介绍了GPRS系统和EPC系统的主要特征、网络结构、主要网元的基本功能及发展情况，分析了GPRS系统和EPC系统中技术的相同和不同点，说明了EPC系统是对GPRS系统的继承和发展。
1 引言
在GSM时代，随着移动通信业务和IP技术的迅猛发展，移动数据和多媒体通信的应用越来越广泛，甚至有可能超过传统的话音而成为移动通信承载的主要业务，传统的GSM移动通信网络已无法适应这种新的发展趋势。为此，国际通信标准组织引入了GPRS分组交换技术作为GSM系统中话音业务的补充来提供数据业务。在移动通信网络建设过程中，GPRS分组交换系统是2G网络向3G网络演进的重要环节和必经阶段。
2 GPRS系统
GPRS网络的主要特性如下：
（1）分组交换
分组交换可以使不同的数据传输“共用”传输带宽，有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。分组交换还能提供灵活的差错控制和流量控制，主要是在端到端的高层进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销；也可以在网络部分环节上增加控制，提高安全性。另外，通过设置QoS等手段，可以有效地控制和分配延时、带宽等性能，所以分组交换非常适用于数据应用。
（2）频谱效率
在移动通信系统中，无线信道资源非常宝贵，如采用电路交换，通信需要建立端到端的连接，在通信过程中用户要独占信道。单个信道的速率比较低，如果多个信道组合在一起最多有8个时隙，虽可提供更高的速率，但只能被一个用户独占，在成本效率上显然缺乏可行性。而采用分组交换的GPRS则可灵活运用无线信道，每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由几个用户共享，从而极大地提高了无线资源的利用率。
（3）实时在线
即用户随时与网络保持联系。例如，用户访问互联网时，手机在无线信道上发送和接受数据，就算没有数据传送，手机也一直与网络保持连接，不但可以由用户侧发起数据传输，还可以从网络侧随时启动Push类业务，不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网冲浪。
（4）按流量计费
用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上，也是不收费的。
（5）快捷登录
GPRS的用户一开机就始终附着在GPRS网络上，每次使用时只需一个激活的过程，一般只需要1~3s的时间就能登录至互联网；而固定拨号方式接入互联网需要拨号、验证用户名和密码、登录服务器等过程，至少需要8～10s甚至更长的时间。
（6）自如切换
GPRS还具有数据传输与话音传输可同时进行或切换进行的优势。也就是说用户在使用移动电话上网冲浪的同时，可以接收语音电话。例如，原来的电话拨号上网接入之后就不能再打电话也不能接听电话，而GPRS则类似于固定电话网络中ISDN的概念，即电话、上网两不误。
GPRS网络的基本架构如图1所示，其中主要的功能实体包括服务GPRS支持节点（SGSN）、网关GPRS支持节点（GGSN）和HLR。
图1 GPRS系统基本架构
SGSN面向移动台，执行移动性管理、会话管理、安全功能、接入控制和路由选择等功能。GGSN首先是网关设备，提供MS接入外部分组网络的关口功能，提供数据包在GPRS网和外部数据网之间的路由和封装，完成MS同外部网的通信建立过程。此外，GGSN也有路由选择与转发功能，将移动用户的分组数据发往正确的SGSN；GGSN还能给用户动态分配IP地址。因此，SGSN与GGSN在功能划分上各有侧重：SGSN侧重在无线接入，GGSN侧重在对外部网络的连接。HLR是用户数据管理设备。
GPRS系统中最主要的通信协议是GTP和MAP协议。GTP协议分为信令平面和传输平面。其中，信令平面包括通路管理、隧道管理、位置管理、移动性管理4类消息；传输平面主要功能是传输数据包。MAP协议主要用于SGSN和HLR之间传递用户签约信息和鉴权参数。
最初的GPRS技术是在2G和3G系统过渡阶段提出的，因而被称为2.5G技术。随着无线接入网络和核心网络技术的发展，包括GPRS系统在3GPP标准的每个阶段也都逐步增加了新的特性，具体表现为：
●R99阶段：主要是根据无线接入系统中引入的WCDMA技术，增加了新的接口和协议，即Iu接口和RANAP协议，同时GTP的协议版本从v0发展为v1，GTP协议的结构和功能都有了改变，如信令和数据传输的区分方式，GTP头的长度，传输协议等。
●R4阶段：电路域引入了软交换技术，但分组域没有大的改变。
●R5阶段：引入了全IP概念，Iu和Gb接口均能基于IP传输；GPRS系统作为承载网络，支持新引入的IMS多媒体子系统；支持无线侧提出的HSDPA概念，下行分组数据的传输速率大大提高。
●R6阶段：支持MBMS架构，同时提出基于流的计费，对分组域的计费方式开始进行增强。
●R7阶段：支持Direct-Tunnel技术，能够直接在RNC和GGSN间建立用户数据通道，降低数据传输时延；支持PCC架构，使得计费和QoS策略控制更加灵活。
●R8阶段：配合EPC系统做相应的功能修改，特别是涉及跟EPC系统间的互通操作时。
3 EPC系统
EPC的产生不是偶然的，随着新技术的不断涌现，3GPP发现有必要通过从无线接口到核心网络的持续演进和增强，以在未来10年内保持自己在移动通信领域的技术先发优势，为运营商和用户不断增长的需求提供满意的支持。EPC的目标是“制定一个具有高数据率、低延迟、数据分组化、支持多种无线接入技术为特征的、具有可移植性的3GPP系统框架结构”。
EPC网络的主要特征包括：
（1）QoS机制进一步完善，能够支持端到端的QoS保证。
（2）全面分组化，提供真正意义上的纯分组接入，将不再提供电路域业务。
（3）支持多接入技术，既支持和现有3GPP系统的互通，同时也能支持非3GPP网络(eg. WLAN、WiMAX)的接入，并支持用户在3GPP网络和非3GPP网络之间的漫游和切换。
（4）增加对实时业务的支持。简化网络架构，简化用户业务连接建立信令流程，降低业务连接的时延，连接建立的时间要求小于200ms。
（5）网络层次扁平化。用户面节点尽量压缩，接入网取消RNC，核心网用户面节点在非漫游时合并为一个。
图2是EPC网络用于3GPP接入时的基本架构——非漫游架构。从图中可以看出，EPC网络主要网元包括MME，S-GW，P-GW和HSS。在实际使用中，S-GW和P-GW也可以合设。MME位于控制平面，负责控制会话的建立；S-GW是连接E-UTRAN的分组数据接口的终点，当终端在E-UTRAN中不同的eNode B间移动时，S-GW作为本地的移动锚点；P-GW是连接分组数据网络的分组数据接口的终点，作为连接外部分组数据网络的锚点，P-GW还支持策略增强功能以及分组过滤和增强的计费功能；HSS的功能跟HLR的功能基本相似，都是用于用户数据管理。
图2 EPC系统基本架构
EPC系统相关的标准是在3GPP R8阶段开始启动，按照3GPP SA2的计划，EPC系统的主要功能都在R8版本中规定，而其它次要的功能（如紧急呼叫，定位业务，电路域语音回落，SRVCC，eHomeNode B等）则放到R9版本中讨论。截止到2009年4月，STAGE3阶段的R8版本标准已经基本完成，目前的标准已经可以用于商用产品的开发和研究。
4 EPC系统与GPRS系统的比较
最初的EPC网络结构与目前2.5G的GPRS结构完全相同，但3GPP经过多次讨论，最终还是在EPC系统中采纳了GPRS系统的优化技术——Direct Tunnel。
从图3可以看出，EPC系统中的MME跟SGSN位置相似，同样位于控制平面；而S-GW是原来SGSN的用户面部分功能，P-GW则相当于原来的GGSN功能。因此，EPC结构和GPRS结构相比有许多新增的特点，但也有许多相似点。可以说，相同的点主要表现在宏观上，主要特性是相同的；不同点主要表现在微观上，实现上是不同的。
图3 GPRS系统中的Direct-Tunnel技术
（1）两者的相同点
●相似的体系结构与接口。比如MME相当于SGSN的控制平面部分，S-GW相当于SGSN的用户平面，P-GW相当于GGSN，HSS实现的是HLR功能，EPC网络内使用的主要协议依然是GTP协议。
●承载的体系结构类似。如EPS承载其实就是GPRS中PDP Context的概念，甚至两者都保持相同的最大数量，即网络中PDP Context或EPS Bearer的最大数量都为11个；另外，EPS中的缺省承载和专用承载其实跟GPRS中的Primary PDP Context和Secondary PDP Context是相对应的。
●在GPRS中，Primary PDP Context只能由UE来创建；在EPC中，Default Bearer也只能由UE来创建。
●基本的移动性管理与会话管理的流程都是一致的，如附着，TAU（对应于RAU），去附着，业务请求，承载的激活/修改/删除等。
（2）两者的不同点
●在GPRS系统中，控制平面与用户平面没有分离；而在EPC系统中，控制平面与用户平面分离，这也是软交换技术在EPC架构中的应用，这样的网络结构使得用户的数据传送时延缩短，操作维护也更加简单。
●真正的IP永远在线。GPRS不能提供真正的IP永远在线，也就是UE开机时，并没有分配一个IP地址及一个承载给UE；但在EPC中，UE开机后就分配一个IP地址，及一个缺省承载给UE，这样就能保证用户的永远在线。
●在GPRS中，第2个PDP Context只能由UE来创建，但可以由UE发起或网络发起；而在EPC系统中专用承载只能由网络来创建，这样更利于运营商控制用户的业务。
●QoS的控制不同。在EPC中，QoS只能由网络来提供，不能由UE来提供。UE与网络之间不能进行QoS的协商。UE不同意网络的QoS时，只能拒绝，不能协商。这样运营商才能对用户业务进行控制，不会由用户随意控制网络资源。
●GPRS系统不能与非3GPP接入系统进行互操作，不能保持业务的连续性，而EPC系统与非3GPP接入系统进行互操作，并保持业务的连续性。目前的EPC系统可以接入很多的非3GPP接入技术。
●位置区管理不同。传统的GPRS的UE只能注册到一个RAI上，而现在的EPC系统的UE是注册到多个TAI中，即TAI列表。由于位置区管理的不同，很多消息处理流程就不同了，如寻呼的区域也变化了。GPRS只能寻呼一个RAI，EPC可以寻呼多个TAI。
●用户标识的变化。GPRS中使用P-TMSI+RAI来进行路由，标识一个UE，而在EPC系统中只用一个GUTI就可以路由并标识出UE。在传统的GPRS中寻呼用户时是用P-TMSI，而在EPC中是用S-TMSI而不是GUTI来寻呼用户的。虽然EPC中的GUTI跟GPRS中的P-TMSI功能类似，但在GPRS中TMSI重分配只能进行P-TMSI的改变，而GUTI重分配可以进行GUTI的改变，还可以进行TAI列表的改变。
●GPRS系统只使用GTP协议，而EPC系统除支持GTP协议外，还支持PMIPv6协议及DSMIPv6和MIPv4-COAFA协议，而且EPC系统中的GTP协议版本是V2。
●EPC系统因为引入了PCC架构，计费和QoS策略管理得到进一步的加强，更加灵活；而在传统的GPRS中，PCC的控制功能很弱，通常只能在GGSN中配置一些静态的策略管理原则。
●为了避免频繁的位置更新流程，2G的GPRS与3G的GPRS（还包含CS域）的信令优化是通过共用SGSN（或MSC)并共用相同的RAI（或LAI)来实现，而在EPC系统中，ISR的信令优化是通过双注册的方式来实现。这样在EPC系统中很多消息流程发生了改变，如TAU过程中UE注册到MME后，HSS同时注册MME与SGSN，HSS不向旧的SGSN发送位置取消。这些特性相对于传统的GPRS而言是一个巨大的变化。UE也要同时保留P-TMSI与GUTI，同时还能在RAI与TAI列表所定义的区域中移动，不作TAU或RAU。从这方面说，ISR功能的出现将很多流程复杂化了。
●安全性能不同。GPRS系统不能很好地保护“重放攻击”，而现在的EPC系统具有很好的重放攻击保护的能力。对付重放攻击的方法是使用时间标识或序列号。重放攻击时，这些时间标识或序列是旧的，网络能够检测出旧的数据，从而发现这可能是攻击者而不允许接入。在EPC系统中就使用了序列号的保护方式，在UE发送给网络的消息中，必须加一个序列号，每个消息的序列均要比前面的序号大（比如＋１）。采用重放攻击保护，可以提高系统的安全性。
●容灾机制不同。GPRS系统中，SGSN的容灾机制有Iu-Flex方案，GGSN没有统一的方案，运营商采用的方法有1+1容灾和DNS轮询的方式；EPC中，则定义了负载均衡、负载重分配和过载控制机制等多种方案，容灾机制更加完善。
●状态模型不同。从分类看，两者都包括移动性管理状态模型，GPRS系统中另有PDP上下文状态模型，EPC另有会话连接状态模型；从模型内容看，每种模型中所包含的状态种类以及相对应的用户的实际状态以及含义都不一样了，比如UTRAN中的移动性管理模型有DETACHED，IDLE和CONNECTED 3种，LTE中的移动性管理模型有DEREGISTERED和REGISTERED。可以说，LTE/EPC中的状态模型更加简单、合理。
●HSS和MME间使用的是基于Diameter的协议，不同于HSS和SGSN间的MAP协议，但是消息名称和功能大体相似。
5 结束语
经过分析比较，可以说EPC系统是以GPRS系统为基础演进发展而来。EPC系统一方面继承了GPRS系统中的很多技术特征；另一方面，EPC系统在功能、性能和安全性等方面都较GPRS系统得到了提高和改进。但EPC系统也有部分流程因为引入新的特性反而复杂了，这也是在系统发展变化过程中不可避免的现象。
