基于GPRS無線通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用-浙江大學(xué)

XXXXXXXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第53頁（共53頁）XXXXXXXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第1頁共52頁xxxxxx學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 題目基于GPRS無限通訊數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用姓名xxx學(xué)號xxx專業(yè)班級xxx分院xxx指導(dǎo)教師xxxxxxx年xxx月xxx日基于GPRS無限通訊數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用摘要:隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，許多傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)均不同程度上融合了傳輸數(shù)據(jù)的功能，目前以GSM,CDMA為主的數(shù)字蜂窩移動通信也不例外。在繼續(xù)發(fā)展語音業(yè)務(wù)的同時，對IP和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持已經(jīng)成為第二代移動通信系統(tǒng)演進的方向，而且也已經(jīng)成為第三代移動通信系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)特征。GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))是第二代移動通信系統(tǒng)向第三代移動通信系統(tǒng)平滑過渡的主要方案?；贕PRS方式的GPS定位信息傳輸系統(tǒng)，是高速移動數(shù)據(jù)通信成為移動通信發(fā)展趨勢的體現(xiàn)，具有實時在線、成本低廉、信息容量大、傳輸速率高、提供IP服務(wù)等優(yōu)點。論文首先介紹了GSM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及GPRS在GSM結(jié)構(gòu)體系上的升級設(shè)備，然后論述了GPRS的移動性管理、會話管理、傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸。關(guān)于GPRS的網(wǎng)絡(luò)性能，前人在建立模型仿真時，只是考慮了單時情況。本文建立了二維連續(xù)時間的馬爾可夫模型，此模型不僅考慮了多時隙操作和單時隙被多用戶復(fù)用的情況，還考慮了用戶切換帶來的影響。論文在運用排隊論知識得出公式解后，在信道動態(tài)分配情況下，研究了GPRS網(wǎng)絡(luò)的語音呼叫與數(shù)據(jù)呼叫的阻塞率、分組延遲、分組到達率等性能指標，仿真結(jié)果驗證了馬爾可夫模型的正確性和有效性，理論證明該模型對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化具有較好的輔助作用。最后介紹了基于GPRS的GPS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。此應(yīng)用系統(tǒng)由移動終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)、信息管理中心服務(wù)器三部分組成。移動終端由嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，軟件采用NClinux操作系統(tǒng)。信息管理中心服務(wù)器的軟件由VC編程實現(xiàn)。在分析了該應(yīng)用系統(tǒng)的歸一化時延后，探討了它的應(yīng)用前景。GPRS無線通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用目錄摘要………………11緒論………………………41.1GPRS的概念…………………41.2GPRS的產(chǎn)生背景……………51.3GPRS的技術(shù)優(yōu)勢…………51.4GPRS課題研究的發(fā)展………………………51.4.1GPRS的業(yè)務(wù)模型研究……………………51.4.2信道資源的動態(tài)分配………………………71.4.3與話音業(yè)務(wù)的結(jié)合…………71.5本論文的主要工作……………72GPRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸………………72.1GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)………………72.1.1GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)……………72.1.2GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)…………112.2GPRS的移動性管理…………132.2.1GSM的移動性管理………………………132.2.2GPRS的移動性管理………………………152.3GPRS的會話管理……………162.4GPRS的傳輸協(xié)議……………172.5GPRS編碼方式………………192.6GPRS的數(shù)據(jù)傳輸……………212.6.1從N-PDU到SN-PDU……………………212.6.2從SN-PDU到LL-PDU…………………212.6.3GPRS的媒質(zhì)接入方式與RLCARQ協(xié)議………………213GPRS的信道分配與性能分析…………253.1GPRS的信道…………………253.1.1GPRS的物理資源…………253.1.2GPRS的突發(fā)序列…………253.1.3GPRS的無線塊結(jié)構(gòu)………………………253.1.4GPRS的復(fù)幀結(jié)構(gòu)………………………253.1.5GPRS的邏輯信道…………253.2用二維馬爾可夫模型分析GPRS的網(wǎng)絡(luò)性能………………263.2.1構(gòu)建排隊模型的原則………………………283.2.2馬爾可夫模型………………294基于GPRS方式傳輸GPS數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)及性能分析………………354.1GPS簡介……………………354.1.1GPS的定位原理…………354.1.2GPS的結(jié)構(gòu)組成…………364.1.3Jupiteroem板介紹…………364.1.4GPS定位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式………………364.2GPRS方式傳輸GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)介紹………364.2.1系統(tǒng)總體介紹………………374.2.2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)……………374.2.3系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)……………384.3應(yīng)用系統(tǒng)性能分析……………384.3.1移動終端的數(shù)據(jù)流量………………………384.3.2調(diào)度中心的信息流量………………………414.4基于GPRS的地理信息系統(tǒng)的優(yōu)越性簡析…………………475GPRS向3G過渡………………………455.1GPRS的局限性………………455.23G系統(tǒng)………………………485.2.1第三代移動通信的基本要求……………485.2.2GSM向第三代移動通信系統(tǒng)演進.……………………49全文總結(jié)…………………………51致謝………………51參考文獻……………521.緒論1.1GPRS的概念GPRS(GeneralPacketRadioService，通用分組無線業(yè)務(wù))是在現(xiàn)有的GSM移動通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。是GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動通信演進的第一步，這一步有兩點重要意義，一是在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換能力，二是將速率提高到100kbit/s以上。通過在GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)中引入分組交換的實體組成GSM--GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)以分組方式進行的數(shù)據(jù)傳輸，同時，盡量減少對GSM網(wǎng)絡(luò)的改動。GPRS可以看作是原有的GSM電路交換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的業(yè)務(wù)擴充:由新增的網(wǎng)絡(luò)實體對GSM數(shù)據(jù)進行旁路，支持移動用戶利用分組數(shù)據(jù)移動終端接入工nternet或其他分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，原GSM網(wǎng)絡(luò)完成語音功能。1.2GPRS的產(chǎn)生背景1.IP技術(shù)己成為未來發(fā)展的方向電路交換、報文交換和分組交換是目前通信網(wǎng)上的三大交換技術(shù)。電路交換技術(shù)最基本的特點是:通話前必須為通話雙方分配一條固定帶寬的通信電路，通話期間，這部分帶寬由通話雙方獨享，不能再為別的用戶使用，這對頻率資源是一種極大的浪費。報文交換源于電報通信，其最大的貢獻在于提出了存儲轉(zhuǎn)發(fā)的概念。報文交換的傳輸單元為整個報文，由于報文長度差異很大，轉(zhuǎn)發(fā)過程中用于臨時存儲報文的緩沖區(qū)的分配比較困難，而且長報文可能導(dǎo)致很大的時延。而分組交換。在此基礎(chǔ)上，采用了長度較為固定的分組進行傳輸，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制。分組交換方式在通信之前不需要為通信雙方分配一條獨占的鏈路，可根據(jù)用戶需要以及網(wǎng)絡(luò)能夠提供的帶寬，為用戶動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源，從而極大地提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，因此，分組交換方式是數(shù)據(jù)通信的理想選擇。以TCP/工尸為核心的Internet是世界上最大的分組交換網(wǎng)絡(luò)，第三代移動通信的核心網(wǎng)也將采用分組交換方式。2.移動數(shù)據(jù)市場的形成，蜂窩移動通信自20世紀80年代大規(guī)模投入使用以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，已呈現(xiàn)出日趨繁榮的局面。移動通信業(yè)務(wù)至今為止仍是傳統(tǒng)的語音通信占主導(dǎo)地位。但隨著用戶量和業(yè)務(wù)量的激增，運營商之間競爭將加劇，單一的語音業(yè)務(wù)的收益增長空間己經(jīng)越來越有限，發(fā)展移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就成了移動通信運營商的戰(zhàn)略發(fā)展方向。隨著Internet的發(fā)展，人們看到了數(shù)據(jù)通信的巨大潛力，移動與數(shù)據(jù)的結(jié)合已經(jīng)成為移動通信發(fā)展的趨勢。GM)技術(shù)的出現(xiàn)，加快了移動通信承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面的發(fā)展。據(jù)預(yù)測，到2005年移動通信業(yè)務(wù)量中語音所占的比例約為30%，其余70%將是移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。移動數(shù)據(jù)通信開始進入快速發(fā)展階段。3.向第三代移動通信邁進?，F(xiàn)在，第二代移動通信(GSM)仍在迅猛發(fā)展之中，但人們已經(jīng)開始有了對第三代移動通信業(yè)務(wù)—主要是對高速移動數(shù)據(jù)的需求。人們希望在移動狀態(tài)下，通過便攜式計算機或移動手機也能進行數(shù)據(jù)通信和接入因特網(wǎng)，這就形成了當前移動通信網(wǎng)發(fā)展的新趨勢。具有寬帶數(shù)據(jù)通信和多媒體通信能力是第三代移動通信的主要特征，這就要求網(wǎng)絡(luò)必須能夠提供快速分組交換能力。除此之外，人們最關(guān)注的問題當然是第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)如何接近到第三代。在第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)中，90%以上的業(yè)務(wù)都是語音及其增值業(yè)務(wù)，而第三代技術(shù)則為綜合媒體通信而設(shè)計，語音業(yè)務(wù)為其子業(yè)務(wù)。如此巨大的反差應(yīng)考慮兩代網(wǎng)絡(luò)之間如何平滑過渡，權(quán)衡再三的結(jié)論是:通過技術(shù)的平滑過渡，而不是用第三代技術(shù)直接另起爐灶。基于GSM系統(tǒng)提出的GPRS方案，是迎合平滑過渡策略的最主要的方案。1.3GPRS的技術(shù)優(yōu)勢1.資源利用率高。GPRS首先在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入了分組交換傳輸模式，使原來采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化。對于電路交換模式，在整個連接期間，用戶無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨自占有無線信道，在會話期間，許多應(yīng)用往往有不少空閑時段，如上工nternet瀏覽，收發(fā)E-mail等。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。GPRS用戶的計費以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，GPRS用戶可能連接的時間長達數(shù)小時，卻只需支付相對低廉的連接費用。2.傳輸速率高。通過同時使用8個時隙,GPRS理論上可獲得的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為171.2kbit/s,這是當前固定電信網(wǎng)絡(luò)速度(56.2kbit/s)的3倍，GSM網(wǎng)絡(luò)中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)速度(CSD,9.6kbit/s)的10倍。這意味著在數(shù)年內(nèi)，通過便攜式電腦，GPRS用戶能以與ISDN用戶一樣快的速度上網(wǎng)瀏覽，同時也使一些對速率敏感的移動多媒體應(yīng)用成為可能。3.接入時間短。分組交換接入時間縮短，少于1秒。在首次建立連接后，可以在其有效覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)即時收發(fā)數(shù)據(jù)，一旦有需求就可以立即發(fā)送或接收信息，不需要再撥號建立連接，可大幅度提高一些事務(wù)(如信用卡核對、遠程監(jiān)控等)的效率，并可使已有的Internet應(yīng)用(如E-mail、網(wǎng)頁瀏覽等)操作更加便捷、流暢。4.支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議，推動移動和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的融合。GPRS支持工nternet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議。越來越多的公司將Internet作為職員訪問公司工ntranet的媒介，因此支持IP協(xié)議顯得尤為重要。由于存在大量的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)，支持X.25協(xié)議可使己存在的X.25應(yīng)用能在GSM網(wǎng)絡(luò)上繼續(xù)使用。由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，所以它能提供工nternet和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接人。GPRS加強了移動和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的融合。1.4GPRS課題研究的發(fā)展1.4.1GPRS的業(yè)務(wù)模型研究GPRS是一種分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它非常適合承載突發(fā)性強、對時延不太敏感的中、小量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對于大量數(shù)據(jù)的傳送，則宜采用ETSI建議的另一種高速電路交換數(shù)據(jù)方式—HSCSD.GPRS的主要應(yīng)用方式包括:Internet瀏覽、文件傳送、電子郵件、遠端監(jiān)控儀表、鐵路系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)(傳送交通路況信息、車隊調(diào)度管理等)、在線點對點通信和點對多點通信、交易過程(數(shù)據(jù)庫查詢、信用卡鑒別、信息查詢)等不同的應(yīng)用情況，分組大小和到達速率不盡相同。有些是短分組的頻繁傳送，如車輛調(diào)度指令;有些是中等大小分組的中速到達服務(wù)，如鐵路業(yè)務(wù)模型;有些則是較大分組的偶而發(fā)送。ETSI為了評價GPRS的性能，建議了3種典型的業(yè)務(wù)模型。FUNET模型:該模型是根據(jù)賓西法尼亞大學(xué)科研網(wǎng)上email的使用統(tǒng)計情況建立起來的。分組大小的概率分布近似為柯西分布Cauchy(0.8,1)，分組大小限定在(0,10kbyte)。(1.1)"Mobitex模型:該模型是根據(jù)瑞典分組無線數(shù)據(jù)網(wǎng)Mobitex上的車隊管理應(yīng)用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立的。上行和下行的分組長度都近似為均勻分布。上行:30+uniform(-15,15)bytes下行:115+uniform(-57,57)bytes(1.2)Railway模型:該模型是根據(jù)鐵路業(yè)務(wù)的應(yīng)用情況統(tǒng)計得到的，概率分布近似為指數(shù)分布，平均分組長度為170bytes，最大分組長度為1000byteso文獻〔11]用c編寫的軟件進行仿真。作者研究了不同業(yè)務(wù)模型對上行呼叫連接三研究得出的結(jié)論為，GPRS承載短分組時，吞吐量較低，信道大量浪費在比特開銷和信令交換上。在產(chǎn)生相同輸入負載的前提下，顯然短分組的用戶請求要多于長分組，在接入信道數(shù)量相同的情況下，短分組的接入請求更容易發(fā)生碰撞，隨機接入階段成為短數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。短分組本身用在數(shù)據(jù)傳輸上的時間并不多，大量的時間浪費在隨機接入上。相反，在相同前提下，長分組的接入請求不多，容易接入，但是在資源的預(yù)留階段，由于長分組要占用的資源較多，當負載較大，資源較少時，由于沒有足夠可用的信道，長分組業(yè)務(wù)將滯留在等待資源分配階段，最后被阻塞掉。長分組業(yè)務(wù)和短分組業(yè)務(wù)的信道安排應(yīng)該是不同的，要靈活適應(yīng)于高層的業(yè)務(wù)特性，以達到網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。1.4.2信道資源的動態(tài)分配GSM屬于窄帶通信，它現(xiàn)在提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只有9.6kbit/s，屬于電路交換方式。GPRS是在此基礎(chǔ)上提出來的分組數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)。它的獨到之處是允許將多個時隙(1-8個)分配給一個用戶使用，從而提高了數(shù)據(jù)率;資源是動態(tài)分配的，有數(shù)據(jù)要發(fā)送的用戶首先在系統(tǒng)安排的隨機接入信道上發(fā)出接入請求，系統(tǒng)接受用戶的請求后，將根據(jù)情況分配用戶請求的資源數(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后系統(tǒng)又將資源收回，再給別的用戶使用。文獻〔7〕利用OPNET仿真平臺，比較了多時隙與單時隙方式下，GPRS吞吐量、時延、阻塞率的性能。最后得出結(jié)論:與分配8個時隙相比，單時隙方式下，因為只有一個信道既要攜帶用戶數(shù)據(jù)又要攜帶控制信息，所以單位時間內(nèi)傳送的用戶數(shù)據(jù)要少，數(shù)據(jù)需要等待更長的時間才能獲得服務(wù)。單時隙情況下服務(wù)率更低，時延更長，阻塞率更大，吞吐量更低。GPRS的信道分為Master-Slave兩種，master上安排有PRACH,PPCH,PAGCH等邏輯信道，既承載信令又承載用戶數(shù)據(jù);Slave只承載用戶數(shù)據(jù)。用戶在多時隙方式下工作時，能夠獲得較大的數(shù)據(jù)率，減少幀傳送延遲。接入信道與用戶數(shù)據(jù)信道的安排要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)負荷和業(yè)務(wù)特性統(tǒng)籌考慮，使隨機接入階段和資源預(yù)留階段的信道資源都得到充分利用，避免在某個階段出現(xiàn)資源空閑，而另一個階段出現(xiàn)嚴重阻塞。另一個方面，一味單純增加SPDCH的數(shù)目，當增加到一定數(shù)量時，MPDCH會成為接入瓶頸，每個用戶獲得的吞吐量并不大，因此不必為用戶再多分配SPDCH1.4.3與話音業(yè)務(wù)的結(jié)合GPRS的頻率資源、多址接入方式與GSM一樣。在實際應(yīng)用中，運營商既可以拿出單獨的頻率資源來提供GPRS業(yè)務(wù)，也可以是共享GSM的資源，即在每個200KHz載波的8個時隙信道中，固定留出一部分供GSM話音使用，一部分專用于GPRS業(yè)務(wù)，還有一部分供話音和數(shù)據(jù)共用，但話音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)，有話音業(yè)務(wù)請求時，先滿足話音業(yè)務(wù)。實際上，幾乎沒有專門拿出頻率來完全用在GPRS上的做法，一般的做法都是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與語音業(yè)務(wù)相結(jié)合。文獻〔8〕從理論上推導(dǎo)了GPRS業(yè)務(wù)與GSM話音業(yè)務(wù)共享系統(tǒng)資源情況下，單時隙服務(wù)方式下系統(tǒng)的平均阻塞率、吞吐量和平均排隊時間。建立的系統(tǒng)分析模型為:有m個物理信道的系統(tǒng)，其中m，個由話音與GPRS共享，and個專用于GPRS業(yè)務(wù)。話音業(yè)務(wù)具有強占GPRS業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，也就是當話音業(yè)務(wù)需要使用正在被GPRS使用的共享信道時，GPRS馬上終止傳輸，直到再出現(xiàn)可用信道。被中斷的數(shù)據(jù)用戶在等待分配資源的隊列中優(yōu)先級最高。文章將數(shù)值分析的結(jié)果與仿真結(jié)果比較后，得出結(jié)論:這種分析方法的適用原則是，數(shù)據(jù)分組的服務(wù)時間遠小于話音分組的服務(wù)時間。例如：1.5本論文的主要工作本論文主要目的在于研究GPRS的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，分析基于GPRS方式下傳送GPS數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性能。主要作了以下幾方面工作:1.本文介紹了GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，和GPRS的系統(tǒng)功能，在分析GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，深入研究了GPRS的會話管理及移動性管理的改善與提高。重點闡述GPRS網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的基本傳輸過程。分析了在移動管理上下文和PDP上下文建立之后，移動臺和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸數(shù)據(jù)。2.前人的研究成果，多采用單時隙模型，或在分析多時隙傳輸時，沒有考慮一個時隙被多個用戶同時使用的情況。本文采用二維馬爾可夫模型，對仿真模型作如下改進:①每個呼叫申請的信道數(shù)為，包含多時隙和單時隙兩種可能。②考慮越區(qū)切換情況，語音呼叫的到達率設(shè)為兄，，從相鄰的小區(qū)切換過來的語音呼叫到達率設(shè)為凡，。③考慮了多用戶使用一個時隙的可能，每一信道復(fù)用的GPRS分組呼叫數(shù)最大為d，研究d不同的取值下的仿真結(jié)果。3.在上文的仿真條件下，探討了GPRS數(shù)據(jù)的阻塞率、傳輸速率、信道利用率、分組延遲與專用信道、與分組呼叫到達率的關(guān)系。得出的結(jié)論與前人的研究成果是一致的:專用GPRS信道的增加使GPRS數(shù)據(jù)傳輸阻塞率減小;單時隙的阻塞率大于多時隙情況;一個時隙被多用戶復(fù)用時，用戶越多，系統(tǒng)的阻塞率越小。仿真結(jié)果表明，采用本文的二維馬爾可夫模型，來分析GPRS網(wǎng)絡(luò)的性能指標是可靠而且有效的。此模型在PC機上用matlab即可仿真實現(xiàn)，對比在某些價格昂貴的專用仿真軟件上搭建的仿真器，本文的模型建立及求解相對簡單，仿真時間短。本文的仿真結(jié)果對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選取、優(yōu)化也將具有借鑒意義。4.應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計?；贕PRS業(yè)務(wù)的GPS數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)用系統(tǒng)由移動管理中心服務(wù)器、移動終端和GPRS網(wǎng)絡(luò)組成。移動終端由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，CPU采用高性能芯片S3C4510B，軟件采用PClinux操作系統(tǒng)。NClinux的內(nèi)核小，并且提供TCP/IP協(xié)議的支持，輕松實現(xiàn)了GPRS移動終端的網(wǎng)絡(luò)功能。5.完成了信息管理中心的控制平臺設(shè)計。信息管理中心軟件部分主要由WINDOWS下的VC++6.0的編程實現(xiàn)。由兩部分組成:(DGPS數(shù)據(jù)的接收處理平臺，提取出需要的地理信息②GPRS網(wǎng)絡(luò)的的用戶通信程序，將GPS的數(shù)據(jù)或者控制信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到移動終端。2GPRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸2.1GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.1.1GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)GSM公共陸地移動網(wǎng)(PLMN)如圖2.1所示。移動臺用MS表示，一個基站收發(fā)信臺(BTS)覆蓋的無線區(qū)域稱為一個小區(qū)。一個基站控制器(BSC)控制多個BTS,所有這些BTS和控制它們的BSC一起稱為基站子系統(tǒng)(BSS)。位于各自小區(qū)的移動臺之間的業(yè)務(wù)通過移動交換中心(MSC)交換信息，而與固定網(wǎng)絡(luò)(如ISDN)的連接是通過移動交換中心網(wǎng)關(guān)(GMSC)控制的。GSM網(wǎng)絡(luò)是按層次結(jié)構(gòu)組織起來的，每一個網(wǎng)絡(luò)至少包含一個管理域，此功能一般與MSc集成在一起。每一個MSc至少管理一至多個位置區(qū)域(LA)，而LA是由幾個小區(qū)組構(gòu)成的。BTSBTS基站收發(fā)器MS移動臺BSC基站控制器EIR設(shè)備標示器BSS基站子系統(tǒng)HLR歸屬位置寄存器MSC移動交換中心VLR訪問位置寄存器GMSC網(wǎng)關(guān)MSCAUC鑒權(quán)中心圖2.1GSM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呼叫控制和網(wǎng)絡(luò)管理需要下列幾個數(shù)據(jù)庫:歸屬位置寄存器(HLR)，訪問位置寄存器(VLR)，驗證中心(AUC)及設(shè)備識別器(EIR)oMSC/VLR的主要功能是完成呼叫交換，并控制移動臺的位置更新和越區(qū)切換過程。其中，MY,主要負責呼叫的建立(包括鑒權(quán)程序)，呼叫控制和計費等功能;而VLR主要負責存儲和更新用戶數(shù)據(jù)，這些移動用戶即是漫游到該VLR所管轄的地區(qū)中的移動用戶。為了找到漫游中的移動用戶，通常需要向HLR查詢該移動用戶的所有信息、，因此必須在移動通信網(wǎng)的入口處(即與固定網(wǎng)相連點)使用一個關(guān)口移動交換中心(GMSC)來提供所有入網(wǎng)呼叫的查詢和轉(zhuǎn)接能力。GMSC應(yīng)該有從HLR(移動用戶所屬的)中查詢該移動用戶當前位置信息的功能，并能根據(jù)該信息重選呼叫該移動用戶路由以轉(zhuǎn)接該呼叫的能力。在GSM系統(tǒng)中，允許每個用戶可以在整個GSM網(wǎng)內(nèi)漫游，但是移動用戶需要向其中一個國家的一個運營者登記，簽約及付費。這個運營者就是該移動用戶的歸屬局，歸屬局存放所有用戶簽約信息的寄存器就稱為歸屬位置寄存器(HLR)aHLR除了存放全部歸屬用戶的信息，還存儲每個歸屬用戶的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，如用戶目前所在的MSC/VLR地址和分配給用戶的補充業(yè)務(wù)。鑒權(quán)中心(AUC)是為了防止非法用戶接入GSM系統(tǒng)而設(shè)置的安全措施。AUC可以不斷的向每一個用戶提供一組參數(shù)，該參數(shù)組可視為每個用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)。在每次呼叫過程中，通過檢查系統(tǒng)提供的和用戶響應(yīng)的該組參數(shù)是否一致，來鑒別用戶身份的合法性。2.1.2GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在GSM體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)GPRS，必須對BTS,BSC,HLR進行升級，并在現(xiàn)存的GSM體系結(jié)構(gòu)布署新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)點GGSN(網(wǎng)關(guān)GPRS支持點)和SGSN(GPRS服務(wù)支持點)。這兩個網(wǎng)絡(luò)實體間相互通信，以及其它網(wǎng)絡(luò)實體的通信，是通過新增接口來完成，實現(xiàn)GPRS的新功能，如圖2.2所示。GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入得新的網(wǎng)絡(luò)接口如下：Gb接口:PCU與SGSN之間的接口。Gn/GP接口:SGSV與GGSN之間的接口，當SGSN與GGSN位于不同的PLMN時為JP，否則為GnoGi接口:GGSN與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的接口。Gd接口:SGSN與SMS-GMSC(短消息業(yè)務(wù)的網(wǎng)關(guān)MSC)/SMS-IVYMSC(短消息業(yè)務(wù)的網(wǎng)間MSC)之間的接口。Gr接口:SGSN與HLR之間的接口。Gs接口:SGSN與MSC(移動交換中心)/VLR(訪問位置寄存器)Gc接口:GGSN與HLR之間的接口。Ga接口:GGSN/SOSN與CGF(計費網(wǎng)關(guān))之間的接口。Gf接口:SGSN與EIR(設(shè)備標識寄存器)之間的接口。圖2.2GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在GSM分組無線服務(wù)中，SGSN主要負責為在其服務(wù)區(qū)域的移動臺收發(fā)數(shù)據(jù)包，此外還負責為數(shù)據(jù)包選路、移動管理、邏輯鏈路管理、驗證和收費。SGSN中的本地寄存器存儲所有已注冊的GPRS用戶的位置信息(如當前小區(qū)標志，當前YLR地址)和用戶注冊信息(如IMSI，用于分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的地址)。GGSN主要功能是在公共數(shù)據(jù)網(wǎng)和GPRSPLMN之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。它將從SGSN收到的GPRS數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化成適合的分組數(shù)據(jù)協(xié)議(PDP)格式，并把它們發(fā)送到相應(yīng)的公共數(shù)據(jù)網(wǎng)。當相反方向通信時，將接收到的公共數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)包的PDP地址轉(zhuǎn)化成目前用戶的UM)地址格式，再將它們轉(zhuǎn)發(fā)到正在為此移動臺服務(wù)的SGSN中，最后由SGSN發(fā)送到移動臺。因此GGSN中保存了正在為用戶提供服務(wù)的SGSN地址和用戶注冊信息。除了選路和數(shù)據(jù)傳輸功能外，GGSN和SGSN還收集收費統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同時為了能為任何位置的移動臺提供路由功能，它們還具有處理信令的功能。一般來說，一臺GGSN可作為多臺SGSN訪問外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的接口，為了把分組傳送到不同的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)，一臺SGSN可將這些分組選路到不同的GGSN。圖2.2顯示了新網(wǎng)絡(luò)結(jié)點與GSM各網(wǎng)絡(luò)間的接口。由圖可以看出SGSN通過Gb接口與BSC相連。用戶數(shù)據(jù)和信令通過Gn和Gp接口在GSN之間傳送。如果SGSN和GGSN位于同一個PLMN中，它們通過Gn接口互連;如果二者位于不同的PLMN，則通過Gp接口互連。當移動臺從一個SGSN服務(wù)區(qū)移動到另一個SGSN服務(wù)區(qū)時，兩個SGSN通過Gn和Gp接口交換用戶注冊信息(當前移動臺首次向網(wǎng)絡(luò)注冊時，SGSN可能通過Gf接口查詢移動臺的IMEI，以確定移動臺的合法性)。而GGSN結(jié)點通過Gi接口與X.25網(wǎng)和Internet相連。HLR中除了保存用戶注冊信息外，還保存每一個移動臺當前正在使用的SGSN地址及PLMN中每一個GPRS用戶的PDP地址。當SGSN需要這些信息時，通過Gr接口與HLR交換這些信息。例如SGSN向HLR報告移動臺的當前位置，及當移動臺向新SGSN注冊，HLR向新SGSN發(fā)送用戶注冊信息等就是通過Gr接口進行的。此外，為了使得GPRS分組交換業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)的電路交換業(yè)務(wù)有效地融合在一起，將MSC/VLR的功能擴展，與SGSN之間通過Gs接口交換信息。如綜合GPRS路由區(qū)域(RA)更新和GSM位置(LA)更新及GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)的同時激活，還有當利用電路交換執(zhí)行傳統(tǒng)的GSM業(yè)務(wù)時，通過SGSN傳送尋呼請求，將大大節(jié)省空中資源。為了通過GPRS系統(tǒng)交換短信息業(yè)務(wù)(SMS),SGSN通過Gd接口短信息網(wǎng)關(guān)移動交換中心(SMS-GMSC)互連。2.2GPRS的移動性管理圖2.3GSM的呼叫建立在GSM系統(tǒng)中，移動臺通過GMSC與固定電話網(wǎng)絡(luò)交換信息。GMSC除了記錄收費信息外，還根據(jù)MSISDN獲取移動臺的HLR位置，并從HLR中獲取用戶漫游信息。呼叫建立過程如上圖2.3所示。根據(jù)用戶撥叫號碼，PSTN將地址信息傳送到位于移動臺HPLMN中的GMSC中。為了能把呼叫信息傳送到移動臺，GMSC必須知道移動臺的漫游號碼。因此GMSC根據(jù)撥叫號碼計算出相應(yīng)的HLR位置，并向HLR發(fā)出請求。HLR寄存器中保存正在為移動臺提供服務(wù)的VLR的地址信息。HLR通過查詢VLR，便可知移動臺的漫游號碼。HLr將獲得的漫游號碼發(fā)送到GMSC，隨后GMSC將呼叫信息傳送到拜訪MSc。拜訪MSc根據(jù)查詢HLR所得到的信息與移動臺建立端到端連接。在整個呼叫建立過程中，信令是通過七號信令系統(tǒng)傳輸?shù)?。在通話過程中，移動臺可能從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)，此時在移動臺與網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生越區(qū)切換過程。越區(qū)切換過程是網(wǎng)絡(luò)根據(jù)移動臺周期性發(fā)送的測量報告而出發(fā)的。2.2.2GPRS的移動性管理移動性管理(GMM)是無線網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)，它的功能是實現(xiàn)對移動終端的位置管理，能夠?qū)S的當前位置報告給網(wǎng)絡(luò)。移動性管理是GPRS會話管理(SM)的基礎(chǔ)。要執(zhí)行會話管理，首先需要執(zhí)行移動性管理。GPRS移動管理和現(xiàn)有GSM系統(tǒng)移動管理非常相似，都是用于跟蹤一個移動臺在PLMN網(wǎng)內(nèi)的當前位置。不同的是，GPRS引用了一個新的和位置有關(guān)的概念:路由區(qū)域(RA)。路由區(qū)域由一個或多個小區(qū)(cell)組成，路由區(qū)域的范圍不能比定位區(qū)域(LA)大，也就是說，路由區(qū)域包含在定位區(qū)域，最大可以和其所在的定位區(qū)域一樣大。路由區(qū)域可以被認為是一個IP子網(wǎng)。下面將分析移動臺如何向GPRS網(wǎng)絡(luò)注冊及外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)如何知道移動臺的存在，接著分析數(shù)據(jù)分組如何在移動臺與外部網(wǎng)之間選路及網(wǎng)絡(luò)如何跟蹤移動用戶。2.2.2.1移動管理狀態(tài)GPRS定義了三種移動管理狀態(tài):IDLE,STANDBY,READY。某個時刻，MS總處于其中一種狀態(tài)下。如下圖2.4示:圖2.4移動管理狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型當移動臺還未開機或者沒有進行GPRS連接(attch)時，處于工DLE狀態(tài);當移動臺正在進行數(shù)據(jù)傳輸時，處于READY狀態(tài);移動臺己完成GPRS連接，但是沒有傳輸數(shù)據(jù)時，處于STANDBY狀態(tài)。三種移動管理狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)移依賴于事件激活或者超時，當移動臺處于STANDBY狀態(tài)時，SGSN知道移動臺所在的路由區(qū)域;當移動臺處于READY狀態(tài)時，SGSN知道移動臺所在的小區(qū)(cell)o1.IDLE狀態(tài)當用戶的手機處于關(guān)機狀態(tài)時，它處于工DLE狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)移動臺此時所在的位置一無所知。用戶開機以后，移動臺所做的第一件事是執(zhí)行attch連接，完成以后，移動臺處于READY狀態(tài)。此時，移動臺可以收發(fā)端消息:如果網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了VLR和SGSN之間的接口，用戶還可以通過SGSN接收電路交換業(yè)務(wù)的尋呼消息;但是這時用戶還不可以上網(wǎng)瀏覽，也不能從外部網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)包，因為此時用戶和外部網(wǎng)絡(luò)之間還沒有可用的PDP上下文，移動臺尚未建立與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連接。2.READY狀態(tài)GPRSattch過程己經(jīng)執(zhí)行過了，移動臺和SGSN之間的移動管理上下文也己經(jīng)建立，網(wǎng)絡(luò)知道此時移動臺在哪個小區(qū)中(定位精確到小區(qū))。移動臺可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，如果移動臺要向外部IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，還需要激活一個PDP上下文。SGSN無需進行尋呼就可以隨時向移動臺傳送數(shù)據(jù)，移動臺也可以隨時向SGSN發(fā)送數(shù)據(jù)。移動臺可以“激活”或者“去激活”rut,上下文。在READY狀態(tài)下，移動臺只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才占用無線資源，移動臺采用非連續(xù)的傳輸方式。用戶進入READY狀態(tài)之后，啟動一個定時器，當該定時器超時時，移動臺從READY轉(zhuǎn)移到STANDBY狀態(tài)。3.STANDBY狀態(tài)移動管理上下文已經(jīng)建立(即己經(jīng)執(zhí)行了GPRS連接過程)，網(wǎng)絡(luò)知道此時在哪個路由區(qū)域(定位精確到路由區(qū)域)。一旦移動臺發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)，移動管理狀態(tài)就轉(zhuǎn)移到READY狀態(tài)。移動臺可以通過SGSN接收電路交換服務(wù)的尋呼信息。此時還不能進行數(shù)據(jù)傳輸(一旦進行數(shù)據(jù)傳輸，就不是STANDBY狀態(tài)，而是READY狀態(tài)了)。STANDY狀態(tài)中有一個移動臺可達定時器，從移動臺進入STANDY狀態(tài)起，該定時器開始計時，如果定時器超時，網(wǎng)絡(luò)就可以執(zhí)行“去連接”過程，移動臺進入工DLE狀態(tài)，移動管理上下文被刪除。Attach過程任何用戶要獲取GPRS網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)，首先就必須讓網(wǎng)絡(luò)端知道這個用戶的存在，也就是用戶必須向網(wǎng)絡(luò)中的SGSN注冊。網(wǎng)絡(luò)驗證用戶是否被授權(quán)，將HLR中的用戶注冊信息拷貝到SGSN中，并為用戶分配一個分組臨時移動用戶標識(P-TMSI),該過程叫做GPRSAttach過程。如果用戶同時使用電路交換業(yè)務(wù)和分組交換業(yè)務(wù)，可執(zhí)行組合GPRS/IMSIAttach過程。圖2.5顯示了Attach過程。Attach過程因移動臺的狀態(tài)的不同可分為幾種情況:1.移動臺首次激活attach。移動臺首先向SGSN提出attach請求，SGSN從歸屬位置寄存器取得所需的驗證和加密參數(shù)，對移動臺進行驗證并對數(shù)據(jù)的加密方式進行初始化，同時還進行設(shè)備校驗。然后SGSN向HLR發(fā)送“updatelocation”消息，消息中包含SGSN地址及IMSI。接著HLR向SGSN發(fā)送包含用戶注冊信息的“InsertSubscriberData”消息，通知SGSN為此移動臺建立MMContext.SGSN驗證該RA是否允許移動臺Attach，如果允許，則為移動臺建立MMContext(如IMSI,P-MSI,路由區(qū)(RA),SGSN地址等)，并向HLR發(fā)送應(yīng)答消息“InsertSubscriberDataAck”。否則發(fā)回“拒絕”消息。HLR收到應(yīng)答消息后，為移動臺建立MMContext(如IMSI,MSISDN,SGSN地址等)，隨后向SGSN發(fā)送“UpdateLocationAck”消息。上述一系列過程稱為路由區(qū)域(RA)更新過程(RA:RouteArea由區(qū)域操作員定義的一組小區(qū)，包含于LA內(nèi))。2.移動臺去激活GPRS，為移動臺提供服務(wù)的SGSN發(fā)生改變。在這種情況下，SUNNI收到請求后，可能會忽略安全和設(shè)備校驗。路由更新過程中，除了建立移動管理環(huán)境，HLR還通知原來的SGSN刪除關(guān)于移動臺的路由信息。3.移動臺同時激活GPRS服務(wù)和GSM服務(wù)。在類似上面情況的過程之后，還要執(zhí)行位置區(qū)域(LA)更新過程。圖2.5GPRS"ATTCH”建立過程經(jīng)過這一過程，移動臺和SGSN之間就建立了邏輯鏈路控制環(huán)境，其中包括臨時邏輯鏈路標識(T比工)。這時，移動臺就可以與SGSN協(xié)商數(shù)據(jù)分組的路由環(huán)境(PDPContext)。2.2.2.3去連接Detach過程如果GPRS用戶希望結(jié)束一個連接，則啟動GPRS“去連接”過程，GPRS“去連接”過程將移動管理狀態(tài)置為工DLE，同時刪除SGSN和移動臺中的移動管理上下文。當ATANDBY狀態(tài)的定時器超時時，也會隱式執(zhí)行GPRS“去連接”過程。2.3GPRS的會話管理GPRS會話管理是指GPRS移動臺和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的連接控制管理。PDP上下文有兩種狀態(tài):ACTIVE和INAVTIVE，它們之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2.6所示:圖2.6PDP上下文狀態(tài)激活成功注冊到GPRS網(wǎng)絡(luò)后，為了與外部網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)分組，移動臺需要申請一個或多個PDN地址(如果PDN為IP網(wǎng)絡(luò)，則為工P地址)，該地址成為PDP地址，每一次會話都要建立PDPContext，用來描述會話特性。PDPContext中包括PDP類型(例如IPV4)，分配給移動臺的PDP地址(例如2)，請求的QOS，及其為訪問外部數(shù)據(jù)網(wǎng)提供接口的GGSN的地址等。PDPContext分別保存在移動臺、SGSN及GGSN中。當PDPContext處于激活狀態(tài)，移動臺對外部網(wǎng)絡(luò)來講是可見的，此時移動臺能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)分組。GGSN將PDP和IMSI兩種地址作映射，從而使GGSN可在移動臺和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。PDP地址有靜態(tài)分配和動態(tài)分配兩種方法。靜態(tài)地址是由用戶本地PLMN網(wǎng)絡(luò)管理員分配，而動態(tài)地址是在激活PDPContext時，由用戶本地PLMN網(wǎng)絡(luò)管理員或訪問網(wǎng)絡(luò)管理員負責分配。動態(tài)地址的分配，PDPContext激活及去激活均由GGSN負責。本地網(wǎng)絡(luò)管理員決定移動臺最終使用哪一種地址。PDPContext的建立過程如圖2.7所示.圖2.7PDP上下文激活過程移動臺向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送“ACTIVATEPDPContextRequest”消息，通知SGSN移動臺要建立PDPContext。如果要求分配動態(tài)PDP地址，則將消息中的PDP地址域保留為空。隨后執(zhí)行通常的安全驗證功能。如果允許移動臺接入，SGSN則向相應(yīng)的GGSN發(fā)送“CreatePDPContextRequest”消息，收到消息后，GGSN在其內(nèi)部創(chuàng)建PDPContext,GGSN就是利用此中的信息為外部網(wǎng)絡(luò)和SGSN之間的數(shù)據(jù)分組傳輸提供路由功能。隨后GGSN向SGSN發(fā)送“CreatePDPContextResponse”應(yīng)答消息。如果用戶要求分配動態(tài)PDP地址，則在此消息中包含新分配的PDP地址。GGSN更新其內(nèi)部的PDPContext并向移動臺發(fā)送應(yīng)答消息。2.4GPRS的傳輸協(xié)議GPRS是在GSM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但二者具有不同的傳輸方式，即分組交換方式和電路交換方式。這是通過二者不同的協(xié)議結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。GPRS系統(tǒng)象大多數(shù)系統(tǒng)一樣，傳輸平面由分層的協(xié)議結(jié)構(gòu)組成，提供用戶信息傳遞，采用信息傳遞控制過程，例如，流量控制、差錯檢測、差錯糾正和錯誤恢復(fù)等。傳輸平面獨立于網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)平臺。在GPRS中使用如圖2.8所示的傳輸平面〔201.傳輸平面具體包括:"GPRS隧道協(xié)議(GTP):該協(xié)議在GPRS骨干網(wǎng)內(nèi)部的GPRS支持節(jié)點采用隧道方式傳輸用戶數(shù)據(jù)和信令，GTP對信令消息和用戶數(shù)據(jù)N-PDU添加GTP協(xié)議頭，封裝成G-PDU之后，在SGSN和GGSN之間傳送。傳輸可靠數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)議和傳輸不可靠數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)議。TCP提供流量控制、對損失和被破壞的GTP分組數(shù)據(jù)單元的保護。UDP提供對被破壞的GTP分組數(shù)據(jù)單元的保護。圖2.8GPRS的傳輸協(xié)議IP:GPRS骨干網(wǎng)協(xié)議，用于用戶數(shù)據(jù)和控制信令的路由選擇。子網(wǎng)匯聚協(xié)議(SNDCP>:它能實現(xiàn)對外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)單元的透明傳輸。SNDCP還有一個數(shù)據(jù)壓縮功能以提高信道效率。SNDCP有acknowledged和unacknowledged兩種數(shù)據(jù)傳遞方式。在unacknowledged方式下，發(fā)端N-PDU在被傳遞給LLC層之后立即刪除;收端SNDCP實體負責檢出丟失的SN-PDU，如有可能，還負責丟棄重復(fù)的SN-PDU，將SN_PDU進行重組、解壓縮，重新構(gòu)成N_PDU后遞交給SNDCP的用戶。在acknowledged方式下，SN-PDU實體將緩存N-PDU，直到組成該N-PDU的所有SN-PDU被正確接收。邏輯鏈路控制(LLC):該層負責提供加密的高可靠性邏輯鏈路。中繼(relay):在基站子系統(tǒng)，該功能在U，和G。接口中繼LLC分組數(shù)據(jù)單元。在SGSN中該功能在G。和G。接口之間中繼符合PDP分組數(shù)據(jù)單元?；咀酉到y(tǒng)GPRS協(xié)議(BSSGP):這一層在BSS和SGSN之間傳遞與路由、QOS有關(guān)的信息。BSSGP并不執(zhí)行差錯糾正。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)(NS):這一層傳輸BSSGP協(xié)議數(shù)據(jù)單元，它建立在BSS和SGSN之間幀中繼連接的基礎(chǔ)之上，可以穿越幀中繼交換節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。RLC/MAC:這一層包含兩個功能，一是無線鏈路控制功能，RLC負責LL-PDU的拆裝和重組，并提供的可靠的無線鏈路;二是媒質(zhì)接入控制功能，MAC控制無線信道的接入信令過程(請求和允許以及將LLC幀映射成GSM物理信道。GSMRF:空中無線接口。在發(fā)送方，它對上層的RLC/MACblock進行數(shù)據(jù)編碼、交織、經(jīng)波形調(diào)制后以突發(fā)〔Burst)的結(jié)構(gòu)發(fā)送出去;接收方則進行相反的過程，即波形解調(diào)、解交織、實現(xiàn)差錯檢測和校正的解碼。編碼過程如圖所示：:圖2.9GPRS編碼過程經(jīng)編碼、碼收縮后得到的Block為456bit，在連續(xù)4個TDMA幀的突發(fā)中發(fā)送出去。網(wǎng)絡(luò)層的用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)在GPRS傳輸平臺上的數(shù)據(jù)封裝流程如圖2.10所示。N-PDU裝載了用戶數(shù)據(jù)的X.25網(wǎng)數(shù)據(jù)包或If'包，N-PDU封裝在一個或多個LLC幀中，一個LLC幀最大可以容納1520字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)。LL-PDU再分割成多個RLC/MACBlock,最后形成的基本數(shù)據(jù)單元在連續(xù)4個數(shù)據(jù)突發(fā)中發(fā)送出去。編碼、收縮后的數(shù)據(jù)block456bit.。圖2.10用戶數(shù)據(jù)封裝過程2.5GPRS編碼方式GPRS定義了四種編碼方式，根據(jù)位分組中的有效數(shù)據(jù)載荷提供不同等級的保護，提供了4種不同的數(shù)據(jù)速率(見表1)。分組數(shù)據(jù)在空中接口傳輸?shù)膬?yōu)先權(quán)和完整性受編碼方式選擇的控制。完整性校驗越強，每塊分組傳送的數(shù)據(jù)就越少。例如，方式1(CSI)保護最強、有效載荷最少;方式4保護最差、有效載荷最多。無線環(huán)境越好，就能夠使用越高的編碼方式，從而獲得更高的數(shù)據(jù)速率。方式的選擇由分組控制單元(PCU)來決定，該網(wǎng)絡(luò)實體負責決定基站用何種編碼方式向移動臺發(fā)送數(shù)據(jù)。圖2.11編碼方式比較GPRS的每一種編碼方式都有自己的最佳適用范圍，應(yīng)根據(jù)無線條件動態(tài)地選擇，在下行方向由網(wǎng)絡(luò)控制，而上行方向則由移動臺控制。采用哪一種編碼方式取決于信道上的干擾和噪聲，干擾直接與頻率復(fù)用系數(shù)和多普勒頻移有關(guān)。如果能在應(yīng)用中實現(xiàn)鏈路的動態(tài)適配，由系統(tǒng)命令移動臺根據(jù)C/工的變化調(diào)整CS方式，將獲得最佳吞吐量。在系統(tǒng)允許的情況下，得到較好的頻率效率。2.6GPRS的數(shù)據(jù)傳輸在移動管理上下文和PDP上下文建立之后，就可以在移動臺和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間傳輸數(shù)據(jù)了。移動臺和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為PDP協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU),PDP，PDU在移動臺和GGSN之間傳輸時，是以N-PDU的形式傳輸?shù)?，每個N-PDU最大為1500字節(jié)。如果比1500字節(jié)小，可以正常傳輸，如果比1500字節(jié)長，則傳輸時必須將其分段，如果不支持分段功能，就只能將其丟棄。GGSN和SGSN之間，PDPPDU經(jīng)過封裝后，利用隧道協(xié)議傳輸，GTPPDU頭中有GSN的地址，便于尋址。GTPPDU的頭部還包括隧道標示，用于唯一地標示一個PDP上下文。SGSN之間，PDPPDU利用SDNCP協(xié)議傳輸，在這里PDP上下文通過臨時邏輯鏈路標示(TLLI)和網(wǎng)絡(luò)層接入點標示(NASPI)來唯一標示。如圖2.12所示:圖2.12用戶數(shù)據(jù)傳輸過程GPRS支持外部網(wǎng)絡(luò)與移動臺之間的透明傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸時，在移動臺、SGSN,GGSN中把數(shù)據(jù)包封裝起來，根據(jù)移動臺、SGSN,GGSN中的PDPContext選擇路由傳輸數(shù)據(jù)包。GPRS骨干網(wǎng)內(nèi)GSN之間的封裝協(xié)議與SGSN與移動臺之間的封裝協(xié)議完全不同。GM)骨干網(wǎng)內(nèi)USN利用GPRS隧道協(xié)議對IP或X.25分組進行封裝，然后將GTP協(xié)議數(shù)據(jù)單元插入TCPPDU或OrPDU中，而TCPPDU或OrPDU又是封裝在IPPDU中進行傳輸。在IP和GTPPDU頭部分別包含USN地址的隧道端點標識符(TID)，用它們來唯一地確定GSN地址和PDPContext，從而正確地將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡?。也就是說，GGSN和SGSN之間通過工P地址選路，利用GTP協(xié)議對數(shù)據(jù)封裝。在GSN內(nèi)部，根據(jù)TID區(qū)分不同的數(shù)據(jù)流。在SGSN和移動臺之間傳輸數(shù)據(jù)包，PDP，PDU被封裝在SNDCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元中傳輸，利用臨時邏輯鏈路標識(TLLI)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)訪問點標識符(NSAPI)唯一確定PDPContext。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，GGSN和SGSN保存接收到的PDU直至這些PDU被發(fā)送到下一個結(jié)點或者超時丟棄。此外，GGSN和SGSN還分別把從SNDCP和Gi接口收到的PDPPDU加上相應(yīng)的序列號。在把PDPPDU傳送到SNDCP之前SGSN還可能對PDPPDU重新排序，GGSN則可能把PDPPDU傳送到Gi接口之前對PDPPDU重新排序。為了支持GPRS用戶漫游，SGSN并不關(guān)心隧道中傳輸?shù)腜DP類型，可以傳輸SGSN并不支持的PDP類型的數(shù)據(jù)包。PH:分組頭FCS:幀校驗序列BCS:塊校驗序列FH:幀頭BH:數(shù)據(jù)塊頭圖2.13數(shù)據(jù)封裝流程網(wǎng)絡(luò)層的用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)在GPRS傳輸平臺上的數(shù)據(jù)封裝流程如上圖2.13:接下來詳細描述一下VDU數(shù)據(jù)在U，接口的傳輸過程。2.6.1從N-PDU到SN-PDU外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元N-PDU在GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的透明傳輸?shù)墓δ苁怯蒘NDCP完成的，具有不同到達地址(PDP地址)的某種類型的多個N-PDU，既可以按地址動態(tài)分配不同的NSAPIS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接入點)，也可以按PDP類型都被分配使用同一個NSAP工，每個NSAPI的N-PDU發(fā)送序列號獨立編制，一個N-PDU可能會被拆裝成幾個SNPDU，利用LLC層的服務(wù)傳送出去。2.6.2從SN-PDU到LL-PDULLC層通過不同的服務(wù)訪問節(jié)點(SAM)為Layer3提供服務(wù)。這里為用戶數(shù)據(jù)(SN-PDU)提供服務(wù)的SAPI有四種，分別具有不同的LLC控制參數(shù)，可以滿足不同QOS的數(shù)據(jù)應(yīng)用。LLC將來自不同的SAPI(服務(wù)接入點)的高層數(shù)據(jù)單元封裝成LL-PDU，以Acknowledgedmode或Unacknowledgedmode方式發(fā)送出去。數(shù)據(jù)邏輯鏈路建立后，發(fā)送端就可以開始發(fā)送LL-PDU了。發(fā)端在送出一個LL-PDU的同時開啟一個LLCtimerT200,T200計時滿，如果發(fā)端還未收到接收方法來的肯定確認，則表明該次LL-PDU傳送失敗;發(fā)端將在此重發(fā)該LL-PDU，重傳次數(shù)不能超過預(yù)先設(shè)定的最大重傳次數(shù)N200。經(jīng)過N200次發(fā)送后，如果該LL-PDU仍未發(fā)送成功，則表示鏈路失敗。2.6.3在發(fā)送端，RLC負責將LL-PDU分段為RLCblocks;接收端，RLC將RLCblocks重傳為LL-PDU.RLC有兩種數(shù)據(jù)傳送方式:Acknowledgedmode和Unacknowledgedmode。前者，RLC采取了選擇重傳ARQ。在發(fā)送窗口內(nèi)連續(xù)傳送blocks，接收方在發(fā)送方要求發(fā)送PacketUplinkAck/hack或PacketDownlinkAck/Hack消息。發(fā)送方根據(jù)接收方返回的確認消息，只重發(fā)那些沒有得到肯定確認的blocks。接收方的RLC/MA層直到正確收到一個LL-VDU的所有RLCblocks，才向上傳送給LLC層。而在Unacknowledgedmode下，不進行重傳，接收方將出錯的block剔除，用Dummy比特代替，保證LL-PDU的長度不變，才傳送給LLC層。GM)的空中接口由獨立、非對稱的上下行信道構(gòu)成。下行信道由網(wǎng)絡(luò)負責統(tǒng)一安派多個用戶數(shù)據(jù)的排隊，不存在爭用和碰撞;上行方向，多個用戶隨機接入共享信道，極有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)的碰撞，因此需要有沖突檢測和差錯恢復(fù)的控制協(xié)議，這些功能由MAC完成。2.6.3.1GPRS支持的三種媒質(zhì)接入方式1.動態(tài)分配方式。網(wǎng)絡(luò)在為MS分配資源時，沒有固定的預(yù)留分配，而是通過每個下行blockMAC首部中包含的USF來動態(tài)分配資源。USF由3比特表示，因此有8個取值。在PCCCH上，有一個USF的值用于表示PRACH(例如USF=FREE表示在上行方向的下一個block安排為PRACH，所有守候在該信道上的MS都可以發(fā)起隨機接入請求)，其余7個分配給不同的MS使用。在非PCCCH上，全部8個USF的信道都分配給MS使用。MS的隨機接入請求得到網(wǎng)絡(luò)允許后，如果網(wǎng)絡(luò)采用動態(tài)分配資源的方式，則MS偵聽下行block中指明的USF是否與網(wǎng)絡(luò)分配給自己的一樣，如果一樣，則表示上行方向下一個block的資源是預(yù)留給該MS的。2.擴展動態(tài)分配方式。它的動態(tài)分配方式一樣，網(wǎng)絡(luò)是通過USF來為MS指定上行信道。區(qū)別在于，如果MS檢測到當前下行block中指明的USF與自己的一樣，則表示上行方向隨后連續(xù)4個block都預(yù)留給該ms使用。3.固定分配方式。MS在信道接入請求中指明總共需要占用的資源數(shù)目，網(wǎng)絡(luò)收到后，如果有足夠的資源分配給MS，則接收MS的信道接入請求，向MS發(fā)送信道分配消息;如果網(wǎng)絡(luò)當前沒有足夠MS使用的資源，則發(fā)送拒絕MS接入請求的消息移動臺發(fā)起的分組傳送過程(MO)為了發(fā)送LL-PDU,MS首先要進行隨機接入，接入方式有一步接入和兩步接入兩種移動臺圖2.14一步或兩步接入MS在PRACH上發(fā)出PacketChannelRequest消息，網(wǎng)絡(luò)在正確收到該消息后，以PacketUplinkAssignment消息響應(yīng)，如果是一步接入，則在該消息中為MS分配器請求的資源數(shù);如果是兩步接入，則在該消息中為MS預(yù)留進一步發(fā)送PacketResourceRequest消息的信道資源，網(wǎng)絡(luò)在收到PacketResourceRequest消息后在以PacketUplinkAssignment消息響應(yīng)，為MS預(yù)留要使用的信道資源。采用動態(tài)資源分配的上行鏈路傳送過程如圖2.14示。經(jīng)過上圖所示的接入請求與分配后，MS在支配的信道上發(fā)送數(shù)據(jù)，直到進行到發(fā)送數(shù)據(jù)窗口中的最后一個為止，此時需要等待網(wǎng)絡(luò)的確認消息，是發(fā)送窗口向前滑動后才能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，網(wǎng)絡(luò)可以通過PACKETUPL工NKASSIGNMENT消息進行資源再分配，MS收到該分配消息后，以PACKETCONTROLACKNOWEDGEMENT消息響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，然后再重新分配的資源上繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送最后一個數(shù)據(jù)塊。網(wǎng)絡(luò)在收到最后一個數(shù)塊后，將在PACKETUPLINKACK中標記是最后一次確認。圖2.15上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸動態(tài)分配向移動臺傳送分組的過程(MT)圖2.16尋呼、下行鏈路分組傳輸?shù)膶ず粝⑿蛄芯W(wǎng)絡(luò)在PPCH上對MS發(fā)送分組尋呼請求消息，MS如接受該請求則發(fā)起相應(yīng)的尋呼響應(yīng)過程。網(wǎng)絡(luò)收到MS的尋呼響應(yīng)消息，開始下行分組傳輸。圖2.17下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸MS在收到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)時，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送ACK/NACK，網(wǎng)絡(luò)將MS沒有正確接收到的分組再次重傳。如果在分組傳送過程中，MS再次收到分組下行鏈路分配消息，然后以分組控制確認消息應(yīng)答，然后再重新分配的資源上繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)接收完畢。3GPRS的信道分配與性能分析3.1GPRS的信道3.1.1GPRS的物理資源GSM在無線接口上綜合了頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)兩種技術(shù)。兩個頻寬為45MHZ的資源為GSM保留:890-915MHZ用于上行鏈路傳輸，935-960MHZ用于下行鏈路傳輸。每一個頻段的25MHZ頻寬被分成124個單載波信道，每個信道的中心帶寬為200KHZ。一個小區(qū)包括多個頻譜信道，由BTS管理。通過把200KHZ寬的頻率信道分割成8個時隙，從而使每個這種頻率信道載有8個TDMA信道，TDMA信道上的8個時隙構(gòu)成一個TDMA幀。一個物理信道定義為一個TDMA幀、或跳頻序列。時隙編號為0-7，時隙以15/26ms(576.9ps)的時間重復(fù)，因而每幀占用4.613ms，信息傳輸?shù)恼{(diào)制速率約為270.833Kbit/s則在一個時隙的持續(xù)時間內(nèi)，包括保護時間，傳輸156.25bitoGSM系統(tǒng)中移動臺的上下行信道使用相同時隙。3.1.2GPRS的突發(fā)序列時隙的物理內(nèi)容稱為突發(fā)(burst)。系統(tǒng)中存在四種突發(fā):常規(guī)突發(fā)(NB)，用于攜帶業(yè)務(wù)和控制信道上的信息，但RACH除外。頻率校正突發(fā)(FB)，用于移動臺的頻率同步。同步突發(fā)(SB)，用于移動臺的時間同步。接入突發(fā)(AB)，用于隨機接入。3.1.3GPRS的無線塊結(jié)構(gòu)GPRS系統(tǒng)在GSM時隙基礎(chǔ)上構(gòu)造了無線塊結(jié)構(gòu)(RadioBlockStructre)，每一塊由4個連續(xù)的TDMA幀組成。GPRS無線塊是在空中接口傳輸用戶數(shù)據(jù)和信令的物理信道基本單位。多個用戶邏輯信道數(shù)據(jù)可以復(fù)用在一個GPRS物理信道，即分組數(shù)據(jù)信道(PDCH)中，所以無線塊內(nèi)必須存在用來指示塊內(nèi)包含的邏輯信道類型，同時用來判斷傳輸用戶數(shù)據(jù)的所有者的方法。GPRS無線塊由MAC頭、信息單元、塊校驗序列三部分組成。每個RLC數(shù)據(jù)塊可能利用不同的編碼方式，從而使得每個RLC數(shù)據(jù)塊的大小不同。利用不同的編碼機制，可得到不同的比特速率。3.1.4GPRS的復(fù)幀結(jié)構(gòu)分組數(shù)據(jù)信道(PDCH)組織結(jié)構(gòu)采用52復(fù)幀，即每一個復(fù)幀包含52個..TDMA幀。一個無線塊由連續(xù)TDMA幀中的突發(fā)(Burst)序列組成。BO塊對應(yīng)0-3TDMA幀，塊的順序列表定義為BO-B11,52TDMA幀由下圖組成。圖3.1PDCH的復(fù)幀結(jié)構(gòu)3.1.5GPRS的邏輯信道GPRS系統(tǒng)邏輯信道映射到物理信道之后成為分組數(shù)據(jù)信道(PDCH)。也可以解釋為從邏輯上來說分為Master和Slave兩種信道。Master除攜帶用戶數(shù)據(jù)外，還攜帶系統(tǒng)消息和公共控制信令:Slave只攜帶用戶數(shù)據(jù)。在信道安排上，必須至少有一個信道用作Master，剩余信道用作Slave.Master上根據(jù)其傳輸?shù)男畔⒎譃?如下圖3.2所示:信道分配上，GPRS不同于GSM系統(tǒng)。GPRS允許單個移動臺在同一個TDMA幀的多個時隙上傳輸。因此網(wǎng)絡(luò)能靈活分配信道:一個移動臺能占用一個TDMA幀中的一個至八個時隙。而且，上下信道獨立分配，這有利于不對稱數(shù)據(jù)傳輸，如瀏覽WEB頁面。在傳統(tǒng)的GSM系統(tǒng)中，整個呼叫期間，無論有無數(shù)據(jù)傳輸，信道永久地分配給一特定用戶使用。而GPRS系統(tǒng)空中接口的一個基本特點就是多用戶共享空中資源。當GPRS移動臺想發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)為其分配一個臨時的物理連接，即TBF.TBF是臨時存在的，只有當接收數(shù)據(jù)分組時或發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，才將信道分配給用戶，一旦傳送完畢，立即釋放信道。對于突發(fā)性業(yè)務(wù)而言，可大大提高無線資源的利用率。利用這種機制，多個用戶可以共享一個物理信道。3.2用二維馬爾可夫模型分析GPRS的網(wǎng)絡(luò)性能3.2.1構(gòu)建排隊模型的原則GPRS在原有GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入，與語音業(yè)務(wù)共享有限的信道資源，未被語音業(yè)務(wù)占用的信道可根據(jù)需求動態(tài)地分配給GPRS，該動態(tài)過程可以用一個馬爾可夫過程來描述。但在文獻〔8」中提到的模型只考慮了GPRS用戶單時隙操作的情況，而且每個時隙不能被多個用戶共享。這里建立的二維連續(xù)時間的馬爾可夫鏈模型考慮到了在動態(tài)信道分配方案下，GPRS用戶的多時隙操作和單時隙被多用戶復(fù)用的情況，并且也考慮了數(shù)據(jù)傳輸中用戶從相鄰小區(qū)切換帶來的影響。采用分解技術(shù)可求得二維馬爾可夫鏈的近似解，從而便于對網(wǎng)絡(luò)的性能進行數(shù)值分析。假設(shè)某一個小區(qū)的業(yè)務(wù)信道數(shù)為N，其中m，個為GPRS專用，剩下的and(即N-m,)個信道由數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)共用，并且語音業(yè)務(wù)具有較高的優(yōu)先級，當語音呼叫到來時，可以中斷傳輸中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是有信道空出提供給數(shù)據(jù)傳輸時，中斷的數(shù)據(jù)傳輸有最高的優(yōu)先級。當一個GPRS呼叫到來時，系統(tǒng)根據(jù)它請求的信道數(shù)進行分配，如果系統(tǒng)資源不足(即無法滿足它申請的時隙數(shù))，則可以采取兩種策略:1.讓該呼叫在排隊隊列中等待，直到系統(tǒng)有充足的資源分配給它。2.降低該呼叫所申請的時隙數(shù)，將現(xiàn)有的信道分配給它，本文所建的模型采用此種策略。在具體分配信道(時隙)的時候，采用如下的分配方案:首先盡可能的給UM)用戶分配空閑信道;這樣分配后，用戶的請求仍未得到滿足，則采用復(fù)用技術(shù)，讓該用戶與其它用戶共享某些信道(每一信道上可共享的最大用戶數(shù)由參數(shù)d設(shè)定)。如果沒有分配到任何信道，則新用戶進入等待隊列或被阻塞(Blocked).當一個語音呼叫到來時，如果分配給語音業(yè)務(wù)的信道數(shù)沒有超過最大值m，，則盡可能給它分配信道，還可以強占已被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用的公用信道。如果被語音占用的GPRS用戶只占一個信道，那么可以進行區(qū)內(nèi)切換，重新給它分配信道;如果這樣分配失敗，該GPRS數(shù)據(jù)傳輸被中斷，進入等待隊列。如果分配給語音業(yè)務(wù)的已達到最大值，則新來的語音呼叫將被阻塞。3.2.2馬爾可夫模型模型建立假設(shè)語音呼叫和GPRS呼叫的到達為相互獨立的Poisson過程。Poisson過程的定義為呼叫到達的間隔時間獨立且同為相同的復(fù)指數(shù)分布，表達式為：二維連續(xù)時間時間馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖3.3示:、圖3.3二維馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型模型求解及網(wǎng)絡(luò)性能指標上節(jié)描述的馬爾可夫鏈具有有限狀態(tài)集，遍歷且不可約，所以具有穩(wěn)態(tài)解。設(shè)：可得出解。但是狀態(tài)太多時，一般時采用分解技術(shù)求出其近似解。分解技術(shù)應(yīng)用的前提是從，目的是使GPRS分組呼叫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移在每個語音叫狀態(tài)時盡快達到穩(wěn)定由于每個分組呼叫所要傳輸?shù)姆纸M大小較小，服務(wù)時間遠小于語音業(yè)務(wù)，所以上述馬爾可夫模型符合這一前提。對于語音業(yè)務(wù)，由于具有較高優(yōu)先級，可以中斷數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，所以基本不受數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的影響，可以用M/M/c/c隊列來表示，其中c=my。于是系統(tǒng)中有n個語音呼叫的概率為:未被語音業(yè)務(wù)占用的信道可以被GPRS業(yè)務(wù)使用，所以有n個信道被語音業(yè)務(wù)占用的概率和有my-n+md個信道可供GPRS業(yè)務(wù)使用的概率是相等的。下面先考慮可供GPRS使用的信道數(shù)為C的情況，此時系統(tǒng)中可接人的UM)呼叫數(shù)最多為Gmax=GPRS(my+md一C)。以系統(tǒng)中接人的GPRS呼叫數(shù)為狀態(tài)變量，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3.4所示。其中k*二〔C/h]，這K‘個呼叫各自分配到h個空閑信道，后來的呼叫只能與已有呼叫復(fù)用信道。圖3.4固定信道C下GPRS呼叫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移于是可推出在GPRS可利用的信道(PDCH)為C的前提下，系統(tǒng)中有N個GPRS分組呼叫的概率為：仿真條件假定小區(qū)中業(yè)務(wù)信道的總數(shù)為16,GPRS專用信道數(shù)md為2,p,=150s,,uhv=loos，對于GPRS,h=2,LP=13.4X8kbit,Lw=8。在參數(shù)d(允許復(fù)用在同一時隙的最大用戶數(shù))分別取1和3的情況下，改變GPRS呼叫產(chǎn)生速率，根據(jù)公式(3.10)一(3.14)，可計算出系統(tǒng)的呼叫阻塞率，信道利用率和分組的傳輸速率以及系統(tǒng)延遲時間。結(jié)果分析1.阻塞率當時，GPRS的呼叫到達率，改變分配給GPRS專用信道m(xù)d的個數(shù)，觀察阻塞率的變化。圖中and由0變化到8個，VBR表示語音呼叫的阻塞率，PBR表示GPRS數(shù)據(jù)呼叫的阻塞率，TBR表示系統(tǒng)總的阻塞率。圖3.5,3.6給出d=1和d=3時仿真結(jié)果。圖3.6d=3時的阻塞率改變GPRS分組呼叫的到達率和語音呼叫的到達率，觀察UM)分組呼叫的阻塞率。如下圖3.7示:圖3.7語音呼叫為0.06時的分組阻塞率圖3.6語音呼叫為0.08時的分組阻塞率小結(jié):①當GPRS專用信道個數(shù)增加時，GPRS分組呼叫的阻塞率逐漸減小，而語音呼叫的阻塞率逐漸增大，這是因為當UM)專用信道個數(shù)較大時，分組數(shù)據(jù)會有更大的選擇信道用來傳輸數(shù)據(jù)，因而阻塞率呈下降趨勢。但是語音呼叫因為共用信道的減少增加了被阻塞的可能。②d為每一時隙上復(fù)用GPRS分組呼叫的最大個數(shù)。當d=1與d=3相比，語音呼叫的阻塞率是不變的。但是d=1比d=3時的GPRS分組呼叫的阻塞率大，這是由于分組呼叫復(fù)用的關(guān)系，可以更大可能的傳輸數(shù)據(jù)，減少阻塞。③語音呼叫取值0.08時和取值0.06時比較，顯然分組呼叫在語音呼叫個數(shù)少時阻塞率小，因為當系統(tǒng)中語音呼叫不繁忙時，數(shù)據(jù)傳輸更容易。④當分組呼叫逐漸變大時，如圖3.7和圖3.8，顯然分組呼叫的阻塞率由于業(yè)務(wù)量增多而增大。2.信道利用率。分組呼叫逐漸增大，語音呼叫固定為0.06個/s?？疾煨诺赖睦寐是闆r。如圖圖3.9信道利用率曲線小結(jié):①隨著分組呼叫的逐漸增大，那么信道的利用率逐漸變大，當d=3，呼叫到達為1.5個/s時，利用率高達95%0②由于d=3時，一個信道能被更多的用戶共享，所以d=3時，利用率高于d=1時的信道利用率。3.平均傳輸速率仿真條件為分組呼叫逐漸增大，不同d的情況。此時語音呼叫為0.06個/so不同下分組平均傳輸這率于分組呼叫到達率的關(guān)系圖3.10分組平均傳輸率曲線小結(jié):d取1時比d取4時的平均傳輸速率相對較高，這是因為d取值較小時表明同一時隙上的用戶數(shù)較少，每一用戶獲得調(diào)度的機會增加，傳輸速率也隨之增加。但是由于分組呼叫增加，阻塞率增加，所以分組的平均傳輸率的總趨勢是減小的。4.吞吐量考察GPRS專用信道吞吐量的關(guān)系(語音呼叫為0.06個/s)。如圖3.11圖3.11吞吐量曲線小結(jié):吞吐量隨著GPRS專用信道個數(shù)增大而增大。由于同一時隙上復(fù)用更多的用戶，GPRS數(shù)據(jù)被成功傳輸?shù)母怕试龃螅枞式档?，因此有更大的吞吐量?.延遲同樣考察d=3與d=1，當分組呼叫逐漸增大，語音呼叫為0.06個/s時，分組的排隊時間(延遲)。延遲時間單位:秒。圖3.12分組延遲曲線小結(jié):分組呼叫逐漸增大，排隊等待服務(wù)時間由于阻塞率增大而增加。由于d=1，信道復(fù)用的用戶少，數(shù)據(jù)傳送不及時，延遲時間必然增加。總結(jié):這里建立的馬爾可夫模型，考慮了信道的動態(tài)分配，使GPRS業(yè)務(wù)和語音可以共享有限的信道資源。在此模型之上，我們分析了系統(tǒng)的阻塞率、分組傳輸率等參數(shù)，得出的結(jié)論與前人的研究成果是一致的。仿真結(jié)果表明，本文建立的馬爾可夫模型用來估計GPRS網(wǎng)絡(luò)性能是可靠的。在有些專用的仿真軟件上，有研究者建立起復(fù)雜的仿真器，同樣也能得出網(wǎng)絡(luò)的性能分析結(jié)果，但是模型復(fù)雜而且仿真時間長。應(yīng)用本文的模型，在PC機上用MATLAB語言即可以達到目的，仿真時間也相對較短，因此，二維馬爾可夫模型可以作為一個有效的工具來進行網(wǎng)絡(luò)性能分析。本文仿真的參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化也有借鑒意義。4基于GPRS方式傳輸GPS數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)及性能分析4.1GPS簡介全球定位系統(tǒng)GPS(GlobaPositioningSystem)是美國從上世紀70年代開始研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。該系統(tǒng)利用導(dǎo)航衛(wèi)星進行測試和測距，具有在海、陸、空進行全方位實時三位導(dǎo)航與定位能力。GPS是繼阿波羅登月計劃、航天飛機后的美國第三大航天工程。4.1.1GPS的定位原理GPS系統(tǒng)采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法:一是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間，即偽距測量;一是測量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號與接收機產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。采用偽距觀測量定位速度最快，而采用載波相位觀測量定位精度最高。通過對4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。圖4.1GPS測地衛(wèi)星在地球上方的分布圖4.2GPS地面接收與空中衛(wèi)星的示意圖GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為己知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖4.2所示，假設(shè)t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式:[(X1一X)2+(Y1一Y)2+(Z1一Z)2]+C(△T1一△T0)=d1(4.1)[(X2一X)2+(Y2一Y)2+(Z2一Z)2]+C(△T2一△T0)=d2(4.2)[(X3一X)2+(Y3一Y)2+(Z3一Z)2]+C(△T3一△T0)=d3(4.3)[(X4一X)2+(Y4,一Y)2+(Z4一Z)2]+C(△T4一△T0)=d4(4.4)上述四個方程式中待測點坐標X,Y,Z和Vto為未知參數(shù)，其中di(i=1,2,3,4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機之間的距離。△Ti(i=1,2,3,4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間。c為GPS信號的傳播速度(即光速)。四個方程式中各個參數(shù)意義如下:X,Y,Z為待測點坐標的空間直角坐標。Xi、Yi、Yi(i=1,2,3,4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。VtTi(i=1,2,3,4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。VTo為接收機的鐘差。由以上四個方程即可解算出待測點的坐標X,Y,Z和接收機的鐘差VTo。4.1.2UPS的結(jié)構(gòu)組成G