鲁豫有约林申:GPRS空中接口及其主要无线技术

姚 斌    王树甲
信息产业部电信传输研究所
一 引 言
随着互联网和数字移动通信网应用的飞速发展，移动通信业务的中心正在逐渐从单一话音业务向数据与话音相结合的业务发展和演进，世界各国的运营商正逐渐成为话音、数据乃至多媒体业务相互结合的综合电信业务运营商。与此同时，移动终端设备制造商也纷纷根据用户和市场的需求不断开发新的、速率更快的移动数据通信技术，其中最典型有通用分组无线业务(GPRS，General Packet Radio Service)、高速率电路交换数据（HSCSD，High Speed Circuit Switched Data）和GSM增强型数据速率技术(EDGE, Enhanced Data rate for GSM Evolution)。本文旨在介绍GSM在发展和升级过程中，空中接口的结构演进，以及它的主要技术。
GPRS突破了GSM网络只能提供电路交换的思维方式，只需增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造(如软件升级)便可以实现分组交换。这种改造的投入不大，但用户数据速率的提高却是相当可观的。实际上，通过对电路交换（CS, Circuit Switch）的GSM网络进行硬件和软件扩充而提供分组交换（PS, Packet Switch）业务的主要目的，不是简单的为GSM网络的数据业务增速，而是与获得广泛应用的因特网和X.25网一类的分组数据网（PDN，Packet Data Network）互连互通。这样，一方面为移动数据通信的应用增加传输速率，另一方面为因特网的应用插上移动的翅膀，同时也为迟早会到来的3G网络作必要的铺垫。
二 GPRS分组数据信道
最初看来，在分组数据交换系统中似乎不应引入“信道”概念，这是有一定道理的。然而，为了使逻辑GPRS空中接口结构并入现有的具有各种信道类型的GSM信道结构，引入专用于GPRS的物理信道----分组数据信道（PDCH，Packet Data Channels）是必要的。它包括并承载一组逻辑信道，实际上是各种分组逻辑信道的总称。和电路交换系统的信道结构相比较，在可用资源中构造不同类型的分组数据信道没有任何限制，更为重要的是，任何给定时间，每一个时隙都可以被构造成一个电路交换信道，或者一个分组数据信道。
PDCH在GPRS中实际上是各类逻辑信道的总称，这些逻辑信道具有单向性的特点，也就是说，可以在上下行两个方向独立分配。唯一的例外是分组接入控制信道(PACCH)，它总是双向分配的。各个分组数据信道的名称、类型以及上下行分配情况如表1所示。
表1 GPRS中各分组数据信道类型和上下行分配情况
信道类型
全 称
上下行链路分配
PBCCH
Packet Broadcast Control CHannel
下行
PAGCH
Packet Access Grant CHannel
下行
PNCH
Packet Notification CHannel
下行
PPCH
Packet Paging CHannel
下行
PRACH
Packet Random Access CHannel
上行
PDTCH
Packet Data Traffic CHannel
上下行
PACCH
Packet Associated Control CHannel
上下行
PTCCH/U
Packet Timing advance Control Channel/Uplink
上行
PTCCH/D
Packet Timing advance Control Channel/Downlink
下行
PACCH: 分组随路控制信道PACCH是与PDTCHs随路的专用分组控制信道，它的功能是传送与特定移动台相应的信令信息，包括证实确认、功率控制等等。 该信道是一个上下行双向信道，它总是成对分配，就算只有分配了上行临时块流(TBF, Temporary Block Flow)的话，网络也会使用相应的下行PACCH链路传送信息。
PAGCH: 分组接入准予信道PAGCH用于在分组数据发送前，传输移动台的资源分配。
PBCCH: 分组广播控制信道PBCCH将有关的广播信息分组数据传送到驻留在该小区中所有GPRS移动台。只要小区内提供GPRS业务，则需要分配PBCCH，但如果没有分配PBCCH的话，那么BCCH就会代行传送相应控制信息。
PDTCH: PDTCH是唯一一种在BTS和移动台之间传输用户数据的业务信道，与电路交换系统的事务处理不同的是，PDTCH不需要对称分配下行链路，而是可以独立的分配。
PNCH: 分组通知信道PNCH用于点到多点的多点播送业务(PTM-M，Point to Multipoint - Multicast)，在进行分组传送以前，该信道被分配给相关的移动台群组。
PPCH: 分组寻呼信道PPCH主要是在下行链路上通知移动台将要进行分组数据传送，要求移动台完成网络接入。
PRACH: 分组随机接入信道PRACH由移动台用来接入网络，并从网络端获取进行分组数据传送的资源。
PTCCH/D: 下行链路的分组时间提前量控制信道PTCCH/D由BTS用来给移动台发送更新过的时间提前量TA(Timing Advance)。
PTCCH/U: 上行链路的分组时间提前量控制信道PTCCH/U由移动台用来给BTS它发送接入突发脉冲，以便对分组传输模式下移动台的发送时间提前量进行计算。
三 GPRS空中接口参考模型
很明显，空中接口(Um)是GPRS技术及其实现中最具挑战性的部分，原有GSM网络和技术不能因为GPRS业务而受到影响，也就是说引入GPRS并不改变GSM空中接口的基本物理资源，它仍然是由FDMA的频段（含跳频）与TDMA的时隙组成的，承载22.8kb/s速率的信道。GPRS不但不影响原有的GSM业务，甚至可以改进某些业务，例如短消息（SMS）业务等。此外，GPRS应尽可能多地利用现有GSM网络和标准体制。
SNDCP                          SNDCP
LLC                            LLC①
RLC                            RLC
MAC                           MAC
物理链路                        物理链路
RF                              RF
MS             Um            网 络
① 网络中，LLC位于BSS和SGSN之间
图1 GPRS中MS – 网络(空中接口)参考模型
GPRS空中接口(Um)的逻辑结构如图1所示，它由多个逻辑层构成，各层都有特定的功能，并且每层都提供一种机制，将各通信功能融入到便于管理的子集。从图中不难看出，移动台MS与网络之间的通信发生在物理RF层、物理链路层、无线链路控制/媒介接入控制 (RLC/MAC， Radio Link Control/Medium Access Control) 层、逻辑链路控制(LLC，Logical Link Control)层，以及子网相关的汇聚协议（Sub-Network Dependent Convergence Protocol）层。
物理层根据功能分为两个子层：
-   物理RF层：该层利用从物理链路层接收到的比特序列进行调制，形成物理波形，再发送给对端的对等层；同时，RF层还将从对端的对等层接收到的物理波形解调为比特序列，传送到其上的物理链路层。
-   物理链路层：该层具有在MS和网络之间基于物理信道提供信息传送业务的功能，其功能包括数据单元成帧、数据编码以及物理媒介传输错误的检测和校正。物理链路层需要利用物理RF层提供的功能。
数据链路层以上各层的功能如下：
-         RLC/MAC基于GPRS空中接口的物理层提供信息传输的各种业务功能，其中包括通过有选择地重传错误数据块进行后向纠错的功能。MAC功能层定义了多个MS与网络之间共享同一传输媒介的过程，该传输媒介可能包括几个物理信道。该功能还对多个同时试图传输的MS给予仲裁，以提供避免冲突、检测和恢复的功能。而RLC则定义了对未成功传输RLC数据块的选择性重传过程。在Um接口上，RLC/MAC层利用物理链路层提供的服务，而在RLC/MAC以上的功能层（如LLC）则需要使用RLC/MAC层的功能和服务。
四 GPRS多址方式和时隙结构
与GSM一样，GPRS的多址方案也是采用时分多址(TDMA)，一个载波8个基本物理信道，载波带宽为200kHz。一个物理信道定义为一个TDMA帧、时隙或跳频序列。同样在调制技术上，GPRS采用与GSM相同的GMSK技术，这一点与使用8-PSK的EDGE技术是不一样的。
在空中接口，分组数据是通过无线块来进行传输的，每个无线块包含456比特数据，占用4个突发脉冲(Bursts)进行传输，每个突发脉冲为114比特。一个预约分组能在一个时隙内传送，但一个基本数据单元则需要一个无线块，也就是4个突发脉冲进行传输，即在4个连续的TDMA帧内，分别占用一个时隙。GPRS中，空中接口的资源不是通过数据业务信道(Traffic Channels)或PDCH来分配的，而是通过这些无线块进行分配。这些无线块组成一个新的复帧，称之为52-复帧，其组成如图2所示。在无线传输信道上GPRS的时间轴按照复帧序列来组织，52-复帧包括52个TDMA帧，组成12个无线块(Block)，每个无线块包括4个TDMA帧。因此，一个52-复帧的无线块序列共占用48个数据TDMA帧，另外4个TDMA帧用于空闲(I)和上/下行链路时间提前量(TA)的传输。
图2 一个52-复帧的结构
在电路交换的GSM系统中，51-复帧和26-复帧的定义考虑到了BTS特定的时钟信息，此外，复帧结构使得信息提供能够确定在某一时间哪个逻辑信道正在使用一个物理信道。对于 GPRS而言，需要引入一个新型的复帧，即上述的持续时长240 ms 的52-复帧。 这一52-复帧的详细结构对于GPRS中的资源调度和时间提前量控制是至关重要的。
五 GPRS无线资源管理
5.1  GPRS无线资源分配
在电路交换的GSM系统中，空中接口的资源分配不是一个主要问题，这主要有以下几个原因：a)电路交换系统中，信道具有双向性，在资源分配时上行链路和下行链路间并没有什么区别，所以上下行链路的资源分配可以在一个步骤内完成；b)电路交换的事务处理时间通常比分组交换长得多，在所有时间内不考虑是否传输有效载荷。与此相反，在分组交换中，仅当数据确实需要传输时才分配资源。总而言之，在资源管理上，电路交换是相对静止的，而分组交换是动态的。因此，在GPRS中需要采取一些特殊的措施，特别是在上行链路，网络需要控制同时给许多不同移动台进行资源分配，所以资源分配成为一件繁琐的事情。
5.1.1 下行链路的资源分配
如果分组数据需要传送到移动台，则网络仅需在下行链路上分配资源。首先，网络通知移动台接收信息，以及怎样来接收数据分组：信息所包括数据将会在哪个时隙、哪个ARFCN上传送。多时隙的分组数据事务处理的辨别是通过临时块流(TBF, Temporary Block Flow)来实现的，TBF在初始的下行链路分配消息中传送到移动台，要求移动台在收到TBF后，在所有分配的时隙上侦听该TBF的数据分组。
在下行链路上，既能在网络寻呼空闲状态下的移动台后进行资源分配，也能在移动台已经参与到上行链路分组数据交换事务中时进行资源分配，但此时移动台需要在半双工模式下工作。
5.1.2 上行链路的资源分配
在上行链路中，资源分配比下行链路要复杂得多，因为需要避免在同一时间多个移动台传输数据之间的冲突，要求网络对移动台数据的传送进行预约和控制。在GPRS中，上行链路中定义了三种不同的资源分配方式：固定分配、动态分配以及扩展的动态分配。对于移动台来说，扩展的动态分配资源方式是可选的，而另外两种则是网络和移动台必须具有的特性。
固定资源分配：上行链路资源的固定分配是在一个或多个PDCHs上指配规定数目的无线块（RB，Radio Blocks）给移动终端MS。显然，资源可以分布在几个52-复帧上。为了允许MSs的邻小区测量，或使这些资源对其它上行链路通信事务保持空闲，可以有交错的无线块，或者说在所分配的无线块之间可以有间隙，但只允许被寻址的MS在所指示的帧数期间发送。在资源分配中，总存在TBF的开始时间信息，它告诉MS何时该分配开始，即何时开始发送。上行链路中固定资源分配过程如图3所示。
图3 上行链路固定资源分配示意图
动态资源分配：这是一种比固定分配更灵活的上行链路资源分配方式，它基于利用上行链路状态标志（USF，Uplink State Flag
）来指示哪个MS可以在下一个上行链路无线块进行发送。两个使用动态资源分配方式的MSs在每个下行链路无线块寻找它们的USF值，找到之后才允许它们在紧接着的上行链路无线块发送数据。注意，MS需要在所有分配的PDCHs上侦听它的USFs。在GPRS中，USF用于利用PDTCH上的动态和扩充动态资源分配方式为一个特定MS分配上行链路资源，在PBCCH下行链路，该USF还用于为PRACH传送保留上行链路无线块。
扩展动态资源分配：该方式是动态资源分配方式的扩展，它仅在上行链路的多时隙分配中使用。
5.2  GPRS中无线资源释放
正如前面所看到的，空中接口的资源分配是以十分动态的方式实现的。对于释放这些资源，相同的灵活性也是必要的。GPRS对于上行链路和下行链路方向引入了两种不同却简单的释放程序。
5.2.1 下行链路资源释放
在下行链路方向，一个正在进行的分组数据事项的释放通过在发送的最后下行链路数据块中设置所谓的最终块指示比特（ Final Block Indicator bit ）向MS指明。与此相比，一个上行链路分配的释放更为复杂，因为它包括所谓的倒计数程序（ countdown procedure ）。该倒计数程序用于在上行链路方向提前通知网络，移动台不再需要任何资源。这一措施有利于网络以更有效的方式控制上行链路资源。
5.2.2 上行链路资源释放
在上行链路方向，通过应用倒计数程序释放空中接口的资源。因此，MS需要持续跟踪留在待传输队列中的数据分组的绝对数目。当仅仅留下一定数目（准确数目取决于系统参数和所分配的时隙数目，仍在等待发送的数据块数目的缺省值为15）时，该MS将启动倒计数程序（ countdown procedure ）。这是通过计数所谓的倒计数数值（CV, countdown value ）至零值的方法完成的。方法是仅只最后的上行链路数据块传送一个等于零的倒计数数值（CV=0 ）。
例如，按照在BCCH或PBCCH 上广播的系统参数，倒计数程序可以从CV=5开始。其中倒计数数值（CV）是在上行链路发送的每一RLC/MAC数据块中的MAC包头的一部分，该4比特长的倒计数数值向网络指明该MS是否打算释放一个正在进行的上行链路TBF。
六 GPRS时间提前量的控制
在GSM中，基于MS在上行链路上发送的突发脉冲信息，BTS连续不断地测量它本身和MS之间的距离，被测量的参数称为时间提前量（TA），BTS用TA来描述它所发送给MS的信令在传播过程中经历的时延。很显然，在TDMA系统中，时间提前量的控制是必要的，目的就是要避免上行链路中所发送的各信息之间的相互冲突。因而BTS会发送不断更新的TA信息到MS，使MS不断调整发送信息的时间提前量。
由于GPRS为单向业务信道，原有的GSM时间提前量的控制方法不再可行，需要用更适合的控制方式来代替。这种新的方式以位于52-复帧的第12和38帧的两个时间提前量（TA）帧为基础，如上述图2所示。值得注意的是，GPRS中，第12和38帧被指定为上行链路和下行链路方向的TA-控制，
对于每一个PDCH，8个连续的52-复帧加以结合，提供16个不同的PTCCHs/U子信道，分配给16个激活的MSs。在TA控制中，每一个激活的MS会使用它的PTCCH/U给BTS发送一个TA=0的接入突发脉冲，而后，BTS可以使用所收到接入突发脉冲的传播延时，重新计算至该MS的距离，这一更新的信息可以经由已分配的资源或PTCCH/D送回该MS。GPRS在控制时间提前量的过程中，是独立于分组数据业务信道（PDTCH）的。
七 GPRS信道编码技术
在GPRS系统中，除了将多个时隙进行捆绑处理外，它还引入了三种新的信道编码方案，分别简称为CS-2、CS-3和CS-4，这些编码方案可以使每时隙达到比普通GSM更高的通过速率，但提供较弱的数据保护。基于时隙捆绑原理和采用新的信道编码方案，可以增加数据传输速率，理论上可以高达172.4kbit/s的通过速率，但实际约为40kbit/s左右。
在GPRS系统中，尽管每一个信道都有自己的编码和交织方案，但在编码过程中，每个信道都会采用如下操作顺序：采用系统分组码，对信息比特编码，建立信息+校验比特码字；采用卷积码，对信息+校验比特进行编码，形成编码比特；对编码比特重新排序和交织处理，添加偷帧标志，形成交织比特。所有这些操作是按照无线块一块接着一块来进行的。
一般来说，信道编码将增加输入数据流的冗余度，以便在经由空中接口传输后发现比特差错。通常信道编码方案的缺点是，仅能产生一个输入比特整数倍的输出比特序列，换句话说，从1个输入比特能产生2、3或4个输出比特，这就是所谓的1:2,1:3或1:4编码比率。为了得到2:3或3:4一类的灵活的编码比率，就要采用孔删（Puncturing）方法，所谓孔删是在预定的比特位置有意删去一定数目的已经信道编码的比特。显然，孔删会提供更灵活的编码比率，但也会降低检错和纠错的概率。在GPRS的这些新信道编码方案中，CS-2和CS-3使用了孔删方法，而CS-4根本没有采用任何信道编码。对于支持GPRS的MS来说，所有编码方案CS-1，2，3和4都是强制性的，其中CS-1也就是GSM中CCCH所用的编码方案
。对于GPRS网络来讲，则只强制性要求支持CS-1。
所有编码方案都适用于PDTCH，对于分组控制信道而言，除了PRACH和PTCCH/U外，其余各分组控制信道必须使用CS-1，对于PRACH上的接入突发脉冲，由于分组接入突发脉冲的两种不同类型，所以有两中信道编码方案可选择。
各种信道编码方案如表1所示。
表1 GPRS中不同编码方案
编码方案
输入比特数目
(每 20 ms一个无线块)
卷积编码后的
输出比特数目
孔删的比特数目
编码比率
CS-1:
184 bits
456 bits
0
1/2
CS-2:
271 bits
588 bits
132
2/3
CS-3:
315 bits
676 bits
220
3/4
CS-4:
431 bits
456 bits
(无卷积编码)
0
1
如果每20ms传送一个RLC/MAC数据帧到编码器来计算的话，则表2表示不同编码方案和不同时隙数目时的数据速率。
表2 不同编码方案和不同时隙数目时的数据速率
编码方案
一个时隙
二个时隙
八个时隙
CS-1:
9.2 kbit/s
18.4 kbit/s
73.6 kbit/s
CS-2:
13.55 kbit/s
27.1 kbit/s
108.4 kbit/s
CS-3:
15.75 kbit/s
31.5 kbit/s
126 kbit/s
CS-4:
21.55 kbit/s
43.1 kbit/s
172.4 kbit/s
八 GPRS无线接口技术的发展
为了进一步提供更高的数据传输速率，提出了GSM演进的增强数据（EDGE）技术。这种无线接口技术采用8相相移键控（8-PSK）调制方式，因而可以大大提高数据传输速率。EDGE需要安装新的基站设备，而且覆盖范围较小，但可以与现有的最小相移键控（GMSK）调制方式相互补充，用于不同业务。
EDGE同时支持EGPRS（Enhanced GPRS）和ECSD（Enhanced Circuit Switched Data）两种业务，EGPRS是基于GPRS的进一步发展，而ECSD是HSCSD的进一步增强。EGPRS具有更高的灵活性和更高的频谱利用率，它能将速率提高到每个时隙60kbit/s，从而使每个载频的数据速率提高到最大400kbit/s以上，它主要用于支持分组数据业务。而ECSD能将速率提高到每个时隙38.4kbit/s，它主要用于提供高速实时业务，如视频点播、可视电话等等。
EDGE技术的出现为GSM过度到3G铺设了一座桥梁，使第二代数字移动通信系统能够平稳地按照GSM→GPRS→EDGE→3G这样一种发展方式过渡到第三代移动通信系统，并充分利用现有网络，提供各种无线移动业务。