GPRS技术（二）

随着因特网应用范围的迅速扩大，人们对移动数据通信业务的需求不断增大，这使得GPRS设备市场不断升温。GPRS是一种基于GSM的新型移动分组数据承载业务，与目前的非话音移动业务相比，能够有效地提高频谱利用率和容量。上讲介绍了GPRS网络结构、功能及业务，本期介绍空中接口与无线资源管理。

　　7 空中接口概述

　　通用分组无线业务(GPRS)空中接口(Um)是移动台(MS)与GPRS固定网络之间的接口。MS通过该接口接入GPRS网络，并通过GPRS网络与Internet、X.25分组数据网和ATM网络相连。GPRS网络通过该接口向MS提供分组数据业务。无线资源管理(RRM)负责对无线信道分配与维护，使GSM无线资源由电路模式业务(如语音和数据)与GPRS共享。GPRS空中接口协议栈如图3所示。空中接口协议的主要处理功能是MS与BSS之间在物理层和RLC/MAC层上的通信。空中接口还包括逻辑链路控制(LLC)和子网相关会聚协议(SNDCP)层。

图3　空中接口协议栈

　　7.1 空中接口数据流

　　在空中接口协议栈中，应用层数据需通过网络层到物理层的各层进行相应的数据变换处理，变换成比特流在物理信道上传输。

　　各层的数据变换简述如下：

• 网络层(如IP/X.25)将网络层分组数据(N－PDU)传送到SNDCP层；
  
• SNDCP层将N－PDU处理成段送至LLC层；
  
• LLC层将上层的段作为信息数据，加上帧头(FH)和帧校验序列(FCS)形成帧，再送至下层；
  
• RLC/MAC层将帧分段，加上块头(BH)和块校验序列(BCS)形成RLC块，再送至物理层；
  
• 物理层有两个子层：PLL(物理链路子层)和RFL(物理射频子层)。PLL对RLC块进行信道编码形成无线块(Radio Block)，映射成突发(Burst)，加在物理信道(时隙)上，再由RFL调制到射频载波上发送。

　　7.2 有关协议层功能的说明

　　GPRS MS的无线分组数据接入的机理主要涉及RLC/MAC和RRM的功能以及信道的概念，这里先简要介绍SNDCP、LLC和物理层的基本功能。

　　(1) SNDCP层
　　SNDCP层在LLC层之上，支持网络层多个协议实体共享一条数据链路连接，亦即在网络相关业务与网络无关协议之间起映射作用。SNDCP的功能包括：网络层各协议数据复接、压缩、分段、加密等。SNDCP有确认与非确认两种数据传送模式。

　　(2)LLC层
　　LLC层在MS与网络(SGSN)之间提供高可靠性的逻辑链路。它支持空中接口上多个MS以及MS网络层上的多个协议实体。LLC的功能主要有：

• 支持多个逻辑链路连接，每个连接由DLCI(数据链路连接标识)标识。DLCI由<SAPI，TLLI>来定义，其中SAPI为LLC层与SNDCP层协议实体连接的服务接入点标识，TLLI为暂时逻辑链路标识。
  
• 对逻辑链路上的帧顺序控制。
  
• 对逻辑链路上的差错(包括传输、格式处理和操作的差错)进行检测与恢复。
  
• 对不可恢复的差错进行通知。
  

　　(3)物理层
　　RFL子层的功能是射频信号发送和接收、调制解调。PLL子层在RFL之上，为MS与网络的连接提供物理信道，并支持多个MS共享一个物理信道。PLL具有通信和控制两种功能：通信功能包括逻辑信道的复接和映射、信道编码、加密、物理链路的拥塞控制等；控制功能包括无线子系统的同步、无线链路信号质量监测、发送功率控制、节电控制等。

　　8 逻辑信道与物理信道

　　8.1 逻辑信道

　　GPRS无线子系统中的逻辑信道有两种类型：业务信道和控制信道(或信令信道)。后者又分为PBCCH(分组广播控制信道)、PCCCH(分组公共控制信道)和PDCCH(分组专用控制信道)3种。各种逻辑信道的功能如下。

　　(1)业务信道
　　PDTCH(分组数据业务信道)：单向(上行或下行)传送GPRS数据业务信息。

　　(2)控制信道

• PBCCH：广播分组数据专用的系统信息；
  
• PCCCH：传送分组数据的公共控制信令，该信道又分为PRACH(分组随机接入信道，上行)，用于MS请求接入网络时，以突发形式发送数据和信令；PPCH(分组寻呼信道，下行)，在下行分组传送之前利用该信道寻呼MS；PAGCH(分组接入准许信道，下行)，在分组传送建立阶段即分组传送之前，利用该信道发送资源分配消息给MS；PNCH(分组通知信道，下行)，在PTM－M分组传送之前，利用该信道发送一个PTM－M通知给一组MS。
  
• PDCCH：分组专用控制信道，该信道又分为PACCH(分组随路控制信道)，传送与MS有关的信令信息，如确认、功率控制、资源分配与再分配等，PACCH与PDTCH共享当前分配给一个MS的资源；PTCCH(分组定时提前量控制信道)，传送定时信息，使MS与基站能比较准确地估计时延以正确接收信息，PTCCH又分为两种：PTCCH/U(上行)使基站(BTS)能准确估计一个MS的时延；PTCCH/D(下行)用于多个MS同时更新传输时延。

　　8.2 物理信道

　　GSM/GPRS系统中每个载频上的比特流都被均匀划分成持续4.615ms(即1 250bit)的TDMA帧。每个TDMA帧再被均匀分成8个时隙，分别用时隙号(TN) 0至7表示，每个时隙持续567.9μs，即156.25bit。每个时隙对应于一个物理信道。由于GSM中引入了慢跳频技术，以提高抗多径干扰的能力，所以一个物理信道是由一系列TDMA帧、一个时隙号(TN)和一个跳频序列所定义。物理信道以分组形式传送信息(如数据业务和信令)，故称为PDCH(分组数据信道)。在GPRS中PDCH的组织采用52帧复帧(约240ms)结构。

　　每个时隙中的内容称为突发。GSM/GPRS系统中共有4种不同的突发：常规突发(NB)，承载所有业务信息和大部分信令信息；接入突发(AB)，用于MS建立与BTS的首次连接或越区切换；频率校正突发(FB)以及同步突发(SB)。

　　8.3 逻辑信道的复接和映射

　　在GPRS中物理信道的分配由RRM实体控制。逻辑信道的复接和映射以52帧复帧为基础，由RLC/MAC层控制(间接由RRM实体控制)，被动态映射在52帧复帧中，其形式比较灵活，也比较复杂，尤其是分组数据业务信道(PDTCH)和分组随路控制信道(PACCH)的复接和映射基本上是动态的，随时按需分配。

　　8.4 逻辑信道编码方案

　　在逻辑信道上传送的信息帧首先要经过编码，形成一系列数据块，然后再经过交织，加上盗用标志，加密后映射到相应的突发再传送。

　　GPRS有4种编码方案(CS1～CS4)，如表1所示。GPRS分组数据业务信道采用CS1～CS4,分组控制信道中除PRACH和PTCCH/U外均采用CS1。MS采用4种方案，而网络只用CS1。

表1　信道编码方案

　　信道编码操作分为4步：(1)为信息位检错加上块校验序列(BCS)；(2)对于CS2～CS4，对USF(上行状态标志)进行预编码；(3)添加尾比特；(4)对于CS1～CS3进行码率为1/2的卷积编码，再截短，最终形成456比特的无线块。

　　CS1～CS4的交织过程完全相同，各种控制信道和分组数据业务信道都采用块交织，这是因为这些信道的分配是动态的或者信道映射比较分散，使相邻突发出现时间间隔很长，为了控制传输时延，数据块要连续映射在信道上。

　　9 无线资源管理(RRM)

　　9.1 GPRS无线资源分配

　　RRM实体驻留在RLC/MAC层中，它负责对无线信道分配与维护，无线资源由电路业务(如语音和数据)与GPRS共享，即物理信道PDCH按“容量指配”原则进行动态分配，具体说明如下：

• 主从原则：至少一个PDCH作为主信道提供给PCCCH，以携带所有必要的控制信令来起始分组传送；其余的PDCH作为从信道，用作用户数据和专用信令的传送。
  
• 容量指配原则：GPRS并不永久占有PDCH，而是根据分组传送的实际需要来分配GPRS的容量。网络管理者也可以永久或暂时分配某些PDCH给GPRS。当GPRS负荷过重而引起PDCH拥塞且小区中有富余的资源时，网络能够分配更多的PDCH给GPRS。

　　9.2 PDCH的复帧结构

　　在GPRS中逻辑信道在物理信道PDCH上的映射是以52帧复帧结构为基础的，逻辑信道被动态映射到52帧复帧中，该复帧被划分为12个复帧块(B0～B11)、2个空闲帧和2个PTCCH帧，每块有4帧，每帧有8个时隙，每个时隙携带一个突发，如图4所示。

图4　52帧复帧结构

　　不同的逻辑信道可以共享一个物理信道PDCH。除PTCCH外，PDCH的共享是以无线块为基础的，一个无线块长456比特，包含4个连续的突发。B0块必须分配给PBCCH。PRACH根据PBCCH广播的信息参数动态(或固定)地映射到PDCH上。GPRS逻辑信道在52帧复帧中映射的概况如表2所示。

表2　GPRS逻辑信道映射到52帧复帧中PDCH上的概况

　　9.3 无线资源(RR)操作模式

　　RRM是由RR操作模式来表征的。RR操作模式有两种：

• 分组空闲模式：在该模式下，RLC层无TBF(暂时数据块流)存在。当上层要求传送LLC PDU时，启动TBF建立，并转移到分组传送模式。
  
• 分组传送模式：在该模式下，MS被分配RR可在一个或多个PDCH上提供TBF，可以连续传送LLC PDU。
  

　　10 RLC/MAC层

　　10.1 RLC/MAC的功能

　　媒体访问控制子层(MAC)的基本功能是对多个MS接入通信媒质进行有效的接入控制管理，具有如下功能：
?复接控制：在上下行链路上对数据和信令进行有效的复接控制。下行链路由一个调度机制来控制复接；上行链路由各用户的媒质分配(媒质接入模式)控制。

• 碰撞控制：包括碰撞检测和恢复。在上行链路上采用基于预留的时隙ALOHA协议进行控制，提高接入效率。
  
• 优先权处理。

　　10.2 RLC/MAC 操作模式

　　RLC/MAC有两种操作模式：

• 确认模式：利用TBF中的RLC块序列编号(BSN)，采用选择性自动请求重发(ARQ)重传机制，保证RLC数据块传输的可靠性。
  
• 非确认模式：无重传机制。

　　10.3 复接控制原理

　　复接控制涉及以下3个参数：

• TBF(暂时数据块流)：TBF是RLC/MAC层中两个RR对等实体之间的物理连接，它支持LLC PDU在一个或多个PDCH上单向传送。TBF由携带LLC PDU的RLC块组成，TBF是暂时的，仅在数据传送时存在。
  
• TBI(暂时数据块流标识)：用来标识TBF，由网络分配TBI。
  
• USF(上行链路状态标志)：USF用来控制多个MS在PDCH/U上复接。USF包含在每个下行PDCH的RLC块的头中。USF占3比特，有8种状态值，可用来预留上行链路资源给不同的MS，即允许多个MS共享一个上行PDCH，并控制它们轮流发送,从而实现多个MS在一个物理信道上的复用。
  

　　复接由下列3种媒质接入模式所控制：

• 动态分配模式:当MS检测到一个已分配PDCH上的USF值时，MS在同一个已分配PDCH上发送一个块或一个4块序列(发送块的数量由表征上行链路TBF的参数USF_GRANULARITY控制)。
  
• 扩展动态分配模式: MS顺序监测所有被分配的PDCH，当MS检测到一个已分配PDCH上的USF值时，MS在同一个已分配PDCH和所有编号更高的已分配PDCH上发送一个数据块或一个4块序列。该模式允许上行链路有更高吞吐量。
  
• 固定分配模式: 每个MS被分配给固定的无线资源而不分配USF。
  

　　任何GPRS网络都必须支持动态分配模式和固定分配模式,扩展动态分配模式对网络来说是可选的。同样MS也是如此。网络能判断MS的接入模式,保证两者相匹配。

　　11 移动台的分组数据传送

　　在MS进行分组数据传送之前必须先建立MS与网络之间的物理连接(即建立TBF),并以TBI来标识，在物理连接基础上的数据链路连接用TLLI来标识,然后进入分组数据传送阶段。MS与网络之间的分组数据传送可分3种情况：MS发起的(上行)、MS终接的(下行)和上下行同时。

　　11.1 MS发起的分组数据传送(上行)

　　(1) TBF建立阶段(上行接入阶段)

　　由MS在PCCCH上起始分组接入规程实现。当MS高层发出传送LLC PDU 请求时，则启动分组接入规程。该请求规定了与分组传送有关的参数(如吞吐量、RLC模式、无线优先权)，或者指出被传送的分组含有信令。

　　RLC/MAC层接收高层的传送LLC PDU请求后，在PRACH(或RACH)上向网络发送分组信道请求(Packet Channel Request)消息。网络在PAGCH(或AGCH)上做出响应。可以采用一阶段或二阶段分组接入法。

　　在一阶段接入中，网络接收到分组信道请求消息后，向MS发出分组上行链路分配(Packet Uplink Assignment)消息，在PDCH上预留资源用作上行无线块的传送。这种资源预留是根据分组信道请求消息中有关资源请求的信息进行的，可以在一个或多个PDCH上为TBF分配上行链路的资源。

　　在二阶段接入中，网络接收到分组信道请求消息后，也向MS发出分组上行链路分配消息，但预留资源只是用作MS发送分组资源请求(Packet Resource Request)消息。该消息携带上行分组传送所请求资源的全面描述。

　　网络收到该消息后，向MS发出分组上行链路分配消息，为上行分组传送预留资源，并定义有关分组数据传送的参数(如媒质接入模式)。然后，MS进入分组传送阶段。

　　如果MS在预定时间内没收到网络对分组信道请求消息的响应，那么MS在后退随机时间之后，再重试，直到最大允许重试次数为止。

　　(2)分组数据传送阶段

　　MS按照接入阶段预定的媒质接入模式在预留的PDCH(即PDTCH)上完成分组数据传输之后，由网络做出响应：当接收无误时，网络向MS发出ACK(确认)消息；否则发NACK(否认)消息，并请求错块重传，直到网络正确接收为止。

　　11.2 MS终接的分组数据传送(下行)

　　(1)下行TBF建立阶段

　　由下行分组传送的寻呼规程和分组下行分配规程实现。设MS处于分组空闲状态。当网络向MS传送分组时，在PPCH上向MS发分组寻呼请求(Packet Paging Reques)消息。MS为响应该消息起始一个类似分组接入规程的寻呼响应规程。网络在PAGCH上向网络发出分组下行链路分配(Packet Downlink Assignment)消息，网络在一个或多个PDCH上分配无线资源给MS以建立下行TBF，MS在PACCH上向网络发出分组寻呼响应(Packet Paging Response)消息。

　　(2)分组传送阶段

　　其操作过程类似于本文11.1中第(2)段所述的情况。

　　11.3上下行分组数据同时传送

　　(1)当上行TBF在进行分组传送时：MS连续监视下行PDCH上可能发生的分组下行链路分配消息，从而具有多时隙能力的MS可以在PDCH上同时接收下行分组数据。

　　(2)当下行TBF在进行分组传送时：若MS要求发送分组给网络，MS可以在其(向网络)发出的确认消息中指明这一点(不必发分组信道请求消息)，由网络分配上行资源给MS进行分组传送。