GPRS技术(三)

作为一种重要的移动数据业务，GPRS能够确保分组模式数据应用的成本效益和网络资源的有效利用，可以使网络运营商以一种动态和灵活的方式最大可能地利用他们的网络资源。本期将讲述GPRS技术的最后一讲：GPRS的移动性管理与路由管理。
　　前两期已述：GPRS的网络结构、功能与业务，GPRS的空口接口与无线资源管理。

　　12 GPRS移动性管理与分组路由管理概述

　　在GSM数字蜂窝网中，移动台(MS)要在移动状态下维持正常的通信(如语音、电路数据)，网 络必须要有移动性管理功能。构筑在GSM网络之上的GPRS网络传送的是分组数据，除了要有移动性管理功能之外，还必须有对GPRS分组数据动态路由的管理功能。GPRS的移动性管理(G MM)与GSM的移动性管理(MM)是完全兼容的。

　　(1)GPRS移动性管理功能

　　移动性管理功能实体驻留在MS－SGSN信令面协议栈的GMM/SM层中，如图5所示。该层包 含两个子层：GMM子层和SM(会话管理)子层。从原理上讲，移动性管理功能包括：

图5 MS－SGSN信令面

　　1、连接管理--为MS接入网络，建立两者GMM/SM层对等实体的通信。

• GMM连接管理：对MS与网络的连接进行管理，如MS的附着与分离、鉴权与加密；
• GSM连接管理：对用户的分组业务连接进行管理，如PDP上下文的激活、修改与去活。

　　2、位置管理--为网络提供跟踪MS位置的能力，维护通信的连续性。

　　(2)分组路由管理功能

　　为分组数据在GPRS无线接入网、核心网和骨干网中传送提供有效的选路机制。

　　(3)分组传送的一般过程

　　1、连接过程--MS在传送分组数据之前必须在MS与网络之间建立起低层的物理连接以及 高层的GMM连接和SM连接。

• 物理连接(RR连接)：该连接是指在空中接口RLC/MAC层中两个RR对等实体之间的TBF(暂时数据块流)。TBF的建立过程已在上一讲中介绍。
• GMM连接：MS向网络请求附着GPRS。附着过程在MS与SGSN之间建立逻辑链路，由GMM控制为MS分配一个TLLI(暂时逻辑链路标识)，对用户终端进行鉴权和加密，从而激活GMM上下文，完成GMM连接。
• SM连接：MS请求激活PDP上下文，作为传送分组数据路由的上下文。PDP上下文激活后，建立GPRS会话，即可进行MS收发分组数据。

　　2、位置更新过程--在会话过程中，网络不断跟踪MS位置，就执行位置管理功能，保持会话的连续性。

　　3、选路过程--无论MS移动到GPRS网络的任何位置，网络都可以利用隧道技术和封装技术为MS的分组数据传送进行有效地选路。

　　4、分离过程--当MS分组传送结束时，请求去活PDP上下文并分离GPRS。

　　13 管理的要素

　　13.1 移动性管理要素

　　(1)MM上下文

　　MM上下文是指GPRS用户在MS和GSN节点中存储的与MM有关的信息。这些用户的信息可分 两类：预订信息和位置信息。

　　(2)GMM主要规程

• GPRS附着规程：用于MS的GPRS业务的附着，有3种类型：GPRS附着、IMSI已附着时的GPRS附着以及联合GPRS/IMSI附着。当附着成功后，GMM上下文建立起来。
• GPRS分离规程：在分离过程完成之后，GMM上下文被释放。
• 鉴权与加密规程：网络利用该规程检验MS提供的标识是否合法、对MS提供的参数计算新的GPRS密钥，使网络设置加密模式和加密算法。

　　(3)位置管理规程

　　该规程使MS能检测何时进入一个小区或新的路由域(RA)，确定何时执行周期RA更新。

　　13.2 会议管理要素

　　(1)PDP上下文

　　PDP(分组数据协议)是外部PDN网与GPRS接口所用的网络协议。PDP上下文是在MS和GSN节 点中存储的与SM有关的信息。这些信息也可以分为预订信息和位置信息两类。

　　(2)静态和动态PDP地址

　　PDP地址是GPRS用户的网络层地址，与标准的网络层地址(如：IPv4地址、IPv6地址、X. 121地址)建立了临时或永久性的关联。PDP地址可以有3种方式分配给MS：

• 静态PDP地址：HPLMN将一个PDP地址永久性地分配给MS；
• 动态HPLMN PDP地址：当激活一个PDP上下文时，HPLMN才将一个PDP地址临时分配给MS；
• 动态VPLMN PDP地址：当激活一个PDP上下文时，VPLMN才将一个PDP地址临时分配给MS。

　　(3)APN的选择规则与映射

　　在GPRS核心网中，APN是所使用的GGSN的参考名，同时用来标识所接入的外部网络。在PDP上下文激活过程中，当MS向SGSN发出激活PDP上下文请求时，SGSN则依据APN选择规则选择一个APN。该规则是一个复杂的判决树。SGSN根据MS的3个请求参数(PDP类型、PDP地址、APN )与HLR中相应的3个预订参数比较判断。

　　SGSN以所选择的APN询问DNS服务器，由DNS映射得到GGSN的IP地址；同时SGSN向该GGSN 发送建立PDP上下文请求消息，以在SGSN与GGSN之间建立隧道。

　　(4) 隧道管理消息(包括建立、更新和撤消隧道的消息)。

　　建立隧道的消息包括Create PDP Context Request和Create PDP Context Response两个消息。

　　(5)SM规程

　　GPRS SM是对GPRS PTP数据业务的连接进行管理。SM包含两类规程：一是已标识的PDP上下文激活、修改和去活规程；二是匿名(AA)PDP上下文激活与去活规程。前者须在GMM上下文 建立之后执行，而后者无须GMM上下文建立。

　　13.3 分组路由管理要素

　　(1)GSN节点和MS中MM与PDP上下文中的位置信息

　　这些位置信息为分组数据在GPRS无线接入网、核心网和骨干网中选路提供路由信息。

　　(2)封装功能

　　GPRS在外部网络与MS之间透明传送PDP PDU。为了便于GPRS网络能有效地对PDP PDU选路，所有PDP PDU都要进行封装和拆封。封装在MS、SGSN和GGSN中进行。在PTP分组传送的情况下，封装是在MS完成GPRS附着和PDP上下文激活过程之后执行。封装有两种类型：

• GPRS核心网内的封装--隧道协议(GTP)
  　　如图6所示，在骨干网中传送外部PDN网的分组时，在GGSN中经GTP/TCP/IP 3个协议层封 装，再送至GPRS IP核心网，并按照IP PDU头中包含的SGSN地址传送给SGSN。在GTP PDU头中 包含一个TID(隧道标识)，TID=<IMSI，NSAPI>。TID通过IMSI参数与MM上下文和PDP上下文中 的SGSN地址和GGSN的IP地址相关联，亦即TID隐含地确定了隧道的两个端点。在Gn和Gp接口 上的两个SGSN节点之间可以有一条或多条隧道，分别用不同的TID来标识。

图6 GPRS核心网中的封装

• GPRS无线接入网内的封装
  　　在无线接入网内，MS与SGSN之间的分组数据连接定义在LLC层，可称为LLC连接通道。该 通道是由<NSAPI，TLLI>来定义的，用TLLI来标识。TLLI是在MS附着GPRS时由P－TMSI导出， 唯一地标识MS与SGSN之间的一条数据链路。在一个RA内，TLLI与IMSI之间有一一对应关系。 这种关系只有MS和SGSN才知道。NSAPI是在PDP上下文激活过程中分配的。在MS和SGSN中，NS API标识网络层的协议实体接入点，与各网络层PDP地址关联。因此，<NSAPI，TLLI>也就确 定了LLC连接通道的两个端点。虽然GPRS用户IMSI在网络层可以有一个或几个网络层地址(即 PDP地址)，但在一个路由域(RA)，<NSAPI，TLLI>唯一地确定了网络层的分组路由。

　　14 连接过程

• GMM连接--GPRS附着过程，其目的是激活MM上下文、建立链路(分配TLLI)和鉴权加密。
  
• SM连接--PDP上下文激活过程，其目的是在MS与网络之间针对特定NSAPI上的QOS要求建 立PDP上下文。只有在MM上下文建立之后才能进行PDP上下文激活过程。

　　在完成GPRS附着和PDP上下文激活两个过程时，MM上下文和PDP上下文都建立起来。SGSN 一方面利用MM上下文中的IMSI和PDP上下文中的NSAPI生成一个TID=<IMSI，NSAPI>，建立起G PRS核心网(在漫游时包括骨干网)中的隧道；另一方面，SGSN与MS利用附着过程中由P－TMSI 生成的本地TLLI和MS选择的NSAPI，在无线接入网中建立起LLC连接通道。这样，就在GPRS网 络(无线接入网、核心网和骨干网)中建立起传送分组的路由。

　　15 位置更新过程

　　当MS进入一个新的小区时，如新小区与原小区都在同一个RA内，则须执行小区更新过程 ；如RA发生变化，则执行RA更新过程。

• 小区更新过程--当MS检测到进入一个新小区时，MS发送含有MS标识的任何类型LLC帧给S GSN， SGSN记录小区的变化，并在新小区内继续进行数据的传送。
  
• SGSN域内路由域更新过程--SGSN对进入新的RA内的MS进行认证。若认证成功，则SGSN更 新MS的MM上下文，可分配一个新的P－TMSI。
  
• SGSN域间路由域更新过程--新SGSN向原SGSN请求获取MM和PDP上下文给MS。原SGSN若认 证成功，则停止下行分组传送。原SGSN存储新SGSN地址，这样原SGSN可以将分组转发给新SGSN。

　　新SGSN与HLR交换消息，以更新HLR中的数据，同时改变新SGSN中的用户预订的数据。如 果新SGSN对MS认证成功，新SGSN为MS建立MM和PDP上下文。在新SGSN与MS之间建立起逻辑链 路，即MS可以在新RA中附着在新SGSN上。

　　16 分组选路过程

　　16.1 PLMN骨干网

　　PLMN骨干网分为两种类型：PLMN内部骨干网和PLMN互联骨干网。前者也可称为GPRS核心网，它是在同一个PLMN内GSN节点之间互联的IP网络，而后者也可简称为GPRS骨干网，它是 在不同的PLMN中GSN节点之间的GPRS网络，也可以是PDN(如公共IP网络，或租用线路)。GPRS 核心网用GGSN通过Gi接口与外部PDN网连接。两个GPRS核心网用边界网关(BG)经由Gp接口与G PRS骨干网相连接。

　　16.2 分组选路机理

　　在GPRS网络中分组选路功能主要是由SGSN和GGSN两节点来完成的，其基本操作模式是利用该两节点中存储的路由信息(在MM和PDP上下文中)进行封装和选路。在GPRS核心网(和骨干 网)中建立起以TID为标识的隧道，在GPRS无线接入网中建立起以TLLI为标识的LLC连接通道 ，从而形成分组的路由。在外部PDN中选路则按常规的IP、X.25网络的选路机理进行选路。

　　16.3 GPRS网络分组选路的例子

　　我们考虑两个GPRS网络中两个MS(一个在HPLMN，记为H－MS；另一个漫游到VPLMN，记为V－MS)和一个外部PDN网络的固定主机FES三者之间分组传送时选路的情况。

　　(1)H－MS与FES之间分组选路

　　H－MS在HPLMN的连接过程中，在其无线接入网和核心网中分别建立起LLC连接通道和隧 道，并通过Gi接口与外部PDN互联，即建立起H－MS与FES之间分组选路的路由，如图7中的粗实线所示。

　　(2)V－MS与FES之间分组选路

　　V－MS在与访问区(VPLMN)SGSN连接过程中利用归属APN和DNS获得归属GGSN(在HPLMN)的 地址，从而在VPLMN的无线接入网中建立起LLC连接通道，同时在SGSN(VPLMN)与GGSN(HPLMN) 之间通过BG和Gp接口与GPRS骨干网相连而建立起隧道。另外，GGSN(HPLMN)通过Gi接口和外 部PDN互联。这样就建立起V－MS与FES之间分组选路的路由，如图7中的虚线所示。

图7 MS与FES之间分组选路

　　若V－MS使用的APN是由当前SGSN(VPLMN)所选择的访问区APN，则MS的激活PDP上下文 采 用由VPLMN分配的动态PDP地址。在这种情况下，分组路由直接通过VPLMN核心网的隧道，经G GSN(VPLMN)的Gi接口与外部PDN互联，如图7中细实线所示。这时，V－MS与FES之间分组选路 不必绕到GPRS骨干网和HPLMN再与外部PDN互联，而是直接通过本地网络(VPLMN)与外部PDN互 联，从而实现路由最佳化。

　　(3)H－MS与V－MS之间分组选路

　　H－MS或V－MS发出分组时，其核心网HPLMN或VPLMN的GGSN从PDP PDU中提取目的地址，并检查目的GPRS网络VPLMN或HPLMN。若它的路由表具有通往目的GGSN的“捷径”时，分组路由可经由GPRS骨干网来选路；若无此“捷径”时，则分组路由经由外部PDN来选路，目的MS 可视为常规固定网络的一个节点。(续完)

　　参考文献

1 ETSI GSM/GPRS Specifications 03.60, 09.60,v7.0.0, 1999,7