GPRS信令盲點-RR

[前言]
不知何故，對於GPRS的信令(即通信協定)，筆者目前所能找到的教學資料，無論是知名原文著作如[5]、大學教材如[8]、[9]，還是網路上的教學資源如[7]，大都沿襲自3GPP TS03.60[1]的同一套講法：將RR視而不見，這令筆者隱隱覺得不妥，便開始深入3GPP/GSM 的規格圖書館中博灠文件，幸運地在某些文件中找到解答，在此發表心得，以供參考。

圖一以簡化的方式畫出GSM與GPRS的網路元件與界面名稱。此圖下端可以看出GPRS比GSM多增加的兩個網路元件：SGSN與GGSN，由於Gb界面的信令複雜度大於Gn界面(Gn的堆疊只有IP/GTP/UDP/IP/Ethernet)，可以了解到SGSN在GPRS網路所扮演的吃重角色，也因為與移動相關的信令(如GMM)從MS經由各BTS-BSC只到SGSN為止，所以大部分的3GPP技術規格都只談論MS到SGSN的過程，這種觀點是可以理解的。

GPRS還新增一個重要的Gs界面，位於VLR與SGSN之間(實體界面看起來介於MSC與SGSN之間，但邏輯上其實是介於VLR與SGSN兩者，請讀者注意)，讓Class A的手機在使用數據服務的時候，不會錯過GSM的服務。
圖二是張經典的作圖，將MS, BSS(BSS是BTS與BSC的合稱，這樣合稱會錯過其間的Abis界面沒有畫出，請讀者留心)到SGSN的每個網路元件的內部信令堆疊圖。此圖出自3GPP的規格書，此規格書清楚地說明這是GPRS的信令平面(Signalling Plane)，之後幾乎所有的經典著作與通信教材也都遵守此圖來傳述GPRS，非常忠於原著。但筆者以第一線機房工程師的工作需求設想，這張圖其實不夠充分，因為所謂GPRS信令平面，應該是將GPRS各種功能與服務需要涉及到的所有信令都包含在內才算充分，筆者不知當年(1998年)的會員是否曾經有人針對這點提出異議，究竟經過如何的爭辯攻防，事到如今，我們看到的還是這樣一張資訊不夠充分的圖，科技發展的歷程實在很值得細細玩味。

無論如何，這張圖至少標示著一個正確的資訊，就是所有的GMM/SM訊息，都是承載在LLC/RLC/MAC/RF上面，經由RF到達BSS，然後LLC被送到SGSN，LLC上層的GMM/SM才被SGSN讀取/對話，以這個觀點而言，這張圖的資訊的確是足夠用的。以下繼續說明筆者認為資訊不足之處。
圖三是在3GPP TS43.051規格中發現的圖，以另一種觀點來詮釋GPRS控制信令平面(Control Plane)(Control Plane是Signalling Plane的另一個說法)，筆者在此終於獲得印證與更多的啟發。

首先，請讀者先不必在意手機Iu mode加上RRC與RLC的建議，(老實說，筆者覺得在GPRS中加入RRC的功能真是瘋狂的建議)，除此之外，讀者仔細看看此圖可以發現，如同RRC在Uu具有的重要地位，RR也對於控制RLC/MAC與LAPDm有著重要地位，只是目前所有RR的訊息都通過LAPDm，在GSM既有的logical channel上傳送，所以無法在GPRS的logical channel上發現RR的蹤跡。

此圖很清楚可以發現GMM/SM有一條線向下關連著RR/LAPDm/PHY的控制路徑，這證明RR在GPRS的控制信令平面具有不容忽視的重要性。
讓我們繼續深入RR的架構。很驚訝地發現RLC/MAC在GPRS的實現方式其實是納入RR的堆疊中，請看圖四，此圖出自3GPP TS44.060，可以在RR的sublayer中清楚發現RLC/MAC的堆疊，所以GPRS的RLC/MAC不像UMTS的RLC/MAC一樣，是與RRC分離的獨立堆疊，倒像是違章建築一樣蓋在RR之中，這是非常有趣的發現，這種結構暗示了GSM/GPRS結構上的不優雅，因為RR屬於OSI model L3，而RLC/MAC屬於L2，現在RR中建構RLC/MAC會造成OSI model的分層不夠清楚。

此圖最右邊GMM由上而下，經由LLC經過GRR-SAP到RLC/MLC，最後到達PDCH，目前所知所有的GMM訊息都經由PDCH這條physical channel收送。

另一條路徑從GMM經由GMMRR-SAP到RR management，命令GPRS RR(GRR)控制RLC/MAC或是送出不同的GRR訊息協助完成GMM的工作，只是目前所有的GRR訊息都經由GSM的logical channel收送，所以無法在PDCH上發現RR的訊息，因此常常被視為傳統GSM的訊息，筆者認為這是不正確的觀念，RR當中的確有純粹屬於GSM功能的訊息，但也隨著GPRS的引入而加入許多純粹GPRS功能的訊息，當我們談論GPRS的控制信令時，只要是與GPRS相關的程序與服務有關的信令，都該被一併考慮，才能完整描述整個GPRS過程。

最左邊從MM下到RR-SAP的那條控制線，才是傳統GSM的信令路徑，表示MM只會出現在GSM的logical channel上，在這條路徑上所發現的RR訊息才是純粹GSM的信令。
分析至此，筆者將以上的看法綜合整理後，重新繪製GPRS的信令平面如圖五。改變的部份不多，只是在MS與BSS加入GRR與用來傳輸GRR的LAPDm/PHY而已，其餘部分維持不變，此圖重點在於強調原本RR在GPRS信令過程於Um界面所扮演的重要性，至於BSC上行的Gb界面則與圖二完全一致。

對工程師而言，無論是設計GPRS MS或是RF網路優化，筆者建議RR堆疊的角色不可忽視，在Abis監看GMM/SM的同時也要從LAPD監看RR的訊息才能完全掌握GPRS的所有動作是否完成。

說明：由於保密性的設計，Um無法監看，所有Um的信令必須由Abis間接取得，而Um界面上的無線LAPDm堆疊到了Abis變成了有線的LAPD堆疊，因此RR變成要在LAPD上監看。
圖六是使用Protocol Analyser(協定分析儀)作GPRS call trace時的信令監控界面圖。藍色的線表示Protocol Analyser的probe，標準監控界面包含Abis, Gb, Gn與Gs此四個界面，在Abis界面以往只監看PCU以上的堆疊，例如GMM，筆者在此認為不夠，建議還需要同時監看LAPD以上的GRR信令，才可以獲得完整的資訊來進行網路的除錯與優化。

[結論]
RR是GPRS信令的盲點，長期以來被文獻教材視而不見，或是當成GSM的信令，筆者認為不適當，因此試圖在此文中以3GPP規格書的其它例子說明RR在GPRS網路中的重要性。

參考文獻：
[1] ETSI TS 101 344 V7.9.0 (2002-09) Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); General Packet Radio Service (GPRS) Service description; Stage 2 (3GPP TS 03.60 version 7.9.0 Release 1998)

[2] ETSI TS 143 051 V5.6.0 (2002-04) Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); GSM/EDGE Radio Access Network (GERAN) overall description; Stage 2 (3GPP TS 43.051 version 5.6.0 Release 5)

[3] ETSI TS 144 060 V4.1.0 (2001-04) Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); General Packet Radio Service (GPRS); Mobile Station (MS) - Base Station System (BSS) interface; Radio Link Control/ Medium Access Control (RLC/MAC) protocol (3GPP TS 44.060 version 4.1.0 Release 4)

[4] Jörg Erbespächer, Hans Jörg Vogel, Christian Bettstetter, GSM: Switching services and protocols, Wiley 2001

[5] Yi-Bing Lin and Imrich Chlamtac. Wireless and Mobile Network Architectures. John Wiley, 2001

[6] ETSI TS 101 350 V8.9.0 (2001-11) Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); General Packet Radio Service (GPRS); Overall description of the GPRS radio interface; Stage 2 (3GPP 03.64 version 8.9.0 Release 1999)

[7] Christian Bettstetter, Hans-Jörg Vögel, and Jörg Eberspächer/ GSM Phase 2+ General Packet Radio Service GPRS: Architecture, Protocols, and Air Interface/ Technische Universität München (TUM) : http://www.comsoc.org/livepubs/surveys/public/3q99issue/bettstetter.html

[8] 台大資訊工程學系/林風教授的教學資料：2006 Fall 個人通訊服務(Personal Communication Service)

[9] 元智大學電機系/賴薇如教授的教學資料：Chapter 7 GPRS 系統簡介 (96 1 17)

[10] 3GPP TS 24.007 V4.4.0 (2005-01) Technical Specification 3GPP; Technical Specification Group Core Network; Mobile radio interface signalling layer 3; General aspects (Release 4)

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