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GPRS通讯技术
1. 概念
GPRS(GeneralPacket Radio Service, 通用无线分组业务)作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)过渡技术。GPRS不仅含有GSM通信系统覆盖范围广、 通信质量高, 而且还含有分组传输数据传输快、 信道利用率高等优点, 另外它是永远在线和按流量计费, 支持TCP/IP协议, 能够直接与Internet互通, 所以尤其适合中低速率环境监测及监控领域, 比如无线传感器网络（WSN）监测与控制。利用GPRS能够使用户在移动状态下使用多种高速数据传输业务, 包含E-mail收发、 Internet浏览、 文件传输等功效等。GPRS为移动用户提供数据传输业务是移动通信未来发展之路, 现在GSM系统是使用用户最多移动通信系统之一, 全世界已经有近百个运行商开通了GPRS系统服务。研究和开发GPRS相关信息电子产品含有很宽广市场前景。
2. 技术理论
GPRS是由英国BTCellnet企业早在1993年提出, 是GSM Phase2+(1997年)规范实现内容之一, 是一个基于GSM移动分组数据业务, 面向用户提供移动分组lP或者X.25连接。GPRS在现有GSM网络基础上叠加了一个新网络, 同时在网络上增加部分硬件设备和软件升级, 形成了一个新网络逻辑实体, 提供端到端、 广域无线IP连接。通俗地讲, GPRS是一项高速数据处理科技, 它以分组交换技术为基础, 用户经过GPRS能够在移动状态下使用多种高速数据业务, 包含收发E-mail、 进行Internet浏览等。GPRS是一个新GSM数据业务, 在移动用户和数据网络之间提供一个连接, 给移动用户提供高速无线IP和X25服务。GPRS采取分组交换技术, 每个用户可同时占用多个无线信道, 同一无线信道又能够由多个用户共享, 能够高效利用无线信道资源。GPRS技术 160Kbps传送速率几乎能让无线上网达成公网ISDN效果, 实现“随身‘携带’互联网”。使用GPRS, 数据实现分组发送和接收, 用户永远在线且按流量计费, 快速降低了服务成本。
1.GPRS网络总体结构
GPRS网络实现是在现有GSM网络基础上, 对原有GSM网络基站子系统以及网络子系统设备及功效进行了改善和增强。组成GPRS系统方法是首先在GSM系统中引入3个关键组件:GPRS服务支持结点(SGSN, Serving GPRS Supporting Node)、 GPRS网关支持结点(GGSN, Gateway GPRS Support Node)和分组控制单元(PCU, Package Control Unit), 同时对GSM相关部件进行软件升级, 关键包含对HLR和VLR功效进行了扩展, 使之能够支持GPRS用户数据和路由信息, 以实现对GPRS移动性管理和路由管理。另外增强了基站子系统功效, 以支持用户分组数据传送, 增加了业务信道和控制信道种类, 以支持GPRS多个业务。
GPRS网络简化模型如图2-2。GPRS在一个发送实体和一个或多个接收实体之间提供数据传送能力。这些实体能够是移动用户或终端设备, 后者被连接到一个GPRS网络或一个外部数据网络。GGSN在GPRS网络和公用数据网之间起网关作用, 它能够和多个不一样数据网络连接, 如ISDN和LAN等。SGSN统计移动台目前位置信息, 并在移动台和多种数据网络之间完成移动分组数据发送和接收, 为服务区内全部用户提供双向分组路由。系统共用GSM基站, 但基站要进行软件更新, 并采取新GPRS移动台。GPRS要增加新移动性管理程序, 经过路由器实现GPRS骨干网互联。

图2-2 GPRS网络模型
2.GPRS协议
移动台(MS)和SGSN之间GPRS分层协议模型如图2-3。Um接口是GSM空中接口。Um接口上通信协议有5层, 自下而上依次为物理层、 MAC(Mdium AccessControl)层、 LLC(Logical LinkControl)层、 SNDC(SubnetworkDependant Convergence)层和网络层。Um接口物理层为射频接口部分, 而物理链路层则负责提供空中接口多种逻辑信道。MAC为媒质接入控制层, MAC关键作用是定义和分配空中接口GPRS逻辑信道, 使得这些信道能被不一样移动台共享。

图2-3 GPRS分层协议模型
GPRS协议模型:LLC层为逻辑链路控制层。它是一个基于高速数据链路规程HDLC无线链路协议。LLC层负责在高层SNDC层SNDC数据单元上形成LLC地址、 帧字段, 从而生成完整LLC帧。SNDC被称为子网依靠结合层, 它关键作用是完成传送数据分组、 打包, 确定TCP/IP地址和加密方法。在SNDC层, 移动台和SGSN之间传送数据被分割为一个或多个SNDC数据包单元, SNDC数据包单元生成后被放置到LLC帧内。网络层协议现在关键是Phase l阶段提供TCP/IP和X25协议, 这些协议对于传统GSM网络传输设备(如BSS和NSS等设备)是透明。
3.GPRS路由管理
GPRS路由管理是指GPRS网络怎样进行寻址和建立数据传送路由。GPRS路由管理表现在以下三个方面:移动台发送数据路由建立、 移动台接收数据路由建立、 以及移动台处于漫游时数据路由建立。
第一个情况, 当移动台产生了一个PDU(分组数据单元), 这个PDU经过SNDC层处理为SNDC数据单元。然后经过LLC层处理为LLC帧, 经过空中接口送到GSM网络中移动台所处SGSN, SGSN把数据送到GGSN。GGSN把收到消息进行解装处理, 转换为可在公用数据网中传送格式(如PSPDNPDU), 最终送给公用数据网用户。为了提升传输效率并确保数据传输安全, 能够对空中接口上数据做压缩和加密处理。
第二种情况中, 一个公用数据网用户传送数据到移动台, 首先经过数据网标准协议建立数据网和GGSN之间路由。数据网用户发出数据单元(如PSPDN中PDU), 经过建立好路由把数据单元PDU送给GGSN。而GGSN再把PDU送给移动台所在SGSN, GSN把PDU封装成SNDC数据单元, 再经LLC层处理为LLC帧单元, 最终经空中接口送给移动台。
第三种情况中, 一个数据网用户传送数据给一个正在漫游移动用户, 其数据必需经过归属地GGSN, 然后送给移动用户。
3.硬件设计
1.应用系统硬件结构设计
GPRS模块通常都有串口通信接口, 与控制端经过串口通信, GPRS模块含有短信和GPRS功效。如图是一个经典GPRS与WSN应用系统结构。该结构中ARM经过GPRS模块将WSN网络监测数据实时传给监控中心, 手机用户能够经过短信查询WSN数据, 另外手机监控用户端也能够经过GPRS 监控WSN, 监控中心上有Web服务器, 对外提供Web服务, 用户能够经过Web浏览器监控WSN。经过监控中心与Internet相连, 能够支持部分比较复杂应用, 另外支持通信方法比较多, 使用户能够随时随地以多个通信方法来监控WSN。该方案还能够让监控中心同时和多个GPRS模块通信, 从而监控多个WSN。

图2-3 GPRS与WSN应用系统结构
4. 特点
1.应用上特点
现在, 用手机上网还显得有些不尽人意。所以, 全方面处理方法GPRS也就这么应运而生了, 这项全新技术能够令您在任何时间、 任何地点都能快速方便地实现连接, 同时费用又很合理。简单地说: 速度上去了, 内容丰富了, 应用增加了, 而费用却愈加合理。
(1)高速数据传输速度10倍于GSM, 还能够稳定地传送大容量高质量音频与视频文件, 可谓不通常巨大进步。
(2)永远在线
因为建立新连接几乎无需任何时间(即无需为每次数据访问建立呼叫连接), 所以您随时都可与网络保持联络, 举个例子, 若无GPRS支持, 当您正在网上漫游, 而此时恰有电话接入, 大部分情况下您不得不停线后接通来电, 通话完成后重新拨号上网。这对大多数人来说, 确是件非常令人恼火事。而有了GPRS, 您就能轻而易举地处理这个冲突。
(3)仅按数据流量计费
即依据您传输数据量(如: 网上下载信息时)来计费, 而不是按上网时间计费也就是说, 只要不进行数据传输, 哪怕您一直“在线”, 也无需付费。做个“打电话”比方, 在使用GSM+WAP手机上网时, 就好比电话接通便开始计费; 而使用GPRS+WAP上网则要合理得多, 就像电话接通并不收费, 只有对话时才计算费用。总而言之, 它真正表现了少用少付费标准。
2.技术特点
（1）相对低廉连接费用资源利用率高在GSM网络中, GPRS首先引入了分组交换传输模式, 使得原来采取电路交换模式GSM传输数据方法发生了根本性改变, 这在无线资源稀缺情况下显得尤为关键。按电路交换模式来说, 在整个连接期内, 用户不管是否传送数据都将独自占有没有线信道。在会话期间, 很多应用往往有不少空闲时段, 如上Internet浏览、 收发E-mail等等。对于分组交换模式, 用户只有在发送或接收数据期间才占用资源, 这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道, 从而提升了资源利用率。GPRS用户计费以通信数据量为关键依据, 表现了“得到多少、 支付多少”标准。实际上, GPRS用户连接时间可能长达数小时, 却只需支付相对低廉连接费用。
（2）传输速率高GPRS可提供高达115kbps传输速率（最高值为171.2kbps, 不包含FEC）。这意味着在数年内, 经过便携式电脑, GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览, 同时也使部分对传输速率敏感移动多媒体应用成为可能。
（3）接入时间短分组交换接入时间缩短为少于1GPRS是一个新GSM数据业务, 它能够给移动用户提供无线分组数据接入股务。GPRS关键是在移动用户和远端数据网络（如支持TCP/IP、 X.25等网络）之间提供一个连接, 从而给移动用户提供高速无线IP和无线X.25业务。
GPRS采取分组交换技术, 它能够让多个用户共享一些固定信道资源。假如把空中接口上TDMA帧中8个时隙都用来传送数据, 那么数据速率最高可达164kb/8.GSM空中接口信道资源既能够被话音占用, 也能够被GPRS数据业务占用。当然在信道充足条件下, 能够把部分信道定义为GPRS专用信道。要实现GPRS网络, 需要在传统GSM网络中引入新网络接口和通信协议。现在GPRS网络引入GSN（GPRS Surporting Node）节点。移动台则必需是GPRS移动台或GPRS/GSM双模移动台。