作者：易飞余刚何凌朱威编著
出版社：通信图书编辑部
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GPRS网络信令实例详解试读：
前言
GPRS技术已经诞生超过10年的时间了，并且在中国商用也已经超过8年的时间了。最初只有少数高档手机支持GPRS以及有限的网页浏览业务。到如今，由于智能终端（特别是苹果、安卓终端）及移动应用（特别是社交类应用，如微博）的发展和普及，人们开始享受各种无法抗拒的移动互联网数据业务，越来越多的人们的日常生活也已经离不开移动互联网业务。这也使得GPRS分组域的业务流量呈现了爆炸性的增长，大有超越语音业务流量的趋势。3GPP标准化组织在R8规范中专门为此制定了针对GPRS分组域的演进目标EPC（Evolved Packet Core）以及无线接入网的演进目标LTE，以满足人们对移动宽带及移动互联网业务日益增长的需求。目前，LTE/EPC 网络已经成了各主流运营商公认的演进方向。
因此，基于当前的环境，GPRS从业人员又迎来了职业发展的新的契机。而且，未来将会有更多的行业相关人员关注GPRS分组域，这些人员可能包括如下几种。（1）各大电信运营商和通信设备制造商中从事GPRS分组域核心网专业相关岗位工作的工程技术人员（包括维护、工程、研发、测试等）。（2）各大电信运营商和通信设备制造商中从事GPRS无线网络专业相关岗位工作的工程技术人员。这部分人员了解 GPRS 分组域的驱动力来自于对GPRS 端到端业务的学习需求。端到端业务的技能掌握已经成为很多电信运营商或通信设备制造商对技术人员的普遍要求，这样做可以降低运营维护类开支（即OPEX），从而为自己的客户提供更有竞争力的产品和服务。（3）各大电信运营商和通信设备制造商中从事电路域核心网专业相关岗位工作的工程技术人员。这部分人员了解GPRS分组域的驱动力主要来自于当前网络即将演进到LTE/EPC的时代，到时传统的电路域将逐渐消失，运营商也势必减少对传统电路域网络的投资。因此，部分电路域专业工程技术人员会选择向GPRS分组域专业的转型。（4）各大电信运营商和通信设备制造商中从事数据通信专业的工程技术人员。GPRS分组域和数据通信专业的互通性较强，因此从事数据通信专业的工程技术人员也可能有兴趣了解GPRS相关的知识技能。（5）通信或计算机专业的应届或往届毕业生，或对网络通信感兴趣的毕业生。（6）终端产业链的相关工程技术人员，例如手机开发人员等。（7）移动互联网应用的开发人员。苹果商店和安卓应用商店为移动应用开发人员的创业提供了便捷的途径，并降低了门槛。这些移动互联网应用开发人员也需要GPRS相关知识，进而完成及完善相应程序的开发。（8）移动互联网行业的相关工程技术人员，例如腾讯、百度等移动互联网公司的工程技术人员。
另外，GPRS分组域发展和演进的另外一个背景是，在2G（GSM）、2.75G（EDGE）和3G（特指WCDMA和TD-SCDMA）无线接入技术下的GPRS分组域是完全复用的。这也就意味着除了 GPRS 分组域核心网和无线接入网的接口和协议稍有不同外，其核心网的整体架构和协议是完全一致的，几种不同无线接入技术下的分组域核心网的技术相似度超过 90%。即使演进到了EPC的阶段，EPC网络也是在目前现有GPRS分组域的基础上去粗取精发展及优化得到的，整体的架构及信令流程等并未发生全新的替换。这和无线接入网的演进是完全不同的，例如WCDMA技术针对GSM就是一门全新的技术，彼此的关联性并不大。因此，了解目前基于GSM网络的GPRS分组域核心网的相关知识后，无论移动通信网络如何演进，都能够很快地学习和掌握对应的分组域核心网相关知识。
基于这样的背景，本书的作者希望出版一本全面而详尽地介绍 GPRS 网络端到端信令的书籍，以协议及信令流程为主线介绍 GPRS 网络，帮助上述提到的8类潜在读者更好地了解 GPRS 分组域的相关原理，为今后在本专业领域更上一层楼，打下坚实的基础，包括为今后学习网络的演进技术EPC打下根基。
本书的特点是以实例介绍为主，希望为读者搭建一座理论联系实际的桥梁，结合国内实际网络案例，用通俗易懂的语言介绍了 GPRS 网络相关的信令，大部分知识点介绍都附有从实验室或商用网络中捕捉到的报文以供学习交流。本书中介绍的报文实例均可在人民邮电出版社网站上下载参考。同时，为了满足读者学习GPRS端到端信令原理的需求，本书还在第3章中介绍了GPRS无线侧相关协议栈及信令流程。
从内容方面来看，本书主要以实例介绍GPRS分组域信令，全书共分为6章。
第1章主要介绍了 GPRS 核心网的架构与特性，对主要的核心网网元SGSN、GGSN的功能特点进行介绍，并通过通信设备制造商的产品实例帮助读者加深了解。另外，本章还对 GPRS 核心网络的基本概念、各逻辑接口以及功能进行了阐述及梳理，主要包括移动性管理及会话管理功能、移动性管理状态切换及PDP上下文的相关概念。
第2章主要介绍了 GPRS 核心网相关信息元素的定义、作用以及和信令流程的对应关系，为后续学习信令流程及协议做了很好的铺垫。
第3章主要介绍了 GPRS 无线网络的协议及主要信令流程，包括RLC/MAC 协议的主要功能以及上下行方向 TBF 的建立、传输与释放过程。本章内容可以帮助读者对GPRS无线网络的信令有比较细致的了解。
第4章主要介绍了 GPRS 核心网各接口所使用的信令协议及功能，包括Gb、Gn 及Gr接口所使用的协议，例如 BSSGP、NS、LLC、SNDCP、GTP及SS7相关的信令协议等。除此以外，本章还对各接口上的常见寻址过程进行了介绍，例如在SS7网络中基于DPC和GT码寻址的方法。
第5章主要介绍 GPRS 核心网相关的主要信令流程，包括附着、路由区更新等移动性管理流程以及PDP上下文激活、去激活等会话管理相关流程。本章内容可以帮助读者对整体的信令流程有清晰的理解。
第6章主要介绍了 GPRS 核心网相关的常见故障原因代码，并给出了相应的场景和实例介绍，可以帮助读者结合GPRS核心网相关的故障原因代码，对GPRS网络故障进行分析和排查。
附录部分介绍了使用Wireshark抓包工具对GPRS信令进行分析的一些基本方法，可以使刚入门的读者能更好地掌握基本抓包工具的使用。
本书作者均拥有GPRS专业超过7年的从业经验，曾担任网维、工程等多个部门的工程师，并参与过国内多个大型 GPRS 网络的工程建设及维护工作，具有丰富的经验。他们在本书中加入了自己对 GPRS 技术的深入理解，通过自己的经验进行介绍。对于需要全面了解 GPRS 信令的相关人员来说，本书提供了众多翔实的实例及参考信息。通过这些实例对理论进行验证，读者进而从枯燥的理论学习中解放出来。本书适合于从事通信行业的相关技术人员阅读，也可供从事相关课题研究的师生参考。
最后，也希望本书的出版能够给相关的技术人员提供一个共同学习和交流研究的平台，使GPRS技术获得更多的认可和关注。
本书各章编写分工如下：第1章和第2章由中国联合网络通信有限公司广东省分公司朱威编写；第3章由中国移动通信有限公司广州市公司余刚及何凌编写；第 4、5、6 章及附录部分由易飞编写。同时感谢爱立信学院核心网专家叶柯先生、李娟女士审校了部分书稿，感谢GPRS家园网站（www. gprshome.com）的论坛网友对相关技术知识的无私交流与分享。最后，还要感谢人民邮电出版社的大力支持和编辑的高效工作，本书才有可能尽早与读者见面。
本书是作者基于自己的主观理解及有限的学识编写和整理的，观点难免有欠周全，敬请读者批评指正。读者朋友可通过本书编辑的电子邮件（liuyang@ptpress.com.cn）与我们联系。作者 易飞2012年11月第1章GPRS分组域网络架构与特性
GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是在现有的GSM 移动通信系统基础之上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS通过在GSM数字移动通信网络中引入分组交换功能实体，以支持采用分组方式进行的数据传输。它可以提供比GSM网络更高的数据传输速率，为移动用户提供更快速的移动数据上网业务，给用户带来更好的体验。
以GSM、CDMA为主的数字蜂窝移动通信和以Internet为主的分组数据通信是目前信息领域增长最为迅猛的两大产业，正呈现出相互融合的趋势。GPRS可以看做移动通信和分组数据通信融合的第一步。目前，GPRS网络已经能为用户提供非常丰富的应用，并影响到我们的生活，这些应用主要包括手机电视、WWW浏览、基于WAP类的业务、电子商务、信息查询、电子邮件、远程监控以及智能家居等。目前，移动数据业务的收入已经占到电信运营商收入的很大比例。
网络架构是GPRS网络的基础，因此本书第1章就开始介绍GPRS分组域网络架构与特性，使读者对GPRS分组域网络架构有一个整体性的了解，为后续学习信令打下基础。
学习完本章内容，读者可以了解并回答下列问题。（1）GPRS网络核心网的组成及各网元的功能。（2）GPRS网络的各逻辑接口及功能。（3）GPRS移动性管理功能，如位置管理、GPRS服务区域组成等。（4）GPRS会话管理功能，包括PDP上下文的概念及分类。（5）GPRS移动性管理和会话管理状态切换过程。（6）GPRS核心网主要计时器。1.1 GPRS网络逻辑架构
GPRS 分组域网络使用了分组交换技术，以一种更有效率的方式高速传送用户数据和信令。相对于电路域语音业务面向连接、网络资源分配后即专用不被共享的特点，分组交换则具有无连接、网络资源按需分配、资源共享等特点。这意味着，仅当用户需要发送或接收数据时，GPRS无线资源才被分配使用。与将一个无线信道指定给一个移动数据用户相比， GPRS可以将一个无线信道供多个用户共享，最大可能地利用网络资源。
GPRS 分组域网络架构将无线接入网与核心网完全分离，使核心网在不需要做过多调整的情况下即可以复用不同的无线接入技术。
图1-1给出了GPRS分组域网络的逻辑架构。图1-1 GPRS网络逻辑架构
因为在国内电信运营商的网络部署中，有很多逻辑接口因网络运营或业务需求等方面原因并没有被开放，因此这些逻辑接口和对应的网元节点对GPRS业务的实现是没有任何影响的。从图1-1中，我们需要梳理出移动终端使用GPRS业务的主线，完成GPRS数据业务所需要的节点如下。（1）TE/MT（Terminal Equipment/Mobile Terminal，终端设备/移动终端）：用户终端节点。TE代表的是终端设备，例如台式电脑、笔记本电脑等。MT代表移动设备，例如手机、移动智能终端等。用户可以使用MT直接访问GPRS业务，也可以先利用USB线缆、蓝牙等设备连接到TE，借助TE提供的更友好的操作界面来访问GPRS业务。这也是目前最常见的两种使用GPRS业务的接入方式。通常将TE 和MT合并称为MS（Mobile Station，移动台）。TE和MT之间为R参考点。（2）BSS（Base Station Subsystem，基站子系统）包含了BTS（Base Transceiver Station，基站收发信机）和BSC（Base Station Controller，基站控制器）两个网元节点。其中，BTS即基站部分，主要负责提供用户的无线接入；BSC为基站的控制部分，负责提供用户的无线资源（例如上下行时隙及频率等）分配、管理、调度等功能。BSS基站子系统的这两个网元节点共同完成GPRS无线侧的接入功能。同时，BSS也是和GPRS核心网的接入边界，负责执行GPRS核心网侧节点下发的指令，例如为用户的数据包进行路由、对空闲状态用户进行寻呼等功能。MS和BSS之间的接口称为Um接口。BTS和BSC之间的接口称为Abis接口。（3）GSN（GPRS Support Node，GPRS 支持节点）。为了支持更快速的分组交换数据业务，相对于GSM网络，GPRS网络新增加了GPRS支持节点GSN。并且根据GSN节点的位置和功能的不同，GSN 节点分成了SGSN（Serving GPRS Support Node，服务GPRS支持节点）和GGSN（Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支持节点）两类。它们是位于GPRS核心网侧的两个最主要节点。SGSN主要负责处理MS到GPRS网络之间的通信，负责转发MS的数据到GPRS核心网，并需要根据MS在网络中的具体位置进行移动性管理和会话管理。而GGSN 则主要负责在SGSN 和外部分组数据网络（Packet Data Network，PDN）之间为MS转发上下行用户数据报文。在一个PLMN网络中，可能有多个GSN节点。BSC和SGSN之间的接口称为Gb接口，一个PLMN网络内GSN节点之间的接口称为Gn接口。（4）HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）：主要用于存放GPRS签约用户的签约信息。这些签约信息主要包括用户是否签约GPRS业务、是否允许进行国际漫游、开通的APN、是否有特定区域接入限制以及签约的QoS等。另外，HLR还负责为SGSN提供用于鉴权用户身份所需的鉴权参数。最后，HLR提供了位置管理的功能。通过查询HLR，GSN节点可以了解到当前为MS用户提供服务的SGSN的信息。这些签约信息是由最终用户和运营商签署的 GPRS 业务开通合约来决定的。例如某用户购买了运营商的 10 元包月套餐，包含50M流量、允许访问xxnet和xxwap这两个APN、无速率保障的QoS等。这些合约信息会转换成后台的指令，并最终存储到HLR上。SGSN和HLR之间的接口称为Gr接口。（5）PDN：Packet Data Network，包交换数据网络。顾名思义，PDN 是指基于分组报文传送的网络，比较常见的是基于IP技术构建的分组数据网络，例如Internet。PDN网络提供了MS期望访问的各种数据应用，通过GGSN和GPRS网络相连，需要执行两个网络协议（例如上行方向：GTP到IP）的转换。电信运营商可以通过将相同类型的业务合并，设置不同的PDN网络为用户提供服务。常见的PDN网络主要有Internet、专门提供WAP类业务的数据网络、企业用户内部网络等。GGSN和外部PDN网络的接口称为Gi接口。
以上列出来了实现GPRS基本数据业务所必需的5类网元或系统，方便读者可以更有侧重点地了解GPRS网络的构成，关于相应的接口及接口所使用的协议将在第3章中进行介绍。
图1-2给出了以数据传送为主线的GPRS网络的逻辑功能以及传输路径。图1-2 GPRS网络逻辑功能及传输路径
在我国国内电信运营商的组网结构中，一个可能的端到端的GPRS业务组网如图1-3和图1-4所示。其中图1-3描述的是一个 MS 用户在本地使用GPRS 业务可能会经过的一些网元节点的物理拓扑图，图1-4描述的是一个MS用户在省际漫游时使用GPRS业务可能会经过的一些网元节点的物理拓扑图。图1-3 MS在本地使用GPRS业务可能经过的物理节点拓扑图图1-4 省际漫游时使用GPRS业务可能经过的物理节点拓扑图
图1-3中以一个广州的MS为例进行介绍，该用户总是在广州使用GPRS业务，则用户面的数据流量在上行方向将经过如下过程。（1）广州的2G基站：通过空中接口和MS通信。（2）广州的BSC：通过有线的传输介质（例如城域以太网）连接2G基站。（3）广州SGSN：当Gb接口采用帧中继技术承载时，通过帧中继交换机连接BSC；当采用IP承载时，通过以太网交换机连接BSC，有可能跨越IP承载网络（当BSC和SGSN不在同一个站点的情况下有可能发生）。（4）广州GGSN：通过以太网端口连接站点以太网交换机和广州SGSN通信。也有可能广州SGSN和广州GGSN不在同一个站点，这时需要通过本地IP承载网络通信。（5）广州GGSN通过以太网端口连接Gi接口的防火墙与Internet实现互通。
在控制平面还涉及Gr接口广州SGSN寻址广州HLR完成MS的附着，这是通过广州的STP连接的。
图1-4以一个广州的MS为例，该用户离开广州来到了北京，通过北京的GPRS网元接入访问GPRS业务，则用户面的数据流量在上行方向将可能经过如下过程。（1）北京的2G基站：通过空中接口和MS通信。（2）北京的BSC：通过有线传输介质（例如城域以太网）连接2G基站。（3）北京SGSN：当Gb接口采用帧中继技术承载时，通过帧中继交换机连接BSC；当采用IP承载时，通过以太网交换机连接BSC，并有可能跨越IP承载网络（当BSC和SGSN不在同一个站点的情况下有可能发生）。（4）北京（或广州）GGSN：根据电信运营商的策略，可以指派拜访地即北京的 GGSN或归属地即广州的GGSN来为MS提供服务。假设本例中是通过北京GGSN接入为MS提供服务，则北京GGSN需要连接到运营商IP承载网和广州SGSN通信。电信运营商的IP承载网通过MPLS/VPN技术隔离不同的业务并保障安全性。（5）北京GGSN通过以太网端口连接Gi接口的防火墙与Internet实现互通。
在控制平面还涉及Gr接口北京SGSN寻址广州HLR完成MS的附着，这是通过省间的LSTP和HSTP连接的。1.2 GPRS核心网主要网元
介绍GPRS核心网的主要网元之前，先了解固定网络中家庭宽带用户通过ADSL拨号的过程。家庭宽带用户通过ADSL Modem进行拨号上网需要完成如下两个步骤。（1）用户主机发起PPPoE的拨号，并且携带电信运营商分配的用户名和口令，完成用户的身份鉴权。这个过程也叫做用户的注册登记过程。（2）认证通过后，网络侧设备将为用户分配一个IP地址，并通过PPP 连接返回给用户主机。同时，网络侧设备还将帮助用户建立一条到Internet的会话连接，并为用户主机后续的上网IP报文提供路由和转发的服务。这个过程也可以叫做用户会话连接的建立过程。
在实际网络中，上述两个步骤中对用户的注册登记以及IP地址的分配都是由同一个网元设备完成的，我们称为BRAS（Broadband Remote Access Server，宽带接入服务器）。
GPRS核心网通过GSN网元来提供分组数据业务，SGSN负责完成第1步中的用户注册登记过程，GGSN负责第2步帮助用户主机建立到Internet的会话连接，并提供地址分配、IP报文寻址转发等服务。与拨号上网过程所不同的是，用户主机换成了移动终端，而移动终端可能会发生位置的变化，因此SGSN还需要了解用户当前的位置信息从而对用户进行管理和服务。1.2.1 SGSN
SGSN是GPRS分组域核心网中的最关键网元，提供了GPRS分组域控制和用户平面相关的功能。控制平面的主要功能包括GPRS移动性管理（GMM）以及会话管理（SM）功能。
SGSN可以存储移动性管理相关数据（MM上下文）和会话管理相关数据（PDP上下文）两种类型的用户数据。MM上下文将包含用户的永久身份标识IMSI、临时身份标识P-TMSI、当前的位置信息以及用于鉴权的相关参数等信息，PDP上下文包含了会话管理相关的参数，例如PDP地址、PDP类型、外部PDN网络相关参数等。当一个MS附着到GPRS域时， SGSN即为这个MS创建一个MM上下文；当该用户建立了到某个外部分组数据网络（以下简称外部PDN网络）的连接时，SGSN即为这个MS创建一个PDP上下文。
SGSN作为GPRS网络中最重要的服务功能节点，主要提供以下功能。
1．移动性管理功能
作为最靠近MS的GPRS核心网侧网元，SGSN需要了解MS的位置信息，并根据MS当前的位置信息来分发下行数据或执行寻呼流程。因此，SGSN 需要帮助 MS 完成到 GPRS网络的注册、位置登记等操作，并存储相关的MM上下文。
2．会话管理功能
SGSN需要帮助MS建立到外部PDN的会话连接以访问所需的数据业务，并需要能够在GPRS网络中区分出不同的MS。
3．签约数据的管理
SGSN需要从HLR获取用户的签约数据，并根据用户的签约数据对MS的相应业务请求进行授权。例如判断MS是否有权限完成到GPRS网络的注册，是否具备访问某个外部PDN网络的权限等。
图1-5给出了爱立信SGSN产品的前面板截面图。图1-5 爱立信SGSN产品外观截面图机框：一套SGSN最多支持3个机框，编号顺序从上往下。其中机框为可选。
② PIU（Plug-In Unit）业务板卡：负责处理各种不同GPRS协议栈及业务处理的板卡。按处理的功能不同，PIU板卡可以分成4 种类型。GPB（General Processing Board）——节点控制板卡，负责节点级的信令处理和管理等功能。IBxx——提供各种类型的物理接口，实现和外部节点的接入，包括IBAS板卡（提供基于ATM的宽带SS7连接）和IBTE板卡（提供基于E1的窄带SS7连接）等。最后两个字母xx代表不同的物理介质类型。FSB（File Server Board）——提供文件存储功能。PEB（Power and Ethernet Board）——为每个机框提供机框内的电源分发及内部以太网连接。每个PEB板均提供了19个千兆以太网口，用于连接本机框内部的19块PIU业务板卡，为这些PIU板卡之间的通信提供数据通道。
③ 背板：用于提供机框间通信的数据通道。1.2.2 GGSN
GGSN通过Gn接口连接SGSN，通过Gi接口连接PDN。其可以是一个通过增加额外功能来支持GPRS移动业务的典型IP网络路由器。这些额外的功能主要是对GTP的处理，通过GTP为不同MS用户创建GTP隧道，使得GGSN可以在Gn接口区分不同的用户数据及实现分离的报文传送。
由于GGSN所处的位置并没有和无线接入网有直接的接口，因此和SGSN相比，GGSN并没有移动性管理的功能。GGSN 的主要功能是会话管理，负责为用户创建到某个 PDN 的会话连接（即PDP上下文）。如果GGSN需要MS相应的位置信息作为网络管理或计费的参考依据，则需要SGSN通过GTP报告给GGSN。GGSN的功能对于所有的无线接入类型来说都是相同的。
除会话管理功能外，GGSN 还要负责用户数据到外部 PDN 的转发和路由以及参与用户计费等功能。
图1-6和图1-7分别给出了爱立信GGSN产品的正面和背面截面图。
① SSB（System Switching Board，系统交换板）：提供系统数据转发所需的交换背板容量。
② Craft Interface：可视化的告警面板及带外网管以太网接口。
③ FIC（Flexible PIC Concentrator，灵活PIC 集中器）：是物理接口板PIC 的母板。该平台GGSN支持最大4个FPC，每个FPC上最多可以插4块PIC。PIC提供了具体的物理接口板卡或者业务处理板卡，用于提供到外部网络的物理端口（如以太网、ATM、POS等接口）以及处理GPRS网络特定的协议及业务（如GTP隧道处理等）。图1-6 爱立信GGSN产品正面图1-7 爱立信GGSN产品背面
④ RE（Routing Engine，路由引擎）：提供控制平面的路由计算、更新及命令行接口等功能。采用双路由引擎设计可保证高可用性。
⑤ 电源供电模块。利用双电源模块可以保证冗余性。1.3 逻辑接口及功能
和GPRS相关的逻辑接口通常使用大写字母G开头进行标识。根据对业务的重要性，可以简单地分成3类：第一类是完成GPRS数据业务（包括控制和用户平面）所必须具备的逻辑接口，包括Gb、Gn、Gr及Gi接口等；第二类是为了保障GPRS成为可运营、可管理的网络所具备的逻辑接口，这些接口对业务的运营至关重要，但不参与GPRS业务的转发过程，例如涉及计费的 Ga 接口以及某些通信设备制造商自定义的用于网络管理的逻辑接口（例如爱立信自定义的用于网络管理的Gom接口）；第三类主要是目前我国国内移动运营商因为当下的网络环境及业务需求暂时未开放的一些逻辑接口，包括Ge、Gd、Gs等接口。1.3.1 无线侧和核心网之间的接口
Gb 接口（BSS – SGSN）是GPRS组网的必选接口。通过该接口，SGSN 可以完成同BSS系统的通信，并完成和MS之间的通信，以实现分组数据传送、移动性管理、会话管理等方面的功能。通常该接口连接的是SGSN和BSS。此接口所使用的协议不区分用户平面和控制平面，均为BSSGP（BSS GPRS Protocol）。在我国国内，其主要在基于3GPP 规范建设的运营商（中国移动和中国联通）网络中部署。Gb接口协议栈如图1-8和图1-9所示。图1-8 GPRS网络MS–SGSN控制平面协议栈图1-9 GPRS网络MS–SGSN用户平面协议栈1.3.2 GPRS核心网业务相关的主要逻辑接口
1．Gn/Gp接口（SGSN–GGSN 或SGSN–SGSN）
Gn接口是指同一个PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网）内GPRS支持节点之间的接口。当用于SGSN和GGSN之间时，Gn接口主要负责完成用户的会话管理和用户面数据传递，例如 PDP 上下文的激活和去激活以及上下行用户数据的转发；当用于SGSN和SGSN之间时，Gn接口主要用于用户的移动性管理功能，例如完成用户的路由区更新过程。
Gp接口的协议栈及功能和Gn接口几乎是完全一致的，唯一的区别是Gp接口用于不同的PLMN之间，最典型的场景是当GPRS国际漫游时，MS的PDP上下文激活需要从拜访地的SGSN发起，到归属地的GGSN完成激活。除此以外，为了保证在跨PLMN间传送用户数据的安全性，通常在 PLMN 边界增加 BG（Border Gateway，边界网关）和防火墙来增强跨PLMN之间的安全性。
控制和用户平面协议均采用GTP。Gn/Gp接口协议栈如图1-10和图1-11所示。图1-10 Gn接口控制面协议栈图1-11 Gn接口用户面协议栈
2．Gr接口（SGSN–HLR）
Gr接口是SGSN与HLR之间的接口。SGSN通过Gr接口，可以从HLR获取用户相应的 GPRS 签约数据、鉴权参数等信息，完成对用户的管理。例如，如果从 HLR 获取的签约数据中得知 MS没有开通 GPRS业务时，SGSN则可以拒绝 MS的附着请求。除此以外， SGSN还需要通过Gr接口向HLR报告用户的位置信息，即HLR需要知道当前为MS提供服务的SGSN的相关信息。HLR中关于用户的业务状态数据发生变化时，也会通过Gr接口主动告诉SGSN，SGSN会进行相关的处理。例如当用户欠费时，HLR将把MS的状态标记为Inactive，并且通过Gr接口通知SGSN将用户去附着，并将已经分配的相应的设备资源（如CPU、内存、业务板卡处理能力）进行回收。
Gr接口采用SS7承载的MAP来完成信令交互。Gr接口协议栈如图1-12所示。图1-12 Gr接口协议栈
3．Gi接口（GGSN–PDN）
Gi接口连接GGSN和外部PDN，这个外部PDN通常是传统的Internet、企业内部网络或由电信运营商提供GPRS相关业务的数据网络。Gi接口根据连接的外部PDN不同，需要对用户面数据包进行重新封装、网络地址转换、用户接入时的鉴权和认证等操作。1.3.3 其他逻辑接口
1．Gd接口
Gd 接口是 SGSN 与 SMS-GMSC（Short Message Service Gateway Mobile Switching Centre）、SMS-IWMSC（Inter-Working MSC For Short Message Service）之间的接口，主要用途是通过 GPRS 网络来承载电路域的用户短消息业务。需要说明的是，Gd 接口仅针对用户的短消息业务，不包括MMS（彩信）业务，这是因为MMS业务具有非实时性及大数据量的特点。彩信业务数据是通过PDN中的彩信业务服务器经Gi接口下发的。
2．Gs接口
Gs 接口是SGSN 与电路域MSC（Mobile Switching Centre）之间的接口，主要用于配合电路域完成用户的联合寻呼、联合附着等业务，可达到节省空中接口资源的目的；也可以减少手机的负担，即只需要执行一次附着就可以完成到电路域和GPRS分组域的双登记。
3．Gf接口
Gf 接口是SGSN 与EIR（Equipment Identity Register）之间的接口，主要用于对用户手机的IMEI（International Mobile Equipment Identity）码进行检测，也就是我们口头常说的对水货手机的检测。
4．Gc接口
Gc接口是GGSN与HLR之间的接口。当具有此接口时，网络侧则可以主动发起对手机的业务请求，例如网络侧发起的PDP上下文激活流程。但实际上GPRS网络中很少有网络侧主动向手机发起业务请求的情况，因此 Gc 接口实际作用不大。由于并没有开放该接口，也就是说，如果MS需要接收下行用户数据，必须先发起PDP上下文的激活流程创建一个PDP上下文，而不能在没有PDP上下文的情况下等待网络侧发起PDP上下文的创建。
5．Ga接口
实际网络中比较常见的还有Ga接口，用于连接GSN节点和计费网络功能实体（CGF）。CGF为3GPP规范中的功能定义，对应的硬件网元为计费网关，主要完成GPRS分组域话单CDR的收集、整理、合并等操作，是GPRS分组域中计费的核心网元。CDR主要包括S-CDR和G-CDR，分别从SGSN和GGSN收集，采用的协议是FTP或GTP，是用户计费的重要原始依据。
在我国国内移动运营商的网络中基本没有开放Gd、Gs、Gf、Gc接口。其中，Gd和Gs接口开放的好处是显而易见的，但考虑到目前电路域语音业务仍是运营商的核心业务，运营商都是遵循着语音优先的原则发展业务，电路域网络规模及用户数均大大超过分组域（在实际网络中，MSC服务器的数量要远远大于GSN节点的数量），因此如果贸然打开Gd接口和Gs接口，可能会导致GPRS分组域无法承受过载的电路域用户流量，导致用户体验下降。但随着3G、4G技术的发展及演进，移动互联网及智能终端对人们日常生活的影响日益加深，分组域的用户及流量均在持续增长中，所以Gd和Gs接口的开放也是有可能的。
针对本节中列出的非业务常用接口，本书不做重点介绍。
基于本章1.3.1和1.3.2小节关于逻辑接口的相关描述，整理后可得到GPRS核心网主要逻辑接口之间的对比关系，如表1-1所示。表1-1 GPRS核心网主要逻辑接口对比
注：
① N/A代表不适用。
② GRE：Generic Routing Encapsulation，是一种IP网络隧道技术。
③ IPSec：IP Security，可以完成对用户数据包加密、完整性保护等安全性相关功能。1.4 GPRS网络移动性管理功能
移动通信网络和固定网络最大的不同就是，用户有可能是处在移动中的。这就需要相应的网元能对用户的位置进行追踪定位，并且基于用户的当前位置正确下发用户的数据报文。GPRS网络中的无线资源是共享且按需分配的，需要相应的网元能够了解MS当前的状态，例如MS当前是否关机、是否完成了注册登记、是否离开了GPRS的服务区域以及是否有数据传递等，通过对相应的MS状态进行管理来决定是否为用户分配相应的网络资源（包括无线接入网和核心网资源）。比较典型的，如果用户当前是处于关机的状态，则相应的网元必须能够感知并且不为该用户分配任何资源；如果用户刚执行完关机操作，网络侧也需要能够感知，并且将已经分配的资源进行释放和回收，以分配给其他用户。1.4.1 GPRS服务区域的构成
为了方便对用户的移动性进行管理，GPRS 网络也根据服务范围对用户的服务区域进行分类。
1．基站小区（Cell）
基站小区是 GPRS 服务区域中最小的地理单元，也是一个移动蜂窝网络的基本单元，它由一个BTS覆盖。基站小区通过Cell ID来进行标识，如果需要全球唯一地标识该小区，则需要通过CGI标识该小区。基站小区的覆盖范围按网络容量需求可以规划成从几百米到几十公里不等。
2．路由区（RA）
一个路由区可以由一个或多个基站小区组成。一个路由区的地理范围可以覆盖一个城市的一片区域（例如广州市天河区）或一个小型的城市。一个SGSN可以为多个路由区提供服务，每个路由区是由一个唯一的路由区标识符（RAI）标识的。关于RAI的构成参见2.2.5小节。
当前MS所在的路由区对应的RAI将通过空中接口的系统消息广播给MS，MS收到消息后将把该RAI保存下来当MS移动到新的小区时，MS把在新小区广播消息中收到的RAI和保存的旧RAI进行对比以确认是否发生了路由区的变更。如果比较的结果不一致，MS则判断发生了路由区的变更，将发起路由区更新流程通知 SGSN。MS 当前移动到了新的路由区，并请求在新的路由区中完成GPRS业务的注册登记。
3．位置区（LA）
与路由区类似，位置区也可以包含一个或多个基站小区。但位置区通常用于电路域中，用于构成电路域服务节点MSC服务器的服务范围。从技术上看，路由区是位置区的子集。位置区比路由区要大；但为了方便管理，在实际组网中，通常将位置区和路由区设置得一样大。
4．SGSN服务区
SGSN服务区是一个SGSN所提供的服务区域。一个SGSN服务区可以由一个或多个其管辖的路由区组成。目前，各电信运营商通常是将GPRS网络以省为单位独立建设和运营的。因此，根据该省的规模（如经济、人口总量、GPRS流量大小等）不同，一个SGSN服务区可以为一个或若干个地市的用户提供服务。
5．PLMN服务区
PLMN服务区是指由一个电信运营商提供的GPRS服务区域，一个PLMN服务区可以由一个或多个SGSN服务区组成。例如，将各省独立运营的SGSN服务区叠加起来，就构成了一个全国性的GPRS服务网络，即PLMN服务区。
如果只讨论GPRS分组域，则以上主要服务区域（除位置区外）的关系如图1-13所示。图1-13 GPRS服务区域关系1.4.2 移动性管理状态
在GPRS网络中，一共定义了Idle、Ready和Standby3种针对用户的移动性管理状态。
1．Idle状态
在Idle状态下，MS没有附着到GPRS网络，SGSN中没有关于用户位置及路由的相关信息，因此网络侧也无法完成对移动用户的数据传输或对用户的寻呼。在该状态下，MS 被认为是不可达的状态，常见的场景包括MS处于关机的状态、MS不在GSM无线网络覆盖区域、GPRS附着不成功等。
MS可以通过发起GPRS附着流程切换到Ready状态。
2．Ready状态
在Ready状态下，MS已附着到 GPRS网络，并可以发送和接收外部 PDN的报文；SGSN中的移动性管理上下文中关于用户位置的信息精确到小区级别。在该状态下，网络侧不需要对MS执行寻呼流程，就可以直接将用户的下行数据传送到负责该小区的BSS，再由BSS转发给MS。
MS在Ready状态下可以执行PDP上下文激活、去激活等会话管理流程。
即使是在用户没有数据传递的时候，移动性管理状态仍然可能会停留在Ready状态，而不管无线资源是否被分配给用户。因此，为了节省无线侧的资源，需要有一个计时器来监控Ready状态，这就是Ready timer，当Ready timer 超时后，移动性管理状态将从Ready切换到Standby。除此以外，MS还可以通过发起去附着流程来从Ready状态直接切换到Idle状态。当MS在Ready状态下移动到了其他小区时，将发起小区更新流程并通知SGSN。
3．Standby状态
在Standby状态下，MS已附着到GPRS网络，MS和SGSN都已经为签约用户建立了移动性管理上下文。SGSN 中的移动性管理上下文关于用户位置的信息精确到路由区级别。在该状态下，SGSN可以对用户发起寻呼，但仍不能为用户路由和转发数据报文。
MS在该状态下执行的是路由区更新流程以及在本地执行GPRS小区选择和重选流程， MS需要通过执行路由区更新流程来通知SGSN它已经进入了一个新的路由区。但MS如果只是在相同路由区下不同小区之间发生了位置移动，则MS不会通知SGSN关于小区位置的变化。因此，在 Standby 状态下，SGSN 中移动性管理上下文中的位置信息只包含标识路由区的RAI。
由于已经完成GPRS附着，所以MS可以在Standby状态下直接发起PDP上下文的激活等会话管理相关流程。在传送或接收与 PDN 之间的数据之前，必须要先创建一个 PDP上下文。
MS或SGSN都可以发起GPRS去附着流程将用户的移动性管理状态切换到Idle，并且在SGSN 上的移动可达性计时器（Mobile Reachable Timer）超时之后，SGSN 可以执行一个隐式的去附着（即不通知MS）流程，将用户移动性管理状态切换到Idle，移动性管理和PDP上下文可以被SGSN删除。
MS侧和SGSN侧的移动性管理状态切换模型如图1-14所示。图1-14 MS侧和SGSN侧移动性管理状态模型
状态切换条件说明如下。（1）从Idle切换到Ready。GPRS附着完成后，MS和SGSN将创建用户的移动性管理上下文。（2）从Standby切换到Idle。
• 隐式去附着：由SGSN 侧的隐式去附着计时器控制。该计时器超时后，SGSN 上关于该用户的移动性管理上下文和PDP上下文可以被删除，移动性管理状态将切换到Idle，PDP上下文状态将切换到Inactive。如果GGSN上有PDP上下文，也将被删除。
• Cancel Location：SGSN 收到HLR 发过来的类型为Cancel Location的MAP 消息，将删除用户的移动性管理上下文和PDP上下文。（3）从Standby切换到Ready。
• PDU（Packet Data Unit）的传送：MS 侧通过发送一个任意非空LLC 帧（即任意类型的LLC层上层用户数据报文）给SGSN来实现状态的切换。这个LLC帧隐含地执行针对SGSN的寻呼响应。
• PDU 的接收：SGSN 收到MS 发送的上行LLC帧后，即完成状态的切换。（4）从Ready切换到Standby。
• Ready Timer超时。
• Force to Standby：SGSN 可以在 Ready Timer 超时之前强制要求 MS 返回 Standby状态。
• 异常的无线环境：在用户数据传输过程中，因为空中接口的质量问题无法满足传送需求。（5）从Ready切换到Idle。
• GPRS 去附着：MS 或SGSN 都可以通过执行GPRS去附着流程将移动性管理状态从Ready切换到Idle，SGSN上关于该用户的移动性管理上下文和PDP上下文可以被删除，移动性管理状态将切换到 Idle，PDP 上下文状态将切换到 Inactive。如果有的话，GGSN 上的PDP上下文也将被删除。
• Cancel Location：SGSN收到HLR发过来类型为Cancel Location的MAP 消息，将删除用户的移动性管理上下文和PDP上下文。
表1-2列出了这3种状态下分别支持的不同信令流程或业务类别。表1-2 GMM各状态下支持的流程
可能有读者要问，只设置Idle和Ready这两种状态不就可以标识用户是否在网吗？为什么还需要设置一个 Standby 状态，是否多此一举？实际上，设置 Standby 这样一个中间状态是非常有必要的。这主要是因为当MS的GPRS附着完成，移动性管理状态切换到Ready之后，根据协议规定，MS 可以随时进行数据报文的发送和接收，这也意味着在 Ready 状态下，无线接入网以及SGSN都需要为用户预留相应的资源来处理可能到来的用户数据报文。但根据用户或手机终端的行为，并不是所有MS在附着完成之后就一定会上网，很多终端用户可能在GPRS附着之后，一天之内都可能不上网也就没有任何流量产生，如果始终停留在Ready 状态，网络侧（包括无线接入网和核心网）将需要大量的资源预留，这是一个极大的资源浪费。而如果仅因为用户附着完成后不上网就将MS去附着，并将移动性管理状态切换到Idle，显然也是不合适的，这将极大地降低用户的上网体验，并有可能导致MS无法使用GPRS业务。
在设置了Standby状态后，如果在Ready状态下长时间不上网，则将切换到Standby状态，相应的无线资源及核心网资源将被释放，SGSN 也只需要在一个更大的服务范围路由区内追踪用户就可以了，网络侧的资源利用效率将得到极大的提升。1.4.3 移动性管理计时器的设置
在GPRS的移动性管理中，计时器的作用非常重要，移动性管理状态切换在很多情况下都与计时器有关。根据规范TS24.008章节11.2.2小节中的定义，与GPRS移动性管理状态切换相关的计时器主要有如下几个。
1．Ready Timer（T3314）
该计时器控制在Ready状态下，多长时间内如果没有用户数据被传送，移动性管理状态将切换到Standby。规范中规定的默认值是44s。该定时器在移动性管理状态切换到Ready后启动，如果有用户数据被传送，该计时器将不断被刷新，不会因超时而导致状态切换。但如果没有用户数据被传送，该计时器将从44s倒数直到超时。
2．周期性路由区更新计时器（T3312）
MS的移动性管理状态切换到Standby之后，可能在很长时间内都和网络侧没有任何报文交互，在这种情况下，SGSN 将无法得知用户真实的移动性管理状态。另外，MS 有可能在一个无线覆盖不好的区域跨越了路由区，而SGSN却无法感知到，并且仍将在用户的移动性管理上下文中记录着错误的路由区信息。因此，规范规定，在Standby状态下的MS，需要周期性地执行路由区更新流程，周期性地向网络侧报告自己当前的路由区信息，SGSN收到MS发送的周期性路由区更新请求后，可以获知MS仍停留在当前路由区或者已经切换到了一个新的路由区，则 SGSN 会更新 MS 的当前位置信息，并把 MS 的移动性管理状态仍维持在Standby状态，不会触发后续的隐式去附着流程。MS周期性地发送路由区更新是由周期性路由区更新计时器控制的，该值由SGSN产生，并通过附着或路由区更新流程分配给MS。规范中规定的周期性路由区更新计时器默认值是 54min。该定时器在移动性管理状态切换到Standby后启动。
3．移动可达性计时器（Mobile Reachable Timer）
移动可达性计时器也是在MS的移动性管理状态切换到Standby后启动的，该值比T3312要稍长。规范中规定的默认值是58min。按照默认值58min来计算，MS侧的T3312计时器超时后，SGSN如果仍没有收到MS发送过来的周期性路由区更新请求，将继续等待4min（主要是可以排除一些导致MS无法准时发送周期性路由区更新请求的客观因素，例如无线覆盖差、MS负荷过高、MS自身Bug等），等到移动可达性计时器也超时后，SGSN将会把MS的寻呼处理标志（Paging Processing Flag，PPF）清零，这意味着如果接下来即使有关于该用户的下行数据报文（例如某应用服务器发给MS的通知消息）到来，也不对该用户进行寻呼，这代表在SGSN侧已经认为该用户处于不可达状态了。但SGSN仍然会将MS的移动性管理状态维持在Standby，目的是方便MS不需要再发起附着流程就可以通过发送任意的上行数据直接切换到 Ready 状态，从而提升用户体验。该计时器仅存在于 SGSN 侧，用于加强对MS移动性管理状态的控制。
4．隐式去附着计时器（Implicit Detach Timer）
当SGSN侧的移动可达性计时器也超时后，MS的移动性管理状态在SGSN侧仍保持在Standby状态；直到SGSN本地设置的隐式去附着计时器超时后，MS的移动性管理状态将从Standby状态切换到Idle状态，并且不会给MS任何信令消息进行通知，因为此时可能丢失了和MS的通信连接。
合理设置上述计时器，对提升网络资源利用有很大的帮助作用。以Ready Timer 为例，该值不能设置得太短，否则MS会很快切换到Standby状态，这样将会极大地增加网络寻呼的负荷（寻呼的范围是整个路由区，负荷重）。例如，智能手机越来越普及，其特点之一是屏幕大，有很多手机阅读的用户，可能一屏有几千字，需要10min 看完才翻下一页。那在10min 之内，用户可能不会按手机的任何一个按键来触发和网络侧的数据交互，如果 Ready Timer按照默认的44s设置，在44s后，MS就进入了Standby状态，这时如果有下行数据从PDN送过来需要发送给MS，则SGSN就需要在路由区范围内对MS进行寻呼，加重网络的负担。除此以外，很多聊天软件服务器会周期性发送探测消息给MS以确定MS是否在线，当Ready Timer 的值小于该服务器探测MS 的周期性时间时，则会触发频繁的寻呼，加重网络的负担。Ready Timer 值也不能设置得过大，因为该值过大将可能导致 MS 总是停留在Ready状态，而如果此时MS频繁地在两个热点小区间移动，则将触发频繁的小区更新流程，加重MS和网络侧的负担。
实际上，规范中定义Ready Timer 的默认值为44s 也是根据当时的用户行为习惯进行调研分析得出来的。制定该规范时，智能手机甚至彩屏手机都不普及，用户基本上都能在 44s内阅读完网络侧下发到手机的数据，然后通过按键触发和网络侧的数据交互，使自己仍然停留在Ready状态。但如果现在仍然继续使用Ready Timer 的默认值，可能会变得不合时宜，特别是在智能手机以及移动互联网普及的今天。1.5 GPRS网络会话管理功能
MS在完成到GPRS网络的注册登记后，网络侧将能够感知MS的存在，但此时MS并不能访问Internet这些外部PDN。如果MS需要访问这些PDN的数据业务，则首先需要在MS和GGSN之间建立一条通往外部PDN的会话连接，GGSN将负责完成MS和外部PDN之间的数据路由和转发，这样一条会话连接称为一个PDP上下文。SGSN和GGSN都需要参与PDP上下文的创建、维护工作，包括为用户创建PDP上下文时分配相应的资源以及在MS断开和外部PDN的连接后将PDP上下文释放并回收所分配的资源。这些针对PDP上下文的管理维护工作即可看做GPRS网络所提供的会话管理功能。
通常情况下，PDP 上下文的创建是由终端用户通过点击某个应用发起的，例如在手机浏览器器中输入www.sina.com.cn，这将触发一个PDP上下文的创建流程。而PDP上下文的释放在很多情况下也都是由终端用户发起的，例如关闭IE网页浏览器的操作。如果需要创建一个PDP上下文，MS至少需要向网络侧提供或者通过网络侧分配得到如下信息。
① MS 需要分配到一个可用于访问外部PDN 的地址。
② MS 需要告诉网络侧，自己期望和哪个PDN 进行连接。
③ 针对所期望访问的应用，MS 需要和网络侧协商所能提供的QoS 保障是多少。1.5.1 PDP上下文
一个PDP上下文提供了在MS侧和网络侧之间交换IP报文的分组数据连接，利用这个分组数据连接可以访问位于外部PDN中的业务。也就是说，MS如果需要访问外部PDN中的业务，则需要先创建一个PDP上下文（对应的信令流程是PDP上下文激活流程）。
PDP上下文的相关信息存储在MS、SGSN及GGSN中。一个PDP上下文包含了一组会话管理相关参数的集合，这些参数主要如下所述。
• APN：可用于区分不同的外部PDN。
• NSAPI：可用于区分不同的PDP 上下文。
• QoS profile：定义了和某个特定PDP 上下文相关的服务质量说明。
• PCO：定义了和某个PDP上下文相关的外部PDN相关参数，例如DNS服务器地址等。
• PDP 地址：用于MS在PDN 中进行寻址的地址标识，通常是一个IP 地址。
上述参数的具体含义可参考本书第2章关于信息元素的说明内容。
1.5.1.1 多PDP上下文
随着移动互联网及移动终端的发展，可能需要同时在手机上建立多个并行的到外部 PDN的连接，这些连接的QoS参数以及访问的目标网络都有可能不同。多PDP上下文也就是说一个MS可以同时激活多个PDP上下文，实现多个并行连接。每个激活的PDP上下文可以有不同的QoS属性。其中，和外部PDN创建的第一个具有默认QoS属性的PDP上下文称为Primary PDP 上下文。对于多个Primary PDP 上下文而言，每个独立的PDP 上下文都可以有不同的PDP地址，并且使用不同的APN。
当基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒体子系统）的VoIP 语音业务被引入，并且PDN提供的所有业务都是基于IP的时候，多PDP上下文将有特别的意义。在一个基于IMS的网络中，MS可以为基于SIP的信令和其他业务会话激活不同的PDP上下文，提供并行的服务（例如并行的VoIP会话和数据下载业务等），针对每个对QoS有不同需求的应用都可以创建不同的PDP上下文来提供相对应的QoS保障。
特定的PDP上下文的数据流（用户平面）既可以由手机自身也可以是由其连接的终端电脑（可通过USB、蓝牙等方式连接）来终结。如图1-15所示，终端用户一共建立了两个PDP上下文，一个在手机上
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