淺談GPRS的網(wǎng)絡工作原理及其優(yōu)勢

夏忠球

（健雄職業(yè)技術(shù)學院，江蘇太倉215400）

1.GPRS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡基礎(chǔ)上疊加形成的一種新網(wǎng)絡模式，它是在GSM上增加GGSN和SGSN來實現(xiàn)的，GGSN和SGSN分別表示GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點和GPRS服務支持節(jié)點。從結(jié)構(gòu)來講，GPRS網(wǎng)絡分為無線接入和核心網(wǎng)絡兩個部分。無線接入部分是在移動臺(MS)與基站子系統(tǒng)(BSS)之間傳輸數(shù)據(jù)，核心網(wǎng)絡在BSS與標準數(shù)據(jù)通信網(wǎng)邊界網(wǎng)關(guān)之間中繼傳輸數(shù)據(jù)。

2.GPRS網(wǎng)絡原理

GPRS是利用"包交換"概念所發(fā)展出的一套無線數(shù)據(jù)傳輸方式。它采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、無線調(diào)制標準、突發(fā)結(jié)構(gòu)、TDMA幀結(jié)構(gòu)以及相同的跳頻規(guī)則，能兼容GSM網(wǎng)絡并可以更加有效地傳輸高速數(shù)據(jù)和信令。

GPRS網(wǎng)絡在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡中增加GGSN和SGSN來實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通訊的，使用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且不需要使用電路交換模式下的任何網(wǎng)絡資源，從而可以實現(xiàn)自主運營。GPRS用戶如何接入GPRS網(wǎng)絡以及如何利用GPRS網(wǎng)絡訪問Internet等外部數(shù)據(jù)網(wǎng)是實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)通信的一個重要環(huán)節(jié)。

GPRS網(wǎng)絡的工作原理體現(xiàn)在它的分組數(shù)據(jù)路由傳輸和傳輸協(xié)議模式上。在圖1所示結(jié)構(gòu)中，用戶通訊數(shù)據(jù)通過串行或無線方式連接到GPRS終端上，然后GPRS終端與GSM基站通信，這種方式與電路交換式數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到GPRS服務支持節(jié)點(SGSN)，而不是通過移動交換中心(MSC)連接到語音網(wǎng)絡上。因此，SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GGSN)進行通信，GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應的處理后，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡，如Internet或X.25網(wǎng)絡。

圖1 GPRS的結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1所示，其具體的數(shù)據(jù)傳輸流程分為四步：第一步用戶設備通過串行接口向GPRS終端傳輸數(shù)據(jù)；第二步經(jīng)過處理后的GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站；第三步分組數(shù)據(jù)經(jīng)GSM基站的SGSN封裝后，然后發(fā)送到GPRS骨干網(wǎng)；第四步在GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN對SGSN分組數(shù)據(jù)進行相應的處理后，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡。

移動臺(MS)和GPRS之間的分層傳輸協(xié)議模型主要由GTP、LLC和RLC協(xié)議構(gòu)成。Um接口是GSM的空中接口，Um接口上的通信協(xié)議有5層，自下而上依次為物理層、MAC層、LLC層、SNDC層和網(wǎng)絡層。RLC/MAC為無線鏈路控制/媒質(zhì)接入控制層，LLC層為邏輯鏈路控制層。GTP是將用戶數(shù)據(jù)及信令用隧道技術(shù)在GPRS網(wǎng)絡GSN節(jié)點之間傳送。

3.GPRS網(wǎng)絡傳輸協(xié)議

在GPRS網(wǎng)絡傳輸中，常用的有兩種傳輸協(xié)議，即TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP。它們都是使用IP作為網(wǎng)絡層協(xié)議，每組數(shù)據(jù)都通過端系統(tǒng)和每個中間路由器中的IP層在互聯(lián)網(wǎng)中進行傳輸。

TCP主要負責把應用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊然后再交給下面的網(wǎng)絡層、確認接收到的分組、設置發(fā)送最后確認分組的超時時鐘等，是為兩臺主機提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。

UDP協(xié)議與TCP協(xié)議最大的不同表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃陨?，UDP協(xié)議是一種不可靠的或最盡力的協(xié)議，它本身不提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但并不意味著在UDP協(xié)議之上就不能有可靠的數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡傳輸中使用UDP協(xié)議的應用程序要負責實施重傳、過濾多余信息等等。如果一個UDP包在傳輸過程中丟失或者損壞，需要引起發(fā)送數(shù)據(jù)的應用程序注意才行。

TCP協(xié)議和UDP協(xié)議各有優(yōu)勢，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中究竟是采用TCP協(xié)議還是UDP協(xié)議，可以根據(jù)實際條件和技術(shù)水平來綜合考慮。

4.GPRS網(wǎng)絡的優(yōu)勢

4.1 永遠在線性

GPRS在不傳輸數(shù)據(jù)時會把信道讓出來，但并不與網(wǎng)絡斷開，如需繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，僅需幾秒鐘的接入時間，就可重新快速及時地連接。因此，分組用戶只在傳遞數(shù)據(jù)時才使用信道資源，這種分配方式使網(wǎng)絡資源的利用率得到提高，而且可以讓用戶長時間的保持與外網(wǎng)的連接，不需進行斷開操作，使用戶做到了永遠在線。在實際監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控點不用頻繁建立連接，也不必支付傳輸間隙時的費用。

4.2 支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議

IP協(xié)議和X.25協(xié)議為Internet上應用最為廣泛的通訊協(xié)議，同時這兩種協(xié)議也均可在GPRS中應用，這樣使通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的融合更為快捷。目前在GPRS上可以開展的業(yè)務有移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務、Web瀏覽、電子商務、電子銀行、移動辦公、信息點播、家庭監(jiān)視與工程技術(shù)控制等。它實現(xiàn)了與多種網(wǎng)絡交互，比如E-mail、FTP和多媒體聊天、娛樂游戲等等。

4.3 支持多種數(shù)據(jù)應用

GPRS對數(shù)據(jù)傳輸設置有不同的服務質(zhì)量參數(shù)，包括優(yōu)先級、可靠性、時延、數(shù)據(jù)速率等。其中，對于數(shù)據(jù)速率，GPRS支持多時隙（最多8個時隙）合并傳輸和4種編碼方式，使數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達171kbps。同時GPRS可根據(jù)網(wǎng)絡應用類型和網(wǎng)絡資源質(zhì)量，靈活選擇服務質(zhì)量參數(shù)為用戶提供服務，它不僅適用于頻繁的數(shù)據(jù)業(yè)務類型，而且支持頻率較低、突發(fā)型數(shù)據(jù)業(yè)務。

4.4 資源利用率高

GPRS改變了原來采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)模式，引入分組交換的傳輸方式。按傳統(tǒng)電路交換模式來說，在整個連接期內(nèi)，用戶無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨自占有無線信道，這對系統(tǒng)資源造成很大的浪費。而對于分組交換模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無線信道資源，這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。

4.5 移動和分布的靈活性

由于GPRS網(wǎng)絡的高可靠性，用戶無須擔心線路的維護或有線在移動時導致通訊中斷，因此可以隨意移動和分布自己的網(wǎng)絡點。

目前用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的通訊方式有GSM數(shù)據(jù)撥號方式、CDMA網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡三種方式。GSM撥號方式是基于電路交換的通訊形式，在整個連接期內(nèi)，用戶無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨自占有無線信道。因此為了滿足系統(tǒng)的實時性，監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)中心要一直保持電路上的鏈接，它產(chǎn)生的運行費用相當高。另外，在使用GSM撥號方式時，管理中心只能對系統(tǒng)中的一個監(jiān)控終端保持鏈接，如需跟其它的監(jiān)控點進行信息交換和通信，就必須掛斷當前的鏈接。

CDMA網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡兩者相比，CDMA無論在數(shù)據(jù)傳輸速度、技術(shù)先進性和實際使用資費上，CDMA都比GPRS更有優(yōu)勢，但是作為工控產(chǎn)品的遠程監(jiān)控應用，考慮更多的是產(chǎn)品的應用范圍和信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性。CDMA作為一個全新的網(wǎng)絡系統(tǒng)，目前開通的地方有限，信號覆蓋范圍遠遠沒有GPRS廣泛，而當應用系統(tǒng)中某些設備需要分布在比較偏遠的地區(qū)，選擇GPRS網(wǎng)絡更合適。同時，從技術(shù)角度來分析，CDMA和GPRS的網(wǎng)絡鏈接都是基于點對點的PPP撥號鏈路協(xié)議，相關(guān)的應用軟件可以兼容使用。GPRS的應用程序可以移植到CDMA網(wǎng)絡上，如果CDMA網(wǎng)絡相對于GPRS網(wǎng)絡更完善時，就可以通過升級無線Modem模塊來平滑地過渡到CDMA網(wǎng)絡模式。而且，GPRS應用較早，相應的技術(shù)服務比較到位，移動公司可以為企業(yè)構(gòu)建企業(yè)級VPN，有利于提高網(wǎng)絡的通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)交換的安全性。

根據(jù)我們對GPRS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、GPRS網(wǎng)絡工作原理、GPRS網(wǎng)絡協(xié)議、GPRS網(wǎng)絡優(yōu)勢的討論，我們不難看出它的應用給人們的生產(chǎn)和生活帶來了巨大變革，尤其在工控遠程監(jiān)控中，它發(fā)揮了關(guān)鍵而重要的作用。

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