后,也可由HLR启动。此便是因为使用者所买的服务到期,Operator便可直接经由HLR来启动。
由手机启动的运作方式如(图九)所示。手机先送出Detach Request给SGSN,然后SGSN会送Delete PDP Context Request给GGSN。 GGSN会回Delete PDP Context Response给SGSN,然后SGSN再回Detach Accept给手机。至于由SGSN启动的程序与上述类似,但方向则不同,Detach Request讯息变成由SGSN发给手机,由手机回Detach Accept给SGSN。至于Delete PDP Context讯息处里则与手机启动的程序相同。而由HLR启动的程序则与SGSN启动的程序类似讯息传递方向相同,只是SGSN先等HLR送Cancel Location讯息过来,然后才送出Detach Request讯息。接下来的运作均与SGSN启动的运作相同。
上述的动作是使用GPRS服务时所必须经过的程序。以此可看出在GPRS的使用上其实核心网路,特别是SGSN以及GGSN是伴演着一个幕后重要的角色。
核心网路未来发展趋势
GPRS核心网路不是建立完之后,在技术的发展就到此走入死胡同中。目前世界电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)已完成初版第三代行动通讯系统IMT-2000规格的制定,其主要便是根据目前GPRS的架构。因第三代行动电讯系统如图十所示,其核心网路仍然以SGSN以及GGSN为主,角色伴演上均与GPRS网路概念相同,但是内部所用协定则有不同。但还是可应用GPRS所开发的SGSN以及GGSN系统,再加以协定方面的修改以符合第三代行动电讯所需。
第三代行动通讯系统IMT-2000规格主要是根据目前GPRS的架构。因此GPRS已被视为从第二代系统跨入第三代必经的过程。对于现有第二代的行动通讯业者而言,未来只要更改基地台中部分的软体及硬体,在现有资料库如HLR、VLR部分稍做更动,并筹建GPRS核心网路特别是SGSN以及GGSN系统,如此便可以提供较具经济效益的分封数据服务,以增加营运的利润。对于手机制造商而言,也只需在现有的GSM规约中加入GPRS相关的规约,就能再度推出新的产品,未来如果再结合PDA等个人通讯产品,其市场将大有可为。
本文从技术的角度介绍GPRS相关的资讯,以及电通所所发展的GPRS核心网路,并经由GPRS运作的介绍来说明特别在SGSN以及GGSN系统的所须的运作以及技术的开发。目前国内许多厂商正在积极开发或推出GPRS手机的同时,我们也希望能建立GPRS的核心网路技术,并移转给国内厂商,以借此将完整的个人行动通讯技术及产业深植台湾。以利台湾能在第三代或以后的个人行动通讯产业技术上不落人后。为此我们希望能根据我们目前开发过核心网路的经验,来建立GPRS的整体网路测试平台,来提供国内手机业者内容提供者以及Operator的测试,欢迎有兴趣的产业界共襄盛举,以提升我产业技术层次。
《图十 第三代行动通讯系统》 - BigPic:581x426 |
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