前言

《图一 GPRS的架构》

全球行动通讯系统 (Global System for Mobile Communications, GSM) 是欧洲电信标准协会 (European Telecommunications Standard Institute)制定订的数位蜂巢行动网路的标准。它是目前世界上最受欢迎的第二代蜂巢式行动通讯系统，据GSM MoU联盟的统计，到1997年底为止，全世界已经有多达237个网路供应商提供GSM服务，客户的数目也已经高达6千6百万，约占全世界无线服务市场的31%，是目前世界上居于领导地位的行动通讯系统。从技术标准的建立来看，GSM技术的标准化过程大概可分为几个阶段：第一阶段的技术标准主要的目标是引进GSM服务并使其成功的商用化，这部分的工作主要包括基本的电话服务及短讯(Short Message) 服务的制订及引进，此阶段约完成于1992年；到了1996年，第二阶段已经完成了原先GSM所预期需要达成的目标，并且建立了增进现有GSM技术的架构。就目前来说，GSM的标准化过程已经进入2+的阶段，此阶段的任务包括了完成提升语音编码技术、提供更进步的数据通讯服务等大量的计画。

为了上述目地，在1994年开始了GPRS的制订工作，原先预定在1997年年底能完成所有的规格制订，但实际上在1998年才提出完整的GPRS相关协定。其实就如同其他分封数据服务一样，GPRS的目的是要能够有效的容纳具丛集(Bursty)特性的数据服务。 GPRS技术的主要目的是让GSM用户能够以动态且具弹性的方式，使其分封数据服务能与其他的GSM服务一同分享有限的频宽。也就是说，GPRS要能够与现有的电话服务及线路交换数据服务共用GSM的频段，并且希望能够利用现有GSM系统的实体层特性，最重要的是分时多工(Time-Division Multiple Access, TDMA )的码框架构、调变技术，以及GSM时槽的架构，来提供高速的数据服务。

《图二 GPRS的传输协议》 - BigPic:555x421

GPRS架构

GPRS的系统架构如(图一)所示，其中用来处理语音信号与讯号传输的MSC(Mobile Switching Center)系统，是属于原先的GSM网路的部份。而原本​​在GSM网路中储存与用户相关资料的资料库(包括VLR、HLR、AuC、和EIR)，则必须再增加有关GPRS用户数据及路由所需的资讯。而基地台子系统(Base Station Subsystem, BSS)则可延用原本GSM网路的BSS系统，但要增加无线通道及服务品质的处理以及对封包流量控制等功能。此子系统包括基地台接收站(Base Transceiver Station, BTS)以及基地台控制器(Base Station Controller, BSC)。基地台接收站是负责与手机沟通时需要的主要空中介面，它的功用是在手机与基地台之间提供一个可靠的无线通道；至于基地台控制器则是负责分配无线电资源的使用，以及控制手机更换服务基地台(Handover)相关程序的主要核心。

《图三 SGSN以及GGSN的功能》 - BigPic:573x431

另外，则有两个新系统不属于GSM网路而只存在GPRS的网路中，概称为GPRS支援节点(GPRS Support Node, GSN)，它包含了GPRS支援节点通讯闸(Gateway GPRS Support Node, GGSN)以及GPRS服务支援节点(Serving GPRS Support Node, SGSN)两种系统。透过这些GPRS支援节点的协助，业者就可以在其现有的GSM公众陆地行动网路(Public Land Mobile Network, PLMN)中，提供独立的封包路由及传送功能。对外界的分封数据网路而言，GGSN就如同一个逻辑介面，提供GSM网路与其它数据网路的协定转换及路由寻找的功用，它的作用就如同GSM网路中主要负责交换功能的MSC相当。另外SGSN则负责将手机所送出的数据资料正确的送到相对应的GGSN，以期正确的传送到接收端终端机上，同样的，它也负责将GGSN所送来的封包正确无误的送达它服务范围内的各个手机。另外在传送与接收端之间的GSN是用IP作为传送PDU的骨干。这整个传送的程序在GPRS中是定义成「隧道」(Tunneling)。在GGSN中同时还会保存路由相关资讯，以便将PDU送到目前正在服务手机的SGSN中。而SGSN中与决定路由方式以及数据传输功能相关的所有GPRS用户资讯，则将会存放于HLR这个资料库之中。而这些GSN以及资料库连成的网​​路即称为GPRS的核心网路。

《图四 在SGSN中行动管理(MM)的状态图》 - BigPic:588x487

GPRS核心网路系统

工研院电通所于民国89年接受经济部委托以两年时间来开发GPRS技术，主要目标之一即是开发GPRS的核心网路。而其中又以SGSN以及GGSN为核心网路中的主要开发系统元件。此两系统所使用的协定如(图二)所示。

两个GSN之间的沟通主要是透过GPRS隧道协定(GPRS Tunnel Protocol, GTP)，其主要功用就是透过附加路由资讯的方式，将用户所传送的数据资料(也就是上层的X.25或IP应用程式的PDU)经由GPRS骨干网路来传送，下层则是采用目前广为使用的TCP/UDP (Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol)及IP(Internet Protocol)来作为传输的骨干，简单来说，就是利用目前常用IP路由的方式，让数据的传送更为方便。

《图五 PDP Context状态图》

另在SGSN及基地台之间，上层的主要沟通是透过SNDCP(Subnetwork-Dependent Convergence Protocol)来完成，它可将网路层的PDU，根据下层网路的不同需求，切割成一到多个LLC码框来达成协定转换的工作：除此之外，SNDCP还负责用户资料的多工及压缩、TCP/IP标头(Header)的转换，以及根据用户的QoS来决定传送的方式等工作。在SNDCP协定之下，则是采用GPRS所特有的基地台GPRS协定(BSS GPRS Protocol, BSSGP)，它主要是负责在GGSN与基地台之间与决定路由及QoS有关的工作。最后在SGSN及基地台之间的传输部分则是透过现有分封交换网路的Frame Relay来达成。

至于基地台与手机所使用的RLC/MAC层的功用则是让上层的服务能够顺利的经由GPRS空中介面的实体层来传送。它定义了让数个手机能够同时共同分享相同传输介质的传送方式。其中 RLC层主要负责将资料透过空中介面(Air Interface)传送的过程以及错误更正的程序。在手机及基地台之间的MAC层主要负责管理由众多手机所尝试去存取的无线资源，并且在网路端决定无线资源分配的方式。以下我们将介绍GPRS核心网路中主要元件：SGSN以及GGSN的功能。

《图六 GPRS Attach程序》 - BigPic:560x437

SGSN以及GGSN的功能

SGSN以及GGSN的功能如(图三)所示。 SGSN首要功能是做行动管理(Mobility Management, MM)，主要是记录手机目前的状况，以及手机目前所处的位址。以便如果有外来的资料要送至该手机时，能很快的经由相对之管辖的基地台来将资料快速的送至该手机。至于为了随时知道手机的状况，在当手机开机进行GPRS Attach之后，SGSN会对该手机产生一状态记录机制，如(图四)所示。此时SGSN会记录手机处于Ready状态，此时如果手机要存取资料封包时，则要再进一步进行PDP Context Activati​​on，来获得IP Address来存取网际网路上的资料封包。但如果手机此时并不要存取资料的话，则可能因为Ready Timer耗尽而进入Standyby状态，或因为手机进行GPRS Detach而进入Idle状态。在Standby状态中，可能因为接受其它手机的Page而经由送出Page Response再回到Ready状态，亦或因为闲置过久而直接跳回Idle状态。

另外SGSN也会记录手机进行PDP Context Activati​​on的状态，如(图五)所示。一开始手机无资料存取时是处于INACTIVE状态中，但如果要收送资料的话则经由PDP Context Activati​​on程序而进入ACTIVE状态。此时，便可进行网际网路的资料存取，一旦存取完后可经由PDP Context Deactivati​​on程序而再回到INACTIVE状态。再者基地台到手机的无线传输频宽一定比SGSN到基地台的有线传输频宽小。因此，SGSN要做流量控制，以避免太多资料同时灌入基地台无法处理，而造成资料流失的现像。而在做流量控制的同时也可以记录手机所收送的资料封包数目。

至于GGSN因其为GPRS进入网际网路的Gateway，所以要具有GPRS核心网路与网际网路Interworking的功能。此外，这里是管理及给予IP address给手机的地方，所以须做所谓的Address Mapping。以便为了安全及管理上的目地，来将手机上的私有IP address对映到外面网际网路认得的IP address。最后因为手机的资料封包都会经过此处，故在此也可以来统计手机所存取的资料数，及频宽大小。

《图七 PDP Context Activation程序》

GPRS核心网路的运作

接下来我们将来探讨GPRS的运作，特别是在核心网路的SGSN以及GGSN的处理过程。基本上手机开机后，如要使用GPRS服务的话，其需先进行GPRS Attach，然后要送收资料时再进行PDP Context Activati​​on。之后便可从取网际网路上的资讯，然后如果不存取资料的话，则可进行PDP Context Deactivati​​on。最后，如​​果不使用GPRS服务的话，则须再进行GPRS Detach程序。以下将就每一程序来做说明。

GPRS Attach

GPRS Attach程序一定是由手机起动，程序详述如(图六)所示。第一步手机发出Request讯息到SGSN。然后第二步进行使用者的试别码(IMSI)验证。然后，再拿使用者的资料到HLR进行详细的身份验证，这是第三步骤。第四步则进行手机位址的记录，然后在第五步骤中把并将这些使用者的资料从HLR拿出来放于SGSN中。最后在第六步回应位址的确认，以及第七步骤告知手机GPRS Attach程序的完成。

PDP Context Activation

《图八 PDP Context Deactivation程序》

完成GPRS Attach之后，如果手机要送资料，或从外部网路有资料要送至手机时，均要驱使手机进行PDP Context Activati​​on。所不同的是IP address的使用性。如果，是手机自己主动要送资料，则可经由PDP Context Activati​​on，来取得一个动态的IP Address以连上网际网路。但如果手机本无PDP Context，而从网际网路有资料要送至手机时，此时手机必须获得的是固定的IP Address，如此网际网路的资料才知要把资料送至此GPRS网路中。

至于手机进行PDP Context Activati​​on的程序如图七所示。首先手机发出Activate PDP Context Request讯息给SGSN，SGSN再发出Create PDP Context Request讯息给GGSN。然后GGSN回Create PDP Context Response给SGSN，SGSN再发出Activate PDP Context Accept讯息给手机。如此，便完成PDP Context Activati​​on的程序。

PDP Context Deactivation

当手机不再收送资料时，其可进行PDP Context Deactivati​​on。程序的启动可以是手机也可以是SGSN或GGSN。使用者如果已知不再进行资料存取的话，当然可经由手机启动PDP Context Deactivati​​on的程序。另外如果SGSN或GGSN发现此手机停滞许久不送资料，为了网路资源，以及服务品质的衡量，也可能来启动PDP Context Deactivati​​on程序。

由手机启动的运作方式如(图八)所示。手机先送出Deactivate PDP Context Request给SGSN，然后SGSN会送Delete PDP Context Request给GGSN。 GGSN会回Delete PDP Context Response给SGSN，然后SGSN再回Deactivate PDP Context Accept给手机。至于由SGSN或GGSN启动的程序与上述类似，但方向则不同，端视由谁发出的。

《图九 GPRS程序》

GPRS Detach

最后则是GPRS Detach。此程序启动可能有三种来源︰一为手机。当使用者觉得不再使用GPRS的服务时，便可启动GPRS Detach。另外可由SGSN启动。此是因为网路资源的关系。最后，也可由HLR启动。此便是因为使用者所买的服务到期，Operator便可直接经由HLR来启动。

由手机启动的运作方式如(图九)所示。手机先送出Detach Request给SGSN，然后SGSN会送Delete PDP Context Request给GGSN。 GGSN会回Delete PDP Context Response给SGSN，然后SGSN再回Detach Accept给手机。至于由SGSN启动的程序与上述类似，但方向则不同，Detach Request讯息变成由SGSN发给手机，由手机回Detach Accept给SGSN。至于Delete PDP Context讯息处里则与手机启动的程序相同。而由HLR启动的程序则与SGSN启动的程序类似讯息传递方向相同，只是SGSN先等HLR送Cancel Location讯息过来，然后才送出Detach Request讯息。接下来的运作均与SGSN启动的运作相同。

上述的动作是使用GPRS服务时所必须经过的程序。以此可看出在GPRS的使用上其实核心网路，特别是SGSN以及GGSN是伴演着一个幕后重要的角色。

核心网路未来发展趋势

GPRS核心网路不是建立完之后，在技术的发展就到此走入死胡同中。目前世界电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)已完成初版第三代行动通讯系统IMT-2000规格的制定，其主要便是根据目前GPRS的架构。因第三代行动电讯系统如图十所示，其核心网路仍然以SGSN以及GGSN为主，角色伴演上均与GPRS网路概念相同，但是内部所用协定则有不同。但还是可应用GPRS所开发的SGSN以及GGSN系统，再加以协定方面的修改以符合第三代行动电讯所需。

第三代行动通讯系统IMT-2000规格主要是根据目前GPRS的架构。因此GPRS已被视为从第二​​代系统跨入第三代必经的过程。对于现有第二代的行动通讯业者而言，未来只要更改基地台中部分的软体及硬体，在现有资料库如HLR、VLR部分稍做更动，并筹建GPRS核心网路特别是SGSN以及GGSN系统，如此便可以提供较具经济效益的分封数据服务，以增加营运的利润。对于手机制造商而言，也只需在现有的GSM规约中加入GPRS相关的规约，就能再度推出新的产品，未来如果再结合PDA等个人通讯产品，其市场将大有可为。

本文从技术的角度介绍GPRS相关的资讯，以及电通所所发展的GPRS核心网路，并经由GPRS运作的介绍来说明特别在SGSN以及GGSN系统的所须的运作以及技术的开发。目前国内许多厂商正在积极开发或推出GPRS手机的同时，我们也希望能建立GPRS的核心网路技术，并移转给国内厂商，以借此将完整的个人行动通讯技术及产业深植台湾。以利台湾能在第三代或以后的个人行动通讯产业技术上不落人后。为此我们希望能根据我们目前开发过核心网路的经验，来建立GPRS的整体网路测试平台，来提供国内手机业者内容提供者以及Operator的测试，欢迎有兴趣的产业界共襄盛举，以提升我产业技术层次。

《图十 第三代行动通讯系统》 - BigPic:581x426